CN101391331A - 基于焊丝分流的双面电弧焊装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于焊丝分流的双面电弧焊装置及焊接方法。包括焊接电源、焊枪I、焊枪II、送丝机和滑动变阻器，焊枪I和焊枪II中的至少一个是非熔化极焊枪，焊枪I和焊枪II对称置于工件的上下两侧，焊枪I和焊枪II的接电端分别与焊接电源的正、负极相连，送丝机将填充焊丝送入到一个焊枪所形成的电弧或熔池中，填充焊丝通过滑动变阻器与焊接电源相连。采用该发明既可以解决常规电弧焊的熔深浅、热影响区宽、熔敷率低等问题，也可以解决双面电弧焊易出现的焊缝过烧和焊穿、电极烧损严重、焊接参数区间窄等缺陷，在增加焊缝熔深和熔敷率、稳定焊接过程、改善焊缝质量等方面具有明显的优势。

Description

基于焊丝分流的双面电弧焊装置及焊接方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种焊接装置，本发明也涉及一种焊接方法。

(二)背景技术

在常规电弧焊工艺中，电弧总是建立在电极和工件之间，焊接电流通过电弧全部作用于工件，易导致焊缝的熔深浅、热影响区宽和焊接变形大等问题。要提高焊缝熔深或焊接效率(焊接速度或熔敷率)，就势必要增加焊接电流；而随着焊接电流的增大，电弧对工件的热输入也相应增加，形成熔池的温度高、热影响区宽、焊缝成形差。与常规电弧焊不同，单电源型双面电弧焊工艺，工件不接焊接电源，将两把焊枪连接于同一电源的两接线端形成一个回路，即两把焊枪串联起来工作，焊接电流直接流过焊接区域，电流密度和电磁力分布集中，形成的焊缝熔深大、热影区较窄、焊接变形小。然而，由于电弧直接穿过焊接区域，易出现焊缝过烧和焊穿、电极烧损严重等缺陷，表现出双面焊的熔透焊接参数范围比较窄，即熔透对焊接参数的变化比较敏感，故成为限制其工业生产应用的重要因素。

目前，国内外对双弧焊、双面焊工艺和旁路分流设备有一些研究和报道，例如：美国专利号为US7297900的专利文件中记载了一种旁路分流的电弧焊枪，该装置由电弧焊枪和熔化极焊丝组成；美国专利号为US005990446的专利文件中记载了一种单电源双面电弧焊的方法，该方法利用一个焊接电源连接两把电弧焊枪，进行双面电弧焊；中国专利号为97108808.X的专利文件中记载了一种直长型连续焊条焊接8-12mm中厚板I型坡口焊接工艺，采用连弧法双面焊双面成型(或单面焊双面成型焊8mm板)；焊接学报，2007，28(2)中刊登的基于有限元分析对新型DE-GMAW焊缝尺寸预测，记载了一种双熔化极气体保护焊工艺，该工艺利用TIG焊枪构成旁路，分流一部分通过熔化极焊枪的电流，并对该工艺进行有限元计算和定量分析。虽然这些技术内容与本发明有一定的联系，但与本发明申请具有本质的区别。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以解决常规电弧焊的熔深浅、热影响区宽、熔敷率低等问题，也可以解决双面电弧焊易出现的焊缝过烧和焊穿、电极烧损严重、焊接参数区间窄等缺陷的装置及其焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于焊丝分流的双面电弧焊装置的组成包括：焊接电源、焊枪I、焊枪II、送丝机和滑动变阻器，焊枪I和焊枪II中的至少一个是非熔化极焊枪，焊枪I和焊枪II对称置于工件的两侧，焊枪I和焊枪II的接电端分别与焊接电源的正、负极相连，送丝机将填充焊丝送入到一个焊枪所形成的电弧或熔池中，填充焊丝通过滑动变阻器与焊接电源相连。

基于本发明的基于焊丝分流的双面电弧焊装置的焊接方法为：

步骤1：将工件的待焊部位加工成I型、Y型或V型焊接坡口，并对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件固定在焊接工装夹具上；

