毕业设计（论文）等离子弧焊接系统的微机控制

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1、山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文I目目 录录目目 录录.I摘要摘要.IIABSTRACT .III第一章第一章 绪论绪论.11.1 选题意义选题意义.11.2 穿孔等离子弧焊的发展历史穿孔等离子弧焊的发展历史.21.3 穿孔等离子弧焊的研究现状穿孔等离子弧焊的研究现状.21.4 研究方案研究方案.41.4.1 总体方案 .41.4.2 本论文的主要目的 .6第二章第二章 实验设备简介实验设备简介.72.1 小孔等离子弧焊机原理小孔等离子弧焊机原理.72.1.1 等离子弧的产生与类型 .72.1.2 等离子弧焊机的设备原理图 .82 2.2 Fronius 等离子焊接设备简介等离子焊接设

2、备简介.82.2.1 设备概况 .82.3 ROB4000.92.4 PCI2013 数据采集卡数据采集卡.112.5 工作流程简介工作流程简介.12第三章第三章 实验方法及其数据处理实验方法及其数据处理 .133.1 工艺试验工艺试验.133.2 等离子弧焊接参数简介等离子弧焊接参数简介.133.3 试验过程中设备出现的问题以及解决方法试验过程中设备出现的问题以及解决方法.143.4 连续焊工艺参数分析连续焊工艺参数分析.143.5 脉冲焊工艺参数分析脉冲焊工艺参数分析.19第四章第四章 结论结论.23参考文献参考文献.24致谢致谢.25山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文II等离子弧焊

3、接系统的微机控制等离子弧焊接系统的微机控制摘要摘要等离子弧焊中，压缩的等离子弧被用作集中的能量源来熔化工件，由于等离子焊过程的高能量密度和高速等离子流，等离子弧焊可以产生比钨极氩弧焊更深的熔深，更小的热影响区，因此被用于许多重要设备的焊接上。但是，由于需要人工控制，限制了等离子弧焊接的自动化使用，因此，如何利用微机控制便成为提高其焊接速率的重要环节。本文基于最先进的 Fronius 焊机，首先掌握等离子弧焊接系统的工作原理，了解 ROBO4000 以及 PCI 数据采集卡的使用说明。其次安装和调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与 ROBO4000 相连，安装 PCI 采集卡，研制出计算机控制

4、的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调整。最后开展等离子弧焊接工艺实验，得到一系列工艺参数，检测系统运行的稳定性，可靠性。从而实现等离子焊接的微机控制，为等离子焊接的自动化做了前提工作。关键词关键词：等离子弧焊接 微机控制 自动化 工艺参数 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文IIIComputer Control of PAW SystemAbstractIn PAW, constringent plasma arc is concentrated to melt the pieces. Because of the high power density and high

5、velocity plasma in PAW, PAW could produce deeper penetration, smaller HAZ than GTAW. So PAW usually is always used for weld of many important fixture. But because the PAW needs manual control, the PAW is constricted for auto welding, and using computer to control the welding process of PAW become im

6、portant in promoting the welding velocity.In this paper, author mastered how the PAW system works and had a good understanding of ROBO4000 and data-acquiring card PCI2013 based on the advanced welding machine Fronius. On the other hand, the author fixed and debugged PAW machine, connected Fronius we

7、lding machine with ROBO4000, set PCI card, and developed the welding system based on computer control to realize discretional adjusting and design of the wave of weld current.At last, the author performed the experiments based on PAW and achieved a series of experiment data to test the stability and

8、 reliability of the system. So the work of this paper is a base for the welding automation. Keywords: PAW computer control automation welding parameters山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文1第一章第一章 绪论绪论1.1 选题意义选题意义等离子弧焊（PAW）工艺是在普通钨极氩弧焊（GTAW）的基础上发展起来的一种高效电弧焊方法。由于等离子弧具有能量密度集中、射流速度大、等离子流力强的特性，等离子射流可以直接穿透被焊工件，形成一个贯穿工件厚度方

9、向的小孔（keyhole） 。因此，小孔等离子弧焊与激光焊、电子束焊同被归类为高能量密度焊接【1】。对于激光焊，设备比较昂贵，设备运行成本较高，光斑小，对装配精度要求高，工业常用大功率 CO2激光加工器其激光波长 10.6m，无法用光纤传输导致加工柔性差。金属对激光具有较高反射率，尤其是有色金属，给激光焊接带来困难。激光小孔焊时产生的等离子体（激光维持燃烧波）对激光有较高的吸收率，对焊接质量产生影响。电子束焊，需要在真空的条件下焊接，在很大程度上限制了其在工业中的应用。进入 21 世纪，航天航空制造业对焊接技术提出了更高的要求，人们在追求低成本高强度的焊接结构时对穿孔等离子焊接产生了新的兴趣2

