CN114012220A - 一种铝合金熔化极弧焊设备和焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焊枪喷嘴内壁面设置为螺旋导流构造的极弧焊焊枪以及使用该焊枪的铝合金熔化极弧焊设备，该设备包括焊接电源装置、送丝装置、气流量装置以及焊机；该设备工作时先对焊接设备参数初始化；引燃焊丝形成短路过渡熔滴，待焊工件处形成高温熔融区；然后控制焊接区域中热量以几何等级降低输入量，从而降低施焊工件上温度；熔滴此时脱离焊丝，附着到高温熔融区，即完成一个短路过渡；随后，熔滴冲击到熔池，焊滴冲击弥散至高温熔融区；如此熔滴动态连续形成送至熔池，在焊接区形成大量合金区，即得到接合紧密的焊缝。该设备和方法提高了焊丝与木材的融合性。

Description

一种铝合金熔化极弧焊设备和焊接方法
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，具体涉及一种铝合金熔化极弧焊焊接设备和焊接方法。
背景技术
铝合金是目前工业和民用应用最广的金属材料之一，因为，其具有较高的物理特性、力学性能和工艺性能，尤其密度较小，在全球“碳中和”“碳达峰”背景下，铝合金作为轻量化最好的替代材质，被广泛应用在航空航天、汽车制造以及高速列车等领域。作为批量生产工业产品外观蒙皮薄板材料，由于铝合金自身特性及焊接热因素的影响，铝合金薄板焊接热变形成为影响焊接质量技术瓶颈，同时焊接过程人影响和日常存储在铝合金表面形成的氧化层，对施焊过程引弧和焊丝与母材的融合形成屏障。具体的，弧焊焊接过程中产生大量的热(Q＝I2RT，焊接热量Q等于一定时间T内，焊接电流I平方与综合电阻R的乘积)；但是由于铝合金的散热特性具有受热面积较大、冷却速度较快、应力点聚集较多且易产生变形的特点，使得焊接焊缝成型误差超标，焊接与母材融合性较差，抗拉强度较低，并且焊缝组织颗粒较为粗。此外，在焊接热高温和空气氧化中氧气的影响下，未施焊区域极易形成熔化度极高的氧化层Al2O3，影响到母材与焊接熔池的融合性。
针对上述技术问题，如何保证高质量焊接铝合金已经成为本领域亟需解决的研究热点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种铝合金熔化极弧焊焊接设备和焊接方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种极弧焊焊枪，包括管体以及设于管体前端的焊枪嘴，所述焊枪嘴包括后端的焊枪筒和前端的喷嘴，所述焊枪筒内设有导电电极；所述管体为中轴线位置设有送丝导管，所述管体的前端插设于焊枪筒内，所述送丝导管向外延伸至喷嘴前端；
所述喷嘴内壁面采用螺旋导流构造，所述螺旋导流构造包括单通道螺旋和多通道螺旋。
进一步的，所述单通道螺旋为长度70-85mm,其在喷嘴内形成锥形，内倾角为10-20度，焊枪筒依不同场合更换；
所述多通道螺旋的导流槽与焊枪筒及倾斜角度有关：当导流槽4条时，对应导流槽倾斜角度为5度；当导流槽6条时，对应导流槽倾斜角度为10度；当导流槽8条时，对应导流槽倾斜角度为15度，焊枪筒依不同场合更换。
在一个改进的技术方案中，所述焊枪嘴通过可拆卸连接方式与所述管体相连接，可拆卸方式包括内外螺纹配合、卡扣式扣合等。
第二方面，本发明提供了一种铝合金熔化极弧焊设备，所述设备包括
焊接电源装置，包括焊接电源以及与所述焊接电源相连接的焊接电源控制模块，所述焊接电源控制模块用于控制焊接过程的焊接电源、采集焊接状态数据、以及同步反馈焊丝进给速度和保护气体流量大小；
送丝装置，包括在焊接过程输送焊丝的送丝机以及与所述送丝机相连接的送丝控制模块，所述送丝控制模块用于控制送丝速度与焊接参数相匹配；
气流量装置，包括气流量供给设备以及气流量控制模块，所述气流量控制模块用于控制焊接过程与焊接参数相匹配的保护气体流量大小；以及
