CN102873432B - 一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置及其使用方法，属于埋弧焊接领域。它包括焊炬和焊接主电路，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路，所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的负极接金属导电电极，正极接母材金属；所述的金属导电电极为钨棒。本发明的技术方案在渣金间施加外电场后，不仅熔渣的导电性能得到较大的改善，也进一步改善了埋弧焊缝成形，使焊缝边缘平直度增加、宽窄更为均匀，焊缝形状更为光洁圆滑，能较好地克服咬边等外观缺陷，此时与现有的埋弧焊相比，更有利于焊接电弧的稳定燃烧，焊接工艺更稳定，焊缝成形也更为良好。

Description

一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于埋弧焊接领域，更具体地说，涉及一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置及其使用方法。

背景技术

金属结构中的焊缝是在电弧加热作用下熔化成液态熔池，随后经凝固而形成的，电弧加热作用对熔池的几何形状起着决定性的作用。焊接过程中不可避免地因电弧波动形成多种外观缺陷，如焊缝表面欠光滑，焊缝宽窄不均匀，焊缝边缘咬边等。外观缺陷，特别是咬边缺陷会造成严重的应力集中，使该处在承力状态下容易产生裂纹源最终导致结构的失效。同时焊缝表面成形又直接影响产品的外观形貌，制造厂商及用户对此都较为关注。为此，重要金属结构如化工压力容器、船舶制造等都需在焊后进行焊缝表面打磨修复，但这又耗费大量的时间及劳动成本，而且打磨修复工况条件也较为恶劣。目前大型化工压力容器的建造主要依靠高效大线能量埋弧自动焊进行焊接加工，由于压力容器制造一般都要求使用工艺性能相对不如酸性渣系的碱性烧结焊剂进行焊接，而对焊缝表面质量又有较高的要求，尤其对焊道咬边深度、焊缝余高、焊缝宽度的均匀性以及焊缝表面光洁度等都制订有量化的检验指标。为此通过进一步提高焊接过程电弧的稳定性，最大限度地控制焊缝形成过程的波动，可以有效地减少焊后返修工作量从而提高生产效率。

根据熔渣的离子特性，熔渣在熔融状态本身具有一定的导电性能，充分利用熔渣的这种性能目前在炼钢冶金领域已成为颇为新颖的研究热点。《渣金间外加直流电场无污染脱氧》（李建朝，张捷宇，鲁雄刚，等，过程工程学报，2006 增刊），公开了在钢液与Al₂O₃-CaO-MgO熔渣间施加稳定的直流电场，进行钢液的脱氧方法。该方法通过外电场诱导钢液和熔渣中离子的迁移，对钢液中溶解氧具有良好的脱除效果。《可控氧流冶金》（高运明、姜英、张华，等，武汉科技大学学报（自然科学版），2007，第五期）公开了利用电化学原理控制钢液中氧流的方法。此外《渣金间外电场无污染脱氧法的研究》（鲁雄刚，梁小伟，袁威，等，金属学报2005年第二期）也公开了利用渣金间施加直流电场诱导熔体内带电离子有序运动的方法。由于焊接冶金过程与炼钢冶金过程在本质上具有相似之处，在焊接过程中渣金间实施外电场的作用也必然会引发熔渣及液态金属内部电导载流体的某些有序运动。但熔渣的导电性能相比金属而言又差得多，为此若能设法改善焊接过程中熔渣的导电性能，也就能对这种外电场作用下熔体内部的有序运动加以有效地利用，这将有可能从一个全新的角度开辟焊接冶金质量控制的新途径。笔者在对焊接过程渣金间施加外电场控制氧化夹杂物研究的基础上，通过试验研究发现，在一定条件下外电场对焊接工艺还存在一些有益作用，这对解决焊接过程的稳定性具有良好的应用价值。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的压力容器等重要钢结构制造中焊缝咬边及成形缺陷带来的焊后返修工作等问题，本发明提供了一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置及其使用方法，它可以对渣金电导载流进行导流，进而实现稳弧效应。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置，它包括焊炬和焊接主电路，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路，所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的负极接金属导电电极，正极接母材金属；所述的金属导电电极为钨棒。

