CN105215525B - 旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法，包括等离子焊接电源、旁路热丝等离子焊枪、高频引弧器、电流传感器、旁路分流控制模块和控制系统，在进行穿孔等离子弧焊时，采用更为高效的送丝方式和旁路电弧热丝技术来获得很高的焊丝熔化效率，以对等离子弧产生的空隙进行高效填充，并利用旁路分流精确控制母材的热输入，以获得理想的熔滴过渡模式和焊缝成形，减少焊接缺陷。本发明很好地结合了旁路分流的热输入低、等离子的穿透能力强、旁路电弧热丝的熔化效率高等优势，既能实现对填充焊丝的高效、稳定加热，又能保证对焊接工件的有效熔透，可在保证工件低热输入焊接的同时，实现中厚壁金属的一次单面焊双面成形。

Description

旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种焊接装置，尤其涉及一种旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法。

背景技术

开发和推广高效、高可靠性和低能耗的焊接技术是制造业可持续发展的需要，也是先进焊接技术的发展方向。传统电弧焊工艺(手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等)由于成本低、操作简单、适应性强，仍然是制造大型金属结构，如船壳和压力容器的最常用工艺手段。但是，由于电弧的熔透能力所限，对于中厚壁金属结构件的连接，母材往往需要单面或双面开坡口进行多道多层焊，由此带来了成本增加、生产效率降低、热影响区扩大以及焊接变形等问题。因此，如何提高电弧的熔透能力与能量利用率成为解决上述问题的关键。

1957年，美国人Robert Gage发明了等离子弧焊(美国专利号：2806124)，通过喷嘴造成的气体集中和机械压缩的联合作用使自由电弧的弧柱被强烈压缩，从而显著提高了电弧的温度、能量密度和等离子流速。由于等离子射流可以直接穿透被焊工件，形成贯穿工件厚度方向的小孔，因而，穿孔等离子弧焊与激光焊、电子束焊同被归入到高能密度焊。而且，与激光和电子束相比，穿孔等离子弧焊在设备造价、维护费用、设备操作复杂程度及焊枪运动灵活性等方面具有明显优势。对于中厚度(≤12mm)金属材料，穿孔等离子弧焊可以在不开坡口、不需背面强制成形保护条件下，实现单面一次焊双面良好成形，从而极大地提高了焊接生产率，尤其适用于密闭容器、小直径管焊缝等背面难于施焊的结构件。填充焊丝可以保证穿孔等离子弧焊接过程的稳定性，降低对工件装配精度的要求，防止焊穿并形成一定的焊缝余高，在实际生产中得到广泛应用。但是，传统等离子填丝焊过程中，焊丝与电极几乎成90角，焊枪端部体积大、定位可靠性差，且送丝装置决定了焊枪只能朝一个方向焊接。

在一种旁路分流双面电弧焊装置及焊接方法(专利号101530943)中公布了一种以一个焊接电源、主焊枪、副焊枪、旁路焊枪、引弧器、电流传感器、旁路电阻器及控制系统等组成，将主、副焊枪对称置于工件两侧，并分别与焊接电源的两极相连，所述的旁路焊枪是钨极氩弧焊枪、施加于主焊枪的一侧作为旁路来分流一部分流经母材的焊接电流得焊接方法。这种方法虽然也能有效地控制对母材的热输入量，但是该方法通过使用双面焊的方式增加熔深，提高熔敷效率，导致该方法对工件的装配固定与焊接位置的要求较高，且焊接装置的安装与调节较为复杂，同时由于TIG与MIG电弧的熔深能力有限，可以焊接的钢板板厚也有一定的限制，板厚较大时使用上述方法难得得到理想效果。

基于上述研究现状，本发明提出了一种旁路热丝等离子弧焊接新方法，在进行穿孔等离子弧焊时，采用更为高效的送丝方式(将焊丝直接送入到等离子弧的中心)和旁路电弧热丝技术来获得很高的焊丝熔化效率，以对等离子弧产生的空隙进行高效填充，并利用旁路分流精确控制母材的热输入，以获得理想的熔滴过渡模式和焊缝成形，减少焊接缺陷。该焊接技术很好地结合了旁路分流的热输入低、等离子的穿透能力强、旁路电弧热丝的熔化效率高等优势，既能实现对填充焊丝的高效、稳定加热，又能保证对焊接工件的有效熔透，可在保证工件低热输入焊接的同时，实现中厚壁金属的一次单面焊双面成形。由于旁路热丝等离子弧焊接的热输入较小，因此它所引起结构的焊后变形量远低于常规埋弧焊的，是一种低变形、高质量的焊接方法。此外，该工艺本质上属于电弧焊的改型，具备电弧焊的成本低、适应性强等特点，这为实现船壳、钢结构、压力容器等大型金属结构件的低成本和高效率焊接生产提供了一种新的手段。

