CN101885103B - 电弧焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电弧焊接方法。该种用于通过包括氩气的混合保护气体在板形工件与焊丝之间产生电弧以焊接板形工件的消耗电极型电弧焊接方法，包括：设置反极性状态，其中，在焊接开始时焊丝的极性为正，并且至少一次切换为正极性的状态，其中，焊丝的极性为负。

Description

电弧焊接方法
相关申请的交叉引用
该申请基于并要求2009年5月15日提交的日本专利申请No.2009-118573的优先权。
技术领域
本发明涉及一种消耗电极型电弧焊接方法，尤其涉及一种通过大电流执行厚板焊接的电弧焊接方法。
背景技术
(用于厚板工件的电弧焊接中的电流增加/高沉积)
在用于厚度为8mm或更厚的这种厚板工件的电弧焊接中，为了提高焊接操作的效率和生产率需要增加电流和高沉积。为了满足这种需要，必须尽可能多地增加每单位时间的焊丝供应量。
因此，近来研究了增加焊丝供给速度以及进一步对焊丝提供大电流的方法。
为了使厚板受到高沉积，公开了其中将焊枪的数目增加为多个的串列焊接(例如，参考JP-A-2004-243372)。
在JP-A-2004-243372中，公开了通过把一个焊枪加上两个焊枪，即，通过使用三个焊枪来增加沉积量的措施。焊枪数目的增加能够使每个焊枪产生的电流减小，使得具有不会产生强磁场及不会使焊接渗透变得太深的优势。
此外，对于厚板焊接，公开了一种焊接方法，其中使用具有大直径的药芯焊丝(flux-cored wire)或金属芯焊丝，并且通过用AC(交流)600到1900A的焊接电流执行采用前端电极和尾电极的串列焊接的单道执行，或者通过执行采用单电极的多道执行，来减小飞溅量(例如，参考JP-A-11-147175)。
(两种现有方法中的共同缺陷)
然而，由于焊丝供给速度在JP-A-11-147175中为7.5m/min和在JP-A-2004-243372中为13m/min，所以这种现有技术不能完全满足通过增加焊丝供给速度而得到高沉积的需求。
此外，在通过大电流的消耗电极型电弧焊接中，在增加焊丝供给速度的情况下，确定了由焊接电流产生强磁场以使电弧开始旋转并且由于该电弧旋转将使焊丝前端以高速度快速旋转的这种现象。例如，在用直径为1.4mm的焊丝的MAG(金属活性气体)焊接中，在焊接电流超过600A并且焊丝供给速度为25m/min或者更高的状态下执行焊接的情况下，电弧开始旋转。当焊丝前端高速旋转时，通过由旋转产生的离心力而使焊丝前端飞落并产生飞溅，使得焊接本身变得不稳定。
另一方面，在电流和焊丝供给速度大的状态下，为了降低电弧旋转的影响而减小电弧长度的情况下，将使电弧功率变强，从而产生使由电弧功率形成的工件中的焊接渗透变得更深的问题。
在JP-A-2004-243372和JP-A-11-147175中描述的现有技术都不能对在电流和焊丝供给速度大的状态下产生的这种问题起作用。
(JP-A-2004-243372方法中的其他缺陷)
此外，对于如在JP-A-2004-243372中所描述的这种串列焊接，对于包括弯曲的焊接部分，很难在使前端电极和尾电极两者都保持在最佳状态时实施焊接。因此，串列焊接不易应用于具有许多弯曲的工件。
此外，由于各个焊枪的焊接彼此相互干涉，因此需要用于避免焊枪之间干涉的特殊控制。此外，不易于设定每个焊枪的焊接状态。因此，将多个焊枪应用到自动化焊接线。
(JP-A-11-147175方法中的其他缺陷)
此外，在JP-A-11-147175中，使用诸如药芯焊丝或金属芯焊丝的组合焊丝作为焊丝。由于这些焊丝比实心焊丝更昂贵，因此存在成本问题。
发明内容
鉴于用于厚板的伴有大电流/高沉积焊接的这些问题作出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种电弧焊接方法，其中在保持高速焊丝供给时用单个焊枪实现大电流/高沉积，该大电流和高沉积等于或大于使用多个焊枪的情况，并通过抑制焊丝前端的高速旋转以及大大地减少飞溅的产生来执行稳定焊接。
为了解决上述问题，如下构造本发明。