焊机，包括底座、以及设于所述底座上的焊枪和焊枪控制模块，所述焊枪采用上述的极弧焊焊枪；所述焊枪嘴的内通道与管体相连通，所述管体与所述气流量供给设备的出气口相连通，所述焊枪控制模块用于手动焊接或与自动化焊接设备连接、以及焊接施焊过程焊接位置的调整。
进一步的，所述焊接电源控制模块内设有协同控制器，所述协同控制器用于控制焊接电源参数、气体流量大小、送丝速度大小、以及熄弧和低电流控制，并动态采集焊机各装置的工作数据。
第三方面，本发明还提供使用上述设备的铝合金熔化极弧焊焊接方法，所述方法至少包括
S1、焊接电源控制模块开启，对焊接设备参数初始化；
S2、依据初始化参数，控制驱动焊丝正常送丝以及控制保护气体正常流量送气；
S3、焊机通电引燃焊丝，电弧热作用下，形成短路过渡熔滴，待焊工件处形成高温熔融区；
S4、控制器检测到短路过渡形成后，控制焊接区域降低热量输入，以几何等级降低施焊工件上温度；
S5、熔滴脱离焊丝，附着到高温熔融区，完成一个短路过渡；
S6、熔滴冲击到熔池，焊滴冲击弥散至所述高温熔融区；
S7、重复上述步骤S2-S6，使熔滴动态连续形成，并送至熔池，在焊接区形成大量合金区，得到接合紧密的焊缝。
一个改进的技术方案中，所述方法还包括：在焊接工作中，焊接电源控制模块通过协同触发器对焊接电源输出参数控制、保护气体流量控制、送丝速度控制并进行引弧燃烧动态数据的采集。
进一步的，所述步骤S1中对焊接设备参数初始化具体包括：
对焊机进行参数初始化，调整到短路过渡模式，电流满足引弧条件；
对保护气体流量参数初始化，调整到基础防氧化模式，保护气体满足施焊范围防护条件；
对焊丝进给速度参数初始化，调整到引弧短路过渡模式，焊丝进给速度保持定速进给。
进一步的，所述步骤S4中控制焊接区域降低热量输入的方法包括保护气体流量从18L/min升到25L/min、焊接电流从180A降低至10A、走丝机暂停。
所述步骤S4中几何等级降低施焊工件上温度具体为：焊接温度与焊接热量输入正相关(约40％)，焊接热量Q＝I2RT，当电流降低(190A下降至10A)，整体平均温度程几何下降。
再进一步的，所述步骤S6中熔滴冲击到熔池的冲击速度控制在5x103—6x103m/min。
本发明极弧焊焊枪通过喷嘴的螺旋导流结构，使得熔滴(在低温状态下)在其电弧螺旋“筒状”气流作用下，以较高速度冲击到熔池，焊滴冲击冲击力破坏Al2O3氧化膜，使其弥散至高温熔融区，提高焊丝与母材的融合性，解决焊接热与空气氧化作用下Al2O3的产生，影响到母材与焊接熔池的融合性问题。
本发明的铝合金熔化极弧焊设备及其焊接方法，采用间歇性低电流焊接技术、低温焊接时熔滴脱离技术以及螺旋加速推动冲击技术得到结合紧密的焊缝。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明极弧焊焊***构示意图；
图2为本发明焊枪喷嘴的螺旋导流结构示意图；
图3为本发明铝合金熔化极弧焊设备的***结构示意图；
图4为本发明铝合金熔化极弧焊设备的结构示意图；
图5为本发明铝合金熔化极弧焊焊接方法中短路过渡熔滴脱离的示意图；
图6为图5部位A的局部方法图；
图7为本发明铝合金熔化极弧焊焊接方法的流程示意图。
具体实施方式
相关技术中铝合金薄板材弧焊设备可以制备合格的铝合金电弧焊焊缝，但国内目前没有自主研发设备，常规电弧焊接设备在焊接薄板时，由于铝合金极好的导热性，焊接设备持续的输入热量，使得焊接热量提高，焊接后工件的变形严重；这也意味着设备、工艺须重新开发，成本急剧增加；相关技术中低温(小电流)焊接引弧困难，或由于焊接引弧和低温成型产生较大温差，铝合金母材表面/界面形成致密难熔的Al2O3，使得Al2O3阻碍金属间的融合和合金化，焊缝融合性较差。
