CN101172312B - 电磁控制气电立焊方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法，是在气电立焊(EGW)熔池(3)上方或/和侧面附近设置外加磁场，如由励磁电源提供励磁电流的励磁线圈，产生时变或恒定的电磁搅拌外加磁场，产生电磁搅拌作用；该电磁场促使气电立焊熔池金属流体强制运动，综合控制焊缝金属凝固过程，在高速送丝、循环冷却强迫成型系统和气体保护的配合下，对工件实现电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的方法。本发明电磁控制气电立焊(EMS-EGW)装置是在现有基础上增加励磁设备，励磁设备由励磁线圈和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源组成。本发明突破了传统的气电立焊方法，提供了一种改进气电立焊的新思路；减少了焊接缺陷，降低了焊接成本，提高了焊接质量和生产效率，保障了产品的可靠性；外观成型好；设备简单，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及气电立焊(EGW)技术，具体涉及一种电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的方法及设备，属于焊接技术领域。
背景技术
气电立焊(EGW)是由普通的熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方式。其主要应用在油罐、大直径厚壁管、船体厚板等较厚的低碳钢和中碳钢等材料的焊接，也可用于奥氏体不锈钢和其它金属合金的焊接方面，板的厚度在12-80mm最适宜。它是一种高效的焊接技术之一，具有焊接质量好，效率高，熔敷速度快，综合成本低的优点。气电立焊利用类似于电渣焊，所采用的水冷铜滑块挡住熔融的金属，使它强迫成形，以实现立向上位置的焊接，通常保护气体采用CO2。在焊接电弧和熔滴过渡方面类似于普通熔化极气体保护焊，而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊。气电立焊与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。关于气电立焊技术方面的专利，如中国专利号为200610200782.9，发明创造名称为“大型浮顶储罐倒装立缝气电立焊焊接方法”，公开了一种采取对焊件的壁板进行预处理、用二氧化碳气体保护焊机对壁板进行打底焊、用气电立焊机对打底后的壁板进行气电立焊填充盖面的焊接方法，该发明解决了大型浮顶罐倒装施工焊缝背面无法安装水冷垫块的问题，但是该工艺比较复杂，增加了焊接成本和焊接工序；另外，中国专利号为200610040513.0，发明创造名称为“立缝焊接用气电立焊无托底起弧焊接法”，公开了一种采用气电立焊机一次焊接成形的方法，主要包括起弧和正常焊接两个过程，其中正常焊接由气电立焊机自动进行；它利用引弧板或环缝作为起弧时的托底并控制起弧时的焊接规范达到提高焊接质量的目的，但该发明焊接过程复杂，涉及设备较多，使焊接质量也难以保证。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单、减少焊接缺陷，降低成本，提高焊接质量和生产效率的电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法及设备。
本发明的目的是这样实现的：一种电磁控制气电立焊方法，包括普通的气电立焊(EGW)方法，其特征在于还包括下述方法，在气电立焊熔池上方或/和侧面设置外加磁场，所述磁场由励磁电源提供励磁电流的励磁线圈或者其它方式(如永磁体)产生，控制电弧和熔滴过渡行为，促使气电立焊熔池金属流体强制运动，产生电磁搅拌作用，同时，焊缝在强迫成型的作用机制下，实现电磁控制气电立焊(EMS-EGW)，达到综合控制焊缝金属凝固的目的。
所述气电立焊方法，采用如下的磁控焊接工艺条件：
焊接电流200～1000A，焊接速度0.01～0.8m/min，送丝速度0.1～12m/min，焊丝直径0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压20～65V，励磁电流1～50A，励磁频率为0～50Hz，占空比为20～80％。
实现上述方法的电磁控制气电立焊(EMS-EGW)设备，包括焊枪、由循环水冷的固定档排和铜滑块组成的循环冷却强迫成型系统，还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源组成；励磁线圈设于气电立焊熔池上方或/和侧面附近，由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成励磁线圈。励磁线圈结构为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈带铁芯或不带铁芯。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1.突破了传统的气电立焊方法，提供了一种改进气电立焊的新思路；采用外加磁场对气电立焊(EGW)过程进行电磁搅拌，控制焊接电弧、熔滴过渡、熔池流体的强制运动，促使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，改善组织和相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性、焊缝气孔、夹渣，降低焊接缺陷率，有利于提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头。
