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智能化焊接装备及工艺评价系统

针对焊接新技术、新工艺研发,焊接质量过程分析的需要,研发出智能化焊接装备及工艺评价系统,借助信息与计算机技术,实现对焊接过程的有效评价,将信息可视化和定量化。系统是开展高质量和新型焊接技术、焊接过程质量控制研究、焊接设备分析评价和焊接材料工艺性试验等相关研究工作的基础设备,也是新技术、新设备和新材料等提高企业焊接质量和效率的新成果在生产中应用的基础试验装备。

1.系统功能

(1)基本信号采集处理

智能化焊接装备及工艺评价系统可在超高速频率下采集电弧、熔池、电压电流波形、熔滴过渡等的信号,并进行相应数学处理,其中智能化软件可进行电信号概率密度、功率概率密度分布、过渡周期频数等多个参数进行定量数学统计分析,进行工艺性优略的对比。

(2)特种焊接技术研究

 活性熔化极气体保护焊(A-MAG/MIG)是一种可以提高焊接效率,提高焊接质量,降低焊接成本的高效优质焊接方法,把活性焊接技术扩展到了熔化极气体保护焊领域A-MAG/MIG焊接方法。活性MAG(A-MAG)焊接方法通过在传统MAG焊前将很薄的一层表面活性剂涂敷在施焊工件表面、坡口或焊缝层间,然后进行正常焊接,在保证焊缝质量的基础上,可增加焊接熔深,提高焊接效率。使用该系统对A-MAG/MIG焊接技术进行研究,证明了在活性剂涂覆条件下,电弧形态都有一定程度的收缩,电弧整体上呈现聚集特征。

(3)三元保护气体电弧电信号分析

氩氦氮三元混合气体保护焊接工艺在铝合金焊接中表现出一定的技术优势,研究已证明三元混合气体保护焊可改变铝合金MIG焊的电弧能量密度,改善焊接接头凝固组织,提高接头疲劳性能,实现铝合金高效优质焊接。多名不同资质、不同工作年限、多个层级焊工进行了三元保护气体焊接的试用,操作感觉如下:

第一,声音柔和,纯氩气体保护焊脉冲声音尖锐刺耳,一波一波尖锐刺耳,听觉不舒服. 混合气体声音柔和,脉冲声音不尖锐,听觉舒服。

第二,表面成形, 三元气体保护焊焊缝表面波纹间隔均匀致密,表面光泽度高,波纹弧度柔和不尖锐,波纹弧度更加圆滑,焊缝表面手感更光滑。

第三,焊缝宏观熔深增加明显,从工艺角度可以有效降低焊接热输入,提高焊接质量。

第四,电弧状态。电弧容易操控,电弧不飘逸易控制,手感舒服. 电弧收缩往里扎,飞溅少,烟尘少,弧光对眼睛刺激小,熔池轮廓更清晰。

为了解释上述现象,利用智能化焊接装备及工艺评价系统,采集了铝合金纯氩气体保护脉冲MIG焊接工艺和三元混合气体保护脉冲MIG焊接工艺的电弧电信号特征,对电流、电压基本波形,电信号等进行统计分析。可以看到相对纯氩脉冲MIG焊,三元保护气体电压升高,电流降低,熔滴过渡温度性增强,过渡频率降低,电弧宽度有明显缩小。电弧收缩可使电弧的电流密度增加,由于电弧收缩集中,使得焊接时的能量输入更为集中,对外热损耗减小,提高焊接效率,增加熔深。焊接温度场分布变得更加集中,温度梯度曲率增大,热影响宽度随之减小。电弧力同时增加,增大熔池对流程度,细化晶粒,提高焊接质量。

