CN105499765B - 熔化极环状负压电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

熔化极环状负压电弧焊接方法，属于焊接方法领域。通过抽气装置，使环状电极内腔形成负压状态，并将负压区域传递到电弧中心区，在电弧的径向上形成一定的压力差值，通过大气压的作用，使电弧产生拘束效果，形成高能量密度的拘束电弧。通过调节电弧中心处压强的大小，可以调节电弧的拘束度、能量密度和电弧电压的大小，从而实现对焊接热输入和焊缝成形的良好控制。另外，利用送丝装置将焊丝通过环状电极内腔垂直送入环状电极与工件间形成的电弧区域，使焊丝与工件连接成回路并形成第二个电弧，实现熔化极环状负压的双弧焊接。该焊接方法不仅结合了非熔化极电弧的良好稳定性和等离子弧的高能量密度，而且将熔化极焊接耦合进这一焊接过程。

Description

熔化极环状负压电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种熔化极环状负压电弧焊接方法，属于焊接方法领域。

背景技术

焊接技术是现代工业中一项重要的加工工艺，通过焊接可以实现不同工件之间分子间的永久性连接，焊接连接的密封性好、结构强度高，因此焊接也被称为“工业裁缝”。自1907年瑞典人发明焊条电弧焊以来，经过一个多世纪的发展，焊接技术得到了极大程度的提升，但随着现代工业的逐步发展，传统的焊接技术已无法满足人们的需求，所以研发快速高效的焊接技术成为推动工业发展的一项重要内容。

焊接被分为压力焊、弧焊和钎焊三大部分，而其中弧焊占有绝对的主导地位，弧焊又被分为熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊。焊条或焊丝作为电极时，为熔化极电弧焊，焊接过程中，电极熔化，熔化的液态金属进入熔池，与熔化的母材融合、凝固，最终形成焊缝。调整焊接参数，使送丝速度等于熔化速度，焊丝端部与熔池之间的电弧长度可保持不变。熔化极电弧焊可以焊接碳素钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等材料，并常用于焊接铝及其合金。熔化极电弧焊的焊丝可以采用实心焊丝或药心焊丝，不仅可以增加焊接过程熔敷效率而且可以实现焊接过程自保护效果。因此熔化极电弧焊适用范围广，生产效率高，易进行全位置焊及实现机械化和自动化。非熔化极电弧是电弧的另一种基本形式，在焊接过程中电极不熔化，不会通过电弧向熔池过渡金属，利用这种方法几乎可以焊接所有金属。非熔化极电弧可以在电流小至1A时维持稳定燃烧，最大电流也可以达到300A。这种方法在焊接时，焊接热输入容易控制，适用于不同板厚不同位置的焊接，并且可以实现单面焊双面成型。

如今，现代工业的快速发展催生了大批新型焊接加工工艺，其中复合焊接方法称为近些年的研究热点，在复合焊接工艺中包括上述两种焊接工艺，并且较成熟的方法主要有：激光+GMAW复合焊，等离子+MIG复合焊，间接电弧焊接等，但这些方法都不同程度的存在着各自的缺陷，如：设备昂贵、不易起弧、电弧不稳定及熔滴过渡难以控制等。

本发明通过简单抽气工艺，实现了压缩非熔化极电弧与熔化极电弧的复合，该焊接方法不仅结合了非熔化极电弧的良好稳定性和等离子弧的高能量密度，而且将熔化极焊接耦合进这一焊接过程。既改善了传统非熔化极焊的焊接熔深浅、焊接效率低的缺陷，又提高了电弧拘束程度，增加了电弧能量，解决了高能束焊接过程中咬边和熔池塌陷等焊接缺陷。从而可以极大地提高焊接速度和生产效率，实现高质、高效焊接的统一。

