CN104668791A - 同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法及装置，其令冷金属过渡电弧利用较小的短路电流熔化焊丝形成液态熔滴，借助焊丝的周期性脉动回抽/送进过程实现熔化金属的过渡，完成焊接过程。本发明通过等离子电弧的拘束作用，提高CMT焊接的电弧穿透力和电弧稳定性，同时采用水冷环形阳极的方式，可实现反极性接法，有利于清除铝合金表面的氧化膜，实现两种方法的优势互补，满足铝合金、不锈钢、高强钢等难焊金属的高质量连接。

Description

同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法及装置
技术领域
本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种焊接方法，特别是同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法及其装置。
背景技术
冷金属过渡(CMT)技术是奥地利Fronius公司在钢与铝焊接、无飞溅引弧(SFI)技术和微连接技术基础上发展起来一种焊接方法，此工艺最重要的特点是将熔滴过渡与送丝运动结合，大大降低了焊接过程的热输入量，真正实现了无飞溅的焊接过程，满足超薄板的高质量焊接。CMT是一种特殊的短路焊接过程，主要顺序是：首先焊丝与工件接触电弧引燃，熔滴在焊丝端部形成，控制和送丝速度电流减小，焊丝和熔滴一起送进直到重新短路，焊机处理器监测到短路信号，会反馈给送丝机，送丝机做出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡，而后，焊丝运动方向改变，又重新起弧进行焊接，如此循环。焊丝的送进和回抽过程通过焊机电源协调控制，短路过程的焊接电流仅为20安培左右，大大小于传统熔化极保护焊的短路电流，改善了熔滴过热现象，保证了焊接过程没有飞溅产生。
正是由于焊机高速控制器对输出参数的精密控制，使得CMT焊接电弧稳定、对工件的热输入绩效，在薄板焊接时可以减少焊接变形，同时CMT焊接时采用Ar气进行保护，可以防止空气环境中的氧气、氢气对焊缝组织造成污染，减少缺陷的产生。于此同时，CMT焊接技术还存在一定缺陷，当焊接中厚板及导热性较好的材料时，一方面极低的热输入量不能充分加热母材，熔滴的铺展效果，多道焊时存在大量焊缝缺陷，另一方面CMT焊接时电弧燃烧的阴极斑点难以稳定，存在电弧漂移现象，影响焊缝的均一性。
CMT焊接技术已经推出便受到了工业界的重视，为了更大的发挥该技术的潜力，克服上述的缺点，国内外相关研究机构广泛采用添加复合热源的方法，如中国专利申请“一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法”，提出，采用前导高激光产生高密度等离子体的方式扩大焊缝熔深，显著提高CMT电弧稳定性，但是该方法只 适合板材及管材的焊接，同时对于铝合金等金属，由于激光的冲击力较大，焊缝中存在气孔缺陷。研究表明利用高能束对CMT电弧增强是能够充分发挥高能束焊接和CMT焊接的特点，进行优差互补。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是针对了冷技术过渡技术存在的熔深较浅、电弧漂移等问题提出了一种同轴布置的等离子电弧-冷金属过渡的复合电弧焊接方法。本发明提出利用拘束程度可调的等离子电弧与CMT电弧进行复合，利用等离子电弧的穿透性和挺直度对CMT电弧进行增强。
根据本发明提供的一种同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接装置，包括复合焊枪、等离子电源、CMT电源，复合焊枪包括环形等离子阳极和导电嘴；
等离子电源正极端连接环形等离子阳极，CMT电源正极端连接焊丝，等离子电源与CMT电源的负极相接并用于连接工件；
环形等离子阳极为中空的环形结构；
焊丝的行进路径沿复合焊枪的轴线穿过环形等离子阳极和导电嘴，导电嘴的外侧设置有绝缘环以将等离子电弧与冷金属过渡电弧之间进行隔离绝缘，绝缘环位于环形等离子阳极的内侧。
优选地：还包括控制单元、送丝机，控制单元用于控制等离子电源、CMT电源、送丝机；
控制单元用于控制如下步骤：
步骤A：开始冷金属过渡焊接过程，建立一个冷金属过渡电弧，然后将送丝速度降为0，等待冷金属过渡电弧沿焊丝爬升至环形等离子阳极下方，在等离子空载电压的作用下，环形等离子阳极和复合焊枪的水冷喷嘴之间产生转移等离子弧，惰性离子气将转移等离子弧吹到工件表面，在环形等离子阳极和工件之间产生非转移弧；
