CN103600177B - 一种单电源vppa-gtaw双态电弧穿孔焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法，属于焊接技术领域；它通过焊接控制系统改变焊接电流回路，形成由常规等离子电弧与穿透电弧组成并不断变换的双态电弧；常规等离子电弧完成对等离子弧侧母材的热输入，并起到阴极雾化作用；穿透电弧贯穿工件，能量集中及加热效率增加的同时能够有效减少焊接变形；通过调节变极性等离子弧焊接参数即可实现双态电弧对被焊工件两侧母材热输入的分别调节和精确控制；该焊接方法在保证不改变现有变极性等离子焊接设备的情况下，能够显著增加焊接熔深，有效降低母材的热输入，提高中厚板焊接质量，实现高效优质焊接。

Description

一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法

技术领域

本发明涉及是一种常规等离子电弧与穿透电弧相互耦合的焊接方法，属于焊接方法领域，尤其涉及一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法。

背景技术

在现代加工制造业和工业生产过程中，焊接技术已经成为一种重要的加工工艺，其在汽车、船舶、海洋、航空航天等工业部门都得以广泛应用。如今，在多种不同形式的金属连接中，电弧焊已经接被广泛应用于生产各种高质量的连接，这是因为在诸多应用中，电弧焊接已经被证明是较为经济的金属连接方式。随着社会各领域的蓬勃发展，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化和智能化越来越受到行业重视，故焊接技术也在不断推陈出新。

等离子弧、激光和电子束这三种高能量密度热源的焊接由于能够满足新的特殊工艺要求，所以在当今焊接领域中得到了迅速的发展和应用。“高能束焊接”技术的涌现就补充和发展了原来传统焊接技术的空缺。焊接过程中出现小孔是高能密度焊接工艺的突出特征，大大增加了一次焊接中的熔深。其中穿孔型等离子弧焊接（Keyholeplasmaarcwelding）因为其潜在的优势，在焊接结构钢、汽车、飞机、火箭、太空飞船和空间焊接等领域应用广泛，成为21世纪最具发展前景和最有效地加工技术之一。

变极性等离子弧焊（VPPAW）是一种针对铝及其合金开发的高效优质焊接工艺方法。由于焊接变形小，生产率高，气孔夹渣等缺陷少，在国外被称为“零缺陷”焊接方法。等离子弧是由等离子枪将阴、阳两极间的自由电弧经机械压缩、热压缩和电磁压缩成为高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的压缩电弧。变极性弧焊电源不仅能调节正负半波的时间比例，还能调节方波交流频率和正负半波电流幅值，规范参数调整范围更宽，能最大限度满足清除铝合金表面氧化膜的要求，同时又能将钨极烧损减少至最低。

同传统钨极氩弧焊相比，小孔型变极性等离子弧焊在工艺上具有许多突出的特点：（1）焊缝内部缺陷少，在小孔型等离子弧焊接过程中，等离子弧及离子气流穿过小孔起到一定的冲刷作用，本应残留在熔融金属中生成气孔的气体由此排除出小孔，夹渣也同样被冲刷掉；（2）焊后变形小，等离子弧穿透能力强、加热集中、熔化区域小、小孔型焊接对被焊工件正、反面加热均匀，减少了焊后被焊工件的挠曲变形；（3）焊缝机械性能有所提高，小孔型等离子弧焊焊缝与TIG焊焊缝相比，屈服强度相差不多，然而，在刮掉根部焊缝和焊缝余高的条件下，其屈服强度高于TIG焊焊缝，说明其在一定程度上焊缝机械性能优良；（4）效率高、成本低，变极性等离子弧焊综合了变极性TIG焊接和等离子弧焊的优点，电流频率、幅值及正负半波导通时间比例可根据工艺要求灵活独立调节，从而合理分配电弧能量，并能实现铝合金中厚板单面一次焊双面成形。

随着现代工业向着大型化方向发展，中厚板、超厚板焊接结构的应用愈加广泛，传统焊接方法已不能满足此类焊接的需求。对于舰艇、压力容器、锅炉、铁轨等大厚壁金属结构产品的制造和大型工程建造现场作业中，大量厚板接头的传统自动焊接方法普遍采用大坡口多层多道MAG/MIG焊或埋弧焊，随着焊接结构厚度的不断增加，这些方法已经表现出了较大的局限性及不适用性。最突出的表现就是由于厚板坡口面积的急剧加大导致了焊接工作量成倍增加，生产效率低，消耗焊材多，焊接成本高，并且热输入量大、热影响区宽、晶粒粗大，焊接接头力学性能低，容易产生裂纹等焊接缺陷。传统变极性等离子弧焊在中厚板铝合金焊接过程中，由于被焊工件厚度的原因，对电弧的穿透能力要求较高，小孔失稳趋势增加，在热输入与小孔的稳定成形之间寻求一个较好的平衡是极为困难的，且当被焊工件厚度达到一定数值时，等离子弧将无法穿透被焊工件。

