CN105397249B - 一种薄壁金属管的低热输入双直流脉冲复合电弧焊接方法 - Google Patents

一种薄壁金属管的低热输入双直流脉冲复合电弧焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置及焊接方法，包括第一直流脉冲电源、第二直流脉冲电源、主焊枪以及辅助焊枪，第一直流脉冲电源的两极分别与主焊枪和工件连接，第二直流脉冲电源的两极分别与辅助焊枪和工件连接。焊接时，沿焊接方向前后分别设置主焊枪和辅助焊枪，第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源保持设定的相位差，使得当主焊枪的电弧处于峰值阶段时，辅助焊枪的电弧处于基值维弧阶段。主电弧处于峰值阶段时辅助电弧处于基值维弧阶段，辅助电弧处于峰值阶段时主电弧处于基值维弧阶段，既保证了主电弧产生足够的熔深和辅助电弧调控熔池金属流动、延长熔池存在时间，又减小了不必要的焊接热输入。

Description

一种薄壁金属管的低热输入双直流脉冲复合电弧焊接方法
技术领域
本发明属于焊接领域，特别涉及一种低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置及焊接方法。
背景技术
直流TIG焊是目前薄壁钢管生产过程中使用的主要焊接方法之一，是钢管生产的关键技术，其决定了钢管生产的效率和质量。但是受TIG焊本身熔敷率低、熔深浅等缺点的限制，普通TIG焊很难实现高速焊接。同时大量的实际生产和理论研究均表明随着焊接电流和焊接速度的同步提高，焊接过程逐渐变得不稳定，容易出现咬边、驼峰焊道等成形缺陷，严重影响焊接质量。所以焊接速度已经成为当前薄壁钢管生产效率进一步提高的瓶颈。
直流双TIG电弧高速焊接工艺是近几年出现的一种用于薄壁钢管生产的新型焊接工艺。该工艺通过沿焊接方向前后列置两个TIG电弧，前置TIG电弧(主电弧)主要用来获得足够的熔深，后置TIG电弧(辅助电弧)采用较小的电流用以阻止熔池金属向熔池尾部的堆积以及延长熔池存在时间，有效地消除咬边和驼峰焊道，保证焊缝表面成形，大幅度提高焊接速度。
但是直流双TIG电弧焊接工艺在焊接过程中热输入较大以及两电弧的列置排列，使得焊缝及热影响区金属高温停留时间长，造成焊接接头晶粒的长大较为严重，会造成接头力学性能的下降。如对于铁素体不锈钢管，焊缝及焊接热影响区晶粒的严重长大不仅会降低焊缝的力学性能，还会造成其抗腐蚀能力的下降。所以目前最大的问题在于如何在提高焊接速度保持其焊接速度快、成形良好的优点基础之上，大幅度降低焊接热输入来有效地防止接头晶粒的长大，保证焊缝金属的力学性能，同时还可以降低焊接生产能耗，实现薄壁金属管的高效节能焊接生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置及焊接方法，该方法不但可以实现高速焊接，获得良好的焊缝成形，还可以大幅度降低焊接热输入，抑制焊接接头的晶粒严重长大，同时降低焊接生产能耗，实现低热输入焊接生产。
为了解决以上问题，本发明的技术方案为：
一种低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置，包括第一直流脉冲电源、第二直流脉冲电源、主焊枪、辅助焊枪以及相位控制器，第一直流脉冲电源的两极分别与主焊枪和工件连接，第二直流脉冲电源的两极分别与辅助焊枪和工件连接，相位控制器分别与第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源连接。
所述的低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置在金属管焊接中的应用。
上述焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：焊接时，沿焊接方向前后分别设置主焊枪和辅助焊枪，第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源保持设定的相位差，使得当主焊枪的电弧处于峰值阶段时，辅助焊枪的电弧处于基值维弧阶段。
