CN101704157A - 电弧自动焊焊接烟尘收集装置及焊接发尘量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧自动焊焊接烟尘收集装置及焊接发尘量测试方法，所述收集装置包括设置有箱门的烟尘收集箱，其顶部设置有滤膜，其箱壁上对称地穿接有内端设置有顶锥的左轴和右轴，左轴外端连接有电动机，烟尘收集箱内部设置通过可调节横导柱和竖导柱连接夹持焊枪装置；所述发尘量测试方法通过上述装置产生焊接烟尘并进行沉降，然后通过软纸和脱脂棉将沉降的尘和微飞溅、焊渣等收集起来，再对烟尘与微飞溅和微小尺寸渣进一步分离，通过计算即可得出单位时间内的发尘量。本发明利用自动焊提高电弧焊接过程的稳定性，减少人为因素的影响，同时实现在收集箱内自然沉积后收集烟尘，并能实现焊接烟尘与微飞溅及熔渣更完全的分离。

Description

电弧自动焊焊接烟尘收集装置及焊接发尘量测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于焊接工艺性研究的方法及装置，具体的说，是涉及一种用于电弧自动焊焊接工艺性研究的方法及装置。

背景技术

电弧焊是现代工业生产中广泛采用的焊接方法，其中的气体保护焊大都采用自动焊或半自动焊工艺来应用。近年来，自动焊工艺应用越来越广，与此同时，以焊条电弧焊为代表的非自动焊工艺应用比例大大减小，因此技术人员更加注重对自动焊工艺的研究。

在金属材料电弧焊焊接工艺过程中会产生焊接烟尘，焊接产生烟尘的性质是焊接工艺性研究的一个重要技术指标。研究不同焊接方法、不同参数下产生的焊接烟尘能够对焊接工艺进行评定和改进。以往关于焊接烟尘的研究以及制定的标准主要侧重于非自动焊方面，是以焊条电弧焊为基础的；并且在测试焊接发尘量时，由于焊接过程需要人工操作，其中电弧电压、电弧电流、焊丝伸出长度等焊接参数难免会在不同程度上会受到人为因素的影响，继而也就会对焊接发尘量产生影响。

电弧自动焊包括埋弧自动焊、自动TIG焊、熔化极气体保护焊(国际焊接学会IIW规定的缩写为GMAW)、药芯焊丝电弧焊(国际焊接学会IIW规定的缩写为FCAW)等工艺，其中前两种工艺焊接发尘量很小。因此，本技术方案所述的电弧自动焊特指熔化极气体保护焊和药芯焊丝电弧焊两种工艺，以下分别简写为GMAW和FCAW。

发尘量测试的关键在于解决焊接烟尘的收集问题。焊接过程中烟尘的扩散是一个复杂的运动过程，焊接烟尘在电弧高温下产生，同时电弧周围的气体膨胀而载着烟尘粒子上升，在上升过程中由于周围气体的不断卷入以及电弧的冲击作用形成各种涡旋运动即湍流运动。因此，焊接烟尘由连续孤立的烟团所组成，扩散速度较快，且在上升过程中逐渐呈发散状态的喇叭口形，所以为了有效收集烟尘就要采取合适的收集方法。

烟尘收集方式主要有抽气泵抽取和焊接后自然沉积收集两种方法。常用的焊接烟尘收集标准主要有：(1)日本根据国际化标准组织ISO/FDIS 1501l-l修订的日本工业标准JISZ 3930：2001 Determination of emission rate of particulate fume in arc welding；(2)国标GB1225-76；(3)中国机械行业标准“电焊条焊接工艺性能评定方法”JB/T8423-1996。这些标准都采用了人工焊接操作，抽气泵抽取收集的方式进行焊接烟尘的测试，焊接过程需人工控制焊接材料的填充。即使是GMAW和FCAW工艺目前也都采用半自动焊方式进行测试，同样需要人工焊接操作，焊接参数的稳定性受人为因素影响较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用自动焊提高电弧焊接过程的稳定性，减少人为因素的影响，同时实现在收集箱内自然沉积后收集烟尘，使焊接烟尘的收集更准确的用于测试焊接发尘量的烟尘收集装置。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种焊接烟尘收集更加准确，并能实现焊接烟尘与微飞溅及熔渣有效分离的焊接发尘量的测试方法.

