CN108994465A - 一种脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法 - Google Patents

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弗拉基米尔·郭瑞
齐诺西科夫·阿那托利
韩善果
弗拉基斯拉夫·哈斯金
董春林
巴比奇·亚历山大
蔡得涛
罗子艺
希达列茨·弗拉基米尔
郑世达
易耀勇
王亚琴
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    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus

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Abstract

一种脉冲电流调制的等离子‑电弧复合焊接方法，热源由熔化极电弧和等离子电弧组成，熔化极电弧包含两个脉冲电流阶段，低脉冲电流阶段在电极末端熔化特定体积的金属，在高脉冲电流阶段熔滴产生过渡；等离子电弧由中心气、焊枪和工件之间的电流以及熔化极电弧焊接电流脉冲模式决定；等离子焊接电流在恒流模式下，熔化极电弧两个阶段的电流脉冲频率为30～300 Hz；在方波脉冲调制模式下，电流包含峰值和基值，频率与熔化极电弧电流的调制频率相同，但相位保持异步或同步。本发明能够在不开坡口的情况下单道焊透15mm以下金属材料，减小对工件的热影响，降低接头宽度，增加成形不同空间位置的焊接稳定性，可用于轨道车辆、船体结构、海工平台等结构制造。

Description

一种脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，可用于轨道车辆、船体结构、海工平台等结构制造。
背景技术
等离子-电弧复合焊接方法，是等离子弧（即：非熔化极电弧）和熔化极电弧两种热源共同作用于焊丝和熔池，包括同轴等离子-电弧复合焊接方法和旁轴等离子复合焊接方法，其中同轴等离子-电弧复合焊接的枪体制造复杂，但能量更集中，更有利于形成共熔池。气体经加热离子化后，经过非熔化极喷嘴的中心线和熔化极周边的环形孔到达工件表面，分别称为中心气柱和环形气。首先熔化极焊丝穿过中心气柱，并与工件形成MIG电弧，其次MIG电弧诱导等离子弧在非熔化极和工件形成。常见的复合焊接方法，焊接电流均采用恒流模式，造成非熔化极压缩电弧和中心的熔化极电弧（MIG电弧）的热效应明显，在直流焊的情况下，熔化极电弧能量大部分用于扩展非熔化极电弧。
为了消除该缺点，Zhernosekov A.M等在文章中（Pulse-arc welding with aconsumable electrode (review), Automatic welding, No. 10, 2007.-P. 48-52）提出使用脉冲焊接电流.。不同于传统的方波脉冲，推荐的脉冲焊接电流分为两个阶段，脉冲低电流阶段具有幅度Il和持续时间tl，使得可以在电极的末端熔化给定体积的金属，在脉冲高电流阶段具有幅度Ih和持续时间th，能够携带熔滴到达所有的空间位置。基值电流阶段Ib用于燃弧，并由脉冲频率（f = 1 / T，T=tl+th+tb）变化平滑控制焊接电流。但该焊接方法的缺点是不能够稳定压缩MIG电弧，导致熔深的降低和增加开破口工序。
专利CN101767247B提出了一种等离子GMA焊接方法，GMA电弧由焊丝和母材之间流动的脉冲波形产生，等离子电弧由焊枪和母材之间的流动的等离子焊接电流产生。GMA焊接电流带有峰值电流和基值电流，而设定的等离子电流平均值，在某些限制下导致GMA峰值电流和基值电流的变化。这种方法的缺点是GMA电弧焊接电流仅能使用带有峰值和基值的矩形脉冲，在多空间位置，难以保证复合焊中GMA焊丝熔滴过渡的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种在不开坡口的情况下能够单道焊透15mm以下金属材料，对工件热影响小，能有效降低接头宽度，增加成形不同空间位置焊接稳定性的脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，其特点是：热源由熔化极电弧和等离子电弧组成；其中，
熔化极电弧在焊丝与工件间产生，通过控制焊丝与工件间的电流波形实现，熔化极电流的每个脉冲包含基值阶段、低脉冲电流阶段和高脉冲电流阶段；其中，基值阶段，电流IMB、持续时间tMB，用于维持电弧燃烧；低脉冲电流阶段，调制电流IML、调制时间tML，用于在电极末端熔化特定体积的金属；高脉冲电流阶段，调制电流IMP、调制时间tMP，使熔滴产生过渡；熔化极电弧的电流脉冲周期ТМ = tML + tMP + tMB，焊接频率f = 1/ТМ；
等离子电弧在焊枪与工件间产生，由中心气、焊枪与工件之间的电流以及熔化极电弧的焊接电流脉冲模式决定；当等离子焊接电流保持恒定电流时，熔化极电弧的低脉冲电流阶段和高脉冲电流阶段的电流脉冲频率变化范围为30～300 Hz；当等离子焊接电流为方波脉冲电流时，该方波脉冲电流包含峰值和基值，其中，峰值的电流IPP，持续时间tPP；基值的电流IPB，持续时间tPB；方波脉冲电流的脉冲周期TР = tPP + tPB，焊接频率f = 1/ТP。
其中，所述方波脉冲电流的焊接频率与熔化极电弧的焊接频率相同，即1/ТМ=1/ТP。