优选地，所述的钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊接机头上且与导电嘴绝缘，此处必须注意钨棒与导电嘴保持绝缘，否则焊接主电路电流将流经钨棒，则起不到辅助电场的作用。所述钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm，焊接过程中钨棒作为电极与焊接机头作同步运动，该绝缘树脂夹头上设置有夹紧、松开旋钮，用于将钨棒夹紧，钨棒位置固定后即将旋钮夹紧，如需调节所述钨棒的上下高度则可松开旋钮，对钨棒进行上下调整；所述的钨棒与导线连接处用铜制夹片将导线芯线与所述钨棒缠绕后夹紧。

优选地，所述的直流电源为30V/50A的直流稳压电源。由于交流电不能构成稳定的电场，因此必须采用直流电源，同时熔渣的导电率是有限的，渣金间流经的电流一般不能超过15A，因此选择过大的电源电压是没有意义的。

优选地，所述的钨棒直径为3.2mm。

一种所述的利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置的使用方法，使用时，所述的辅助电路中作为金属导电电极的钨棒的下端伸入液态焊渣内部。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）基于钨电极可发射大量电子，本发明的辅助电路以钨电极作阴极向液态熔渣内部输入大量自由电子，可极大地改善熔渣导电性能，并引导电子直接进入熔池以增强电弧阴极的电子发射能力，使焊接电弧更集中于熔池的中心部位；同时，辅助电场既可以使渣金内部的离子电导形成有序运动并在界面结合成低表面能的活性氧化物，又可改善液态熔渣在焊缝金属表面的润湿铺展性能；

（2）本发明的技术方案在渣金间施加外电场后，不仅熔渣的导电性能得到较大的改善，也进一步改善了埋弧焊缝成形，使焊缝边缘平直度增加、宽窄更为均匀，焊缝形状更为光洁圆滑，能较好地克服咬边等外观缺陷，此时与现有的埋弧焊相比，更有利于焊接电弧的稳定燃烧，焊接工艺更稳定，焊缝成形也更为良好。

附图说明

图1为施加外电场的焊接原理示意图；

图2为实施例1中的焊接电信号分析仪的电路结构示意图；

图3为施加外电场和未施加外电场作用的焊缝成形及焊接形成的渣壳对比试验照片；

图4为焊接电弧电压概率密度分布，其中，图4（a）中外电源输出电压为30V，图4（b）中外电源输出电压为25V；

图5为焊接电信号分析仪的系统软件总体结构框图。

图中标号说明：1、液态焊渣；2、焊剂；3、电弧；4、熔池金属；5、母材金属；6、凝固焊渣；7、焊缝金属。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1，本发明的一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置，它包括焊炬和焊接主电路，还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路，所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的的负极接钨棒，正极接母材金属5。钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊接机头上且与导电嘴绝缘，所述钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm，该绝缘树脂夹头上设置有夹紧、松开旋钮，用于将钨棒夹紧；所述的钨棒与导线连接处用铜制夹片将导线芯线与所述钨棒缠绕后夹紧。

实施例1

本实施例1的焊接设备选用MZ-1000型埋弧焊机，电源极性采用直流反接法，以行走小车进行自动焊接。焊接材料为SJ101烧结焊剂配合直径4mm的H10Mn2焊丝。焊接时在厚度为14mm的Q235钢板上进行表面堆焊，焊接规范：焊接电流600-610A，电弧电压30-34V，焊接速度33cm/min。

