CN102275029B

CN102275029B - 摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法

Info

Publication number: CN102275029B
Application number: CN 201110201702
Authority: CN
Inventors: 王加友; 朱杰; 苏荣近; 王彪
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: CN102275029A

Abstract

本发明公开一种摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法，用金属件厚板拼装成I型、间隙是12~16mm立向待焊坡口；根据待焊坡口的间隙和焊缝道次的不同，先选择气体保护方式，设定电弧摇动频率、电弧摇动幅值、电弧侧壁停留时间、脉冲焊接平均电弧电流、平均电弧电压、焊接速度、焊丝干伸长，并选配合适折弯角度的微弯型导电杆；焊炬以焊接速度整体立向上或立向下移动，在焊缝自由成形状态下，以每层单道多层施焊方式实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向自动焊接；本发明无需开大的焊接坡口，无需强迫成形装置，焊接装置简单，焊接效率高，焊缝成形美观，焊接接头性能好。

Description

摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特指一种摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法。

背景技术

立焊适用于大型或特大型工件的现场焊接，是指在竖直平面内沿焊缝长度方向立向上（由下而上）或立向下（由上而下）进行施焊的一种工艺，此时熔池液态金属与熔滴受自身重力影响易出现下淌，造成焊缝自由成形困难，影响接头质量。传统的熔化极立向自动焊主要有气电立焊、电渣焊等，实施过程中使用的坡口间隙大、焊接热输入高，且需要强迫成形机构，因此焊接装置复杂，焊接接头性能较低，焊后往往需对焊缝进行热处理，一般适用于强度级别较低钢材的焊接。

在中高强度钢材焊接的场合，需采用较低热输入的熔化极立向焊接技术。根据待焊坡口形式的不同，这种较低热输入的立焊工艺又可分为开V型（或X型）坡口的大坡角多层立焊、以及开窄小坡口的窄间隙多层立焊。作为大坡角多层立焊的一个实例，专利申请号为200810038379.X、名称为“厚板自动立焊焊接方法”公开带有焊枪摆动装置的焊机，可对板厚在40~140mm之间，并开V型坡口或X型坡口的工件进行自动立焊，与电渣立焊相比，该专利申请采用的开坡口的熔化极气体保护焊接方法，可降低焊接线能量，但与窄间隙电弧多层立焊方法相比，该专利申请存在的缺陷是：需要对工件开V型或X型的大坡口，焊缝金属填充量大，每层焊接道次多，焊接效率低，生产成本高。

在窄间隙熔化极电弧多层立焊时，待焊坡口间隙和坡角都很小，因此焊接效率高。但是，由于窄间隙焊接坡口的坡角小，一般的电弧对坡口侧面加热效果会减弱，容易产生未焊透等缺陷，同时由于液态金属与坡口面接触面积小，熔池在自身重力作用下极易出现下塌。因此，如何保证坡口两侧壁均匀熔透，同时保证焊缝能在自由状态下成形，是窄间隙熔化极电弧多层立焊技术的关键。国内外，曾先后开发出多种窄间隙熔化极气体保护焊接工艺，其中具有代表性的有：麻花焊丝焊接法、蛇形焊丝焊接法、高速旋转电弧焊接法等。这些工艺方法在一定程度上改善了窄间隙熔化极电弧焊接时的两侧壁熔合，但其共同缺点是难以用于立向位置焊缝的自由成形焊接。

专利申请号为200810236274.5、名称为“摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法及焊炬”，采用空心轴电机直接驱动直型导电杆和可伸入工件坡口的微弯型导电杆绕焊炬中心轴线往复运动，带动从导电嘴中心孔送出的焊丝端部的电弧在待焊工件坡口内作圆弧形摇动，实现摇动电弧窄间隙焊接。该专利申请存在的缺点是：（1）电弧摇动的驱动方式为单一的空心轴电机直接驱动方式，电机轴带强电，电机工作存在安全隐患；（2）对于空间位置窄间隙焊接应用，未涉及具体的立焊技术方案，难以使立焊工艺实用化。