10、。等离子弧能量密度高、射流速度大、等离子流力强3，穿孔等离子弧焊接（K-PAW）时等离子弧穿透工件形成小孔，随着小孔的闭合形成焊缝。对于国防工业中常用金属材料如高强钢、高温合金、钛合金、不锈钢等，在中厚度（310mm）范围与钨极氩弧焊相比，PAW 具有更好的工艺焊接性，接头内部缺陷降低、焊件变形小、焊接效率提高。 “单面焊接双面成形”是 K-PAW 型的典特征，特别适合密闭容器、小直径管焊接等背面难于施焊的结构件焊接2。等离子弧独特的物理特性，也为小孔等离子弧焊接带来了一些问题：等离子弧的稳定性差，对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，导致小孔的稳定性差，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄，可

11、调裕度小，这些问题制约了该工艺在工业中的大量应用。针对受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接，研究小孔形成和闭合的焊接工艺条件，对于获得稳定的小孔，从而保证焊接质量，具有重要意义4。相关研究课题的最终目标是研发出受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接工艺与设备，本论文是研究工作的第一步，首先研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文2形的任意设计与调整，为相关研究工作搭建试验平台。1.2 穿孔等离子弧焊的发展历史穿孔等离子弧焊的发展历史1954 年，美国 Union Carbide 公司的 Robert Gate 发现，经过压缩的电弧能量密度更加集中，电弧温度和射流速

12、度大幅度提高。这种具有高温、长弧柱特性的拘束态电弧很快被用于切割有色金属，随后进一步的试验研究证实，这种压缩电弧也可用于焊接5。等离子弧焊刚一问世，就得到工业界的极大关注，尤其是国防与航空航天工业。1966 年，美国 Lin de 公司与 Westinghouse 电器公司合作开发研制了一套自动化等离子弧焊设备，用于焊接直径为 3m、壁厚为 9.5m、材料为 D6AC 钢的大力神C 火箭助推器壳体，这标志着等离子弧焊正式应用于实际产品的生产。原来采用 TIG 焊需要一层封底焊和 34 层填充焊，采用等离子弧焊只需 1 层穿透焊和 1 层盖面焊，焊接工时缩短 50，而且焊接质量要优于 TIG 焊

13、。其他的应用实例还有 B-1 轰炸机主翼机匣、RB-211 喷气发动机中心压气机壳体、直升机浆叶圆柱大梁、钛合金机翼蒙皮、高强钢筒形蓄压器等。60 年代初期美国 Thermal Dynamic 公司首先采用直流反极性等离子弧焊进行了铝合金焊接试验，与 TIG 焊相比，等离子弧焊的生产效率和焊接质量都明显提高，但钨极烧损严重，电弧的稳定状态容易受到破坏。70 年代初期美国波音公司的 B.P. Van Cleave 采用西雅基公司制造的变极性方波电源开发出变极性等离子弧焊工艺，随后 Hobart Brothers 公司根据等离子弧焊工艺要求，设计制造了第 1 台变极性等离子弧焊电源。自此，变极性等

14、离子弧焊（VPPAW）技术以其特有的工艺优势在铝合金构件焊接中得到广泛应用。1978 年，美国 NASA 宇航局马歇尔宇航中心购买了由 Hobart Brothers 公司制造，专用于铝合金焊接的大功率变极性等离子弧焊系统，并决定采用变极性等离子弧焊取代钨极气体保护焊用于航天飞机外储箱的焊接，这一举措推动了等离子弧焊工艺、设备及焊缝成形与焊接质量控制等一系列壳体研究的深入开展【6】。1.3 穿孔等离子弧焊的研究现状穿孔等离子弧焊的研究现状等离子弧独特的物理性能，也为穿孔等离子弧焊带来了另一方面的问题：焊接质量稳定性差，这已成为制约等离子弧焊工业应用进程及其自身技术发展山东大学学士学位论文山东大

