CN105817750A - 双电弧—冷丝复合焊接方法的应用 - Google Patents

双电弧—冷丝复合焊接方法的应用 Download PDF

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向婷
刘永强
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Abstract

本发明公开双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，冷丝导电管与第一引导焊丝以及第二引导焊丝在工件表面的投影点为等边三角形的三个顶点，沿焊接方向冷丝导电管设置在第一引导焊丝导电管以及第二引导焊丝导电管的后方。双电弧中加入冷丝，既提高焊接效率，又能通过冷丝的加入起到镇定熔池，降低热输入的作用，三丝集成在一把焊枪中，焊接时仅用一把焊枪操作简单便节，实现其在气体保护焊或者埋弧焊中的应用。

Description

双电弧—冷丝复合焊接方法的应用
本发明申请是母案申请“双电弧与冷丝脉冲复合焊接的三丝焊枪及焊接系统和方法”的分案申请，母案申请的申请号为2015100332459，母案申请的申请日为2015年1月23日。
技术领域
本发明涉及焊接工程技术领域，更具体地说涉及一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊枪及焊接系统及方法。
背景技术
近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的迅猛发展极大地推动了焊接技术的进步。产品、材料、使用条件的多样性，对焊接效率和质量的要求越来越高，如何用优质、高效的焊接技术来满足当前工业发展的需要是焊接工作者面临的重要任务。因此提高焊接生产效率和焊接质量、实现焊接自动化生产、减少焊接缺陷成为实际生产的迫切要求。
国外主要以德国、日本、奥地利、瑞士等公司为首已经在多根焊丝配以单个或多个电源方面开展了大量的研究工作，主要开发Tandem、TwinArc焊接工艺、T.I.M.E焊接工艺、Rapid-Melt焊接工艺、Consumabledouble-electrodeGMAW焊接工艺等，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用性的成果。国内也先后由山东大学、兰州理工大学、天津大学等开展了各种双丝焊高效焊接技术，并先后研发了双丝间接电弧氩弧焊、双丝旁路耦合电弧高效MIG焊、高效双丝MIG/MAG脉冲焊等技术。
目前开展的有关双丝MIG/MAG焊的研究已经日趋成熟，众所周知，稳定的双丝焊可以在一定程度上提高焊接效率，改善焊接质量，那么如何在双丝焊的基础上进一步实现焊接效率的提高是我们最为关心的问题。考虑到双丝焊是基于两电弧耦合的方式，是一种多电弧焊接方法。多电弧焊接方法的基本出发点是在保持焊接热输入基本不变的情况下，通过多路电弧的耦合作用提高焊接效率。
目前针对三丝焊的研究主要集中在焊接工艺研究和数值模拟研究，其中有关焊接工艺方面的研究总结如下。
(1)三熔化极MAG高速焊
在造船及桥梁建造上，角焊缝扮演了重要的角色。尤其在造船业，水平角焊缝的长度占总体焊缝长度约70％，因此如何同时保证焊接效率和焊接质量显得尤为重要。目前共熔池的双丝焊工艺被广泛应用于角焊缝的焊接中，其最大焊接速度可达1.5m/min。两对电极并列安置在腹板两侧，且每对电极形成共同的熔池，目前当焊速达1.2-1.3m/min时可获得满意的角焊缝成形。为了进一步提高最大焊接速度，因此必须相应地增加焊接电流，但当焊接电流达到500A时，电弧干扰严重，降低了熔池的稳定性，导致焊缝成形变差，飞溅增加。
为了解决上述工艺难点，日本的神户制钢造船厂在传统的双丝焊接工艺基础上，采用双明弧加热填丝的三丝焊接工艺。通过降低由焊接电流增加引起的电弧干扰以及电弧偏吹，进而保证焊缝成形。三丝MAG焊的系统示意图如图2所示，填充焊丝作为第三根电极添加在引导焊丝和跟随焊丝之间，引导弧与跟随弧设计成一直线，可以作相对的偏移微调，并各有转动轴。引导和跟随焊丝极性为DCEP，而中间的填充焊丝采用DEEN，填充焊丝上电流产生的磁场降低了引导焊丝和跟随焊丝之间的电弧干扰，此外，填充焊丝起到冷却熔池的作用，增加了熔池内流体的粘度，进而提高了熔池的稳定性。焊后气孔较少，焊缝成形良好。三丝MAG焊时，即使焊接速度达2.0m/min，所形成的熔池比双丝焊时更为稳定，因此可以获取好的焊缝成形及抗气孔能力。
但是焊接时三根焊丝由三台独立的焊接电源控制，独立处在三个焊枪中，实际上是三个熔化极电弧的简单叠加，电弧与电弧之间无法实现通信，存在电弧可控性差，难以精确控制三根焊丝的熔化及熔滴过渡的问题，此外由于采用电流相位控制，当焊丝距离较近时，三根焊丝独立供电会因电磁力形成相互干扰。
