CN103111728A - 分离式拘束电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种分离式拘束电弧焊接方法，它通过焊接控制***改变焊接电流回路，使得原来整体拘束电弧被分离为高能等离子体射流区和电弧电流导电通道区两部分。前者完成对母材的热输入，对熔池作用力的传输和强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池；后者通过电弧斑点热实现高效地熔化焊丝的同时有效的降低了对母材的热输入。通过调节惰性气体流量、电流大小参数即可实现对这两部分的自由控制，进而实现焊接过程中的传热、传力、传质的良好控制。该焊接方法有效降低了母材的热输入，提高了焊丝的熔化效率，大大降低了母材的热变形，同时提高了焊接速度，降低热影响区的宽度；同时，该焊接方法在单一设备、单一电弧情况下，实现了高速、高效焊接的统一。

Description

分离式拘束电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种分离式电弧焊接方法，尤其是一种非熔化极拘束电弧焊接方法，属于焊接方法领域。

背景技术

1801年迪威发现了电弧放电现象，开启了近代焊接·结合技术的新起点。19世纪中叶人们提出了利用电弧熔化金属并进行材料连接的思想，此后真正出现了达到使用程度的电弧焊接方法。直至1907年瑞典人发明了焊条电弧焊，确立了焊接技术的基础。后来焊接技术朝着新型化、多样化的方向发展。

如上所述，焊接·结合技术是人们经过多年反复探索、不断改进而建立起来的。到现在，作为一项可靠性很高的结合技术而为社会所接受并广泛应用与实际生产当中，比如从高楼、桥梁、船舶、飞机、汽车等大型构造，到电子机械、电子封装等小型结构，焊接技术都是不可缺少的，它已经成为现代制造业的重要组成部分。

现如今，在多种不同形式的金属连接中，电弧焊已经接被广泛应用于生产各种高质量的连接。这是因为在诸多应用中，电弧焊接已经被证明是较为经济的金属连接方式。当今社会各技术领域的发展对焊接工艺提出了更高、更新的要求，特别是一些高性能、大结构和新结构材料的应用等方面，传统的焊接工艺已远远不能满足其应用需求。随着科学技术的不断发展，焊接·结合技术也不断地推陈出新。

钨极氩弧焊（TIG）这种焊接方法由于能够实现较高质量的焊接，因此得到广泛的应用，它有如下优点：

（1）氩气能有效地隔绝周围空气它本身又不溶于金属，不和金属反应；钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。

（2）钨极电弧稳定即使在很小的焊接电流（<10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板，超薄板材料焊接。

除了上述所说优点外，其自身也有很多不足

1）熔深浅，熔敷速度小，生产率较低，仅适用于较薄板的焊接。

2）钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，渣成污染（夹钨）。

随着现代工业向着大型化方向发展，中厚板、超厚板焊接结构的应用愈加广泛，钨极氩弧焊（TIG）已不能满足此类焊接的需求。对于舰艇、压力容器、锅炉、铁轨等大厚壁金属结构产品的制造和大型工程建造现场作业中，大量厚板接头的传统自动焊接方法普遍采用大坡口多层多道MAG/MIG焊或埋弧焊，随着焊接结构厚度的不断增加，这些方法已经表现出了较大的局限性及不适用性。最突出的表现就是由于厚板坡口面积的急剧加大导致了焊接工作量成倍增加，生产效率低，消耗焊材多，焊接成本高。并且热输入量大、热影响区宽、晶粒粗大，焊接接头力学性能低，容易产生裂纹等焊接缺陷。此外，现在工业及制造业中使用并逐渐推广使用的多为特种材料或高强度钢，对焊接热循环和冷裂纹非常敏感，对焊接接头的力学性能要求极高。这就提出了焊接必须在较低线能量下进行这一要求，但这样就降低了生产效率。

