CN106141396A - 一种高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法 - Google Patents

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格里纽克·安德烈
韩善果
郭瑞·弗拉基米尔
郑世达
舍甫琴科·维塔利
蔡得涛
哈斯金·弗拉基斯拉夫
巴比奇·亚历山大
王亚琴
罗子艺
特卡丘克·瓦西里
董春林
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Abstract

一种高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，是在原有离子气供气通道中加入两个电磁阀和两个流量控制器，并通过编程控制器实现对两个电磁阀不同频率的交替通断控制，从而在离子气通道获得以任意方波形式供给的气流。以方波形式供给离子气的优点有：抑制焊缝熔池液态金属飞溅和金属流的负扰动；引起焊缝熔池区域周期性的同步振动而导致熔池中气泡上浮，有利于熔化金属脱气。本发明能够应用于轻型轨道车辆框架、车体、火箭壳体等产品中。

Description

一种高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法
技术领域
本发明涉及一种适用于5mm以下铝合金材料焊接的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法。
背景技术
铝合金长时间暴露于空气中容易形成氧化膜，若焊前不清理将在焊缝中形成氧化物夹渣等缺陷，影响焊缝性能。若使用正极性直流模式，由于其相对高的等离子气流量，影响了焊缝熔池内液态金属的流动并增加了焊缝金属产生气孔的几率。
反极性等离子焊接方法可有效去除阴极溅射区内铝合金表面氧化膜，但在较高的焊接速度下，该方法很难控制焊缝内气孔的产生。同时，反极性等离子焊的能量主要集中在正极，加速了钨极的烧损。
对于变极性等离子焊接方法，公开号为USSR 221477的等离子焊接方法提供了一种薄板金属的焊接方法。依靠此方法，电压正脉冲在工件和焊枪喷嘴间产生，电压负脉冲在工件和电极间产生，可以有效的破除阴极溅射区内的铝合金焊缝表面氧化层。但该方法的缺点是当焊接速度超过传统电弧焊速度时，消除焊缝内部气孔缺陷的能力受到限制。
为了克服焊接速度的限制，公开号为US005599469A的等离子焊接过程提供了一种等离子焊接工艺。根据该方法，在等离子焊过程中，通过循环改变离子气流量来改变等离子弧能量。离子气的供给脉冲频率小于或等于10Hz。等离子深熔焊的气流峰值大于或等于1L/min,即气流量的基值为1L/min；在非深熔焊情况下，气流量峰值小于或等于3 L/min，这种情况下气流量基值范围为0.4-0.6 L/min。离子气需持续供给应使气流量在峰值和基值间交替有序变化。这种方法的缺点是电源使用正极直流模式，同时由于其相对高的离子气流量，影响了焊缝熔池内液态金属的流动并增加了焊缝金属产生气孔的几率。
公开号为CN104858538的“气流波形调制变极性等离子焊接方法”是在等离子弧焊接装置中加入气流波形控制器和等离子气控制单元，通过对离子气控制执行单元的控制实现焊接过程中离子气流量的波形输出，使离子气流量与变极性等离子焊接过程中的电流协调变化，从而实现对焊接过程及穿孔的稳定性控制。但该方法采用负反馈且控制复杂，气流量仅可调节为最大值P，，0三个值，难以满足实际工程需要。
对于等离子电弧焊接法，公开号为RU 2327553的等离子弧焊方法提供了一种焊接大范围的活性金属结构的方法（特别是铝合金）。其是使用单一气体或者两种气体的混合气体用作保护气和离子气。焊接过程中的保护气和离子气根据矩形波规律供给。其中Qmin:Qmax=1:n ( n = 4 ... 10)，或者Q’min:Q’max=2:n’( n '= 2 ... 5), Qmin为最小保护气流量，Qmax为最大保护气流量，Q’min为最小等离子形成气流量，Q’max为最大等离子形成气流量。等离子弧的稳定性得到了提升，熔深能力增加，焊接质量得到提升。但该方法的缺点是当增加焊接速度时，易于在焊缝铸态金属中形成气孔。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种工艺简单、操作容易、实用性强，能够在较高焊速下，通过脉冲供给等离子形成气来降低焊缝气孔率的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特点是包括以下步骤：
1）设置焊接速度、变极性焊接电流、保护气流量、喷嘴高度及离子气的最大气流量Pmax和最小气流量Pmin；
2）通过编程控制器编写控制两个电磁阀通断的程序，实现对两个电磁阀不同频率的交替通断控制，从而获得以方波脉冲形式持续供给的离子气；
3）使用以方波脉冲形式持续供给的离子气进行焊接，获得不同能量的等离子弧以抑制焊缝熔池液态金属飞溅和金属流的负扰动，并引起焊缝熔池区域周期性的同步振动而导致熔池中气泡上浮，使焊缝熔池脱气，从而获得低气孔率的焊接接头。