步骤3：保持两电弧焊枪的电极中心线在一条轴线上，其轴线与工件的夹角α在80°-100°之间，填充焊丝位于电弧焊枪的后部，其焊丝与电弧电极的夹角为20°-80°，填充焊丝的伸出长度为15mm-30mm；

步骤4：设定焊接工艺参数，总焊接电流I在20A-400A之间，分流电流I_p在0A-350A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，填充焊丝直径在1.0mm-2.0mm之间，送丝速度为1.0m/min-10m/min；

步骤5：开启焊接电源，启动引弧开关，在两电极与工件之间形成两个串联电弧或两电极之间形成一个串联电弧，送丝机将填充焊丝送入到电弧焊形成的电弧或熔池中，经过滑动变阻器与焊接电源的接线端相连；这样来自焊接电源的电流I(即总焊接电流)，在电弧弧柱区分为两部分，一是主路电流I_m(通过被焊区域)，二是旁路电流I_p(流经填充焊丝)；通过改变滑动变阻器的电阻值可调节流经焊丝的电流I_p，就可以调节穿过工件的电流I_m，进而控制焊丝的熔敷率和工件的熔透程度。

本发明在单电源双面电弧焊的基础上，利用填充焊丝和滑动变阻器与焊接电源的接线端相连，在电弧弧柱区将焊接电源的电流分为主路和旁路两部分，通过改变滑动变阻器的电阻值可调节流经焊丝的电流I_p，就可以调节穿过工件的电流I_m，进而控制焊丝的熔敷率和工件的熔透程度。采用该发明既可以解决常规电弧焊的熔深浅、热影响区宽、熔敷率低等问题，也可以解决双面电弧焊易出现的焊缝过烧和焊穿、电极烧损严重、焊接参数区间窄等缺陷，在增加焊缝熔深和熔敷率、稳定焊接过程、改善焊缝质量等方面具有明显的优势。

本发明的主要优点体现在：

1、工件不接焊接电缆，焊接电流经一侧焊枪后，直接流过焊接区域，然后由另一焊枪回到焊接电源，这样在两电极与工件之间形成两个串联电弧或两电极间形成一个串联电弧，电流密度分布和电磁力分布集中，形成的焊缝熔深大、热影区窄、焊接变形小；

2、利用填充焊丝和滑动变阻器与焊接电源的接线端相连，在电弧弧柱区将焊接电流分为主路(通过被焊区域)和旁路(流经填充焊丝)两部分，通过改变滑动变阻器的电阻值可调节流经焊丝的电流I_p，就可以调节穿过工件的电流I_m，进而控制焊丝的熔敷率和工件的熔透程度。

3、旁路分流作用对解决单电源双面电弧焊的两侧电弧焊枪对焊接参数的要求不一致性问题也具有明显优势，例如为防止焊缝下塌，考虑背面非熔化极电弧焊(GTA或PAW)熔池的自保持能力，所采取的焊接电流又不能太大，而为了获得稳定的熔化极电弧焊(GMA)焊接过程，需要采用较大的电流，利用填充焊丝对来自熔化极焊枪的电流进行分流、减少流经非熔化极焊枪的电流可解决这一矛盾；

4、由于通过填充焊丝和电弧电极的电流方向相反，由左手定律可知，电弧内产生斥力，电弧被压向前方，即使填充焊丝与熔化极电极临近，也不会熔化后产生飞溅，且能顺利地插入到电弧或熔池中。

5、由于旁路电流对填充焊丝的预热作用，可以大幅度提高填充焊丝的熔敷率，提高焊接生产效率。

6、该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，可广泛应用于中厚板或薄板金属结构中长直焊缝或环焊缝的焊接过程中，对提高焊接生产率、改善焊接质量、减少焊接变形和节约成本等具有明显优势；

