开题报告-脉动送气MIG焊

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1、学士学位论文开题报告题 目： 脉动送气 MIG 焊对铝合金焊接工艺参数及焊缝成形 的影响研究院系： 材料科学与工程学院专业： 焊接技术与工程指导教师：生：学 号：开题时间:.毕业设计的内容和意义铝合金是工业中应用最广泛的有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船 舶及化学工业中已大量应用。特别是近些年来科学技术和工业经济的迅速发展，对铝合金焊 接构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究日益深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金 焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此，铝合金的焊接问 题成为现今焊接技术研究的热点之一。与钢的焊接相比，铝合金的焊接有其复杂的焊接特性：

2、 热导率和导电性高，凝固速率高，表面易形成氧化层，热膨胀系数高，容易形成气孔，凝固 温度范围较大。目前铝合金焊接方法中，熔化极氩弧焊（MIG焊）的自动化焊接具有高的生产 率和良好的适应性以及对表面母材氧化膜有阴极雾化处理作用，在铝合金焊接中得到广泛的 应用，因而改善和提高其焊接工艺是国防军事等工业发展的必然要求。为了控制金属凝固组织和提高金属材料性能,施加脉冲电流已成为在金属材料制备过程 中的重要物理场技术。结果表明,脉冲电流对铝合金凝固组织具有显著的细化作用, 且脉冲 电流频率的高低对其凝固组织将产生重要影响,在一定频率范围内,脉冲电流频率越高,晶粒 细化作用越明显类似地, 在铝合金变极性电

3、弧焊接过程中引入高频脉冲方波电流的复合作 用, 合理选择脉冲电流频率大小,就可能对铝合金熔池液态金属的凝固过程和组织结构产生 特殊作用，并可能改善和提高铝合金的焊接性能。类似地,研究脉动送气MIG焊对于改善和提 高焊接工艺也将具有积极意义。推测脉动送气MIG焊，应具有以下优点：1. 保护气体的吹力将对熔池起到搅拌作用，这对于排出气体和夹杂是很有利的，也有利于 得到致密而性能良好的焊缝。2. 有利于减少飞溅，节约保护气体，降低能耗，从而节约生产成本。3. 控制在相同的系统参数（包括：焊接速度、焊丝种类和直径、送丝速度、保护气体成分、 焊接电流及电压）下，采用脉动送气将有利于增大熔深，改善焊缝成形

4、，提高生产效率。因此准备通过与传统MIG焊焊接铝合金方法做对比，探究脉动送气MIG焊焊接铝合金对 于焊接工艺参数及焊缝成形的影响，进而改善和提高焊接工艺。二. 文献综述（1）MIG 焊接法在铝及铝合金焊接生产中的应用1 MIG 焊的基本概念熔化极惰性气体保护电弧焊，英文缩写为MIG焊。使用惰性气体可以是氩（Ar）、氦（He）、 或氩与氦混合。因惰性气体与液态金属不发生冶金反应，只起包围焊接区使之与空气隔离作 用，所以电弧燃烧稳定，熔滴向熔池过度平稳、安定、无激烈飞溅。这种方法最适用于铝 铜、钛等有色金属的焊接、也可以用于钢材，如不锈钢、耐热钢等焊接。2 铝及铝合金的化学和物理性能纯铝是银白色的

5、轻金属，密度2700kg/m3,约为钢的1/3。导电率较高，仅次于金、银、 铜居第四位。热导率均比钢大两倍左右。熔点为658C，加热融化时颜色无明显变化。塑性 和冷、热压力加工性能好，但强度低。纯铝的化学活泼性强，与空气接触时，就会在其表面 生成一层致密的 AL2O3 薄膜，这层氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蚀，但在碱类和含有 氯离子的盐类溶液中易被迅速破坏而引起强烈腐蚀。纯铝中杂质越少，形成氧化膜能力越强。 随着杂质的增加，其强度增加，而塑性、导电性和耐腐蚀性下降。铝合金是在纯铝中加入合 金元素如镁、锰、硅、铜、锌等材料后获得不同的金属材料。3 铝及铝合金焊接的特点铝及铝合金的焊接，必须掌握

