CN101745726B - 双丝熔化极气体保护焊焊炬及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种双丝的熔化极气体保护焊设备，其具有焊丝间距可调焊炬组件。该双丝焊炬组件具有焊丝间距调节机构，借助焊丝间距调节，该焊炬组件可用于非同步控制熔滴过渡焊接工艺。在焊丝间距调节前、焊丝间距调节中和焊丝间距调节后，所述焊丝保持平行。

Description

双丝熔化极气体保护焊焊炬及其焊接方法

技术领域

本发明涉及熔化极气体保护焊(GMAW)，尤其涉及一种用于采用两根焊丝的气体保护焊接设备的焊炬，其中两根焊丝作为电极和填充，将金属施加到单个熔池中。本发明还涉及使用该焊接设备的熔化极气体保护焊接方法。

背景技术

GMAW(熔化极气体保护焊)焊接是一种常用的工业焊接工艺，主要因为其具有在通用性、焊接速度、以及能够相对容易地适用于自动化等方面的优点。在单焊丝GMAW工艺中，通过焊炬提供单个连续的且消耗型的电极焊丝和保护气体。

为了获得更高的焊接速度，已经研发出双焊丝GMAW焊接设备及其工艺，该焊接设备采用了两个电绝缘的焊丝电极，以便在一个焊池中结合使用两个电弧。在该双焊丝气体保护焊工艺中，在焊炬内设置有两根焊丝电极。与传统的单焊丝焊接工艺相比，该双丝气体保护焊工艺能获得显著的焊接速度提高。因此，双丝焊工艺越来越多地在需要高生产率、高性能和高熔敷率的工业焊接应用中采用，例如容器制造、锅炉工程、车辆生产、汽车和铁路建造和造船业等等。美国专利No.5155330和No.6683279和公开号为No.2006/0243704和No.2007/0145028的美国专利申请以及欧洲专利No.1294522都披露了双焊丝GMAW焊接。

气体保护电弧焊接的质量取决于许多因素、工况、和限定条件，例如焊丝、保护气体、基体材料、和所要焊接的工件的厚度、以及熔滴过渡的模式。同样，焊接参数的动态变化很复杂，为了得到所希望的焊接接头，建立稳定的电弧取决于一系列的参数，其包括焊接电流、电源电压、送丝速度、焊接速度、接触端和工件之间的距离(在本说明书中称为“焊丝干伸长”)和焊炬角度。当在双丝气体保护焊接设备及其工艺中使用两根电极焊丝时，情况就变得更复杂。

在使用中，因为电弧的长度和宽度的尺寸随着用于不同焊接要求的上述参数而变化，两个电弧可能靠近到某个位置，由于电磁力的作用而产生强烈的干扰，从而显著地影响工艺的稳定性和飞溅程度。这可能导致该工艺在技术上不可行。因此，希望能够根据特定的焊接条件而调节焊丝的间距，以减小焊丝之间的干扰。

最近研发出的同步脉冲焊使用脉冲电流以熔化电极焊丝，通过一个脉冲过渡一个熔滴，来提供稳定的电弧，并且没有飞溅。然而，因为对电源的性能有额外的要求，因此使用复杂的电弧脉冲条件的必要性限制了双焊丝同步脉冲焊接工艺的广泛应用。例如，其需要特别的脉冲焊电源，该电源能够提供在某个频率范围内的电流脉冲，例如30-400个脉冲每秒。而且，需要一个协同器来进行同步控制。因此，存在这样一种需求，即提供一种非同步双焊丝焊接工艺，其具有与同步脉冲焊相同的焊接性能，可提供稳定、无飞溅的焊接过程美国专利No.5155330公开了一种双丝气体保护焊接方法和设备。其中涉及两个焊接电极连接到单个焊接电源上。通过倾斜其中一根焊丝，改变其相对于另一根焊丝的角度，两根焊丝的距离介于4.7-9.4mm之间。。