本实施例的装置的原理示意图见图1，以30V/50A的直流稳压电源提供辅助外电场。稳压电源的一输出极接直径为3.2mm的钨棒，而另一输出极与母材金属5接通。如图1中，变换K1可改变辅助电源的输出极性。将钨棒用绝缘树脂夹具固定在送丝机头上，钨棒与焊丝导电嘴相互绝缘。钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm。试验前通过试焊观察稳压电源的电流信号调整钨棒上下高度，使其正好插入电弧3外围的液态焊渣1内部，但又未进入熔池造成短路。焊接时接通辅助电路的直流电源，钨棒随同机头作同步运动，这样即在熔渣与熔池之间施加了一辅助外电场。

在其它工艺完全相同的条件下进行施加外电场和不施加外电场焊接试验。为探讨外电场作用对焊接电弧3的影响，应用自行研制的焊接电信号分析仪对焊接过程电弧3电压进行数据采集及分析。

该焊接电信号分析仪的系统硬件结构如图2所示，具备焊接电信号采集、实时显示与回放、焊接电信号统计图形和统计参数的自动获取等功能。该分析仪由焊接电流与电压传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成。其中焊接电流与电压传感器采用闭环（补偿）式霍尔传感器，该传感器输入输出高度隔离，可实现测量回路与焊接主回路高度绝缘，非常适合焊接测试过程中的强烈电磁干扰环境。数据采集卡选用的是美国NI公司的USB-6210。USB-6210为USB总线供电多功能数据采集卡，即插即用，使用非常方便。该卡的主要性能指标为：16路16位模拟输入，单通道最高采样频率为250 kHz，满足焊接电信号的数据采集频率与精度要求。采集的焊接电流与电压信号经计算机处理后由显示器实时显示电流与电压波形，同时将采集的原始数据存盘，用于焊后波形回放和数据分析。

系统软件设计如下：

焊接电信号分析仪采用LabVIEW 8.2作为开发平台，分析仪的系统软件总体结构如图5所示。软件采用模块化设计，分为数据采集、波形回放、数据分析和数据库四个模块，往下再细分若干模块。由于LabVIEW程序具有完全模块化特点，可以随时添加/删除功能模块，不影响其它模块的功能，这对于系统维护和更新是非常有利的。

数据采集模块主要完成焊接电流与电压信号采集与波形实时显示，同时实现原始数据保存。数据以LabVIEW最新的TDMS文件格式进行保存，具有保存、读取速度快，便于把测试相关信息随同数据文件进行保存的优点。

数据回放模块设计对于本系统是相当重要的。分析焊接电信号时，往往不可以对整个数据文件进行分析，因为焊接过程充满很多不确定性因素，如焊接操作者操作不稳时的信号特点和稳定燃弧过程中的信号特点就很不一样，而后面的数据分析如果要求分析稳定燃弧过程的信号特征，就需从整个数据文件中提取稳定燃弧过程的数据段重新进行保存。为此，数据回放模块既要提供丰富的数据回放操作功能，以方便使用者从很长的波形中选择自己需要重点分析的波形段，又要保证使用者能对感兴趣的数据段重新保存。本系统在回放功能设计时，充分考虑到这两点，对于第一方面的要求，模块提供手动和自动回放两种模式，每次回放的数据量能自由选择，这样便于操作者在信号特征的清晰度和回放速度找到一个平衡点。对于自动回放功能，系统还能无极调节回放速度。对于第二方面的要求，系统利用游标捕捉需重新保存数据段的开始点和结束点，然后程序保存开始点和结束点之间的数据，从而实现感兴趣数据段的选择与保存。由于保存的数据为未经滤波的原始数据，在回放模块中还提供了是否滤波的功能选项。

数据分析模块主要包括的功能有：绘制焊接电流与电压概率密度分布图，短路时间、燃弧时间等主要参数的频数图，U-I（焊接电压－焊接电流）图；提取平均短路时间、短路时间标准差等二十几个反映熔滴过渡信息的统计参数。在该模块中，除了概率密度图和U-I图的绘制比较简单外，其它功能的实现涉及到比较复杂的算法，用LabVIEW图形化编程实现起来很复杂，实践表明，当LabVIEW图形化编程遇到限制时，可以采用以LabVIEW为主，LabVIEW和C语言混合编程的方法来解决。本系统通过LabVIEW中的CLF（Call Library Function Node）节点调用动态链接库（DLL文件）来进行LabVIEW和C语言混合编程，进而顺利实现焊接电流与电压数据的分析功能。其方法是，首先用C语言实现分析算法，然后把这些功能构建在DLL文件中，再在LabVIEW程序中使用CLF节点来调用编写保存好的DLL文件实现数据分析功能。数据库模块主要是实现记录查询和报表打印。

