CN102814577A - 一种立体式分布的双电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于：采用两个电弧热源，两个电弧分别由前焊枪和后焊枪的电极与工件产生，两个电极在焊接方向上前后串联，其中前焊枪电极Ⅰ产生前电弧，用于熔化工件金属形成焊接熔池；后焊枪电极Ⅱ同心安装于耐高温材料套管内，套管另一端连接焊枪并通入高速流动的保护气，保护气沿套管与后焊枪电极Ⅱ间隙从后焊枪电极Ⅱ尖端流出，保护气压力在液态熔池中形成孔洞，后焊枪电极Ⅱ引弧后，形成的后电弧通过孔洞潜入前电弧底部，两电弧形成立体耦合电弧，该立体耦合电弧沿焊接方向运动进行焊接。该方法通过形成具有高能量密度的耦合电弧，显著提高焊接熔深，满足中厚板材焊接需求。

Description

一种立体式分布的双电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种立体式分布的双电弧焊接方法。

背景技术

随着焊接板材厚度的增加以及焊接效率需求的不断提高，人们陆续开发出双电弧、甚至多电弧焊接技术，采用这种方式可以实现双丝、甚至多丝焊接以及提高焊接热输入，可显著提高焊接熔化效率，进而提高焊接生产效率。例如，美国的普莱克斯技术有限公司提出了一种新型焊丝间距可调的双丝熔化极气体保护焊焊炬及其焊接方法（CN200810190700.6）；内蒙古北方重工业集团有限公司的专利中提到一种机器人双丝焊接铝合金材料的方法（CN200910168787.1）；哈尔滨工业大学开发了一种TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法（CN201010520993.7）。

目前的双电弧焊接方法，均是采用处于同一平面的两个电弧在焊接方向上串联或并联的布置方式，两个电弧均燃烧于熔池表面，主要利用两个电弧热源焊接热输入的叠加来提高焊接熔化效率，焊接热源的能量密度没有实质性提高，因此现有双电弧热源焊接熔深增加能力仍有限。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种立体式分布的双电弧焊接方法，该方法是将传统双电弧热源的平面式分布转变为双电弧热源在熔池中呈现立体式分布，通过形成具有高能量密度的耦合电弧，显著提高焊接熔深，满足中厚板材焊接需求。本发明采用的技术手段如下：

一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于：采用两个电弧热源，两个电弧分别由前焊枪和后焊枪的电极与工件产生，两个电极在焊接方向上前后串联，其中前焊枪电极Ⅰ产生前电弧，用于熔化工件金属形成焊接熔池；后焊枪电极Ⅱ同心安装于耐高温材料套管内，在套管和后焊枪电极Ⅱ之间安装带孔的陶瓷同心环使套管与后焊枪电极Ⅱ保持同心、绝缘，且套管与后焊枪电极Ⅱ保持间隙0.5~7mm，套管另一端连接焊枪并通入高速流动的保护气，保护气沿套管与后焊枪电极Ⅱ间隙从后焊枪电极Ⅱ尖端流出，保护气压力在液态熔池中形成孔洞，后焊枪电极Ⅱ引弧后，形成的后电弧通过孔洞潜入前电弧形成的焊接熔池深度1-15mm，两电弧形成立体耦合电弧，该立体耦合电弧沿焊接方向运动进行焊接。

焊接过程结束前，通过控制系统提升后焊枪，提升过程中前电弧和后电弧均保持燃烧状态，当后焊枪电极Ⅱ和套管离开熔池表面后，后焊枪电极Ⅱ先熄弧，前焊枪电极Ⅰ后熄弧，焊接过程结束。

所述前焊枪和后焊枪均采用倾斜方式，前焊枪与焊接工件表面夹角α在20~90°之间，后焊枪在竖直方向倾角β在-70~70°之间，两焊枪在焊接方向上的夹角θ在20~150°之间，前焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角ε在-70~70°之间，后焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角δ在-70~70°之间，两焊枪在垂直于焊接方向平面内上夹角γ在0~120°之间；前焊枪电极Ⅰ和后焊枪电极Ⅱ直径选用范围在1.0~10mm之间。

