CN107717189B - 一种三丝焊枪和多丝埋弧焊方法 - Google Patents

一种三丝焊枪和多丝埋弧焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三丝焊枪，三丝焊枪的焊丝包括一根第一热丝和两根冷丝。本发明还提供了一种多丝埋弧焊方法，采用上述三丝焊枪进行焊接。本发明提供的三丝焊枪和多丝埋弧焊方法，利用一根热丝产生的热量熔化两根冷丝，相比现有技术中利用两根热丝的热量熔化一个冷丝，可更有效地吸收电弧和熔池的多余热量，避免焊枪的热输入对母材造成的热损伤，将其应用于中厚板焊接时，可显著地提升焊缝的成形质量。另外，本发明提供的三丝焊枪有两根填充冷丝，可更有效地提高熔敷效率，从而在保证焊缝质量的前提下提高焊接效率。

Description

一种三丝焊枪和多丝埋弧焊方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种三丝焊枪和多丝埋弧焊方法。
背景技术
在大型结构件的生产过程中，存在大量的板材焊接工序，板材焊接的效率和质量直接影响到产品的交货周期和结构的安全性。提高结构件制作效率的方法之一是采用单面焊双面成型工艺来焊接板材，单面焊双面成型工艺指只在板材的正面进行施焊，而保证焊接后板材的正面和反面都能得到表面和内在质量均符合要求的焊缝的工艺。相比一般的双面焊工艺，单面焊双面成型工艺可以省去板件翻身、反面清根等工序，从而显著提升结构件制作效率。
单面焊双面成型工艺通常采用埋弧焊的方法对板材施焊。埋弧焊的焊丝从导电嘴伸出长度较短，故采用大电流焊接，属于高热输入的熔焊方法。依靠高的热输入水平，埋弧焊技术可以在板材的整个厚度上熔化金属，从而实现对厚板的单面焊双面成型。另外，埋弧焊在焊接过程中，电弧在焊剂层下燃烧，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成，自动化程度高、焊缝质量有保证、劳动条件好。埋弧焊也可通过半自动的形式来实现，即焊丝的送进由机械来完成，电弧的移动由人工完成。
埋弧焊的焊接效率，主要是用单位时间内填充金属的熔化量，即熔敷率来衡量的。对于普通埋弧焊而言，提高熔敷率的方法是提高单位时间的热输入。但过高的热输入会造成驼峰、咬边等焊接缺陷。因此，焊接时的热输入的因素制约了埋弧焊生产率的提高，母材所能承受的热输入始终限制了生产率的上限。
相比单丝埋弧焊而言，采用多丝埋弧焊的工艺可适当提高单位时间内的热输入量，从而提高焊接速度。多丝埋弧焊指同时使用两根或两根以上的焊丝，完成同一条焊缝的埋弧焊方法。多丝焊接的实质是改变了焊接过程中母材上的瞬时功率分配，即将焊枪输入到母材上的总能量进行适当分散，从而提高母材可承受的总热输入。目前在工业上采用的多丝埋弧焊方法，在焊接一些厚板焊接结构(大型船体、焊接钢管、厚壁压力容器、H型钢梁)中，已经应用多达3～6台送丝电机，可同时进行3～10根焊丝的多弧焊，可大大提高焊接速度和生产效率。但这种多弧焊方法，其提高焊接速度的实质是通过提高线能量的方法来实现的，往往需要焊后校正高热输入造成的变形问题，并且忽略了对母材的热损伤。尤其是焊接细晶粒高强钢及热敏感性强的一类材料时，大能量输入母材和焊缝中，将会给母材和焊缝造成热损害，引起母材的热影响区晶粒粗化，产生局部软化现象，使得热影响区的力学性能不均匀，影响焊接质量和使用性能。
在2012年第十七届北京埃森焊接与切割展览会上，伊萨公司提出了全新的辅助冷丝埋弧焊工艺。它是在两根平行的热丝中间***一根冷丝，利用热丝多余的热量来熔化冷丝，在不改变总的热输入值的情况下，提高熔敷率，从而提高焊接速度。该技术采用一根不通电、不加热的填充冷丝自动***过热的熔池中，吸收其多余热量，平衡熔池热量的分配比，并作为焊缝填充金属，焊后工艺评定表明，焊缝性能优良，焊接热影响区明显变窄，热影响区无软化现象出现。
但上述利用两根热丝的余热来熔化冷丝的埋弧焊技术，仍具有较高的热输入值，适宜对厚板进行焊接。对于中厚板(厚度为8～30mm)来说，由于其厚度小于厚板，对热输入更为敏感，如果焊接参数控制不当，极易发生焊接变形以及造成母材热损伤。因此，如何将冷丝技术应用于中厚板的焊接，在控制对板材的总热输入水平的情况下，保证焊缝成形质量的前提下，进一步提高熔敷率，从而提高中厚板的焊接效率，是本技术领域人员需要探讨的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何提供一种适用于中厚板焊接的焊枪以及埋弧焊方法，在不增加热输入的情况下，提高熔敷率，从而在获得满足要求的焊缝以及不损伤母材的前提下，提高焊接效率。
本发明提供了一种三丝焊枪，包括焊枪主体和从焊枪主体穿出的一根第一热丝和两根冷丝，第一热丝的前端点和两根冷丝的前端点在被焊工件表面的投影点位于同一条直线上，第一热丝的投影点位于两根冷丝的投影点之间，其中，第一热丝与电源连通，两根冷丝不与电源连通。
进一步地，两根冷丝相对于第一热丝的延伸轴对称设置，冷丝的延伸轴与第一热丝的延伸轴成一夹角，夹角使得第一热丝和两根冷丝朝电弧的产生方向聚拢。
进一步地，两根冷丝的直径相等，第一热丝的直径大于每根冷丝的直径。
本发明提供的三丝焊枪，包括一根第一热丝和两根冷丝，使得第一热丝的余热可以更充分地得到利用，在不提高焊接热输入的情况下，可更有效地提高熔敷率，从而在保证焊缝质量的前提下提高焊接效率。