单电源双面电弧焊接工艺(Double-sidedarcwelding，缩写为DSAW)是近些年才出现的一种焊接工艺，它由美国Kentucky大学的张裕明教授首先提出。在这种工艺中，焊接电流完全通过被焊接区域，电流不分散，因此其加热效率大大提高。这样不仅在同样焊接电流条件下电弧熔透能力大大提高，而且焊接热影响区变窄，焊接质量得到提高，可实现中等厚度板不开坡口直接对接焊。另外，该工艺可以组合多种不同的焊接方法，例如PA-GTA、GTA-GTA、GTA-GMA等组合方式。因此，如何增加等离子弧在板厚方向上的穿透能力并保证焊接小孔的稳定，成为解决中厚板铝合金穿孔焊接高效化、高质化及经济化问题的关键。

为解决上述问题，本发明提出一种单电源VPPA-GTAW（变极性等离子弧-钨极氩弧焊）双态电弧穿孔焊接方法，该方法在不改变现有焊接设备的情况下，形成兼备拘束等离子电弧与单电源穿孔电弧两者优势的双态电弧，显著提高等离子电弧穿透能力，实现被焊工件两侧的热输入自由控制，达到被焊工件氧化膜清理与增加熔深的完美结合，完成高效优质焊接。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有焊接方法的缺陷及不足，提供了一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法。该方法操作简单，能够适应多种焊接环境，在不改变现有焊接设备情况下，形成兼备拘束等离子电弧与单电源穿孔电弧两者优势的双态电弧，显著提高等离子电弧穿透能力，实现被焊工件两侧的热输入自由控制，达到被焊工件氧化膜清理与增加熔深完美结合，能够实现高效、高速焊接。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法，该单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置主要包括变极性等离子焊接电源及其控制系统、等离子焊枪、TIG焊枪、被焊工件、半导体换向开关；等离子焊枪和TIG焊枪分别置于被焊工件两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊工件，保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪参数以适应焊接要求；该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法；

整个焊接系统包括两路独立电流通路：焊接电源—TIG焊枪—等离子焊枪—焊接电源；焊接电源—等离子焊枪—被焊工件—焊接电源。

该焊接方法包括以下步骤。

S₁准备工作：首先将被焊工件准备就绪，在焊接较厚板时，被焊工件要开取一定的坡口，但要求并不严格；之后将等离子焊枪、TIG焊枪、被焊工件及送丝装置都连接到与焊接电源及控制系统组成的相应的回路当中，确保控制系统通过半导体换向开关，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的接通与断开的互锁控制。

S₂起弧：通过焊接控制系统，使得焊接电源—TIG焊枪—等离子焊枪—焊接电源，这一回路接通；而焊接电源—等离子焊枪—被焊工件—焊接电源这一回路断开；在焊接起始阶段首先待等离子弧正常建立，然后采用接触起弧方式将TIG电弧提拉引燃，由此，两焊接电弧均稳定建立。

S₃待穿透电弧形成，进行回路切换。

I为变极性等离子弧焊接电源的电流输出波形，I₁为变极性等离子弧焊正半波(电极接负即DCEN)的电流输出波形，I₂为变极性等离子弧焊负半波(电极接正即DCEP)的电流输出波形。

待等离子焊枪与TIG焊枪间的焊接电弧稳定建立并穿透被焊工件后，通过焊接控制系统，利用半导体换向开关切换焊接回路，使得DCEP段电流I₂流向经由焊接电源—等离子焊枪—被焊工件—焊接电源这一回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至被焊工件上；此时等离子电弧直接作用于被焊工件，形成等离子弧一侧焊接熔池，TIG电弧在DCEP阶段熄灭；另外，此时被焊工件接负，焊接电弧能够清理掉阻碍液态金属良好熔化、流动和熔合的氧化膜，起到清理作用。

当变极性等离子弧焊接电源输出电流由DCEP段转至DCEN段，通过焊接控制系统利用半导体换向开关切换焊接回路，从而使DCEN段电流I₁流经焊接电源—TIG焊枪—等离子焊枪—焊接电源回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至两焊枪间；此时穿透电弧集中作用于焊接区加热被焊工件，实现被焊工件深而窄的焊缝成形；双态电弧的交替换向频率与变极性焊接电源的频率一致，其按照变极性等离子弧焊周期不断交替转换，从而实现回路穿透电弧和正常等离子弧焊接热输入的精确控制。