所述前焊枪采用普通钨极氩弧、等离子弧以及熔化极电弧的电源装置，后焊枪采用钨极作为电极，套管内径Φ₁在1.5~10mm之间，套管外径Φ₂在1.6~15.5mm之间，钨极尖端伸出套管端面距离d_e在-10~10mm之间；套管材料为单质钨、钨合金、陶瓷或其它高温合金，套管一端连接焊枪上的水冷铜模块上；两电极在焊接方向上母材平面内的间距离d₁在1~50mm之间，在垂直于焊接方向上母材平面内的间距d₂在0~50mm之间。

所述保护气为Ar、He或Ar和He的混合气，保护气的流速为0.1~50L/min。

此方法中前电弧的作用是预熔固态金属，形成液态熔池。后电弧在前电弧形成的熔池底部的固液界面处燃烧，由于后电弧整体处于熔池内部，因此提高了其加热效率；同时套管内高速保护气的强烈压缩作用可以提高后电弧的能量密度，进而增加其热穿透能力以及挖掘能力；由于室温下保护气体直接吹入熔池底部液态金属，使得熔池金属凝固时形核核心增多，起到细化晶粒的作用。此种方法中，虽然每个电弧均采用热传导的传统加热方式，但是对于两电弧形成的立体分布复合热源来说，加热方式已经变为深熔焊模式，热源穿透能力可以大幅提高。立体式布置的双电弧对熔池的搅拌作用会导致熔池中存在复杂地、剧烈地液态金属流动，有利于凝固时的晶粒细化。同时，由于此方法中两电弧的参数可以独立设置，因此，可以根据需求设置两电弧的放电相位关系，以实现所需的两电弧间的电磁斥力或引力的搭配，即可以保持电弧稳定燃烧，保证了焊接过程的稳定性，又可以起到振荡熔池、细化晶粒的作用。因此采用焊接热源和焊接方法可以有效地提高焊接速度，同时降低焊接接头晶粒长大的倾向，提高焊接接头的力学性能。

此方法可以选用钨极氩弧、等离子弧以及熔化极电弧作为前电弧，采用钨极氩弧作为后电弧构建立体式复合焊接热源，可用于镁合金、铝合金、钢、钛合金等中厚板、厚板的无预留间隙对接焊，焊接效率提高，同时有效抑制焊接接头晶粒粗大现象。

附图说明

图1a为本发明所述焊接方法焊接时的布局示意图；

图1b为本发明所述焊接方法焊接时的布局的另一角度示意图；

图2为本发明所述焊接方法中后焊枪的结构示意图。

具体实施方式

如图1a、图1b和图2所示，一种立体式分布的双电弧焊接方法，该方法是采用两个电弧热源，两个电弧分别由前后两个焊枪的电极与工件产生，两个电极在焊接方向上前后串联并呈立体式布置。其中电极Ⅰ产生前电弧，用于熔化工件金属形成焊接熔池；电极Ⅱ同心安装于耐高温材料套管内，在套管和电极Ⅱ之间安装带孔的陶瓷同心环使套管与电极Ⅱ保持同心、绝缘且保持间隙0.5~7mm，套管另一端连接焊枪并通入高速流动的惰性气体，气体沿套管与电极间隙从电极尖端流出，气体压力在液态熔池中形成孔洞，电极Ⅱ引弧后通过孔洞潜入前电弧形成的焊接熔池深度1~15mm，两电弧形成立体耦合电弧。主要实施过程：焊接时，电极Ⅰ首先产生前电弧，并熔化工件金属，形成焊接熔池；电极Ⅱ在套管和其内部高速气体的作用下在电极Ⅰ所产生的熔池中形成孔洞，然后电极Ⅱ引弧并通过机械传动装置沿着该孔洞潜入到熔池底部并在固液界面处燃烧，形成立体式焊接耦合电弧，该立体式电弧在机械装置的带动下整体沿焊接方向运动；焊接过程结束前，通过控制系统提升后焊枪，提升过程中前、后电弧均保持燃烧状态，当电极Ⅱ和套管离开熔池表面后，电极Ⅱ先熄弧，电极Ⅰ后熄弧，焊接过程结束。