15、学学士学位论文3的主要障碍。穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性差最直观的表现由 2 个方面：焊接过程中等离子弧的稳定性差，等离子弧仍属于一种气体放电现象，自由电弧的能量状态回收到气体成分、电极状态、焊接材料等多种不可控或完全不可控因素的影响，对于具有高能量密度的等离子弧来说，这种影响作用更为显著，因而等离子弧对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，规范参数的波动、现场的干扰及焊枪的性能对等离子弧的稳定性影响很大，获得良好接头质量的合理规范参数区间窄、裕度小，在大电流强压缩条件下易出现双弧。焊缝成形的稳定性差，对于厚板穿孔等离子弧焊，这一问题尤为突出。影响焊缝成形稳定性的因素很多，如等离子弧的稳定性、熔池

16、液态金属的流动性、穿孔熔池受力状态及平衡性等。自 70 年代开始，焊接工作者在穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性的影响因素及作用规律，提高焊接质量稳定性等方面开展了大量研究工作，并提出了一些具体的措施和方法。归纳起来主要有一下几个方面：(1)采用弱等离子弧焊工艺 如小的钨极内缩量、大的喷嘴孔径或气动压缩等工艺措施，降低等离子弧的压缩程度，克服双弧，以提高焊接过程的稳定性(2)采用分体结构喷嘴 既避免产生双弧，又保证了等离子弧的强压缩特性。(3)减小等离子弧焊接参数的波动 尽可能稳定焊接工艺和规范参数(4)采用低频脉冲焊工艺 规律性的低频脉冲电流不仅可以更有效控制热输入量，而且可以减弱工艺参数波动对焊

17、接过程稳定性造成的不利影响。(5)实现焊接质量的实时闭环控制 通过专用传感器检测与焊接过程稳定性相关的特征信号，并反馈到焊接参数调节系统。其中(1)，(2)通过调整焊枪结构，以克服双弧为主要目的，或采用弱等离子弧焊工艺，以牺牲等离子弧的压缩性能为代价；或采用特殊结构的喷嘴，却增大了焊枪的尺寸。(3)、(4)对于提高等离子弧的稳定性具有一定的效果，易于实现，也是当前工业界广泛采用的方法，但这 2 种方法的作用效果有限。(5)是公认的提高焊接质量稳定性最有效的方法。进入 90 年代以来，随着等离子弧焊设备整体性能水平的不断提高，包括焊山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文4枪的性能和焊接电源的性

18、能，微型计算机及先进的控制技术在焊接设备中应用越来越广泛，等离子弧稳定性问题在很大程度上得以改善，因而，在穿孔等离子弧焊过程中，利用先进的控制技术，进一步提高焊接自动化程度，以及实时控制焊缝成形质量，必然是今后的研究发展重点。1.4 研究方案研究方案1.4.1 总体方案总体方案对于穿孔型脉冲等离子弧焊建立闭环控制系统来对焊接电流进行实时控制，闭环控制系统包括：电脑，PCI2013 数据采集卡，ROB4OOO,等离子焊机，传感器等。利用这套闭环控制系统调节出所需要的焊接电流波形，保证小孔的形成和闭合，提高焊接质量。系统总体结构框图见图 1： ROB4000数据卡 D/A,A/D转换电脑等离子焊机

19、信号处理器 工件传感器图 1 闭环控制系统的示意图当等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成穿透工件的小孔时，迅速将焊接电流降低到较低的水平，此时热输入和等离子流力不足以维持小孔的存在，小孔将迅速闭合，熔池体积收缩，这将防止液态金属被吹离工件造成烧穿。然后，焊接电流再次增加到较高的水平，小孔重新形成。通过周期性地“小孔形成”和“小孔闭合”来维持一种动态平衡，保证在最低的热输入状态山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文5下获得完全熔透。系统工作原理见图 2： 图 2 小孔形成过程的示意图正如上图所示，在焊接电流变化波形的一个周期中，当焊接电流在峰值持续一段时间即 t1 到 t2 时刻之后

20、，焊接电流变减小，当焊接电流值减小到 t3 时刻时，工件上小孔正好穿透工件。接着随着电流的继续减小，热输入也相应的减小，在 t3 到 t6 这段时间内，小孔慢慢变小，直至闭合。t5 到 t6 这段时间是基值电流时间。而 t6 又是下一个周期的开始，所以建立这样的焊接电流波形，可以保证相邻两个脉冲所形成的熔池连续。采用这种脉冲焊的方式有效的控制了热输入量【89】。山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文61.4.2 本论文的主要目的本论文的主要目的基于最先进的 Fronius 焊机，掌握等离子弧焊接系统的工作原理，安装和调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与 ROBO4000 相连，安装 PCI