6、其焊接特点及可能出现的问题，方能选择合适的焊接方 法和相应的工艺措施。3.1 需要保护效果好的焊接方法铝及铝合金具有极易氧化、容易生产氢气孔、合金元素易蒸 发和烧损的特点，这就要求采用保护效果好的焊接方法。3.2 采用热功率大、能量集中的焊接方法铝及铝合金的热导，电导性高，热容量大，焊接时 热损失大；焊接时在焊体中会产生较大热应力的变形，易形成热裂纹；热输入越大焊接后强 度、性能降低越严重，这就要求采用热功率大、能量集中的焊接方法。从以上分析可以看出MIG焊以保护效果好、热功率大成为铝及铝合金焊接的主要生产手 段。（2）铝及铝合金MIG焊焊接接头缺陷及防止措施铝及铝合金MIG焊时，焊接接头常见

7、的缺陷主要有焊缝成形差、裂纹、气孔、烧穿，未 焊透、未熔合、夹渣等。一、焊缝成形差。 焊缝成形差主要表现在焊缝波纹不美观，且不光亮；焊缝弯曲不直，宽窄不一，接头太多；焊缝中心突起，两边平坦或凹陷；焊缝满溢等。1产生原因：（1）焊接规范选择不当；焊枪角度不正确；焊工操作不熟练；导电嘴孔径 太大；焊接电弧没有严格对准坡口中心；焊丝、焊件及保护气体中含有水分。2. 防止措施：反复调试选择合适的焊接规范；保持焊枪合适的倾角；加强焊工技能培 训；选择合适的导电嘴径；力求使焊接电弧与坡口严格对中；焊前仔细清理焊丝、焊 件；保证保护气体的纯度。二、裂纹 铝及铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的，称

8、为热裂纹，又称结晶裂纹。其形式有纵向裂纹、横向裂纹（往往扩展到基体金属），还有根部裂纹、弧坑裂纹等等。裂纹 将使结构强度降低，甚至引起整个结构的突然破坏，因此是完全不允许的。1. 产生原因：焊缝隙的深宽比过大；焊缝末端的弧坑冷却快；焊丝成分与母材不匹配； 操作技术不正确。2防止措施：适当提高电弧电压或减小焊接电流，以加宽焊道而减小熔深；适当地填满 弧坑并采用衰减措施减小冷却速度；保证焊丝与母材合理匹配；选择合适的焊接参数、 焊接顺序，适当增加焊接速度，需要预热的要采取预热措施。三、气孔在铝及铝合金MIG焊中，气孔是最常见的一种缺陷。要彻底清除焊缝中的气孔是很难办 到的，只能是最大限度地减小其含

9、量。按其种类，铝焊缝中的气孔主要有表面气孔、弥散气 孔、局部密集气孔、单个大气孔、根部链状气孔、柱状气孔等。气孔不但会降低焊缝的致密 性，减小接头的承载面积，而且使接头的强度、塑性降低，特别是冷弯角和冲击韧性降低更 多，必须加以防止。1产生原因：气体保护不良，保护气体不纯；焊丝、焊件被污染；大气中的绝对湿度 过大；电弧不稳，电弧过长；焊丝伸出长度过长、喷嘴与焊件之间的距离过大；焊丝 直径与坡口形式选择不当；在同一部位重复起弧，接头数太多。2. 防止措施：保证气体质量，适当增加保护气体流量，以排除焊接区的全部空气，消除气 体喷嘴处飞溅物，使保护气流均匀，焊接区要有防止空气流动措施，防止空气侵入焊

10、接区， 保护气体流量过大，要适当适当减少流量；焊前仔细清理焊丝、焊件表面的油、污、锈、 垢和氧化膜，采用含脱氧剂较高的焊丝；合理选择焊接场所；适当减少电弧长度；保 持喷嘴与焊件之间的合理距离范围;尽量选择较粗的焊丝，同时增加工件坡口的钝边厚度， 一方面可以允许允许使用大电流，也使焊缝金属中焊丝比例下降，这对降低孔率是行之有效 的；尽量不要在同一部位重复起弧，老板娘重复起弧时要对起弧处进行打磨或刮除清理； 一道焊缝一旦起弧后要尽量焊长些，不要随意断弧，以减少接头量，在接头处需要有一定的 焊缝重叠区域。四、烧穿1产生原因：热输入量过大；坡口加工不当，焊件装配间隙过大；点固焊时焊点间距 过大，焊接过

