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通过「CBT(Controlled Bridge Transfer)方法开发低热输入、低飞溅CO2/MAG交流焊接系统」
Development of Low Heat Input and Spatter Reduction
CO2/MAG Alternating Current Welding System by Controlled Bridge
Transfer Process.
上山智之,周栄慶一,恵良哲生,西坂太志
日本OTC焊接机器人公司
1. 序言
以CO2/MAG焊接所代表的消耗电解GMA(Gas Metal Arc)焊接,由于生产效率高在焊接施工被广泛使用,但是飞溅相对比较多。完全消除飞溅是GMA焊接永远的课题,从很久以前一直在进行研究和开发。1)~5).尤其是汽车以及摩托车行业,为了车体的轻量化,在薄板化的同时,通过降低焊接过程中发生的飞溅,而改变环境、提高焊接品质以及降低生产成本的呼声很高。因此,为了回避薄板化而引起的焊透的问题,对能够降低母材热输入、无飞溅焊接法的市场需求越来越高。在此背景下,作者们开发了能够实现GMA焊接的低飞溅和低热输入的新焊接控制方法 (Controlled Bridge Transfer法,以下,简称CBT),使超薄板低飞溅焊接成为可能。6).
作为超薄板焊接的应用例,如以电阻焊为主流的车体焊接。电阻焊的缺点是焊钳巨大又很重,需要使用可搬重量100kg以上的大型机器人。投资成本很高。另外,焊接车体内侧时,焊钳容易和车体干涉,车体设计和示教受到制约。能够使用可搬重量6kg以下的小型机器人,而且焊枪比较简单的弧焊的情况,可以解决这些缺点。针对这方面的应用,三田等提出了交流MAG焊接工艺7),可是低飞溅交流焊接工艺还没有被提出。另外,要用GMA完全取代焊接长度短,焊接部位多的电阻焊,需要确实的电弧起弧性能和起弧后稳定地切换为低飞溅焊接的技术。
因此,开发了采用应答性能高的AC伺服电机,提高了焊丝送丝性能,在起弧后瞬间发挥低飞溅性能的同时,提高了传统的CBT方法的热输入控制性能的「低热输入・低飞溅CO2/MAG交流焊接系统」,在此介绍其应用效果。
2.交流CBT方法实现低飞溅・低热输入
2.1 交流CBT方法的原理
有关提高热输入控制性能的交流CBT法(以下,AC-CBT法)进行说明。图1表示使用保护气体80%Ar+20%CO2的混合气体,焊丝直径1.2mm的实心焊丝(相当于YGW12),使用传统CBT方法焊接电源的输出为EP(Electrode Positive)极性和EN(Electrode Negative)极性的情况,焊丝融化速度差的比较结果。
图1焊丝融化速度的比较
两种输出极性焊丝的融化速度不同,大约75A以上,EN极性的焊丝融化速度为EP极性的1.5倍。即,如果实现不同极性焊丝融化的中间状态,就可以提高对母材热输入控制性能。因此作为候补的控制方法,如焊丝融化速度保持一致,改变平均电流的融化量一直的控制(途中①的箭头),保持平均电流一致,改变焊丝融化速度的电流一致控制(图中②的箭头)的两种方法。在此为了定义中间状态,导入交流频率(Hz),EN比率(%),定义如下式。
(1)
(2)
为EP极性输出时间,为EN极性输出时间。从公式(1),(2),
, (3)
得知,如果切换输出极性达到个极性输出时间。就可以实现所期望的EN比率交流焊接。
(1)熔敷量一致控制
假定各极性输出焊接电源的平均电流分别为(A),(A)。根据公式(3)切换极性时的EN比率的平均电流(A)为,
(4)
即,切换输出极性的同时,切换各极性相应的输出电流,平均输出电流在図1所示的箭头①的线上对应EN比率使其变化是可能的。
(2)电流一致控制
假定各极性输出焊丝送丝速度分别为(cm/min),(cm/min),EN比率时的平均送丝速度(cm/min)由
(5)
提供。有关(4)式,输出设定电流和送丝速度为ワイヤ送給速度为等价。即,切换输出极性的同时,切换各极性相应的送丝速度,焊丝融化速度在图1的箭头②的线上相应EN比率变化是可能的。
2.3 搭载AC-CBT方法系统概要
照片1表示搭载AC-CBT方法焊接机器人系统的外观。
照片1 低热输入低飞溅交流焊接机器人系统 (「ALMEGA
PREMIUM」
CO2/MAG 最高档配置 DL350Ⅱ, AX-VAAP, 伺服焊枪,助力送丝装置)
