交流TIG-MIG复合焊的电弧物理特性及工艺研究讲课教案.docx

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论文作者签名：刍选垫导师签名：j车致缓日

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目录

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摘jliE ．．I

ABSTRACT ．III

第l章绪论 ．．1

1．1选题意义 1

1．2国内外高效焊接工艺发展 2
1．2．1 A．TIG焊 2

1．2．2双丝MIG瓜嗄AG焊 ．2

1．2．3激光．MIG／MAG复合焊 ．4
l-3国内外TIG．MIG复合焊工艺发展 ．．5 1．4本文的主要研究内容 9

第2章实验材料、设备和采集系统 。1l

2．1实验材料 ll

2．2实验设备 ．．12

2．2．1数字化焊接电源 12

2．2．2焊接实验工作台 12

2．3电参数．图像同步采集系统 14

2．3．1电参数采集系统 14

2．3．2图像采集系统 17

2．4 TIG．MIG复合焊工艺参数 。19

2．5本章小结 ．．19

第3章交流TIG．MIG复合焊电弧的物理特性 21

3．1交流TIG．MIG复合焊电参数波形及电弧特性 2l

3．1．1交流TIG．MIG复合焊电流电压波形 ．．21

3．1．2丝极间距对复合焊电弧形貌、电参数波形的影响 26

3．2交流TIG—MIG复合焊电弧的导电特性 3 1

3．2．1 MIG送丝速度对交流TIG电弧电流、电压的影响 ．．．31

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3．2．2交流TIG电弧电流对MIG电弧电流、电压的影响 ．36

3．2．3丝极间距对交流TIG．MIG复合焊电弧电流、电压的影响 45

3．3本章小结 ．．50

第4章交流TIG．MIG复合焊熔滴过渡及焊缝成形 ．53
4．1交流TIG．MIG复合焊中熔滴过渡规律 53
4．2交流TIG．MIG复合焊在高速焊中消除驼峰焊道的机理分析 56

4．3交流TIG．MIG复合焊中，丝极间距对焊缝成形的影响 6l

4．3．1不同丝极间距对焊缝成形的影响 ．6l

4．3．2焊缝形貌分析 72

4．4交流TIG．MIG复合焊，MIG电压对焊缝成形的影响 76

4．5本章小结 ．．78

第5章结论 ．79

参考文献 。8l

致谢 85

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COntentS

C0ntents

ABSTRACT(in Chin姻e) I

ABSTRACT(in English) ．．III

Chapter 1 P代face l

1．1 Signiflcance ofthe research topic l
1．2 Development ofhigh emcient welding technology 2
1．2．1 A-TIG welding 2
1．2．2 Tandem MIG／MAG welding 2
1．2．3 Laser_MIG抓厦AG hybrid welding ．4
1．3 The development ofTIG—MIG hybrid welding 5
1．4 Main content ofthe subject ．9
Chapter 2 Materials，devic鹤and methods of experiments 1 1
2．1 Choice ofexperimental materials ．11
2．2 Choice ofexperimental devices ．12
2．2．1 Digital welding power source 12
2。2．2 Welding experimental bench ．．12 2．3 The eIectrical parameter-high speed photo collecting system ．1 4 2．3．1 The electrical parameter collecting system ．14
2．3．2 high speed photo colleCting system 1 7
2．4 Parameters ofTIG·MIG hybrid、Velding ．．19 2．5 Summary l 9
Chapter 3 PhysicaI characteristics of arc in AC TIG-ⅧG hybrid welding．． ·21 3．1 Wavefonn ofelectrical parameters and arc characteristics ．21
3．1．1 WaVefonn ofelec虹ical parameters ．2l 3．1．2 Efrect ofwire-tungsten distance on hybrid arc sh印e 26
3．2 Conductive characteristics ofarc in AC TIG-MIG hybrid welding 31
3．2．1 Efrect ofMIG wire feeding speed on AC TIG arc ．31
3．2。2 Efrect ofAC TIG arc currellt on MIG arc ．．36
3．2．3 Efrect of wire—tungsten distance on hybrid arc parameters 45
3．3 SummaW 50
Chapter 4 Droplet transfer and weId formation in AC TIG-MIG hybrid weIdin953 4．1 The rule ofdroplet transfer in AC TIG-MIG hybrid welding ．．53

