CN102325625A - 电弧焊接方法和用于电弧焊接的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电弧焊接方法，其中焊条组件(100)包括作用在工件(10)用于经由电弧形成熔池(12)的易熔的连续供给的至少两个焊条(110，112，114，116，118)，其中所述至少两个焊条(110，112，114，116，118)相对于焊接方向(30)顺序设置并彼此侧向地隔开，其中进行下述步骤：为焊条组件(100)的每个焊条(110，112，114，116，118)监测至少一个稳定性参数(Stab_par)；确定焊条组件(100)的一个焊条(116)是否破坏稳定性标准(Crit)；当检测到一个焊条(116)的稳定性标准(Crit)的破坏时，至少临时将破坏稳定性标准(Crit)的所述一个焊条(116)与一个或多个邻近焊条(110，112，114，118)隔开。

Description

电弧焊接方法和用于电弧焊接的设备
技术领域
本发明涉及电弧焊接方法和用于电弧焊接、特别是用于浸入式电弧焊接的设备，该设备包括具有大量焊条的焊条组件。
背景技术
浸入式电弧焊接是具有高生产率和质量的全机械化焊接方法，其通常用于较厚材料中的较长焊缝。在浸入式电弧焊接期间，一个或多个顺序设置的焊接焊条熔化成电弧。
焊缝(特别是熔化材料和电弧)被保护在喷射焊剂(pulverised flux)层之下。焊剂在工艺期间部分地熔化，因此在熔池(weld pool)上形成熔渣保护层。该工艺中使用的电流相当高，通常在300-1500安培每焊条的范围内。浸入式电弧焊接中使用的焊条的直径通常为2.5-6mm。
浸入式电弧焊接中使用的焊剂为通常包含锰、硅、钛、铝、钙、锆、镁的氧化物和其它化合物(如氟化钙)的粒状易熔矿物。特别地，将焊剂按配方制造为与给定焊丝类型相容，使得焊剂和焊丝的组合产生期望的机械性能。所有的焊剂都与熔池起化学反应以产生焊接金属化学成分和机械性能。通常的实践是，如果焊剂将锰和硅添加到焊缝，则将该焊剂称为′活性的′，锰和硅的添加量受到电弧电压和焊接电流电平的影响。
为了采用浸入式电弧焊接获得最高的生产率可能性(作为竞争力增加的一个结果)，人们努力增加每小时和每个焊条的焊接速度和最高可能的沉积速率，即，熔化的焊接消耗品，或实际产生的接合材料。
当用单个焊条焊接时，与多个连续焊条相反，通常达到上限，通过仅改变焊接数据对焊接生产率进行进一步改善变得不可能。例如，当增加焊接电流时，电弧最终变得足够强而推动熔池，产生不可接受的焊缝。
现有技术中解决该问题的一种方案是采用沿着焊缝方向顺序定位的多个焊条。通常采用2-3个焊条，然而，使用高达6个焊条是已知的。
不幸的是，多焊条配置并不是没有问题的，因为各个电弧通过所谓的“磁性弧偏吹效应(magnetic arc blow effect)”彼此影响。这种效应是由流过邻近焊条的电流产生的磁场引起。“磁性弧偏吹效应”影响邻近电弧，使它从正常和期望方向(在大多数情况中该方向垂直于材料并与焊条成一条线)偏离或偏转。这种偏离会引起电弧以不利的方式推动熔池，产生波形焊缝和不可接受的整体结果。
而且，熔池中的熔融材料受到来自电弧的作用力的影响，形成影响熔池中的波纹图案的敏感系统。流体材料被挤压在电弧之间，使得整个熔池可以看做n-1熔池的连接系统，其中n为电弧的数量。
为了抑制这种现象，一种已知的方案是用直流电流给起焊焊条供电，同时用交流电流给后续的焊条供电。已经证明，由于多种原因，在这些情况中采用交流电流是有用的。例如，移位磁场不能以相同的程度到达电弧，例如特别在深焊接接头中，因为基材中的顶点(vortexes)抑制磁场传播，此外在采用方向波动的磁场的情况下，电弧偏离不再是单向的，导致对熔池的影响小。在后续焊条上采用交流电流的另一个好处是增加了沉积速率。
即使上述方案增加了焊接速度和沉积速率，在不危及焊接结果的质量的情况下，看起来仍然存在难以逾越的上限。