11、程中产生较大的变形量；（4）操作姿势不正确。2.防止措施：（1）适当减小焊接电流、电弧电压，提咼焊接速度；加大钝边尺寸，减小根部 间隙；适当减小点固焊时焊点间距；焊接过程中，手握焊枪姿势要正确，操作要熟练。五、未焊透1产生原因：（1）焊接速度过快，电弧过长；坡口加工不当，装配间隙过小；焊接技术较 低，操作姿势掌握不当；焊接规范过小；焊接电流不稳定。2防止措施：（1）适当减慢焊接速度，压低电弧；适当减小钝边或增加要部间隙；使焊枪 角度保证焊接时获得最大熔深，电弧始终保持在焊接熔池的前沿，要有正确的姿势；增加 焊接电流及电弧电压，保证母材足够的热输入获得量；增加稳压电源装置或避开开用电高峰。六、未

12、熔合1产生原因：焊接部位氧化膜或锈未清除干净；热输入不足；焊接操作技术不当。2.防止措施：焊前仔细清理待焊处表面；提高焊提高电流、电弧电压，减速小焊接速度； 焊接时要稍微采用运条方式，在坡口面上有瞬间停歇，焊丝在熔池的前沿，提高焊工技术。七、夹渣1. 产生原因：焊前清理不彻底；焊接电流过大，导致电嘴局部熔化混入熔池而形成夹渣; 焊接速度过高。2. 防止措施：（1）加强焊接前的清理工作，多道焊时，每焊完一道同样要进行焊缝清理；在 保证熔透的情况下，适当减少焊接电流，大电流焊接时，导电嘴不要压得太低；适当降低 速度，采用含脱氧剂较高的焊丝，提高电弧电压。（三）脉冲电流铝合金 MIG 焊焊接的相关研

13、究焊接生产中，对薄板、热敏感材料结构、小直径管等易变形结构进行焊接时，采用普通 焊接方法及设备极易产生不可矫正的焊接变形。如果在焊接的过程中采用脉冲电流进行焊 接，由于焊接过存在基本和脉冲两种大小不同的电流，所以整个焊接过程平均电流值较低， 产热总量少，不但能减小焊接热影响区，使焊接变形得到有效控制，而且能在较少的总产热 量情况下增大峰值电流促进形成稳定的熔滴过渡同时缩小和冷却熔池，有利于易变形结构 的焊接同时十分有利于全位置焊接。相对于普通焊接电流，脉冲电源的焊接电流有以下几个特点：1. 电弧稳定性好:普通电弧焊在低电流时电弧挺度差、不稳定，而脉冲电流是在峰值、基值 之间周期性变化，虽然基值

14、电流时电弧挺度差，但其不稳定现象可以在脉冲电流时得到恢复， 尤其是脉冲电流频率增大，脉冲电流出现的次数随之增多，待出现热惯性滞后于电流的变化 时脉冲弧焊电源焊接电弧的挺度将保持在较高的水平。因此，脉冲焊接电弧的稳定性要好于 同一平均电流下的普通电弧。2. 电弧热输入低：焊接过程中，由于基本电流值较小，电弧在基本电流过中给予母材的热输 入小，因此在整个焊接过程中母材获得的热输入小于平均电流相同时的热输入。3. 电弧工艺参数可调节性好：由于焊接过程中的电流分为基本电流和脉冲电流两部分，且电 流波形频率、两部分之间的比率均可调节，因此脉冲弧焊电源可调节的工艺参数较多，通过 参数的合理调节，可以获得更

15、以控制的、可调范围更广的焊接电弧。从而实现更高质量的焊 接。4. 对熔池具有较强的搅拌作用，有利于焊接质量：在焊接过程中，由于脉冲电弧存在较小的 基本电流和较大的脉冲电流之间的变化，电流的变化造成电弧压力的变化，增强了电弧对熔 池的搅拌作用，使焊缝金属细密并有利于缺陷的消除。5. 裂纹倾向小：脉冲焊接电弧总体热输入少，基本电流时熔池冷却快，因此此焊接过程高 温停留时短，可减小材料产生热裂纹的倾向。(四) MIG焊焊接熔池影响因素的相关研究1. 电弧压力对MIG焊接熔池几何形状的影响,根据电弧物理的基本原理，提出了MIG焊接电流 密度在变形熔池表面上的分布模型, 在此基础上得到了电弧压力的计算模