该方法采用两台独立的直流脉冲TIG电源、两把TIG焊枪及其夹持装置和控制两焊接电流脉冲相位差的相位控制器。焊接过程中前后两电弧的脉冲相位差根据工件厚度、焊接速度可以在0～180°范围内设定。主电弧处于峰值阶段时，辅助电弧处于基值维弧阶段，这样既可以使主电弧产生足够的熔深，保证背面成形，又减小了此时辅助电弧不必要的热输入，避免增大焊接热输入。而当熔池金属在主电弧压力的作用下向熔池尾部流动堆积过程中，主电弧迅速降低至基值维弧阶段，辅助电弧随着电流的急速上升达到峰值阶段。一方面持续对堆积的熔池金属持续加热，延长其处于液态时间，为其回流填充熔池下塌提供时间；另一方面峰值电流下的电弧具有较大的电弧力，对堆积的熔池金属具有较强的推动作用，促使其快速回流，从而有效地阻止熔池金属向尾部的堆积和延长熔池存在时间。因此，分别采用直流脉冲焊接电流来代替直流恒流焊接电流可以大幅度降低了主辅电弧对工件的焊接热输入。
优选的，所述相位差为0-180°。
优选的，第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源的直流脉冲为矩形波、锯齿波、尖脉波或阶梯波。
进一步优选的，直流脉冲的波形为方波，脉冲占空比为50％，相位差为180°。
优选的，所述第一直流脉冲电源的平均电流为200-400A，第二直流脉冲电源的平均电流为100-200A。第二直流脉冲电流应当小于第一直流脉冲电流，较大的第一直流脉冲电流可以确保获得足够的熔深，而合适的第二直流脉冲电流则可以在保证对熔池足够的调控前提下，降低热输入。
优选的，焊接时，所述主焊枪与工件之间的夹角为70-85°，辅助焊枪与工件之间的夹角为60-75°。70-85°的主焊枪倾角有利于产生较大的熔深，60-75°的辅助焊枪倾角有利于产生足够的电弧推力。
优选的，焊接时，所述主焊枪的钨极尖端距工件的距离为1-3mm，辅助焊枪的钨极尖端距工件的距离为2-5mm。辅助焊枪钨极高度应当大于主焊枪钨极高度，较低的主焊枪钨极有利于产生较大熔深，较高的辅助焊枪钨极可以避免熔池尾部堆积与辅助钨极接触。
优选的，第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源的脉冲频率相等。
上述焊接方法在薄壁金属管焊接中的应用。薄壁是指壁厚不大于5mm。
本发明的有益效果为：
该焊接方法采用直流脉冲代替直流恒流，较之普通双TIG焊接具有如下显著优势：主电弧处于峰值阶段时辅助电弧处于基值维弧阶段，辅助电弧处于峰值阶段时主电弧处于基值维弧阶段，既保证了主电弧产生足够的熔深和辅助电弧调控熔池金属流动、延长熔池存在时间，又减小了不必要的焊接热输入，降低了焊接生产能耗；可以有效抑制焊缝及热影响区的晶粒长大，提高焊缝的力学性能，还可以降低不锈钢管在焊接热过程对焊缝及焊接热影响区耐腐蚀能力的影响；在熔池金属向熔池尾部堆积过程中，主电弧迅速降低至基值，减小了熔池金属向后流动的趋势，有利于抑制咬边、驼峰焊道等成形缺陷的产生，从而进一步提高了焊接速度。
附图说明
图1为直流脉冲双TIG高速焊接原理图；
图2为焊接电流的脉冲波形为方形时的示意图。
其中，1、第一直流脉冲电源，2、主焊枪，3、辅助焊枪，4、第二直流脉冲电源，5、工件，6、相位控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种低热输入双直流脉冲复合电弧焊接装置，包括第一直流脉冲电源1、第二直流脉冲电源4、主焊枪2以及辅助焊枪3，第一直流脉冲电源1的两极分别与主焊枪2和工件5连接，第二直流脉冲电源4的两极分别与辅助焊枪3和工件5连接。该焊接装置还包括相位控制器6，相位控制器6分别与第一直流脉冲电源1和第二直流脉冲电源4连接，用于调节第一直流脉冲电源1和第二直流脉冲电源4之间的相位差。
如图1和图2所示，利用上述焊接装置进行焊接的方法如下：通过相位控制器6控制两焊机的先后启动，先启动第一直流脉冲电源1，使主焊枪2引燃主电弧，然后启动第二直流脉冲电源4，使辅助焊枪3引燃辅助电弧，主电弧和辅助电弧保持Δθ的相位差，使得主电弧处于峰值IP1阶段时，辅助电弧处于基值Ib2维弧阶段。根据实际生产情况的不同，通过调节主焊枪2和辅助焊枪3的倾角70°-85°；辅助焊枪3的倾角调节范围为：60°-75°)，主焊枪2和辅助焊枪3之间的间距10-25mm，主焊枪2和辅助焊枪3的高度(主焊枪1的钨极尖端与工件之间的距离范围为：1-3mm；辅助焊枪2的钨极尖端与工件之间的距离范围为：2-5mm)，以及焊接电流、相位差及其他脉冲参数等实现两电弧稳定的配合，从而实现优质高效的焊接。