1963年美国***(Battelle)研究所针对上述矛盾开发了一种窄间隙焊接方法。但该项技术自身也存在着：需要特殊的保护气喷嘴、焊接过程中的飞溅会粘连在侧壁和喷嘴上、电弧集中作用在坡口底部，容易产生侧壁未熔合等诸多的技术难题。因此，其应用也具有一定的局限性。

另外，等离子弧、激光和电子束这三种高能量密度热源的焊接由于能够满足新的特殊工艺要求，所以在焊接领域中得到了迅速的发展和应用。“高能束焊接”技术的涌现就补充和发展了原来传统焊接技术的空缺。焊接过程中出现小孔是高能密度焊接工艺的突出特征，大大增加了一次焊接中的熔深。其中穿孔型等离子弧焊接(Keyholeplasma arc welding,K-PAW)因为其潜在的优势，广泛应用于焊接结构钢、汽车、飞机、火箭、太空飞船和空间焊接等，成为21世纪最具发展前景和最有效的加工技术之一。

与钨极氢弧焊GTAW相比，K-PAW的电弧弧柱区的横截面受到喷嘴孔径压缩，气体流速更高(300-2000m/s)和热输入密度更大(109-1011W/mm²)，电弧的温度也大大提高，使等离子弧的稳定性和挺直度有了较大的改善。

与激光焊(LBW)和电子束焊(EBW)相比较而言：尽管等离子弧能量密度低，小孔尺寸较大，但射流速度大、等离子流力强，工艺成本低，接头装配要求低；激光焊和电子束焊焊接设备昂贵，对外部的焊接环境要求太高，设备运行成本较高，束流直径小，对接头装配要求特别严格；这样就限制了在工业中的应用。

即使等离子弧焊有能量密度大、焊接熔深大、焊接效率高等诸多优势，但是其焊接速度有限，在较大工作强度情况下，也无法满足焊接需求，所以这时就有人提出了，多电极电弧焊接，多电极弧焊的优点在于：各电极相互作用，能够熔化母材的同时，进行高速的熔化焊丝，提高送丝速度，从而使得焊接速度大幅度提高，但是，由于多个电极同时作用，焊接回路较多，它们之间存在相互协同、相互耦合作用，其焊接过程的控制较为复杂，另外它所占用的工作空间也比较大，造成诸多的资源浪费，多种因素造成其推广使用的局限性。

因此，如何实现在高能拘束电弧高熔透焊接的情况下，同时达到多电极高速焊接的效果，实现焊接技术的经济、高速、高质、高效的完美结合是问题的关键所在，也是许多年来，诸多焊接技术人员攻关研究的焦点。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有焊接方法的上述缺陷及不足，提供了一种分离式拘束电弧焊接方法。该方法操作简易，能够适应多种焊接环境，实现了在单一焊接电源、单一电弧的情况下，兼备拘束电弧焊接与多电极焊接两者的优势，实现高效、高速焊接，甚至焊接效率和电能利用率要远高于多电极弧焊接方法，于此同时，该方法有效减小了对母材的热输入，降低了母材在焊接过程中的热变形，有效减小焊接过程中产生的飞溅，并大大提高了焊丝的熔化效率，即提升了焊接过程中对焊缝的填丝效率，因此有效地实现了焊接过程中的传热、传力、传质的自由控制。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：由能够产生拘束电弧的焊枪，产生一束区别于自由电弧的拘束电弧；焊枪与送丝装置置于被焊工件的同一侧，送丝装置置于焊枪旁侧，焊枪、被焊工件和送丝装置与焊接电源及控制***相连，将原来由焊枪流至被焊工件的电流，改变至由焊枪流至焊丝，使电流流向发生偏转，这样原来整体拘束电弧分离成为：高能等离子体射流区和电弧电流导电通道区这两部分，其中等离子体射流区直接作用于被焊工件，实现对工件的热输入，对熔池作用力的传输和强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池，而电弧电流导电通道区则作用于焊丝，实现对焊丝的熔融。