作为焊接电源,采用针对焊接姿势变化提高低飞溅性能的DL350Ⅱ,通过对各输出极性进行低飞溅控制,实现低飞溅CO2/MAG交流焊接法。作为送丝系统,搭载应答性能高的AC伺服焊枪,小型・轻量化,使用世界领先的电缆内置机器人。而且通过采用辅助送丝机,实现完美送丝性能的同时,大幅度提高了文章后面即将陈述的新开发焊丝反转起弧控制的起弧性能。
2.4 AC-CBT方法的效果
图2表示使用80%Ar+20% CO2的混合气体,φ1.2mm的实心焊丝(相当YGW12),平均电流100A,平均电压15.0V,焊接速度50cm/min,交流频率3.0Hz,EN比率50%的焊接条件,使用AC-CBT方法进行电流一致控制进行焊接,1秒钟的焊接电流・电压波形。
图2
AC-CBT方法的焊接电流、电弧电压波形例
在EN极性输出中,焊丝端部熔滴上的阴极点高速变动的现象可以从电压波形的微小波动体现出来,所以电弧电压不表示熔滴下部和熔池的高度(表面观察的弧长)是其特征。因此只是切换输出极性对电压进行反馈实现弧长稳定非常困难。另外,通过电流一致控制周期控制焊丝融化速度实现弧长稳定更加困难。可是,通过输出各极性最佳电弧特性和电压反馈,稳定从输出极性切换后瞬间到短路、电弧周期,尽管各极性完全不同的电弧时间,也能够有规则地反复短路、电弧的周期,实现非常稳定的交流焊接。
图3表示用高速摄像机(以下简称HSV)在6000fps条件拍摄的图2电流、电压波形测定时的熔滴过渡一例。
图片(A)为图2时刻25s的EN极性电弧期间后期的熔滴状态。电弧时间长熔滴成长大,显示了EN极性焊接的特征。图片(B)为从图片(A)的状态一旦发生短路,电弧在起弧瞬间熔滴的状态。和传统EN极性焊接一样,由于发挥了抑制飞溅效果,看不到飞溅的飞行痕迹。图片(C)为时刻25.2s附近输出极性从EN切换为EP瞬间之前的EN极性电弧期间后期熔滴状态。由于控制EN极性最佳电弧特性和电压反馈结果,控制和图片(A)几乎一样大的熔滴。图片(D)为图片(C)后瞬间的电弧再起弧时熔滴状态。由于抑制飞溅控制效果发挥,可以看到在极性切换后瞬间,电弧起弧时的
图3
AC-CBT 工艺的熔滴过渡
飞溅也被抑制。
图4 EN比率对焊道形状的影响
图4为使用同样焊材,平均电流40A,焊接速度30cm/min,交流频率3.0Hz,板厚0.8mm,间隙1.5mm进行搭接焊接,使用电流一致控制EN比率分别0%,50%,100%变化时,焊道外观和横断面的状态。可以看到EN比率越高,熔深越浅,填充间隙使上板可以搭桥。另外,EN比率100%的焊道有焊透的现象,相反EN比率50%发生明显改善。如此得知,通常φ0.9mm以下的细焊丝焊接超薄板的焊接,可以使用比较廉价的φ1.2mm焊丝,改变EN比率可以简单的控制熔深。
图5表示使用同样焊材,平均电流80A,焊接速度50cm/min,板厚1.0mm的板上焊接,交流频率分别为1.0Hz,3.0Hz,5.0Hz变化的情况的焊道外观。交流频率相对焊接速度较低时,熔深和焊道外观用目测就可以看出周期的波纹变化,提高交流频率的同时,就可以对焊道终止部分成形进行改善,3.0Hz以上交流频率可以得到焊道边缘部良好的焊接外观。即为了得到边缘部焊道良好的成形,使用AC-CBT方法焊接时,相对焊接速度需要设定一定频率以上的交流频率。
图6 交流频率和最大焊接速度的关系 图5 交流频率对焊道形状的影响
图6显示和图4一样条件,对板厚1.0mm,0.6mm固定交流频率,焊接速度10cm/min单位递增,焊道边缘部成形没有变差的极限速度的结果。从此结果得知,极限速度和板厚无关,几乎和交流频率成线性关系。即,线性直线显示的速度以下的情况,边缘部的成形好,比其高的速度(图中斜线部分),边缘部的成形变差,呈现被波浪冲击的焊道外观。
通过电流一致控制AC-CBT方法的情况,每次极性切换焊丝送丝速度都要切换,送丝速度的应答性就变得非常重要,即使采用传统的DC马达的送丝机5.0Hz程度的频率完全在控制范围之内。此焊接机器人系统,由于搭载AC伺服枪,针对负载变动具有充分的送丝能力,可以保持稳定焊接性能的发挥。
相反极性切换后瞬间的电弧起弧的飞溅要完全控制非常困难,针对焊接速度设定最低限的交流频率是非常重要的。例如,有关平均电流100A,平均电压15.7V,焊接速度30cm/min,交流频率3.0Hz,EN比率50%的板上焊接的飞溅量,如果比较低飞溅控制有无,无低飞溅控制的AC-CBT方法,飞溅量为0.35g/min,而有低飞溅的AC-CBT方法的情况,可以抑制飞溅到0.06g/min。约下降1/6的飞溅减少效果,0.1g/min以下的飞溅量的情况,目视只能看到粉尘一样的飞溅。
3.新开发RS控制法
3.1 使用CBT方法传统RS控制的问题点