16、型计算结果表 明,MIG焊接电弧压力在电弧中心线附近呈双峰分布，且双峰向电弧后方偏移，在离开电弧 中心线一定距离处变为单峰分布熔池的表面凹陷深度、隆起高度越大, 电流压力在电弧中心 线附近的双峰分布就越显著。2熔滴冲击力对MIG焊接熔池表面形状的影响，熔化极惰性气体保护电弧焊(Metal inert gas, MIG)焊接过程中，焊丝端头的熔滴过渡到熔池当中，向熔池传输热量、动量和质量。 熔池前部电弧正下方,熔池表面产生较大的下凹变形;而在熔池后部,液态金属堆积隆起, 高出焊件表面，凝固后形成焊缝余高。这是MIG焊接过程的重要特点。(五) 交流脉冲MIG焊的相关研究1.电弧焊焊接铝合金薄板时，

17、在形成适量母材熔化量的条件下，提高熔敷速度可以提高焊接 速度，进而避免出现烧穿、熔池下塌现象。 MIG 焊是高效率焊接工艺。直流且焊丝为正极性 的脉冲MIG (DCEPPMIG)焊，其焊丝熔化速度和焊接电流成正比关系。交流脉冲MIG (DCEP PMIG)焊焊接铝合金薄板时，若要求加大熔敷速度，相应就需要提高焊丝熔化速度，也就是 需要提高焊接电流；提高了焊接电流，就会加大焊接熔池，容易出现烧穿及熔池下塌现象。 焊接铝合金薄板时，要求焊缝熔深浅，为此要求焊接电流小；焊接电流小将导致焊丝的熔化 速度低；由于焊接过程要求形成合适的焊缝成形，所以需要相匹配的熔敷速度，这样就需要 降低焊接速度；降低了焊

18、接速度，将加大焊缝熔深，同样会出现烧穿及熔池下塌现象。以上 所述就是MIG(DCEP PMIG)焊焊接铝合金薄板时存在的问题。为此，需要研究焊接铝合金 薄板的电弧焊焊接工艺，在控制形成浅焊缝熔深的同时，形成较高的熔敷速度，这样可以提 高焊接速度及焊接质量。相关实验表明：(1) 在送丝速度及焊接速度一定的条件下，DCEP PMIG焊即AC DCEP PMIG焊的EN% (负极 性比率)等于零时，焊接电流最大，焊丝熔化系数最小，焊缝熔深最大；AC DCEP PMIG焊， 随着EN%增加，(形成一定熔敷速度的)焊接电流减小，焊丝熔化系数增加，焊缝熔深明显 减小。(2) 在焊接电流及焊接速度一定的条件

19、下，DCEP PMIG焊即AC DCEP PMIG焊的EN%等于零 时，焊缝熔深最大，焊丝熔化系数最小，熔敷速度最小；AC DCEP PMIG焊，随着EN%增加， 焊缝熔深减小，焊丝熔化系数增加，熔敷速度也增加。2. 高强铝合金因其优良的性能广泛应用于航空、航天等诸多领域。 电弧焊接加工作为其关 键制造工艺之一, 采用常规电弧焊接方法时, 2219 铝合金接头软化严重且气孔倾向性大 , 严重制约了其实际工程推广应用 , 改善和提高其电弧焊接性能是国防军事等工业发展的必 然要求。为了控制金属凝固组织和提高金属材料性能, 施加脉冲电流已成为在金属材料制备 过程中的重要物理场技术。结果表明, 脉冲电

20、流对铝合金凝固组织具有显著的细化作用, 且 脉冲电流频率的高低对其凝固组织将产生重要影响 , 在一定频率范围内, 脉冲电流频率越 高,晶粒细化作用越明显。类似地, 在铝合金变极性电弧焊接过程中引入高频脉冲方波电流 的复合作用, 合理选择脉冲电流频率大小 , 就可能对铝合金熔池液态金属的凝固过程和组 织结构产生特殊作用,并可能改善和提高铝合金的焊接性能。为此, 开发了一种新型超快速 变换复合高频脉冲方波变极性TIG电弧焊接方法，并将其应用于2219高强铝合金的焊接过 程, 试验研究高频脉冲电流频率对焊缝组织和力学性能的影响规律 , 改善并提高其焊接质 量， 将具有极其重要的工程应用价值和实际意义

21、。相关实验表明：（1）采用超快变换复合高频脉冲方波变极性TIG焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接, 高频脉冲方波电流频率大小对2219-T87铝合金焊接接头的微观组织产生了重要影响，当脉 冲电流频率达超音频段时, 在焊缝中部存在一种呈带状分布的细小等轴非枝晶组织, 并与 等轴树枝晶组织交替分布, 晶粒组织明显细化。（2）保持咼频脉冲方波电流幅值和占空比大小不变在一定范围内提咼脉冲电流频率，可 显著减小2219-T87高强铝合金HPVP-TIG焊缝的熔合区宽度，并降低熔合区内最低硬度区 域的宽度， 但对接头软化区的影响作用不明显。（3）高频脉冲方波电流可显著提高2219-T87高强铝合金