智能化焊接装备及工艺评价系统采集分析的数据证明了三元气体保护焊接带来接头力学性能提升和电弧稳定的根本原因。

(4)不同保护气体下焊接工艺优略对比

 CO2焊接以低成本、高效率而获得广泛应用,进一步降低飞溅、提高焊接过程的稳定性、获得更优的焊缝成形成为广大焊接工作者追求的目标。对比分析保护气体成份对焊接过程的影响。使用智能化焊接装备及工艺评价系统,对三种不同气体成份的焊接过程进行了采集分析。同步拍摄图像和采集电流电压信号。电流电压采样率100k H z,图像采集帧频每秒2000帧。分析保护气体成份对焊接过程的影响。每种保护气体采用直流和脉冲两种方式在Q235钢板上进行堆焊,焊丝采用H08Mn2Si,直径1.2 mm,试验过程设定焊接工艺参数不变。脉冲焊时一元气体保护基值期间电弧不稳定,易发生断弧现象,短路过渡时间内经历脉冲峰值电流,飞溅大。脉冲焊二元气体保护时电弧相对一元稳定,熔滴过渡过程中有一定的飞溅。二元气体基础上加入一定的氧气能够在熔滴表面形成足够的氧化物作为阳极斑点,增加电弧稳定性,同时加入氧也提高了熔池金属的流动性和润湿性,改善焊缝成形。但如果加入过量则可能引起氧化过多,出现夹杂等现象。脉冲焊三元气体保护时,基值期间电弧能较稳定将熔滴包围,峰值来临时不产生偏向力,过渡过程飞溅小。

智能化焊接装备及工艺评价系统采集分析的数据证明了三种成份保护气体焊接过程的稳定性差别。

(5)冷金属过渡焊接电弧分析

 冷金属过渡(CMT)技术采用推拉送丝方式代替连续送丝方式。当焊丝与熔池发生短路,焊机监测到短路后送丝状态转入回抽状态。同时电源电流几乎为零,熔滴在机械拉力和表面张力共同作用下分离,消除飞溅。随后再引燃电弧,焊丝转为送进,在电弧热作用下熔化焊丝与母材。在传统正极性(EP)CMT焊接技术的基础上,福尼斯在2010年成功开发出了CMT Advanced系列焊机,实现了极性变换,依靠负极性(EN)阶段高的焊丝熔化效率,进一步降低了热输入,相对脉冲焊晶粒更为细化。它具有直流CMT,交流CMT,直流CMT与脉冲混合过渡,交流CMT与脉冲混合过渡等多种工作模式。

如果不能精确获得CMT与脉冲混合过渡电流电压波形,就难于选用合理的冷金属过渡焊工艺。调节新一代冷金属过渡技术脉冲所占混合比例,可在控制热输入前提下增加熔深,如果没有电流电压波形,就无法理解其如何实现。智能化焊接装备及工艺评价系统提供了先进焊接技术工艺优先、优化、研究的必要手段。

采用该系统进行了CMT技术电弧的高速摄像和电流电压同步采集。证明了CMT Advanced系列焊机在保持CMT技术原有焊丝双向运动特性的基础上,复加极性变换控制技术,且极性交换发生在短路瞬间,无需大能量强制转换,可以保证CMT焊接过程的稳定可靠。原有的低热输入量、无飞溅焊接等特点得到进一步提升。直流CMT+脉冲混合工作模式就是CMT短路过渡和脉冲进行任意周期数目的组合。交流CMT采用的是EN半波,即焊丝接负极。例如采用的交流CMT短路过渡周期与脉冲周期比数为10:10,即10个EN极性CMT周期后,紧接是10个EP极性的脉冲周期。脉冲阶段向EN极性CMT短路过渡阶段转变。随着送丝的继续,焊丝末端的熔滴与熔池发生短路接触,此刻电压几乎为0,而极性发生转变。短路发生后,辅助送丝机回抽焊丝,形成液态小桥。小桥拉断,电弧重新引燃,电流电压值迅速增加,电弧形态为典型的EN极性形态,出现沿焊丝上爬现象,焊丝被快速熔化形成熔滴。电流降低,电弧减弱,能够清晰看到熔滴形态,熔滴亮度较低,其温度较低。之后液态小桥被拉断,重新进入燃弧阶段。

2.结论

(1)系统能够实现图像和电流电压信号的同步采集和同步回放,可捕捉分析熔滴及电弧随电流电压的瞬时变化。 

(2)系统是开展高质量和新型焊接技术、焊接过程质量控制研究、焊接设备分析评价和焊接材料工艺性试验等相关研究工作的基础设备,也是新技术、新设备和新材料等提高焊接质量和效率的新成果在生产中应用的基础装备。