公开号为No.2006/0243704美国专利申请披露了使用至少两根熔化电极的焊接方法和设备。当使用两根焊丝电极时，第一个焊丝比第二个焊丝的直径大，并且产生一共用的焊池。该专利申请披露了一种改变两丝之间距离的方法，即通过改变两非平行焊丝的伸出长度来获得不同的两丝间距：3-12mm。在焊接过程中这一点是不利的，这是因为焊丝干伸长是一个重要的焊接参数，通常需要保持在理想的范围内以便获得质量符合要求的焊接接头。

尽管已经研发出上述双焊丝GMAW焊接工艺，但是仍然有继续改进该技术的空间。

发明内容

在所研究的各种参数中，两根焊丝之间的间距被证明是影响焊接性能和质量的最重要的因素之一。对于一组实施焊接所需的给定参数而言，较小的焊丝间距将会产生电弧干扰，较大的焊丝间距会形成两个独立的焊池。而且，两根焊丝之间的电弧的相互影响能够通过改变焊丝间距来减小。这样，可以改善焊接过程的稳定性，并且通过优化焊丝间距来避免飞溅。

因此，本发明的一目的在于提供一种双焊丝气体保护焊接装置和焊接方法，以消除电弧干扰，并且克服上述的现有技术的缺陷。

本发明另一目的在于提供一种满足不同焊接要求和适合不同焊接条件的焊丝间距可改变的焊炬组件。

本发明再一目的在于提供一种能够用于非同步熔滴过渡焊接工艺的且焊丝间距可改变的焊炬，以便获得稳定的电弧并且避免飞溅。

上述一个或多个目的可以通过本发明的焊丝间距可调节的双丝焊炬组件以及包括该焊炬组件的双丝气体保护焊接设备来实现。本发明的双丝焊炬具有焊丝间距调节机构，通过调节该间距，该焊炬可用于非同步的传统熔滴过渡焊接工艺。

附图说明

以下通过附图和具体实施例来描述本发明的一个或多个实施例。借助具体实施方式和附图，本发明的这些和其它的特征、目的和有益效果将会变得明显，在附图中：

图1是本发明的具有可调节的焊丝间距的双丝焊炬的立体图；

图2是图1所示的焊炬的示意图；

图3是用于本发明的焊炬焊丝间距调节机构的示意图；

图4a和4b是示出所述焊炬组件内的保护气体流动通路的截面图；

图5示出了使用该焊炬组件进行一个焊接测试中的焊接规范；

图6是用于该焊炬的圆形可拆卸喷嘴的示意图；以及

图7是用于该焊炬的可拆卸的水冷喷嘴的示意图。

具体实施方式

所参考的附图仅仅是用来示出本发明的优选的实施例，不用来限制本发明。现参照图1和图2，可以看到附图标记100表示根据本发明的双丝气体保护焊接设备的双丝焊炬组件。

图1和图2所示的双丝焊炬组件100包括两个分开的且平行的焊丝导管1、两个电源线接头4、保护气体喷嘴10和两个导电嘴12。尽管没有在图1和2中示出，所述双丝气体保护焊接设备也具有送丝单元，其用来独立地向所述焊炬提供两根独立的电极焊丝，并且通过所述两个焊丝导管1将所述两条焊丝驱动至各自的导电嘴12。

在一个实施例中，所述焊炬100还包括用来连接到其它传送装置或者机械臂的固定装置5。在一个优选的实施例中，冷却水管3和相关的冷却室9也设置在焊炬组件100内，以便用来冷却焊炬或焊枪。最佳如图2所示，冷却室9设置在可拆卸式的保护气体喷嘴10和焊炬主体8之间。

在开始操作前，两台焊接电源通过电缆与接头4相连，这样电源装置直接连接到所述焊炬组件，并且送丝机通过送丝管连接到焊丝导管1。此外，通过气体接头2将保护气引入所述焊炬，并且将冷却水引入冷却水管3。在操作中，每台焊接电源和送丝机可以独立地对每根焊丝进行控制。

