CN103817449A

CN103817449A - 一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法及焊接装置

Info

Publication number: CN103817449A
Application number: CN201410002181.1A
Authority: CN
Inventors: 王长春; 陈卓勤
Original assignee: CHENGDU TIANQI WANFENG ELECTROMECHANICAL EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: CHENGDU TIANQI WANFENG ELECTROMECHANICAL EQUIPMENT Co Ltd
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明提供一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法和装置，即沿焊接方向，在前端采用等离子弧对被焊工件进行预热或焊缝熔透，在后端采用熔化极电弧将焊丝熔化并填充焊缝。可以大幅度提高熔化极电弧焊丝熔敷效率，从而提高焊接效率，无论是焊接薄板还是焊接厚板，焊接速度比常规的熔化极电弧焊接都可以提高一倍以上。

Description

一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法及焊接装置

技术领域

本发明涉及一种焊接方法及利用该方法进行焊接的焊接装置。

背景技术

熔化极电弧焊接包括熔化极气体保护焊，通常称为气体保护熔化极电弧焊，简称“GMA ”焊接。普通 GMA 焊接采用金属焊丝作为电极，既熔化极。多数情况焊丝是以一定的方式送进，在焊丝与母材之间形成电弧进行焊接。有时由于保护气成分的不同又可分为惰性气体保护焊、C02 气体保护焊、混合气体保护焊。

焊接广泛用于铝合金、结构钢、低合金钢等的焊接生产，有单丝和双丝等形式。焊接时提高电流，能有效提高焊接生产效率。而采用低成本的保护气时，如C02，能有效的降低焊接成本。但是GMA 焊接时的熔滴过渡不稳定，飞溅量较大，焊接时操作环境有很大的烟尘。焊接的稳定过渡的滴状过渡、喷射过渡、亚射流过渡和短路过渡等工艺区间较窄。

等离子弧焊PAW是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩。根据各种工件的材料性质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。

等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。

等离子弧焊因为其电弧能量密度高、穿透能力强因而得到广泛应用，是一种高质量的焊接方法，在焊接3～12毫米厚的板材时具有熔深大、焊缝的深/宽比大、热影响区窄、工件变形小等优势，可焊材料种类多。但是相比GMA焊接，其焊接效率较低。

为了既提高焊接质量、减少焊接飞溅，同时又具有高的焊接效率，已经有了一些新的复合焊接技术得到了应用。例如，使用激光与GMA复合的焊接方法（专利公开号：CN 1806995 A,一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法，发明人：林尚扬等），使用超声波与CMT复合的焊接方法等（专利公开号：CN 101185986 A,一种超声波与熔化极电弧复合的焊接方法，发明人：杨清洁等）等。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。功率密度大于105-107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

激光焊接的优点是可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低；可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料；若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1；激光焊接的缺点也很明显，主要就是焊件位置需非常精确，焊件加工精确度高，能量转换效率低，通常低于10%；最影响其应用的是设备昂贵、维护和运行费用高。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺也得到应用,主要有激光与电弧复合等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）等。但是这些激光复合焊接方法仍然不能完全消除激光焊接自身的缺点，如系统昂贵、维护费用高、对工件加工质量要求高等。

超声波与电弧复合的焊接方法可以改善电弧焊接的质量、扩大电弧焊接的应用，但是这种方法不能从根本上提高焊接熔深，对焊接效率的提高也很有限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种焊接方法，即将高能量密度的等离子弧与熔化极电弧复合的焊接方法，这种焊接方法可以取得与激光电弧复合一样的焊接能力和质量效果，与常规GMA相比，这种焊接方法具有焊接熔深大、焊缝质量高、焊接热输入低、焊接飞溅小、焊接效率高等特点，焊接效率可以提高一倍以上。高能量密度的等离子弧的能量转换效率高于激光，可以达到30%左右。

为了实现该目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子弧和熔化极电弧复合方法，其特征在于，沿焊接方向，在前端采用等离子弧对被焊工件进行预热或焊缝熔透，在后端采用熔化极电弧将焊丝熔化并填充焊缝。

本发明的另一个目的，提供了基于上述焊接方法的一种等离子与熔化极电弧复合焊接装置，这种焊接装置可以比激光焊接、激光与电弧复合焊接装置大幅度降低投资，降低使用成本，从而获得更为广泛的应用。

为了实现该目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接装置，包括等离子电源和熔化极电源、复合焊枪、送丝机构、机器人和控制器，复合焊枪安装在机器人上，复合焊枪上设置有等离子喷嘴和熔化极喷嘴，等离子喷嘴和熔化极喷嘴分别与对应的等离子电源和熔化极电源线缆相连，熔化极喷嘴与送丝机构相连，焊丝从熔化极喷嘴里伸出，等离子喷嘴和熔化极喷嘴并排布置在焊枪的保护罩里。

等离子喷嘴和熔化极喷嘴沿焊接方向按照前后顺序并且单列排布于所述复合焊枪的保护罩内。

等离子喷嘴与熔化极喷嘴之间具有一个小于90°的夹角。

复合焊枪配水冷，复合焊枪的水冷管与水冷系统相连。

本发明具有如下的技术效果：

1、使用单独控制的等离子弧和熔化极电弧作为焊接热源，其中前端的等离子弧主要用于预热焊缝或熔透焊缝，其后端熔化极电弧主要用于熔化焊丝并填充焊缝，可以大幅度提高熔化极电弧焊丝熔敷效率，从而提高焊接效率，无论是焊接薄板还是焊接厚板，焊接速度比常规的熔化极电弧焊接都可以提高一倍以上。