本发明还提供了一种多丝埋弧焊方法，包括板材的预拼接步骤和对板材进行埋弧焊步骤，板材的厚度D＝8～30mm；预拼接步骤，移动待拼接的板材，使得板材的待焊接部位相互对齐；埋弧焊步骤，使用前枪对板材进行埋弧焊，或使用前枪和后枪同步对板材进行埋弧焊，前枪为三丝焊枪，三丝焊枪包括焊枪主体和从焊枪主体穿出的一根第一热丝和两根冷丝，第一热丝的前端点和两根冷丝的前端点在被焊工件表面的投影点基本位于同一条直线上，第一热丝的投影点位于两根冷丝的投影点之间，其中，第一热丝与电源连通，两根冷丝不与电源连通；埋弧焊步骤的焊接道数为n道，其中，n≥1，各道焊接的焊接速度为vn＝360～1050mm/min；在第n道焊接中，前枪的焊接参数为：焊接电流I1n＝600～1290A，焊接电压U1n＝31～41V，冷丝的送丝速度wn＝(1.2～3.9)vn；后枪的焊接参数为：焊接电流I2n＝500～750A，焊接电压U2n＝35～41V。
进一步地，两根冷丝相对于第一热丝的延伸轴对称设置，冷丝的延伸轴与第一热丝的延伸轴成一夹角，夹角使得第一热丝和两根冷丝朝电弧的产生方向聚拢。
进一步地，两根冷丝的直径相等，第一热丝的直径大于每根冷丝的直径。
进一步地，第一热丝的直径为4.8mm～5.0mm，每根冷丝的直径为1.6mm，第一热丝的前端点与每根冷丝的前端点之间的间距为7mm～13mm。
进一步地，第一热丝直径为4.8mm，第一热丝的前端点与每根冷丝的前端点之间的距离为10mm。
进一步地，沿焊接方向，后枪位于前枪的后方且与前枪的间距为30～60mm，后枪的热输入小于前枪的热输入。
进一步地，后枪包括两根第二热丝，每根第二热丝的直径为1.3mm～1.9mm，两根第二热丝的间距为6mm～10mm。
进一步地，每根第二热丝的直径为1.6mm，两根第二热丝的间距为8mm。
进一步地，当板材的厚度D的范围为8mm≤D≤13mm时，在埋弧焊步骤中，使用前枪对板材进行埋弧焊，埋弧焊步骤中的焊接道数为1道；当板材的厚度D的范围为13mm<D≤30mm时，使用前枪和后枪同步对板材进行埋弧焊。
进一步地，当板材的厚度D的范围为8mm≤D≤10mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝490～620mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝600～800A，焊接电压U11＝31～36V，冷丝的送丝速度w1＝60～100cm/mm；当板材的厚度D的范围为10mm<D≤13mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝360～500mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝650～850A，焊接电压U11＝32～37V，冷丝的送丝速度w1＝100～150cm/mm。
进一步地，当板材厚度D的范围为D≤15mm时，埋弧焊步骤中的焊接道数为1道；当板材厚度D的范围为D>15mm时，埋弧焊步骤中的焊接道数n≥2道。
进一步地，当板材厚度D的范围为13mm<D≤15mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝620～900mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝950～1200A，焊接电压U11＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm；后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝500～650A，焊接电压U21＝35～41V。
进一步地，当板材厚度D的范围为15mm<D≤18mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝620～900mm/min，v2＝620～900mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝950～1150A，焊接电流I12＝980～1100A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪的焊接参数：焊接电流I21＝550～680A，焊接电流I22＝580～700A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V；当板材厚度D的范围为18mm<D≤28mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2＝600～800mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝980～1210A，焊接电流I12＝700～890A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝550～600A，焊接电流I22＝600～740A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V。
进一步地，当板材厚度D的范围为28mm<D≤30mm时，埋弧焊步骤的焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2～5＝600～800mm/min，前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝965～1290A，焊接电流I12＝700～800A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝540～690A，焊接电流I22＝600～750A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V。
进一步地，前枪连接直流电源，后枪连接交流电源。
进一步地，预拼接步骤中包括定位点焊步骤，即点焊连接待拼接的板材。