本发明的进一步特征为：两焊枪均采用倾斜方式（如专利附图1所示），前焊枪与焊接工件表面夹角α20~90°，后焊枪在竖直方向倾角β-70~70°，两焊枪在焊接方向上的夹角θ为20~150°，前焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角ε为-70~70°，后焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角δ为-70~70°，两焊枪在垂直于焊接方向平面内上夹角γ为0~120°。前、后电极直径选用范围1.0~10mm。前、后两电弧的放电参数独立调节。前电弧发生装置采用普通钨极氩弧、等离子弧以及熔化极电弧的电源装置。后焊枪采用钨极作为电极，套管材料为单质钨、钨合金、陶瓷或其它高温合金，套管内径Φ₁1.5~10mm，套管外径Φ₂1.6~15.5mm，钨极尖端伸出套管端面距离d_e-10~10mm。套管一端连接焊枪上的水冷铜模块。保护气Ar、He，或者二者混合气从间隙内流出，流速为0.1~50L/min。两电极在焊接方向上母材平面内的距离d₁为1~50mm，在垂直于焊接方向上母材平面内的距离d₂为0~50mm可调。

具体实施例如下：

实施例1：采用钨极氩弧作为前电弧，实施8mm厚AZ31B镁合金平板对接焊。

按图1所示方式装配焊枪，前钨极直径3.2mm，尖端距镁合金板表面高度1.5mm，α=30°，纯度为99.99%的Ar气流量为10L/min。后钨极垂直于镁合金板材β=0°，直径1.6mm，d=4mm。γ=0°，ε=0°。套管采用钨金属制作，Φ₁=3mm，Φ₂=5mm，d_e=0.5mm，其中Ar气流速1L/min。焊接速度550mm/min，同时前钨极起弧，焊接电流采用直流140A，待前电弧稳定后，开通后钨极保护气，同时后钨极起弧，焊接电流直流90A，后钨极下潜深度H₁=3.5mm。

采用此方法焊接8mm厚镁合金板不开坡口，直边对接无预留间隙，一次焊接实现焊透，液态金属回填充分，无明显宏观气孔，同时焊接接头晶粒大小在可接受范围内。与共面双钨极氩弧焊相比焊接效率可提高约100%。

实施例2：采用此焊接方法实施10mm厚6061铝合金板对接焊。

按图1所示方式装配焊枪，前钨极直径3.2mm，尖端距板材表面高度1.5mm，α=45°，纯度为99.99%的Ar气流量为10L/min。后钨极垂直于板材表面，直径2.0mm，两电极尖端水平距离d=4mm。两焊枪在垂直于焊接方向上夹角γ=0°，β=-10°，ε=0°。套管材料采用钨金属制作，外径Φ₂=5mm，内径Φ₁=4mm，后钨极伸出量d_e=0mm，其中Ar气流速2.5L/min。焊接速度350mm/min，前钨极起弧，焊接电流采用直流180A，待前电弧稳定后，开后钨极保护气，同时后钨极起弧，焊接电流直流110A，后钨极下潜深度H₁=5mm。

采用此方法对接焊10mm厚铝合金不开坡口，不填丝，直边对接无预留间隙，一次焊接实现焊透，焊接过程无飞溅，焊接接头内无宏观气孔和夹杂物，同时焊接接头晶粒长大并不明显。与单独钨极氩弧焊相比焊接速度可提高230%。

实施例3：采用熔化极电弧作为前电弧，实施18mm厚Q235钢板对接焊。

按图1所示方式装配焊枪，前电弧高度4mm，α=45°。后钨极垂直于板材表面，直径4mm。两焊枪在垂直于焊接方向上夹角γ=0°，β=-10°，ε=-10°。套管材料采用钨金属制作，Φ₂=8mm，Φ₁=6.0mm，后钨极伸出量d_e=-5mm，钨管内Ar气流速15L/min。焊前两电极尖端距离d=7.5mm。焊接速度200mm/min，前焊枪先起弧，焊接电流采用直流480A，待前电弧稳定后，开后钨极保护气，同时后钨极起弧，焊接电流直流290A，后钨极潜深度H₁=10mm。

