CN104889543B - 气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法 - Google Patents

气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法属于焊接方法领域。本发明特征：非熔化极焊接电源内的电流以脉冲的形式进行变化，通过气流波形控制器、气流控制执行单元，结合电流脉冲波形，实现对所需调制的气路气流量的控制。通过对气、电联合控制，使气、电脉冲联合作用，从而实现对焊缝成形及质量的改善。这种焊接方法不仅极大的提高了气、电的切合度，改善了非熔化极焊接工艺，而且通过这种方法有助于改善焊缝成形，有利于提升焊缝质量。

Description

气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法
技术领域
本发明涉及一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，属于焊接方法领域。
背景技术
近年来，随着全球气候变暖和能源问题的日益突出，各国政府均对产品的轻量化提出了新的要求，铝合金、镁合金等轻质结构合金在机械制造、航空航天、汽车工业以及3C领域的应用日益广泛，有效的解决其焊接问题、开发更适于焊接轻质合金的焊接方法显得尤为重要和迫切。
钨极氩弧焊作为非熔化极焊接的一种，因其高质量的焊接而得到广泛的应用，具有如下优点：(1)氩气能有效的隔绝周围空气而它本身却不溶于金属，也不与金属反应；焊接过程中电弧还有去除表面氧化膜的作用，可以适用于各种金属，特别是有色、易氧化金属如铝、镁等的焊接。(2)钨极氩弧焊的电弧是最稳定的电弧焊接方法。即使在很小的焊接电流(<10A)下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板，超薄板焊接。但是钨极氩弧焊(TIG)自身也有很多不足。熔深浅，熔敷速度小，生产率较低，仅适用于较薄板的焊接。这些成为了这种焊接方法的最大瓶颈。
等离子弧焊作为非熔化极焊接的一种，由于其电弧的形成过程中受到了机械压缩、热压缩、电磁收缩三大效应，其电弧成为高能量密度热源，使其能够满足新的特殊工艺要求，所以在焊接过程中得到了迅速的发展和应用。穿孔型等离子弧焊接因其焊接熔深大、焊接效率高、气孔率低等潜在的优势，广泛应用于汽车、飞机、火箭、太空飞船等的焊接，成为21世纪最具发展前景和最有效的加工技术之一。但是为了进一步扩大其应用领域，改善其焊接过程中的焊缝成形和提升接头性能，需要不断对其进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有焊接方法的上述不足，进一步改善焊缝成形、提高街头性能，提供了一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法。
一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：1)由非熔化极焊接电源及控制系统输出焊接过程中的脉冲电流波形；2)气流波形控制器(10)检测由非熔化极焊接电源及控制系统输出的电流波形，获得单个电流波形周期中包括上升沿时间t2和下降沿时间t4的特征时间点，作为气流波形控制器(10)进行气流波形控制的依据；3)由气流波形控制器(10)根据获得的单个电流波形周期中的特征时间点产生气体流量控制信号供给安装在非熔化极焊枪内部气体通路中的气流控制执行单元(11)，实现对非熔化极焊接过程中不同阶段的气体流量控制。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：非熔化极焊接电源及控制系统能够模拟输出与实际焊接过程一致的电流波形或等比例的缩小的数字信号供气流波形控制器(10)检测。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：气流波形控制器(10)具有显示气流流量波形、当前气体流量和预设气体流量的功能，能够输出信号供给安装在非熔化极焊枪上的气流控制执行单元(11)，来实现非熔化极焊接过程中不同阶段的气体流量控制。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：在非熔化极焊枪上并联安装两组气体流量控制执行单元(11)，每组气体流量控制执行单元分别由串联安装的气体质量流量控制器(9)和高频电磁阀(12)组成。