为了解决上述技术问题，本发明的烟尘收集装置通过以下的技术方案予以实现：

一种用于测试电弧自动焊焊接发尘量的烟尘收集装置，包括设置有箱门的烟尘收集箱，所述烟尘收集箱的顶部设置有滤膜，底部设置于底座上，所述烟尘收集箱的箱壁上对称地穿接有固定于所述底座且内端设置有顶锥的左轴和右轴，所述左轴外端通过联轴器连接有电动机，所述右轴外端连接有手轮；所述烟尘收集箱内部设置有一端通过连接杆固定于底座的横导柱，所述横导柱的另一端通过移动副连接有底部设置夹持装置的竖导柱。

所述烟尘收集箱的箱体与滤膜、箱体与左轴、箱体与右轴、箱体与横导柱以及箱体与焊枪后拖电缆线之间均通过胶套密封；所述箱体与箱门之间通过胶条密封。

所述烟尘收集箱的箱体内部的底面空置。

所述滤膜的孔径小于等于0.1微米。

所述底座设置有用于固定所述左轴的左支架和用于固定右轴的右支架。

本发明提供的另一技术方案是一种使用上述烟尘收集装置的电弧自动焊焊接发尘量测试方法，该方法由以下步骤组成：

(1)将烟尘收集箱箱体内壁及箱体内部各部件擦净并干燥；

(2)确定焊接参数，启动电动机使工件旋转并开始焊接，焊丝的直径范围在0.6～2.4mm，保证焊缝不重叠并记录焊接时间，数据精确到秒，记为t_w；

(3)焊接后继续保持烟尘收集箱的关闭状态使烟尘沉降，直至箱体内部温度与室温相同；

(4)取装有5～10克脱脂棉的纸袋，取50～100克软纸干燥后称重待用，重量分别记为a和b，数值精确到毫克；

(5)打开烟尘收集箱的箱门，按照下述步骤操作：

①取下焊缝上的焊渣，放入干净干燥的烧杯中；

②用步骤(4)备好的一部分软纸自上而下地轻轻擦净箱体内部各部件上沉降的尘，将擦拭之后的软纸放回纸袋中；

③用步骤(4)备好的脱脂棉自上而下地轻轻擦净箱体内壁，将擦拭之后的脱脂棉放回纸袋中；

④用步骤(4)备好的另一部分软纸将箱体底面上的所有物质收集到一起，并将所收集物质放入到烧杯中，并将擦拭之后的软纸放回纸袋中；

(6)将带尘的软纸和带尘的脱脂棉干燥，干燥时间与步骤(4)中软纸和脱脂棉的干燥时间相同，然后对带尘的软纸和脱脂棉称重，重量记为c，计算软纸和脱脂棉上附着的焊接烟尘质量m₁＝c-(a+b)；

(7)将装有收集物的烧杯称重，数值记为m₂；

(8)在装有收集物的烧杯中加入液体介质并搅拌，静止，将位于烧杯上层悬浊液的1/3～2/3滤出，滤出后再加入液体介质并搅拌，再静止，再将位于烧杯上层悬浊液的1/3～2/3滤出，这样重复直至目测烧杯中上层液体清澈，将烧杯中的液体取样在1000倍以上的显微镜下观察，若观察不到烟尘颗粒，将烧杯中的液体滤去，保留固体物质；

