CN104785931A - 一种等离子-埋弧复合焊接系统及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种等离子-埋弧复合焊接系统及其焊接方法，包括等离子弧电源、埋弧焊电源、等离子焊枪、埋弧焊焊枪，等离子弧电源的负极连接等离子焊枪，等离子弧电源的正极连接高频引弧器，高频引弧器连接工件，埋弧焊电源的正极连接设置有送丝机构的埋弧焊焊枪，埋弧焊电源的负极连接工件，等离子弧电源和埋弧焊电源均连接控制装置，等离子焊枪的轴线与工件垂直，埋弧焊焊枪的轴线与等离子焊枪的轴线之间的夹角为15°-75°，埋弧焊焊枪和等离子焊枪之间设置水冷铜隔板。本发明等离子焊枪在前方通过形成“小孔效应”进行深熔焊，减小了焊接热输入量。而后方的埋弧焊枪利用熔化极电弧使填充金属充分熔化，保证了焊接质量。

Description

一种等离子-埋弧复合焊接系统及其焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接装置以及焊接方法。

背景技术

随着制造业对提高焊接效率和改善焊接质量的持续需求，将传统电弧焊接工艺与设备不断改进与发展至关重要。为提高焊接效率、改善产品制造质量，国内外越来越多的焊接工作者对复合热源焊接工艺进行研究。复合热源从热源结构来说并不是两个单一热源简单的叠加，是基于单一热源的特点及机理，将多个热源或复合热源在工件的同侧或异侧进行焊接的方法。近年来，荷兰PHILIPS公司的研究人员提出了等离子-MIG复合热源技术，该方法将熔化极惰性气体保护焊(MIG)与等离子弧焊(PAW)相结合，形成一种高效高质量复合热源焊接技术，不但可以加快工件的熔化和焊丝向熔池的过渡，提高焊丝的熔化速率，在同样的热输入下可以更快的填充焊接坡口，而且可获得较窄的焊道、大的熔深，且焊缝处没有气孔生成。这种方法最明显的优点就是能在较小的热输入下获得很高的焊接效率。因此，它特别适用于合金钢和有色金属的焊接。最近，德国亚琛工业大学ISF焊接与连接研究所又提出激光-埋弧复合焊接技术(Laser Beam Submerged Arc Hybrid Welding)，与传统的激光焊和埋弧焊相比，解决了激光焊填充间隙能力有限等问题，极大地提高了焊接效率，非常适合中厚壁金属结构件的焊接。该技术实现方法为：将激光弧置于埋弧焊料的前方，并在埋弧焊枪与激光焊枪之间放置一块隔板，将焊料与激光弧隔开；埋在焊料中的电弧在后方将焊丝熔化，填充焊缝。激光埋弧复合焊技术尽管优势突出，但也存在着一些尚未解决的问题，例如：尽管使用了隔板将焊剂与激光隔开，仍然难以避免有少量焊剂进入激光作用区域，对激光束产生反射和吸收作用，一方面显著降低焊接熔深，另一方面容易在焊缝上形成孔洞缺陷，导致焊接质量难以得到保证，降低了焊接生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供能够提高中厚壁金属结构件的焊接效率、减小焊接热输入、防止焊接变形、改善焊接质量的一种等离子-埋弧复合焊接系统及其焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种等离子-埋弧复合焊接系统，其特征是：包括等离子弧电源、埋弧焊电源、等离子焊枪、埋弧焊焊枪，等离子弧电源的负极连接等离子焊枪，等离子弧电源的正极连接高频引弧器，高频引弧器连接工件，埋弧焊电源的正极连接设置有送丝机构的埋弧焊焊枪，埋弧焊电源的负极连接工件，等离子弧电源和埋弧焊电源均连接控制装置，等离子焊枪的轴线与工件垂直，埋弧焊焊枪的轴线与等离子焊枪的轴线之间的夹角为15°-75°，埋弧焊焊枪和等离子焊枪之间设置水冷铜隔板。

本发明一种等离子-埋弧复合焊接方法，其特征是：采用如下焊接系统：

包括等离子弧电源、埋弧焊电源、等离子焊枪、埋弧焊焊枪，等离子弧电源的负极连接等离子焊枪，等离子弧电源的正极连接高频引弧器，高频引弧器连接工件，埋弧焊电源的正极连接设置有送丝机构的埋弧焊焊枪，埋弧焊电源的负极连接工件，等离子弧电源和埋弧焊电源均连接控制装置，等离子焊枪的轴线与工件垂直，埋弧焊焊枪的轴线与等离子焊枪的轴线之间的夹角为15°-75°，埋弧焊焊枪和等离子焊枪之间设置水冷铜隔板；

(1)将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或X形坡口，工件安装定位就绪后，将等离子焊枪与埋弧焊焊枪组成复合焊枪；

(2)焊接前，调节等离子焊枪与埋弧焊焊枪之间水冷铜隔板的位置和角度，使得水冷铜隔板不与工件发生碰撞摩擦，且能阻挡焊剂进入等离子区域；沿焊接方向使等离子焊枪位于埋弧焊焊枪的前方；