所述的焊枪为能够产生拘束电弧的非熔化极焊枪。

由焊接电源经焊枪到工件回到焊接电源；由焊接电源经焊枪到焊丝回到焊接电源，这两条独立的焊接电流回路，并且可以通过焊接控制***实现实现其开通与关断的互锁控制。

焊接过程中，通过调节惰性气体的流量可以实现等离子体射流区对被焊工件的热输入及对熔池作用力大小的控制；通过调节电流的大小可以实现送丝速度的调节。

焊接电流和惰性气体流量这两个参数的调整是相对独立的。

本发明的工作原理如下所述：该种焊接方法区别于传统电弧焊接方法最显著的特点是将一束拘束电弧分离为可分别调控的两个部分，同时这两部分可以实现焊接过程中的不同的功用，而传统的电弧是整体直接作用在被焊接工件上，焊接过程中参数调节起来比较复杂，能量分配不均，电能利用率相对较低。将焊枪置于被焊工件的正上方合适位置处，并接入到焊接电源及控制***的一极，送丝装置置于焊枪的旁侧位置处并与工件同时接到焊接电源的另外一极，这样就有：焊接电源——焊枪——工件——焊接电源；焊接电源——焊枪——焊丝——焊接电源，两个独立的回路，而且这两个回路都是通过焊接控制***对一组可控联动开关的动作控制，实现它们闭合与断开的互锁控制。首先，焊接电源——焊枪——工件——焊接电源回路接通，另外一回路断开，这样拘束电弧首先会在焊枪与工件之间形成，等电弧稳定后，通过焊接***的控制部分切换这两个回路的接通状态，即焊接电源——焊枪——焊丝——焊接电源这一回路接通，另外一回路处于断开状态，这样原来的焊枪与被焊工件间的电弧电流导电通道区就转移到了焊枪与送丝装置之间，而等离子体射流区仍然作用在被焊工件上面，形成对被焊工件的热输入、对熔池作用力的传输和和强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池，这样相比原来就降低了对被焊工件的热输入，有效地降低了焊接后工件的热变形，而且通过调节惰性气体的流量即可实现该区域对工件的热输入及熔池的作用的大小的控制。另外形成于焊枪与送丝装置之间的电弧电流导电通道区，会通过电弧的斑点热对焊丝进行加热，这样使得焊丝的熔化速率大大提高，可以根据焊接过程的需要任意调节送丝速度，从而实现焊接过程中传质有效控制。

本发明方法的优点如下：

本发明所述的焊接方法，在通过焊接控制***，对焊接电流回路实现自由切换，从而使得原来整体耦合作用于被焊工件上面的拘束电弧得以分离开来，形成独立作用与可调控的两个部分。这样就实现了在焊接过程中的传热、传质、传力，三大焊接影响因素的独立调节与控制。拘束电弧被分离为：高能等离子体射流区和电弧电流导电通道区这两个部分。其中等离子体射流区直接作用于被焊工件上，完成对工件的热输入、对熔池作用力的传输和强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池，从而形成稳定的焊接熔池，而电弧电流导电通道区，则作用于焊丝，通过斑点热实现焊丝的熔化。而原来整个拘束电弧作用于被焊工件的情况，由于等离子体射流区的高能流体和电弧电流导电通道区的斑点热都直接加载到被焊工件，使得被焊工件的热输入过多，造成焊接后产生较大焊接变形，同时在焊接过程中，焊丝的熔化只是通过电弧中间的弧柱区的辐射热来实现，熔化速率较低，有时并不能满足焊接过程中的送丝需求；而该方法相对于上述情况比较而言，既有效降低了对被焊工件的热输入，减小焊接后工件的热变形，有效减小了热影响区，同时也增加了对焊丝的熔化速度，实现送丝速度任意调节，提高焊接速度，有效降低热影响区的宽度。本发明另外一个较为突出的优势就是，在单一电弧，单一焊接电源的情况下实现了多焊接电源多电极高速焊接的效果，因为现有设备为了为了配合高速焊接，必须提高送丝速度，则另行置备焊接电源，单独完成焊丝的熔化，这样就造成电能利用率较低以及较多的资源浪费。所以，本发明的焊接方法是一种前所未有的革新焊接方法，同时兼备了拘束电弧大熔深高效焊接和兼顾了多电极高速焊接的优势，该方法适用于不同厚度工件的焊接，实现了对现有设备和资源的充分利用，节约了成本，提高了焊接效率，实现了设备简单，操作简易，使用经济的结合，而且它能够适应多种焊接环境。

