CN105598557B - 一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，属于焊接工艺技术领域，工艺包括步骤如下：步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪；步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；步骤(3)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接。从改变湿法焊接熔滴受力条件入手，通过急速降低焊接电流降低熔滴受到的排斥力，促使其向下垂落产生震荡，然后急速增大焊接电流，利用突然增大的电磁力和惯性动量促使熔滴脱离焊丝，再次降低电流保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池，实现较高频率的、较小熔滴尺寸的自由过渡模式，从源头上解决水下湿法的熔滴过渡困难，成本投入小，便于推广，具有较好的发展前景。

Description

一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，属于焊接工艺技术领域。

背景技术

基于自保护药芯焊丝的水下湿法焊接技术(flux-cored arc welding,FCAW)，具有方便操作、高效率、低成本和高质量等诸多优点，是水下自动化和智能化焊接的重要发展方向之一。在该焊接过程中，焊丝和工件直接置于水中，电弧燃烧在主要由药芯造气剂和水不断发生受热分解、蒸发或反应形成的气泡内进行。与陆上自保护药芯焊丝电弧焊相比，由于电弧区域与水环境之间的持续相互影响，水下湿法燃烧空间的大小、内压都是不断变化的，同时在气泡内的大温度梯度、复杂气体组分、快速冷却条件等因素的作用下，导致其内部的电弧区域持续发生互相耦合的、复杂的化学和物理作用，电弧行为和熔滴过渡过程等相对于空气中FCAW发生了显著变化，如图1、图2、图3所示。

在采用常规的湿法焊接工艺参数进行试验时发现，其主要以非轴向的大滴排斥过渡、短路过渡为主，临界熔滴尺寸可达焊丝直径的4倍，过渡频率约在3Hz-6Hz之间。而在空气中采用相同焊接材料及工艺参数下进行实验，发现其熔滴最大尺寸小于焊丝直径的1.5倍，过渡频率在20Hz-30Hz以上。水下湿法FACW这种较大尺寸的、低频率的熔滴过渡形式，以及随机的、非轴向的下落轨迹，导致纵向和横向的焊缝成形出现不对称、不均匀的现象，焊缝及热影响区的组织形貌分布不均匀，并产生较多的飞溅，这些对获得高质量的焊接接头形成了严重制约和挑战。同时，气泡的生成和上浮频率(10Hz以上)显著高于熔滴过渡的频率，二者之间非同步和不协调的交互作用，也增加了焊接过程的不稳定性。

传统水下湿法FCAW熔滴主要受到气泡内气体拖拽力和电弧力的排斥而导致其难以自由下落，被迫长大至较大尺寸甚至被排斥偏离焊丝轴线。根据目前水下熔滴受力成果可知，一方面，气泡内的气体拖拽力主要来源于焊丝内部的药芯受热分解、水受热导致分解或蒸发以及熔池金属蒸气的不规则流动等，因此电弧热是产生大量气体的根本原因；另外一方面，电弧力主要包括斑点压力、电磁力轴向分力等，其大小取决于焊接电流的大小。因此，若单纯采用增加电流或电压的方法，虽然理论上可以降低表面张力、提高等离子流力等，但不可避免地也会加剧药芯和水的分解或蒸发并增加气体流动对熔滴的拖拽力，同时熔滴下方的电弧斑点压力也随电流增加而增大，熔滴仍然受到较大的向上的力而不能自由下落，难以获得较高频率的、小尺寸的熔滴过渡。