进一步地，预拼接步骤中还包括开制坡口步骤，即在板材的待焊接边上开制坡口，坡口为Y型坡口，坡口角度为60°～70°，钝边尺寸为0～3mm，间隙为0～3mm。
进一步地，预拼接步骤中包铺洒反面成形焊剂步骤，即在设置在所述板材下方的铜衬垫上铺洒反面成形焊剂。
进一步地，埋弧焊步骤之前还包括预热步骤，即对待焊接的板材进行预先加热，加热温度为20℃。
进一步地，板材的牌号为钢板A709-50-2或钢板Q345。
本发明提供的多丝埋弧焊方法，相比传统的焊接工艺，具有以下优点：
(1)可以实现中厚板单面焊双面成型，焊缝成形良好，焊缝无夹杂，端部无开裂；
(2)利用第一热丝的热量将两根填充冷丝熔化，有效地保证了熔敷率，并且使热输入有效降低，减小了焊后变形，提高了焊接效率；
(3)避免了双面焊接的打底焊、板件翻身、碳弧气刨以及打磨等工序，提高生产率2倍以上，节约焊材30％以上，减少耗能40％以上。
附图说明
图1为一种焊车结构图；
图2为本发明提供的三丝焊***构图；
图3为本发明提供的另一种三丝焊***构图；
图4为板材连接方式示意图；
图5为本发明提供的多丝埋弧焊方法的流程图；
图6为本发明提供的多丝埋弧焊方法中使用的焊枪结构图；
图7为本发明提供的多丝埋弧焊方法中的坡口结构图；
图8a～图8c为利用本发明提供的多丝埋弧焊方法实现的焊缝成形图。
元件标号说明
100 焊车
110 三丝焊枪 111 焊枪主体 113 第一热丝
114 冷丝 115 冷丝
120 焊丝盘
130 焊剂漏斗
140 送丝机构
150 前枪
160 后枪
170 行走小车
200 板材 201 板材 202 板材 203 焊缝
301 衬垫 302 成形焊剂
S100 预拼接步骤
S101 开制坡口步骤
S102 定位点焊步骤
S103 铺洒反面成形焊剂步骤
S200 预热步骤
S300 埋弧焊步骤
具体实施方式
现在结合附图，详细介绍本发明的较佳实施方式。虽然本发明的描述将结合各个实施方式一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该几种实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”，是为了更好地描述本发明的较佳实施方式而设定的，不应理解为对本发明的限制。
埋弧焊设备包括焊接电源、焊车和控制箱，图1示出了一种焊车100的结构图。焊车100由焊枪、行走小车(未示出)、焊丝盘120、焊剂漏斗130和送丝机构140等组成。焊枪的前端设置有导电嘴，导电嘴可与焊接电源连通。焊接时，焊剂由焊剂漏斗130均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘120经焊枪的导电嘴送入焊接区，电弧在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧。行走小车带动焊车100向前移动，使得电弧沿焊接方向向前移动，直至完成整条焊缝。
焊丝是焊接设备中直接产生电弧的部分，焊接时的许多工艺参数，例如焊接电流、焊接电压、送丝速度等都通过对焊丝的控制来完成。如图2和图3所示，本发明提供了一种三丝焊枪110，三丝焊枪110包括焊枪主体111和从焊枪主体111的前端穿出的三根焊丝，三根焊丝与焊枪主体111为滑动接触，以使得多根焊丝可以在送丝机构140的控制下向前送进。在本发明中，三丝焊枪110包括一根第一热丝113和两根冷丝，分别为冷丝114和冷丝115，其中，第一热丝113可与焊接电源连通，冷丝114和冷丝115不与电源连通。在一个实施例中，焊枪主体111的前端设置有导电嘴，导电嘴的数量可为一个或多个，第一热丝113从一个导电嘴中穿过并与之滑动接触，冷丝114、冷丝115可从导电嘴中穿过，也可不从导电嘴中穿过。当冷丝114和冷丝115从导电嘴112中穿过时，容纳冷丝114和冷丝115的导电嘴不与电源连通。当导电嘴连通电源时，可将电流传导至与之接触的第一热丝113。即在本发明中，通电的焊丝称之为热丝，相反地，不通电的焊丝称之为冷丝。在一个实施例中，每个导电嘴中仅有一根焊丝通过。在本发明中，焊枪的前端指焊枪靠近电弧的一端，焊丝向前送进指将焊丝向电弧燃烧的方向送进，焊丝的前端点指焊丝在产生电弧一侧的端点。
当第一热丝113通电与母材之间产生电弧时，可使母材和焊丝熔化从而形成熔池。冷丝114和冷丝115在送丝机构140的控制下输送到过热的熔池中，吸收电弧和熔池的多余能量，熔化后的冷丝114和冷丝115作为填充金属填充到焊缝中。本发明提供的三丝焊枪利用一根热丝产生的热量熔化两根冷丝，相比现有技术中利用两根热丝的热量熔化一个冷丝，可更有效地吸收电弧和熔池的多余热量，避免焊枪的热输入对母材造成的热损伤，将其应用于中厚板焊接时，可显著地提升焊缝的成形质量。另外，本发明提供的三丝焊枪有两根填充冷丝，可更有效地提高熔敷效率，从而在保证焊缝质量的前提下提高焊接效率。
进一步地，如图2和图3所示，冷丝114的前端点、冷丝115的前端点和第一热丝113的前端点在被焊工件表面的投影点基本位于同一条直线上，第一热丝113的投影点位于冷丝114和冷丝115的投影点之间。在焊接过程中，三根焊丝在被焊工件表面的投影点位于同一直线上，从而使得两根冷丝的前端部可以***到第一热丝113形成的熔池中，更为有效地吸收电弧和熔池的多余热量。同时由于第一热丝113的余热是向四周辐射的，故将冷丝114和冷丝115分别设置于第一热丝113的两侧。