2.减少了焊接缺陷，降低了焊接成本，提高了焊接质量。
3.外观成型好。
4.设备简单，易于推广应用。
5.采用多个独立的线圈缠绕个体组集成组成励磁线圈系统，可以获得更为均匀的外加磁场，磁场的控制参数增加，强度和精度提高，磁场产生的形式和种类丰富，磁场的可控性和灵活性加强，作用效果提高；采用单个线圈，成本低，空间尺寸小，可达性好，附加装置简单，作用效果明显。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式工作原理示意图。
图2是本发明第二种实施方式工作原理示意图。
图3是本发明第三种实施方式工作原理示意图。
图中，1.固定档排；2.熔渣；3.熔池；4.焊缝；5.铜滑块；6.励磁线圈；7.励磁电源；8.保护气；9.焊枪；10.导电嘴；11.焊丝；12.工件；13.冷却水入口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一.电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法
本发明是一种电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法。包括普通的气电立焊(EGW)方法，即在高速送丝、循环冷却强迫成型系统和二氧化碳气体保护的配合下，对工件进行气电立焊(EMS-EGW)。本发明的创新在于在气电立焊(EGW)熔池上方或侧面附近，或同时在熔池上方和侧面附近的设置外加磁场，所述外加磁场由励磁电源提供励磁电流的励磁线圈，产生的时变或恒定的电磁搅拌外加磁场，该电磁场促使气电立焊熔池金属流体强制运动，产生电磁搅拌作用，达到综合控制焊缝金属凝固的目的。
该外加磁场为恒定磁场或多种频率、多种强度、多种占空比以及方向交替变化的时变电磁搅拌外加磁场，以控制焊接电弧、熔滴过渡、熔池流体的强制运动，促使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，改善组织和相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性、焊缝气孔、夹渣，降低焊接缺陷率，有利于提高焊缝韧塑性，形成优质焊接接头，对工件实现电磁控制气电立焊(EMS-EGW)。
所述外加磁场也可由其他方式产生，如由永磁体产生恒定磁场等。
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的外加控制磁场使用与焊接熔池中心对称轴线相平行的纵向磁场，或者使用与焊接熔池中心对称轴线相垂直的横向磁场；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的焊接电流使用直流，或交流，或脉冲电流；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的焊接熔滴过渡形式为短路过渡，或滴状过渡，或射流过渡，或旋转喷射过渡；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)使用实心焊丝，或药芯焊丝，或粉芯焊丝；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的保护气体使用二氧化碳，或氩气，或氦气，或氩气和二氧化碳的混合气体，或氩气和氧气的混合气体，或二氧化碳、氩气和氦气的混合气体，或二氧化碳、氦气、氩气和氧气的混合气体；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)的工件可以不开坡口，或者开V形坡口，或者开X形坡口，或者开I形坡口；
电磁控制气电立焊(EMS-EGW)焊接过程采用包括如下的工艺条件：
焊接电流200～1000A，焊接速度0.01～0.8m/min，送丝速度0.1～12m/min，焊丝直径0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压20～65V，励磁电流1～50A，励磁频率为0～50Hz，占空比为20～80％，对工件(12)实现电磁控制气电立焊(EMS-EGW)过程。
二.电磁控制气电立焊(EMS-EGW)设备
根据上述电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法可设计多种结构的装置，实施例：如图1所示：主要包括有：焊枪9，焊枪内置的导电嘴10，从导电嘴中伸出的焊丝11，连接工件与焊枪导电嘴之间的焊接电源，由循环水冷13的固定档排1和铜滑块5组成的循环冷却强迫成型系统，保护气体的供气系统8，高速送丝系统，焊枪摆动及控制系统，焊接操作机械系统等组成的普通气电立焊系统；本发明的创新在于：还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈6和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源7组成。
励磁线圈有以下五种安装形式：