鉴于此，本发明提供了一种铝合金极弧焊焊枪、极弧焊设备以及相应的焊接方法，旨在解决上述技术问题。以下结合附图及实施例，对本申请技术方案进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1示出了本发明所述的一种极弧焊焊枪，所述焊枪包括管体403以及设于管体403前端的焊枪嘴404，所述焊枪嘴404包括后端的焊枪筒406和前端的喷嘴407，所述焊枪筒406内设有导电电极；所述管体403为中轴线位置设有送丝导管408，所述管体403的前端插设于焊枪筒406内，所述送丝导管408向外延伸至喷嘴407前端。
所述喷嘴407内壁面采用螺旋导流构造，所述螺旋导流构造包括单通道螺旋和多通道螺旋，如图2所示。该螺旋导流构造使熔滴在“筒状”气流作用下，保证以较高速度冲击到熔池，同时焊滴冲击冲击力破坏Al2O3氧化膜，使其弥散至所述高温熔融区，提高焊丝与母材的融合性。所述单通道螺旋为长度70-85mm,其在喷嘴内形成锥形，内倾角为10、15、20度；所述多通道螺旋的导流槽与焊枪筒及倾斜角度有关：当导流槽4条时，对应导流槽倾斜角度为5度；当导流槽6条时，对应导流槽倾斜角度为10度；当导流槽8条时，对应导流槽倾斜角度为15度。
为保证螺旋导流构造更好地适应不同焊接工件所需熔滴大小，在一个具体的示例中，焊枪筒直径16，焊枪筒内倾角10度，即六条导流槽、导流槽倾斜角度为10度。
图3-4示出了本发明铝合金熔化极弧焊设备，所述设备包括焊接电源装置100、送丝装置200、气流量装置300以及焊机400。
所述焊接电源装置100包括焊接电源101以及与所述焊接电源101相连接的焊接电源控制模块102，所述焊接电源控制模块102用于控制焊接过程的焊接电源、采集焊接状态数据、以及同步反馈焊丝进给速度和保护气体流量大小。
所述送丝装置200包括在焊接过程输送焊丝的送丝机201以及与所述送丝机201相连接的送丝控制模块202，所述送丝控制模块202用于控制送丝速度与焊接参数相匹配。
所述气流量装置300包括气流量供给设备301以及气流量控制模块302，所述气流量控制模块302用于控制焊接过程与焊接参数相匹配的保护气体流量大小。
所述焊机400包括底座409、以及设于所述底座409上的焊枪401和焊枪控制模块402，所述送丝装置200和气流量装置300均固定在焊机的底座409上，所述焊枪401采用上述的极弧焊焊枪。所述焊枪嘴404的内通道405与管体403相连通，所述管体403与所述气流量供给设备301的出气口相连通，所述焊枪控制模块402用于焊接施焊过程焊接位置的调整和控制。焊枪嘴用于焊接保护气体的导流，以及辅助控制熔滴输送方向。
在实际应用过程中，电弧焊接设备通过焊枪与焊接机器人或者其他连接机构连接，电弧焊接设备既可进行整体移动作业，也可保持固定位置作业，以实际需求为准进行选择。
一个示例中，所述焊接电源控制模块102还包括协同控制器，通过该协同控制器调整电源设备的工作状态以及协调各个控制模块的工作状态，并动态采集焊机各项数据。具体包括焊接电源输出参数控制、保护气体流量控制、送丝速度控制、低电流控制并进行引弧燃烧动态数据采集。
又一个示例中，所述焊接电源控制模块102还根据初始化参数进行电流电压的调整，包括下述调整方式：1、焊接电源控制组开始工作，对焊机进行参数初始化，调整到短路过渡模式，电流满足引弧条件；2、焊接电源控制组开始工作，对保护气体流量参数初始化，通过电磁阀控制将保护气体流量调整到基础防氧化模式，保护气体满足施焊范围防护条件；3、焊接电源控制组开始工作，对焊丝进给速度(伺服电机)参数初始化，调整到引弧短路过渡模式，焊丝进给速度保持稳定(定速)进给。
上述电弧焊接设备工作时，协同控制器处于动态工作状态，采集和判断焊接过程数据；先对焊接设备参数初始化；引燃焊丝形成短路过渡熔滴，待焊工件处形成高温熔融区；协同控制器检测到短路过渡形成后，控制焊接区域中热量以几何等级降低输入量，从而降低施焊工件上温度；焊枪喷嘴401采用螺旋导流结构，在“筒状”后保护气体、电弧吹力和熔滴重力的作用下熔滴脱离焊丝，附着到高温熔融区，完成一个短路过渡；在电弧螺旋“筒状”气流作用下，熔滴以较高速度冲击到熔池——即熔池第一区3，见图5-6，焊滴冲击熔融状熔池破坏Al2O3氧化膜，使其弥散至所述高温熔融区，同时保护气体保护熔池第二区4，降低工件二次氧化；熔滴动态连续形成，并送到熔池，在焊接区形成大量合金区，即完成焊接。