进一步，所述气体质量流量控制器(13)的气体流量调节范围为
0.5～20L/min，高频电磁阀(14)的响应时间为0.01～2ms，切换频率为
50～1000Hz。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：两个气体质量流量控制器分别将各自气体通路的气体流量设置为0.5～20L/min，并在焊接过程中保持不变。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：在单个电流周期中，根据电流波形的上升时间t2和下降时间t4选取时间节点t1和t3，其中t1超前于t2位置0.1～5ms，t3超前于t4位置0.1～5ms并保证t3时间节点位于t2之后。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：对气体流量的同步控制包含以下步骤：1)在t0t1段通过气流波形控制器(10)控制一组气体流量控制执行单元将一条气路开通；2)在t1时间点通过气流波形控制器(10)控制气体流量控制执行单元将两条气路开通，并保持t1t3段时间内两条气路均为开通状态，实现气流波形峰值与电流波形峰值的同步控制，令电流和气体流量同步增大，避免因电流增大导致的电弧发散，维持焊接电弧的能量密度；3)在t3时间点通过气流波形控制器(10)控制一组气体流量控制执行单元将一条气路关闭；4)重复步骤1)至3)，直至收弧结束焊接过程。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：对气体流量的异步控制包含以下步骤：1)在t0t1段通过气流波形控制器(10)控制气体流量控制执行单元将两条气路开通；2)在t1时间点通过气流波形控制器(10)控制一组气体流量控制执行单元将一条气路关闭，并保持t1t3段时间内被关闭的气路均为关闭状态，实现气流波形峰值与电流波形峰值的异步控制，在电流波形输出脉冲的同时减小气体流量，实现电弧整体力输出的平衡，维持熔池的稳定；3)在t3时间点通过气流波形控制器(10)控制两组气体流量控制执行单元将两条气路开通；4)重复步骤1)至3)，直至收弧结束焊接过程。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述非熔化极焊接电源为等离子弧电源或钨极氩弧焊接电源。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述非熔化极焊枪为等离子弧焊枪或钨极氩弧焊枪。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述气体通路当所使用焊枪为等离子弧焊枪时，该气体通路为离子气通路；当所使用焊枪为钨极氩弧焊枪时，该气体通路为保护气通路。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述气体为惰性气体。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述气体质量流量控制器(11)的气体流量调节范围为0.5～20L/min。
所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述高频电磁阀(12)的响应时间为0.01～2ms，切换频率为50～1000Hz。
本发明的优点：本发明正对非熔化极焊接过程中单个电流波形周期中电弧在电流基值和峰值时的不同特性，对焊接过程中必须的气体流量进行控制，从而使焊接过程更加可控。对气体流量所实施的控制包括同步控制和异步控制。
焊接过程中对气体流量实施同步控制，通过在电流上升阶段加大气流输出，抑制了因电流增加导致的电弧发散，维持电弧热源宽度的一致性，减少因热源边界变化导致的焊缝成形缺陷。
焊接过程中对气体流量实施异步控制，在电流上升阶段减小气流输出，可平衡因电流增大导致的电弧力输出增大，维持了电弧力输出的一致性，减少因热源深度变化导致的焊缝成形缺陷。
附图说明
图1本焊接法中钨极氩弧焊系统的实施装置示意图
图2本焊接法中等离子弧焊系统的实施装置示意图
图3本焊接法中气电脉冲联合作用的波形图