S₄实时调整变极性等离子弧焊接电源的参数，使双态电弧满足中厚板焊接工艺要求：由以上描述可知，I_DCEN和t_DCEN分别为流经焊接电源—TIG焊枪—等离子焊枪—焊接电源回路的穿透电弧的电流幅值和作用时间，I_DCEP和t_DCEP分别为流经焊接电源—等离子焊枪—被焊工件—焊接电源回路的常规等离子电弧的电流幅值和作用时间；所以，通过调节以上四个参数就可以实现焊接过程中对穿透电弧和常规等离子电弧焊接热输入的分别调节和精确控制，进而完成阴极清理与增加熔深的完美结合，最终实现VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接在中厚板焊接过程中的良好贯穿与稳定成形。

上述两回路由变极性等离子弧焊控制系统调控并不断交替转换，从而形成穿透电弧和正常等离子电弧不断变换的双态电弧，从而完成整个焊接过程。

与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果。

1、与传统等离子焊接方法相比，本发明最显著的特征就是能够明显增加等离子电弧在板厚方向上的穿透能力，从而实现中厚板一次焊接双面成形。

2、本方法在保证不改变现有变极性等离子焊接电源的基础上，能够通过调整变极性等离子弧焊焊接参数完成焊枪间的穿透电弧和等离子弧焊枪与被焊工件间的正常等离子电弧对被焊工件热输入的分别调节和精确控制，有效实现被焊工件两侧的传热的自由控制。

3、该方法可以利用现有的变极性等离子焊接设备进行高效率、高质量以及经济的中厚板焊接。

附图说明

图1为双态电弧穿孔焊接的工作原理示意图。

图2为电流波形时序图。

图3为电流DCEP段焊接工作示意图。

图4为电流DCEN段焊接工作示意图。

图中：1、焊接电源及其控制系统，2、等离子焊枪，3、TIG焊枪，4、被焊工件，5、半导体换向开关，6、焊接电弧。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为双态电弧穿孔焊接的工作原理示意图，该单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置包括焊接电源及其控制系统1、等离子焊枪2、TIG焊枪3、被焊工件4和半导体换向开关5；等离子焊枪2和TIG焊枪3分别置于被焊工件4两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊工件4，保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪参数以适应焊接要求；该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法；

整个焊接系统包括两路独立电流通路：焊接电源—TIG焊枪3—等离子焊枪2—焊接电源；焊接电源—等离子焊枪2—被焊工件4—焊接电源。

该焊接方法包括以下步骤。

S₁准备工作：首先将被焊工件4准备就绪，在焊接较厚板时，被焊工件要开取一定的坡口，但要求并不严格；之后将等离子焊枪2、TIG焊枪3、被焊工件4及送丝装置都连接到与焊接电源及控制系统1组成的相应的回路当中，确保控制系统通过半导体换向开关5，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的接通与断开的互锁控制。

S₂起弧：通过焊接控制系统，使得焊接电源—TIG焊枪3—等离子焊枪2—焊接电源，这一回路接通；而焊接电源—等离子焊枪2—被焊工件4—焊接电源这一回路断开；在焊接起始阶段首先待等离子弧正常建立，然后采用接触起弧方式将TIG电弧提拉引燃，由此，两焊接电弧均稳定建立。

S₃待穿透电弧形成，进行回路切换。

如图2所示为电流波形时序图，图中I为变极性等离子弧焊接电源的电流输出波形，I1为变极性等离子弧焊正半波(电极接负即DCEN)的电流输出波形，I₂为变极性等离子弧焊负半波(电极接正即DCEP)的电流输出波形。

如图3所示为电流DCEP段焊接工作示意图，待等离子焊枪2与TIG焊枪3间的焊接电弧6稳定建立并穿透被焊工件4后，通过焊接控制系统，利用半导体换向开关5切换焊接回路，使得DCEP段电流I₂流向经由焊接电源—等离子焊枪2—被焊工件4—焊接电源这一回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至被焊工件4上；此时等离子电弧直接作用于被焊工件4，形成等离子弧一侧焊接熔池，TIG电弧在DCEP阶段熄灭；另外，此时被焊工件4接负，焊接电弧6能够清理掉阻碍液态金属良好熔化、流动和熔合的氧化膜，起到清理作用。

如图4所示为电流DCEN段焊接工作示意图，当变极性等离子弧焊接电源输出电流由DCEP段转至DCEN段，通过焊接控制系统利用半导体换向开关5切换焊接回路，从而使DCEN段电流I₁流经焊接电源—TIG焊枪3—等离子焊枪2—焊接电源回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至两焊枪间；此时穿透电弧集中作用于焊接区加热被焊工件4，实现被焊工件4深而窄的焊缝成形；双态电弧的交替换向频率与变极性焊接电源的频率一致，其按照变极性等离子弧焊周期不断交替转换，从而实现回路穿透电弧和正常等离子弧焊接热输入的精确控制。