为进一步具体说明本发明设备的工作原理，本发明第三方面公开了一种铝合金熔化极弧焊焊接方法，如图7所示，所述方法至少包括
S1、焊接电源控制模块开启，对焊接设备参数初始化；
该处对焊接设备参数初始化具体包括：对焊机进行参数初始化，调整到短路过渡模式，电流满足引弧条件；对保护气体流量参数初始化，调整到基础防氧化模式，保护气体满足施焊范围防护条件；对焊丝进给速度参数初始化，调整到引弧短路过渡模式，焊丝进给速度保持定速进给。
S2、依据初始化参数，控制驱动焊丝正常送丝以及控制保护气体正常流量送气。
S3、焊机通电引燃焊丝，电弧热作用下，形成短路过渡熔滴，待焊工件处形成高温熔融区。
S4、控制器检测到短路过渡形成后，控制焊接区域降低热量输入，以几何等级降低施焊工件上温度。
其中，控制焊接区域降低热量输入的方法包括保护气体流量加大：从18L/min升到25L/min、焊接电流降低180A调整到10A、走丝机暂停V＝0；由于焊接温度与焊接热量输入正相关(约40％)，焊接热量Q＝I2RT,当电流降低(190A至10A)，整体平均温度程几何下降。
S5、熔滴脱离焊丝，附着到高温熔融区，完成一个短路过渡。
S6、熔滴冲击到熔池，焊滴冲击弥散至所述高温熔融区。
在电弧螺旋“筒状”气流作用下，熔滴以较高速度冲击到熔池，焊滴冲击冲击力破坏Al2O3氧化膜，使其弥散至所述高温熔融区。其中，通过电弧螺旋“筒状”气流作用，使得熔滴冲击到熔池的冲击速度达到5x103-6x103，特别是6x103m/min。
S7、重复上述步骤S2-S6，使熔滴动态连续形成，并送至熔池，在焊接区形成大量合金区，得到接合紧密的焊缝。
需要说明的是焊接热的产生来源与焊接过程中焊接电流、焊接电阻和持续放电时间有关，Q＝I2RT，因此，铝合金薄板焊接变形的主要原因是焊接热导致：铝合金具有良好的导热性，焊接过程中为减少热损失，保证焊接熔池的融入状态，需要提高电流，进一步增加焊接工件的变形，与控制热量的输入相违背。焊接过程中一个熔滴形成是初步的，从熔滴的产生、长大、脱落、附着在焊接熔池。从焊滴长大到附着在熔池并不需要持续加热，但是如果保持高电流，还会继续产生电弧，产生热量。因此，本发明采用间歇性低电流焊接技术来解决该技术问题，其通过降低电流，产生的焊接热以几何倍数下降，达到减少焊接热的输入，从而降低或减少焊接变形对工件公差的影响，甚者减少薄板烧穿；同时及时缓解了焊接区持续高温，有利细化阻止颗粒。
此外，本发明方法中还包含低温焊接时熔滴脱离技术以及螺旋加速推动冲击技术，在短路过渡形成后，控制焊接区域降低热量输入，在保护气体、电弧吹力和熔滴重力的作用下熔滴脱离焊丝，附着到高温熔融区，完成一个短路过渡；在电弧螺旋“筒状”气流作用下，熔滴以较高速度冲击到熔池——即熔池第一区，焊滴冲击熔融状熔池破坏Al2O3氧化膜，使其弥散至所述高温熔融区，同时保护气体保护熔池第二区，降低工件二次氧化，解决了母材与焊接熔池的融合性问题。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极弧焊焊枪，包括管体(403)以及设于管体(403)前端的焊枪嘴(404)，其特征在于，所述焊枪嘴(404)包括后端的焊枪筒(406)和前端的喷嘴(407)，所述焊枪筒(406)内设有导电电极；所述管体(403)为中轴线位置设有送丝导管(408)，所述管体(403)的前端插设于焊枪筒(406)内，所述送丝导管(408)向外延伸至喷嘴(407)前端；
所述喷嘴(407)内壁面采用螺旋导流构造，所述螺旋导流构造包括单通道螺旋和多通道螺旋。