推过所述上限会在后面的焊条处引起焊接工艺的不稳定。这被认为是取决于在该位置处发现的由从前焊条开始的熔化消耗品结合源自电弧的对熔池的推动效应引起的相对较大的熔池。到小的程度，通过顺序降低用来向后面的焊条供电的焊接电流可以减轻这种效应，虽然通过这种措施不能完全避免该问题。
发明内容
本发明的目的是提供允许改善焊接速度的焊条组件。本发明的另一个目的是提供具有改善的焊接速度以及令人满意的焊接质量的方法。另一个目的是提供用于进行这种方法的设备。
所述目的由独立权利要求的特征实现。其它权利要求和说明书公开了本发明的有利实施方式。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于电弧焊接的焊条组件，包括用于经由电弧在工件中形成熔池的易熔的连续供给的至少三个焊条，其中为所述至少三个焊条中的每一个都设置焊接头部叉钳，并且其中当焊条组件处于操作模式时所述至少三个焊条相对于焊接方向30顺序设置，其特征在于，与前焊条的一个或多个前面焊条相比，所述后焊条中的至少一个在几何上与其前焊条侧向地和/或横向地隔开。
在常规焊条组件中，焊接头部夹钳以及因此焊条是等间距隔开并沿着设计为在焊接期间与焊缝共线的线设置。有利地，考虑到不同的焊接头部距离时弧偏吹效应也进行变化，以操作被挤压在多个电弧之间的流体材料的系统通过所述电弧之间的距离的方式，可以以有利的方式改变该系统。通过重新设置焊条组件中的焊条，可以在不存在电弧磁偏吹效应的有效效果的情况下改善焊接速度。
有利地，通过模型化或通过测试，可以在焊条组件的设计阶段选择将与其前焊条隔开的焊条，形成焊条组件的固定布局。另一方面，在焊接以及分别重新设置焊条和焊接头部夹钳期间，能够在焊接期间在线监测焊条。
根据本发明的有利实施方式，后焊条可以以比前焊条和其前面焊条的距离大的距离与其前焊条隔开。焊条组件仍然可以与期望的焊缝对齐。特别地，所述距离以1.5的因子增加，优选以2和10之间的因子增加，更优选以2.5和5之间的因子增加。间距的增加导致高焊接速度期间弧偏吹效应的极大减小。
根据本发明的有利实施方式，可以通过调整焊条之间的角度隔开焊条。通过倾斜一个或多个焊条，可以容易地在将被隔开的焊条和其前焊条之间建立增加的距离。优选地，同样可以相对于隔开的焊条倾斜后焊条。
此外或可替换地，根据本发明的有利实施方式，后焊条可以通过偏离连接前焊条和其前面焊条的虚线而与其前焊条隔开。在这种情况中，隔开的焊条相对于焊缝偏离其它焊条。
根据本发明的有利实施方式，可以基于焊接工艺期间不稳定性的评估选择隔开的焊条。方便地，在焊条组件设计期间模型阶段中或者通过为焊条组件中的每个焊条测量焊接参数可以进行所述评估。在可调整焊条组件中，可以在焊接工艺期间进行所述隔开。
根据本发明的有利实施方式，可以设置用于在焊接期间隔开焊条的致动器。这允许在观察到或预料到不稳定性时隔开一个或多个焊条。
根据本发明的有利实施方式，在五个焊条的焊条组件中，第四个焊条可以以比其它后续焊条之间的等间距大的距离与第三焊条隔开。
根据本发明的另一个方面，提出了一种电弧焊接方法，其中焊条组件包括作用在工件上用于经由电弧形成熔池的易熔的连续的至少两个焊条，其中所述至少两个焊条相对于焊接方向顺序设置并相对于彼此侧向地隔开。为焊条组件的每个焊条监测至少一个稳定性参数。确定焊条组件的一个焊条是否破坏稳定性标准。当检测到一个焊条的稳定性标准的破坏时，至少临时将破坏稳定性标准的所述一个焊条与一个或多个邻近焊条隔开。
考虑到不同的焊接头部距离时弧偏吹效应也进行变化，以操作被挤压在多个电弧之间的流体金属的系统通过所述电弧之间的距离的方式，可以以有利的方式改变该系统。有利地，可以消除破坏稳定性标准的焊条的有害影响，并且可以维持令人满意的焊接质量。
可以在焊条组件的设计阶段进行为焊条组件的每个焊条监测至少一个稳定性参数，因此提供了固定的焊条组件结构，或者可以在焊接操作期间进行所述监测。
根据本发明的有利实施方式，通过增加破坏稳定性标准的所述一个焊条和其前面焊条之间的距离可以隔开所述一个焊条。方便地，将其中首先出现不稳定性的焊条与其前焊条隔开。
