CN104785906A - 四丝一体式焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开四丝一体式焊接方法，包括位于中心的内丝和均匀分布在外围的三根外丝，外丝采用脉冲电流进行焊接，周期性的脉冲电流可以对熔池金属产生震荡作用，增强对熔池的搅拌作用，从而细化晶粒，提高焊缝韧性，改善焊缝性能，而且能有效的控制焊接热输入量，消除因热输入增大而造成的焊缝质量下降问题，内丝可用于增加焊丝熔敷量。采用四丝一体式高速焊焊接方法，由于四根焊丝的高效熔敷率，焊接效率与双丝焊相比提高3-6倍，与三丝焊相比提高1.5-2倍。

Description

四丝一体式焊接方法
本发明申请是母案申请“一种四丝一体式高速焊焊接系统及方法”的分案申请，母案申请日为2012年12月20日，母案申请号为2012105709354。
技术领域
本发明属于焊接工艺技术领域，涉及一种焊接方法，特别是四丝一体式高速焊焊接系统及方法。
背景技术
在建筑业及造船业中针对中厚板的焊接，如何实现高效、优质焊接一直是焊接工作者致力研究的课题。近年来，德国、日本、奥地利、瑞士等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大量的研究工作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。其中比较有影响的有德国的CLOOS公司的Tandem Twin Arc焊接工艺和瑞典的AGAAB公司的Rapid-Melt焊接工艺。此外，日本在双弧焊方面亦进行了广泛的研究。上海交通大学和日本神户制钢公司针对三丝焊焊接方法也已开展了一些研究。但是上述焊接方法除了双丝焊已经广泛应用以外，均存在设备工艺复杂或机理不明确等问题，仍处于研究之中。
发明内容
本发明为克服上述的现有技术中的不足，提供一种四丝焊一体式高速焊焊接系统和方法，该焊接方法，焊接速度快、熔深大，熔敷效率高。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种四丝一体式高速焊焊接系统及方法，所述四丝由三根外围焊丝和一根中间焊丝组成，所述三根外围焊丝在工件表面的3个投影点(即导电嘴和焊丝端点在工件表面的投影)之间的连线组成等边三角形，所述一根中间焊丝在工件表面的投影点(即导电嘴和焊丝端点在工件表面的投影)位于上述等边三角形的中心。所述外丝投影点之间的距离L(导电嘴中央的距离)为8—20mm为宜，参照附图1－3。
实际焊接时，首先根据上述结构分别固定四根焊丝及其导电嘴，该焊接方法的实现方式具体可采用如下技术方案：
第一种情况，三根外围焊丝相互之间不绝缘
均匀布置三根外围焊丝(即外丝，直径可选择1.2mm)，相互之间不绝缘，使用直流反接的接线方式，三根外丝的电源可以采用直流或脉冲式焊接电源。外丝采用脉冲电流进行焊接时，其加热方式不同于普通直流焊接，周期性的脉冲电流可以对熔池金属产生震荡作用，增强对熔池的搅拌作用，从而细化晶粒，提高焊缝韧性，改善焊缝性能，而且能有效的控制焊接热输入量，消除因热输入增大而造成的焊缝质量下降问题；
中间布置一根焊丝(称为内丝，直径为1.2mm或1.6mm)，该内丝与其它三根外丝之间均绝缘，可采用冷送丝(即不通电的情况下直接进行送丝)或直流正接的接线方式，目的在于增加焊丝熔敷量，电源可以采用直流或脉冲式焊接电源。外丝和内丝采用极性相反的接线方式，可以减小在大电流情况下，电弧之间的电磁干扰和磁偏吹，有利于获得良好的焊缝质量。三根外丝由同一焊接电源供电。内丝则由另一焊接电源供电，从而可以实现独立调节。具体的焊接电流波形图参照图4和5所示。
所述三根外丝和内丝各自连接一套送丝系统，连接同一保护气系统和焊接电源。
第二种情况，三根外围焊丝之间相互绝缘，根据采用的焊接电流方式，可以分为三种情况：