附图说明

图1是本焊接方法实施方法的装置示意图

图2是本焊接方法以分离式等离子弧焊焊接工件的一个具体实施方式的装置示意图

图中：1、焊接电源及其控制***，2、拘束电弧焊枪，3、送丝装置，4、被焊工件，5、拘束电弧，6、高能等离子体射流区，7、电弧电流导电通道区，8、焊丝，9、焊接电缆A，10、焊接电缆B，11、焊接电缆C，12、开关A，13、开关B，14、可控联动开关，15、等离子焊枪。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。附图中被焊工件都以对接非穿透立焊为例，但这只是说明性质，而并不是指其局限性。附图中只说明了该焊接方法有关焊接电路的回路方面的连接方式，焊枪所必须的气路和水路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。

下面结合图1对该焊接方法的步骤进行详细说明：

（1）将被焊工件准备就绪；

该焊接方法由于是利用具有较高能量的等离子体射流区实现焊接，所以在焊接较厚板时，被焊工件要开取一定的坡口，但要求并不严格。

（2）将焊枪置于工件正上方合适位置处；

要求焊枪垂直于被焊工件表面，并根据焊接板厚适当调节焊***数，以适应焊接要求。

（3）将焊枪、工件及送丝装置都连接到与焊接电源及控制***组成的相应的回路当中；

焊枪单独接入电源的一极，而工件与送丝装置同时接入到电源的另外一极，形成：焊接电源——焊枪——工件——焊接电源；焊接电源——焊枪——焊丝——焊接电源，两个独立可控的焊接回路。该焊接电源需要满足能够产生拘束电弧所需的电源参数，控制***通过可控联动开关，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的其接通与断开互的锁控制，实现两回路的接通与关断。

（4）焊枪首先在被焊工件表面起弧；

通过焊接控制***，使得焊接电源——焊枪——工件——焊接电源，这一回路接通；而焊接电源——焊枪——焊丝——焊接电源这一回路断开，这样会在焊枪与被焊工件表面之间形成一稳定的拘束电弧。

（5）将拘束电弧分离为两部分，进行焊接；

待焊枪与被焊工件表面之间的拘束电弧稳定后，通过焊接控制***，切换焊接回路，使得焊接电源——焊枪——焊丝——焊接电源这一回路接通；而焊接电源——焊枪——工件——焊接电源，这一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至置于焊枪一侧的焊丝上面，这样拘束电弧就被分离成两部分，其中等离子体射流区直接作用于被焊工件，并形成焊接熔池，同时电弧电流导电通道区的斑点热熔化焊丝，实现送丝要求，保证焊接过程的稳定顺利进行。

（6）实时调整焊接电源的参数，以满足焊接过程中的焊接工艺要求；

由于分离式拘束电弧被分离为：等离子体射流区和拘束电弧电流导电通道区这两部分，而通过调节惰性气体的流量即可实现调节等离子体射流区对被焊工件的热输入及熔池作用力的作用效果；调节焊接电流就可以调节斑点热对焊丝的熔化速率，所以，通过调节以上两个参数就可以实现焊接过程中对送丝速度、工件热输入、对熔池的力的作用等多种影响因子，实现了焊接过程中的传热、传力、传质的灵活控制。