图中：1、钨极氩弧焊焊接电源及控制系统，2、焊接电缆A，3、TIG焊枪，4、保护气管路，5、保护气瓶，6、TIG电弧，7、工件，8、焊接电缆B，9、气体质量流量控制器，10、气流波形控制器，11、气流控制执行单元，12、高频电磁阀。
13、离子焊接电源及控制系统，14、等离子焊枪，15、离子气管路，16、离子气瓶，17、等离子电弧。
具体实施方式
以下参考附图具体说明本发明的实施方式。图1所示为本焊接法中钨极氩弧焊系统的实施装置示意图，图2为本焊接法中等离子弧焊系统的实施装置示意图，图3为本焊接法中气电脉冲联合作用的波形图。其中在等离子弧焊中，焊枪的保护气路和水路都与普通变极性等离子焊接相同，所以不再进行说明。
结合图1和图3、图2和图3对此焊法的具体实施步骤进行详细的说明：
图1和图3为此焊法的实施方式之一：气电脉冲联合作用非熔化极气体保护焊的钨极氩弧焊部分，对具体实施步骤进行详细说明：
步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊部位打磨、清洗后，将其固定于焊接工装夹具上；
步骤二：按照图1所示，进行电路、气路的连接，使钨极氩弧焊枪垂直至于待焊部位上部，并将气流波形控制器、保护气控制执行单元接入系统中；
步骤三：设定焊接工艺参数：焊接电流30～500A，焊接速度0.1～0.3m/min，弧高2～8mm，保护气流量12～20L/min，峰值持续时间1～99ms，基值持续时间1～99ms；
步骤四：选取脉冲焊接电流波形单个周期中的时间节点以设定气流波形控制器中的关键时间点t1、t2、t3和t4，其中t1超前于t2位置0.1～5ms；t3超前于t4位置0.1～5ms；
步骤五：在步骤四基础上，结合一组离子气控制执行单元，实现对保护气流量的同步控制或异步控制，当选择实现同步控制时，使得t1t3段将两条气路开通，自t3时刻起至下一周期的t1时刻止，关闭两条气路中的一条，循环往复；当选择实现异步控制时，使得t1t3段将两条气路中的一条气路关闭，自t3时刻起至下一周期的t1时刻止，开通两条气路，循环往复；
步骤六：在设置焊接工艺参数完成后，开启保护气阀门、钨极氩弧焊接电源、气流波形控制器、保护气控制执行单元，进行焊接，直至完成工件的焊接。
图2和图3为此焊法的实施方式之二：气电脉冲联合作用非熔化极气体保护焊的等离子焊部分，对具体实施步骤进行详细说明：
步骤一：同方式一的步骤一；
步骤二：按照图1所示，进行电路、气路的连接，使等离子焊枪垂直至于待焊部位上部，并将气流波形控制器、离子气控制执行单元接入系统中；
步骤三：设定焊接工艺参数：焊接电流30～500A，焊接速度0.1～0.3m/min，弧高2～8mm，保护气流量10～20L/min，离子气流量0.5～4.5L/min，峰值持续时间1～99ms，基值持续时间1～99ms；
步骤四、五：同方式一的步骤四、五；
步骤六：在设置焊接工艺参数完成后，开启保护气阀门、离子气阀门、等离子焊接电源、气流波形控制器、离子气控制执行单元，进行焊接，直至完成工件的焊接。
实施例1
本实施例的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，以气电脉冲联合作用的等离子同步控制焊接为例，具体操作如下
步骤一：焊接前，将待焊工件5mm厚铝合金板的待焊部位打磨、清洗后，将其固定于焊接工装夹具上；
步骤二：按照图2所示，进行电路、气路的连接，使等离子焊枪垂直至于待焊部位上部，并将气流波形控制器、离子气控制执行单元接入系统中；
步骤三：设定焊接工艺参数：焊接电流80/120A，焊接速度0.1m/min，弧高4mm，保护气流量16.0L/min，离子气流量3.0L/min和4.0L/min，保护气和离子气均采用99.99％的氩气，峰值时间为25ms，基值时间为6ms；
步骤四：选取脉冲电流波形单个周期中的时间节点以设定气流波形控制器中的关键时间点t1、t2、t3和t4，其中t1超前于t2位置3ms；t3超前于t4位置3ms；
步骤五：根据步骤四，通过一组离子气控制执行单元，使得t1t3段将两条气路开通使离子气流量为4.0L/min，自t3时刻起至下一周期的t1时刻止，关闭两条气路中的一条使离子气流量为3.0L/min，循环往复
步骤六：在设置焊接工艺参数完成后，开启保护气阀门、离子气阀门、等离子焊接电源、气流波形控制器、离子气控制执行单元，进行焊接，直至完成工件的焊接。