(2)辅助冷丝埋弧焊(ICETM)
在2012年第十七届北京埃森焊接与切割展览会上，伊萨公司提出了全新的辅助冷丝埋弧焊工艺(ICETM)。它是在两根平行的热丝中间插入一根冷丝，利用热丝多余的热量来熔化冷丝。它是伊萨焊接与切割设备有限公司在埋弧焊领域的最新突破性技术发展，能够大幅度提高生产效率，增加焊接速度，降低焊剂消耗，降低热输入量和变形，节能，更高效率打底，更平滑盖面。
ICE焊枪中间的冷丝电气上绝缘，从两根导电的热丝中间平行穿入。冷丝由一个独立的送丝机送丝，冷丝送丝速度可以独立控制。而两根热丝由一个直流电机驱动以相同速度送丝。冷丝送丝速度由PEK控制和调节，并按照热丝送丝速度的百分比来设定。当设定焊接参数时，只有一个额外的参数需设置，即冷丝送丝速度百分比。ICETM具有以下7个最突出的优点：
1.增加熔敷率。ICETM相对于单丝埋弧焊可以增加100％的熔敷率，相对于单弧双丝埋弧焊可以增加50％的熔敷率。
2.增加焊接速度。更高的熔敷率和更好的焊接稳定性意味着可以使用更高的焊接速度。
3.降低热输入量和变形。在同样的熔敷率或者同样的焊接速度的前提下，ICETM可以降低热输入量。对于容易变形的薄板和对热输入量敏感的材料，这是一个非常重要的优点。ICETM特别适合船厂的板拼接生产线以降低焊接变形。
4.高效率打底。使用前置单丝与ICETM复合焊可以实现高效率打底。一般前丝使用4mm焊丝直流反接，ICETM焊枪使用交流进行焊接。
5.平滑盖面。使用ICETM比传统埋弧焊更容易实现平滑盖面。因为可以只调节冷丝送丝速度来调节余高，它不会改变热输入量，熔深以及机械性能。
6.节能。ICETM使用额外的热量来熔化更多的焊丝，减少了能量消耗和能源费用。与单丝埋弧焊相比，ICETM可节约能源约50％。与单弧双丝埋弧焊相比，ICETM可节约能源约33％。
该项技术被金属加工杂志社评为2012年焊接与切割行业十大创新技术。但是该焊接方法不适用较小焊接参数。因中间焊丝不导电，在较小焊接参数下，另两条焊丝产热量较小，则冷丝不易熔化，导致形成焊缝缺陷。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊枪，在双电弧中加入冷丝，既提高焊接效率(焊接熔敷率)，又能通过冷丝的加入起到镇定熔池(增加熔池粘度)，降低热输入的作用，且将两根焊丝以及一根冷丝集成在一把焊枪中，实际焊接时仅用一把焊枪，操作简单便捷。
本发明克服了现有技术中的不足，还提供了一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接系统及方法，采用脉冲电流进行焊接，其加热方式不同于普通直流焊接，周期性的脉冲电流可以对熔池金属产生震荡作用，增强对熔池的搅拌作用，从而细化晶粒，提高焊缝韧性，改善焊缝性能。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊枪，包括焊枪主体、第一引导焊丝导电管、第一引导焊丝导电嘴、第二引导焊丝导电管、第二引导焊丝导电嘴、冷丝导电管、冷丝导电嘴、第一引导焊丝(即附图中的引导焊丝1)、第二引导焊丝(即附图中的引导焊丝2)以及冷丝，所述焊枪主体内设置有所述第一引导焊丝导电管、所述第二引导焊丝导电管以及所述冷丝导电管，所述第一引导焊丝导电管与所述第一引导焊丝导电嘴相连，所述第二引导焊丝导电管与所述第二引导焊丝导电嘴相连，所述导电管内设置有焊丝，所述冷丝导电管与所述冷丝导电嘴相连，所述第一引导焊丝设置在所述第一引导焊丝导电管内，所述第二引导焊丝设置在所述第二引导焊丝导电管内，所述冷丝设置在所述冷丝导电管内，所述冷丝导电管与所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝在工件表面的投影点为等边三角形的三个顶点，所述第一引导焊丝与所述第二引导焊丝在工件表面的投影点之间的距离为10-15mm，所述冷丝导电管、所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝与所述焊枪主体轴线方向的夹角为3-10°，沿焊接方向所述冷丝导电管设置在所述第一引导焊丝导电管以及所述第二引导焊丝导电管的后方。
所述第一引导焊丝与所述第二引导焊丝在工件表面的投影点之间的距离为12mm。
所述冷丝导电管、所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝与所述焊枪主体轴线方向的夹角为7°。