发明内容

本发明目的在于克服现有焊接方法的缺陷及不足，提出了一种融合了熔化极、非熔化极和气压控制电弧的环形负压电弧焊接方法。该焊接方法利用传统的熔化极与非熔化极焊接电源，及一定的抽气装置，无需外加昂贵设备，能够适应多种工作环境，兼具了非熔化极电弧的稳定性和熔化极电弧的熔敷盖面效果，实现了非熔化极拘束高能电弧与熔化极电弧焊的复合焊接过程。

熔化极环状负压电弧焊接方法，在焊接过程中，非熔化极与工件间形成的外层电弧与熔化极与工件间形成的内层电弧同时存在，通过抽气装置使环状非熔化极与熔化极电弧之间形成稳定的负压状态，在大气压力的作用下，产生压缩作用，形成稳定的拘束电弧。

所述非熔化极为环状空心电极，熔化极为MIG电弧焊接用熔化极。所述熔化极嵌套在非熔化极之中。

焊接过程为非熔化极环状电弧与熔化极电弧的同轴复合焊接。

由抽气装置至空心环状电极的气体管路，通过抽气装置，使非熔化极与熔化极之间形成环状负压区域，使其下方形成的嵌套电弧受大气压力作用成为高能量密度拘束电弧。

焊接过程中，通过调节电弧中心的压强值，可以调节和控制电弧的拘束度、能量密度和电弧电压，从而调节熔化极的熔滴过渡、焊接热输入和控制焊缝的成型。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种熔化极环状负压电弧焊接方法。该熔化极环状负压电弧焊接装置主要包括熔化极焊接电源及其控制系统(2)、非熔化极焊接电源及控制系统(1)、非熔化空心环状电极(3)、焊接工件(4)、焊丝(20)、抽气装置(5)、压力释放装置(7)、压强显示装置(8)、阀门(10)、送丝装置(22)、导电嘴(19)、密封绝缘套(18)、保护气喷嘴(17)，导电嘴(19)为一空心管状结构，导电嘴(19)同轴固定于非熔化空心管状电极的空心管内，导电嘴(19)与非熔化空心管状电极之间采用密封绝缘套(18)固定；在电弧端，非熔化空心管状电极与导电嘴(19)齐平；非熔化空心环状电极(3)外为一空心环状结构的保护气喷嘴(17)；焊丝(20)通过送丝装置(22)送入导电嘴(19)管内；熔化极焊接电源及其控制系统(2)分别与导电嘴(19)和工件(4)连接，非熔化极焊接电源及控制系统(1)分别与非熔化空心环状电极(3)和工件(4)连接；其中抽气装置——压力释放装置——阀门——非熔化空心管状电极的空心管之间通过管路连接，组成一路气体通路，压力释放装置上设有压强显示装置(8)；当抽气装置启动、阀门处于开通状态时，使得空心管状电极内部和其下方电弧中心处的压强等于压力释放装置内的压强，处于负压状态；熔化极焊接电源及其控制系统——导电嘴——焊丝——焊接工件——熔化极焊接电源及其控制系统，构成一路电气系统；非熔化极焊接电源及控制系统——环状电极——焊接工件——非熔化极焊接电源及控制系统，构成另一路电气系统。该焊接方法有关焊枪必须的气路和水路连接法都是常规接法。

该焊接方法包括以下步骤：

(1)焊前准备工作。首先，将焊接工件及相匹配的焊丝准备就绪，如果板厚较大时，需要适当的开破口，但要求并不严格。之后，将熔化极焊接电源及其控制系统、非熔化极焊接电源及控制系统、非熔化极焊枪、焊接工件、焊丝及送丝装置都连接到相应的回路中，焊枪处于焊接工件的正上方合适的位置，焊丝从焊枪的导电嘴(19)正上方垂直送入，焊枪必需的气路和水路按照常规方法连接，确保抽气装置——压力释放装置——阀门——空心环状电极这一路正确连接；

