CN104907716B

CN104907716B - 一种等离子弧与mig电弧距离可调式智能复合焊炬

Info

Publication number: CN104907716B
Application number: CN201510380280.8A
Authority: CN
Inventors: 张洪涛; 纪昂; 高丙路; 邹俊; 邹华进; 张文杰
Original assignee: Weihai Donghai Shipyard Co Ltd; Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Weihai Donghai Shipyard Co Ltd; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: CN104907716A

Abstract

本发明属于焊接设备技术领域，涉及将等离子弧与MIG电弧进行复合的焊炬。该复合焊炬包括等离子发生器、脉冲MIG焊枪、焊枪支架、焊枪支座、保护气罩、齿条、齿条支撑架、连接板、步进电机、控制系统、电流信号采集器；焊枪支架上安装有卡箍，等离子发生器通过卡箍固定在焊枪支架上；齿条支撑架固定在焊枪支架上；脉冲MIG焊枪通过连接板与齿条相连；步进电机上自带齿轮，驱动齿条；等离子发生器和脉冲MIG焊枪的下端穿过焊枪支座；焊枪支座和焊枪支架之间通过支架筋板固定；焊枪支座下方接有保护气罩，其上设有保护气接口；电流信号采集器与控制系统连接，控制系统与步进电机连接。本发明的复合焊炬能够实现稳定、高效、优质的复合焊接。

Description

一种等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬

技术领域

本发明属于焊接设备技术领域，具体涉及一种将等离子弧与MIG电弧进行复合的焊炬。

背景技术

等离子弧是近代发展起来的一种高能束，它是通过等离子发生器压缩自由电弧，形成的高温、高电离度和高能量密度的电弧。等离子弧焊接，具有能量密度高、热量集中的特点，因此熔深较大，焊缝热影响区小，易得到高质量的焊缝成形和组织。1972年，荷兰Philips研究实验中心的W. G. Essers和A.C. Liefkens等人首次提出了等离子-MIG复合热源焊接方法。其主要思想是将等离子焊与熔化极气体保护焊结合，让焊丝进入等离子弧，并在等离子弧内引燃MIG电弧。这种复合属于“同轴式”等离子-MIG复合，应用的焊枪包括“偏置钨极式”和“喷嘴式”。而在1995年，乌克兰巴顿焊接研究所研制出了旁轴式等离子-MIG复合焊接设备，它的主要思想是等离子弧在前形成匙孔，MIG电弧在后填充焊丝，焊丝在两电弧热量的共同作用下熔化，形成熔滴进入熔池。相比于同轴式等离子-MIG复合焊接设备，该焊接方法具有设备相对简单，熔深大，焊接效率更高的优势。但是由于两个电弧处于并列位置，所以会出现相互干扰的现象，一般MIG电弧会对等离子弧产生拖拽，减少熔深。原巴顿焊接研究所的IGOR博士所带领的团队提出来“softstart”引弧专利，但只是消除了在引弧过程中所产生的电磁干扰，增加了等离子电极的寿命，在电弧干扰方面并没发挥作用。

发明内容

本发明的目的在于克服旁轴式等离子-MIG复合焊接技术中电弧相互干扰的不足和局限，提供一种将等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，包括等离子发生器、脉冲MIG焊枪、焊枪支架、支架筋板、卡箍、焊枪支座、保护气罩、保护气接口、齿条、齿条支撑架、连接板、步进电机、控制系统、电流信号采集器；焊枪支架上安装有卡箍，等离子发生器通过卡箍固定在焊枪支架上；齿条支撑架固定在焊枪支架上，齿条从齿条支撑架中穿过，脉冲MIG焊枪通过卡箍固定在连接板上，连接板与齿条相连；步进电机上自带齿轮，与齿条啮合，驱动齿条；等离子发生器和脉冲MIG焊枪的下端穿过焊枪支座，并受到焊枪支座的约束；焊枪支座和焊枪支架之间通过支架筋板固定；焊枪支座下方接有保护气罩，保护气罩上设有保护气接口；电流信号采集器与控制系统连接，控制系统与步进电机连接。