步骤B：控制单元接收到非转移弧信号后，控制CMT电源输出正常脉动推/拉丝过程，开始焊接。
优选地：复合焊枪的离子气输出方向和保护气的输出方向均沿复合焊枪的轴线方向，保护气在离子气外围。
优选地：在控制单元的控制下，等离子电流20-500A，送丝速度1-10m/min，离子气流量1-15L/min，保护气流量5-40L/min，冷却水流量1-10L/min，复合焊枪与工件法 向倾角60-90°；环形等离子阳极孔径为0.5-9mm可调；水冷喷嘴拘束孔道直径1-9mm可调；冷却水流量1-20L/min可调。
根据本发明提供的一种同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：
令冷金属过渡电弧利用较小的短路电流熔化焊丝形成液态熔滴，借助焊丝的周期性脉动回抽/送进过程实现熔化金属的过渡，完成焊接过程。
优选地：
1)冷金属过渡电弧与焊接电流大于20A的等离子电弧复合形成复合热源；
2)所述复合热源采用同轴分布形式，其中冷金属过渡电弧处于复合焊枪轴线的中心，等离子电弧位于冷金属过渡电弧的外围，冷金属过渡电弧与等离子电弧通过绝缘环进行绝缘；
3)等离子电弧在中空的环形等离子阳极上产生；
4)等离子电弧受到水冷喷嘴的拘束。
优选地：复合热源的产生按照先产生冷金属过渡电弧后产生等离子电弧的顺序。
优选地：离子气和保护气均采用纯Ar，能够取代非熔化极等离子弧复合焊，完成铝合金、不锈钢、高强钢及其他难焊金属的焊接。
优选地：焊接时等离子焊接和冷金属过渡焊接均采用反极性接法。
优选地：等离子电流10-500A可调，CMT电压10-40V可调。
与现有技术相比，本发明同轴布置的复合电弧产生如下的有益效果：
1、产生等离子的阳极为中空环形结构并强制水冷，采用反极性焊接方式，降低阳极的烧损，枪体紧凑，可进行铝合金的全位置焊接；
2、CMT电弧和等离子电弧同轴分布，并位于内层，等离子电弧具有良好的挺直度，抑制了电弧漂移现象，增加熔深，同时对工件的加热可清洁熔滴和母材表面，减少氧化膜的存在改善焊缝铺展小股；
3、等离子电弧和CMT电弧的复合降低的向工件的热输入，减少焊接变形，形成“钉头”状焊缝。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为Plasma-CMT复合电弧焊接系统。
图2为Plasma-CMT复合电弧同轴分布图。
图中标号名称：
1-等离子电弧，2-CMT电弧，3-复合焊枪，4-冷却水A，5-冷却水B，6-环形等离子阳极，7-CMT电源，8-送丝机，9-焊丝缓冲器，10-焊丝，11-推拉丝送丝轮，12-等离子电源，13-控制单元，14-绝缘环，15-导电嘴。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
冷金属过渡焊接(CMT)焊接工艺是近几年发展的一种先进焊接方法，通过将熔滴过渡和焊丝运动相结合，极大的减少的焊接热输入，特别适合于超薄板的焊接，但是在中厚的焊接方面由于电弧穿透能力和热输入的限制，造成焊缝铺展不良，出现气孔和应力集中。本发明提出了一种同轴分布的等离子电弧-冷金属过渡复合电弧焊接方法，通过等离子电弧的拘束作用，提高CMT焊接的电弧穿透力和电弧稳定性，同时采用水冷环形阳极的方式，可实现反极性接法，有利于清除铝合金表面的氧化膜，实现两种方法的优势互补，满足铝合金、不锈钢、高强钢等难焊金属的高质量连接。
结合图1、图2来说明本实施方式，本实施方式主要由等离子电源12、CMT电源7、Plasma-CMT复合焊枪3、控制单元13组成，焊接过程时序受控制单元13统一协调控制。
步骤一：将等离子电源12正极端连接环形等离子阳极6，CMT电源7正极端连接焊丝10，等离子电源12与CMT电源7的负极相接并连接工件，打开制冷水箱。
步骤二：根据工件厚度和焊接速度在控制单元13上设置工艺参数，等离子电流20-500A，CMT送丝速度1-10m/min，离子气流量1-15L/min，保护气流量1-30L/min，冷却水流量1-10L/min，复合焊枪3与工件法向倾角60-90°。
步骤三：开始CMT焊接过程，建立一个20A左右的电弧，然后将送丝速度降为0，等待电弧沿焊丝10爬升至环形等离子阳极6下方，在等离子空载电压的作用下，环形等离子阳极6和水冷喷嘴之间产生转移等离子弧，纯Ar离子气将转移等离子弧吹到工件表面，在环形等离子阳极6和工件之间产生非转移弧，控制单元接收到非转移弧信号 后，控制CMT焊接电源输出正常脉动推/拉丝过程，开始焊接。