根据本发明的第一方面，提供了一种消耗电极型电弧焊接方法，用于通过包括氩气的混合保护气体在板形工件与焊丝之间产生电弧以焊接板形工件，该方法包括：
在焊接开始时设置反极性状态，在该反极性的状态中焊丝的极性为正，以及
至少一次切换为正极性的状态，在该正极性的状态中焊丝的极性为负。
根据本发明的第二方面，提供了根据第一方面的电弧焊接方法，其中
如果焊丝供给速度低于25m/min，则设置反极性的状态，以及
如果焊丝供给速度为25m/min或者更高，则将反极性的状态切换为正极性的状态。
根据本发明的第三方面，提供了根据第一方面的电弧焊接方法，其中
在焊丝供给开始后已经经过了几秒钟之后，将反极性的状态切换为正极性的状态。
根据本发明的第四方面，提供一种根据第三方面的电弧焊接方法，其中
当焊丝供给速度为25m/min或者更高时，或者在自焊丝供给开始已经经过了几秒钟之后，将反极性的状态切换为正极性的状态，以及
以10Hz或者更高的频率重复将正极性的状态切换为反极性的状态。
根据本发明的第五方面，提供一种根据第二或第三方面的电弧焊接方法，其中
板形工件的厚度为8mm或者更厚，
焊丝的丝直径为1.2到1.6mm，以及
焊接电流为600A或者更大。
根据上述的第一到第五方面，可以实现稳定的消耗电极型电弧焊接，其中，对于厚板工件在用单个焊枪实现等于或大于使用多个焊枪情况的大电流/高沉积时，抑制了焊丝前端的高速旋转，并且大大地减少了飞溅的产生。
附图说明
图1是示出实施本发明的电弧焊接方法的焊接设备构成的示意图；
图2是示出在用EP极性(反极性)执行DC(直流)电弧焊接的情况下焊丝前端部的电弧状态的示意图；
图3A和3B是示出焊丝前端液滴和电弧旋转随着焊丝供给速度增加的状态的图；
图4是示出在EP极性的焊丝前端部的电弧状态的示意图；
图5是示出在EN极性(正极)的焊丝前端部的电弧状态的示意图；
图6A是示出在AC(交流)频率为20Hz的情况下焊接电流波形的图；
图6B是示出在AC频率为20Hz的情况下焊接电压波形的图；
图7A是示出包括其中AC频率为20Hz的情况下的焊接条件的图；
图7B是在焊接条件7(A)下焊接的焊缝的外视图；
图8A是示出在AC频率为40Hz的情况下焊接电流波形的图；
图8B是示出在AC频率为40Hz的情况下焊接电压波形的图；
图9A是示出包括其中AC频率为40Hz的情况下的焊接条件的图；
图9B是在焊接条件9(A)下焊接的焊缝的外视图；以及
图10是示出响应于焊丝供给速度而使EP极性切换为EN极性的方式图。
具体实施方式
关于本发明，其中，在保持高速焊丝供给时用单个焊枪实现大电流/高沉积，该大电流/高沉积等于或大于使用多个焊枪的情况，并通过抑制焊丝前端的高速旋转以及大大地减少飞溅的产生来执行稳定的焊接，下面将参考附图来描述本发明的实施例。
《实施例1》
(实施例1中的焊接条件)
在该实施例中，通过使用氩和CO2的混合保护气体、在用于厚度为8mm或者更厚的工件的消耗电极型电弧焊接中，使用直径为1.2到1.6mm的焊丝和600A或者更大的焊接电流。
(在不改变实施例1的焊接条件的情况下，焊丝前端在该条件下开始高速旋转。)
在上述条件下以25m/min或者更高的焊丝供给速度执行焊接的情况下，焊丝前端开始高速旋转。由于焊丝前端的高速旋转会产生如前所述的飞溅，因此为了用大电流执行稳定的焊接，抑制焊丝前端高速旋转是基本条件。
(焊丝前端在大电流区域中开始以高速旋转的机制)
本发明的发明人研究了焊丝前端在大电流区域开始以高速旋转的机制，结果，注意到在高速旋转的机制中存在下面的现象(A)和(B)。
(A)由于在大电流状态下围绕焊丝会产生巨大的磁场，因此由该磁力会使电弧和焊丝前端开始旋转。
然而，以使焊丝前端飞落的这种高速度开始旋转要花费一些时间。
(B)在大电流状态下在电弧聚集在焊丝前端上的情况下，焊丝前端处的液滴通常处于不稳定状态，该液滴重复与该焊丝前端“分离”或“不分离”。由这种不稳定液滴产生的电弧会使焊丝前端高速旋转。
(测试条件)