在每根电极焊丝上都设有焊丝导管1、保护气体管2、冷却水管3导电嘴12。在焊炬组件100中，至少在焊炬本体8和导电嘴12内，所述两根焊丝保持相互平行。所述双丝焊炬组件100还包括焊丝导管间距填充块6和焊丝间距调节机构7，将在下面进行描述。

本领域技术人员可以理解，所述两根焊丝可以采用相同的参数，例如相同的焊丝尺寸、相同的送丝速度、相同的电源、和/或相同的保护气体流量。在其它的焊接条件下，也可对该两根焊丝使用不同的参数或者设定。在一个优选实施例中，第一根焊丝电极被称为“前电极”，第二根焊丝电极被称为“后电极”，前电极主要用以获得基体金属的根部焊透深度，后电极控制熔池的焊道轮廓和边缘成形，由此提高总的熔敷率。在另一优选实施例中，后电极焊丝具有比前电极焊丝小的尺寸。

如图1清楚所示，焊丝导管1优选地形成与送丝管连接的螺纹接头。并且焊丝导管1设置有允许扳手进行操作以便更容易地连接/拆卸该送丝管的卡槽。保护气体管和/或冷却水管的连接则应用快速接头，该快速接头允许非常方便的接头连接和拆卸，以便进行清洁、维护和检修。

接着参考图3，也参考图1和图2，其中示出了根据本发明的双丝气体保护焊炬的焊丝间距调节机构。在该实施例中，两根焊丝设置成相互平行，焊丝间距(即所述焊丝相互之间的距离)以焊丝相互平行的关系来调节，以下将详细描述。

焊炬主体35具有螺纹杆31，其横向延伸穿过该焊炬主体35。具体地说，该螺纹杆31装配在该焊炬主体35的螺纹孔内，并且与其螺纹接合。移动块36设置在螺纹杆31上，并且与其螺纹接合。随着螺纹杆31的转动，该移动块36能够在螺纹杆31上沿其方向向后和向前移动，由此可相对于该焊炬主体35移动。焊丝导管37可以通过本领域技术人员公知的任何合适方式与该移动块36连接或者与其形成一体，因而当螺纹杆31转动时，该焊丝导管能和该移动块36一起移动。该焊丝导管37与移动块36连接的方式包括但不限于螺栓连接、焊接、铆接或模制。借助这种结构，通过转动该螺纹杆，一根焊丝导管能相对另一根焊丝导管平行地移动。根据一个优选实施例，在螺纹杆31上设有螺母或旋钮39，以便方便地手动地和/或使用合适工具旋转该螺母或旋钮39以改变两根焊丝导管之间的距离。如图3所示，在另一优选实施例中，每个焊丝导管都设有这种结构配置，从而使每根焊丝导管可以相对于另一根移动，并且焊丝间距能容易地通过设置在焊炬主体35两侧的螺母或旋钮39来调节，这样可以现场进行焊丝间距调节，而不需要移开或者拆开焊炬的任何部件。

优选的是，设置在螺母39和焊炬主体35之间的板32通过螺丝或者任何其它合适的连接方式固定在焊炬主体35上。围绕螺纹杆31设置有弹簧34，其一端紧靠移动块36，另一端紧靠板32，作为在改变焊炬间距过程中平滑移动的缓冲器。本领域技术人员可以理解，需要的话，可使用其它合适的公知缓冲器装置以替代弹簧34。

焊炬两丝间距调节机构优选地设置有绝缘填充物38，其紧密地在安装在所述两个焊丝导管37之间，因而当焊炬工作和焊丝间距调节时，能够防止任何污染物和/或空气从外部进入焊炬组件。该绝缘填充物由本领域技术人员公知的任何合适的绝缘材料制成，以便在焊丝间距调节时保持所述两根焊丝导管在沿着该导管的任何位置相互电绝缘。绝缘填充物38可以构造成片的形状，并且将一个或多个具有相同或不同厚度的绝缘片插入到两根焊丝导管37之间间隙中。