发明内容

本发明的目的是为了实现中厚壁金属结构件的单面焊双面成形，降低焊接成本，简化坡口形式，提高焊接效率，改善焊接质量，而提供一种旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：旁路热丝等离子弧焊接装置，包括等离子焊接电源、旁路热丝等离子焊枪、高频引弧器、电流传感器、旁路分流控制模块和控制系统，所述旁路热丝等离子焊枪包括复合外壳、设置在复合外壳内的熔化极焊枪和等离子焊枪以及设置在复合外壳末端的焊枪保护气喷嘴，所述熔化极焊枪包括焊枪导管、与焊枪导管末端连接的旁路导电嘴和设置在焊枪导管内的焊丝，且所述焊丝的一端与送丝机构连接、另一端经旁路导电嘴伸出，所述等离子焊枪包括绝缘层、设置在绝缘层末端的等离子焊枪喷嘴和设置在绝缘层内的钨极，且所述钨极的末端在等离子焊枪喷嘴内部，所述焊丝与钨极之间的夹角在15°-30°之间，所述等离子焊接电源的正极通过电流传感器与工件连接，等离子焊接电源的负极与等离子焊枪连接，电流传感器还通过控制系统与旁路分流控制模块连接，所述熔化极焊枪通过旁路分流控制模块与等离子焊接电源的正极连接。

一种旁路热丝等离子弧焊接方法，包括如下步骤：

步骤一：将工件的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，坡口的形状是I型或Y型或V型，且接头留根8mm-10mm、坡口角度是45°-60°，并将工件固定在夹具上；

步骤二：焊接前，保持工件与耦合电弧的轴线垂直；

步骤三：调整焊枪保护气喷嘴距离工件的高速在2mm-10mm之间，调整等离子钨极内缩量在0.8mm-3.5mm之间，调整焊丝伸出量在10mm-30mm之间；

步骤四：设定焊接工艺参数，等离子电流在50A-500A之间，旁路电流在0A-300A之间，焊丝直径在0.8mm-1.6mm之间，离子气流量在1.0L/min-2.0L/min之间，保护气流量在10L/min-25L/min之间，送丝速度在0.5m/min-10.0m/min之间，焊接速度在0m/min-2.0m/min之间；

步骤五：开启等离子焊接电源和旁路分流控制模块，启动高频引弧器，引燃等离子弧，启动送丝机构进行焊接，焊接过程中，通过电流传感器检测流经工件的焊接电流，利用控制系统调节旁路焊接电流的大小；

步骤六：焊接过程中，等离子弧在工件上形成“穿孔效应”进行深熔焊，通过移动旁路热丝等离子焊枪或者工件进行焊接，直至焊接过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、特殊设计的送丝方式，一方面可减小焊枪的总体尺寸，使得焊接过程中不再需要考虑送丝的朝向问题，操作更加方便、灵活，可以像MIG焊一样适用于所有焊接位置，增强了机器人焊接的可达性；另一方面可保证填充焊丝直接送入到等离子弧的中心，可利用电弧最热部分熔化填充焊丝，从而提高了焊丝的熔化效率。

2、旁路的焊丝的分流作用，既可减少作用于工件的焊接热输入，又可利用旁路电流来预热、熔化填充焊丝，在保持母材低热输入焊接的同时获得很高的焊丝熔化效率，进而减小热影响区宽度和焊接变形，改善焊接质量。

3、送丝速度和旁路热丝电流独立可调，可有效控制焊丝填充量，且通过调整二者的大小和比例，可实现焊丝的短路液桥、射滴和射流等过渡方式的转变，获得理想的熔滴过渡和良好的焊缝成形。

4、该工艺采用了一个负的等离子电弧和一个正的旁路热丝电弧，形成的电磁力使得等离子弧向熔池前部偏移，因此补偿了高速焊接时等离子弧自然拖后于焊矩轴向的倾向，从而达到最快的焊接速度。

5、焊接时，对于中厚壁金属结构采用不开坡口或简化坡口的措施，无须预留工件根部间隙就可进行对接焊，可减少了焊丝填充量，简化焊接工序，在降低生产成本的同时节省了焊接材料。此外，由于焊接热输入的减小，因此它所引起的焊后变形量远远低于埋弧焊的，可减少矫正变形的工序，降低生产成本。