7、本发明装置可在传统GMA或GTA焊接系统基础上，进行适当的焊接装置的改造来实现，制造简单，工艺参数调节灵活快速，操作方便。

(四)附图说明

图1是基于焊丝分流的熔化极-非熔化极双面电弧焊装置的示意图；

图2是基于焊丝分流的非熔化极-非熔化极双面电弧焊装置的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

具体实施方式一：

结合图1，它是一种基于焊丝分流的熔化极-非熔化极双面电弧焊的实施方式，本实施方式由焊接电源1、熔化极焊枪I2、焊丝3、送丝机4、非熔化极焊枪II5、钨极6、送丝机7、填充焊丝8和滑动变阻器9等组成。它包括一个熔化极焊枪I2，另一个是非熔化极焊枪II5，焊接前，将熔化极焊枪2和非熔化极焊枪5分别对称放置于工件10的上下两侧，将熔化极焊枪I2的接电端与焊接电源1的正极相连，非熔化极焊枪II5与焊接电源1的负极相连，利用送丝机7将填充焊丝8送入到熔化极焊枪2所形成的电弧11和熔池中，填充焊丝8通过滑动变阻器9与焊接电源1的负极相连，起到分流和预热焊丝8的作用。

基于本实施方式的焊丝分流的熔化极-非熔化极双面电弧焊装置的焊接方法步骤如下：

步骤1：将工件10的待焊部位根据需要加工成I型、Y型或V型坡口，并对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。

步骤2：焊接前，将工件10固定在焊接工装夹具上；

步骤3：保持熔化极焊枪2和非熔化极焊枪5的电极中心线在一条轴线上，其轴线与工件10的夹角在80°-100°之间，熔化极焊丝3的伸出长度为15mm-30mm，钨极6尖角端点距工件距离为2mm-6mm，填充焊丝8位于熔化极焊枪2的后部，填充焊丝8与熔化极焊丝3的夹角为20°-80°，其焊丝8伸出长度为15mm-30mm。

步骤4：设定焊接工艺参数，焊接电流I在50A-400A之间，分流电流I_p在0A-350A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，熔化极焊丝3的直径为0.8mm-1.6mm，熔化极的送丝速度为2.0m/min-10m/min，填充焊丝8的直径为1.0mm-2.4mm，填丝速度为1.0m/min-10m/min，钨极6直径为1.6mm-4.0mm。

步骤5：开启焊接电源1，启动引弧开关，在两电极与工件之间形成两个串联电弧或两电极之间形成一个串联电弧，送丝机7将填充焊丝8送入到电弧焊形成的电弧11或熔池中，经过滑动变阻器9与焊接电源1的接线端相连；这样来自焊接电源1的电流I(即总焊接电流)，在电弧11弧柱区分为两部分，一是主路电流I_m(通过被焊区域)，二是旁路电流I_p(流经填充焊丝)；通过改变滑动变阻器9的电阻值可调节流经焊丝8的电流I_p，就可以调节穿过工件10的电流I_m，进而控制焊丝8的熔敷率和工件10的熔透程度。

具体实施方式二：

结合图3，它是基于焊丝分流的非熔化极-非熔化极双面电弧焊的实施方式，本实施方式由焊接电源1、非熔化极焊枪I22、钨极II23、非熔化极焊枪II5、钨极6、送丝机7、填充焊丝8和滑动变阻器9等组成。它包括两个非熔化极焊枪，即非熔化极焊枪I22和非熔化极焊枪II5，焊接前，将非熔化极焊枪I22和非熔化极焊枪II5对称放置于工件10的两侧，将非熔化极焊枪I22的接电端与焊接电源1的负极相连，非熔化极焊枪II5的接电端与焊接电源1的正极相连，利用送丝机7将填充焊丝8送入到非熔化极焊枪I22所形成的电弧21或熔池中，填充焊丝8经过滑动变阻器9与焊接电源1的正极相连，起分流和预热焊丝8的作用。

基于本实施方式的焊丝分流的非熔化极-非熔化极双面电弧焊的焊接方法的焊接步骤如下：

步骤1：将工件10的待焊部位根据需要加工成I型或Y型坡口，并对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。