根据本发明的有利实施方式，可以增加沿侧向方向的距离。特别地，所述距离可以以1.5的因子增加，优选以2和10之间的因子增加，更优选以2.5和5之间的因子增加。可以在不降低焊接质量的情况下增加焊接速度，因为可以通过增加显示出不稳定性的焊条和前焊条之间的距离处理有害的弧偏吹效应。
根据本发明的有利实施方式，可以通过沿横向方向移位一个或多个焊条进行隔开。特别地，一个或多个焊条可以移动至少焊条之间的横向距离的量。在这种情况中，焊条不再沿着焊接方向对齐，而是可以在偏离焊缝的情况设置一个或多个焊条。
根据本发明的有利实施方式，通过调整焊条之间的角度可以进行隔开所述一个焊条。有利地，可以容易地调整破坏稳定性标准的所述一个焊条和其前焊条之间的距离。
根据本发明的有利实施方式，可以通过隔开保持焊条的焊接头部夹钳将所述一根焊条隔开。可以容易地实现所述一个焊条的隔开。有利地，可以由致动器以高的精度移动焊接头部夹钳。
根据本发明的有利实施方式，通过焊条的电流可以被监测作为稳定性参数。可以以高的精确度获得通过每个焊条的电流和/或电功率。
根据本发明的有利实施方式，电弧电压可以被监测为稳定性参数。可以以高的精确度轻易获得与每个焊条相关的电弧电压。
根据本发明的有利实施方式，当焊条中的一个或多个的稳定性参数相对于一个或多个邻近焊条的稳定性参数改变大于5％，优选改变大于10％时，检测到稳定性标准的破坏。
根据本发明的有利实施方式，当与前面焊条相比，所述焊条中的一个或多个的稳定性参数相对于后焊条的稳定性参数改变大于5％，优选改变大于10％时，检测到稳定性标准的破坏。有利地，可以将其中首先出现不稳定性的焊条与其前焊条隔开，并且可以重新建立焊接工艺的稳定性。
根据本发明的有利实施方式，可以在电流正流过所述焊条期间进行所述一根焊条的隔开。有利地，焊接工艺不被中断，并且可以维持高焊接速度。
根据本发明的另一个方面，提出了一种用于进行电弧焊接方法的设备，其中焊条组件包括作用在工件用于经由电弧形成熔池的易熔的连续的至少两根焊条，其中所述至少两根焊条相对于焊接方向顺序设置并彼此侧向地隔开，其中，该设备设置了：监测装置，用于为焊条组件的每根焊条监测至少一个稳定性参数；和用于确定焊条组件的一个焊条是否破坏稳定性标准的单元；其中，焊条组件适于在检测到一个焊条的稳定性标准的破坏时，至少临时将破坏稳定性标准的所述一个焊条与一个或多个邻近焊条隔开。该设备可以用于其中可以在焊接期间重新设置焊条组件中的焊条的正常焊接操作，或者可以用于测试焊条组件，提供了焊条在焊条组件中的固定配置。
根据本发明的有利实施方式，焊条组件可以包括用于侧向地和/或横向地调整各个焊条在工件的表面上方的位置的可调整焊接头部夹钳。方便地，可以经由一个或多个致动器定位焊条和/或焊接头部夹钳。
根据本发明的有利实施方式，焊条组件可以包括具有可调整角度的可枢转的焊接头部夹钳。可以容易地调整焊条之间的距离。
附图说明
根据接下来实施方式(但不限于所述实现方式)的详细描述，可以最佳地理解本发明以及上述和其它目标和优点，其中示意性地示出：
图1示出用于执行根据本发明的方法的设备的示例性实施方式；
图2为图示根据本发明的程序的流程图；以及
图3a、3b示出包括5个焊条(图3a)的焊条组件和具有以由一个焊条的稳定性标准破坏引起的距离隔开的焊条的焊条组件(图3b)的示例性实施方式。
具体实施方式
在附图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。附图仅仅是示意性表示，而不是要描绘本发明的具体参数。而且，附图是要仅描绘本发明的典型的实施方式，因此不应当被认为是限定本发明的范围。
图1示意性地描绘用于浸入式电弧焊接的焊接配置，包括用于焊接工件10的焊条组件100。在该示例性实施方式中，焊条组件100包括三个焊条110，112，114，每个焊条被保持在焊接头部叉钳140，142，144中。焊条110，112，114以连续顺序对准至焊缝(未示出)并以等间距方式隔开。