(9)将步骤(8)最终保留的固体物质及烧杯烘干，并称重，数值记为m₃；

(10)通过计算即可得出单位时间的发尘量，

所述液体介质选自去离子水或乙醇其中的一种。

所述步骤(2)的焊接时间为90秒以上。

所述步骤(3)的沉降时间为至少2小时。

所述步骤(4)的干燥时间至少为2小时。

本发明的有益效果是：

(1)将电弧自动焊和焊接烟尘收集巧妙结合，能够进行具有自动送丝功能的电弧焊工艺(GMAW和FCAW)的烟尘收集，其焊接过程的所有参数全部自动控制，不会受到人为因素的影响，继而有利于焊接烟尘的收集和焊接发尘量的准确测量。

(2)由于利用沉降法收集的焊接烟尘中不可避免地混杂有焊接飞溅，甚至还混杂有焊接熔渣(也可称焊渣，简称渣)，尤其是其中尺寸微小的微飞溅及渣与烟尘尺寸接近，肉眼难以区分，且数量众多；已有标准的抽气泵抽取收集烟尘时，为防止微飞溅混入烟尘中，不收集粘附在收集箱下部的烟尘，而本发明则将此部分烟尘也一并收集，而后再实现焊接烟尘与微飞溅及渣的分离，使得最终的测试结果更为准确和有效。

(3)焊枪能够方便地被固定，并在三维方向上准确可调，可以有效地控制焊接过程。

(4)本装置和方法可以实现电弧自动焊，并使其焊接速度在较大范围之内可调。

(5)本装置和方法利用左轴和右轴对工件的固定和运动控制，能够方便地装卡和拆卸圆筒形工件；并且保证工件转动时具有良好的同心度，这样，在焊接过程之中，焊接参数波动非常小，保证了整个焊接过程能够稳定地进行。

(6)由于焊接部件设置在烟尘收集箱内部，焊接过程受环境影响小，焊接连续性好，同时也提高了烟尘收集的利用率。

附图说明

图1是本发明中焊接烟尘收集装置结构示意图；

图2是混杂有微飞溅的焊接烟尘的显微照片。

在图中：右支架——1        手轮——2        右轴——3

        竖导柱——4        横导柱——5      观察窗——6

        滤膜——7          箱体——8        连接杆——9

        左轴——10         联轴器——11     电动机——12

        左支架——13       底座——14       顶锥——15

        工件——16         顶锥——17

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明公开了一种用于测试电弧自动焊焊接发尘量的烟尘收集装置，包括一个由基本封闭的箱体8构成的烟尘收集箱，所述箱体8的形状没有严格限制，可以是附图所示的长方体与梯形体结合而成的，也可以是圆柱体与锥体结合构成等等.所述箱体8顶部设置有滤膜7，箱体8底部设置在底座14上，箱体8由相对磁导率小于2的材料制成，箱体8板厚约为0.5mm～2mm.所述烟尘收集箱箱体8的容积不能太小，以便于操作为原则.

所述烟尘收集箱箱体8顶部设置滤膜7，是为了保证上升的气流可以通过，而烟尘不会逸出。因此，所述滤膜7的孔径应小于等于0.1微米，最好要具有一定的强度，并且能够承受摄氏80度以上的温度。

所述烟尘收集箱箱体8上部设置有观察窗6，通过观察窗6能够实时对焊接过程进行观察。

所述烟尘收集箱箱体8的箱壁上穿接有左轴10和右轴3，所述左轴10和右轴3的设置位置相对称，一部分在箱体8内部，另一部分伸出箱体8之外，固定于底座14。所述左轴10的内侧端部设置有顶锥15，外侧端部通过联轴器11连接有电动机12，并通过接连件固定在设置于底座14的左支架13上。所述右轴3的内侧端部设置有顶锥17，外侧端部连接有手轮2，并通过接连件固定在设置于底座14的右支架1上。这部分部件用于对焊接工件16的安装和控制转动，本装置适用于圆筒形工件16，装卡工件16时，首先转动手轮2，通过左轴10使左边的顶锥15向右移，然后将工件16放在顶锥15和顶锥17之间，再反向转动手轮2，通过右轴3使右边的顶锥17向左移，从而将工件16夹紧。