S₄实时调整变极性等离子弧焊接电源的参数，使双态电弧满足中厚板焊接工艺要求：由以上描述可知，I_DCEN和t_DCEN分别为流经焊接电源—TIG焊枪3—等离子焊枪2—焊接电源回路的穿透电弧的电流幅值和作用时间，I_DCEP和t_DCEP分别为流经焊接电源—等离子焊枪2—被焊工件4—焊接电源回路的常规等离子电弧的电流幅值和作用时间；所以，通过调节以上四个参数就可以实现焊接过程中对穿透电弧和常规等离子电弧焊接热输入的分别调节和精确控制，进而完成阴极清理与增加熔深的完美结合，最终实现VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接在中厚板焊接过程中的良好贯穿与稳定成形。

上述两回路由变极性等离子弧焊控制系统调控并不断交替转换，从而形成穿透电弧和正常等离子电弧不断变换的双态电弧，从而完成整个焊接过程。

Claims (3)

1.一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置，其特征在于：该单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置包括焊接电源及其控制系统(1)、等离子焊枪(2)、TIG焊枪(3)、被焊工件(4)和半导体换向开关(5)；等离子焊枪(2)和TIG焊枪(3)分别置于被焊工件(4)两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊工件(4)，保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪参数以适应焊接要求；

该焊接装置有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法；

整个焊接系统包括两路独立电流回路，焊接电源—TIG焊枪(3)—等离子焊枪(2)—焊接电源；焊接电源—等离子焊枪(2)—被焊工件(4)—焊接电源。

2.利用权利要求1的单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置，一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法，其特征在于：该焊接方法包括以下步骤，S₁准备工作，首先将被焊工件(4)准备就绪，在焊接较厚板时，被焊工件要开取一定的坡口；之后将等离子焊枪(2)、TIG焊枪(3)、被焊工件(4)及送丝装置都连接到与焊接电源及控制系统(1)组成的相应的回路当中，确保控制系统通过半导体换向开关(5)，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的接通与断开的互锁控制；

S₂起弧，通过焊接控制系统，使得焊接电源—TIG焊枪(3)—等离子焊枪(2)—焊接电源，这一回路接通；而焊接电源—等离子焊枪(2)—被焊工件(4)—焊接电源这一回路断开；在焊接起始阶段首先待等离子弧正常建立，然后采用接触起弧方式将TIG电弧提拉引燃，由此，两焊接电弧均稳定建立；

S₃待穿透电弧形成，进行回路切换，I为变极性等离子弧焊接电源的电流输出波形，I₁为变极性等离子弧焊正半波的电流输出波形，I₂为变极性等离子弧焊负半波的电流输出波形；

待等离子焊枪(2)与TIG焊枪(3)间的焊接电弧(6)稳定建立并穿透被焊工件(4)后，通过焊接控制系统，利用半导体换向开关(5)切换焊接回路，使得DCEP段电流I₂流向经由焊接电源—等离子焊枪(2)—被焊工件(4)—焊接电源这一回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至被焊工件(4)上；此时等离子电弧直接作用于被焊工件(4)，形成等离子弧一侧焊接熔池，TIG电弧在DCEP阶段熄灭；另外，此时被焊工件(4)接负，焊接电弧(6)能够清理掉阻碍液态金属良好熔化、流动和熔合的氧化膜，起到清理作用；

当变极性等离子弧焊接电源输出电流由DCEP段转至DCEN段，通过焊接控制系统利用半导体换向开关(5)切换焊接回路，从而使DCEN段电流I₁流经焊接电源—TIG焊枪(3)—等离子焊枪(2)—焊接电源回路，另一回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至两焊枪间；此时穿透电弧集中作用于焊接区加热被焊工件(4)，实现被焊工件(4)深而窄的焊缝成形；双态电弧的交替换向频率与变极性焊接电源的频率一致，其按照变极性等离子弧焊周期不断交替转换，从而实现回路穿透电弧和正常等离子弧焊接热输入的精确控制；

S₄实时调整变极性等离子弧焊接电源的参数，使双态电弧满足中厚板焊接工艺要求，由以上描述可知，I_DCEN和t_DCEN分别为流经焊接电源—TIG焊枪(3)—等离子焊枪(2)—焊接电源回路的穿透电弧的电流幅值和作用时间，I_DCEP和t_DCEP分别为流经焊接电源—等离子焊枪(2)—被焊工件(4)—焊接电源回路的常规等离子电弧的电流幅值和作用时间。

3.根据权利要求2所述的一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法，其特征在于：通过调节I_DCEN、t_DCEN、I_DCEP和t_DCEP四个参数就能够实现焊接过程中对穿透电弧和常规等离子电弧焊接热输入的分别调节和控制。