双电弧与冷丝脉冲复合焊接系统，所述系统中采用上述将第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝集成在一起的三丝焊枪，所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝彼此间绝缘，环列分布在同一圆周上，所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝在工件表面上的投影点为等边三角形的三个顶点，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝之间、所述第一引导焊丝与所述冷丝之间以及所述第二引导焊丝与所述冷丝之间投影点之间的距离L(导电嘴中央的距离)为10-15mm，所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝以及所述冷丝向所述三丝焊枪的焊枪主体轴线聚拢，且与所述焊枪主体轴线方向的夹角为3-10°，所述第一引导焊丝与所述第二引导焊丝分别与第一焊接电源(即附图中的焊接电源1)和第二焊接电源(即附图中的焊接电源2)相连，所述冷丝与送丝机相连。
所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝之间、所述第一引导焊丝与所述冷丝之间以及所述第二引导焊丝与所述冷丝之间投影点之间的距离L(导电嘴中央的距离)为12mm。
所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝以及所述冷丝向所述三丝焊枪的焊枪主体轴线聚拢，且与所述焊枪主体轴线方向的夹角为7°。
使用上述焊接系统进行焊接时，第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝在工件表面上的投影点所组成的等边三角形位于熔池中，且沿焊接方向所述冷丝设置在所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝的后方，根据所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝上脉冲电流的不同相位关系，可以分为三种情况：
情况1，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝(直径可选择1.2mm)采用电流相位相同的脉冲焊接电流，I1、I2脉宽比一样，脉宽比的数值变化范围在20％～50％之间。I1和I2之间的脉冲相位差为0°，冷丝不通电直接送入熔池中；
情况2，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝(直径可选择1.2mm)采用电流相位相反的脉冲焊接电流，I1、I2脉宽比一样，脉宽比的数值变化范围在20％～50％之间。I1和I2之间的脉冲相位差为180°(0-180°)，冷丝不通电直接送入熔池中；
情况3，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝(直径可选择1.2mm)采用恒流模式，第一引导焊丝、2采用极性相反的接线模式，可以减小在大电流的情况下，电弧之间的彼此干扰，有利于焊接过程稳定进行，冷丝不通电直接送入熔池中。
所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝各自接一套冷却系统，所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝均配有各自的保护气体及水冷通道。但所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝各自连接一套送丝系统和焊接电源，且两台焊接电源之间通过控制线相连接，实现所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝间的不同脉冲相位控制。所述冷丝则独自连接一套送丝系统，直接送入熔池中。所述焊接电源的两极分别与焊丝送丝机构和待焊工件相连。
在焊接系统中还可以包括电流传感器和电压传感器，用于测量焊接电源输出的电流和电压信号。
在焊接时，首先将焊接电源的两极分别与焊丝和待焊工件相连；其次分别设置第一引导焊丝、2的预设电压值、预设电流值、焊接速度及冷丝的送丝速度，并在主焊接电源的控制面板对两台焊机的工作模式、输出脉冲电流相位关系进行设置；最后，施焊。其中
所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝的预设电压为18-32V。
所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝的预设电流为80A-220A。
所述焊接速度为0.4-1.2m/min。
所述冷丝送丝速度为0.8-2.2m/min。
所述脉冲电流相位差为：0°-180°。
上述三丝焊枪、焊接系统及方法在气体保护焊或者埋弧焊中的应用。
本发明的有益效果为：