结合图2说明等离子电弧和冷金属过渡电弧(CMT电弧)的同轴布置结构，等离子电弧在环形等离子阳极6上产生，环形等离子阳极6为中空的环形结构，以紫铜或类似具有良好导电导热能力的材料制成，产生CMT电弧的焊丝10沿复合焊枪3轴线穿过环形等离子阳极6和导电嘴15，利用作为绝缘件的绝缘环14将上述两种电弧进行隔绝，绝缘件的材料为陶瓷或其他耐高温绝缘材料，离子气通道与焊丝10平行，以提高电弧挺度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接装置，包括复合焊枪、等离子电源、CMT电源，其特征在于，复合焊枪包括环形等离子阳极和导电嘴；
等离子电源正极端连接环形等离子阳极，CMT电源正极端连接焊丝，等离子电源与CMT电源的负极相接并用于连接工件；
环形等离子阳极为中空的环形结构；
焊丝的行进路径沿复合焊枪的轴线穿过环形等离子阳极和导电嘴，导电嘴的外侧设置有绝缘环以将等离子电弧与冷金属过渡电弧之间进行隔离绝缘，绝缘环位于环形等离子阳极的内侧。
2.根据权利要求1所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接装置，其特征在于，还包括控制单元、送丝机，控制单元用于控制等离子电源、CMT电源、送丝机；
控制单元用于控制如下步骤：
步骤A：开始冷金属过渡焊接过程，建立一个冷金属过渡电弧，然后将送丝速度降为0，等待冷金属过渡电弧沿焊丝爬升至环形等离子阳极下方，在等离子空载电压的作用下，环形等离子阳极和复合焊枪的水冷喷嘴之间产生转移等离子弧，惰性离子气将转移等离子弧吹到工件表面，在环形等离子阳极和工件之间产生非转移弧；
步骤B：控制单元接收到非转移弧信号后，控制CMT电源输出正常脉动推/拉丝过程，开始焊接。
3.根据权利要求1所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接装置，其特征在于，复合焊枪的离子气输出方向和保护气的输出方向均沿复合焊枪的轴线方向，保护气在离子气外围。
4.根据权利要求3所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接装置，其特征在于，在控制单元的控制下，等离子电流20-500A，送丝速度1-10m/min，离子气流量1-15L/min，保护气流量5-40L/min，冷却水流量1-10L/min，复合焊枪与工件法向倾角60-90°；环形等离子阳极孔径为0.5-9mm可调；水冷喷嘴拘束孔道直径1-9mm可调；冷却水流量1-20L/min可调。
5.一种同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：
令冷金属过渡电弧利用较小的短路电流熔化焊丝形成液态熔滴，借助焊丝的周期性脉动回抽/送进过程实现熔化金属的过渡，完成焊接过程。
6.根据权利要求5所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：
1)冷金属过渡电弧与焊接电流大于20A的等离子电弧复合形成复合热源；
2)所述复合热源采用同轴分布形式，其中冷金属过渡电弧处于复合焊枪轴线的中心，等离子电弧位于冷金属过渡电弧的外围，冷金属过渡电弧与等离子电弧通过绝缘环进行绝缘；
3)等离子电弧在中空的环形等离子阳极上产生；
4)等离子电弧受到水冷喷嘴的拘束。
7.根据权利要求5所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：复合热源的产生按照先产生冷金属过渡电弧后产生等离子电弧的顺序。
8.根据权利要求5所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：离子气和保护气均采用纯Ar。
9.根据权利要求5所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：焊接时等离子焊接和冷金属过渡焊接均采用反极性接法。
10.根据权利要求5所述的同轴分布的等离子-冷金属过渡复合电弧焊接方法，其特征在于：等离子电流10-500A可调，CMT电压10-40V可调。
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