本实施例显著提高了焊接过程的稳定性和工艺裕度。

Claims (8)

1.一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，该方法是按照如下步骤进行：
(1)由非熔化极焊接电源及控制系统输出焊接过程中的脉冲电流波形；
(2)气流波形控制器(10)检测由非熔化极焊接电源及控制系统输出的电流波形，获得单个电流波形周期中包括上升沿时间t2和下降沿时间t4的特征时间点，作为气流波形控制器(10)进行气流波形控制的依据；
(3)由气流波形控制器(10)根据获得的单个电流波形周期中的特征时间点产生气体流量控制信号供给安装在非熔化极焊枪内部气体通路中的气流控制执行单元(11)，实现非熔化极焊接过程中不同阶段的气体流量控制；
在单个电流周期中，根据电流波形的上升时间t2和下降时间t4选取时间节点t1和t3，其中t1超前于t2位置0.1～5ms，t3超前于t4位置0.1～5ms并保证t3时间节点位于t2之后；
其特征在于：
对气体流量的同步控制包含以下步骤：
(1)在t0t1段通过气流波形控制器(10)控制一组气流控制执行单元将一条气路开通；
(2)在t1时间点通过气流波形控制器(10)控制气流控制执行单元将两条气路开通，并保持t1t3段时间内两条气路均为开通状态，实现气流波形峰值与电流波形峰值的同步控制，令电流和气体流量同步增大，避免因电流增大导致的电弧发散，维持焊接电弧的能量密度；
(3)在t3时间点通过气流波形控制器(10)控制一组气流控制执行单元将一条气路关闭；
(4)重复步骤(1)至(3)，直至收弧结束焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：非熔化极焊接电源及控制系统能够模拟输出与实际焊接过程一致的电流波形或等比例的缩小的数字信号供气流波形控制器(10)检测。
3.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：气流波形控制器(10)具有显示气流流量波形、当前气体流量和预设气体流量的功能，能够输出信号供给安装在非熔化极焊枪上的气流控制执行单元(11)，来实现非熔化极焊接过程中不同阶段的气体流量控制。
4.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：在非熔化极焊枪上并联安装两组气流控制执行单元(11)，每组气流控制执行单元分别由串联安装的气体质量流量控制器(9)和高频电磁阀(12)组成，两个气体质量流量控制器分别将各自气体通路的气体流量设置为0.5～20L/min，并在焊接过程中保持不变。
5.根据权利要求4所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述气体质量流量控制器(9)的气体流量调节范围为0.5～20L/min，高频电磁阀(12)的响应时间为0.01～2ms，切换频率为50～1000Hz。
6.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：
对气体流量的异步控制包含以下步骤：
(1)在t0t1段通过气流波形控制器(10)控制气流控制执行单元将两条气路开通；
(2)在t1时间点通过气流波形控制器(10)控制一组气流控制执行单元将一条气路关闭，并保持t1t3段时间内被关闭的气路均为关闭状态，实现气流波形峰值与电流波形峰值的异步控制，在电流波形输出脉冲的同时减小气体流量，实现电弧整体力输出的平衡，维持熔池的稳定；
(3)在t3时间点通过气流波形控制器(10)控制两组气流控制执行单元将两条气路开通；
(4)重复步骤(1)至(3)，直至收弧结束焊接过程。
7.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方法，其特征在于：所述非熔化极焊接电源为等离子弧电源或钨极氩弧焊接电源，非熔化极焊枪为等离子弧焊枪或钨极氩弧焊枪。
8.根据权利要求1所述的一种气电脉冲联合作用的非熔化极焊接方 法，其特征在于：所述气体通路当所使用焊枪为等离子弧焊枪时，该气体通路为离子气通路；当所使用焊枪为钨极氩弧焊枪时，该气体通路为保护气通路，气体均为惰性气体。
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