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4．2 Analysis ofthe mechanism ofhumping elimination ．．56
4．3 Effect ofwire-tungSten distance on weld fomlation 61
4．3．1 Efrect ofwire-tungsten distance on weld fomlation ．6l
4．3．2 Weld mo巾holog)r analysis ．72 4．4 E仃ect of MIG Voltage on weld f．ornling ．76 4．5 Summary 78
Chapter 5 Conclusions 79
Ref．erence 81

71f’16l：-lnIIk!i． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．IiI!；；

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摘要

交流TIG．MIG复合焊的电弧物理特性及工艺研究 摘要

在气体保护电弧焊中，TIG焊焊缝质量高，但焊接速度较低；MIG焊焊接 速度较高，但采用纯Ar时阴极斑点漂移，焊接质量较差。此外气体保护焊在大 电流和高焊接速度下容易产生咬边、焊缝不均匀等常见的焊缝成形缺陷。高速、 高效、优质：低耗是焊接生产发展的永恒方向和目标，本文研究的交流TIG．MIG 复合焊既可提高焊接效率，又能获得优良的焊缝成形。
之前国内外关于TIG．MIG复合焊工艺的研究均在采用双直流的情况下进行， 本文中将交流TIG代替直流TIG与MIG复合，开展了交流TIG．MIG复合焊在 低碳钢焊接实验。利用电参数．图像同步采集系统研究交流TIG．MIG复合焊中的 电弧物理特性和熔滴过渡、熔池流动和焊缝成形等工艺特点。从不同焊接条件下 对焊缝成形的影响出发，进一步探讨和阐述各因素的作用趋势及其作用机理。
分析了交流TIG．MIG复合焊中复合电弧的周期性动态行为及不同的丝极间 距下复合焊电弧形貌和电参数波形的变化。研究表明，TIG电弧极性改变使两电 弧周期性吸引和排斥，交流TIG电弧正半波电流减小期间出现典型的方波特性。 分析了交流TIG电弧物理特性在MIG电弧作用下的变化、MIG电弧物理特性在 交流TIG电弧作用下的变化、交流TIG电弧和MIG电弧物理特性在不同丝极间 距下的变化，并用电弧电子发射机制解释了复合焊中交流TIG电弧正半波电流 增大电压减小、负半波电流电压不变和MIG弧长变长现象，用电弧自身调节系 统解释了复合焊中MIG电弧电流增大现象。
分析了在交流TIG．MIG复合焊中MIG熔滴过渡规律，发现MIG焊丝前端 液态金属流在TIG电弧洛伦兹力作用下周期性来回摆动。研究了交流TIG．MIG 复合焊在高速下咬边、驼峰等焊缝成形缺陷的抑制机理。阐述了在不同的丝极间

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距和交流TIG电流下，交流TIG．MIG复合焊焊缝熔深、熔宽、余高的变化趋向。 确定了获得良好焊缝成形时，合适的MIG焊接参数、交流TIG焊接参数和丝极 间距(>4mm)。
当获得优良焊缝成形时，在TIG电流小于MIG电流的条件下，交流TIG．MIG 复合焊相比于直流TIG．MIG复合焊具有相对较大的可调丝极区间，拓展了 TIG．MIG复合焊可用焊接工艺参数范围。