由于埋弧焊过程熔滴过渡具有周期性特征，焊接电弧3电压信号呈现锯齿状的波形，直接根据该波形很难区分比较施加外电场前后两者的不同之处。为此，利用上述的焊接电信号分析仪，本次试验对采集的电弧3电压信号作概率密度分布统计分析，以比较施加外电场和不施加外电场信号的变化情况。将焊接电信号分析仪接到焊接电弧3的阴极和阳极，即可进行电弧3的数据采集。

下面对本实施例1中施加的外电场的稳弧效应做如下分析：

（1）下面进行外加电场施加效果试验。

试验显示，辅助电场的直流电源的输出极性在一定程度上影响到外电场的施加效果。当外加辅助电源的正极与钨电极相接时，渣金间作用的电压不稳定，相应的电流波动较大。但当改变辅助电源的极性，使其负极与钨电极连通，此时设置辅助电场的直流电源输出电压为20-30V时，渣金间即可形成十分稳定的5-8A的辅助电流，与此同时，渣金间的电压也下降并稳定在10-12V间。当外加辅助电场的直流电源的初始输出电压设置为零时，测试出渣金间的电流仍为零，表明未施加外电场时渣金间并未形成稳定的离子流向。

 在通常情况下，熔渣的导电性能主要取决于熔融的氧化物在高温条件下电离出的离子电导，而液态金属的导电性能则取决于内部的电子电导。相比之下，熔渣的导电性能远不如熔池金属4。当渣金间施加一外电场且钨电极作阴极时，金属钨在高温下发射出大量的电子，这些电子在电场作用下进入液态焊渣1内部极大地增强了熔渣的导电能力，促使渣金间形成十分稳定的电流。而当外电源极性改变为钨电极作阳极时，由于钨电极此时充当接受外来电子的作用，且发射的电子在电场作用下逆着电场方向而与流向熔池金属4的方向相反，熔渣的导电性能并未得到很好地改善，因而渣金间不易形成稳定的电流。

此外，钨电极的插入位置也对辅助电流的形成构成较大的影响。由于焊剂2仅在熔融状态才具有导电性能，当辅助电源的电流显示为零，而电压显示为初始设置电压时，表明此时钨电极尚为插入熔渣内部。当辅助电源电流显示为22-25A，电压显示接近于零时，则表明电极已插入熔池金属4造成了短路。因此，根据渣金间流经的电流及相应的电压信号，可以对钨电极的插入位置进行有效控制。

（2）下面分析外电场对焊缝成形的影响。

图3示出了在外电源初始输出电压设置为30V、钨电极接负极条件下，渣金间流经7-8A的稳定电流时，施加外电场和未施加外电场作用的焊缝成形及焊接形成的渣壳对比试验照片。试验结果显示，施加外电场作用后，焊缝边缘明显变得更为平直，焊址部位焊缝与母材的齿合镶嵌现象得到较好的改善，焊道宽窄均匀性显著提高；同时焊缝表面光洁度也得到改观，焊缝横截面呈现更为明显的圆弧形状，有效地消除了未施加外电场时焊缝中心部位因枝晶交遇导致的压迹缺陷。上述焊缝成形十分有利于咬边缺陷的防止，是一种高稳定性焊接工艺的焊缝成形。