(3)设定等离子弧的焊接电流50-500A，钨极内缩量0.5-2.5mm，离子气流量1.0-2.0L/min，保护气流量10-25L/min，等离子焊枪喷嘴与工件之间的距离1.0-5.0mm，设定埋弧焊的焊接电流100-1000A、电弧电压20-50V、焊丝直径2-6mm、送丝速度0.5-2.0m/min、焊丝干伸长30-40mm，设定焊接速度0.2-1.5m/min；

(4)开启埋弧焊电源和等离子弧电源，启动高频引弧器，引燃等离子弧，再引燃埋弧焊电弧，焊接时等离子焊枪在前对工件进行局部预热，形成小孔效应，埋弧焊枪在后填充等离子弧焊留下的空隙，通过移动复合焊枪或工件进行焊接，直至焊接结束。

本发明的优势在于：

1、等离子-埋弧复合焊接技术结合了等离子弧深穿透和埋弧焊高熔敷率的优点，相比传统埋弧焊可以实现更大板厚的焊接，焊接效率大大提高，焊接速度也得到改善，获得成形美观，焊接缺陷少，焊缝质量高的焊接接头。

2、该复合焊工艺可实现中厚壁(15-25mm)金属结构件的单次单道全熔透焊接成形，可以取代常规多丝/双面埋弧焊接工艺，且焊前无须预留工件根部间隙就可进行焊接，焊接时热输入较小(防止焊后变形)和焊接速度较高，是一种高效、优质的焊接工艺。

3、焊接过程中，对于中厚板不开坡口或开小坡口，减少了焊接工序，减少了焊丝填充量，在降低生产成本的同时节省了材料。此外，由于等离子-埋弧复合焊工艺的热输入减小，因此它所引起焊后变形量远远低于埋弧焊工艺的焊后变形量，减少了矫正变形的工序，同时也降低了生产成本。

4、焊接时，工件的熔透能力主要由等离子弧形成的“小孔效应”来决定，而焊缝成形(填充和盖面)主要依靠埋弧焊本身所具有的较高焊丝熔敷效率来决定。因此，通过控制等离子弧与埋弧焊之间的电弧输入能量比例可控制焊缝的成形系数，改善接头组织与力学性能。

5、焊接过程中，等离子焊枪接等离子电源负极，减少了等离子焊枪的钨极烧损，而埋弧焊枪接埋弧电源正极，促进了焊丝的熔滴过渡。由于两电弧的电流方向不同，必然存在两个不同方向的电磁场，形成的电磁力使得等离子弧向熔池前部偏移，补偿了高速焊接时等离子弧拖后于焊矩轴向的倾向，增加了熔透深度，提高了焊接速度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为工件初始坡口形式，图2b为等离子在前深熔焊示意图，图2c为埋弧焊在后填充盖面示意图。

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：

结合图1～2，本发明焊接系统主要由埋弧焊电源5、等离子弧电源1、高频引弧器11、送丝机构4、等离子焊枪2、埋弧焊焊枪8，焊料导槽7、水冷铜隔板9及控制装置3等构成。焊接前，将等离子焊枪2与埋弧焊枪8组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角α为15-75°，在两焊枪之间放置一块水冷铜隔板，用于阻隔埋弧焊枪周围的焊剂，防止焊剂进入等离子弧区域，影响等离子弧的稳定燃烧和深穿透能力。焊接时，等离子焊枪轴线与工件基本垂直，负责对工件进行局部预热，以形成“小孔”效应，增加熔深，而埋弧焊枪在后负责焊缝的填充和盖面。埋弧焊电源5的正极连接埋弧焊枪8的焊丝导电嘴，负极与工件10连接，构成埋弧焊回路；而等离子电源1的负极与等离子焊枪2相连，正极与工件10连接，构成等离子焊回路，并利用控制系统对埋弧焊和等离子焊的焊接过程进行协同控制和焊接参数调节。

基于本实施方式的等离子-埋弧复合焊接方法步骤如下：

步骤1：将工件10的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或X形坡口，工件安装定位就绪后，将等离子焊枪2与埋弧焊枪8组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角α为15-75°，在两焊枪之间放置一块水冷铜隔板，用于防止埋弧焊枪周围的焊剂进入等离子弧区域，以免影响等离子弧的稳定燃烧和穿透能力。按图1所示方法连接所有焊接设备与装置。

步骤2：焊接前，调节两焊枪之间水冷铜隔板的位置和角度，保证水冷铜隔板既不与工件发生碰撞摩擦，又能有效阻挡焊剂进入等离子区域；沿焊接方向使等离子焊枪2位于埋弧焊焊枪8的前方，保证等离子焊枪2轴线与待焊工件10基本垂直，进一步调整两焊枪之间的距离及夹角、两焊枪与工件之间距离及夹角，在保证两热源良好复合的前提下，确保稳定的焊接过程和高的焊接质量。