关键词：交流TIG．MIG；高速焊；电弧物理特性；熔滴过渡；焊缝成形

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ABSTRACT

Study on Arc Physical Characteristics and Welding 1’echnoIogy

of(AC)TIG—MIG Hybrid Wblding

ABSTRACT

In traditional gas shielded、Ⅳelding，good weld appearance can be obtained by TIG welding，howeVer，its production efficiency is quite low．MIG welding haS higher production emciency，but when adopting Ar as shielded gaS，the weld process is unstable and the welding appear锄ce is bad．MoreoVer，co舢mon welding defects，like the undercut锄d irregular weld seam，can be easily occurred when employed high welding cunIent and welding speed in gas shielded welding．High emciency，high quality锄d low ene玛y consumption is always required during welding，so in preSent paper，altemative cu盯ent(AC)TIG-MIG hybrid welding is印plied to impr0Ve tIle welding e珩ciency on the premise good weld印pearance．
Previous research on TIG-MIG hybrid welding at home锄d abroad are used in
the double direct current(DC)，a11d(AC)TIG is adopted instead of(DC)TIG in this p印er．The experiment of(AC)TIG-MIG hybrid arc surfacing low carbon steel is studied．Using the electrical par锄eter-graph synchronous data acquisition system，
the characteristic of hybrid arc，drop transfer，the now of weld pool and the weld 印pearance are analyzed．Based on the weld印pearance under dia’erent welding parameters，the ea、ect mechanism of welding parameterS on the welding process is also obtained．
The dynamic behavior of hybrid arc in(AC)TIG-MIG hybrid welding process is clarified．The variation of mo础ology ofhybrid arC and electrical parameterS with di丘．erent wire．tungsten distance is also studied．The research shows that the arc
polarity changes of TIG make the two arc periodic attraCtiVe锄d repulsiVe，aJld the t)，pical standard wave characteristics appear during the decrease of the positiVe half waVe cun．ent of the(AC)TIG arc．The influence of MIG arc on the physical characteristics of(AC)TIG arc，the innuence of(AC)TIG arc on the physical
III

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characteristics of MIG arc and the influence of wire·tungsten di咖nce on the physical propenies of(AC)TIG arC锄d MIG arc are analyzed in detail．The arc electron emission mechanism is employed to explain the increased current and decreased
voltage of positiVe(AC)TIG arc semiwaVe，the cons切nt current and Voltage of negatiVe(AC)TIG arc semiwaVe，and the increased MIG arc elongation．And廿le control system of MIG arc is also used to reVeal the reason why the current of MIG arc increased during TIG-MIG hybrid welding．
The phenomenon of MIG drop transfer during(AC)TIG-MIG hybrid welding is f．urcher analyzed，and it is found that the liquid metal flow in the front of MIG welding wire is periodically oscillating under t11e action of Lorenz force of TIG arc．The
re韶ons why the undercut锄d damping is e行ectiVely suppressed during(AC)
TIG-MIG hybrid welding are discussed．The f．onnation of di脏rent weld appearance under di骶rent wire—tungsten dis切nce and di虢rent(AC)TIG arc cu丌ent is explored． The suitable combinations of MIG welding par锄eters a11d(AC)TIG welding parameters and wire-tungsten distance(>4mm)with good weld appear锄ce are
obtained which expands the range of welding parameters．

Under the condition that the cun．ent of TIG is less than MIG，the(AC)TIG-MIG hybrid welding，compared with the(DC)TIG-MIG hybrid welding，has a relatiVely large adjustable wire-tungsten distance r锄ge with good weld appearance are obtained． TIG-MIG hybrid welding available range of welding paralfneters is enla唱ed．

Keywords：(AC)TIG—MIG；high speed welding；arc physical property；droplet transfer；weld appearance