使用AC伺服反馈RS控制法用脉冲焊接法很早就已经实现,其高电弧起弧性能被广泛了解8).笔者取代焊丝反转回抽的方法,采用机器人手臂的动作进行RS控制,从而确保了无脉冲控制的高电弧起弧性能6).可是用CBT方法与RS控制组合,电弧起弧后瞬间容易发生飞溅,所以有必要解决这个问题。
图7表示使用80%Ar+20% CO2的混合气体,φ1.2mm的实芯焊丝(相当YGW12),用 CBT方法对RS控制的电弧起弧焊接,用HSV进行观察的结果。
图片(A)显示电弧起弧后的初次短路时,短路电流通电的同时,熔滴向母材过渡的过程。通过表面张力和重力熔滴向母材过渡,没有进一步的熔滴过渡。图片(B)显示短路电流越高,没有完全过渡的熔滴下部,由于电磁力缩细。图片(C)显示一旦再度起弧,电弧将没有完全过渡的熔滴提升,即,再次短路发生的样子。图片(D)显示再起弧失败,没有完全过渡的大粒熔滴,电弧发生时造成大粒飞溅的样子。由此得知,传统RS控制即使可以无飞溅起弧,融滴没有完全向熔池过渡等和通常焊接部位完全不同的熔滴过渡的
图7 传统RS控制发生飞溅解析
情况,再次起弧预测失败,容易发生大粒的飞溅。
3.2 新开发RS控制的效果
为了解决前项问题,开发了从起弧后瞬间积极控制对母材的热输入,在初次短路之前,使熔滴充分向母材过渡的程序控制。为了验证其效果,有意使焊接结束时焊丝尖端的小球直径增大,促成初次短路熔滴向母材过渡困难的状态,观察了新开发RS控制起弧时的熔滴过渡。图8表示其结果。
图片(A)表示RS控制起弧后瞬间的状态。和传统方式一样,呈现无飞溅起弧的状态。图片(B)显示初次短路的样子。由于焊接结束时的熔滴在大粒的状态中进行起弧,虽然焊丝尖端的熔滴大,由于熔池完全成形,熔滴没有残留过渡到母材。图片(B)~(D)显示之后的电弧在电弧后瞬间的状态,都成功的预测了再起弧,抑制了飞溅的发生。尤其此效果对起弧性极差,母材容易附着飞溅,不锈钢的MIG焊接可以期待其效果的发挥。
图9 不锈钢MIG焊接时飞溅发生量的比较 图8 新开发RS控制起弧时的熔滴过渡
图9表示使用98%Ar+2%O2气体,φ1.0 mm的实芯焊丝
(相当SUS 308),母材SUS304,各设定电流的焊接速度100cm/min,焊接长度30mm的焊接持续时间1分钟的情况,使用新开发RS控制和传统起弧控制对飞溅发生量进行比较的结果。为了使起弧条件严峻,在焊接和焊接之间,设定了焊丝冷却时间。飞溅量最多的150A进行比较,传统的起弧控制的情况,相对于正常焊接部位飞溅量0.1g/min以下6)的状况,连续起弧焊接时的飞溅发生量约增加为0.8g/min。新开发RS控制的情况,和正常焊接部位几乎一样飞溅发生量可以抑制为0.1g/min以下,从此得知电弧起弧后瞬间到正常焊接部位都发挥了抑制飞溅控制效果。
使用AC伺服反馈送丝系统对RS控制进行了改良,在此得到的技术对机器人的RS控制也起作用,可抑得到同样的效果。
4.结束语
有关最适合超薄板焊接的「低热输入・低飞溅CO2/MAG交流焊接系统」,对其适用效果进行了介绍。此技术在车体底部的焊接得到应用,今后对车体本身的电弧焊接更加可以期待。
参考文献
1) 清原,岡田,山本:有关短路电弧焊接熔滴过渡稳定性和新控制方法,焊接电弧物理研究委员会资料73-205(1973)
2) 三田:CO2电弧焊接波形控制法的探讨,焊接学会论文集,Vol.16 (1988) No.2
3) 王,井原,印南:新CO2焊接法PC工艺法的开发,焊接技术,Vol.44 (1996) No.10
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T.Sato and Y.Hida:A Power
Source of Gas Shielded Arc Welding with New Current Waveforms, Welding Journal,
Vol. 66(1987) No.3
5) E.K.Stava:A new low spatter arc welding machine,
Welding Journal, Vol. 72 (1993)
6) 上山、恵良、井手、上園、廣田:CBT(Controlled Bridge Transfer)方法对低热输入・低飞溅CO2/MAG焊接系统的开发,焊接技术,2006年12月号
7) 三田、品田、坂本、野村、西川:「薄板用交流MAG焊接电源的开发和其应用」第166次焊接法研究委员会资料SW-2638-99(1999)
8) 西坂、上園、上山:用GMA焊接的抽丝起弧法的开发焊接学会全国大会演讲概要 70
(2002) p. 30-31