CN101767246B

CN101767246B - 一种提高tig焊接速度的装置和方法

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Publication number: CN101767246B
Application number: CN2010100100073A
Authority: CN
Inventors: 常云龙; 陈章; 杨旭; 杨殿臣; 焦方龙; 吴宁; 路林
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-01-04
Also published as: CN101767246A

Abstract

本发明一种提高TIG焊接速度的方法及设备，属于一种焊接电弧控制技术领域，其特征在于：通过激磁电流供给TIG焊枪上的磁头线圈，使其在电弧区产生磁场；把产生的磁场由导磁杆导入电弧区域形成横向直流磁场，作用于电弧，使电弧产生前倾，由电弧前倾角度及方向，来确定焊接速度大小及焊接行进方向；通过调整激磁电流大小来调节电弧前倾角度，让电弧前倾角度与TIG焊接速度相匹配，使电弧始终在挺直的情况下进行焊接。本发明的目的是改善电弧形态，进行高速TIG焊。该发明能够将焊接速度在焊接电流95-75A，电弧电压10V，氩气流量0.7-0.5m³/h，激磁电流1-6A等焊接参数下，提高到5.5m/min。

Description

一种提高TIG焊接速度的装置和方法

技术领域

本发明属于一种焊接电弧控制技术领域，特别涉及一种外加横向直流磁场提高TIG焊接速度的装置和方法。

背景技术

钨极惰性气体保护弧焊(简称TIG焊)是使用纯钨或活化钨(如钍钨、铈钨等)作为非熔化电极，采用惰性气体(如氩气、氦气等)作为保护气体的电弧焊方法，在现代工业中应用广泛，它的优点是焊接接头质量高，几乎可用于所有金属的连接，特别适合薄板或薄壁管件的焊接。但TIG焊熔深小、生产效率低。为了提高TIG焊接效率，人们采取了许多有效的方法，如活性剂TIG焊(A-TIG)、超声波TIG复合技术(U-TIG)和高速TIG焊等，其中高速TIG焊是采用提高焊接速度的方法来提高焊接效率，焊接速度一般都在1m/min以上。但焊速提高会导致TIG电弧阳极斑点滞后，电弧后拖，进而产生咬边、驼峰等焊接缺陷。焊速越高，电弧后拖越严重，咬边和成形不良加剧。如何改善电弧形态，解决电弧的挺直度(即电弧沿电极轴向挺直的程度)问题成为高速TIG焊的关键技术。目前通常采用改变焊接工艺参数的方法如加大焊接电流，加大保护气流量，改变钨极端部形态。有文献介绍在进行TIG直流和脉冲电流焊接304不锈钢板0.5mm×300mm×80mm时，当焊接电流达到285A、氩气流量0.9m³/h时，可将焊接速度提高到8m/min。加大焊接电流，或者是加大保护气流量，虽然在一定程度上改善了电弧形态，使电弧挺直度增加，但焊接热输入增加，对焊缝质量有着相当大的影响，同时加大气流量使焊接成本增加。改变钨极端部形态，是使其端部形成一个前倾角度，前倾角度与焊接速度密切相关，焊接速度小，前倾角度就小，焊接速度大，前倾角度就大。实际施焊过程中，电极一旦做好，前倾角度无法改变，只能对应一个焊接速度，致使其应用受限。除了上述改变焊接工艺参数外，有文献报到，利用磁场改善TIG高速焊的焊缝成形，如采用横向直流或交变磁场改变电弧形态，增加焊缝熔深，但是施加的激磁电流仅仅零点几安培，磁场强度在7mT左右，焊接速度也仅仅达到1m/min左右。基于上述认识，本发明采用在TIG焊电弧区外加横向直流磁场的方法，通过横向直流磁场对电弧产生的电磁力抵消高速焊时电弧对熔池作用的水平分力，达到二力平衡，使电弧在挺直的情况下进行高速TIG焊接，焊接速度可以达到5.5m/min。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在TIG焊电弧区外加横向直流磁场(磁力线方向垂直于电弧轴线)，通过横向磁场产生的电磁力作用于TIG电弧，改善电弧形态，使电弧在挺直的情况下进行高速TIG焊的磁控装置和方法。该发明能够将TIG焊接速度在焊接电流95-75A，电弧电压10V，氩气流量0.7-0.5m³/h，激磁电流1-6A等焊接参数下，最大提高到5.5m/min。本发明适用于薄板或薄壁管件的高速TIG焊。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高TIG焊接速度的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：