1.电磁控制气电立焊(EMS-EGW)设备的励磁线圈6安装在气电立焊(EGW)循环冷却强迫成型系统的铜滑块5上，与铜滑块一同运动，即励磁线圈位于焊接熔池的侧面，与焊接熔池处于等位高度，如图1所示。
2.参见图2，与实施例1不同的是励磁线圈6固定在焊枪喷嘴的外边，与焊枪同轴，和焊枪一起运动，即安装在气电立焊(EGW)的焊枪上，励磁线圈位于焊接熔池的上面。
3.参见图3，与实施例1不同的是励磁线圈6安装在熔池3的上方，励磁线圈与熔池3始终保持有效距离2cm-20cm，通过支架与携带焊机头的升降机械系统固定连接，励磁线圈6、焊枪9与铜滑块5的升降速度相同，在焊接过程中，励磁线圈6与熔池3始终保持一定的距离不变，励磁线圈6的下端面有绝热部分，防止电弧热损害励磁线圈工作。
4.励磁线圈6安装在气电立焊(EGW)循环冷却强迫成型系统的固定档排1上，位于焊接熔池的另一侧面，通过支架与携带焊机头的升降机械系统固定连接，与铜滑块5一同运动，即励磁线圈位于焊接熔池的另一侧面，与焊接熔池处于等位高度。
5.上述四种方式的组合，形成复合作用模式，即两个或多个励磁线圈同时安装在气电立焊(EGW)循环冷却强迫成型系统的固定档排1、或铜滑块5、或熔池3的上方，励磁线圈之间保持相对静止，励磁线圈与熔池3始终保持有效距离2cm-20cm(根据实际的焊接对象、工艺参数和设备调整)，通过支架与携带焊机头的升降机械系统固定连接，与铜滑块5保持相对静止一同运动，位于熔池3上方的励磁线圈的下端面有绝热部分，防止电弧热损害励磁线圈工作，即励磁线圈产生的磁场复合作用焊接熔池周围和上方。
上述励磁线圈可以为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方法形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈可带铁芯或不带铁芯，励磁线圈可以产生纵向磁场或横向磁场，均作用于焊接熔池中。
励磁线圈可以由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成励磁线圈。采用多个独立的线圈缠绕个体组集成组成励磁线圈系统，可以获得更为均匀的外加磁场，磁场的控制参数增加，强度和精度提高，磁场产生的形式和种类丰富，磁场的可控性和灵活性加强，作用效果提高；采用单个线圈，成本低，空间尺寸小，可达性好，附加装置简单，作用效果明显。
励磁电源7能够提供多种频率和多种强度的时变励磁电流或恒定励磁电流。
作用于焊接熔池、焊接电弧、焊缝金属等气电立焊焊接区的外加磁场，也可以由除励磁线圈以外的其它装置、或设备或形式产生的磁场，如磁体等。
三.具体实施例：
采用本发明方法和设备，可选择如下焊接工艺规范：
| 材料牌号/厚度(mm) | 焊接电流(A) | 焊接速度(cm/min) | 励磁电流(A) | 励磁频率(Hz) | 焊丝直经(mm) |
| Q235/12 | 200～480 | 50～80 | 35～45 | 1～15 | 0.8～1.6 |
| 20G/24 | 300～520 | 12～32 | 30～50 | 7～22 | 1.6～2.0 |
| 16Mn/32 | 380～420 | 6～12 | 20～38 | 8～50 | 1.2～2.4 |
| Q235/45 | 460～640 | 4～10 | 12～26 | 4～16 | 3～6 |
| Q235/60 | 600～720 | 2～8 | 10～18 | 9～30 | 2～4 |
| Q235/80 | 800～1000 | 1～6 | 6～14 | 3～25 | 1.2～3.2 |
确定焊接规范时，应该综合考虑焊接构件形式与焊接工艺参数的合理匹配，根据实际焊接材料性能对焊接工艺参数进行系统优化，能够保证获得高质量的焊接接头。
四.本发明涉及的电磁控制气电立焊(EMS-EGW)方法及设备的拓展应用：
用于电磁控制高熔敷率的高效气电立焊，或电磁控制高速气电立焊，或电磁控制大电流的气电立焊，或电磁控制粗丝气电立焊，或熔滴射流过渡的气电立焊，或脉冲电流的气电立焊，或普通电磁控制气电立焊；
用于纯二氧化碳气体保护的传统电磁控制气电立焊，或其它种类单一气体保护的新型电磁控制气电立焊，或混合气体保护的新型电磁控制气电立焊；
用于中小厚板25mm以下，中等厚板25～50mm，或大厚板50mm以上的电磁控制气电立焊；
用于下述材料的焊接：碳钢，不锈钢，合金钢，特种钢；或锅炉钢，桥梁钢，船舶用钢，压力容器钢，结构钢；
用于单面焊，双面焊，单面焊双面成形；
用于立焊缝，大直径的管环缝，接近垂直的立焊缝；
用于特种机械设备制造，船舶，桥梁，钢结构建筑，石油，冶金，化工，压力容器等工业领域。
Claims (5)
1.一种电磁控制气电立焊方法，包括普通的气电立焊方法，其特征在于，还包括下述方法，在气电立焊熔池(3)上方或/和侧面附近设置外加磁场，控制电弧和熔滴过渡行为，促使气电立焊熔池金属流体强制运动，产生电磁搅拌作用，同时，焊缝在强迫成型的作用机制下，实现电磁控制气电立焊；
所述外加磁场由励磁电源(7)提供励磁电流的励磁线圈(6)产生；外加磁场是恒定磁场，或者频率、强度、占空比以及方向变化的时变磁场，其参数调节范围是：励磁电流1～50A，励磁频率为0～50Hz，占空比为20～80％；或者所述外加磁场由永磁体产生恒定磁场；
所述气电立焊方法采用如下的焊接工艺条件：
焊接电流200～1000A，焊接速度0.01～0.8m/min，送丝速度0.1～12m/min，焊丝直径0.8～6mm，保护气体流量10～50L/min，焊接电压20～65V。