在如图3所示的实施例中，焊丝导管37中的一个能够相对于焊炬主体35沿螺纹杆31的长度方向移动。另一个焊丝导管37也具有相同的相对于焊炬主体35的移动能力。在一个示意性的实施例中，两个焊丝导管的初始间距设为12mm。每个焊丝导管能够移动0-4mm。如果两个焊丝导管相互远离地移动，焊丝间距将会变为20mm。这样的话，焊丝间距调节机构提供了12-20mm之间的连续的可调节的焊丝间距范围。当然，相对于不同的初始设置的间距值和移动距离，也可采用其它可调节的范围。

本领域技术人员可以理解，根据不同的气体保护焊条件或应用，焊丝间距可以调节到预定的距离值。这种连续的焊丝间距调节使得本发明的焊炬组件适用于包括非同步焊接的许多种双丝焊条件，以下将作描述。

在优选的实施例中，绝缘填充物还包括可膨胀材料、弹簧部件或其它任何合适的装置以便在调节过程中用于填充两个焊丝导管的整个间隙，特别是当焊丝间距增加到较大的距离时。

应该注意到，焊丝间距的调节通过焊丝间的焊丝导管的平行移动而实现的。也就是说，在焊丝间距调节前、焊丝间距调节时和焊丝间距调节后，在焊炬组件中两个焊丝导管总是保持相互平行。这对于气体保护焊接是有利的，因为在所述焊丝间距调节完成之后，作为气体保护焊接的重要因素之一的焊丝干伸长由于焊丝导管的平行移动因而保持不变。如果焊丝干伸长不均匀地改变，就不大可能得到所希望的焊接质量。借助本发明的两根焊丝的平行布置、焊丝间距调节机构、以及其平行调节，就没有必要在焊丝间距调节之后，在原始位置对两根焊丝和它们各自的部件进行重新校准或者重新定位。

本领域技术人员很容易可以理解，尽管本发明是参照上述采用螺纹杆的焊丝间距调节机构进行描述的，在实现平行调节焊丝间距的前提下，其它焊丝间距调节机构也可以采用。此外，尽管没有示出，如果需要的话，该焊丝调节机构也可用于三个或者更多个焊丝间距的调节。

此外，每根焊丝电极分别具有至少一个焊接电源、送丝机和保护气体源控制器，这些部件中的至少一个或者全部都是独立于另一焊丝进行控制。更优选地，每根焊丝电极与一个独立控制的电源和送丝机相连接，监控且优化两根焊丝电极的每一个的焊接变量，以减小两个焊丝之间的电弧干扰。

双焊丝焊炬组件也可用于非同步熔滴过渡的焊接工艺，该工艺具有稳定的电弧，并且没有飞溅发生。具有本发明的焊炬组件的双丝气体保护焊接设备省去了昂贵的同步控制单元的需要。也可以使用没有脉冲功能的两个传统的电源，这显著地降低了焊接系统的投资成本。此外，与具有固定焊丝间距的焊炬相比，本发明的焊炬组件通过所述焊丝间距调节提供了可适用于不同焊接条件的可变的焊丝间距的焊炬。根据上述构造的具有可调节的焊丝间距的单个焊炬能代替使用具有固定焊丝间距的多个焊炬的需要，这显著地节省了焊接操作的成本。

参照图4a和4b，示出了所述焊炬组件内的保护气体通路。保护气体对于熔化极气体保护焊接是必需的，其用来防止大气中的例如氮气和氧气进入焊接区域，从而避免由此产生的焊接缺陷，气孔及脆性焊缝。如图2所示，保护气体的出口11设置在该焊炬组件内。

如图4a所示，保护气体通过气体进入管42引入，该气体进入管与焊丝导管41平行。进入的气体通过每个气体管的侧孔流出，大致如图4a中的箭头所示地填充喷嘴44的内部空间。然后，所述保护气体沿着所述两个焊丝电极向外流向焊池，同时受到喷嘴壁的限制，该喷嘴壁优选是圆锥形喷嘴。该设计不仅可以做到有效的气体保护，还提供了一种便利的引入气体的技术手段。