发现这种现象(A)和(B)的结果，本发明人在以下条件下实施了用于厚度为12mm的工件的MAG焊接的测试：焊丝直径：1.4mm，焊接电流：600A或者更大，焊丝供给速度：25m/min或者更高。
基于该测试结果，下面将描述本发明的内容。
(实施本发明的方法的电弧焊接设备的整个构成)
图1是示出实施本发明的电弧焊接方法的焊接设备构成的示意图。在图1中，由三相AC(交流)电源1给焊接电源2提供电功率，焊接电源2控制焊丝供给装置4，由此控制从焊丝线轴5向工件7提供的焊丝3的供应速度，并通过电源装置6给焊丝3提供高功率，由此在焊丝3与工件7之间产生电弧放电。
此时，从用保护气体填充的气瓶17提供保护气体，以便从焊丝3的前端向工件7喷射。保护气体使用包括80％的氩和20％的CO2的混合保护气体。
(焊接电源2的构成)
焊接电源2包括转换器8至控制部件16。
当从将三相交流转换成直流的转换器8将直流提供给反相器9时，反相器9将其DC电流转换成高频AC电流。在通过变压器10转换电流和电压之后，通过转换器11将由反相器9输出的高频交流再次转换成DC电流。由于由转换器11输出的DC电流脉动，因此用电抗器12使其平滑。
附图标记13是EP(反极性)/EN(正极性)切换部件，当设定焊丝侧为正极性并且工件侧为负极性的反(EP)极性时，或者当设定焊丝侧为负极性且工件侧为正极性的正(EN)极性时，以及当切换EP极性和EN极性时，其在用于焊丝的电源装置6和工件7之间提供电功率。
附图标记14是电压检测传感器，其检测焊丝和工件之间的焊接电压，附图标记15是电流检测传感器，其检测在焊丝和工件之间流动的焊接电流。
(控制部件16的三个功能)
将电压检测传感器14与电流检测传感器15的每个输出输入到控制部件16。基于两个传感器的每个输出，在焊接电源内控制部件16控制反相器9。
此外，在焊丝供给装置4中，并入在这里没有示出的编码器和电动机，并且控制部件16控制该电动机，由此以预定的焊丝供给速度从焊丝线轴5向工件7侧供给焊丝3。
另外，在切换时控制部件16指示EP/EN切换部件13。
(在消耗电极型电弧焊接中焊接电流和焊丝供给速度低的情况下)
在如图1所示的这种构成下，由气瓶17提供氩和CO2的混合保护气体，并且在其中焊丝3侧为正极性且工件7侧为负极性的反极性(EP极性)时，使用直径为1.4mm的焊丝执行直流电弧焊接。参考图2的示意图，将描述在这种消耗电极型电弧焊接的情况下的焊丝前端部的电弧状态。
用电弧的热来加热焊丝3的前端，由此形成焊丝前端液滴18。焊丝前端液滴18是熔化的金属球。尽管焊丝前端液滴18通过表面张力和粘性附着到焊丝3的前端，但是随着金属球生长，由焊接电流的挤压力(pinch force)和重力的力使其滴向工件7。从焊丝供给装置4供给的焊丝量与焊丝前端液滴18滴向工件7的焊丝量平衡，因此电弧19的电弧长度为常数。
(在消耗电极型电弧焊接中焊接电流和焊丝供给速度高的情况下)
在图2的状态下，在将焊接电流设定为600A或者更大并且以25m/min或者更高的供给速度供给焊丝的情况下，重复两种状态下的放电，所述两种状态下的放电包括焊丝前端液滴18偏离在如图3A所示的横向方向上的焊丝3的前端的状态下的放电，以及焊丝前端液滴18偏离在如图3B所示的反方向上的状态下的放电，使得通过磁力使焊丝前端液滴18和电弧19开始旋转。
当旋转速度变高时，焊丝前端液滴18在没有滴到位于正下方的工件7上的情况下，由于离心力而其会像飞溅一样散开。
(本发明的EP/EN切换)
在本发明中，如下抑制如图3所示的这种电弧旋转：
在将图1的焊接设备的焊接条件设定为使得焊接电流为600A或者更大并且焊接供给速度为25m/min或者更高(由于在焊接设备中设定焊接电流、焊接电压和焊丝供给速度的方法已知，所以在这里将省略其细节)的情况下，控制部件16指示EP/EN切换部件13，以通过预定的频率来切换EP极性和EN极性。
(本发明中的EP/EN切换的处理/优势)
图4是EP极性中的电弧状态的示意图，并且图5是EN极性中的电弧状态的示意图。
在如图4所示的这种EP极性的情况下，焊丝前端液滴18的形状与图2的形状相同。如图5所示，在EN极性的情况下，由于产生的电弧19上升至焊丝3的上部，焊丝前端液滴18变成向下延伸的倒置锥形液滴18′，这不同于图4中的情况。