类似于MIG焊接，浸入式电弧焊接(SAW)涉及在焊条组件100沿焊接方向30移动的同时在连续供给的裸线焊条110，112，114和工件10之间形成电弧。焊条110，112，114可以从线圈120，122，124供给，并由焊丝引导件130，132，134引导。每个焊条110，112，114可以由单独的电源40，42，44供电。
该工艺采用焊剂产生保护性气体和熔渣，并向熔池12添加成合金元素。不要求附加的保护气体。在焊接之前，将焊剂粉末薄层20放在工件表面16上。电弧沿焊接方向30沿着接头线移动，并且当它这样做时，由焊剂进料斗50将焊剂供给到焊接区域。当电弧完全由焊剂层20覆盖时，热量损失极其低。与手控金属电弧的25％的热效率相比，这产生了高达60％的热效率。没有任何可见电弧火光，焊接实际上不存在飞溅，并且不需要排烟。
可以将浸入式电弧焊接操作为全机械化或自动工艺，但任选地，它可以是半自动化的。典型的焊接参数是电流、电弧电压和行进速度，它们都可以影响珠形、穿透深度和沉积的焊接金属的化学成分。
每个焊条110，112，114配备有一个或多个传感器单元60，62，64，其监测一个或多个焊接参数，如电流和/或电弧电压。监测到的参数可以用作用于确定每个焊条110，112，114处的焊接工艺是否稳定或是否在焊条110，112，114中的一个或多个处出现不稳定的稳定性参数。
传感器单元60，62，64连接至监测装置70，监测装置70包括用于确定稳定性标准是否受到所述焊条中的一个的破坏的单元72。
图2描绘了用于监测焊条组件的n个焊条的稳定的流程图，例如，对于图1中的三个焊条110，112，114，n＝3。
在步骤200中，监测每个焊条的一个或多个稳定性参数Stab_par。在步骤202中，检查所述一个或多个稳定性参数Stab_par是否小于或等于预定稳定性标准Crit。例如，当焊条中的一个或多个的稳定性参数Stab_par相对于一个或多个邻近焊条的稳定性参数(特别是前焊条相对于后焊条)改变大于5％，特别是大于10％时，检测到稳定性标准Crit的破坏。
如果一个或多个稳定性参数Stab_par在允许范围内(在流程图中为“是”)，则程序跳回监测步骤200。如果检测到一个或多个稳定性参数Stab_par的破坏(在流程图中为“否”)，则至少临时分开其中从一个或多个邻近焊条中首先出现不稳定性所在的焊条，特别地，将破坏稳定性标准的焊条与其前焊条分开。
图3a和3b示出了包括5个焊条110，112，114，116，118的焊条组件100的示例。焊条110，112，114，116，118以距离d0等间距地隔开，并以角度α向着彼此倾斜。距离d0在这里示出为焊接头部夹钳140，142，144，146，148的末端之间的距离。焊丝110，112，114，116，118与焊接头部夹钳140，142，144，146，148的纵向延长部分共线。焊接头部夹钳140，142，144，146，148在它们的下端处延伸跨过侧向距离150。
如果在焊条116处检测到稳定性标准Crit的破坏，则改变图3中示出的焊条110，112，114，116，118的等间距连续顺序，并且根据第一实施方式，通过将焊接头部叉钳146侧向地移动离开焊接头部叉钳144，因此将距离d0增加至较大的距离d1，从而将焊条116与其前焊条114隔开。
根据另一种实施方式(未示出)，通过倾斜焊接头部叉钳146且随后倾斜其它后焊条118的焊接头部叉钳148，因此将距离d0增加至较大的距离d1，从而可以将焊条116与其前焊条114隔开。随后焊接头部夹钳140，142，144，146，148的下端的侧向距离150增加。
根据另一种实施方式(未示出)，通过沿横向方向移动焊接头部叉钳146，可以将焊条116与其前焊条114隔开，由此形成其中并不是所有的焊条都沿着焊缝对齐的配置。
优选地，距离d0可以以1.5的因子增加，更优选地，可以以在2和10之间的因子增加，特别优选地，可以以在2.5和5之间的因子增加。
例如，距离已经从20mm的起始距离d0增加至50mm和100mm之间的距离d1。
图3b中示出的焊条组件100也可以为固定式焊条配置，其中通过在焊接工艺之前的模型化和/或测试已经确定破坏稳定性标准Crit的焊条116。如果这种焊条组件100用于具有实质上不变的要求的例行焊接工艺，例如用于焊接大量相同管子，则这是有利的。