发明内容

针对现有摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法难以实现窄间隙多层立向施焊、以及现有厚板自动立焊方法效率低的缺点，本发明提出一种实用性强、实施成本低、焊接效率高的摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向自动焊接方法。

本发明提出的摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法的技术方案是：将焊炬中的微弯型导电杆一端与导电嘴相接，另一端与馈电及驱动控制机构下端固连，使焊丝由送丝机送出后依次穿过馈电及驱动控制机构、微弯型导电杆和导电嘴的中心孔后在待焊坡口内产生电弧，馈电及驱动控制机构驱动可伸入待焊坡口的微弯型导电杆绕焊炬中心轴线往复运动，带动电弧作相对于焊炬的、关于摇动轨迹中点对称的往复式圆弧形轨迹的摇动，焊炬中心轴线对准立向待焊坡口的中心并相对于焊接方向垂直放置，还包括：1）用金属件厚板拼装成I型、间隙是12~16mm的立向待焊坡口；2）根据待焊坡口的间隙和焊缝道次的不同，选择气体保护方式，设定电弧摇动频率为0.4~2.0Hz、电弧摇动幅值为60~180°、电弧侧壁停留时间为100~600ms、脉冲焊接平均电弧电流为140~200A、平均电弧电压为18~26V、焊接速度为7~15cm/min、焊丝干伸长为15~25mm，并在3~15°的折弯角度范围内选配微弯型导电杆；3）使微弯型导电杆弯向立向待焊坡口的正上方，焊接过程中，焊炬整体以焊接速度整体立向上或立向下移动，在焊缝自由成形状态下，以每层单道多层施焊方式实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向自动焊接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）微弯型导电杆带动焊丝端部的电弧规律性摇动，并使电弧在I型坡口两侧壁处短暂停留，可有效控制电弧热在焊接坡口内分布，同时借助斜向电弧轴向力对熔池的支撑作用，能防止熔池液态金属在自重作用下出现下淌，保证足够的两侧壁熔深和焊缝的自由成形。

（2）在焊缝自由成形状态下，使用的焊接线能量小，且无需强迫成形装置，因而形成的焊接接头力学性能好，可用于焊接较高强度的钢材，同时焊接装置结构简单、操作方便，焊接效率高，焊缝成形美观，焊接接头性能好。

（3）采用I型坡口的每层单道多层焊接工艺，无需开大坡口，坡口间隙小，板厚相同时焊接道次明显减少，因而提高了焊接效率，降低了生产成本。

（4）选用不同的电弧摇动频率、摇动幅值、侧壁停留时间，配用不同长度的导电杆，可满足不同坡口间隙、不同厚度工件的立焊需要，工艺适应性好，实用性强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法原理图。

图2是电弧馈电及驱动控制机构原理图；其中，图2（a）为空心轴电机驱动模式，图2（b）为普通电机驱动模式。

图3是坡口间隙分别为12mm、14mm和16mm时的摇动电弧窄间隙立向上焊接接头焊缝横截面的宏观照片。

图1中：1—电弧；2—焊丝；3—导电嘴；4—微弯型导电杆；5—立向待焊坡口；6—馈电及驱动控制机构；7—送丝机；8—往复式圆弧形摇动轨迹；9—保护气体；10—前道焊缝；11—后道焊缝；V _w—焊接速度；O ₁ O ₂—焊炬中心轴线；O ₂—相对于焊炬的摇动轨迹中点。

图2中：12—空心轴电机；13—光栅盘；14—电刷；15—控制器；16—直型导电杆；17—普通电机；18—传动副（齿轮传动或带传动）；19—光耦；I _f—焊接电流。