(2)抽气，启动抽气装置，对压力释放装置进行抽气处理；观察压强显示装置，直到压力释放装置内的压强达到预设值；

(3)起弧，高频引燃非熔化空心环状电极(3)与工件之间的电弧，随后引燃熔化极电弧，在上述操作之前，确保阀门处在关闭状态，待熔化极电弧和非熔化极电弧稳定建立后，打开阀门，使抽气装置——压力释放装置——阀门——空心环状电极这一路接通，几秒之后非熔化空心环状电极负压电弧和熔化极电弧稳定建立在电极与工件之间；

(4)正常焊接。在此过程中除了实时调整焊接电源的参数外，还独立的调整压力释放装置内的负压值，改变电弧中心处的负压值，从而改变电弧的拘束度、能量密度和电弧电压值，从而实现对焊接热输入、焊缝成性系数的精确调节与控制。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下。

1、与传统非熔化极焊接相比，本发明使电弧中心处形成负压，在大气压力的作用下，形成拘束电弧，增加了电弧的能量密度，提高了电弧对焊接工件的穿透能力，增加了焊缝的深宽比，热影响区范围减小，焊后变形小。

2、与等离子弧焊接相比，本发明无需等离子发生装置及压缩喷嘴，充分利用电弧内外压力梯度，使电弧产生拘束效果，而且焊接参数调节简单方便，适应性更强。大电流焊接中厚板时，等离子弧焊接易出现咬边及熔池下塌等焊接缺陷，本发明在环状空心负压电弧中心处复合了熔化极电弧焊，恰好弥补了上述缺陷。

3、与等离子+MIG复合焊接过程相比，本发明只需熔化极焊接电弧和传统非熔化极焊接电弧即可，无需等离子弧焊接电源和等离子发生器，以及专门的等离子焊枪，设备简单，成本低。另外，本发明是通过大气压的作用使电弧产生拘束效果，在抽气过程中还会抽走部分热量，因此相比等离子+MIG复合焊，本发明在保证电弧穿透力的情况下减小了热输入，使焊后变形减小。

4、通过改变电弧中心处的负压值，可以调节并控制电弧的拘束度、电弧能量密度和电弧电压值，从而实现对焊接热输入、焊缝成性系数的精确控制。

附图说明

图1是本焊接方法阀门启动前焊接工作示意图。

图2是本焊接方法阀门启动后焊接工作示意图。

图中：1、非熔化极焊接电源及控制系统，2、熔化极焊接电源及其控制系统，3、非熔化环状空心阴极，4、焊接工件，5、抽气装置，6、导气管路A，7、压力释放装置，8、压强显示装置，9、导气管路B，10、阀门，11、导气管路C，12、抽离气体，13、保护气体，14、保护气瓶，15、非熔化极电弧，16、熔化极电弧，17、保护气喷嘴，18、密封绝缘套，19、导电嘴，20、焊丝，21、焊接电缆A，22、送丝装置，23、焊接电缆B，24、焊接电缆C，25、自由态电弧形成的熔池，26、焊缝、27拘束电弧。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明实施方式，但本发明并不限于以下实施例。

首先，将焊接工件4及相匹配的焊丝准备就绪，送丝装置22送出的焊丝20，送入导电嘴19，通过密封绝缘套18，垂直送到空心环状阴极3的正下方，设置好焊丝干伸长及焊丝端部与工件之间的距离。关闭阀门10，同时开启抽气装置5和压力释放装置7，气体通过导气管6流通，观察压强显示装置8，调节压力释放装置7，使显示的压强值为所要设定的值。打开保护气瓶14的开关，确保焊接时保护气13的正常流通，焊枪其他必需的气路和水路按照常规方法连接。接通熔化极焊接电源及其控制系统2，燃起熔化极电弧16，使熔化极焊接电源及其控制系统2、焊接电缆21、导电嘴19、焊丝20、熔化极电弧16、焊接工件4、焊接电缆24成为一导通回路。随后接通非熔化极焊接电源及其控制系统1，高频燃起非熔化极电弧15，使焊接电缆23、空心环状电极3、非熔化极电弧15、焊接工件4、焊接电缆24、非熔化极焊接电源及控制系统1成为另一导通回路。待两电弧稳定之后，打开阀门10，环状空心电极内部气体经导气管路11和导气管路9抽出，从而空心管状电极内部形成负压，并将负压区域传递到电弧中心处，形成拘束电弧27，进而增加对焊接工件的穿透力，形成指状熔深，形成深宽比大的焊缝26。