通过这种改变，可以以之前未获得的焊接速度实现具有在期望质量水平范围内的结果的焊接。在具体情况中，显示出5焊条系统中的焊条114和115之间的距离增加100mm所提出的寻求结果。当然，数量取决于实际系统和几何形状并且仅仅是用于图示效果而给出的。在其它配置中数量可以不同。

Claims (23)

1.一种用于电弧焊接的焊条组件(100)，包括用于经由电弧在工件(10)中形成熔池(12)的易熔的连续供给的至少三个焊条(110，112，114，116，118)，其中为所述至少三个焊条(110，112，114，116，118)中的每一个都设置焊接头部叉钳(140，142，144，146，148)，并且其中当焊条组件(100)处于操作模式时所述至少三个焊条(110，112，114，116，118)相对于焊接方向(30)顺序设置，其特征在于，
与前焊条(114)的一个或多个前面焊条(110，112)相比，所述后焊条(116)中的至少一个在几何上与其前焊条(114)侧向地和/或横向地隔开。
2.根据权利要求1所述的焊条组件，其特征在于，后焊条(116)以比前焊条(114)离其前面焊条(112)的距离大的距离(d1)与其前焊条(114)隔开。
3.根据权利要求2所述的焊条组件，其特征在于，距离(d0)以1.5的因子增加，优选以2和10之间的因子增加，更优选以2.5和5之间的因子增加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的焊条组件，其特征在于，通过调整焊条(110，112，114，116，118)之间的角度(α)隔开焊条(116)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的焊条组件，其特征在于，后焊条(116)通过偏离连接前焊条(114)和其前面焊条(112)的虚线而与其前焊条(114)隔开。
6.根据前述权利要求中任一项所述的焊条组件，其特征在于，基于焊接工艺期间不稳定性的评估选择隔开的焊条(116)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的焊条组件，其特征在于，设置有用于在焊接期间隔开焊条(116)的致动器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的焊条组件，其特征在于五个焊条(110，112，114，116，118)，其中第四个焊条(116)以比其它后续焊条(110，112，114，118)之间的等间距(d0)大的距离(d1)与第三焊条(114)隔开。
9.一种电弧焊接方法，其中焊条组件(100)包括作用在工件(10)上用于经由电弧形成熔池(12)的易熔的连续供给的至少两个焊条(110，112，114，116，118)，其中所述至少两个焊条(110，112，114，116，118)相对于焊接方向(30)顺序设置并彼此侧向地隔开，其特征在于，
为焊条组件(100)的每个焊条(110，112，114，116，118)监测至少一个稳定性参数(Stab_par)；
确定焊条组件(100)的一个焊条(116)是否破坏稳定性标准(Crit)；
当检测到一个焊条(116)的稳定性标准(Crit)的破坏时，至少临时将破坏稳定性标准(Crit)的所述一个焊条(116)与一个或多个邻近焊条(110，112，114，118)隔开。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过增加破坏稳定性标准(Crit)的所述一个焊条(116)和其前面焊条(114)之间的距离(d0)隔开所述一个焊条(116)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过沿侧向方向增加所述距离(d0)来隔开所述一个焊条(116)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述距离(d0)以1.5的因子增加，优选以2和10之间的因子增加，更优选以2.5和5之间的因子增加。