具体实施方式

如图1所示，准备好焊炬，用金属件厚板拼装成I型立向待焊坡口5，待焊坡口5的坡口间隙大小可在12~16mm的范围内选定，坡口单侧坡角最大为5°。焊炬包括馈电及驱动控制机构6、微弯型导电杆4和导电嘴3，微弯型导电杆4一端与导电嘴3相接，另一端与馈电及驱动控制机构6的下端固连。焊丝2由送丝机7送出，依次穿过馈电及驱动控制机构6、微弯型导电杆4和导电嘴3的中心孔后，在立向待焊坡口5内产生电弧1，往复式圆弧形轨迹8为电弧1相对于焊炬的摇动轨迹，往复式圆弧形摇动轨迹8的中点为O ₂，也即焊丝2的摇动轨迹中点。保护气体9从焊炬附属的喷嘴机构流出后进入立向待焊坡口5，在焊接过程中为焊接区域提供保护。

如图2所示，馈电及驱动控制机构6的结构包括：图2（a）所示的空心轴电机12或图2（b）所示的普通电机17、光栅盘13、电刷14、控制器15、直型导电杆16、光耦19。采用普通电机17时，由普通电机17连接传动副18。微弯型导电杆4与馈电及驱动控制机构6中的直型导电杆16的下端固连，直型导电杆16的上端连接图2（a）所示的空心轴电机12或或图2（b）所示的传动副18，控制器15分别连接光耦19和电机。光栅盘13固定套装在直型导电杆16的上端，与固定在焊炬背板上的光耦19一起构成光电开关，用于摇动中点焊前定位与摇动频率检测。电刷14活动套装在直型导电杆16的上端，并与设置在直型导电杆16中部的法兰台面保持滑动接触。焊接电流I _f通过电刷14导入，经过直型导电杆16、微弯型导电杆4和导电嘴3，流入电弧1。

焊前，将焊炬对准立向待焊坡口5的中心并相对于焊接方向垂直放置，通过馈电及驱动控制机构6带动微弯型导电杆4转动，并利用光电开关的定位检测作用，使微弯型导电杆4弯向立向待焊坡口5的正上方，实现焊丝2的摇动轨迹中点O ₂的焊前自动定位，此时导电嘴3的中心线与焊炬中心轴线O ₁ O ₂处于同一个竖直平面内。另外，通过焊缝跟踪等方式，使焊炬中心轴线O ₁ O ₂对准立向待焊坡口5的中心。

其后，根据立向待焊坡口5的间隙与焊缝层次（或道次）的不同，设定保护气体9的导入方式，并通过控制器15设定相应的电弧摇动工艺参数和其它焊接参数。保护气体9可采用活性混合气体或惰性气体，气体保护方式有两种，即采用伸入式喷嘴和外置式喷嘴的气体保护方式，其中采用伸入式喷嘴的气体保护方式用于坡口内部深处焊缝的保护，而在接近工件表面或盖面焊时，可仅采用外置式喷嘴的气体保护方式。通过控制器15设定的电弧摇动工艺参数包括：摇动频率、摇动幅值和侧壁停留时间，具体设定范围为：电弧摇动频率为0.4~2.0Hz，电弧摇动幅值为60~180°，电弧侧壁停留时间为100~600ms。微弯型导电杆4的折弯角度范围为3~15°。其它焊接参数包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝干伸长，具体可选择范围为：脉冲焊接平均电弧电流为140~200A，平均电弧电压为18~26V，焊接速度为7~15cm/min，焊丝干伸长为15~25mm。针对立向待焊坡口5的坡口间隙12~16mm的范围，上述参数的选择方法是：立向待焊坡口5的坡口间隙越小，微弯型导电杆4的折弯角度越小，同时选配的电弧摇动频率越大、并且焊接速度越快；立向待焊坡口5的坡口间隙越大，选用微弯型导电杆4的折弯角度越大，同时选配的电弧摇动频率越小、焊接速度越慢；当微弯型导电杆4的折弯角度相同时，立向待焊坡口5的坡口间隙越大，电弧摇动幅值也越大。当对坡口深处最初几道焊缝以及接近工件表面焊缝（或盖面焊缝）进行焊接时，可采用较小的脉冲焊接平均电弧电流与平均电弧电压，而在焊接中间几层焊缝时，采用较大的脉冲焊接平均电弧电流与平均电弧电压。