2.如权利要求1所述的极弧焊焊枪，其特征在于，所述单通道螺旋为长度70-85mm,其在喷嘴内形成锥形，内倾角为10-20度；
所述多通道螺旋的导流槽与焊枪筒及倾斜角度有关：当导流槽4条时，对应导流槽倾斜角度为5度；当导流槽6条时，对应导流槽倾斜角度为10度；当导流槽8条时，对应导流槽倾斜角度为15度。
3.如权利要求1所述的极弧焊焊枪，其特征在于，所述焊枪嘴(404)通过可拆卸方式连接所述管体(403)。
4.一种铝合金熔化极弧焊设备，其特征在于，所述设备包括
焊接电源装置(100)，包括焊接电源(101)以及与所述焊接电源(101)相连接的焊接电源控制模块(102)，所述焊接电源控制模块(102)用于控制焊接过程的焊接电源、采集焊接状态数据、以及同步反馈焊丝进给速度和保护气体流量大小；
送丝装置(200)，包括在焊接过程输送焊丝的送丝机(201)以及与所述送丝机(201)相连接的送丝控制模块(202)，所述送丝控制模块(202)用于控制送丝速度与焊接参数相匹配；
气流量装置(300)，包括气流量供给设备(301)以及气流量控制模块(302)，所述气流量控制模块(302)用于控制焊接过程与焊接参数相匹配的保护气体流量大小；以及
焊机(400)，包括底座、以及设于所述底座上的焊枪(401)和焊枪控制模块(402)，所述焊枪(401)采用权利要求1所述的极弧焊焊枪；所述焊枪嘴(404)的内通道(405)与管体(403)相连通，所述管体(403)与所述气流量供给设备(301)的出气口相连通，所述焊枪控制模块(402)用于手动焊接或与自动化焊接设备连接、以及焊接施焊过程焊接位置的调整。
5.如权利要求4所述的铝合金熔化极弧焊设备，其特征在于，所述焊接电源控制模块(102)内设有协同控制器，所述协同控制器用于控制焊接电源参数、气体流量大小、送丝速度大小、以及熄弧和低电流控制，并动态采集焊机各装置的工作数据。
6.一种应用权利要求4所述设备的铝合金熔化极弧焊焊接方法，所述方法至少包括
S1、焊接电源控制模块开启，对焊接设备参数初始化；
S2、依据初始化参数，控制驱动焊丝正常送丝以及控制保护气体正常流量送气；
S3、焊机通电引燃焊丝，电弧热作用下，形成短路过渡熔滴，待焊工件处形成高温熔融区；
S4、控制器检测到短路过渡形成后，控制焊接区域降低热量输入，以几何等级降低施焊工件上温度；
S5、熔滴脱离焊丝，附着到高温熔融区，完成一个短路过渡；
S6、熔滴冲击到熔池，焊滴冲击弥散至所述高温熔融区；
S7、重复上述步骤S2-S6，使熔滴动态连续形成，并送至熔池，在焊接区形成大量合金区，得到接合紧密的焊缝。
7.如权利要求6所述的铝合金熔化极弧焊焊接方法，其特征在于，所述方法还包括：在焊接工作中，焊接电源控制模块通过协同触发器对焊接电源输出参数控制、保护气体流量控制、送丝速度控制并进行引弧燃烧动态数据的采集。
8.如权利要求6所述的铝合金熔化极弧焊焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中对焊接设备参数初始化具体包括：
对焊机进行参数初始化，调整到短路过渡模式，电流满足引弧条件；
对保护气体流量参数初始化，调整到基础防氧化模式，保护气体满足施焊范围防护条件；
对焊丝进给速度参数初始化，调整到引弧短路过渡模式，焊丝进给速度保持定速进给。
9.如权利要求6所述的铝合金熔化极弧焊焊接方法，其特征在于，所述步骤S4中控制焊接区域降低热量输入的方法包括保护气体流量从18L/min升到25L/min、焊接电流从180A降低至10A、走丝机暂停。
10.如权利要求6所述的铝合金熔化极弧焊焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中熔滴冲击到熔池的冲击速度控制在5x103-6x103m/min。
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