22、HPVP-TIG焊缝的力学性能。在一 定范围内提高脉冲电流频率可明显改善和提高接头的塑性， 但对焊接接头强度的影响作用 并不明显。 与未加入脉冲电流作用相比 ， 在焊态条件下 ， 脉冲电流频率 60 kH z 时， 2219-T87铝合金焊接接头抗拉强度和断后伸长率分别增加约17. 6%和66%。三. 工作计划一，工作计划：（1）查阅相关文献资料，准备毕业设计开题报告。时间：2011 年 1 月-2011 年2 月（2）进行毕业设计实验阶段的设计。时间：2011 年3 月-2011年 4月（3）控制系统参数相同分别采用脉动送气及连续送气进行 MIG 焊焊铝合金试验，对相关工艺参数及焊缝成形作对

23、比分析。时间：2011 年 5 月-2011 年 6 月4）进行最终实验结果分析与研究。时间：2011 年 6 月-2011 年 7 月5）后期整理工作，书写毕业论文、准备毕业答辩时间：2011 年 6 月-2011 年 7 月四. 参考文献1 张力，张振宇.MIG焊接法在铝及铝合金焊接生产中的应用J.城市车辆，2009,062 孙俊生，武传松电弧压力对MIG焊接熔池几何形状的影响J.金属学报，2010，043 孙俊生，武传松.焊接热输入对MIG焊接熔池行为的影响J.中国科学E辑，2002.044 杭争翔，殷树言，宋政.交流脉冲MIG焊接铝合金薄板的工艺特性J.焊接学报, 2004,025 从

24、保强 ，齐铂金 ，李伟 ，杨明轩. 脉冲电流频率对2219铝合金焊缝组织性能的影响 J.焊接学报，2010,096 逯志亮脉冲弧焊电源的特点及应用J.硅谷，2010,237 武传松，L.Dorn.熔滴冲击力对MIG焊接熔池表面形状的影响J.金属学报，1997,078 杨柏，许良红，彭云，田志凌，张晓牧.高强铝合金的MIG焊焊接工艺J.焊接技术, 2008,049 许良红，田志凌，彭云，张晓牧.高强铝合金的MIG以及激光_MIG焊接工艺对比J. 焊接学报， 2007,0210 王旭友，王威,林尚扬焊接参数对铝合金激光_MIG电弧复合焊缝熔深的影响J.焊 接学报， 2008,0611 李敬勇，章明

25、明，赵勇，林铸明铝合金MIG焊焊缝中气孔的控制J.华东船舶工业学院学报（自然科学版），2004， 0512 周桂芬.铝合金MIG焊接工艺试验与分析J.金属铸锻焊技术，2009,0913 陆志强，华学明，李芳，吴毅雄铝合金P_MIG焊接技术的研究现状J.电焊机， 2009,0714 陈东高，刘宏伟，谭兵沈莹吉，王法科，程朝丰，吕绯中厚度7A05铝合金MIG焊 接工艺研究J.兵器材料科学与工程，2009,0615 王威,王旭友,秦国梁,雷震铝合金激光_小功率脉冲 MIG 电弧复合热源焊接特性分析J. 焊接学报， 2007， 0816 雷祥，单际国，郑世卿，陈武柱，任家烈.焊接工艺对6005A铝合金

26、激光_MIG复合焊 焊缝成形的影响J.焊接2008,0717 余阳春.YAGMIG复合焊接ZL_114A铝合金的接头组织与性能研究J.激光技术， 2008,3218 范成磊，杨春利，程士军，国旭明.2519高强铝合金双丝MIG焊接接头时效弱化研究J.焊接，2005,1119 B.Y. Kanga, *, Yarlagadda K.D.V. Prasadb, M.J. Kanga, H.J. Kima, I.S. Kimc.The effect of alternate supply ofshielding gases in austenite stainlesJ.Journal of Materials Processing Technology2009,0920 B.Y. Kanga, *, Yarlagadda K.D.V. Prasadb, M.J. Kanga, H.J. Kima, I.S. Kimc, *.Characteristics of alternate supply of shielding gases in aluminumGMA weldingJ.Journal of Materials Processing Technology2009,09