所述烟尘收集箱箱体8内部在工件16位置的上方设置有横导柱5，所述横导柱5的一端连接延伸至箱体8外部的连接杆9，通过连接杆9固定于底座14。所述横导柱5的另一端连接有竖导柱4，所述竖导柱4可以在横导柱5的带动下横向移动；所述竖导柱4自身可在横导柱5端部上下移动，即与横导柱5构成移动副。所述竖导柱4底部通过二维移动副设置有用于固定焊枪的夹持装置，所述夹持装置在竖导柱4上可以上下和前后移动。因此，正面对箱体8，即面对箱门一面时(箱门在图中未显示)，焊枪的横向位置调节由设置于箱体8外部的机械装置调节；焊枪的上下及前后位置由设置于箱体8内的机械装置调节。

所述横导柱5、竖导柱4和夹持装置用于固定和调节焊枪在三维方向上的准确位置。当焊枪的位置选定之后，通过夹持装置上的夹紧旋钮固定焊枪，使焊枪在焊接过程中始终保持不动。当工件16装卡好之后，将焊枪调节至圆筒形工件16最高点的上方，并根据焊丝干伸长度的要求选好焊枪高度。

除所述滤膜7本身不完全密封之外，所述箱体8与滤膜7、箱体8与左轴10、箱体8与右轴3、箱体8与横导柱5以及箱体8与焊枪后拖电缆线之间等箱体8与任何部件的交界处均通过胶套密封；所述箱体8与箱门之间通过胶条密封。其中密封封闭的原则是可以允许气体逸出，不允许烟尘逸出。

同时，所述箱体8内部的各部件需保持均不放置于箱体8的底面上，即所述烟尘收集箱的箱体8内部的底面空置。这样，烟尘收集箱的箱体8内部底面没有任何障碍物，利于后续步骤中对烟尘的收集。另外，置于箱体8内部的机械装置也应尽量平整，即使有凹处，也应利于向外擦拭清理烟尘。

本发明还提供一种使用上述烟尘收集装置的电弧自动焊焊接发尘量测试方法，该方法具体依照以下步骤顺序操作：

实施焊接前，将焊枪与焊接电源、保护气体储气瓶和送丝机等辅助装置连接，做好焊接前的准备工作.将烟尘收集箱箱体8内壁及箱体8内部各部件擦净，然后干燥，例如用吹风机吹干.

然后，封闭烟尘收集箱，根据具体地工艺要求确定焊接参数，主要包括电流、电压、焊丝伸出长度、焊接速度、送丝速度等。启动电动机使工件16旋转并开始焊接，可以通过更换焊枪或更换焊枪中的导电嘴，适应不同直径的实心焊丝或药芯焊丝，其中焊丝的直径范围在0.6～2.4mm。保证焊缝不重叠并记录焊接时间，数据精确到秒，记为t_w。其中焊接时间的选择要尽量保证工件16最多旋转一周，但最好在90秒以上，因为焊接时间越长越容易提高发尘量的测试精度。如果焊接过程需要工件旋转多周，应保证焊缝不会重叠，在焊接进行后的适当时间从外部慢慢调整焊枪的左右位置。由于是整个过程自动焊，因此各个焊接参数易于始终保持稳定。

起弧焊接时，先使电动机12通电，所述电动机12通过联轴器11带动固定在顶锥15和顶锥17上的工件16转动，工件16的转速范围为0.3～12转/分钟。本装置和方法采用工件16转动，焊枪固定不动实施焊接。当工件16被焊完一圈以后，调节横导柱5，可使焊枪左右移动，最大移动距离大约为200mm，因此可使整个工件16都能被焊接。当整个工件16完全被焊后，可以通过转动手轮2将其拆卸下来。

实施焊接后，继续保持烟尘收集箱的关闭状态，使焊接烟尘沉降并保证时间。沉降时间选择的原则是直至箱体8内部温度与室温相同，并且打开箱门时无烟尘逸出时停止。对于GMAW工艺沉降时间应保证在2小时以上，对于FCAW工艺沉降时间应保证在3小时以上。