(1)、由磁控装置产生激磁电流，激磁电流供给安装在TIG焊枪上的磁头线圈，使其在电弧区产生磁场；

(2)、把产生的磁场由导磁杆导入电弧区域形成横向直流磁场，作用于电弧；磁场磁力线通过螺线管、左右导磁杆和电弧区形成闭合回路；

(3)、直流磁场通过电弧产生电磁力，使电弧产生前倾，由电弧前倾角度及方向，来确定焊接速度大小及焊接行进方向；

(4)、通过调整激磁电流大小来调节电弧前倾角度，让电弧前倾角度与TIG焊接速度相匹配，使电弧始终在挺直的情况下进行焊接。

在(2)步骤中的横向磁场强度范围是：磁头左侧导磁杆端部的磁场强度为17～40mT；磁头右侧导磁杆端部的磁场强度是16～28mT；左右两侧导磁杆端部中间的磁场强度为6～14.1mT。

在(4)步骤中的激磁电流的调节范围为：1～6A；焊接速度的调节范围为：3.5～5.5m/min。

一种如上所述的提高TIG焊接速度的装置，包括工件夹送辊、TIG焊接机以及与TIG焊接机连接的TIG焊枪，其特征在于：一个能够产生激磁电流的磁控设备与TIG焊枪上的磁头连接，磁头上设有螺线管，在螺线管外缠绕励磁线圈，TIG焊枪上设置有能够产生横向磁场的导磁杆，导磁杆一直延伸至TIG焊枪的电弧区域。

导磁杆为左侧导磁杆和右侧导磁杆组成。

本发明的优点：1、可以将TIG焊保护气(氩气)流量从0.7m³/h降低到0.5m³/h、焊接电流从95A降低到75A，从而降低焊接成本。2、改善高速焊焊缝咬边、驼峰等焊接缺陷。3、提高焊接效率，焊接速度从3.5m/min提高到5.5m/min。4、本发明适用于薄板或薄壁管件的高速TIG焊。

附图说明：

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式：下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行详细说明：

在图1中，1工件夹送辊，2激磁电流调节旋钮，3电源开关，4线圈温度显示表，5磁控装置，6激磁电流显示表，7连接磁控装置和磁头的双绞线，8螺线管，9TIG焊枪，10隔热板，11连接焊枪和磁头的法兰，12励磁线圈，13励磁线圈挡板，14左侧导磁杆，15焊接工件，16右侧导磁杆，17钨极，18TIG焊接机。

本发明的装置主要由TIG焊接机、与焊接机连接的TIG焊枪、磁控装置、安装在TIG焊枪上的磁头组成。磁头由连接法兰、螺线管、隔热板、励磁线圈、励磁线圈挡板、左侧导磁杆、右侧导磁杆组成。磁控装置具有激磁电流显示、励磁线圈温度显示功能。TIG焊采用正极性焊接。

TIG焊接机的正极接焊接工件，负极接TIG焊枪，磁控装置的输入电压是220V交流电，输出是0-20A的直流电，负载是励磁线圈。磁控装置的功能是提供可以连续调节的直流电。

该方法是：

(2)、把产生的磁场由导磁杆导入电弧区域形成横向直流磁场，作用于电弧；依据右手定则，磁场磁力线通过螺线管、左右导磁杆和电弧区形成闭合回路；

(3)直流磁场通过电弧产生电磁力，使电弧产生前倾，观察电弧前倾角度及方向。依据左手定则，使其前倾角度及方向为焊接行进方向；

(4)、电弧前倾角度与激磁电流大小密切相关，激磁电流大，电弧前倾角度大，反之亦然，即通过调节激磁电流的大小可以调节电弧前倾角度。

(5)电弧前倾角度与TIG焊接速度相匹配，焊接速度高，需要的电弧前倾角度大，反之依然。在焊接时，通过观察电弧的前倾角度，调节激磁电流大小，使电弧在挺直的情况下进行焊接。

本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤一：根据焊接工件的材质、板厚(或壁厚)以及焊接速度要求，选择TIG焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气(氩气)流量、钨极直径及端部形状、钨极端部与工件的距离等。

步骤二：将TIG焊接机的正负极分别接至焊接工件和焊枪；将磁控装置的输出接到励磁线圈。打开TIG焊接机电源，开始起弧焊接。焊接时，焊枪不动，工件运动。工件运动速度即焊接速度。随着焊接速度的提高，TIG焊电弧阳极斑点滞后，作用于焊接熔池上的电弧力可以分解为水平方向上的分力和垂直方向上的分力。焊接速度越高，电弧力的水平分力越大。电弧力的水平分力的方向与焊接方向相反。