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第l章绪论

第1章绪论

1．1选题意义

在当代制造工业中，焊接是一种最为可靠和重要的材料成形和加工技术，在 工业生产的各个领域都有着广泛的应用【l】。2015年，国务院总理李克强提出“中 国制造2025”战略，旨在全面提高我国的制造业发展水平，使中国迈入制造强国。 持续不断的深入研究和发展焊接工艺，对于推动我国成为制造强国具有举足轻重 的地位12】。在众多的焊接方法中，气体保护焊是一类新发展起来的先进焊接工艺， 具有优质、高效、应用范围广的优点，而且易于实现机械化、自动化焊接，在当 代制造业发展中具有十分重要意义【3J。
传统气体保护焊中，TIG焊具有电弧热量集中、电弧稳定、不产生熔渣、无 飞溅、焊接工艺适应性强和焊缝质量高等优点，但是因为钨极承载电流有限，导 致相对较低的焊接速度和熔敷效率； MIG焊的许用电流密度较高，母材熔深相 对较大，焊丝的熔敷速率快，焊接生产效率较高。但是在采用纯心焊接低碳钢、 低合金钢以及不锈钢时，液体金属的粘度和表面张力大，焊缝金属的润湿性差， 电弧阴极斑点易漂移，导致焊缝易形成气孔、咬边和成形不规则等焊接缺陷【4】。
高速、高效、优质、低耗是焊接生产发展的永恒方向和目标【51。为了提高焊 接效率一般采取提高熔敷率和增大焊接速度，但是气体保护焊在大电流和高焊接 速度下容易产生咬边、焊缝不均匀等常见的焊缝成形缺陷。在以保证得到优良的 焊缝成形为前提下，为了提高气体保护焊的焊接效率，国内外的学者们探索并研 究了许多新的焊接工艺：(1)通过提高熔敷率的T．I．M．E焊、双丝MIG／~队G焊 等，(2)通过焊接工件表面添加活性剂来提升熔深的活化性TIG焊(A．TIG)， (3)通过采用复合热源的激光．MIG复合焊，等离子．MIG焊、TIG．MIG复合焊 等【6。8】。采用复合热源是在实际焊接生产中最常见的改进方法，其中国内外关于 TIG．MIG复合焊工艺的研究均在采用双直流的情况下进行的，焊接工艺参数可 用范围较窄。为了拓宽可用焊接工艺参数范围，本文中探究利用交流TIG代替 直流TIG与MIG复合，研究交流TIG．MIG复合焊中的复合电弧物理特性和熔滴

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过渡、焊缝成形等工艺特点。从不同焊接条件下对焊缝成形的影响出发，进一步 探讨和阐述各因素的作用趋势及其作用机理。

1．2

1．2．1 A．TIG焊

活性焊剂氩弧焊(A．TIG焊)是为了增加TIG焊的焊接熔深，在上世纪60 年代由乌克兰巴顿焊接研究所初步研发的新的焊接技术。上世纪末，英国焊接研 究所和美国爱迪生焊接研究所将A．TIG焊研究的相关成果应用到实际生产中， 此外日本、荷兰、巴西等国家的高校和公司对A．TIG焊接工艺进行了多方面的 探索和研究19J。
传统TIG焊，因为钨极承载电流能力有限，电弧熔透能力较低，单道焊的 熔深浅，在焊接厚板时，不仅需要开坡口，还要需要多层焊。A．TIG焊是在焊接 工件表面涂敷一层很薄的活化焊剂(Si02、Ti02、C的2及卤化物的混合物等)， 从而获得大的焊缝熔深。在同一焊接条件下，A．TIG焊的焊缝的熔深是传统TIG 焊的2倍甚至3倍【lo】。
A-TIG增大焊缝熔深的主要作用原理有：电弧收缩中的“负离子理论”，利用 蒸发的活性剂弧柱周围形成负离子，其导电性比电子差，根据最小电压原理，在 提高电弧电压的同时电弧收缩，电弧的热量集中，熔透能力大幅度增强【lI】；表面 张力理论，通过添加某种表面活性元素等方法，改变熔池金属的流动方向，使液 态金属由四周向中心流动，使熔池底部热量增大，从而提高熔深【12】。
虽然A．TIG焊具有高的生产效率，但是活性剂的使用使焊缝表面质量受限， 而且使用也不方便，在生产中应用并不广泛，其焊接工艺研究在国内外总体上仍 处于初级阶段，需要更深层次的发展。
1．2．2双丝MI吣G焊