步骤3：根据焊接工艺需要，设定等离子弧的焊接电流50-500A，钨极内缩量0.5-2.5mm，离子气流量1.0-2.0L/min，保护气流量10-25L/min，等离子焊枪喷嘴与工件之间的距离1.0-5.0mm，设定埋弧焊的焊接电流100-1000A、电弧电压20-50V、焊丝直径2-6mm、送丝速度0.5-2.0m/min、焊丝干伸长30-40mm，设定焊接速度0.2-1.5m/min等参数。

步骤4：开启埋弧焊电源5和等离子弧电源1，启动高频引弧器11，引燃等离子弧，再引燃埋弧焊电弧，利用控制系统3对两焊接设备进行实时控制，焊接时等离子焊枪2在前对工件进行局部预热，形成“小孔”效应，增加熔深，埋弧焊枪8在后负责填充等离子弧焊留下的空隙，通过移动复合焊枪或工件进行焊接，直至焊接结束。

本发明由等离子焊接电源、等离子焊枪、埋弧焊接电源及其送丝机构、埋弧焊枪、高频引弧器、控制系统等组成。将等离子弧焊枪与埋弧焊枪组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角为15-75°，在两焊枪之间放置一块水冷铜隔板，用于阻隔埋弧焊枪周围的焊剂，防止焊剂进入等离子弧区域，影响等离子弧的稳定燃烧和深穿透能力。焊接时，等离子弧焊枪在前对工件进行局部预热，形成“小孔”效应，增加熔深，埋弧焊枪在后负责填充等离子弧焊留下的空隙。由于等离子焊枪接等离子电源的负极，而埋弧焊枪接埋弧焊电源的正极，这样必然存在两个不同方向的电流和电磁场，形成的电磁力使得等离子弧向熔池前部偏移，补偿了高速焊接时等离子弧拖后于焊矩轴向的倾向，增加了熔透深度，提高了焊接速度。焊接过程中，等离子焊枪在前方通过形成“小孔效应”进行深熔焊，因此焊接的穿透能力主要由等离子弧电源所决定，这样在得到较大熔深的前提下也减小了焊接热输入量。而后方的埋弧焊枪利用熔化极电弧使填充金属充分熔化，保证了焊接质量，同时由于埋弧焊本身所具有的较高的焊丝熔敷效率，也使得复合焊接过程的间隙填充能力大大提高。

Claims (2)

1.一种等离子-埋弧复合焊接系统，其特征是：包括等离子弧电源、埋弧焊电源、等离子焊枪、埋弧焊焊枪，等离子弧电源的负极连接等离子焊枪，等离子弧电源的正极连接高频引弧器，高频引弧器连接工件，埋弧焊电源的正极连接设置有送丝机构的埋弧焊焊枪，埋弧焊电源的负极连接工件，等离子弧电源和埋弧焊电源均连接控制装置，等离子焊枪的轴线与工件垂直，埋弧焊焊枪的轴线与等离子焊枪的轴线之间的夹角为15°-75°，埋弧焊焊枪和等离子焊枪之间设置水冷铜隔板。

2.一种等离子-埋弧复合焊接方法，其特征是：采用如下焊接系统：

包括等离子弧电源、埋弧焊电源、等离子焊枪、埋弧焊焊枪，等离子弧电源的负极连接等离子焊枪，等离子弧电源的正极连接高频引弧器，高频引弧器连接工件，埋弧焊电源的正极连接设置有送丝机构的埋弧焊焊枪，埋弧焊电源的负极连接工件，等离子弧电源和埋弧焊电源均连接控制装置，等离子焊枪的轴线与工件垂直，埋弧焊焊枪的轴线与等离子焊枪的轴线之间的夹角为15°-75°，埋弧焊焊枪和等离子焊枪之间设置水冷铜隔板；

(1)将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或X形坡口，工件安装定位就绪后，将等离子焊枪与埋弧焊焊枪组成复合焊枪；

(2)焊接前，调节等离子焊枪与埋弧焊焊枪之间水冷铜隔板的位置和角度，使得水冷铜隔板不与工件发生碰撞摩擦，且能阻挡焊剂进入等离子区域；沿焊接方向使等离子焊枪位于埋弧焊焊枪的前方；

(3)设定等离子弧的焊接电流50-500A，钨极内缩量0.5-2.5mm，离子气流量1.0-2.0L/min，保护气流量10-25L/min，等离子焊枪喷嘴与工件之间的距离1.0-5.0mm，设定埋弧焊的焊接电流100-1000A、电弧电压20-50V、焊丝直径2-6mm、送丝速度0.5-2.0m/min、焊丝干伸长30-40mm，设定焊接速度0.2-1.5m/min；

(4)开启埋弧焊电源和等离子弧电源，启动高频引弧器，引燃等离子弧，再引燃埋弧焊电弧，焊接时等离子焊枪在前对工件进行局部预热，形成小孔效应，埋弧焊枪在后填充等离子弧焊留下的空隙，通过移动复合焊枪或工件进行焊接，直至焊接结束。