21、 采集卡，研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调整，开展等离子弧焊接工艺实验。将焊接试件切割出试样，经加工处理和腐蚀，拍摄等离子弧焊缝截面宏观照片，测试出不同工艺条件下的焊缝尺寸。在明了等离子弧焊接技术的基础上分析相关实验数据，得到一系列工艺参数，检验微机控制的等离子弧焊接系统运行是否稳定，可靠。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文7第二章第二章 实验设备简介实验设备简介2.1 小孔等离子弧焊机原理小孔等离子弧焊机原理2.1.1 等离子弧的产生与类型等离子弧的产生与类型 现代物理学认为等离子体是除固体、液体、气体外物质的第四种形态。它是充分电离了的气体，由带

22、负电的电子、带正电的正离子及部分未电离的、中性的原子和分子组成4。产生等离子体的方法很多。目前，焊接领域中应用的等离子弧实际是一种压缩电弧，是由钨极气体保护电弧发展而来的，电弧受到“机械压缩” 、 “热压缩”和“电磁收缩”电弧在三种压缩效应的作用下，直径变细、温度升高、气体的离子化程度升高、能量密度增加13。最后与电弧的热扩散作用相平衡，形成稳定的压缩电弧。这就是工业中应用的压缩电弧。按照不同的接线方式和工作方式，焊接领域中应用的等离子弧可分为非转移弧、转移型和联合型等离子弧三类，如图: 图 3 等离子弧模式 非转移的等离子弧，焊接电源的负极接在钨极上，正极接在焊枪的喷嘴上。等离子弧产生在钨极

23、和喷嘴孔壁之间。转移型等离子弧。焊接电源的负极接于钨极，正极接于工件。等离子弧先在钨极与喷嘴间产生，然后转移到钨极与工件之间3。山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文82.1.2 等离子弧焊机的设备原理图等离子弧焊机的设备原理图等离子弧焊接设备主要包括焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统等。根据不同需要有时还包括送丝系统、机械旋转系统或行走系统及装夹系统等。如图所示：2 图 4 等离子弧焊接设备组成22 2.2 Fronius 等离子焊接设备简介等离子焊接设备简介2.2.1 设备概况设备概况此次试验所用焊机为奥地利产的 Fronius 焊机，它是一种多功能焊机，通过不同的组合可以用于

24、钨极氩弧焊（TIG） 、熔化极气体保护焊(GMAW)、等离子弧焊（PAW）等。具有组合方便、调节简单、专家参数实用等特点。做为等离子弧焊接，主要设备包括焊接电源（TPS5000） 、等离子发生装置(Plasma Modul)、冷却系统、焊枪、行走系统及控制盒 FCU-9-R、遥控装置(RCU2000)等4。下图 5 为 Fronius 焊机的整体照片山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文9图 5Fronius 焊机 包括水箱、焊机电源、等离子发生器、行走设备等2.3 ROB4000 ROB 4000 主要是等离子焊机与电脑连接的接口，主要功能是把电脑上任意的焊接电流波形传递给等离子焊机。以实

25、现电脑对等离子弧焊接过程中对焊接电流的控制，从而提高焊接质量。ROB4000 的接线图如下所示： ROB4000ROBOT welder X2：4 arc on (起弧) X2：5 quick stop(急停) X2：7 gas test(检气) X14：2 welding simulation(焊接模拟) X12：2 GND以上为控制焊机的数字信号 + X2：1 24V 焊接电流X2：8 + X2：224V 自定义参数X2：9山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文10 + X14：324V 基值电流X14：13 以上为控制焊机的模拟信号 X2：12 arc stable(引弧成功) X2：

26、13 防撞开关 X2：14 power source ready(焊机准备好)以上为焊机给机器人的数字信号 X2：13 + 24V 焊接电流显示 X2：10 等离子模块上的机器人接口ROBOT WELDERA GNDB 急停C 引导弧起弧D +24V E 等离子气调节(模拟量) + F GNDG 等离子气流量显示(模拟量) _H GNDI 空J 空 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文11上图中的符号 GND 表示接地。2.4 PCI2013 数据采集卡数据采集卡PCI2013 卡是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一 PCI 插槽