卡箍通过内置螺钉分别与焊枪支架和连接板连接，并可自由旋转。通过卡箍，等离子发生器和MIG焊枪均可自由调节姿态。

焊枪支座上设有一个孔和一个长槽，等离子发生器穿过孔，而MIG焊枪穿过长槽并可以在长槽内移动。

长槽上覆盖风琴状保护罩，可以防止保护气外泄。

在本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬中，采用步进电机和齿轮传动方式实现MIG焊接模块的往复移动。步进电机可以通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动，稳定可靠。精加工能够消除齿轮之间的啮合间隙，可以实现精确的正反转。

在本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬中，等离子弧和MIG电弧之间的最大距离应不超过20mm，最小距离应不小于1mm。稳定焊接过程中，MIG电弧的移动距离大小范围为0~10mm，移动频率为0~200Hz。

在本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬中，控制系统可以采用单片机、PLC控制器。

在本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬中，等离子发生器采用直流正接方式，MIG焊枪的电流模式以及接法根据焊件材料及其他相关条件来设定，范围较宽。

本发明等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬的一个技术核心是等离子弧与脉冲MIG的复合。脉冲MIG焊接方法具有较宽的电流调节范围，在工作电流范围内包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域，同时适用于薄板和厚板的焊接。另外，采用脉冲MIG焊接时，由于平均电流较小，因而熔池体积小，加上熔滴过渡和熔池金属的加热都是间歇性的，所以不易发生流淌，所以可以将等离子-MIG复合焊接方法应用于全位置焊接。此外，由于脉冲MIG焊接可以有效地控制热输入量，所以可以改善接头的性能，对于热敏感材料也同样适用。总的来说，脉冲MIG与等离子弧的复合很大程度地扩大了等离子-MIG复合焊接的应用范围，同时还可以得到性能更好的焊接效果。

本发明等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬的另一个技术核心是MIG焊枪的智能移动。即启弧时，MIG电弧与等离子电弧间的距离为最大，两电弧都稳定燃烧后，MIG电弧开始移动：当电流处于脉冲基值时，MIG电弧会向等离子弧靠近，此时电弧之间影响较小，等离子弧对焊丝产生预热作用；当电流处于脉冲峰值时，MIG电弧会做远离等离子弧的运动，等离子弧的预热作用减弱。如此交替往复，实现焊接过程的稳定进行。MIG电弧的智能移动可以尽可能降低两个电弧之间的影响，从而使得焊接过程更加稳定。同时，由于MIG焊枪以脉冲频率前后移动，在惯性的作用下可以促进熔滴过渡。另外，脉冲电弧本来就有加强熔池搅拌的作用，在本发明中，移动的脉冲电弧的熔池搅拌能力会更强，所以可以有效改善熔池冶金性能、细化晶粒以及消除气孔，实现稳定、高效、高质量的焊接。

本发明等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬的第三个技术核心是利用电流信号采集器来采集MIG电弧的电流信号，然后通过控制系统来控制步进电机，利用齿条传动来实现MIG焊枪的往复移动。步进电机可以通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动，稳定可靠。精加工能够消除齿轮之间的啮合间隙，可以实现精确的正反转。这是MIG焊接模块有效移动的关键。

本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，通过控制系统实现MIG电弧的智能移动，减小等离子弧和MIG电弧间的电磁影响，从而使得焊接过程更加稳定。同时由于MIG焊枪以脉冲频率前后移动，在惯性的作用下可以促进熔滴过渡。另外，MIG电弧的前后移动也可以提升其对熔池的搅拌能力，能够改善熔池冶金性能、细化晶粒以及消除气孔等，实现稳定、高效、优质的复合焊接。

附图说明

图1是本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬进行详细的说明。

如图1所示，本发明的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，包括等离子发生器5、脉冲MIG焊枪15、焊枪支架3、支架筋板12、卡箍4、焊枪支座13、保护气罩16、齿条8、齿条支撑架7、连接板6、步进电机9、控制系统11、电流信号采集器10；焊枪支架3上安装有卡箍4，等离子发生器通5过卡箍4固定在焊枪支架3上；齿条支撑架7固定在焊枪支架3上，齿条8从齿条支撑架7中穿过，脉冲MIG焊枪15通过卡箍固定在连接板6上，连接板6与齿条8相连；步进电机9上自带齿轮，与齿条8啮合，驱动齿条；等离子发生器5和脉冲MIG焊枪15的下端穿过焊枪支座13，并受到焊枪支座13的约束；焊枪支座13和焊枪支架3之间通过支架筋板12固定；焊枪支座13下方接有保护气罩16，保护气罩16上设有保护气接口14。