当焊丝间距改变时，尤其是增加焊丝的间距时，常规的保护气体扩散器无法在可调的焊丝间距下提供稳定的气体流，因此其不能产生用于保护熔池的足够的气体保护。对于期望范围内的焊丝间距而言，根据本发明的具有上述保护气流的设计，可以提供足够并且稳定的气体保护。另外，当省去气体扩散器时，即使在空间需求受限制时，可以使用传统常规的导电嘴。

作为替代的是，如图4b所示，所述保护气体管具有两个部分，即气体进入管42b和气体出口管45b。这种气体管结构使得所述出口管能简单地通过螺纹或者其它连接方式连接到焊炬主体43上或者从焊炬主体43上拆下。

在一个优选的实施例中，保护气体是包含在氩气中的5％-25％的CO₂和/或1％-5％的O₂。当然，本领域技术人员可以选择其它保护气体，这取决于一些因素，最重要的因素包括所要焊接的材料和所使用熔滴过渡方式。

所述双丝焊炬组件和使用本发明焊炬组件的气体保护焊接设备可以用于对接焊、角焊或搭接焊等。当使用优选的圆锥形喷嘴时，尽管焊丝间距较宽，本发明的焊炬组件适用于角焊。

再次参照图2，范围为0.8-1.6mm的电极焊丝直径用于所述第一焊丝，相似或更小的焊丝用于第二焊丝。本领域技术人员可以理解，根据熔滴过渡工艺和所使用的基材，所述第一和第二焊丝的电极的直径可以不同于上述范围。在使用中，本领域技术人员主要根据所要焊接的金属的成分，还根据所使用的熔滴过渡工艺的变化、焊接接头的结构设计和材料表面的条件来选择电极的材料。本发明的焊炬不仅可与碳素钢实芯焊丝一起使用，也可与芯焊丝和/或金属芯焊丝一起使用，并且使用不锈钢焊丝和铝焊丝也可产生好的结果。与单丝焊相似，可以预先设定的焊接变量包括焊接电流、电压，送丝速度、焊接速度、焊丝干伸长和焊炬角度。

图5示出了用于操作测试的所述焊炬组件的焊接工况。对于前电极，电流设置为280-290安培，电压设置为32伏特；对于后电极，电流设置为250-260安培，电压设置为30伏特。在测试前，预设焊丝间距为17mm。使用所述双丝焊炬，在50秒之内，可以完成质量满意的长度为1.052m的焊缝。

图6示出了圆形可拆卸的喷嘴，其用于对接焊或搭接焊。对于大电流规范的操作而言，尽管已采用冷却室9用于冷却，可进一步优选使用如图7的水冷的可拆卸的喷嘴，其可以用来避免可能出现的喷嘴过热。优选地，例如为空气冷却或水冷的散热器的冷却系统设置在所述喷嘴上，并且/或者该喷嘴的下部是圆锥形，该喷嘴可从该焊炬组件上拆下。由于该焊炬设计的灵活性，可以适用较宽范围的焊接参数。

通过改变制造焊炬主体的材料，所述喷嘴和管路，可以进一步改进焊炬的强度、重量和成本。

上面描述了本发明的一个或多个实施例。然而，本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以做出许多变型。因此，其它实施例也包括在权利要求书的范围内。

Claims (1)

1. 一种用于双丝气体保护焊设备的双丝焊炬组件，其包括：

两个分开的电极焊丝导管，其设置成在所述双丝焊炬组件的焊炬主体内且相互平行；

用于与两个电源连接的两个电源连接头；

电极焊丝，其设置在所述两个焊丝导管的每一个内，并且相互平行；

用于所述电极焊丝的导电嘴；

保护气体喷嘴，其用于将保护气体从保护气体进入口导引向焊接区域；

冷却室，用于冷却喷嘴及焊炬主体；以及

焊丝间距调节机构，其能够在保持焊丝之间相互平行的关系下连续调节所述两个电极焊丝导管之间距离，在焊丝间距调节前、调节中和调节后，所述两根焊丝导管保持相互平行的关系，借助所述两个电极焊丝导管的平行移动，所述导电嘴接触端与所要焊接的工件之间的距离保持不变。