27、中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。PCI2013 板上装有 12Bit 分辨率的 A/D 转换器和 12 位 D/A 转换器。为用户提供了 16 双/8 单的模拟输入通道和 2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经硬件增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度,A/D 和 D/A 转换器信号范围:5V、10V、010V。其主要功能包括：电子产品质量检测、信号采集、过程控制、伺服控制等。PCI2013 数据采集卡的示意图如下： 图 6 PCI2013 数据采集卡的示意图XS1：模拟量信号输入引线插座XS2：开关量输入信号引线

28、插座XS3：开关量输出信号引线插座RP1：A/D 电路单极性零点调整电位器RP2：A/D 电路双极性零点调整电位器山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文12RP3：A/D 电路满度调整电位器RP4：D/A1 输出电压满度调整电位器RP5：D/A0 输出电压满度调整电位器RP6: D/A输出电压零点调整电位器XF1、XF2、XF3：模拟电压输入单端、双端选择XF4：模拟电压输入量程选择XF7、XF8、XF9、XF10：D/A 输出极性选择XF5、XF6：D/A 输出量程选择XF11：时钟源接线管脚（1=OUTCLK， 2=GND， 3=INCLK）2.5 工作流程简介工作流程简介1. 连接各处

29、导线，包括气路、水路、电路等。2. 打开电源。注意顺序为先开水箱、再开电源和等离子发生器。如果水路不通畅，焊枪不能启动。3. 打开气瓶，注意控制离子气和保护气流量4. 开始焊接时，通过电源的控制面板和遥控器 RCU2000 来调节电流、引弧时间、占空比等参数。通过 FCU-9-R 控制小车行走和引弧熄弧4山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文13第三章第三章 实验方法及其数据处理实验方法及其数据处理3.1 工艺试验工艺试验利用 6mm 不锈钢 0Cr18Ni9 焊接，探索合适的焊接工艺参数.考察所设计系统运行的可靠性。在选定的工艺条件下，探索受控脉冲穿孔等离子弧焊接的工艺参数范围。另外，也做

30、了部分 8mm 板厚的试验，得出了较理想的焊接工艺参数。3.2 等离子弧焊接参数简介等离子弧焊接参数简介(1)(1)焊接电流及焊接速度焊接电流及焊接速度在喷嘴直径确定以后，等离子弧焊接参数主要有焊接电流、焊接速度、等离子气流量和钨极内缩。其中焊接电流和焊接速度直接影响向焊缝输入的线能量，从而影响焊缝成形。线能量的大小与焊接电流和焊接电压的乘积成正比，与焊速成反比。在钨极内缩、喷嘴孔径、孔道外弧长确定的情况下。焊接电压基本确定。所以线能量随焊接电流的增加而增加，随焊接速度的增加而减少。线能量增加时，焊缝的熔深和焊宽增大;反之减小。对于一定的板厚和一定的等离子气流量，焊透钢板所需要的线能量有一定范

31、围。在此范围内，对应一定的焊速，可以找到一定的焊接电流使等离子穿透焊得以进行。焊接速度增加，获得良好成型所需要的焊接电流也增加。如果速度太快，会焊不透；电流太大会产生烧穿6。(2)(2)等离子气流量及钨极内缩等离子气流量及钨极内缩如果焊速固定，随着等离子气流量的增加，进行穿透焊所需要的焊接电流减少。等离子气流量增加，焊缝变窄。这是因为等离子弧的压缩强度增大了的缘故。过大的等离子气流量会使焊缝金属吹落，不宜进行焊接。等离子气流量应该根据焊透方式选取。进行穿透焊时等离子气流量较大，一般为 2.5-6 L/min.熔透焊的等离子气流量较小，一般为 1-2.5 L/min。钨极内缩的影响和等离子气流量

32、相当。当钨极内缩增加时，进行等离子弧穿透焊所需要的焊接电流有所减少、或焊接速度有所增加7。(3)(3)等离子气和保护气等离子气和保护气等离子气：等离子弧焊接用的等离子气有氩气和氦气。氩气在平焊和角焊位置焊接可用较小的流量获得良好的保护效果。但在仰焊位置焊接则需要较大山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文14流量才行。氩气等离子弧柔和、引弧容易、电弧稳定，但电弧电压较低，产生的热量较少，焊速较低，熔深较浅。实验中选择焊接用氩气。保护气：等离子弧焊接采用的保护起有氩气、氮气、二氧化碳、氩+氢混合、氩+二氧化碳混合气等。不同材料选择不同气体。实验中选择氩气做保护气体6。3.3 试验过程中设备出现的