采用此方法对接焊18mm厚Q235钢板，与常规MIG焊相比，不用开坡口，直边对接无预留间隙，一次焊接实现焊透。焊接过程平稳，无飞溅，焊接接头内无气孔和夹杂物，金属回填充分，同时焊接接头晶粒大小在可接受范围内。焊接效率与常规熔化极电弧焊相比，高2倍左右。

实施例4：采用等离子弧作为前电弧，实施22mm厚TC4钛合金板对接焊。

按图1所示方式装配焊枪，前焊枪高度1.5mm，α=65°。后焊枪倾角β=-20°，钨极直径5.0mm。两焊枪在垂直于焊接方向上夹角γ=0°，ε=0°。套管材料采用钨金属制作，外径Φ₂=8.5mm，内径Φ₁=6.5mm，后钨极伸出量d_e=-10mm，钨管内Ar气流速16L/min。焊前两电极尖端水平距离d=8.0mm。同时需要对焊缝焊过区域施加整体Ar气保护，避免冷却过程中发生氧化。焊接速度215mm/min，等离子弧焊枪先起弧，焊接电流采用直流500A，待前等离子弧稳定后，开后钨极保护气，同时后钨极起弧，焊接电流直流320A，后钨极下潜深度H₁=14mm。

采用此方法对接焊22mm厚TC4钛合金板，直边对接无预留间隙，一次焊接实现焊透，焊缝表面平整，金属回填充分，接头内无宏观气孔。与常规预开坡口的熔化极焊相比，焊接效率约提高240%。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于：采用两个电弧热源，两个电弧分别由前焊枪和后焊枪的电极与工件产生，两个电极在焊接方向上前后串联，其中前焊枪电极Ⅰ产生前电弧，用于熔化工件金属形成焊接熔池；后焊枪电极Ⅱ同心安装于耐高温材料套管内，在套管和后焊枪电极Ⅱ之间安装带孔的陶瓷同心环使套管与后焊枪电极Ⅱ保持同心、绝缘，且套管与后焊枪电极Ⅱ保持间隙0.5~7mm，套管另一端连接焊枪并通入高速流动的保护气，保护气沿套管与后焊枪电极Ⅱ间隙从后焊枪电极Ⅱ尖端流出，保护气压力在液态熔池中形成孔洞，后焊枪电极Ⅱ引弧后，形成的后电弧通过孔洞潜入前电弧形成的焊接熔池深度1~15mm，两电弧形成立体耦合电弧，该立体耦合电弧沿焊接方向运动进行焊接。

2.根据权利要求1所述的一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于焊接过程结束前，通过控制系统提升后焊枪，提升过程中前电弧和后电弧均保持燃烧状态，当后焊枪电极Ⅱ和套管离开熔池表面后，后焊枪电极Ⅱ先熄弧，前焊枪电极Ⅰ后熄弧，焊接过程结束。

3.根据权利要求1所述的一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于所述前焊枪和后焊枪均采用倾斜方式，前焊枪与焊接工件表面夹角α在20~90°之间，后焊枪在竖直方向倾角β在-70~70°之间，两焊枪在焊接方向上的夹角θ在20~150°之间，前焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角ε在-70~70°之间，后焊枪在垂直于焊接方向平面内竖直方向上的倾角δ在-70~70°之间，两焊枪在垂直于焊接方向平面内上夹角γ在0~120°之间；前焊枪电极Ⅰ和后焊枪电极Ⅱ直径选用范围在1.0~10mm之间。

4.根据权利要求1或3所述的一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于所述前焊枪采用普通钨极氩弧、等离子弧以及熔化极电弧的电源装置，后焊枪采用钨极作为电极，套管内径Φ₁在1.5~10mm之间，套管外径Φ₂在1.6~15.5mm之间，钨极尖端伸出套管端面距离d_e在-10~10mm之间；套管材料为单质钨、钨合金、陶瓷或其它高温合金，套管一端连接焊枪上的水冷铜模块上；两电极在焊接方向上母材平面内的距离d₁在1~50mm之间，在垂直于焊接方向上母材平面内的距离d₂在0~50mm之间。

5.根据权利要求1所述的一种立体式分布的双电弧焊接方法，其特征在于所述保护气为Ar、He或Ar和He的混合气，保护气的流速为0.1~50L/min。

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