集成环列多丝熔化极电弧焊能量耦合机理及数字化智能控制策略研究

The integrated circular multi-wire consumable electrode welding is developed, which aims at obtaining the high-quality and high-efficient welding effect for low alloy high strength steel and ultra-fine grained steel. The key lies in the development of the energy coupling mechanism and digital intelligent control strategy for this new welding method. The main research is divided into two parts. Firstly, the welding system and related welding tests are carried out. Meanwhile, the mechanism of arc energy coupling, metal transfer and weld formation are analyzed by means of numerical simulation and experimental study including electric acquiring equipment, high-speed photography and spectrometer. Secondly, cooperative control among multi-arc is studied in different types of power supply. The focus is on the development of digital cooperative control in pulse current mode. The theoretical system of multi-wire consumable electrode welding and the mechanism of multi-arc cooperative control are enriched by our research results, which promotes the development and application of the welding technology and power source.

针对中厚板低合金高强钢和超细晶粒钢，提出集成环列多丝熔化极电弧焊工艺，实现优质高效的焊接效果。其核心和关键在于集成环列多丝熔化极电弧焊能量协同耦合机理及数字化智能控制策略研究。主要研究内容包括：第一，建立集成环列多丝熔化极电弧复合焊焊接系统及进行相关焊接试验，借助焊接电信号采集设备、高速摄像、光谱仪等试验研究手段和数值模拟技术，分析研究多丝熔化极电弧复合焊中的电弧能量耦合、熔滴过渡和焊缝成形等机理规律。第二，研究采用焊丝在不同供电电源类型模式下，多电弧之间的协同控制，重点研究脉冲电流模式下，多丝电弧数字化协同智能控制技术。研究结果将丰富多丝熔化极电弧复合焊焊接理论体系，及多电弧之间的协同控制原理，促进其工艺和电源的研发和应用。

科学平衡焊接生产率与质量的关系是焊接领域的永恒话题。本项目成果与市场上成熟的双熔化极气体保护焊技术相比较，在焊接热输入相同的前提下焊接熔敷量可提高20%以上。项目研制了具有水冷功能的三丝焊枪，该焊枪集成了呈等边三角形排列的三根焊丝，并均向焊枪中心倾斜呈7°夹角。考虑到三根焊丝同时燃弧时的电弧干扰问题，提出了三个电弧间的脉冲协同控制，即基于三台电源间彼此通讯功能实现任意相位差的脉冲波形输出。.搭建了集成环列多熔化极电弧焊焊接系统，对以下三方面内容展开研究：首先，分别研究了三种典型的脉冲相位差0º、180º及120º时焊接电参数对熔滴过渡及焊缝成形的影响规律，并分别得到了合理的工艺参数区间。试验发现，0º相位差时容易出现多脉一滴过渡。而180º和120º相位差时更易呈现一脉一滴过渡，同时，焊接过程的稳定性及焊缝成形得到了明显改善。其次，分别针对两熔化极通以同向直流电、同相及反相脉冲电流时，焊接电参数对熔滴过渡及焊缝成形的影响规律展开研究分析。试验发现，同时燃弧时容易出现射滴过渡，而交替燃弧时容易出现射流过渡。其主要原因是燃弧形式既会影响弧柱区的电场强度也会影响作用在熔滴上力的方向。而后，围绕双电弧集成冷丝复合焊中，冷丝对焊接过程的作用机理展开研究分析。结果表明，冷丝除了增加焊接熔敷率，还对改善焊接过程稳定性起到了重要作用。此外，为拓宽集成环列多丝熔化极气体保护焊工艺的应用领域，研究了Q960E高强钢的三丝焊接工艺，采用热模拟技术测定了其焊接接头粗晶区的SHCCT曲线, 并发现在预热温度100~120℃，焊接热输入控制在1.26~1.56kJ/mm，坡口角度为60°时，焊接接头抗拉强度达到母材的85%，冲击韧性达到62J以上；研究了单、双脉冲模式下应用多丝焊焊接铝合金的工艺，发现双脉冲频率为3Hz时，熔滴过渡稳定，焊缝成形好，焊接效率高。以上研究为集成环列多丝熔化极气体保护焊工艺的研究及实用化奠定了坚实的理论和技术基础。