33、问题以及解决方法试验过程中设备出现的问题以及解决方法1、主要问题：(1)在焊接过程中出现的最常见的问题为焊机不引弧。表现为只产生非转移弧，无法引出转移弧。通过对焊机结构的分析找到问题的解决办法。主要原因有四个： a 控制电路问题。在电路控制装置 ROB4000 上 Arc on 的控制灯一直不亮，于是判断控制线路为断路。通过排查发现数据线连接处有三处线接触不良。用焊锡将其连接，引弧电路为通路，问题解决。b 钨极问题。此问题出现在实验后期。在确定线路为通路的基础上观察钨极，发现钨极由于使用时间过长出现烧损，钨极的锥头已经不再是锥形。打磨钨极后问题得到解决c 起弧超时。主要问题是工件表面有油污，没

34、有及时清理，打磨之后问题解决。d 偏弧。 主要是钨极需要打磨。喷嘴的烧损，更换之后问题解决。3.4 连续焊工艺参数分析连续焊工艺参数分析连续焊即在电流和焊速不变的情况下进行焊接。Fronius 焊接设备可调参数有焊接电流、钨极直径、保护气流量、离子气流量、延迟时间，试验过程中由于焊枪已经固定，因此钨极直径为不可调。去年本科生毕业设计做了一些这方面的工作，分析了在焊接速度，保护气流量为，离子气流量等变化的情况下的最佳状态，那就是离子气和保护气流量不能太小，并且要有一个倍数关系，大约为 1：3 到 1:4 之间。山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文15表 1 相同焊接电流相同焊接速度时不同的气

35、体流量的焊接气体流量(L/min)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度(mm/min)上表面孔直径(mm)上表面熔宽(mm)下表面熔宽(mm)2.014023.61207.167.1602.514023.61207.109.240.883.014023.41206.486.482.163.514026.71206.488.722.544.014024.51206.409.002.824.514026.31206.326.723.245.014027.41206.829.923.88在此基础上，我们做了大量的工艺试验，利用 6mm 的 0Cr18Ni9 不锈钢做焊接试验，我们首先用等离子气体流量

36、的变化做了几组试验，数据如表 1 所示，在焊接电流为 140A，焊接速度为 120mm/min 时不同气体流量的焊接试验：1234560246810 Dimension (mm)Flow(L/min)123图 8 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽等离子气体流量变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律(I=140A,v=120mm/min)由这组试验可知，在焊接电流为 140A，焊速为 120mm/min 时，在气体流量山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文16较小时刚开始未熔透，在气体流量较大时都焊塌陷了，只有在 3.5L/min 的气体流量时焊接质

37、量较好。因此在焊速不变的情况下，把等离子气体流量调到3.5L/min,改变焊接电流，得到另外一组数据，如下表： 表 2 相同气体流量相同焊接速度时不同焊接电流的焊接气体流量(L/min)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度(mm/min)上表面孔直径(mm)上表面熔宽(mm)下表面熔宽(mm)3.511023.41206.007.8403.511524.21205.666.381.483.512025.11206.407.001.763.513024.21206.186.482.523.513524.71206.407.462.323.514026.71206.486.482.543.5145

38、25.21206.689.943.723.515026.41206.648.244.013.516027.21206.448.366.00110120130140150160024681012 Dimension (mm)I (A)123图 9 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽焊接电流变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律(v=120mm/min,Flow=3.5L/min)由这组试验知，在气体流量为 3.5L/min，焊速为 120mm/min 时，焊接电流较小时刚开始时未熔透，如图 11 所示，随着电流的增大，焊缝也越来越宽，相山东大学学士学位论

39、文山东大学学士学位论文17比较而言，当焊接电流为 140A 时焊接质量最好，如图 12 所示，因此把焊接电流定为 140A，再进行焊速的调整，调整焊速得到如下一组数据，如下表：表 3 相同气体流量相同焊接电流不同焊接速度的焊接气体流量(L/min)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度(mm/min)上表面孔直径(mm)上表面熔宽(mm)下表面熔宽(mm)3.514024.7907.4410.406.203.514026.71206.486.482.163.514026.71506.007.162.023.514024.31806.025.921.423.514024.22105.545.540

40、80100120140160180200220024681012 Dimension (mm)v (mm/min)123图 10 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽焊接速度变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律(I=140A, Flow=3.5L/min)在气体流量为 3.5L/min,焊接电流为 140A 时，焊速的变化较大，焊速为180mm/min 时焊接较为理想，当焊速为 210mm/min 时未熔透，如图 13 所示。从图 8，图 9，图 10 中可以看出，焊接电流和等离子气体流量改变时，小孔上表面孔径并没有引起很大的变化。而焊接速度变化时，小