在通过预定的频率来执行EP极性和EN极性之间切换的情况下，每当执行切换时，焊丝前端部就重复图4中的这种液滴状态18和图5中的倒置锥形状态18′。
由此，在执行EP极性和EN极性之间切换的情况下，将会反转焊接电流的方向。因此，由焊接电流产生的磁力的方向也被反转。磁力方向的反转使旋转焊丝前端液滴18和电弧19的力的方向反转。通过周期性地执行该反转，将停止电弧的旋转。当电弧旋转停止时，离心力不起作用，使得能够大大地抑制飞溅的产生。
在本发明的发明人的测试中，证实了：在EP极性和EN极性之间频繁切换的情况下，即，在焊丝供给速度为25m/min或者更高的条件下，AC(交流)频率设定为10Hz或者更高，存在电弧旋转停止的优点。
(在以20Hz执行根据本发明的EP/EN切换的焊接测试的情况下)
图6A示出了20Hz的AC频率的焊接测试时间中的电流波形，图6B示出焊接测试时间中的电压波形。此外，图7A示出焊接测试时间中的其他详细的焊接条件。焊接条件为：(1)使用的焊丝的直径为1.4mm，(2)焊丝供给速度为35m/min，(3)提供给焊丝的交流频率为20Hz，(4)AC比率为50％，(5)焊接电流为670A，(6)焊接电压为42V，以及(7)要被焊接的工件的厚度为12mm。(5)中的“焊接电流”意指AC电流的平均值。即，虽然图6A中的电流波形的峰值在750A或者更大，但是将在电流值为正的半个周期中的平均值作为焊接电流。此外，使用其中氩和CO2的混合比率为80∶20的混合保护气体。
结果，在图7B的外视图中示出了在焊接测试中产生的焊缝的外观。图7中以20Hz的AC频率得到的焊缝不会像飞溅一样散开，并且此外与常规焊缝相比，在焊丝正下方的工件上形成的焊缝的宽度更窄并且高度更大。因此，形成的焊缝符合要求。
(在以40Hz的AC频率执行根据本发明的EP/EN切换的焊接测试的情况下)
图8A示出了40Hz的AC频率处的焊接测试时间中的电流波形，并且图8B示出了焊接测试时间中的电压波形。此外，图9A示出了焊接测试时间中的其他详细的焊接条件。焊接条件为：(1)使用的焊丝的直径为1.4mm，(2)焊丝供给速度为35m/min，(3)提供给焊丝的交流的频率为40Hz，(4)AC比率为50％，(5)焊接电流为670A，(6)焊接电压为42V，以及(7)要被焊接的工件的厚度为12mm。(5)中的“焊接电流”的限定与图7中的限定相同。
结果，在图9B的外视图中示出了在焊接测试中产生的焊缝的外观。在图9中的以40Hz的AC频率得到的焊缝不会像飞溅一样散开，并且此外，与常规焊缝相比，在焊丝正下方的工件上形成的焊缝的宽度更窄并且高度更大。因此，形成的焊缝符合要求。
与图7B中的以20Hz AC频率得到的焊缝相比，图9B中的以40Hz的AC频率得到的焊缝略微凸起的原因在于：认为由于在AC频率高的情况下，其中每单位时间电流/电压变为零的数目大，因此对工件输入的热量会减少。
如上所述，发现上述现象(A)和(B)的结果，在本发明中，即使在电弧和焊丝前端通过磁力旋转的这种焊接条件下，利用现象(A)，在焊丝前端以这种高速度旋转以至于由于离心力而飞落之前，以预定的周期来切换流入焊丝的电流方向。
证实了，通过该方法停止焊丝前端的高速旋转，以大大地抑制飞溅的产生，并且能使焊接稳定。
《实施例2》
(焊接首先以EP开始并且中途仅一次将EP切换为EN)
<在当电流和焊丝供给速度低时执行切换成EN的情况的不利原因>
在实施例1中，在焊接电流为600A或者更大并且焊丝供给速度为25m/min或者更高的条件下，以预定的频率(图6和7中的20Hz，图8和9中的40Hz)执行EP极性与EN极性之间的切换。然而，在焊接开始的起初，焊接电流值达到600A或者更大需要花费一些时间。类似地，焊丝供给速度达到25m/min或者更高也需要花费一些时间。在当电流和焊丝供给速度低时执行切换为EN极性的情况下，工件中的焊接渗透将变得不足，使得产生在电弧19正下方不能得到完全加热的焊接池的问题。此外，在当焊丝供给速度低时执行切换成EN极性的情况下，在EN极性期间通过电弧将会烧掉焊丝，这会引起不利的情况，例如，接触芯片的焊接、焊缝不整合、产生气孔等。