2. 根据权利要求1所述的双丝焊炬组件，其特征在于，所述双丝焊炬组件能够用于非同步控制熔滴过渡焊接。

3. 根据权利要求2所述的双丝焊炬组件，其特征在于，

所述焊丝间距调节机构包括螺纹杆，其延伸穿过焊炬主体，并且与所述焊炬主体的螺纹孔相配合，使得该螺纹杆与该焊炬主体螺纹接合，所述机构还包括移动块，其设置在所述螺纹杆上，并且与该螺纹杆螺纹接合，当该螺纹杆转动时，该移动块能够在该螺纹杆上沿着该螺纹杆的方向向后和向前移动，从而相对所述焊炬主体移动，并且所述焊丝导管与该移动块连接或与其形成一体，使得该焊丝导管和该移动块一起移动，当所述螺纹杆通过在所述焊炬主体上的螺母或旋钮转动时，所述焊丝导管能够相对于另一根焊丝导管平行地移动。

4. 根据权利要求3所述的双丝焊炬组件，其特征在于，所述焊丝导管中的每一根都具有焊丝间距调节机构，使得所述焊丝导管的每一根能够相对于另一根移动。

5. 根据权利要求4所述的双焊丝焊炬组件，其特征在于，还包括板，其设置在所述螺母和所述焊炬主体之间，并且固定在该焊炬主体上;并且围绕该螺纹杆设置有弹簧，该弹簧的一端紧靠所述移动块，另一端紧靠所述板，以作为在调节焊丝间距时用来平滑移动的缓冲器。

6. 根据权利要求1-3中任意一项的双丝焊炬组件，其特征在于，还包括紧密地装配在所述两个焊丝导管之间的绝缘填充物。

7. 根据权利要求6所述的双丝焊炬组件，其特征在于，所述两个焊丝导管之间的初始间距设置为12mm，所述焊丝导管的每一根都可以移动以便提供焊丝间距在12-20mm的范围内的连续调节。

8. 根据权利要求6所述的双焊丝焊炬组件，其特征在于，所述绝缘填充物构造成片的形状，并且一个或多个具有相同或不同厚度的绝缘片可插入到所述两根焊丝导管之间间隙中。

9. 根据权利要求7所述的双焊丝焊炬组件，其特征在于，所述绝缘填充物构造成片的形状，并且一个或多个具有相同或不同厚度的绝缘片可插入到所述两根焊丝导管之间间隙中。

10. 根据权利要求1-3中任意一项所述的双丝焊炬组件，其特征在于，对于每一所述焊丝电极，独立地设置焊接电源和送丝机，该焊接电源和该送丝机相对于另一焊丝电极独立地进行控制。

11. 根据权利要求1-3中任意一项所述的双焊丝焊炬组件，其特征在于，通过气体进入管引入保护气，该引入气体通过所述气体管的侧孔流出，并充满所述保护气喷嘴的内部空间，并且沿着所述两个焊丝电极向外流到所述焊接区域，并且其路径受该喷嘴的圆锥形壁限制。

12. 根据权利要求1-3中任意一项所述的双丝焊炬组件，其特征在于，所述保护气体喷嘴是水冷的可拆卸的喷嘴。

13. 根据权利要求1-3中任意一项所述的双丝焊炬组件，其特征在于，所述保护气体为包含在氩气中的5%-25%的CO₂和1%-5%的O₂。

14. 根据权利要求1-3中任意一项所述的双焊丝焊炬组件，其特征在于，所述两根电极焊丝的第一根焊丝的直径是0.8-1.6mm，第二根焊丝具有相似或较小的电极尺寸。

15. 一种使用根据上述权利要求之一所述的双丝焊炬组件的双丝气体保护焊接设备。

16. 一种使用根据权利要求15所述的焊接设备的双丝气体保护焊接方法。