CN104148785B - 基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置及焊接方法，在一把焊枪体内以很小的夹角对称地布置了两根钨极，通过IGBT控制模块以形成旁路分流耦合电弧，填充焊丝直接从耦合电弧的中心送入，利用电弧最热部分来提高焊丝熔化效率，并利用旁路分流来精确控制焊丝和母材的热输入。本发明既能实现对填充材料的高效、稳定加热，又能有效精确控制焊丝与母材的熔化量，从而在保证高效率焊接的同时，实现对焊接热输入的精确控制。本发明既适合同种材料的高效、优质焊接，又适合镍基合金与不锈钢、铜等对稀释率控制有严格要求的异种材料的可靠连接。

Description

基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接装置及基于该装置的焊接方法。

背景技术

在传统TIG填丝焊工艺中，填充焊丝从焊枪的前端送入熔池，焊丝与钨极几乎成90°，依靠熔池和电弧边缘的热量熔化填充焊丝进行焊接，而TIG电弧温度最高区域位于电弧中心，因而传统TIG填丝焊未能有效利用电弧热量，导致其焊丝熔化效率低。此外，由于传统TIG填丝焊的送丝角度和送丝位置的限制，不仅导致焊枪端部的体积大、定位可靠性差，且送丝装置决定了焊枪只能朝一个方向焊接。当焊接方向改变时，焊枪还需要借助机器人的第六轴来控制，对于复杂情况还需额外增加转台来控制。因此，如何提高TIG焊的焊丝熔化效率、减小焊枪的总体尺寸、提高其操作的灵活性和机器人焊接的可达性成为亟待解决的问题。

法国液空公司的T.Opderbecke等人提出了一种TOPTIG焊接工艺，该工艺采用一种特殊的送丝方式，焊丝与钨极锥体基本平行，焊丝被直接送入电弧温度最高部分，并在各种热、力作用下熔化成类似MIG焊的熔滴。专利号为EP1459831B1的文件记录了一种TOPTIG焊枪及其焊接方法，其焊丝熔化效率高、熔滴过渡可控、焊接无方向性，既保留了原有TIG焊的电弧稳定和热输入低的特点，又极大提高了焊丝熔化效率。然而，与传统TIG填丝焊一样，在TOPTIG焊工艺中，为获得更高的焊丝熔化效率，需采用更大的焊接电流，这必然导致焊接热输入增加，从而引起工件的焊接变形、热影响区扩大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供提高焊接效率、精确控制焊接热输入的基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置及焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置，其特征是：包括焊枪、焊枪电源、IGBT控流模块，所述的焊枪包括焊枪外壳、主路钨极、旁路钨极，焊枪外壳上设置主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽，焊丝槽位于主路钨极槽和旁路钨极槽之间，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽的端部分别设置主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽里分别安装主路钨极、旁路钨极以及焊丝，且主路钨极、旁路钨极、焊丝的端部分别穿出主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴至焊枪外壳的外部，焊接电源的负极连接主路钨极，焊接电源的正极分出两路，第一路连接母材，第二路连接IGBT控流模块，IGBT控流模块连接旁路钨极。

本发明基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置还可以包括：

1、焊枪电源与母材之间的第一路上安装电流传感器，电流传感器通过线路连接IGBT控流模块，在电流传感器和IGBT控流模块之间的线路上安装采集电流传感器信号并控制IGBT控流模块从而控制主路钨极与旁路钨极之间电流分配的控制系统。

2、主路钨极与旁路钨极之间的夹角为15°-30°；水平间距为2mm-7mm，主路钨极相对于主路钨极导电嘴的伸出量为3mm-10mm，旁路钨极相对于旁路钨极导电嘴的伸出量为3mm-10mm，焊丝相对于送丝嘴的伸出量为5mm-15mm。

本发明基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置的焊接方法，其特征是：采用如下焊枪装置：包括焊枪、焊枪电源、IGBT控流模块，所述的焊枪包括焊枪外壳、主路钨极、旁路钨极，焊枪外壳上设置主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽，焊丝槽位于主路钨极槽和旁路钨极槽之间，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽的端部分别设置主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽里分别安装主路钨极、旁路钨极以及焊丝，且主路钨极、旁路钨极、焊丝的端部分别穿出主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴至焊枪外壳的外部，焊接电源的负极连接主路钨极，焊接电源的正极分出两路，第一路连接母材，第二路连接IGBT控流模块，IGBT控流模块连接旁路钨极；