<在当电流和焊丝供给速度高时执行切换成EN的情况的有利原因>
相反地，在焊丝供给速度足够高并且电流高的状态下，即使在EN极性中，也将完全加热工件7的在电弧19正下方的部分，并且不会使工件7中的渗透不足。
此外，在焊丝供给速度足够高的情况下，防止在EN极性期间通过电弧烧掉焊丝，使得不产生前面提到的不利情况。
此外，相反，在使用上述的现象(B)的情况下，在EN极性期间，由上升至如图5所示的焊丝的上部的位置也会产生电弧。因此，在这种情况下，认为该电弧进入其中电弧不会聚集到焊丝前端上的状态。
因此，在EN极性中，在焊丝供给速度为30m/min和35m/min的条件下，使用直径为1.4mm的焊丝，当本发明人用高速照像机实际观测焊丝前端部时，焊丝前端保持图5的形状，而没有观测到焊丝前端液滴的旋转和电弧旋转。
由该事实，假定：在由电弧前端整体产生电弧的这种状态下，分配电弧力并且形成针状的焊丝前端，使得抑制焊丝前端液滴的旋转和电弧旋转。
(实施例2中的EP切换到EN的时序)
鉴于这种结果，在实施例2中，EP极性响应于焊丝供给速度而切换为EN极性。
具体地，在焊丝供给速度低于5m/min的条件下，控制部件16指示EP/EN切换部件13以保持在EP极性。
当电流值和焊丝供给速度随时间变大且焊丝供给速度达到5m/min或者更高时，在焊丝供给速度超过25m/min之前，控制部件16指示EP/EN切换部件13，以将EP极性切换到EN极性。
(在实施例2中切换的时序宽度为5m/min到25m/min)
图10是示出其中随着焊丝供给速度的增加使EP极性切换为EN极性的时序图。
在使用直径为1.4mm的焊丝且焊丝供给速度低至5m/min以下的情况下，即使在保持EP极性时，也不产生焊丝前端液滴的旋转和电弧旋转。
此外，在焊丝供给速度高至25m/min或更高的情况下，通过保持EN极性的状态，从焊丝前端上升至焊丝的上部的位置也会产生电弧，并且电弧不会聚集到焊丝前端上。因此，不会类似地产生焊丝前端液滴的旋转和电弧旋转。
通过该方法，证实了从焊接开始到始终稳态停止焊丝前端的高速旋转的优势，结果大大地抑制了飞溅的产生，由此使得能够得到稳定的焊接。
(切换的其他时序)
虽然在上面的描述中响应于焊丝供给速度来执行将EP极性切换到EN极性，但是该切换可以响应于从焊丝供给开始后经过的时间来被执行。具体地，在焊丝供给开始的起初，保持EP极性；以及当从焊丝供给开始经过预定时间(大约几秒)且焊丝供给速度增加时，执行从EP极性到EN极性的切换。
(焊丝直径的数值范围)
尽管参考使用直径为1.4mm的焊丝的测试描述了实施例1和实施例2，但是在焊丝直径约为1.4mm(1.2至1.6mm)的情况下，同样能够得到类似的优势。
即，其中得到本发明优势的流入焊丝的电流密度的范围为或者更大。
(混合保护气体的组成)
在实施例1和实施例2中使用的组成混合保护气体的氩和CO2的比率为80％比20％。然而，可以使用其中除CO2之外的混合百分之几的氦或氧的保护气体。

Claims (2)

1.一种消耗电极型电弧焊接方法，用于通过包括氩气的混合保护气体在板形工件与焊丝之间产生电弧以焊接板形工件，所述方法包括：
在焊接开始时设置反极性的状态，在所述反极性的状态中焊丝的极性为正，以及
至少一次切换为正极性的状态，在所述正极性的状态中焊丝的极性为负，
其中，焊接电流为600A或者更大，
板形工件的厚度为8mm或者更厚，
焊丝的丝直径为1.2至1.6mm，
如果焊丝供给速度低于25m/min，则设置反极性的状态，以及
如果焊丝供给速度为25m/min或者更高，则将反极性的状态切换为正极性的状态。
2.根据权利要求1的电弧焊接方法，进一步包括：
当焊丝供给速度为25m/min或者更高时，在反极性的状态切换为正极性的状态之后，以10Hz或者更高的频率重复进行切换以使得将正极性的状态切换为反极性的状态。
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