情况1，三根外丝采用脉冲式焊接电源，应用三丝脉冲焊电流相位控制技术，实现每根外丝中焊接电流脉宽比均为1/3，I1和I2、I2和I3、I3和I1间相位差均为60°，焊丝电弧在三根外丝上轮流燃烧，详细焊接电信号波形见图6所示。外丝采用直流(脉冲)反接，可以对工件进行有效的加热。内丝采用直流正接，加快其熔化，提高焊丝熔敷速率。在此方案中，为了减小电弧之间的干扰，要实现三根外丝轮流燃弧，即其中一外丝处于峰值时，其余两根外丝处于基值，所以该三根外丝需各自独立连接一套送丝机构和焊接电源。而内丝则由第四个焊接电源供电。当三根外丝轮流燃弧时，会形成电弧旋转的现象，该情况会促使电弧更集中，电弧能更有效的用于加热工件，实现高效焊接。
情况2，外丝3采用恒流直流反接，外丝1和2采用电流相位相反的脉冲焊接电流，I1和I2脉宽比一样，在1/3和1/15之间数值均可，I1和I2间相位差定为180°，内丝采用直流正接，详细焊接电信号波形见图7所示。
情况3，外丝3采用脉冲焊接电流，外丝1和2采用恒流直流反接，内丝采用直流正接，详细焊接电信号波形见图8所示。
所述三根外丝和内丝连接同一保护气系统，但所述三根外丝各自连接一套送丝系统和焊接电源，同时还配备一个脉冲控制器与三个焊接电源相连，实现三根外丝之间焊接电流相位控制；而内丝则独自连接一套送丝系统和焊接电源；所述焊接电源的两极分别与焊丝送丝机构和待焊工件相连。
在焊接系统中还可以包括电流传感器和电压传感器，用于测量焊接电源输出的电流和电压信号。
在进行焊接时，首先将焊接电源的两极分别与焊丝和待焊工件相连；其次分别设置四丝对应的送丝速度、焊接电压和焊接速度，利用脉冲控制器控制焊机为输出脉冲形式的焊接电压和电流信号，并设置焊接峰值电流和基值电流、脉宽比和脉冲频率；最后，施焊。其中
所述外丝送丝速度为5—10m﹒min-1。
所述内丝送丝速度为6—12m﹒min-1。
所述焊接速度为0.8—2m﹒min-1。
所述峰值电流为250—800A。
所述基值电流为50—150A。
所述脉宽比为20％—50％。
所述脉冲频率为10—200Hz。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.采用四丝一体式高速焊焊接方法，由于四根焊丝的高效熔敷率，焊接效率与双丝焊相比提高3—6倍，与三丝焊相比提高1.5—2倍。
2.采用技术方案2中描述的脉冲四丝一体式高速焊焊接方法，由于脉冲的电磁搅拌作用，粗大的柱状组织减少，根据国家标准GB/T229-1994，采用标准夏氏V型缺口进行冲击试验，发现冲击韧性提高8％-15％。
附图说明
图1四丝一体式高速焊接方法中焊丝空间位置示意图(1)，在XOY面的投影关系，·为焊丝的投影，L为在导电嘴端部平面中，两外丝所在导电嘴之间的距离。
图2四丝一体式高速焊接方法中焊丝空间位置示意图(2)，在ZOY面的投影关系，内丝和外丝3重合，只显示靠前的内丝。
图3四丝一体式高速焊接方法中焊丝空间位置示意图(3)，在ZOX面的投影关系，外丝1和外丝2重合，只显示靠前的外丝1。
图4三根外围焊丝相互之间不绝缘情况下的焊接电流波形图(1)，其中I0为内丝的焊接电流；I1、I2和I3分别为三根外丝的焊接电流。
图5三根外围焊丝相互之间不绝缘情况下的焊接电流波形图(2)，其中I0为内丝的焊接电流；I1、I2和I3分别为三根外丝的焊接电流。
图6三根外围焊丝之间相互绝缘情况下的焊接电流波形图(1)，其中I0为内丝的焊接电流；I1、I2和I3分别为三根外丝的焊接电流。
图7三根外围焊丝之间相互绝缘情况下的焊接电流波形图(2)，其中I0为内丝的焊接电流；I1、I2和I3分别为三根外丝的焊接电流。
图8三根外围焊丝之间相互绝缘情况下的焊接电流波形图(3)，其中I0为内丝的焊接电流；I1、I2和I3分别为三根外丝的焊接电流。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
如图1-3所示，四丝由三根外围焊丝和一根中间焊丝组成，所述三根外围焊丝在工件表面的3个投影点(即导电嘴和焊丝端点在工件表面的投影)之间的连线组成等边三角形，所述一根中间焊丝在工件表面的投影点(即导电嘴和焊丝端点在工件表面的投影)位于上述等边三角形的中心。所述外丝投影点之间的距离L(导电嘴中央的距离)为8—20mm为宜。