焊接过程中，若关闭阀门10，在空心环状电极和电弧中心区不存在负压状态，在环状电极与工件之间燃起自由态非熔化极电弧15，形成浅而宽的自由态电弧形成的熔池25，当阀门10被打开之后，气体被抽离，沿电弧径向产生一定的压力梯度，在大气压力的作用下形成拘束电弧27，产生深且窄的焊缝26。焊接过程中，通过调节压力释放装置7，可以改变环状电极和电弧中心区负压值，从而控制拘束电弧27的拘束程度，进而改变电弧能量密度、电弧电压及电弧压力等电弧特性，实现对焊接热输入和焊缝成形的精确控制。另外，在高能量拘束电弧27的作用下，可以提高焊丝的熔敷效率，从而提高焊接效率。

Claims (7)

1.熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，非熔化极与工件间形成的外层电弧与熔化极与工件间形成的内层电弧同时存在，通过抽气装置使环状非熔化极与熔化极电弧之间形成稳定的负压状态，在大气压力的作用下，产生压缩作用，形成稳定的拘束电弧。

2.根据权利要求1所述的熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于：所述非熔化极为环状空心电极，熔化极为MIG电弧焊接用熔化极。

3.根据权利要求1所述的熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于：所述熔化极嵌套在非熔化极之中。

4.根据权利要求1所述的熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于：焊接过程为非熔化极环状电弧与熔化极电弧的同轴复合焊接。

5.根据权利要求1所述的熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于：由抽气装置至空心环状电极的气体管路，通过抽气装置，使非熔化极与熔化极之间形成环状负压区域，使其下方形成的嵌套电弧受大气压力作用成为高能量密度拘束电弧。

6.根据权利要求1所述的熔化极环状负压电弧焊接方法，其特征在于：焊接过程中，通过调节电弧中心的压强值，可以调节和控制电弧的拘束度、能量密度和电弧电压，从而调节熔化极的熔滴过渡、焊接热输入和控制焊缝的成型。

7.进行权利要求1-6任一项方法采用的装置，其特征在于，主要包括熔化极焊接电源及其控制系统(2)、非熔化极焊接电源及控制系统(1)、非熔化空心环状电极(3)、焊接工件(4)、焊丝(20)、抽气装置(5)、压力释放装置(7)、压强显示装置(8)、阀门(10)、送丝装置(22)、导电嘴(19)、密封绝缘套(18)、保护气喷嘴(17)，导电嘴(19)为一空心管状结构，导电嘴(19)同轴固定于非熔化空心管状电极的空心管内，导电嘴(19)与非熔化空心管状电极之间采用密封绝缘套(18)固定；在电弧端，非熔化空心管状电极与导电嘴(19)齐平；非熔化空心环状电极(3)外为一空心环状结构的保护气喷嘴(17)；焊丝(20)通过送丝装置(22)送入导电嘴(19)管内；熔化极焊接电源及其控制系统(2)分别与导电嘴(19)和工件(4)连接，非熔化极焊接电源及控制系统(1)分别与非熔化空心环状电极(3)和工件(4)连接；其中抽气装置——压力释放装置——阀门——非熔化空心管状电极的空心管之间通过管路连接，组成一路气体通路，压力释放装置上设有压强显示装置(8)；当抽气装置启动、阀门处于开通状态时，使得空心管状电极内部和其下方电弧中心处的压强等于压力释放装置内的压强，处于负压状态；熔化极焊接电源及控制系统——导电嘴——焊丝——焊接工件——熔化极焊接电源及其控制系统，构成一路电气系统；非熔化极焊接电源及控制系统——环状电极——焊接工件——非熔化极焊接电源及控制系统，构成另一路电气系统。