(1)将母材的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，将焊枪固定在焊接平台上方，并使焊枪枪体与焊接平台垂直；

(2)将母材置于焊接平台上，调整接缝的位置使之与焊枪的焊丝尖端的行走路线重合，并与主路钨极、旁路钨极连线垂直，然后利用夹具将母材固定；

(3)调整主路钨极、旁路钨极的伸出量至3mm-10mm，调整焊丝伸出量至5mm-15mm，并使主路钨极、旁路钨极对称地置于母材接缝两侧且位于同一高度至2mm-8mm；

(4)设定焊接工艺参数：焊接电流I在50A-300A之间，焊接电源与旁路钨极之间的旁路电流Ip在20A-200A之间，焊接速度为0.4m/min-3m/min之间，送丝速度在2.0m/min-5.0m/min之间，主路保护气体流量为5-15L/min之间，旁路保护气体流量为2-10L/min之间；

(5)开启焊接电源，启动IGBT控流模块，引燃电弧，开始送丝，一部分电流Im经母材返回电源，另一部分Ip经旁路流回电源，同时主路钨极、旁路钨极之间形成耦合电弧；

(6)通过电流传感器检测流经工件的焊接电流，利用控制系统调节旁路焊接电流的大小，改变耦合电弧的形态，实现对焊丝和母材的加热；

(7)焊接即将结束时，先停止送丝，再熄灭焊接电弧，待电弧熄灭之后再关闭焊接电源、IGBT控制系统。

本发明的优势在于：

1、该焊枪及其焊接方法可以利用电弧温度最高的区域熔化焊丝，提高电弧能量的利用率，进而实现高的焊丝熔化效率(是常规TIG填丝焊的2-5倍)。

2、采用主、旁路双钨极的设计，耦合电弧在两个钨极与工件之间燃烧，电弧稳定性好，可以使焊接过程更加稳定，并改善焊缝成形，利于形成非常有规则、平滑焊缝，这极大地提高了焊接质量，是一种稳定、实用的焊接工艺。

3、单电源双钨极设计，焊丝的送丝速度不再依赖于焊接电流，可有效独立调控焊丝填充量，焊丝在耦合电弧作用下熔化过渡，可方便实现短路、射滴和射流过渡方式，获得无飞溅的稳定过渡过程。此外，因为焊丝熔化直接进入焊缝，电极到工件的距离也不再特别敏感，利于改善焊接过程、提高焊缝质量；

4、主、旁路钨极和焊丝的独特布局减小了焊枪的总体尺寸，同时中心填丝的送丝方式不再需要考虑送丝的朝向问题，因而可以像MIG一样适用于所有焊接位置，加强了机器人焊接时对于复杂焊接结构的可达性，是一种高效、优质、可控的焊接新工艺；

5、该方法属于电弧焊的改型，所以它也是一种低成本的高效焊接方法。应用在焊接生产中，将大大提高生产效率、降低焊接成本、提高焊接质量，可以实现高效、优质和低成本焊接，具有很大的工程实用价值；

6、由于该工艺本质上属于TIG填丝焊，且同时具备热输入低、焊丝熔化效率高、焊接变形小等特点，通过调整主/旁路电流比与钨极空间排布方式，可有效改变电弧形态与焊接热输入，实现对母材与焊丝的精准加热，以减少作用于工件的热输入和焊接变形，改善焊接质量，可实现高熔敷率、低热输入焊接。因此，该方法既适用于同种材料的高效、优质焊接，又适合镍基合金与不锈钢、铜/钢等对稀释率控制有严格要求的异种材料的可靠连接。

附图说明

图1为本发明焊枪装置的结构示意图；

图2a为焊枪主视图，图2b为焊枪剖视图，图2c为焊枪俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1为中心填丝可控分流双钨极耦合电弧焊接原理图，主要由送丝轮3、中心填丝可控分流双钨极电弧焊枪6、IGBT控流模块8、控制系统10、电流传感器11和焊接电源12等组成。焊接过程中，通过电流传感器11监测流经母材的焊接电流，并通过控制系统10和IGBT控流模块8来改变主、旁路电流配比，实现对母材和焊丝的精准加热。

图2是中心填丝可控分流双钨极耦合电弧焊枪结构图，主要由主路钨极2、焊丝4、旁路钨极5、主路钨极夹12、旁路钨极夹15、金属送丝管15、绝缘层18、焊枪气嘴16和焊枪外壳17等组成。其中主路钨极2和旁路钨极5在枪体内以很小的夹角对称地布置(15°-30°)，主路钨极2与电源一极相连，旁路钨极5分走一部分通过母材的焊接电流；同时，焊丝4不接电源从两钨极中间(焊丝与两钨针锥体基本平行)被送入耦合电弧中心温度最高处。具体施焊步骤如下：