利用前面所描述的技术方案，进行焊接工艺试验。焊接系统主要包括：林肯焊机DC600(1台)，林肯焊机V350(3台)。天津大学焊接实验室研制的三丝脉冲协调控制器(1台)，霍尔电压传感器(1台)，电流传感器(1台)等设备。
实施方式1：采用四丝一体式高速焊接方法，实施平板对接试验，针对三根外围焊丝相互之间不绝缘的情况，具体实施步骤如下
(1)焊前准备工作：准备试板(厚度30mm)，开单面V型坡口，对接坡口角度为60度。外丝和内丝分别采用直流反接和直流正接的接线方式。所用的焊材由天津大桥焊材集团有限公司生产，焊丝型号为H08Mn2Si，直径1.2mm和1.6mm；
(2)焊机安装调试步骤，包括安装电流脉冲控制器、电流和电压传感器，安装方法为焊机正极输出的电缆穿过电流传感器中的霍尔环，电压传感器分别接在焊机输出正负极两端，安装完毕并分别设置四根焊丝的送丝速度和焊接速度，具体焊接参数如表1所示；
(3)焊接步骤，启动电焊机后，进入焊接过程，可选择如附图4、5所示的电流波形进行焊接。
表1 四丝一体式高速焊接焊接参数
实施方式2：采用四丝一体式高速焊接方法，实施平板对接试验，针对三根外围焊丝之间相互绝缘的情况，具体实施步骤如下：
(1)步骤1同上；
(2)焊机安装调试步骤，安装完毕并设置焊接峰值电流和基值电流、脉宽比、脉冲频率、送丝速度和焊接速度，具体焊接参数如表2所示；
(3)焊接步骤，启动电焊机后，进入焊接过程，选择附图6所示的电流波形进行焊接，三根外丝之间的电流相差均为60°
表2 四丝一体式高速焊接焊接参数
在上述两种情况下，所述外丝送丝速度为5—10m﹒min-1。所述内丝送丝速度为6—12m﹒min-1。所述焊接速度为0.8—2m﹒min-1。所述峰值电流为250—800A。所述基值电流为50—150A。所述脉宽比为20％—50％。所述脉冲频率为10—200Hz。
针对实施方式1，还可以采用三根外丝的电源采用直流或脉冲式焊接电源，同时内丝为冷送丝的方案；针对实施方式2，可根据附图7和8显示的波形图，设置内丝和三根外丝的电流波形，以实现焊接。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，该焊接方法不仅适用于气体保护焊，还适用于埋弧焊。在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.四丝一体式焊接方法，其特征在于，采用四丝一体式高速焊焊接系统，在所述四丝一体式高速焊焊接系统中，所述四丝由三根外丝和一根中间焊丝组成，所述三根外丝在工件表面的3个投影点之间的连线组成等边三角形，所述一根中间焊丝在工件表面的投影点位于上述等边三角形的中心；三根外丝之间相互绝缘，根据采用的焊接电流方式，分为三种情况予以选择：
情况1，三根外丝采用脉冲式焊接电源，实现每根外丝中焊接电流脉宽比均为1/3，且三根外丝之间电流相位差均为60°，以使焊丝电弧在三根外丝上轮流燃烧，即其中一外丝处于峰值时，其余两根外丝处于基值，外丝采用直流反接或者脉冲反接；中间焊丝采用直流正接；
情况2，外丝(3)采用恒流直流反接，外丝(1)和(2)采用电流相位相反的脉冲焊接电流，其脉宽比一样，在1/3和1/15之间，两者之间相位差定为180°，中间焊丝采用直流正接；
情况3，外丝(3)采用脉冲焊接电流，外丝(1)和(2)采用恒流直流反接，中间焊丝采用直流正接。
2.根据权利要求1所述的四丝一体式焊接方法，其特征在于，所述外丝投影点之间的距离为8—20mm。
3.根据权利要求1所述的四丝一体式焊接方法，其特征在于，在进行焊接时，首先将焊接电源的两极分别与焊丝和待焊工件相连；其次分别设置四丝对应的送丝速度、焊接电压和焊接速度，利用脉冲控制器控制焊机为输出脉冲形式的焊接电压和电流信号，并设置焊接峰值电流和基值电流、脉宽比和脉冲频率；最后，施焊，其中所述三根外丝送丝速度为5—10m﹒min-1；所述一根中间焊丝送丝速度为6—12m﹒min-1；所述焊接速度为0.8—2m﹒min-1；所述峰值电流为250—800A；所述基值电流为50—150A；所述脉宽比为20％—50％；所述脉冲频率为10—200Hz。
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