实施例1
以Φ48×1.5mm 409L铁素体不锈钢管的生产为实例具体说明直流脉冲双TIG电弧高速焊接工艺的实施。
选择两台相同的数字逆变式直流脉冲TIG电源作为第一直流脉冲电源1和第二直流脉冲电源4，其脉冲波形为方波，脉冲占空比为50％。第一直流脉冲电源1的平均焊接电流设定为240A，脉冲频率为20Hz，第二直流脉冲电源4的平均电流设定为160A，脉冲频率同样为20Hz，主焊枪2的角度为80°，辅助焊枪3的角度为65°，两钨极间距21mm，主焊枪 2钨极尖端距工件1.2mm，辅助焊枪3钨极尖端距工件2.5mm，焊接速度为4.5m/min。
通过相位控制器6先后引燃主辅电弧，使其相位差为180°，通过两电弧稳定的配合实现高速焊接，获得高质量的焊缝。
实施例2
以Φ32×1.2mm 409L铁素体不锈钢管的生产为实例具体说明直流脉冲双TIG电弧高速焊接工艺的实施。
选择两台相同的数字逆变式直流脉冲TIG电源作为第一直流脉冲电源1和第二直流脉冲电源4，其脉冲波形为锯齿波，脉冲占空比为30％。第一直流脉冲电源1的平均焊接电流设定为300A，脉冲频率为30Hz，第二直流脉冲电源4的平均电流设定为150A，脉冲频率同样为30Hz，主焊枪2的角度为80°，辅助焊枪3的角度为65°，两钨极间距21mm，主焊枪2钨极尖端距工件1.2mm，辅助焊枪3钨极尖端距工件2.5mm，焊接速度为6.0m/min。
通过相位控制器6先后引燃主辅电弧，使其相位差为120°，通过两电弧稳定的配合实现高速焊接，获得高质量的焊缝。
实施例3
以2.0mm厚409L铁素体不锈钢薄板焊接为实例具体说明直流脉冲双TIG电弧高速焊接工艺的实施。
选择两台相同的数字逆变式直流脉冲TIG电源作为第一直流脉冲电源1和第二直流脉冲电源4，其脉冲波形为阶梯波，脉冲占空比为40％。第一直流脉冲电源1的平均焊接电流设定为300A，脉冲频率为10Hz，第二直流脉冲电源4的平均电流设定为200A，脉冲频率同样为10Hz，主焊枪2的角度为80°，辅助焊枪3的角度为65°，两钨极间距21mm，主焊枪2钨极尖端距工件1.2mm，辅助焊枪3钨极尖端距工件2.5mm，焊接速度为3.0m/min。
通过相位控制器6先后引燃主辅电弧，使其相位差为150°，通过两电弧稳定的配合实现高速焊接，获得高质量的焊缝。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种薄壁金属管的低热输入双直流脉冲复合电弧焊接方法，其特征在于：使用到的焊接装置包括第一直流脉冲TIG电源、第二直流脉冲TIG电源、主焊枪、辅助焊枪以及相位控制器，第一直流脉冲TIG电源的两极分别与主焊枪和工件连接，第二直流脉冲TIG电源的两极分别与辅助焊枪和工件连接；相位控制器分别与第一直流脉冲电源和第二直流脉冲电源连接，主焊枪和辅助焊枪均为TIG焊枪；
焊接方法包括如下步骤：焊接时，沿焊接方向前后分别设置主焊枪和辅助焊枪，第一直流脉冲TIG电源和第二直流脉冲TIG电源保持设定的相位差，使得当主焊枪的电弧处于峰值阶段时，辅助焊枪的电弧处于基值维弧阶段；
第一直流脉冲TIG电源的平均电流为240-400A，第二直流脉冲TIG电源的平均电流为100-160A；
焊接时，所述主焊枪与工件之间的夹角为70-85°，辅助焊枪与工件之间的夹角为60-75°；主焊枪和辅助焊枪之间的间距10-25mm；
焊接时，所述主焊枪的钨极尖端距工件的距离为1-3mm，辅助焊枪的钨极尖端距工件的距离为2-5mm，辅助焊枪的钨极高度大于主焊枪的钨极高度。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：所述相位差为0-180°。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：第一直流脉冲TIG电源和第二直流脉冲TIG电源的直流脉冲波为矩形波、锯齿波、尖脉波或阶梯波。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：第一直流脉冲TIG电源和第二直流脉冲TIG电源的脉冲频率相等。
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