中国专利文件“公告号CN105149747A”，公开了一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，包括超声换能器、复合焊炬、导电杆和绝缘套管，所述超声换能器与所述复合焊炬相连接，所述超声换能器和复合焊炬设置有相互连通的通孔，所述导电杆和绝缘套管设置在所述通孔内，所述绝缘套管套设在所述导电杆径向外侧，在所述绝缘套管和导电杆之间形成有空隙，还包括防水壳体和供气装置，所述超声换能器设置在所述防水壳体内，所述防水壳体与所述空隙相连通，所述防水壳体与所述供气装置相连通。本发明超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，利用超声波与保护气结合的方法进行水下焊接，采用超声波降低水压对电弧的影响，采用保护气增加电弧电离，以提高电弧的稳定性。但该实验装置复杂，设备投入较大，不利于这项技术的推广应用，其次由于防水壳体等装置的存在，大大增加了焊枪的尺寸和重量，使得焊缝的位置受到了影响，狭小区域的焊缝焊枪将伸不进去或者焊缝质量降低。并且整个过程需要通入保护气，这无疑也增加了装置的复杂性，提高了成本。

中国专利文件“公告号CN103128422A”，公开了一种用于湿法水下焊接的磁控装置和方法，旨在解决现有水下焊接中的熔滴过渡不容易过渡到母材的问题，而提供了一种用于湿法水下焊接的磁控装置和方法。磁控装置，它由励磁电源、导磁铁芯、励磁线圈、铜套筒、上端盖和下端盖构成。磁控方法，一、装上磁控装置并接上励磁电源；二、将焊丝穿过导磁铁芯的通孔，施加保护气体并引燃焊丝与焊接工件之间的电弧，即完成了湿法水下焊接。就磁控装置来说，合适的纵向磁场可以增加熔宽，减少熔深，但是实验装置同样复杂，超声辅助水下湿法气体保护焊接装置所具有的缺点同样存在于磁控装置方法上，并且外加磁场使得熔滴短路过渡频率增加，电信号波形较普通水下湿法焊接更加不稳定，同时磁场会施加给熔滴额外的洛伦兹力使得熔滴旋转并受到离心力的作用，这点显然是不利于熔滴平稳过渡的。

因此，研究一种基于脉冲电流的新型水下湿法焊接工艺具有极高的实验、推广意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于脉冲电流的水下湿法焊接方法，以获得较高频率和较小熔滴尺寸的可控熔滴过渡，改善焊缝成形和焊接过程稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪；

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；上位机是指焊接过程中对焊机输出进行控制的装置，由于本发明的焊接过程中需要对焊机的电流波形进行控制，因此需要焊机有与上位机通讯的接口，将焊机与上位机连接，当上位机与焊机通讯正常并且焊机向上位机返回了正常的信号后，即可开始焊接。

步骤(3)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接。由于是水下湿法焊接，采用了水下湿法自保护药芯焊丝进行焊接，因此焊接的过程中不需要通入保护气。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，焊丝的伸出长度为17mm。焊丝选用普通水下湿法药芯焊丝即可，对于焊丝方面没有过多的要求。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，所述上位机为普通PC机。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，焊机与上位机之间通过数字信号进行通讯。由于本发明中的电流的波形变化较快，必须依赖数字信号进行通讯才能保证足够得响应速度。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，焊丝直径为1.6mm或2.0mm。焊丝参数的选用根据待焊工件的厚度和焊机功率即可确定、选用。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中，焊接电流的一个脉冲周期波形包括背景电流波形段、第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段、第二谷值电流波形段，所述背景电流波形段、第一谷值电流波形段、第二谷值电流波形段内的电流数值均为恒定值，所述箍缩电流波形段内的电流数值为线性增长的数值。

进一步优选的，所述步骤(3)中，第一谷值电流波形段内的电流数值和第二谷值电流波形段内的电流数值均小于背景电流波形段内的电流数值，背景电流波形段内的电流数值小于箍缩电流波形段内的电流数值。

进一步优选的，所述步骤(3)中，背景电流波形段持续的背景时间为15ms，第一谷值电流波形段持续的第一谷值时间为8ms，箍缩电流波形段持续的箍缩时间为10ms，第二谷值电流波形段持续的第二谷值时间为8ms。此时脉冲频率为25HZ左右。