双丝MIG仆厦AG焊在1955年被首次提出，经过长时间的发展，现在双 MIG／MAG焊具有高效、经济、自动化程度高等特点f13】。在生产领域中，相对于

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第1章绪论

传统单丝焊，双丝焊在焊接速度和焊丝熔敷效率方面都有了大幅度的提高，如表

1．1【l 41。

表1．1 MIG／MAG单丝焊和双丝焊在实际生产中比较【14】

为了提升熔敷率和焊接速度，一般采用双丝脉冲MIG，其工艺形式主要分 成两类：单枪双丝(Tw斟ARc)和双枪双丝(吖烈DEM)，如图1．1所示【15。引。 TW烈ARC双丝焊接设备由两台完全相同的脉冲焊接电源(或一台焊接电源) 组成，采用两套送丝机构，两根焊丝共用一个导电嘴，焊接过程中两电弧保持同 相位。其优点是焊接系统相对简单，两焊接电源不需要协同控制，依靠电弧自身 调节来维持焊接过程稳定。TANDEM双丝焊接系统与TWIN ARC系统大体类似， 不同的是两根焊丝分别通过不同的导电嘴，各自焊接电源的焊接参数可以调节， 两焊接电源之间可以实现协同控制，减小了两电弧问对彼此的影响，但是焊接系 统相对复杂。

(a)TWINARC (b)TANDEM
图1．1 TWINARC和TANDEM弧焊工作原理图【15】

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日本的Uey锄a等人【19J研究了TANDEM MIG／MAG焊在高速焊下获得良好 的焊缝成形的工艺参数，认为合适的后丝倾角(5。～130)、两焊丝间距(9～12mm) 和前后丝电流比可以使热输入分散和消除熔融金属向熔池后部的不规则的流动。
此外山东大学陈茂爱、陈东升【20J等人研究了TANDEM P—GMAW焊接工艺，分 析了不同相位差和焊接速度对电弧形貌、熔滴过渡、熔池流动、焊缝成形的影响。 其研究也发现，两焊丝所用脉冲电流相位差越大，则断弧发生频率越高，焊缝成 形也会变差。

1．2．3激光．MIG／MAG复合焊

激光．MIG／MAG复合焊设备由FRONIUS公司在2001年ESSEN国际焊接展 首次展览，是一种优质高效的复合热源焊接工艺，其具有焊接速度高、焊接过程 稳定、能量利用率高和装配间隙大等优点，减少生产时间、成本的同时又提高了 生产率完美解决了生产高速发展的迫切需求刚。

图1．2激光．MIG／MAG复合焊原理图【20】

激光．MIG复合焊原理如图1．2所示，激光束和MIG电弧共同作用于待焊接 同一区域，两者相互作用形成良好的复合效果，克服了各自的缺点，具有热输入 低、热影响区小、工件变形小、高能量利用率等特点。英国学者Steen等人【22J
研究发现在激光．电弧复合焊中激光束可以稳定电弧电压和焊接电流，降低电弧 柱阻力，提高焊缝成形的深宽比。哈尔滨工业大学雷正龙、陈彦宾等人【23]研究 了C02激光．MIG复合焊在焊接铝合金时熔滴过渡的特点，与传统MIG焊熔滴 过渡特性相比，复合焊中激光产生的大量导电离子对熔滴过渡既有促进作用又有 4

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第1章绪论

阻碍作用，两者共同作用并决定熔滴的过渡形式，获得良好焊缝的工艺参数范围 较宽。华中科技大学高明、曾晓雁等人【241将激光．MIG复合焊应用于焊接MB8 镁合金。实验结果表明，复合焊接过程稳定且焊缝成形良好。相比于激光焊，复 合焊接速度和焊接接头的抗拉强度均得到大幅度提升。