步骤三：激磁电流由磁控装置产生，并供给励磁线圈；励磁线圈产生磁场，通过左右导磁杆使磁力线水平穿过电弧轴线(即磁力线垂直电弧轴线)，形成横向磁场；磁场作用于焊接电弧产生电磁力。电磁力的大小和方向由激磁电流的大小和方向决定。

步骤四：通过改变激磁电流的方向，保证电磁力的方向与焊接方向一直。

步骤五：通过调节激磁电流的大小，保证电磁力与电弧力的水平分力大小相等。

在步骤三中的横向磁场强度范围是：磁头左侧导磁杆端部的磁场强度为17～40mT；磁头右侧导磁杆端部的磁场强度是16～28mT；左右两侧导磁杆端部中间的磁场强度为6～14.1mT。

在步骤四和步骤五中的激磁电流的调节范围为：1～6A；焊接速度的调节范围为：3.5～5.5m/min。

这样即可保证电弧在挺直的情况下进行高速TIG焊接。

试验及测试结果：

将0.5mm厚的奥氏体不锈钢带在生产线上卷成管子形状，采用PRECISIONTIG375钨极氩弧焊接机，在生产线上施焊，钨极直径为2.5mm，钨极伸出喷嘴长度为5-7mm，保护气为氩气。本发明进行了外加横向直流磁场强度测试以及磁场对保护气气流量、焊接电流和焊接速度的影响试验。

焊后采用精细切割机提取大约50mm长的焊接试件，经抛光、腐蚀(腐蚀液采用10％草酸溶液)，制成金相试样，采用光学显微镜和肉眼观察焊缝外观有无咬边、驼峰等焊接缺陷；取同样长度的焊接试件，采用45度或60度锥体，进行扩口试验，观察试件有无开裂。

采用SHT-6型数字式特斯拉计测量电弧区磁场强度，测试数据如下：

表1 电弧区磁场强度

激磁电流(A)	左侧导磁杆端部(mT)	左右导磁杆端部中间(mT)	右侧导磁杆端部(mT)
				1	17.5	6.0	16.3
2	19.6	7.0	19.0
				3	27.3	10	19.8
4	20.7	12.3	20.2
				5	38.0	13.5	27.0
6	40.0	14.1	28.0

当焊接电流95A，电弧电压10V，焊接速度3.5m/min时，减小保护气流量，观察加入磁场后的焊缝外观，试验数据如下：

表2 激磁电流与氩气流量关系及焊缝外观

由表2可知，外加磁场可以改善因保护气流量降低而产生的咬边。

当保护气流量0.7m³/h，电弧电压10V，焊接速度3.5m/min时，减小焊接电流，观察加入磁场后的焊缝外观，试验数据如下：

表3 激磁电流与焊接电流关系及焊缝外观

由表3可知，外加磁场可以改善因焊接电流降低而产生的咬边，甚至开裂。

当焊接电流95A，电弧电压10V，保护气流量0.7m³/h时，加大焊接速度，观察加入磁场后的焊缝外观，试验数据如下：

表4 激磁电流与焊接速度关系及焊缝外观

由表4可知，外加磁场可以提高TIG焊的焊接速度。

扩口试验表明，当焊接电流95A，电弧电压10V，保护气流量0.7m³/h，焊接速度4.5m/min，激磁电流2A时，不加磁场试件扩口出现开裂，而加入磁场后试件未出现开裂。

Claims

1.一种提高TIG焊接速度的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：

(4)、通过调整激磁电流大小来调节电弧前倾角度，让电弧前倾角度与TIG焊接速度相匹配，使电弧始终在挺直的情况下进行焊接；

在(2)步骤中的横向磁场强度范围是：磁头左侧导磁杆端部的磁场强度为17～40mT；磁头右侧导磁杆端部的磁场强度是16～28mT；左右两侧导磁杆端部中间的磁场强度为6～14.1mT；

2.一种应用于权利要求1所述提高TIG焊接速度的方法的装置，包括工件夹送辊(1)、TIG焊接机(18)以及与TIG焊接机(18)连接的TIG焊枪(9)，其特征在于：一个能够产生激磁电流的磁控设备(5)与TIG焊枪(9)上的磁头连接，磁头上设有螺线管(8)，在螺线管(8)外缠绕励磁线圈(12)，TIG焊枪(9)上设置有能够产生横向磁场的导磁杆，导磁杆一直延伸至TIG焊枪(9)的电弧区域。

3.根据权利要求2所述提高TIG焊接速度的方法的装置，其特征在于：导磁杆为左侧导磁杆(14)和右侧导磁杆(16)组成。