1.与传统的双丝MIG焊相比，双电弧与冷丝复合焊通过冷丝的加入很大程度上增加了焊接熔敷率，可以使熔宽增加40％～85％，熔深增加8％～20％，余高增加10％～25％。
2.与传统的双丝MIG焊相比，双电弧与冷丝MAG焊的焊接过程稳定性的到改善，冷丝在焊接过程中起到了镇定熔池，增加熔池粘度，从而减小了由于高能量输入引起熔池剧烈翻滚，增加了焊接过程的稳定性。同时冷丝的加入还起到了降低焊接热输入的作用，实现了焊接效率与焊接质量同时兼顾。
3.通过控制两个电弧之间的相位关系，实现了两个电弧之间的相互通信，降低了焊接过程中出现两电弧干扰的几率，实现了稳定焊接过程。
附图说明
图1是本发明方法的焊丝空间位置示意图(1)，在XOY面的投影关系，·为焊丝的投影，L为在导电嘴端部平面中，第一引导焊丝和第二引导焊丝所在导电嘴之间的距离；
图2是本发明方法的焊丝空间位置示意图(2)，在ZOY面的投影关系；
图3是本发明方法的焊丝空间位置示意图(3)，第一引导焊丝、2重合，只显示第一引导焊丝，在ZOX面的投影关系；
图4是本发明中焊接电流波形图(1)，其中I1为第一引导焊丝的焊接电流，I2为第二引导焊丝的焊接电流；
图5是本发明中焊接电流波形图(2)，其中I1为第一引导焊丝的焊接电流，I2为第二引导焊丝的焊接电流；
图6是本发明中焊接电流波形图(3)，其中I1为第一引导焊丝的焊接电流，I2为第二引导焊丝的焊接电流；
图7是本发明系统的立体结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊枪，包括焊枪主体、第一引导焊丝导电管、第一引导焊丝导电嘴、第二引导焊丝导电管、第二引导焊丝导电嘴、冷丝导电管、冷丝导电嘴、第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝，焊枪主体内设置有第一引导焊丝导电管、第二引导焊丝导电管以及冷丝导电管，第一引导焊丝导电管与第一引导焊丝导电嘴相连，第二引导焊丝导电管与第二引导焊丝导电嘴相连，导电管内设置有焊丝，冷丝导电管与冷丝导电嘴相连，第一引导焊丝设置在第一引导焊丝导电管内，第二引导焊丝设置在第二引导焊丝导电管内，冷丝设置在冷丝导电管内，冷丝导电管与第一引导焊丝以及第二引导焊丝在工件表面的投影点为等边三角形的三个顶点，第一引导焊丝与第二引导焊丝在工件表面的投影点之间的距离为10-15mm，冷丝导电管、第一引导焊丝以及第二引导焊丝与焊枪主体轴线方向的夹角为3-10°，沿焊接方向冷丝导电管设置在第一引导焊丝导电管以及第二引导焊丝导电管的后方。
第一引导焊丝与第二引导焊丝在工件表面的投影点之间的距离为12mm。
冷丝导电管、第一引导焊丝以及第二引导焊丝与焊枪主体轴线方向的夹角为7°。
双电弧与冷丝脉冲复合焊接系统及方法，如图1至3所示，系统中采用上述将第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝集成在一起的三丝焊枪，第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝彼此间绝缘，环列分布在同一圆周上，第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝在工件表面上的投影点为等边三角形的三个顶点，第一引导焊丝和第二引导焊丝之间、第一引导焊丝与冷丝之间以及第二引导焊丝与冷丝之间投影点之间的距离L(导电嘴中央的距离)为12mm，第一引导焊丝以及第二引导焊丝以及冷丝向所述三丝焊枪的焊枪主体轴线聚拢，且与焊枪主体轴线方向的夹角为7°，第一引导焊丝与第二引导焊丝分别与第一焊接电源和第二焊接电源相连，冷丝与送丝机相连。
利用上述技术方案进行焊接试验。焊接系统包括：逆变式脉冲MIG/MAG弧焊机(3台，该焊机为电源与送丝机一体化)，型号为PulseMIG–350Y，三丝焊枪(1把)，松下水冷机(1个)，角度与位置可调的焊枪夹具(1个)，直线工作台(1台)。此外，还包括气瓶气阀、遥控盒等焊接辅助设备。
实施方式：采用双电弧与冷丝脉冲复合焊焊接方法，实施平板堆焊试验，具体实施步奏如下：
焊接过程基本步骤：
(1)按照图4所示位置连接设备(包括主系统设备和采集系统设备)，接入频率为工频50Hz的电源；
(2)调节两台PulseMIG–350的工作模式，通过前控制面板将两台焊机的脉冲工作模式调节为一主一从，即由主焊机引导从焊机发脉冲信号；
(3)调节两台焊机的预设电流及电压，预设电流范围：80～220A，预设电压范围：18～32V；
(4)调节两台焊机相应的脉冲波形输入，可实现的脉冲波形输出如图4—6所示；
(5)调节冷丝的送丝速度，其范围为0.8～2.2m/min，调节焊接速度，其范围为0.4～1.2m/min；
(6)调节焊枪的位置，使焊接方向垂直于两熔化极的连线，即两个电弧并列在前，冷丝在后；