进入焊接过程后先引燃电弧1，拖动机构带动焊炬整体立向上（或立向下）移动，给出焊接速度V _w（图1中所示方向仅对应于立向上焊情形）；同时，馈电及驱动控制机构6驱动可伸入立向待焊坡口5的微弯型导电杆4绕焊炬中心轴线O ₁ O ₂往复运动，带动从导电嘴3中心孔送出的焊丝2端部的活性或惰性的脉冲焊接电弧，在立向待焊坡口5内作相对于焊炬的、关于摇动轨迹中点O ₂对称的往复式圆弧形轨迹8的摇动。在焊缝自由成形状态下，以每层单道多层施焊方式，实现按控制器15事先设定的摇动轨迹进行的摇动电弧窄间隙立向自动焊接。

本发明摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法采用每层单道多层施焊模式，即整个窄间隙立向焊缝由填充金属在板厚方向上一层一层地堆积形成（即多层施焊），每一层焊缝金属的填充只需通过一道焊接就可完成（即每层单道）。同时，摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接过程中，电弧1的往复式圆弧形摇动轨迹8改变了电弧热分布，所形成的每一层焊缝一般具有类似“苹果型”双峰特征（参见图3），避免了类似“指状”熔深缺陷。

上述馈电及驱动控制机构6驱动微弯型导电杆4的工作方式有以下两种：

第一种驱动方式（参见专利申请号为200810236274.5、名称为“摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法及焊炬”中公开的内容）：如图2（a）所示，采用空心轴电机12直接驱动微弯型导电杆4的方式，此时焊丝2从送丝机7送出后，穿过空心轴电机12的空心轴、电刷14、直型导电杆16、微弯型导电杆4后，从导电嘴3的中心孔穿出。焊接过程中，空心轴电机12通过直型导电杆16直接驱动微弯型导电杆4，带动从导电嘴3中心孔送出焊丝2端部的电弧1在立向待焊坡口5内作往复式圆弧形轨迹8的摇动，实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接。在该种驱动方式下，电机轴与焊接强电系统相连，存在工作安全隐患。

第二种驱动方式参见如图2（b）所示，采用普通电机17通过传动副18间接驱动微弯型导电杆4的方式，此时焊丝2从送丝机7送出后，穿过传动副18中的从动件中心孔、电刷14、直型导电杆16、微弯型导电杆4后，从导电嘴3的中心孔穿出。焊接过程中，普通电机17通过传动副18间接驱动直型导电杆16和微弯型导电杆4，带动从导电嘴3中心孔送出焊丝2端部的电弧1在立向待焊坡口5内作往复式圆弧形轨迹8的摇动，实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接。在该种驱动方式下，电机轴可与焊接强电系统实现隔离，电机轴不带电，工作安全性好。

以下提供本发明的3个实施例。实施例均采用上述第一种驱动方式对微弯型导电杆4进行驱动控制，在自由成形状态下每层单道施焊，每个接头均焊接了三层，保护气体9（Ar-20%CO₂）流量为40L/min，焊丝干伸长为18mm，脉冲焊接电流频率为190Hz、脉冲占空比为50%。

实施例1

立向待焊坡口5是间隙为12mm的I型焊接坡口，焊接时，立向待焊坡口5处于立向位置。其它焊接参数为：微弯型导电杆4的折弯角为3°，电弧摇动频率为2.0Hz，电弧摇动角度为60°，电弧1在立向待焊坡口5的两侧壁停留时间分别为100ms，平均焊接电流为200A，平均电弧电压为26V，焊接速度为15cm/min。得到的焊缝横截面宏观照片如图3（a）所示，形成的焊缝表面中部成形微凸，立向待焊坡口5的两侧壁熔透均匀对称。