41、孔上表面孔径变化较大。另外，我们还利用 8mm 厚的 0Cr18Ni9 不锈钢做了几组试验，也得到了较山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文18为理想的焊缝，如图 14 所示。 图 11 焊缝横断面宏观照片(等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 115A、焊速120mm/min) 图 12 焊缝横断面宏观照片（等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 140A、焊速120mm/min） 图 13 焊缝横断面宏观照片（等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 140A、焊速210mm/min）山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文19 图 14 8mm 厚不锈钢焊缝横断面宏观照片3

42、.5 脉冲焊工艺参数分析脉冲焊工艺参数分析对于穿孔等离子焊接，有利于熔池金属平衡的条件有两个：一是小孔直径尽可能小；二是焊缝根部与熔池上部凝结时间与空间的偏差尽可能大。其中，影响小孔直径的因素有：焊嘴的孔道比、钨极直径与钨极尖端形状、钨极内缩、焊接电流、离子气与保护气流量等。影响焊缝根部与熔池上部凝固时间与空间偏差的因素有：工件冷却条件、电弧输入工件的能量控制。而控制热输入量最有效的途径就是采用脉冲焊方式6、9、10。(1)(1)脉冲焊工艺参数简介脉冲焊工艺参数简介普通的等离子弧焊,焊接电弧热输入的线能量密度为:vUIq/式中: 线能量 (J / mm) q 电弧电压 （V）U 电弧电流 （A

43、）I 焊接速度 （mm/ s）v而脉冲等离子弧焊接的热输入线能量公式为：山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文20vTtITtIUQbbpP式中， 为脉冲电流, 是保证焊透和焊缝成型的主要参数之一, 为脉冲时PIpt间; 为基值电流,直接影响着焊缝的熔宽及焊缝的截面积, 为基值电流持续bIbt时间;T 为脉冲周期。脉冲等离子弧焊的工艺规范参数还有通断比 、脉冲频率f 。通断比增大时, 热输入量增加,熔宽及焊缝截面增大;通断比减小时, 热输入量减少,一般所用的通断比在0. 51. 2 之间7。脉冲频率f对焊缝成型尺寸影响不大, 脉冲频率一般随焊接速度的增加而增加, 以保证相临两个脉冲所形成的熔

44、池连续。脉冲频率过低,焊缝的连续性差,焊缝表面的鱼鳞纹粗糙;脉冲频率过高, 则近于普通等离子弧焊, 生产中一般采用f = 15 Hz 。脉冲等离子弧焊接的特点: (1) 输入功率可精确控制; (2) 线能量减少,工件变形小,适于对热敏感材料的焊接; (3) 脉冲功能可以充分搅拌熔池,有利于氧化膜的破碎及焊缝气体的逸出; (4) 有效克服双弧,使焊接过程稳定。考虑连续穿孔焊时,熔池根部熔宽过大;采用“一脉一孔”的脉冲等离子弧焊新工艺,可限制熔池根部熔宽,提高根部基体金属对熔池的约束作用,使熔池稳定。所谓“一脉一孔”,就是在每一个脉冲周期内,焊接电弧作用于金属形成的小孔出现并闭合一次,即在峰值电流

45、期间小孔形成属于穿孔焊,在基值电流期间小孔闭合属于熔化焊。其技术难点在于如何选择恰当的电流参数及合理匹配占空比()bptt5 I Tp Tb Ip Ib T 图15(2)(2)脉冲焊试验工艺参数分析脉冲焊试验工艺参数分析焊速 20 cm/min 离子气流量 15 L/min 时进行下列试验试板材料 0Cr18Ni9，板厚 6mm参考去年毕业论文，当频率为 4Hz，占空比为 70时，焊缝基本未焊透，山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文21脉冲焊的鱼鳞状特征不明显，原因为等离子焊的频率过低，占空比太高，故改变占空比和频率。提高频率至 8Hz,占空比至 40%，得到以下几组数据序号频率（Hz）占