将装有约5～10克脱脂棉的纸袋和50～100克软纸放入干燥皿中干燥，干燥时间保证在2小时以上为佳。然后迅速用1/10000分析天平称重，重量分别记为a和b，数值精确到毫克。该过程可与焊接烟尘沉降过程同步进行。另外，准备一个干净干燥的烧杯待用。

沉降完成后打开烟尘收集箱的箱门，按以下步骤顺序操作：

1)如果焊缝上有易脱落的渣，将焊渣轻轻取下，放入干净干燥的烧杯中；此过程可能会有部分渣散落到箱体8底面上。

2)用前述称过重的一部分软纸轻轻擦净箱体8内各部件上沉降的尘，擦拭顺序要由上而下，将擦拭之后的软纸放回纸袋中。擦拭过程要注意尽量减少软纸上附着的尘和其它微小颗粒。

3)用前述称过重的脱脂棉自上而下地轻轻擦净箱体内壁上的尘，将擦拭之后的脱脂棉放回纸袋中。

4)用前述称过重的另一部分软纸将箱体底面上的所有物质，包括烟尘、焊接飞溅、散落的渣等所有物质轻轻收集到一起，并将所收集物质放入到烧杯中，并将擦拭之后的软纸放回纸袋中；

下面进行烟尘与微飞溅和微小尺寸渣的分离，具体按以下步骤顺序操作：

1)将带尘的软纸和带尘的脱脂棉一同放入干燥皿中干燥，干燥时间与称量软纸和脱脂棉原始重量前的干燥时间相同，然后用1/10000分析天平对带尘的软纸和脱脂棉进行称重，重量记为c。前后两次称重之差就是软纸和脱脂棉上附着的焊接烟尘质量，计算可得m₁＝c-(a+b)；

2)将装有收集物的烧杯用1/10000分析天平称重，数值记为m₂，即为烟尘、渣、飞溅和烧杯等的总质量.

3)烧杯中所收集到的物质中，烟尘的结构较为蓬松，颗粒较小，其它物质颗粒较大，结构相对致密，在显微镜下观察时如图2所示。因此，向烧杯中注入适量去离子水搅拌，静止10秒以上，上层会形成烟尘的悬浊液，其它物质会很快沉淀下去，尤其是与烟尘颗粒尺寸接近的、与烟尘混杂在一起的微飞溅颗粒会与烟尘分离沉淀；然后将烧杯上层的悬浊液滤出，注意一次滤出的量以1/3～2/3为宜；再加入适量去离子水搅拌，滤出；这样重复多次，直至沉淀后烧杯中的液体清澈，并对该液体取样置于放大1000倍以上的显微镜下，观察不到烟尘颗粒。这时可将将烧杯中的液体滤去，保留其中的固体物质，固体物质就主要是渣和飞溅了，这样就实现了烟尘和其它物质(主要是渣和飞溅)的分离。

其中，除了去离子水，也可能采用乙醇或其它液体介质，原则是该液体介质不溶解飞溅和渣，常用的所述液体介质是去离子水或乙醇。需要指出的是：在烟尘与焊渣、飞溅的分离过程一般可利用去离子水完成，这是因为飞溅和熔渣一般难溶于水；若熔渣中含有易溶于水的物质，就不能采用去离子水进行上述分离过程，应换用乙醇或其它不溶解飞溅及熔渣的液体。