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，通过沿相对于焊接方向(30)的横向方向设置一个或多个焊条(110，112，114，116，118)进行将所述一个焊条(116)隔开。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，通过调整焊条(110，112，114，116，118)之间的角度(α)隔开焊条(116)。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其特征在于，通过隔开保持焊条(110，112，114，116，118)的焊接头部夹钳(140，142，144，146，148)将所述一个焊条(116)隔开。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的方法，其特征在于，通过焊条(110，112，114，116，118)的电流和/或被监测为稳定性参数(Stab_par)。
17.根据权利要求9-16中任一项所述的方法，其特征在于，与焊条(110，112，114，116，118)相关的电弧电压被监测为稳定性参数(Stab_par)。
18.根据权利要求9-17中任一项所述的方法，其特征在于，当所述焊条(110，112，114，116，118)中的一个或多个的稳定性参数(Stab_par)相对于一个或多个邻近焊条(110，112，114，116，118)的稳定性参数(Stab_par)改变大于5％，优选改变大于10％时，检测到稳定性标准的破坏。
19.根据权利要求9-18中任一项所述的方法，其特征在于，当与其前面焊条(110，112，114，116，118)相比，所述焊条(110，112，114，116，118)中的一个或多个的稳定性参数(Stab_par)相对于后焊条(110，112，114，116，118)的稳定性参数(Stab_par)改变大于5％，优选改变大于10％时，检测到稳定性标准的破坏。
20.根据权利要求9-19中任一项所述的方法，其特征在于，在电流正流过所述焊条(110，112，114，116，118)期间进行所述一个焊条(116)的隔开。
21.一种用于进行电弧焊接方法的设备，其中焊条组件(100)包括作用在工件(10)上用于经由电弧形成熔池(12)的易熔的连续供给的至少两个焊条(110，112，114，116，118)，其中所述至少两个焊条(110，112，114，116，118)相对于焊接方向(30)顺序设置并彼此侧向地隔开，其特征在于，包括：
监测装置(70)，用于为焊条组件(100)的每个焊条(110，112，114，116，118)监测至少一个稳定性参数(Stab_par)；和
用于确定焊条组件(100)的一个焊条(116)是否破坏稳定性标准(Crit)的单元(72)；
其中，焊条组件(100)适于当检测到一个焊条(116)的稳定性标准(Crit)的破坏时，至少临时将破坏稳定性标准(Crit)的所述一个焊条(116)与一个或多个邻近焊条(110，112，114，118)隔开。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，焊条组件(100)包括用于侧向地和/或横向地调整各个焊条(110，112，114，116，118)在工件(10)的表面(16)上方的位置的可调整焊接头部夹钳(140，142，144，146，148)。
23.根据权利要求21或22所述的设备，其特征在于，焊条组件(100)包括具有可调整角度(α)的可枢转的焊接头部夹钳(140，142，144，146，148)。
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