46、空比()峰值电流(A)Ib/Ip()焊接电流(A)焊缝质量184020050138表面出现鱼鳞纹，未焊透，有咬边284021050145背面焊透，鱼鳞纹明显，成型好表 4 改变频率和占空比后的焊缝质量采用第 2 组焊接参数得到质量较好的焊缝，其横断面及正反面的照片如图 图 16(a) 焊缝正面图 16（b） 焊缝背面山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文22图 16(c) 焊缝横截面宏观照片平均电流 I=145A 峰值电流 I=210A 基值电流 50% 占空比 40% 频率 f=8Hz U=19.8V 离子气流量为 3.5 L/min 保护气流量 15L/min 焊接速度为 15 cm/m

47、in在此基础上增加保护气至 20 L/min，得到的焊缝背面未焊透，单侧咬边严重。因此较好的脉冲焊工艺参数为：焊速 20 cm/min 保护气流量 15 L/min 离子气流量 3.5 L/min 频率 8Hz 占空比 40% Ib/Ip= 50% 电流 210A。山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文23第四章第四章 结论结论基于最先进的 Fronius 焊机，通过掌握等离子弧焊接系统的工作原理，安装和调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与 ROBO4000 相连，安装 PCI 采集卡开展等离子弧焊接工艺实验，提高了动手能力和分析问题的能力。进行初步的工艺试验，得到一系列工艺参数，分析相关

48、实验数据，得出下列结论：1.等离子弧焊接可调参数众多，配合要求严格，一般等离子气与保护气流量为1：3的关系，且保护气最好不要小于15 L/min2连续焊中各种可调参数为：焊接电流、焊接速度、离子气流量和保护气流量。在增加焊速的情况下相应的要增加焊接电流。离子气流量越大，穿透力越强。连续焊时焊接速度 20cm/min,保护气 20 L/min ,离子气 4.8 L/min,电流 195A时为理想工艺参数。3. 脉冲焊中除了连续焊中可调的参数焊接电流、焊接速度、离子气流量和保护气流量外，还可调节焊接频率、占空比、峰值电流等。焊接频率越大，脉冲焊的特征越明显，但如果过大，焊缝连续性得不到保障。过小就

49、与连续焊的区别不明显。脉冲焊焊速在 20 cm/min, 保护气 15 L/min, 离子气 3.5 L/min, 频率 8Hz,占空比 40,Ib/Ip = 50 ,电流 210A 时为理想工艺参数。4. 研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，利用不锈钢板进行等离子弧焊接试验，结果证明了所设计系统运行可靠，稳定。山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文24参考文献参考文献1陈祝年等，焊接工程师手册，机械工业出版社，20022潘际銮等，焊接手册第一卷，机械工业出版社，19923Lancaster J F. The Physics of Welding. Oxford, England: Perg

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51、rc Welding of Stainless Steel. W DOC. 212-947-999王慧均。图像传感变极性等离子弧焊焊缝稳定形成闭环控制：【博士学位论文】 。哈尔滨：哈尔滨工业大学，1998。10Lundin C D, Ruprecht W J. Pulsed current plasma arc welding. Welding Journal,1974(1)11何德孚等，双闭环熔透适应控制脉冲等离子弧焊。电焊机，1983（5）12Bittencourt J A, Fundamentals of Plasma Physics. Pergamon Press,1986,291-2

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53、keyhole welding of aluminum alloys.Welding in the World, 1994,34(9):391-39216王耀文，陈强，孙震国，等等离子弧焊接穿孔行为的声音信号传感。机械工程学报，2001，37（1）：535617Martinze L F, Marques R E and Mcclure J C. Front side keyhole detection in aluminum alloys. Welding Joural,1992,71(5):49-5118ZHANG Y M, ZHANG S B and LIU Y C. A plasma c

54、loud charge senor for pulse keyhole process control. Measurement Science And Technology,2001,(12):1365-137019Sreffens H D. Automatic control of plasma arc welding with constant keyhole diameter. Welding Journal, 1972,51(6):408-41820Metealfe J C. Automatic control of plasma welding utilizing the keyhole efflux plasma. Welding and Metal Frbrication,1975,11.山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文25致谢致谢本文是在导师武传松教授的悉心指导下完成的。从开题到论文的完成都离不开导师的严格要求，导师渊博的知识、严谨的学风和实事求是的科学态度使我受益匪浅，终生难忘。在此向关心我和培养我的尊师表示最诚挚的谢意。论文工作期间得到陈茂爱老师、高进强老师的关心和帮助，同时得到本实验室胡庆贤、胡家琨、张明贤、陈洪堂、贾传宝、陈迹、何山、高超等在设备调试、数据处理以及论文处理方面给予了很大的帮助，在此一并表示衷心的感谢。