步骤1：将工件7的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，将中心填丝可控分流双钨极耦合电弧焊枪6固定在焊接平台上方，保证枪体基本与焊接平台垂直；

步骤2：将工件7置于焊接平台上，调整接缝1的位置使之与中心填丝可控分流双钨极耦合电弧焊枪6的焊丝4尖端的行走路线重合，并与主、旁路钨极连线垂直，然后利用夹具将其固定；

步骤3：调整钨极伸出量(3mm-10mm)，和焊丝4伸出量(焊丝尖端大致位于两钨极尖端中间)，确保两侧钨极对称地置于母材7接缝两侧且位于同一高度(2mm-8mm)；

步骤4：设定焊接工艺参数，焊接电流I在50A-300A之间，旁路电流Ip在20A-200A之间，焊接速度为0.4m/min-3m/min之间，送丝速度在2.0m/min～5.0m/min之间，主路保护气体流量为5-15L/min之间，旁路保护气体流量为2-10L/min之间；

步骤5：开启焊接电源12，启动IGBT控流模块8，引燃电弧，启动送丝开关3和焊接平台行走开关进行焊接。一部分电流Im经母材返回电源，另一部分Ip经旁路流回电源，同时主、旁路钨极之间形成耦合电弧9，确保焊丝被送入耦合电弧9中心温度最高区域进行焊接；

步骤6：焊接过程中，通过电流传感器11检测流经工件的焊接电流，利用控制系统10调节旁路焊接电流的大小，改变耦合电弧9的形态，实现对焊丝4和母材7的精确加热。

步骤7：焊接即将结束时，先关闭送丝开关，再熄灭焊接电弧，待电弧熄灭之后再关闭焊接电源12、IGBT控制系统10以及焊接行走机构开关。

本发明涉及一种基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪及其焊接方法，它由一个焊接电源、一把独创设计的中心填丝旁路分流双钨极耦合电弧焊枪、IGBT控流模块和电流检测系统等组成。该焊枪枪体由主、旁路钨极及其导电嘴、中心填充焊丝及其送丝嘴、焊枪绝缘壳体等组成，其中主路钨极与电源的一极(若电源为直流时接负极)相连，旁路钨极通过IGBT控制系统与电源的另一极(若电源为直流时接正极)相连，两钨极之间的夹角很小(15°-30°)，焊丝从两钨极之间穿过。焊接时，主、旁路钨极之间形成旁路分流耦合电弧，填充焊丝(不接电源)直接从耦合电弧的中心送入，利用电弧最热部分来实现高的焊丝熔化效率，并利用旁路分流来精确控制母材的热输入。这样的设计可以利用电弧温度最高的区域熔化焊丝进行焊接，提高电弧能量利用率和焊丝熔化效率(是常规TIG填丝焊的2-5倍)；同时，双钨极耦合电弧十分稳定，焊缝成型非常有规则，平滑而没有凝固波纹；焊丝不接电源可以实现送丝速度的独立调节，消除焊接飞溅现象，改善焊接过程；旁路分流可以精确控制焊丝和母材的熔化量。该方法既适合同种材料的高效、优质焊接，又适合镍基合金与不锈钢、铜/钢等对稀释率控制有严格要求的异种材料的可靠连接。此外，这样的设计减小了焊枪的总体尺寸，焊接过程中不需再考虑送丝的方向性问题，因而可以像常规MIG焊一样适用于所有焊接位置，加强了机器人焊接时对于复杂焊接结构的可达性。

用上述装置实施焊接的步骤如下：

步骤1：调整焊枪的几何参数，调整主、旁路钨极的伸出量(3mm-10mm)，调节两钨极之间的夹角(15°-30°)和水平间距(2mm-7mm)，调整焊丝的伸出量(5mm-15mm)，确保焊丝从两钨极中间穿过；

步骤2：对待焊工件进行焊前处理(表面打磨和坡口加工等)，将调整好的电弧焊枪固定在调节支架或机械手臂上，确保焊枪轴线与焊接平台基本垂直，保证焊枪中的焊丝尖端行走路线与焊缝位置重合；