进一步优选的，所述步骤(3)中，背景电流数值为230A，第一谷值电流数值为80A，箍缩电流数值为从280A线性增加至350A，第二谷值电流数值为80A。

进一步优选的，所述步骤(3)中，设定送丝速度为4m/min，等速送丝。波形的平均电流为192A左右，送丝速度可根据平均电流的值来确定。

本发明将脉冲焊接方法应用到水下湿法FCAW上，利用脉冲电参数对其熔滴受力条件进行改变，获得小尺寸熔滴的自由过渡，显著优化湿法FCAW过程稳定性和焊缝成形，更容易获得高质量的焊接接头，承受水压、水流等恶劣因素的影响。

本发明焊接工艺采用的是脉冲电流配合等速送丝进行焊接，即焊接过程中电压随电流波形进行波动，电流按照预先设定的波形进行变化。焊接过程中，电流变化较快，因此必须采用数字信号进行通讯，以保证足够得响应速度。整个过程电流按照预定的波形进行变化而电压更随着电流波形进行相应的变化，利用电流电压匹配较好的焊接参数，配合上较高的脉冲频率，从而达到改善熔滴过渡形式的目的。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的脉冲电流作用下的水下湿法FCAW熔滴可控自由过渡机理研究，从改变湿法焊接熔滴受力条件入手，通过急速降低焊接电流降低熔滴受到的排斥力，促使其向下垂落和产生震荡，然后急速增大焊接电流，利用突然增大的电磁力和惯性动量促使熔滴脱离焊丝，再次降低电流保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池，实现较高频率的、较小熔滴尺寸的自由过渡模式。

与现有的技术对比，本方案具有较为明显的优点，首先几乎没有除正常焊接所需设备以外的其他设备需求，设备投入成本小，便于方案的推广；其次从熔滴受力的角度着手，从根源上解决了熔滴过渡困难，并且没有副作用；最后，焊枪上没有附加其他装置，焊缝的可达性好，适合全位置，具有较好得发展前景。

此外，本发明可以适用高速摄像等手段研究脉冲电流关键参数对熔滴动态行为规律的作用机制，并揭示脉冲模式下电弧及气泡形态变化与和熔滴过渡之间的交互作用，建立直流/脉冲条件下的熔滴过渡数值模型，以掌握脉冲调控湿法FCAW工艺特点与焊缝成形规律。本发明的实施能够丰富水下湿法焊接工艺，优化水下湿法FCAW过程的鲁棒性和稳定性，具有重要的学术理论意义和工程应用价值。

附图说明

图1为药芯焊丝水下湿法FCAW电弧燃烧氛围图；图1中，a为气泡生成；b为气泡最大临界尺寸；c为正在长大的气泡；

图2为现有空气FCAW熔滴在不同时间点的状态图(焊接条件：31V,200A)；

图3为现有水下湿法FCAW熔滴在不同时间点的状态图(焊接条件：31V,200A)；

图4为本发明脉冲电流水下湿法FCAW熔滴可控自由过渡原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪，伸出长度为17mm；焊丝使用普通水下湿法自保护药芯焊丝，本实施方式中使用金桥低合金钢药芯焊丝JC-29Ni 1，焊丝直径为1.6mm，焊丝参数的选用可根据待焊工件的厚度和焊机功率进行更改。

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；上位机是指焊接过程中对焊机输出进行控制的装置，由于本发明的焊接过程中需要对焊机的电流波形进行控制，因此需要焊机有与上位机通讯的接口，将焊机与上位机连接，当上位机与焊机通讯正常并且焊机向上位机返回了正常的信号后，即可开始焊接，本实施方式中上位机为PC机。焊机与上位机之间通过数字信号进行通讯。由于本发明中的电流的波形变化较快，要求控制响应速度较快，模拟信号由于自身响应速度较慢，响应速度达不到毫秒级，因此不能采用，运用数字信号的控制即可满足这个条件，所以必须依赖数字信号进行通讯才能保证足够得响应速度。本实施方式中，是通过RS422接口基于MODBUS-RTU通讯协议并且运用Labview进行编程从而实现对焊机的控制。本领域技术人员可根据具体焊机的不同进行相应设置。