1．3国内外TIG．MIG复合焊工艺发展

根据传统TIG焊枪与MIG焊枪与工件的接法不同，主要分为两种焊接工艺： DE—GMAW(double electrode-gas metal arc welding)高速焊工艺和TIG．MIG复合 焊工艺。
DE．GMAW是由肯塔基大学张裕明[25】和山东大学武传松【26．271等人发明的一 种新型的高效焊接工艺，如图1．3所示， MIG焊枪和焊接工件构成主要通路， TIG焊枪作为旁路(Bypass)起到分流的作用，MIG焊丝的总焊接电流J『一部分 经电弧通过工件(厶m)，其余流入TIG焊枪，形成旁路电流(凡。)。

(a)DE—GMAW焊接系统示意图

旁路
电弧 生路
电弧

(b)DE．GMAW焊枪结构和电弧形态
图1．3 DE．GMAW焊接工艺示意图【26】

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由于旁路的分流，流入工件的电流小于MIG焊丝的电流，则流经MIG焊丝 的大电流提高了焊丝的熔敷效率，同时工件受到较小的热输入以避免较大的变形。 旁路电弧作用下，熔滴端部与弧柱间的弧根面积增大，熔滴受到更大向下的电磁 力。相对于传统MIG焊，DE．GMAW在更小的电流下可发生射流过渡，在高的 焊接速度(21．2m／min)下仍可以获得优质焊接质量。
TIG．MIG复合焊接设备由一台TIG焊接电源和一台MIG焊接电源组成，可 以设置各自焊接电源的电参数，TIG的钨极和MIG的焊丝通过电弧弧柱与焊接 工件形成各自的电流回路，钨极和MIG焊丝与工件间形成角度可以改变，两者 尖端的距离和到焊接工件的高度可以调节。
山东大学陈茂爱、娄小飞等人【28】主要研究了在焊接低碳钢时TIG．MIG复合 焊的电弧特性、熔滴过渡、焊缝成形。搭建了TIG．MIG复合焊试验平台，如图 1．4所示。分析了在TIG．MIG复合焊中两电弧的物理特性各自的变化，并研究了 钨极．焊丝间距对两电弧物理特性的影响。试验结果表明TIG与MIG电弧复合后 TIG电弧电流增大，电弧电压减小；MIG电弧电流增大，电弧增长；随着丝极 间距的增大，两电弧问耦合作用减弱。利用高速摄像机拍摄了TIG．MIG复合焊 的熔滴过渡和熔池流动过程，确定了合适的焊接参数，并探讨了TIG．MIG复合 焊在高焊接速度下咬边、驼峰等焊缝成形缺陷抑制机理。缺点是获得优良焊缝成 形的可用工艺参数范围较小。

焊接方向——-—◆
卿避罐撼黼赡 TIG
MIG

焊 焊
接 接
电 电
源 源

图1．4 TIG．MIG复合焊试验平台的硬件构成【24】

日本大阪大学的Shuhei Kanemaru等人【29_30】主要研究了焊接不锈钢TIG．MIG 复合焊中电弧的物理特性。图1．5描绘了TIG．MIG复合焊工艺示意图。焊接过
6

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第1章绪论

程中复合电弧形态如1．6所示，尽管采用纯氩保护气体， 但MIG电弧在TIG电 弧的影响下，阴极斑点不再漂移。维持MIG电弧在纯氩气氛围稳定燃烧的原因 是钨极和焊丝通过电弧形成的直流通路(图1．7)，并且TIG电流需要大于MIG 电流，而且随着TIG电流的增大焊缝熔深增大，主要依靠TIG电流来提供额外 的热输入。与传统TIG焊相比，TIG．MIG复合焊中的TIG电源的输出功率减小， 此外TIG．MIG复合中各自电弧热效率相比单TIG和单MIG时减小10％。在焊 接对接和角接焊缝时，TIG．MIG复合焊相比于单TIG焊焊接时间可缩短约50～ 80％。

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图1．5 TIG—MIG复合焊接工艺示意图【29】

图1．6 TIG．MIG复合焊中复合电弧形貌【291 图1．7钨极和焊