0 序 言[i]

 

电弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。根据焊接过程中所用焊接电源的不同，传统电弧螺柱焊可以分为普通电弧螺柱焊和电容储能电弧螺柱焊两种基本方法^[1]。在普通电弧螺柱焊的应用中，套圈保护是常用的一种焊接过程保护方法。

步进式电弧螺柱焊（简称SASW）是基于新式焊枪的焊接方法，文献^[2]介绍了步进式电弧螺柱焊枪的研制情况以及焊接过程的初步实现。为了提高步进式电弧螺柱焊的实用性，需要对其进行系统的研究。本文主要研究套圈保护步进式电弧螺柱焊过程，分析套圈保护对焊接过程电弧行为的影响。

1 试验设备及材料

1.1焊接设备

焊接设备包括焊接电源、焊接控制器及焊枪。步进式电弧螺柱焊枪的结构原理如图1所示，通过控制步进电机的转动方向，实现焊接过程螺柱的运动要求。采用MCS-51单片机系统控制焊枪及焊接过程的实现^[2]。试验中，选用型号为ZXG-300的磁放大器式弧焊整流器作为焊接电源，该电源标明空载电压75V，具有陡降外特性，符合电弧螺柱焊引弧及焊接要求。

1.2焊接过程监测设备

具有光电隔离作用；焊接电流的采样是依靠分流器来获得，电流信号经分流器变换为一定大小的电压信号，从分流器两端出来的信号需进行放大隔离。系统采用型号为TDS220的数字示波器记录焊接过程，此示波器具有两个输入通道，可以同时采集焊接电压和焊接电流。示波器外扩计算机通讯模块TDS2CM，通过RS232接口线与计算机串口相连接。采集的信息可以直接在计算机上显示处理。

1.3试验材料

试验中所用螺柱及试件材料为Q235钢，螺柱直径φ5mm，待焊顶端为平顶端面形式，不带引弧结；试件厚度5mm，适合螺柱焊接，焊前对表面氧化皮、铁锈、油漆、油脂等杂质做简单处理。

焊接中使用自制套圈，其主要成分如表1所示。

2 结果及讨论

 

2.1无保护SASW

步进式电弧螺柱焊的焊接规范参数主要包括能量输入参数(焊接电流，焊接时间)和焊枪行为参数(螺柱提起高度和送进深度)。选用表2所示的焊接规范进行无保护步进式电弧螺柱焊。表中所列焊接时间是指螺柱在提起高度的保持时间；电弧在此段时间内充分燃烧，决定了接头的能量输入。此规范基本适合无保护步进式电弧螺柱焊接过程。

图3所示为典型的焊接过程电流及电压的采样波形。如图中所示，整个焊接过程分为螺柱提起、螺柱保持和螺柱送进3个阶段。

(1)螺柱提起阶段大约有90ms，螺柱从工件上提起后，焊接电压增高并保持在25V左右，这说明电弧被顺利引燃，开始进入焊接过程。而在此阶段，焊接电流增长速度较慢，保持在大约50A左右的水平。出现这种现象的原因主要是螺柱在提起过程中的连续运动改变了电弧的形态，使电流密度变小；另外电流偏小也和电源电流的滞后特性有关。

(2)电弧燃烧阶段，在预设的螺柱提起高度，电弧充分燃烧。此阶段可以分为两部分进行描述。在t1时间段内，焊接电流的上升速度加快且比较稳定，而焊接电压略有下降趋势。电压下降是因为电弧燃烧使得螺柱金属熔化增多，熔化金属下垂而缩短了弧长。此时焊接电弧在螺柱端面扩展，能量不是很高，故此段时间可以定义为电弧扩展阶段。在进入t2时间段内，焊接电流上升到大约200A左右时，焊接电流陡然升高，对应的焊接电压降至接近0V。此后一段时间内焊接电流和焊接电压处于往复振荡的过程。总的趋势是焊接电流在增大，而焊接电压总体低于t1时间段。如此的波形说明螺柱与工件之间频繁短路。因为随着电流的增大，螺柱端部熔化金属增多并下垂，最终与工件接触引起短路。此段时间可以定义为电弧不稳定燃烧阶段。由于频繁的短路，导致焊接飞溅增加。

(3)在螺柱送进阶段，螺柱与工件已经处于完全短路状态。此时焊接电流基本保持在530A左右，而焊接电压则基本为0。这就说明在螺柱送进过程中，电弧已经熄灭。

2.2套圈保护SASW

在电弧螺柱焊过程中使用套圈进行保护，具有两个明显的作用^[3]：(1)使接头处液态金属不能随意流动，起到强制成形焊接接头的作用；(2)减少了可见的弧光，保护了操作者的眼睛，改善了工作环境。另外，套圈中有限的空间对焊接电弧产生较强的约束作用，从而减轻了电弧磁偏吹现象^[4]。电弧偏吹是影响电弧螺柱焊质量的重要因素，可以导致焊脚成型不均匀，同时引起强烈的焊接飞溅。

比较无保护步进式电弧螺柱焊过程表现出来的特点，重点研究套圈保护对步进式电弧螺柱焊过程及电弧行为的影响。

为增强可比性，采用表2所示的焊接规范参数，进行套圈保护步进电弧螺柱焊试验。焊接过程电流及电压采样波形如图4所示。