进一步地，冷丝114和冷丝115相对于第一热丝113的延伸轴对称设置，使得第一热丝113的余热得到更为充分的利用。冷丝114的延伸轴、冷丝115的延伸轴分别与第一热丝113的延伸轴成一夹角，该夹角使得第一热丝113、冷丝114和冷丝115在沿焊丝向前送进的方向上聚拢，但不发生交叉。在一个实施例中，冷丝114的延伸轴、冷丝115的延伸轴可以是图2所示的直线状，在另一个实施例中，冷丝114的延伸轴、冷丝115的延伸轴也可以是图3所示的折线状。这样，第一热丝113的前端点与冷丝114、冷丝115的前端点之间可保持较小的间距，从而使得第一热丝113的余热可有效地熔化冷丝114和冷丝115。但在三根焊丝与焊枪连接的根部分别保持相对较大的距离，不仅可使导电嘴具有足够的装配空间，同时可防止两根冷丝与焊枪相连的根部被过早预热，从而产生药皮过早脱落、某些成分过早产生化学反应等不利后果。
进一步地，第一热丝113、冷丝114和冷丝115的送丝速度可通过送丝机构140进行独立控制，从而可根据实际需要单独调整第一热丝113、冷丝114和冷丝115的送丝速度，以形成良好的焊缝。在另一个实施例中，冷丝114和冷丝115的送丝速度可被同时控制，以使得冷丝114和冷丝115的送丝速度相同。另外，第一热丝113、冷丝114和冷丝115的材料均为通用的焊丝材料，可根据母材的种类进行选择。在一个实施例中，冷丝114的直径和冷丝115的直径分别小于第一热丝113的直径，以使得冷丝114和冷丝115可以有效地熔化，在另一个实施例中，冷丝114的直径和冷丝115的直径相等。
本发明还提供了一种多丝埋弧焊方法，用于对板材200施焊，板材200的连接形式如图4所示。具体地，板材200包括待焊接的板材201和板材202，板材201和板材202通过焊缝203连接，其中，板材201和板材202中较薄板的厚度为D。在本发明中，厚度D的范围为8～30mm。在一个实施例中，当待拼接的板材201和板材202具有不同的厚度时，还对较厚板进行削边处理。
如图5所示，本发明提供的多丝埋弧焊方法包括板材200的预拼接步骤S100和对板材200进行埋弧焊步骤S300。
预拼接步骤S100指移动板材201和/或板材202的位置，使得板材201和板材202的待焊接位置相互对齐，且其相对位置关系满足设计要求，以便实施后续的埋弧焊步骤S300。进一步地，在预拼接步骤S100中，还可以包括定位点焊步骤S102，即对板材201和板材202进行定位点焊，保证其在后续的埋弧焊步骤S300中，板材201和板材202的相对位置关系不会发生变动，以保证焊缝成形质量。
埋弧焊步骤S300指对板材200进行正式施焊，以形成外观条件和力学性能都满足要求的焊缝。在本发明中，埋弧焊步骤S300可使用前枪150对板材200进行埋弧焊，前枪150为本发明提供的三丝焊枪110。另外如图6所示，本发明还可以使用前枪150和后枪160同步对板材200进行埋弧焊。焊枪在行走小车170的带动下沿焊接方向向前移动，直至完成整条焊缝的焊接。本发明提供的多丝埋弧焊方法，利用三丝焊枪110对板材201和板材202进行焊接，即利用一根热丝产生的热量熔化两根冷丝，相比现有技术中利用两根热丝的热量熔化一个冷丝，可更有效地吸收电弧和熔池的多余热量，避免焊枪的热输入对母材造成的热损伤，将其应用于中厚板焊接时，可显著地提升焊缝的成形质量。另外，三丝焊枪110有两根填充冷丝，可更有效地提高熔敷效率，从而在保证焊缝质量的前提下提高焊接效率。本发明提供的多丝埋弧焊方法还可利用双枪同步焊接，在总热输入不变的情况下，分散熔池的瞬时功率，改善接头性能。进一步地，本发明提供的多丝埋弧焊方法，还可以采用多层多道焊的方式，控制每道焊接对板材的热输入量，避免对母材造成损伤。
在对中厚板进行焊接时，需要严格控制焊接参数，以得到满足质量要求的焊缝。焊接参数主要包括焊接电流、焊接电压、冷丝速度和焊接速度。其中，焊缝熔深与焊接电流成正比，随着焊接电流的增加，熔深和焊缝余高都有显著增加，而焊缝的宽度变化不大，但焊接电流太大时会引起焊接线能量(线能量指单位长度的热输入)过大，引起焊接缺陷。电弧电压的增加，焊接宽度明显增加，而熔深和焊缝余高则有所下降。电弧电压太大时，不仅使熔深变小，而且会导致焊缝成形差、脱渣困难，甚至产生咬边等缺陷。当其他焊接参数不变时而焊接速度增加时，焊接热输入量相应减小，从而使焊缝的熔深和厚度也减小，焊缝余高略增加。因此，为得到质量符合要求的焊缝，需要对各焊接参数进行调整，使得各参数之间、各参数与被焊母材的性能之间相匹配。
另外，冷丝速度也是保证焊缝质量的关键参数。合适的冷丝填充量可以增加焊缝高度或余高，减小焊缝的晶粒度，提高了张角区域的机械性能，调整焊缝形状，因此机械性能可以得到提高。冷丝送丝速度过慢可能会导致焊缝未熔合、夹渣等缺陷，过快可能会导致粘丝、未熔合，焊丝戳进熔池等不利影响。所以必须严格控制冷丝填充速度和填充量，确保焊缝的表面质量以及各项力学性能。
本发明的埋弧焊步骤S300中，埋弧焊步骤的焊接道数为n(n≥1)道，各道焊接的焊接速度为vn＝360～1050mm/min；
在第n道焊接中，前枪的焊接参数为：焊接电流I1n＝600～1290A，焊接电压U1n＝31～41V，冷丝的送丝速度wn＝(1.2～3.9)vn；后枪的焊接参数为：焊接电流I2n＝500～750A，焊接电压U2n＝35～41V。
第一热丝113的送丝速度与前枪150的焊接电流I1n成正比，其具体数值的确定方法与普通焊接中送丝速度的确定方法相同，在此不作限定。
通过大量的试验证明，在满足上述参数条件时，可得到表面质量和力学性能均满足要求的焊缝。另外，利用本发明提供的多丝埋弧焊工艺对中厚板进行焊接，在焊缝质量满足要求的前提下，焊接速度可较传统的焊接工艺提高20％。
进一步地，当对中厚板焊接时，第一热丝113的直径范围为4.8mm～5.0mm，冷丝114和冷丝115的直径范围为1.3mm～1.9mm。考虑到焊丝的通用性，优选第一热丝113的直径为4.8mm，冷丝114和冷丝115的直径为1.6mm。第一热丝113的前端点与冷丝114的前端点之间、第一热丝113的前端点与冷丝115的前端点之间的距离为7mm～13mm，考虑到焊枪的通用性，第一热丝113的前端点与冷丝114的前端点之间、第一热丝113的前端点与冷丝115的前端点之间的距离优选为10mm。