、与常规熔化极焊接相比，前端等离子弧可以对焊缝进行局部预热或形成“小孔”焊接效应，因而增加了焊接熔深，提高了焊接能力和焊接质量。尤其是针对角焊缝和厚板焊接，本发明的焊接能力显著提高，焊接质量更好，热输入降低50%以上，热影响区更窄。

、使用一把焊枪，其操作更为简便，可以实现全位置焊接。

、相比激光和激光复合焊接方法，本发明的实施装置的投资大幅度降低，操作简便易行，维护和运行费用也大幅度降低，焊接质量接近于激光和激光复合焊接，满足了在提高焊接质量和焊接效率的前提下降低投资的目标。

附图说明

图1为本发明所述的复合焊接方法的焊接原理图；

图2为本发明的实施1所述焊接装置的整体示意图；

图3为本发明实施例1的焊枪示意图。

具体实施方式

以下将结合所附的附图对本发明的一个优选实施例进行描述。

实施例1

图1是本发明所描述的等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法的原理示意图，其中，1-工件、2-等离子流、3-等离子喷嘴、4-熔融金属、5-等离子弧中心、6-焊丝中心、7-电极之间的夹角、8-钨极、9-焊丝、10-熔化极电弧焊弧、11-等离子、12-焊丝电流（Iw）方向、13-等离子电流（Ip）方向、14-施加在等离子焊弧上的电磁力（F）、15-施加在熔化极电弧上的电磁力（F）。

在焊接过程中，在等离子弧和熔化极电弧的作用下，焊丝加热并熔化，形成金属熔滴进入熔池。在所述等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法中，等离子弧为负极，熔化极电弧为正极，电流通过两个电极相互作用产生电磁力 F，电磁力 F 牵引等离子弧向焊接熔池前方移动，而且等离子弧在高速焊接过程中尾随焊枪轴线，这就增加了等离子弧的刚度和稳定性，进而大幅提升了焊接熔深和焊接速度，飞溅也得到控制。

图2-3展示的是等离子弧和熔化极电弧复合焊接装置的一个实施例，包括等离子电源21和熔化极电源22，复合焊枪23，送丝机构24，机器人25和控制器26，复合焊枪23安装在机器人25上，焊枪23上包括有两个喷嘴：等离子喷嘴31、熔化极喷嘴32，这两个喷嘴分别于对应的等离子电源21和熔化极电源22通过线缆相连，等离子喷嘴31、熔化极喷嘴32沿焊接方向并排布置在焊枪的保护罩33里，熔化极喷嘴32与送丝机构相连，焊丝34从熔化极喷嘴32里伸出，在保护罩33里，使用一种保护气体，等离子喷嘴31与熔化极喷嘴32之间具有夹角，该夹角的角度要小于90°。

控制装置26分别与等离子电源21和熔化极电源22，复合焊枪23，送丝机构24和机器人25相连，由控制装置控制上述构件的运转。

复合焊枪3配水冷，复合焊枪3的水冷管与电源水冷系统相连。

对于所属技术领域的技术人员而言，随着技术的发展，本发明构思可以不同方式实现。本发明的实施方式并不仅限于以上描述的实施例，而且可在权利要求的范围内进行变化。

Claims

1.一种汽车钎焊方法，其特征在于，使用单独控制的两个等离子弧作为焊接电源，前端的等离子弧主要用于对被焊工件焊缝位置进行局部预热，后端等离子弧主要用于熔化焊丝。

2.一种汽车钎焊装置，包括焊接热源、焊枪、送丝机构、机器人和控制器，焊枪设置在机器人上，控制器分别与焊接热源、焊枪、送丝机构和机器人相连并控制它们的运转，其特征在于：

焊接热源包括前端等离子电源和后端等离子电源，焊枪端部设置有前端等离子喷嘴、后端等离子喷嘴和导丝嘴，前端等离子喷嘴通过线缆与前端等离子电源相连，后端等离子喷嘴通过线缆与后端等离子电源相连，导丝嘴与送丝机构相连，送丝机构送出的焊丝从导丝嘴中伸出。

3.如权利要求2所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述焊枪端部设置有保护罩，前端等离子喷嘴、后端等离子喷嘴和导丝嘴被包覆在其中，保护罩中还有具有与保护气气瓶相通的管路开口。

4.如权利要求3所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述前端等离子喷嘴、后端等离子喷嘴和导丝嘴沿焊接方向前后依次排列。

5.如权利要求4所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述导丝嘴与后端等离子喷嘴之间具有一个35°~55°的夹角。

6.如权利要求4所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述前端等离子喷嘴、导丝嘴和后端等离子喷嘴沿焊接方向前后依次排列。

7.如权利要求6所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述导丝嘴和后端等离子喷嘴之间具有20°~40°的夹角。

8.如权利要求5或7所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述前端等离子喷嘴产生的电弧电流要小于后端等离子喷嘴产生的电弧电流。

9.如权利要求8所述的一种汽车钎焊装置，其特征在于，所述前端等离子喷嘴产生的电弧电流为40-60A，所述后端等离子喷嘴产生的电弧电流为80A~120A。