6、该工艺综合利用了旁路分流的热输入低、等离子弧的穿透能力强、电弧热丝的熔化效率高等优势，相比常规等离子焊更易实现中厚壁金属结构的焊接，焊丝填充效率大大提高，焊接质量明显改善，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，是一种高质量、高效的焊接工艺。

7、该工艺本质上属于电弧焊的改型，具备电弧焊的成本低、适应性强等特点，这为实现船壳、钢结构、压力容器等大型金属结构件的低成本和高效率焊接生产提供了一种新的手段。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的旁路热丝等离子焊枪的主视图；

图3是本发明的旁路热丝等离子焊枪的内部结构示意图；

图4是本发明的旁路热丝等离子焊枪的俯视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种旁路热丝等离子弧焊接装置，结合图1至图4，本发明主要由等离子焊接电源12、一把独创设计的旁路热丝等离子焊枪3、旁路分流控制模块8和电流传感器11等组成。旁路热丝等离子焊枪3是整个机构的关键部件，主要由等离子钨极4、等离子焊枪喷嘴13、旁路导电嘴15以及焊丝6等组成，焊丝6与钨极4之间的夹角很小，在15-30°之间，这种特殊设计的送丝方式既可减小焊枪的总体尺寸，又保证了焊丝直接送入到耦合电弧10的中心，提高了焊丝的熔化效率。焊接时，等离子焊接电源12的正、负极分别与工件7和等离子钨极4相连，而焊丝6通过旁路分流控制模块8后与等离子焊接电源12的正极相连。焊接时，利用等离子弧的“穿孔效应”进行深熔焊，再利用旁路热丝技术和特殊的送丝位置获得很高的焊丝熔化率，以对等离子弧产生的空隙进行有效填充。焊接过程中，利用电流传感器11检测流经母材的电流大小，再通过控制系统调节分流模块的阻值，可对流经旁路焊丝和母材的电流进行控制，进而实现对焊缝熔深和焊丝熔化效率的有效控制。

旁路热丝等离子焊枪3主要由熔化极焊枪18、等离子焊枪19及复合外壳17组成。熔化极焊枪部分主要分为焊枪导管20和与导管末端连接的旁路导电嘴15，焊丝经焊枪导管20从旁路导电嘴15伸出，指向等离子焊枪喷嘴13下方，与等离子枪中心线呈15-30°。等离子焊枪部分主要由等离子焊枪喷嘴13、钨极4、绝缘层14组成，绝缘层14夹持钨极，起到固定钨极作用并使其与等离子焊枪喷嘴13有一定距离，钨极伸入等离子焊枪喷嘴13中，末端在等离子焊枪喷嘴13内部。复合外壳17起到固定两焊枪并保持其相互之间的角度的作用，复合外壳17最末端为焊枪保护气喷嘴16，起到对保护气体的导流作用。

一种旁路热丝等离子弧焊接方法，步骤如下：

步骤1：将工件7的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，如I型、Y型或X型坡口等，接头留根8-10mm，坡口角度45°-60°，且无须预留根部间隙，可先对工件7进行点焊固定。

步骤2：焊接前，按图1所示方法连接所有焊接设备与装置，保证等离子弧轴线与待焊工件基本垂直，确保焊枪的运动路径与焊缝2轨迹一致。

步骤3：调整焊枪保护气喷嘴16距工件7的高度(2-10mm)，调整等离子钨极4内缩量(0.8-3.5mm)和焊丝6伸出量(10-30mm)，确保焊丝6直接送入到等离子弧的中心。

步骤4：根据实际结构和焊接工艺需要，设定焊接工艺参数：等离子电流50-500A，旁路电流0-300A，焊丝直径0.8-1.6mm，离子气流量1.0-2.0L/min，保护气流量10-25L/min，送丝速度0.5-10.0m/min，焊接速度0-2.0m/min等

步骤5：开启等离子焊接电源12和旁路分流控制模块8，启动高频引弧器1，引燃等离子弧，启动送丝机构5进行焊接。焊接过程中，通过电流传感器11检测流经工件的焊接电流，利用控制系统9调节旁路焊接电流的大小，实现对焊丝6和工件7的精确加热。

步骤6：焊接过程中，等离子弧在工件上形成“穿孔效应”进行深熔焊，并利用旁路电弧热丝技术和特殊的送丝位置获得很高的焊丝熔化效率，以对等离子弧产生的空隙进行有效填充，通过移动一体化焊枪或工件进行焊接，直至焊接过程结束。