进一步地，当采用前枪150和后枪160对板材200同时进行同步焊接时，沿焊接方向，后枪160位于前枪150的后方，且前枪150与后枪160之间的距离为30～60mm。进一步地，后枪160的热输入小于前枪150的热输入。
进一步地，后枪160包括两根第二热丝，两根第二热丝的直径为1.3mm～1.9mm，考虑到焊丝的通用性，第二焊丝的直径优选为1.6mm。两根第二热丝的间距为6mm～10mm，考虑到焊枪的通用性，优选两根第二热丝的间距为8mm。在一个实施例中，前枪150由于只有一根第一热丝113，故采用直流电源确保焊缝熔深，后枪160由于包括两根第二热丝，故采用交流电源，有效避免磁偏吹。
第二热丝的送丝速度与后枪160的焊接电流I2n成正比，其具体数值的确定方法与普通焊接中送丝速度的确定方法相同，在此不作限定。
进一步地，当板材200的厚度D的范围为8mm≤D≤13mm时，由于板材200较薄，在埋弧焊步骤S300中，优选仅使用前枪150对板材200进行埋弧焊，且埋弧焊步骤S300中的焊接道数为1道；当板材200的厚度D的范围为13mm<D≤30mm时，使用前枪150和后枪160同步对板材进行埋弧焊，对焊枪的瞬时热输入进行分散，避免对板材进行热损伤。
进一步地，当板材200的厚度D的范围为8mm≤D≤10mm时，埋弧焊步骤S300的焊接参数为：焊接速度v1＝490～620mm/min，相比传统的焊接方法，该焊接速度提高了20％；前枪150的焊接参数为：焊接电流I11＝600～800A，焊接电压U11＝31～36V，冷丝的送丝速度w1＝60～100cm/mm；当板材的厚度D的范围为10mm<D≤13mm时，埋弧焊步骤的焊接参数为：焊接速度v1＝360～500mm/min，相比传统的焊接方法，该焊接速度提高了20％；前枪150的焊接参数为：焊接电流I11＝650～850A，焊接电压U11＝32～37V，冷丝的送丝速度w1＝100～150cm/mm。
进一步地，随着板厚D的增加，可采用更多的焊接道数，控制每道焊接对板材200的热输入量，避免对母材造成损伤。优选地，当板材200厚度D的范围为8mm<D≤15mm时，埋弧焊步骤S300中的焊接道数为1道；当板材200厚度D的范围增加至15mm<D≤28mm时，埋弧焊步骤S300中的焊接道数n＝2；当板材200厚度D的范围进一步增加至28mm<D≤30mm时，埋弧焊步骤S300中的焊接道数n＝2～5；其中，填充焊道的焊接热输入小于打底焊道的焊接热输入。
进一步地，当板材200厚度D的范围为13mm<D≤15mm时，埋弧焊步骤S300的焊接参数为：焊接速度v1＝620～900mm/min，相比传统的焊接方法，该焊接速度提高了20％；前枪150的焊接参数为：焊接电流I11＝950～1200A，焊接电压U11＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm；后枪160的焊接参数为：焊接电流I21＝500～650A，焊接电压U11＝35～41V。
进一步地，当板材200厚度D的范围增加至15mm<D≤18mm时，埋弧焊步骤S300的焊接参数为：焊接速度v1＝620～900mm/min，v2＝620～900mm/min，相比传统的焊接方法，该焊接速度提高了20％；前枪150的焊接参数：焊接电流I11＝950～1150A，焊接电流I12＝980～1100A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪160的焊接参数：焊接电流I21＝550～680A，焊接电流I22＝580～700A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V；当板材200厚度D的范围为18mm<D≤28mm时，埋弧焊步骤S300的焊接参数为：焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2＝600～800mm/min，相比传统的焊接方法，该焊接速度提高了20％；前枪150的焊接参数：焊接电流I11＝980～1210A，焊接电流I12＝700～890A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪160的焊接参数：焊接电流I21＝550～600A，焊接电流I22＝600～740A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V。
进一步地，当板材200厚度D的范围为28mm<D≤30mm时，埋弧焊步骤S300的焊接参数为：焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2～5＝600～800mm/min；前枪150的焊接参数：焊接电流I11＝965～1290A，焊接电流I12＝700～800A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；后枪160的焊接参数：焊接电流I21＝540～690A，焊接电流I22＝600～750A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V。
在一个实施例中，如图5所示，预拼接步骤S100中，还包括定位点焊步骤S102之前的开制坡口步骤S101。在本发明中，坡口型式优选为Y型坡口，如图7所示。坡口角度α＝60°～70°，随着板厚的增加，坡口角度逐渐减小，钝边0～3mm，间隙0～3mm。对于不同板厚，优选的坡口尺寸参数见下表。