焊缝成形的改善主要得益于施加外电场对焊接主电路有导流稳弧效应。由于施加外电场使钨电极向液态焊渣1补充了大量的电子电导，并且在外电场作用下这些电子电导直接流向熔池金属4。对于直流反极性的埋弧焊接而言，作为阴极的熔池金属4相当于输入了额外的自由电子流。然而熔池金属4又处于焊接主回路中，在电弧3电压的作用下阴极向电弧3发射电子的能力得到进一步加强。由于增加的阴极电子发射主要集中在接受了电子电导的熔池内部，而焊接电弧3又具有自动寻找阴极发射电子部位的特性。这样焊接电弧3将更加集中在熔池部位。同时熔池发射的自由电子又促使熔池上方电子碰撞中性粒子发生电离以增强电弧3的稳定性，由此作用于熔池上方的电弧3将更加趋于稳定，这显然有利于熔池几何尺寸维持动态恒定。因而形成的焊缝边缘平直度显著增加，大大消除了焊道与母材的齿合镶嵌现象，十分有利于防止咬边缺陷。与此同时，渣金间外电场作用又有利于熔渣中阴离子及熔池中阳离子向渣金界面迁移。由于钨电极向熔渣内部提供了源源不断地自由电子流，大量自由电子的补入使得熔池中Si4⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Ti⁴⁺氧化物形成元素只得加速向熔渣方向迁移，才能维持熔体的电荷平衡。这些正离子迁移至熔渣-熔池界面即被还原或进入熔渣内部继续迁移至电极被还原。这种定向迁移一直持续到熔池尾部直至形成凝固焊渣6，因而熔池凝固前形成的夹杂物得到有效地分散。这显然有利于焊缝金属7形成细小而分散的夹杂物。在这过程中，与氧亲和力强的Ti、Al、Si等元素易于在界面优先形成TiO₂、Al₂O₃、SiO₂等低表面能活性物质，这些低表面能活性物质在焊缝凝固过程中又能较好地改善液态熔渣在焊缝表面的润湿铺展性能，因此在一定程度上有利于焊缝表面光洁度的提高。

（3）下面对弧压信号进行统计分析 

图4为用焊接电信号分析仪对施加外电场和不施加外电场两种条件下焊接电弧3电压实时采集，进而统计出的各种电压值的概率密度分布曲线。结合图4（a）、图4（b）所示，从弧压信号统计出的电弧3电压概率分布密度来看，施加外电场后概率密度分布曲线有向左漂移的趋势，特别是作为概率取值最大的峰值存在一定的向低压方向移动的现象。表明总体上电弧3空间的电导载流子增多，维持电弧3稳定燃烧所需的电压自发适当降低。同时施加外电场作用后，高电弧电压区域的概率也更低，这也说明施加外电场作用后电弧3电压更易于在低值状态下维持电弧3的稳定燃烧。一般来讲，电弧3电压呈现低值伴随着电弧3空间拥有较多的导电载流子，只需较低的电压就足以维持电弧3的稳定燃烧。反之当电弧3空间的导电载流子不足时，则必需提高电弧3电压以增强电离及电子发射作用，才能维持电弧3的稳定燃烧。从弧压信号的统计分析结果也可进一步证实外电场的导流作用使熔池发射电子的能力有所增强从而产生一定的稳弧效应。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方案及实施例，均应属于本发明创造的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用埋弧焊渣金间随焊施加辅助外电场实现稳弧效应的装置，它包括焊炬和焊接主电路，其特征在于，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路，所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的负极接金属导电电极，正极接母材金属(5)；所述的金属导电电极为钨棒；

其中，所述的钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊接机头上且与导电嘴绝缘，所述钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm，该绝缘树脂夹头上设置有夹紧、松开旋钮，用于将钨棒夹紧；所述的钨棒与导线连接处用铜制夹片将导线芯线与所述钨棒缠绕后夹紧；

其中，所述的直流电源为30V/50A的直流稳压电源。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的钨棒直径为3.2mm。

3.一种权利要求1所述的装置的使用方法，其特征在于，使用时，所述的辅助电路中作为金属导电电极的钨棒的下端伸入液态焊渣(1)内部。