本发明涉及一种旁路热丝等离子焊枪与焊接方法，它由一个等离子弧焊接电源、一把独创设计的旁路热丝等离子焊枪、IGBT分流模块(旁路分流控制模块8)和电流传感器等组成。旁路热丝等离子焊枪是整个机构的关键部件，主要由等离子枪、钨极、导丝嘴以及填充焊丝等组成，焊丝与钨极呈很小的夹角(15-30°)，这种设计减小了焊枪总体尺寸，焊接过程中不再需要考虑送丝的朝向问题，操作更加灵活，可以像MIG焊一样适用于所有焊接位置，增强了机器人焊接时对于复杂焊接结构的可达性。这种特殊设计的送丝方式，可保证焊丝直接送入到等离子弧的中心，以利用电弧最热的部分熔化焊丝，提高其熔化效率。该方法利用旁路焊丝进行分流，既可减少母材的热输入，又可利用旁路电流来预热、熔化焊丝，进而获得很高的焊丝熔化效率。焊接时，等离子电源的正、负极分别与工件和等离子枪相连，而旁路电流通过焊丝和旁路分流控制模块8后流入焊接电源的正极。焊接时，利用等离子弧的“穿孔效应”进行深熔焊，再利用旁路热丝技术和特殊的送丝位置获得很高的焊丝熔化率，以对等离子弧产生的空隙进行有效填充。焊接过程中，利用电流传感器检测流经母材的电流大小，再通过控制系统调节分流模块的阻值，可对流经旁路的焊丝和母材的电流进行控制，进而实现对接头熔深和焊丝熔化效率的有效控制。该方法有效结合了等离子弧的穿透能力强、电弧热丝的熔化效率高、旁路分流的热输入低等优势，能够在不清根和简化坡口条件下，实现中厚壁(12-25mm)金属结构的单面焊双面成形。

Claims (2)

1.旁路热丝等离子弧焊接装置，包括等离子焊接电源、旁路热丝等离子焊枪、高频引弧器、电流传感器、旁路分流控制模块和控制系统，其特征在于：所述旁路热丝等离子焊枪包括复合外壳、设置在复合外壳内的熔化极焊枪和等离子焊枪以及设置在复合外壳末端的焊枪保护气喷嘴，所述熔化极焊枪包括焊枪导管、与焊枪导管末端连接的旁路导电嘴和设置在焊枪导管内的焊丝，且所述焊丝的一端与送丝机构连接、另一端经旁路导电嘴伸出，所述等离子焊枪包括绝缘层、设置在绝缘层末端的等离子焊枪喷嘴和设置在绝缘层内的钨极，且所述钨极的末端在等离子焊枪喷嘴内部，所述焊丝与钨极之间的夹角在15°-30°之间，所述等离子焊接电源的正极通过电流传感器与工件连接，等离子焊接电源的负极与等离子焊枪连接，电流传感器还通过控制系统与旁路分流控制模块连接，所述熔化极焊枪通过旁路分流控制模块与等离子焊接电源的正极连接。

2.一种旁路热丝等离子弧焊接方法，包括权利要求1所述的旁路热丝等离子弧焊接装置，其特征在于：

步骤一：将工件的待焊部位根据需要进行表面处理和坡口加工，坡口的形状是I型或Y型或V型，且接头留根8mm-10mm、坡口角度是45°-60°，并将工件固定在夹具上；

步骤二：焊接前，保持工件与耦合电弧的轴线垂直；

步骤三：调整焊枪保护气喷嘴距离工件的高度在2mm-10mm之间，调整等离子钨极内缩量在0.8mm-3.5mm之间，调整焊丝伸出量在10mm-30mm之间；

步骤四：设定焊接工艺参数，等离子电流在50A-500A之间，旁路电流在0A-300A之间，焊丝直径在0.8mm-1.6mm之间，离子气流量在1.0L/min-2.0L/min之间，保护气流量在10L/min-25L/min之间，送丝速度在0.5m/min-10.0m/min之间，焊接速度在0m/min-2.0m/min之间；

步骤五：开启等离子焊接电源和旁路分流控制模块，启动高频引弧器，引燃等离子弧，启动送丝机构进行焊接，焊接过程中，通过电流传感器检测流经工件的焊接电流，利用控制系统调节旁路焊接电流的大小；

步骤六：焊接过程中，等离子弧在工件上形成“穿孔效应”进行深熔焊，通过移动旁路热丝等离子焊枪或者工件进行焊接，直至焊接过程结束。