在一个实施例中，如图5所示，预拼接步骤S100还包括铺洒反面成形焊剂步骤S103。如图7所示，在单面焊双面成型工艺中，为保证反面焊缝的形状，在板材200的反面安装强制成型的铜衬垫301，使焊缝的形状满足设计要求。在一个优选实施例中，在铜衬垫301上铺洒成形焊剂302，既有利于焊缝的成形，也有利于保护铜衬垫301。
在一个实施例中，如图5所示，埋弧焊步骤S300前还包括预热步骤S200，即对板材200进行预热，预热可减少板材200在焊接区域的温度差(也称为温度梯度)。这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。在本发明中，对于厚度D＝8～30的中厚板，预热温度优选为20℃。
在一个实施例中，板材200的牌号为A709-50-2或Q345，该牌号的钢材属于细晶粒高强度钢，对焊接时的热输入较为敏感，采用本发明提供三丝焊枪进行多丝埋弧焊，可获得良好的成形焊缝。
以下列举详细实施例说明本发明提供的多丝埋弧焊方法中的焊接参数，需要说明的是，在实际操作中，在下述实施例提供的数值的基础上，电压可在±3V范围内波动，电流可在±115A范围内波动，冷丝速度可在±25％范围内波动，焊接速度可在±20％范围内波动。
【实施例1】
板材厚度D＝8mm，焊枪为前枪150，焊接道数为1道；
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝700A，焊接电压U11＝33V，冷丝的送丝速度w1＝80cm/mm，焊接速度v1＝555mm/min。
【实施例2】
板材厚度D＝10mm，焊枪为前枪150，焊接道数为1道；
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝720A，焊接电压U11＝33V，冷丝的送丝速度w1＝80cm/mm，焊接速度v1＝550mm/min。
【实施例3】
板材厚度D＝12mm，焊枪为前枪150，焊接道数为1道；
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝750A，焊接电压U11＝35V，冷丝的送丝速度w1＝128cm/mm，焊接速度v1＝430mm/min。
【实施例4】
板材厚度D＝14mm，焊枪为前枪150和后枪160同时施焊，焊接道数为1道；
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝1075A，焊接电压U11＝38V，冷丝的送丝速度w1＝255cm/mm，焊接速度v1＝760mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I21＝580A，焊接电压U21＝38V。
【实施例5】
板材厚度D＝16mm，焊枪为前枪150和后枪160同时施焊，焊接道数为2道；
第一道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝1050A，焊接电压U11＝38V，冷丝的送丝速度w1＝255cm/mm，焊接速度v1＝760mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I21＝615A，焊接电压U21＝38V；
第二道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I12＝1040A，焊接电压U12＝38V，冷丝的送丝速度w2＝255cm/mm，焊接速度v2＝760mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I22＝640A，焊接电压U22＝38V。
【实施例6】
板材厚度D＝20mm，焊枪为前枪150和后枪160同时施焊，焊接道数为2道；
第一道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝1100A，焊接电压U11＝38V，冷丝的送丝速度w1＝215cm/mm，焊接速度v1＝875mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I21＝575A，焊接电压U21＝38V；
第二道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I12＝795A，焊接电压U12＝38V，冷丝的送丝速度w2＝255cm/mm，焊接速度v2＝700mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I22＝670A，焊接电压U22＝38V。
【实施例7】
板材厚度D＝26mm，焊枪为前枪150和后枪160同时施焊，焊接道数为2道；
第一道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝1150A，焊接电压U11＝38V，冷丝的送丝速度w1＝215cm/mm，焊接速度v1＝875mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I21＝580A，焊接电压U21＝38V；
第二道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I12＝810A，焊接电压U12＝38V，冷丝的送丝速度w2＝255cm/mm，焊接速度v2＝700mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I22＝700A，焊接电压U22＝38V。
【实施例8】
板材厚度D＝30mm，焊枪为前枪150和后枪160同时施焊，焊接道数为2～5道；