等离子发生器5与等离子电源1连接。脉冲MIG焊枪15与MIG焊接电源2连接。电流信号采集器10与控制系统11连接，控制系统11与步进电机9连接。

焊枪支座13上设有一个孔和一个长槽，等离子发生器穿过孔，而脉冲MIG焊枪穿过长槽并可以在长槽内移动。长槽上覆盖风琴状保护罩，可以防止保护气外泄。

脉冲MIG焊枪移动的执行机构主要部件为1台型号为55BF009的四相磁阻式步进电机，电流为3A，步距角为0.9/1.8。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给1个脉冲信号，电动机就转动1个角度或前进一步。

脉冲MIG焊枪的控制系统主要部件为一台LHB-300A型霍尔传感器，一台松下公司生产的FPO型PLC，PLC的主模块端口用来向步进电机发出控制信号，并协助完成显示工作。加入一个FPO-A80的8路A/D转换模块。其中1路的输入量作为步进电机脉冲信号频率的控制；1路输入量作为MIG焊接模块移动距离的控制；另外2路输入量作为焊接工艺中MIG焊接模块移动方向的控制。此外还加入了一个FPO-E32T的16入/16出的端口扩展模块，来实现以上参数的显示。

设定脉冲频率也即移动频率为50Hz，等离子弧和MIG电弧之间的最大距离为15mm，最小距离应为5mm。稳定焊接过程中，MIG焊接模块的移动距离大小为10mm。

采用齿轮齿条传动方式实现MIG焊接模块的往复移动。精加工能够消除齿轮之间的啮合间隙，可以实现精确的正反转。

在本实例中，等离子发生器采用直流正接方式，脉冲MIG焊枪采用直流反接方式。

以下为等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬的工作过程。

（1）启弧前，MIG焊接模块移至远离等离子发生器模块一端。

（2）焊枪完成启弧后，霍尔传感器会将MIG电弧电流信号采集到控制系统，控制系统会根据电流的值和变化趋势来控制MIG电弧的移动，即霍尔传感器的电压作为输入量，决定MIG焊接模块的移动方向。当电流处于脉冲基值时，MIG电弧会向等离子弧靠近，此时电弧之间影响较小，等离子弧对焊丝产生预热作用；当电流处于脉冲峰值时，MIG电弧会做远离等离子弧的运动，等离子弧的预热作用减弱。如此交替往复，实现焊接过程的稳定进行。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，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

1.一种等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，其特征在于：包括等离子发生器、脉冲MIG焊枪、焊枪支架、支架筋板、卡箍、焊枪支座、保护气罩、保护气接口、齿条、齿条支撑架、连接板、步进电机、控制系统、电流信号采集器；焊枪支架上安装有卡箍，等离子发生器通过卡箍固定在焊枪支架上；齿条支撑架固定在焊枪支架上，齿条从齿条支撑架中穿过，脉冲MIG焊枪通过卡箍固定在连接板上，连接板与齿条相连；步进电机上自带齿轮，与齿条啮合，驱动齿条；等离子发生器和脉冲MIG焊枪的下端穿过焊枪支座，并受到焊枪支座的约束；焊枪支座和焊枪支架之间通过支架筋板固定；焊枪支座下方接有保护气罩，保护气罩上设有保护气接口；电流信号采集器与控制系统连接，控制系统与步进电机连接。

2.根据权利要求1所述的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，其特征在于：卡箍通过内置螺钉分别与焊枪支架和连接板连接，并可自由旋转。

3.根据权利要求1所述的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，其特征在于：焊枪支座上设有一个孔和一个长槽，等离子发生器穿过孔，而MIG焊枪穿过长槽并可以在长槽内移动。

4.根据权利要求3所述的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，其特征在于：长槽上覆盖风琴状保护罩，用于防止保护气外泄。

5.根据权利要求1所述的等离子弧与MIG电弧距离可调式智能复合焊炬，其特征在于：控制系统采用单片机或PLC控制器。