(7)施焊，此过程中两电弧并列在前相互协调，冷丝在后并主要依靠熔池的热量加热熔化自身。
表2双电弧与冷丝脉冲复合焊接焊接参数
上述情况下，第一引导焊丝以及第二引导焊丝的预设电压值为18～32V，预设电流值为80～220A，焊接速度为0.4～1.2m/min，冷丝送丝速度为0.8～2.2m/min，脉宽比变化范围为20％～50％，与传统的双丝MIG焊相比，双电弧与冷丝复合焊通过冷丝的加入很大程度上增加了焊接熔敷率。
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 (5)

1.双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，其特征在于，双电弧—冷丝复合焊接方法在气体保护焊或者埋弧焊中的应用，第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝在工件表面上的投影点所组成的等边三角形位于熔池中，且沿焊接方向所述冷丝设置在所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝的后方，根据所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝上脉冲电流的不同相位关系，可以分为三种情况：
情况1，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝采用电流相位相同的脉冲焊接电流，I1、I2脉宽比一样，脉宽比的数值变化范围在20％—50％之间。I1和I2之间的脉冲相位差为0°，冷丝不通电直接送入熔池中；
情况2，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝采用电流相位相反的脉冲焊接电流，I1、I2脉宽比一样，脉宽比的数值变化范围在20％—50％之间。I1和I2之间的脉冲相位差为180°，冷丝不通电直接送入熔池中；
情况3，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝采用恒流模式，第一引导焊丝、2采用极性相反的接线模式，以减小在大电流的情况下，电弧之间的彼此干扰，有利于焊接过程稳定进行，冷丝不通电直接送入熔池中。
2.根据权利要求1所述的双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，其特征在于，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝的预设电压为18-32V；所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝的预设电流为80A-220A；所述焊接速度为0.4-1.2m/min；所述冷丝送丝速度为0.8-2.2m/min，脉冲电流相位差为0°-180°。
3.根据权利要求1所述的双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，其特征在于，利用双电弧与冷丝脉冲复合焊接进行焊接，采用将第一引导焊丝、第二引导焊丝以及冷丝集成在一起的三丝焊枪，所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝彼此间绝缘，环列分布在同一圆周上，所述第一引导焊丝、所述第二引导焊丝以及所述冷丝在工件表面上的投影点为等边三角形的三个顶点，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝之间、所述第一引导焊丝与所述冷丝之间以及所述第二引导焊丝与所述冷丝之间投影点之间的距离L为10-15mm，所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝以及所述冷丝向所述三丝焊枪的焊枪主体轴线聚拢，且与所述焊枪主体轴线方向的夹角为3-10°，所述第一引导焊丝与所述第二引导焊丝分别与第一焊接电源和第二焊接电源相连，所述冷丝与送丝机相连。
4.根据权利要求3所述的双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，其特征在于，所述第一引导焊丝和所述第二引导焊丝之间、所述第一引导焊丝与所述冷丝之间以及所述第二引导焊丝与所述冷丝之间投影点之间的距离L为12mm。
5.根据权利要求3所述的双电弧—冷丝复合焊接方法的应用，其特征在于，所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝以及所述冷丝向所述三丝焊枪的焊枪主体轴线聚拢，且与所述焊枪主体轴线方向的夹角为7°。
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