步骤3：设定焊接工艺参数，焊接电流I在50～300A之间，旁路电流Ip在20～200A之间，焊接速度为0.4～3.0m/min，送丝速度在2.0～5.0m/min之间，主路保护气体流量为5～15L/min之间，旁路保护气体流量为2～10L/min之间；

步骤4：开启焊接电源和IGBT控制系统，启动焊接行走机构控制系统，引燃旁路分流耦合电弧，进行中心填丝焊，确保焊丝被送入耦合电弧中心温度最高区域进行焊接；

步骤5：焊接过程中，一部分电流流经母材返回电源，另一部分经旁路流回电源，通过电流传感器检测流经工件的焊接电流，利用控制系统调节旁路焊接电流的大小，改变耦合电弧形态，实现对焊丝和母材的精确加热。

步骤6：焊接即将结束时，先关闭送丝开关，再熄灭焊接电弧，待电弧熄灭之后再关闭焊接电源、IGBT控制系统以及焊接行走机构开关。

Claims (2)

1.基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置，其特征是：包括焊枪、焊枪电源、IGBT控流模块，所述的焊枪包括焊枪外壳、主路钨极、旁路钨极，焊枪外壳上设置主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽，焊丝槽位于主路钨极槽和旁路钨极槽之间，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽的端部分别设置主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽里分别安装主路钨极、旁路钨极以及焊丝，且主路钨极、旁路钨极、焊丝的端部分别穿出主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴至焊枪外壳的外部，焊接电源的负极连接主路钨极，焊接电源的正极分出两路，第一路连接母材，第二路连接IGBT控流模块，IGBT控流模块连接旁路钨极；

焊枪电源与母材之间的第一路上安装电流传感器，电流传感器通过线路连接IGBT控流模块，在电流传感器和IGBT控流模块之间的线路上安装采集电流传感器信号并控制IGBT控流模块从而控制主路钨极与旁路钨极之间电流分配的控制系统；

主路钨极与旁路钨极之间的夹角为15°-30°；水平间距为2mm-7mm，主路钨极相对于主路钨极导电嘴的伸出量为3mm-10mm，旁路钨极相对于旁路钨极导电嘴的伸出量为3mm-10mm，焊丝相对于送丝嘴的伸出量为5mm-15mm。

2.基于中心填丝的可控分流双钨极耦合电弧焊枪装置的焊接方法，其特征是：采用如下焊枪装置：包括焊枪、焊枪电源、IGBT控流模块，所述的焊枪包括焊枪外壳、主路钨极、旁路钨极，焊枪外壳上设置主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽，焊丝槽位于主路钨极槽和旁路钨极槽之间，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽的端部分别设置主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴，主路钨极槽、旁路钨极槽、焊丝槽里分别安装主路钨极、旁路钨极以及焊丝，且主路钨极、旁路钨极、焊丝的端部分别穿出主路钨极导电嘴、旁路钨极导电嘴、送丝嘴至焊枪外壳的外部，焊接电源的负极连接主路钨极，焊接电源的正极分出两路，第一路连接母材，第二路连接IGBT控流模块，IGBT控流模块连接旁路钨极；

(1)将母材的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，将焊枪固定在焊接平台上方，并使焊枪枪体与焊接平台垂直；

(2)将母材置于焊接平台上，调整接缝的位置使之与焊枪的焊丝尖端的行走路线重合，并与主路钨极、旁路钨极连线垂直，然后利用夹具将母材固定；

(3)调整主路钨极、旁路钨极的伸出量至3mm-10mm，调整焊丝伸出量至5mm-15mm，并使主路钨极、旁路钨极对称地置于母材接缝两侧且位于同一高度至2mm-8mm；

(4)设定焊接工艺参数：焊接电流I在50A-300A之间，焊接电源与旁路钨极之间的旁路电流Ip在20A-200A之间，焊接速度为0.4m/min-3m/min之间，送丝速度在2.0m/min-5.0m/min之间，主路保护气体流量为5-15L/min之间，旁路保护气体流量为2-10L/min之间；

(5)开启焊接电源，启动IGBT控流模块，引燃电弧，开始送丝，一部分电流Im经母材返回电源，另一部分Ip经旁路流回电源，同时主路钨极、旁路钨极之间形成耦合电弧；

(6)通过电流传感器检测流经工件的焊接电流，利用控制系统调节旁路焊接电流的大小，改变耦合电弧的形态，实现对焊丝和母材的加热；

(7)焊接即将结束时，先停止送丝，再熄灭焊接电弧，待电弧熄灭之后再关闭焊接电源、IGBT控制系统。