第一道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I11＝1130A，焊接电压U11＝38V，冷丝的送丝速度w1＝215cm/mm，焊接速度v1＝875mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I21＝615A，焊接电压U21＝38V；
第2～5道焊接：
前枪150焊接参数：焊接电流I12＝750A，焊接电压U12＝38V，冷丝的送丝速度w2＝255cm/mm，焊接速度v2＝700mm/min；
后枪160焊接参数：焊接电流I22＝660A，焊接电压U22＝38V。
上述实施例焊后结果分析：
1、无损检测
焊后48小时后依照AWS D1.1标准(美国钢结构焊接规范)分别对焊缝进行RT、UT、MT无损探伤，探伤结果合格。
2、力学性能
对焊缝进行拉伸、弯曲、硬度以及冲击韧性等力学试验，力学试验结果均为合格，试验结果见表a、表b和表c。试验结果表明，采用本发明提供的多丝埋弧焊方法，焊接接头的抗拉强度、屈服强度等均满足相应要求。另外分别对焊缝区、焊接热影响区以及母材金属取样进行冲击试验，冲击试验值见表d，由冲击试验和焊接工艺参数表明，采用本发明提供的多丝埋弧焊方法，不仅增加了焊接的熔敷效率，而且降低了热输入，提高了焊缝冲击性能与焊缝质量。
表a拉伸试验结果
抗拉强度/MPa 断裂位置 试验结果
≥470 母材 合格
表b弯曲试验结果
表c硬度试验结果
母材 热影响区 焊缝 试验结果
≤325HV10 ≤325HV10 ≤325HV10 合格
表d冲击韧性试验结果
3、焊缝成形及断面
图8a和图8b为焊缝的外形，图8c为焊缝的断面，采用本发明提供的多丝埋弧焊方法，可实现单面焊双面成形，焊缝外形光滑，焊缝断面均匀，无夹杂、气孔等缺陷，焊缝成形优良。
综上所述，本发明提供了一种三丝焊枪，三丝焊枪的焊丝包括一根第一热丝和两根冷丝。本发明还提供了一种多丝埋弧焊方法，采用上述三丝焊枪进行焊接。本发明提供的三丝焊枪和多丝埋弧焊方法，利用一根热丝产生的热量熔化两根冷丝，相比现有技术中利用两根热丝的热量熔化一个冷丝，可更有效地吸收电弧和熔池的多余热量，避免焊枪的热输入对母材造成的热损伤，将其应用于中厚板焊接时，可显著地提升焊缝的成形质量。另外，本发明提供的三丝焊枪有两根填充冷丝，可更有效地提高熔敷效率，从而在保证焊缝质量的前提下提高焊接效率。
上述的说明是本发明中具体实施方式的实施例，用于更清楚地说明本发明的发明构思，但其并非是用于对本发明的权利要求范围的限定。根据本发明的发明构思，本领域技术人员能够容易地变型和修改上述的实施例，这些属于本发明的发明构思内的变型和修改均包含在本发明后附的权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种多丝埋弧焊方法，包括板材的预拼接步骤和对所述板材进行埋弧焊步骤，其特征在于，
所述板材的厚度D＝8～30mm；
预拼接步骤，移动待拼接的所述板材，使得所述板材的待焊接部位相互对齐；
埋弧焊步骤，使用前枪对所述板材进行埋弧焊，或使用前枪和后枪同步对所述板材进行埋弧焊，所述前枪为三丝焊枪，所述三丝焊枪包括焊枪主体和从所述焊枪主体穿出的一根第一热丝和两根冷丝，所述第一热丝的前端点和两根所述冷丝的前端点在被焊工件表面的投影点位于同一条直线上，所述第一热丝的投影点位于两根所述冷丝的投影点之间，其中，所述第一热丝与电源连通，两根所述冷丝不与电源连通；
所述埋弧焊步骤的焊接道数为n道，其中，n≥1，各道焊接的焊接速度为vn＝360～1050mm/min；
在第n道焊接中，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I1n＝600～1290A，焊接电压U1n＝31～41V，所述冷丝的送丝速度wn＝(1.2～3.9)vn；所述后枪的焊接参数为：焊接电流I2n＝500～750A，焊接电压U2n＝35～41V；
当所述板材的厚度D的范围为8mm≤D≤13mm时，在所述埋弧焊步骤中，使用所述前枪对所述板材进行埋弧焊，所述埋弧焊步骤中的焊接道数为1道；当所述板材的厚度D的范围为13mm<D≤30mm时，使用所述前枪和所述后枪同步对所述板材进行埋弧焊；
当所述板材的厚度D的范围为8mm≤D≤10mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝490～620mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝600～800A，焊接电压U11＝31～36V，所述冷丝的送丝速度w1＝60～100cm/mm；
当所述板材的厚度D的范围为10mm<D≤13mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝360～500mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝650～850A，焊接电压U11＝32～37V，所述冷丝的送丝速度w1＝100～150cm/mm；
当所述板材厚度D的范围为D≤15mm时，所述埋弧焊步骤中的焊接道数为1道；
当所述板材厚度D的范围为D>15mm时，所述埋弧焊步骤中的焊接道数n≥2道；
当所述板材厚度D的范围为13mm<D≤15mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝620～900mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝950～1200A，焊接电压U11＝35～41V，所述冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm；所述后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝500～650A，焊接电压U21＝35～41V；
