波形参数对高速CMT焊接稳定性及焊缝成形影响的研究

摘要

冷金属过渡焊（Cold metal transfer welding，CMT焊）是一种新型的焊接技术，为薄板高速焊提供了良好的解决方案。在其他学者工作的基础上，本文研究了CMT焊电流波形参数对焊接稳定性特别是高速CMT焊稳定性和焊缝成形的影响，对于认识CMT焊的物理过程、扩大焊接工艺窗口、提高焊接生产效率具有重要意义。
　　本实验采用背光阴影法对焊接过程熔滴过渡、电弧、熔池进行拍摄并同步采集了焊接电参数，针对CMT焊电流波形，特别是峰值电流Ib和峰值持续时间tb展开了一系列实验，实验结果表明峰值持续时间tb能够显著影响熔滴重量（熔滴尺寸）、过渡频率、电弧能量分布和焊缝成形，而电流峰值大小Ib对上述参量的影响较小。采用概率统计的方法，分析了上述两个波形参数对CMT焊接过程中各个阶段持续时间概率分布的影响规律，发现当tb设定为1.6～3.6ms时能够获得稳定的焊接过程;低于或高于这个范围，焊接过程不稳定，出现异常长或异常短的短路过程。结合熔滴过渡图像和相应的电参数，分析了异常的CMT短路过程，指出tb较小时，液态金属温度低，粘度大，液态金属粘连在焊丝上，使液态小桥拉断困难，导致异常长的短路过程;tb较大时，熔滴尺寸大，需要过渡到熔池中的金属量增多，使短路过程过长，而此时的瞬态短路现象使短路过程异常短。
　　设计了焊接工艺正交实验，对不同平均送丝速度下高速CMT焊波形参数进行了优化;采用综合分析法，对正交实验结果进行了评价，结果表明峰值送丝速度对焊缝成形的影响最大，Ib的影响最小。优化了工艺参数，最高焊速可达2.1m·min-1。结合焊接过程各个阶段持续时间的概率分布和U-I相图分析了波形参数对焊接稳定性的影响，通过焊接过程熔滴过渡图像，分析了高速CMT焊过程特有的“粘丝”现象，峰值送丝速度过快、熔池稳定低，高速焊下熔滴后拖是“粘丝”产生的原因。
　　提高熔池温度、加快焊丝熔化能够抑制甚至消除CMT高速焊“粘丝”现象，因而提出了外加热源辅助的CMT复合焊的策略，初步探讨了CMT+STT、CMT+GMAW-S复合焊的可能性。分析了两种复合焊策略下的焊缝成形、熔滴过渡特点和辅助热源下CMT焊接过程的稳定性。在复合焊情况下，最高焊速可提高到2.4 m·min-1，焊速提高明显，显著提高焊接效率。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题目的与意义

1．2 CMT技术国内外研究现状

1．2．1 CMT焊接原理和特点

1．2．2 CMT焊接研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 实验材料、设备及方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．2．1 CMT焊接电源

2．2．2 焊接执行机构

2．2．3 图像-电参数同步采集系统

2．3 分析手段及方法

2．3．1 熔滴尺寸的计算

2．3．2 送丝速度的测量

2．3．3 焊缝形状的测量

2．4 本章小结

第3章 波形参数对CMT焊接过程影响的研究

3．1 CMT焊接过程分析

3．2 波形参数对CMT焊过渡频率的影响

3．3 波形参数对熔滴尺寸的影响

3．4 波形参数对CMT焊各阶段持续时间的影响

3．4．1 峰值电流Ib对各阶段持续时间的影响

3．4．2 峰值持续时间tb各阶段持续时间的影响

3．5 波形参数对电弧能量分配的影响

3．6 本章小结

第4章 CMT高速焊焊接行为研究

4．1 正交实验的设计

4．2 焊接效果的评价指标

4．3 平均送丝速度5m·min-1的实验结果及分析

4．3．1 焊缝成形质量的分析

4．3．2 正交实验结果的分析及评价

4．4 平均送丝速度8m·min-1的实验结果及分析

4．4．1 焊缝成形质量的分析

4．4．2 正交实验结果的分析及评价

4．5 高速焊最高焊速分析

4．6 高速焊过程稳定性分析

4．6．1 高速CMT焊熔滴过渡频率

4．6．2 焊接过程各阶段的概率分布和U-I相图

4．6．3 “粘丝”原因的分析

4．7 本章小结

第5章 “粘丝”过程的抑制措施

5．1 CMT+STT复合焊

5．1．1 复合焊焊缝成形分析

5．1．2 复合焊焊接稳定性分析

5．1．3 复合焊熔滴过渡过程分析

5．2 CMT+GMAW-S复合焊

5．2．1 复合焊焊缝成形分析

5．2．2 复合焊焊接稳定性分析

5．3 本章小结

第6章 结论

附录

参考文献

致谢