2.一种电磁控制气电立焊设备，包括焊枪(9)、由带有循环水(13)冷却的固定档排(1)和铜滑块(5)组成的循环冷却强迫成型系统，其特征在于，还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈(6)和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源(7)组成；励磁线圈(6)设于气电立焊熔池(3)的上方或/和侧面；励磁电源(7)提供频率、强度、占空比以及方向变化的时变励磁电流或恒定励磁电流；
所述励磁线圈(6)安装在气电立焊循环冷却强迫成型系统的铜滑块(5)上，与铜滑块(5)一同运动，即励磁线圈位于焊接熔池的侧面，励磁线圈(6)与熔池(3)始终保持等高；
所述励磁线圈由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成，产生外加磁场，均作用于焊接熔池和电弧；励磁线圈结构为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈带铁芯或不带铁芯。
3.一种电磁控制气电立焊设备，包括焊枪(9)、由带有循环水(13)冷却的固定档排(1)和铜滑块(5)组成的循环冷却强迫成型系统，其特征在于，还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈(6)和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源(7)组成；励磁线圈(6)设于气电立焊熔池(3)的上方或/和侧面；励磁电源(7)提供频率、强度、占空比以及方向变化的时变励磁电流或恒定励磁电流；
所述励磁线圈(6)安装在气电立焊循环冷却强迫成型系统的固定档排(1)上，位于焊接熔池的另一侧面，通过支架与携带焊机头的升降机械系统固定连接，与铜滑块(5)一同运动，即励磁线圈位于焊接熔池的另一侧面，励磁线圈(6)与熔池(3)始终保持等高；
所述励磁线圈由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成，产生外加磁场，均作用于焊接熔池和电弧；励磁线圈结构为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈带铁芯或不带铁芯。
4.一种电磁控制气电立焊设备，包括焊枪(9)、由带有循环水(13)冷却的固定档排(1)和铜滑块(5)组成的循环冷却强迫成型系统，其特征在于，还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈(6)和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源(7)组成；励磁线圈(6)设于气电立焊熔池(3)的上方或/和侧面；励磁电源(7)提供频率、强度、占空比以及方向变化的时变励磁电流或恒定励磁电流；
所述励磁线圈(6)固定在焊枪喷嘴(10)的外侧壁上，与焊枪同轴，和焊枪一起运动，即安装在气电立焊的焊枪上，励磁线圈也位于焊接电弧和熔池的上方；
所述励磁线圈由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成，产生外加磁场，均作用于焊接熔池和电弧；励磁线圈结构为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈带铁芯或不带铁芯。
5.一种电磁控制气电立焊设备，包括焊枪(9)、由带有循环水(13)冷却的固定档排(1)和铜滑块(5)组成的循环冷却强迫成型系统，其特征在于，还包括励磁设备，励磁设备由励磁线圈(6)和为励磁线圈提供励磁电流的励磁电源(7)组成；励磁线圈(6)设于气电立焊熔池(3)的上方或/和侧面；励磁电源(7)提供频率、强度、占空比以及方向变化的时变励磁电流或恒定励磁电流；
所述励磁线圈(6)安装在熔池(3)的正上方，通过支架与携带焊机头的升降机械系统固定连接，励磁线圈(6)、焊枪(9)与铜滑块(5)的升降速度相同，在焊接过程中，励磁线圈(6)与熔池(3)始终保持有效距离2-20cm，励磁线圈(6)的下端面有绝热；
所述励磁线圈由单个或多个独立的线圈缠绕个体组成，产生外加磁场，均作用于焊接熔池和电弧；励磁线圈结构为轴对称的圆柱形结构，或者为矩形横截面结构，或者为正方形的横截面结构，或者为环形结构；励磁线圈带铁芯或不带铁芯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Jinhai Heavy Industry Co., Ltd. Assignor: Chongqing University Contract record no.: 2011330000926 Denomination of invention: Electromagnetic control electro-gas welding method and equipment thereof Granted publication date: 20101208 License type: Exclusive License Open date: 20080507 Record date: 20110711 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 Termination date: 20201109 |