4)把烧杯及其中的固体物质烘干，再将烧杯及其中的固体物质用1/10000分析天平进行称重，数值记为m₃。

最后即可计算焊接发尘量：发尘量的计算主要有两种方式，一种是单位质量焊材的发尘量，另一种是单位时间的发尘量，本发明采用后一种方式计算发尘量。

根据上面的测量结果，发尘量可用下式计算

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测试电弧自动焊焊接发尘量的烟尘收集装置，包括设置有箱门的烟尘收集箱，其特征在于，所述烟尘收集箱的顶部设置有滤膜，底部设置于底座上，所述烟尘收集箱的箱壁上对称地穿接有固定于所述底座且内端设置有顶锥的左轴和右轴，所述左轴外端通过联轴器连接有电动机，所述右轴外端连接有手轮；所述烟尘收集箱内部设置有一端通过连接杆固定于底座的横导柱，所述横导柱的另一端通过移动副连接有底部设置夹持装置的竖导柱。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试焊接发尘量的烟尘收集装置，其特征在于，所述烟尘收集箱的箱体与滤膜、箱体与左轴、箱体与右轴、箱体与横导柱以及箱体与焊枪后拖电缆线之间均通过胶套密封；所述箱体与箱门之间通过胶条密封。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试焊接发尘量的烟尘收集装置，其特征在于，所述烟尘收集箱的箱体内部的底面空置。

4.根据权利要求1所述的一种用于测试焊接发尘量的烟尘收集装置，其特征在于，所述滤膜的孔径小于等于0.1微米。

5.根据权利要求1所述的一种用于测试焊接发尘量的烟尘收集装置，其特征在于，所述底座设置有用于固定所述左轴的左支架和用于固定右轴的右支架。

6.一种电弧自动焊焊接发尘量测试方法，其特征在于，该方法使用如权利要求1～5所述装置并且由以下步骤组成：

(1)将烟尘收集箱箱体内壁及箱体内部各部件擦净并干燥；

(2)确定焊接参数，启动电动机使工件旋转并开始焊接，焊丝的直径范围在0.6～2.4mm，保证焊缝不重叠并记录焊接时间，数据精确到秒，记为t_w；

(3)焊接后继续保持烟尘收集箱的关闭状态使烟尘沉降，直至箱体内部温度与室温相同；

(4)取装有5～10克脱脂棉的纸袋，取50～100克软纸干燥后称重待用，重量分别记为a和b，数值精确到毫克；

(5)打开烟尘收集箱的箱门，按照下述步骤操作：

①取下焊缝上的焊渣，放入干净干燥的烧杯中；

②用步骤(4)备好的一部分软纸自上而下地轻轻擦净箱体内部各部件上沉降的尘，将擦拭之后的软纸放回纸袋中；

③用步骤(4)备好的脱脂棉自上而下地轻轻擦净箱体内壁，将擦拭之后的脱脂棉放回纸袋中；

④用步骤(4)备好的另一部分软纸将箱体底面上的所有物质收集到一起，并将所收集物质放入到烧杯中，并将擦拭之后的软纸放回纸袋中；

(6)将带尘的软纸和带尘的脱脂棉干燥，干燥时间与步骤(4)中软纸和脱脂棉的干燥时间相同，然后对带尘的软纸和脱脂棉称重，重量记为c，计算软纸和脱脂棉上附着的焊接烟尘质量m₁＝c-(a+b)；

(7)将装有收集物的烧杯称重，数值记为m₂；

(8)在装有收集物的烧杯中加入液体介质并搅拌，静止，将位于烧杯上层悬浊液的1/3～2/3滤出，滤出后再加入液体介质并搅拌，再静止，再将位于烧杯上层悬浊液的1/3～2/3滤出，这样重复直至目测烧杯中上层液体清澈，将烧杯中的液体取样在1000倍以上的显微镜下观察，若观察不到烟尘颗粒，将烧杯中的液体滤去，保留固体物质；

(9)将步骤(8)最终保留的固体物质及烧杯烘干，并称重，数值记为m₃；

(10)通过计算即可得出单位时间的发尘量，

7.根据权利要求6所述的一种电弧自动焊焊接发尘量测试方法，其特征在于，所述液体介质选自去离子水或乙醇其中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种电弧自动焊焊接发尘量测试方法，其特征在于，所述步骤(2)的焊接时间为90秒以上。

9.根据权利要求6所述的一种电弧自动焊焊接发尘量测试方法，其特征在于，所述步骤(3)的沉降时间为至少2小时。

10.根据权利要求6所述的一种电弧自动焊焊接发尘量测试方法，其特征在于，所述步骤(4)的干燥时间至少为2小时。

Images