步骤(3)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接，焊接电流的脉冲波形的一个脉冲周期包括背景电流(background current)、第一谷值电流、箍缩电流(pinchcurrent)、第二谷值电流，如图4所示，图4为原理图，理论上一个脉冲周期包含两个谷值电流(valley current)，以脉冲时间顺序为区分依据，先发生的谷值电流为第一谷值电流，后发生的谷值电流为第二谷值电流，背景电流数值为230A，背景电流持续的背景时间为15ms，第一谷值电流数值为80A，第一谷值电流持续的第一谷值时间为8ms，箍缩电流数值为从280A线性增长至350A，箍缩电流持续的箍缩时间为10ms，第二谷值电流数值为80A，第二谷值电流持续的第二谷值时间为8ms。此时脉冲频率为25HZ左右，波形的平均电流为192A左右，送丝速度可根据平均电流的值来确定，设定送丝速度为4m/min，等速送丝。

由于是水下湿法焊接，采用了自保护药芯焊丝进行焊接，因此焊接的过程中不需要通入保护气。焊接采用自动焊，水深方面没有太大的影响，本实施方式的操作环境为在浅水条件下进行，水深的改变势必需要对参数进行重新调整，本领域技术人员利用本发明的工艺进行的参数调整也属于本发明的保护范围。

本发明从控制熔滴受力的角度着手，如图4所示，采用脉冲电流对熔滴过渡过程进行调控，即在较短时间内急速、大幅降低焊接电流，从而电弧热的减弱将显著降低气泡内的气体拖拽力，同时电弧力随电流下降而减小导致其对熔滴的上托作用也大幅下降，阻碍熔滴下落的两个力同时减小将有效打破其受力平衡，熔滴将由被排斥状态转换为向下垂落并产生一定幅度的震荡(即图4中t₄时刻)；随焊接过程的进行熔滴尺寸小幅长大，并在熔滴向下的动量和重力等作用下出现一定缩颈(即图4中t₅时刻)，此时大幅升高焊接电流，则能够在熔滴缩颈处获得更大的、向下的电磁收缩力轴向分力，从而利用惯性动量和突然增加的电磁力作用使熔滴脱离焊丝(即图4中t₆时刻)；在熔滴即将失稳脱离焊丝时再次降低焊接电流，以防止较大排斥力作用于熔滴下落过程，保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池(即图4中t₇时刻)，随后将焊接电流升高至原值，开始下一个周期。如图4所示，在该脉冲焊接过程中必须要控制瞬时较低弧压的时长控制瞬时较低弧压的时长其实就是控制电流谷值波形持续时间，因为电流低了，电压也就相应低了，当谷值波形持续时间短了，对应的较低弧压时长也就短了，所以只是一个控制的问题，以保证弧压均值在正常范围，始终维持电弧在合理长度和气泡内气体的持续产生，为熔滴过渡提供空间并避免短路和熄弧。

Claims (4)

1.一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪；

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；

步骤(3)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接；

焊接电流的一个脉冲周期波形包括背景电流波形段、第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段、第二谷值电流波形段，所述背景电流波形段、第一谷值电流波形段、第二谷值电流波形段内的电流数值均为恒定值，所述箍缩电流波形段内的电流数值为线性增长的数值；

第一谷值电流波形段内的电流数值和第二谷值电流波形段内的电流数值均小于背景电流波形段内的电流数值，背景电流波形段内的电流数值小于箍缩电流波形段内的电流数值；

背景电流波形段持续的背景时间为15ms，第一谷值电流波形段持续的第一谷值时间为8ms，箍缩电流波形段持续的箍缩时间为10ms，第二谷值电流波形段持续的第二谷值时间为8ms；

背景电流数值为230A，第一谷值电流数值为80A，箍缩电流数值为从280A线性增加至350A，第二谷值电流数值为80A。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，焊丝的伸出长度为17mm。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，焊机与上位机之间通过数字信号进行通讯。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，设定送丝速度为4m/min，等速送丝。