实施例2

立向待焊坡口5是间隙为14mm的I型焊接坡口，焊接时立向待焊坡口5处于立向位置。其它焊接参数为：微弯型导电杆4的折弯角为8°，电弧摇动频率为0.8Hz，电弧摇动角度为84°，电弧1在立向待焊坡口5的两侧壁停留时间分别为400ms，平均焊接电流为155A，平均电弧电压为22V，焊接速度为9.1cm/min。得到的焊缝横截面宏观照片如图3（b）所示，形成的焊缝表面成形平坦，立向待焊坡口5的两侧壁熔透均匀对称。

实施例3

立向待焊坡口5的是间隙为16mm的I型焊接坡口，焊接时立向待焊坡口5处于立向位置。其它焊接参数为：微弯型导电杆4的折弯角为15°，电弧摇动频率为0.4Hz，摇动角度取180°，电弧1在立向待焊坡口5的两侧壁停留时间分别为600ms，平均焊接电流140A，平均电弧电压18V，焊接速度7cm/min，得到的焊缝横截面宏观照片如图3（c）所示，所形成的焊缝表面呈微下凹形，立向待焊坡口5的两侧壁熔透均匀对称。

从上述3个实施例及图3可以看出，摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊缝成形良好，说明该方法具有很强的实用性。另外，对于这种自由成形良好的焊缝，在沿板厚方向上的每层焊缝底部，均形成了具有双峰特征的熔深，从第一层焊缝底部清晰可见，如图3中A和B箭头所指示处。

Claims

1.一种摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法，将焊炬中的微弯型导电杆（4）一端与导电嘴（3）相接，另一端与馈电及驱动控制机构（6）下端固连，使焊丝（2）由送丝机（7）送出后依次穿过馈电及驱动控制机构（6）、微弯型导电杆（4）和导电嘴（3）的中心孔后在立向待焊坡口（5）内产生电弧（1），馈电及驱动控制机构（6）驱动可伸入立向待焊坡口（5）的微弯型导电杆（4）绕焊炬中心轴线（O ₁ O ₂）往复运动，带动电弧（1）作相对于焊炬的、关于摇动轨迹中点对称的往复式圆弧形轨迹（8）的摇动，焊炬中心轴线（O ₁ O ₂）对准立向待焊坡口（5）的中心并相对于焊接方向垂直放置，焊丝干伸长为15~25mm，并在3~15°的折弯角度范围内选配微弯型导电杆（4），其特征是还包括如下步骤：

①用金属件厚板拼装成I型、间隙是12~16mm的立向待焊坡口（5）；

②根据立向待焊坡口（5）的间隙和焊缝道次的不同，选择气体保护方式，设定电弧摇动频率为0.4~2.0Hz、电弧摇动幅值为60~180°、电弧侧壁停留时间为100~600ms、脉冲焊接平均电弧电流为140~200A、平均电弧电压为18~26V、焊接速度为7~15cm/min；立向待焊坡口（5）的坡口间隙越小，微弯型导电杆（4）的折弯角度越小、电弧摇动频率越大且焊接速度越快；立向待焊坡口（5）的坡口间隙越大，微弯型导电杆（4）的折弯角度越大、电弧摇动频率越小且焊接速度越慢；当微弯型导电杆（4）的折弯角度相同时，立向待焊坡口（5）的坡口间隙越大，电弧摇动幅值越大；

③使微弯型导电杆（4）弯向立向待焊坡口（5）的正上方，焊接过程中，焊炬整体以焊接速度（V _w）立向上或立向下移动，在焊缝自由成形状态下，以每层单道多层施焊方式实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向自动焊接。