当所述板材厚度D的范围为15mm<D≤18mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝620～900mm/min，v2＝620～900mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝950～1150A，焊接电流I12＝980～1100A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，所述冷丝的送丝速度w1＝200～310cm/mm，w2＝200～310cm/mm；所述后枪的焊接参数：焊接电流I21＝550～680A，焊接电流I22＝580～700A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V；
当所述板材厚度D的范围为18mm<D≤28mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2＝600～800mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝980～1210A，焊接电流I12＝700～890A，焊接电压U11＝35～41V，U12＝35～41V，所述冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；所述后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝550～600A，焊接电流I22＝600～740A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V；
当所述板材厚度D的范围为28mm<D≤30mm时，所述埋弧焊步骤的焊接速度v1＝700～1050mm/min，v2～5＝600～800mm/min，所述前枪的焊接参数为：焊接电流I11＝965～1290A，焊接电流I12＝700～800A，焊接电压U11＝＝35～41V，U12＝35～41V，所述冷丝的送丝速度w1＝175～250cm/mm，w2＝200～310cm/mm；所述后枪的焊接参数为：焊接电流I21＝540～690A，焊接电流I22＝600～750A，焊接电压U21＝35～41V，U22＝35～41V。
2.根据权利要求1所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，两根所述冷丝相对于所述第一热丝的延伸轴对称设置，所述冷丝的延伸轴与所述第一热丝的延伸轴成一夹角，所述夹角使得所述第一热丝和两根所述冷丝朝电弧的产生方向聚拢。
3.根据权利要求1所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，两根所述冷丝的直径相等，所述第一热丝的直径大于每根所述冷丝的直径。
4.根据权利要求1所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述第一热丝的直径为4.8mm～5.0mm，每根所述冷丝的直径为1.6mm，所述第一热丝的前端点与每根所述冷丝的前端点之间的间距为7mm～13mm。
5.根据权利要求4所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述第一热丝直径为4.8mm，所述第一热丝的前端点与每根所述冷丝的前端点之间的距离为10mm。
6.根据权利要求4所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，沿焊接方向，所述后枪位于所述前枪的后方且与所述前枪的间距为30～60mm，所述后枪的热输入小于所述前枪的热输入。
7.根据权利要求6所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述后枪包括两根第二热丝，每根所述第二热丝的直径为1.3mm～1.9mm，两根所述第二热丝的间距为6mm～10mm。
8.根据权利要求7所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，每根所述第二热丝的直径为1.6mm，两根所述第二热丝的间距为8mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述前枪连接直流电源，所述后枪连接交流电源。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述预拼接步骤中包括定位点焊步骤，即点焊连接待拼接的所述板材。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，在所述预拼接步骤中还包括开制坡口步骤，即在所述板材的待焊接边上开制坡口，所述坡口为Y型坡口，坡口角度为60°～70°，钝边尺寸为0～3mm，间隙为0～3mm。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述预拼接步骤中包括铺洒反面成形焊剂步骤，即在设置在所述板材下方的铜衬垫上铺洒所述反面成形焊剂。
13.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述埋弧焊步骤之前还包括预热步骤，即对待焊接的所述板材进行预先加热，加热温度为20℃。
14.根据权利要求1-8中任一项所述的多丝埋弧焊方法，其特征在于，所述板材的牌号为钢板A709-50-2或钢板Q345。
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