本发明提出了一种分离式拘束电弧焊这一新的接方法，在单一焊接电源及***、单一焊接电弧的情况下，既兼顾了拘束电弧的高能量、高效率作用效果，又兼顾了多电极焊接的高速焊接效果，兼其优，摒其弊。

另外，本发明仍有其他先进的细节，但是附图说明中所述的本发明只是选择了一种比较合适的论证角度进行说明。或许在本发明其他的体现形式上会有些许细节需做修改，但不会影响本发明的核心创新思想。因此，以下的图纸及前述的说明，都只是说明该焊接方法的实质，而不具有局限性的。

下面以等离子弧这种拘束电弧来说明该焊接方法的具体实施方式。在此说明，等离子弧焊是目前应用比较广泛的一种拘束电弧焊接，具有能量集中，电流密度大等特点，焊接效率相对自由电弧高很多，因此以此为例说明分离式拘束电弧焊接方法，但并不说明其有限制性。

如图2所示，被焊工件平板4竖直放置，等离子焊枪15垂直于被焊工件平板4，送丝机构3置于等离子焊枪15的的正上方，焊丝8则贴近在等离子焊枪15合适位置处，其中等离子焊枪15单独接入到焊接电源1的一极，送丝装置3和被焊工件平板4则同时接到电源1的另外一极，接于焊接电缆10中及于焊接电缆11中的一组可控联动开关14，通过控制开关12和13的开关状态，实现两条焊接回路的闭合与断开；首先，通过焊接控制***1的指令，让可控联动开关14进行动作，使得开关13闭合的同时，断开开关12，这样，等离子焊枪15——被焊工件平板4——焊接电源及控制***1形成焊接回路，于是在等离子焊枪15与被焊工件平板4之间产生等离子电弧5，当等离子电弧5稳定后，同理通过焊接电源及其控制***1的控制指令，使得开关13断开的同时，闭合开关12，这样等离子电弧电流导电通道区7，就由原来的被焊工件平板4，转移到焊丝8上面，而具有高能量、高流速的等离子体射流区6仍然作用于被焊工件平板4上面，实现对被焊工件的热输入和熔池作用力的传输以及强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池，形成稳定的熔池，而电弧电流导电通道区7则通过斑点热高效地熔化焊丝，使得送丝速度大大提高，可任意调节送丝速度，这样就实现了分离式等离子弧焊接。

Claims (5)

1.分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：由能够产生拘束电弧的焊枪，产生一束区别于自由电弧的拘束电弧；焊枪与送丝装置置于被焊工件的同一侧，送丝装置置于焊枪旁侧，焊枪、被焊工件和送丝装置与焊接电源及控制***相连，将原来由焊枪流至被焊工件的电流，改变至由焊枪流至焊丝，使电流流向发生偏转，这样原来整体拘束电弧分离成为：高能等离子体射流区和电弧电流导电通道区这两部分，其中等离子体射流区直接作用于被焊工件，实现对工件的热输入，对熔池作用力的传输和强制焊丝熔化形成的熔滴进入熔池，而电弧电流导电通道区则作用于焊丝，实现对焊丝的熔融。

2.根据权利要求1所述的分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：所述的焊枪为能够产生拘束电弧的非熔化极焊枪。

3.根据权利要求1所述的分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：焊接***存在：由焊接电源经焊枪到工件回到焊接电源；由焊接电源经焊枪到焊丝回到焊接电源，这两条独立的焊接电流回路，并且可以通过焊接控制***实现实现其开通与关断的互锁控制。

4.根据权利要求1所述的分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：焊接过程中，通过调节惰性气体的流量可以实现等离子体射流区对被焊工件的热输入及对熔池作用力大小的控制；通过调节电流的大小可以实现送丝速度的调节。

5.根据权利要求1所述的分离式拘束电弧焊接方法，其特征在于：焊接电流和惰性气体流量这两个参数的调整是相对独立的。

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