步骤2：焊接前，将工件10固定在焊接工装夹具上；

步骤3：保持非熔化极焊枪I22和非熔化极焊枪II5的电极线在一条轴线上，其轴线与工件10的夹角在80°-100°之间，钨极的尖角端点距工件距离为2mm-6mm，填充焊丝8位于非熔化极焊枪I22的后部，填充焊丝8与钨极II23的夹角为20°-80°，其焊丝8伸出长度为15mm-30mm。

步骤4：设定焊接工艺参数，焊接电流I在20A-400A之间，分流电流I_p在0A-350A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，钨极直径为1.6mm-4.0mm，填充焊丝8的直径为1.0mm-2.0mm，送丝速度为1.0m/min-10m/min。

步骤5：开启焊接电源1，启动引弧开关，在两电极与工件之间形成两个串联电弧或两电极之间形成一个串联电弧，送丝机7将填充焊丝8送入到电弧焊形成的电弧21或熔池中，经过滑动变阻器9与焊接电源1的接线端相连；这样焊接电源1的电流I(即总焊接电流)，在电弧21弧柱区分为两部分，一是主路电流I_m(通过被焊区域)，二是旁路电流I_p(流经填充焊丝)；通过改变滑动变阻器9的电阻值可调节流经焊丝8的电流I_p，就可以调节穿过工件10的电流I_m，进而控制焊丝8的熔敷率和工件10的熔透程度。

Claims (4)

1、一种基于焊丝分流的双面电弧焊装置，包括焊接电源、焊枪I、焊枪II、送丝机和滑动变阻器，焊枪I和焊枪II中的至少一个是非熔化极焊枪，其特征是：焊枪I和焊枪II对称置于工件的上下两侧，焊枪I和焊枪II的接电端分别与焊接电源的正、负极相连，送丝机将填充焊丝送入到一个焊枪所形成的电弧或熔池中，填充焊丝通过滑动变阻器与焊接电源相连。

2、根据权利要求1所述的基于焊丝分流的双面电弧焊装置，其特征是：它包括一个熔化极焊枪I，另一个是非熔化极焊枪II，将熔化极焊枪I的接电端与焊接电源的正极相连，非熔化极焊枪II与焊接电源的负极相连。

3、根据权利要求1所述的基于焊丝分流的双面电弧焊装置，其特征是：它包括两个非熔化极焊枪，一个非熔化极焊枪的接电端与焊接电源的负极相连，另一个非熔化极焊枪的接电端与焊接电源的正极相连。

4、一种基于本发明的基于焊丝分流的双面电弧焊装置的焊接方法，其特征是：

步骤1：将工件的待焊部位加工成I型、Y型或V型焊接坡口，并对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件固定在焊接工装夹具上；

步骤3：保持两电弧焊枪的电极中心线在一条轴线上，其轴线与工件的夹角α在80°-100°之间，填充焊丝位于电弧焊枪的后部，其焊丝与电弧电极的夹角为20°-80°，填充焊丝的伸出长度为15mm-30mm；

步骤4：设定焊接工艺参数，总焊接电流I在20A-400A之间，分流电流I_p在0A-350A之间，焊接速度为10cm/min-200cm/min，填充焊丝直径在1.0mm-2.0mm之间，送丝速度为1.0m/min-10m/min；

步骤5：开启焊接电源，启动引弧开关，在两电极与工件之间形成两个串联电弧或两电极之间形成一个串联电弧，送丝机将填充焊丝送入到电弧焊形成的电弧或熔池中，经过滑动变阻器与焊接电源的接线端相连；这样来自焊接电源的电流I，在电弧弧柱区分为两部分，一是主路电流I_m，二是旁路电流I_p；通过改变滑动变阻器的电阻值可调节流经焊丝的电流I_p，就可以调节穿过工件的电流I_m，进而控制焊丝的熔敷率和工件的熔透程度。

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