所述方波脉冲电流与熔化极电流保持180°相位差。或者，所述方波脉冲电流与熔化极电流保持相位同步。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的等离子电弧在恒定电流下产生压缩熔化极电弧，可以在不开坡口的情况下焊透10～15mm的母材，熔化极电流脉冲模式降低了焊接工件的热影响，它的频率，决定与二阶段脉冲波形，有利于熔滴规则过渡，从而在多空间位置，提高了焊接的稳定性。等离子方波与熔化极脉冲波形保持异步相位（即：相位差180°），等离子电弧脉冲模式，平均功率被熔化极电弧电流脉冲模式弱化，该模式在焊接铝合金和钢薄板（最大6～8mm）上应用非常理想。等离子方波与熔化极脉冲波形保持同步相位，峰值电流和基值电流交替出现，等离子电弧产生的对熔化极电弧的压缩条件较好，这种模式在焊接10～15mm厚的钢和铝合金时优点显著。本发明可用于轨道车辆、船体结构、海工平台等结构制造。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为等离子恒流模式与熔化极焊接电流波形图；
图2为等离子方波模式与熔化极焊接电流波形图；
图3为不同材料焊缝外观对比图。
具体实施方式
下面通过具体的焊接试验对本发明作进一步的说明，试验设备包括等离子-电弧同轴复合焊枪头，单轴机械手，夹具，带有脉冲模式的等离子电源和熔化极电源。熔化极电弧的电源模式为可调制单阶段方波和双阶段脉冲，试验对比了本发明方法与其它方法的热输入，包括等离子焊接电流与熔化极电流均为恒定值（方法1）。
如图1和图2中a所示，熔化极电流的基值阶段，电流IMB、持续时间tMB，用于维持电弧燃烧；低脉冲电流阶段，调制电流IML、调制时间tML，用于在电极末端熔化特定体积的金属；高脉冲电流阶段，调制电流IMP、调制时间tMP，使熔滴产生过渡；熔化极电弧的电流脉冲周期ТМ = tML + tMP + tMB，焊接频率f = 1/ТМ；
等离子焊接电流保持恒定电流（如图1中b所示）时，熔化极电流脉冲频率的调节范围为30～300HZ，基值电流IMB的占空比为20～30%；等离子焊接电流为方波脉冲电流时，该方波脉冲电流包含峰值和基值，其中，峰值的电流IPP，持续时间tPP；基值的电流IPB，持续时间tPB；方波脉冲电流的脉冲周期TР = tPP + tPB，焊接频率f = 1/ТP。而且，方波脉冲电流的焊接频率与熔化极电弧的焊接频率相同，即1/ТМ=1/ТP。方波脉冲电流与熔化极电流保持180°相位差（如图2中b所示），或者保持相位同步（如图2中c所示）。
针对10mm厚Q235碳钢、12mm厚304不锈钢、8mm厚5083铝合金和5、10、15mm厚1561铝合金开展对接焊试验。中心气、等离子形成气和保护气均采用氩气。焊接过程中，中心气体氩气的流速为6～7 L/ min，离子气5～6 L/ min，保护气流量25～30L/min，焊接铝合金的焊丝直径为1.2mm，焊接钢的焊丝直径为1.6mm，焊丝成分与母材接近；其它具体参数见表1，在计算热输入时，加工效率未考虑。
表1 焊接参数（电流I和电压U均为平均值）
在维持相同的热输入情况下，1561合金复合焊接电流依次采用方法1，方法2，本发明进行焊接，其中焊接速度V=60m/h，等离子能量EP=290～320J，熔化极电弧能量EM=180～200J，总体热输入Е为470～520J。结果表明，恒流焊下热效应最大，接头成形最差，方法2下的热影响次之，成形也有所改善；本发明的热影响最小，接头质量最好（如图3中a所示）。采样同样的方法，开展了5083铝合金、Q235碳钢和304不锈钢的焊接。在所有的情况下，最好的结果均为本发明推荐的方法。如图3中b所示为5083铝合金焊缝的外观，焊接速度V=24m/h，热输入EP=800 J/mm, EM=450 J/mm, Е=1250 J/mm,Q235的焊接速度V=15 m/h，热输入EP=1700J/mm, EM=1600 J/mm, Е=3300 J/mm（如图3中c所示），304不锈钢的焊接速度V=15 m/h，热输入EP=2200 J/mm, EM=2000 J/mm, Е=4200 J/mm（如图3中d所示）。结果表明，本发明的热输入相对其他方法降低，提高了焊缝成形，与方法2相比焊接速度提高了30～40%。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于：热源由熔化极电弧和等离子电弧组成；其中，
熔化极电弧在焊丝与工件间产生，通过控制焊丝与工件间的电流波形实现，熔化极电流的每个脉冲包含基值阶段、低脉冲电流阶段和高脉冲电流阶段；其中，基值阶段，电流IMB、持续时间tMB，用于维持电弧燃烧；低脉冲电流阶段，调制电流IML、调制时间tML，用于在电极末端熔化特定体积的金属；高脉冲电流阶段，调制电流IMP、调制时间tMP，使熔滴产生过渡；熔化极电弧的电流脉冲周期ТМ = tML + tMP + tMB，焊接频率f = 1/ТМ；
等离子电弧在焊枪与工件间产生，由中心气、焊枪与工件之间的电流以及熔化极电弧的焊接电流脉冲模式决定；当等离子焊接电流保持恒定电流时，熔化极电弧的低脉冲电流阶段和高脉冲电流阶段的电流脉冲频率变化范围为30～300 Hz；当等离子焊接电流为方波脉冲电流时，该方波脉冲电流包含峰值和基值，其中，峰值的电流IPP，持续时间tPP；基值的电流IPB，持续时间tPB；方波脉冲电流的脉冲周期TР = tPP + tPB，焊接频率f = 1/ТP。
2.根据权利要求1所述的脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述方波脉冲电流的焊接频率与熔化极电弧的焊接频率相同，即1/ТМ=1/ТP。
3.根据权利要求1所述的脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述方波脉冲电流与熔化极电流保持180°相位差。
4.根据权利要求1所述的脉冲电流调制的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述方波脉冲电流与熔化极电流保持相位同步。
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