其中，所述焊接速度为10～60m/h。
所述变极性焊接电流是由方波形式的变极性等离子焊接电源提供，且正极电流与负极电流相同，正负电流持续时间占比可任意调节。
所述变极性焊接电流为50～350A。
所述两个电磁阀各连接有一个流量控制器，所述各流量控制器的开关分别通过与其连接的电磁阀控制，且其中一个流量控制器用于限定离子气的最大气流量Pmax，另一个流量控制器用于限定离子气的最小气流量Pmin。
所述两个电磁阀的其中一个用于控制最大气流量Pmax气路的通断，另一个用于控制最小气流量Pmin气路的通断。
所述以方波脉冲形式持续供给的离子气的频率f为5～20Hz，且设定Pmin:Pmax=1:n（n=4～10）；或者，设定tL:tP=1:1，其中tL为最小离子气流量持续时间，tP为最大离子气流量持续时间。
所述离子气的最大气流量Pmax为1～3L/min，最小气流量 Pmin为0.1～0.3L/min。
所述保护气流量为25～35L/min。
所述喷嘴高度为3～8mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于采用了变极性焊接电流，既能满足阴极清理氧化膜的需要，又能有效地防止钨极的烧损，而且本发明提供了等离子形成气的脉冲供给模式，有效地抑制了高速焊接下铝合金焊缝中气孔的产生，极大地提高了焊接质量，这样便有效地解决了在高速焊接条件下，持续恒定等离子形成气供给模式容易产生气孔的问题。并且，本发明的工艺简单、操作容易、实用性强，可用于5mm以下铝合金材料的焊接，且能够应用于轻型轨道车辆框架、车体、火箭壳体等产品中。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明反极性等离子焊接的示意图。
图2为本发明脉冲等离子形成气的波形示意图。
其中，附图标记：1、离子气瓶；2、保护气瓶；3、电磁阀；4、流量控制器；5、离子气；6、钨极；7、冷却水；8、保护气；9、反极性等离子枪；10、工件；11、等离子弧；12、焊缝；13、编程控制器。
具体实施方式
本发明所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，包括以下步骤：
1）设置焊接速度、变极性焊接电流、保护气流量、喷嘴高度及离子气的最大气流量Pmax和最小气流量Pmin；其中，焊接速度为10～60m/h；变极性焊接电流是由方波形式的变极性等离子焊接电源提供，且正极电流与负极电流相同，正负电流持续时间占比可任意调节，且变极性焊接电流为50～350A；两个电磁阀各连接有一个流量控制器，所述各流量控制器的开关分别通过与其连接的电磁阀控制，且其中一个流量控制器用于限定离子气的最大气流量Pmax，另一个流量控制器用于限定离子气的最小气流量Pmin；两个电磁阀的其中一个用于控制最大气流量Pmax气路的通断，另一个用于控制最小气流量Pmin气路的通断；且设定Pmin:Pmax=1:n（n=4～10），通常地，离子气的最大气流量Pmax为1～3L/min，最小气流量 Pmin为0.1～0.3L/min；保护气流量为25～35L/min；喷嘴高度为3～8mm；
2）通过编程控制器编写控制两个电磁阀通断的程序，实现对两个电磁阀不同频率的交替通断控制，从而获得以方波脉冲形式持续供给的离子气；且以方波脉冲形式持续供给的离子气的频率f为5～20Hz，而且可设定tL:tP=1:1，其中tL为最小离子气流量持续时间，tP为最大离子气流量持续时间；
3）使用以方波脉冲形式持续供给的离子气进行焊接，获得不同能量的等离子弧以抑制焊缝熔池液态金属飞溅和金属流的负扰动，并引起焊缝熔池区域周期性的同步振动而导致熔池中气泡上浮，使焊缝熔池脱气，从而获得低气孔率的焊接接头。
如图1所示，本发明对薄板铝合金焊接采用带有脉冲供给离子气的变极性等离子焊接方法，采用I型坡口，可单道焊透，双面成型。根据上述要求，焊枪角度的设计一般为与工件保持90°；将两待焊铝合金板进行装配焊，板材每隔150 mm进行点焊连接固定装配间隙，装配间隙保持为0 mm；为了获得焊缝气孔，焊接试样在焊前不做其它相关准备。
以上步骤为施焊前的必要准备工作。下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例针对3mm的1570(俄罗斯牌号)铝合金板，采用本发明提出的带有脉冲供给的离子气变极性等离子焊接技术，焊接方式为单面焊双面成型，设定的焊接工艺参数为：喷嘴高度5mm；变极性等离子焊接电源的正负电流均为185A，其中正极性持续时间为7ms，反极性持续时间为3ms；采用与被焊材料同材质的焊丝，直径为1.2mm，送丝速度为126m/h, 焊接速度为36m/h；离子气的供给频率为5Hz，离子气的供给规律为持续方波供给，其中最大气流量Pmax为1.0L/min，Pmin最小气流量为0.1L/min，tL与tP均为100ms。保护气流量为35L/min。焊后经X射线无损检测得知，100mm焊缝中的气孔数在5～8个。而采用相同焊接参数，采用脉冲供给离子气和保护气焊的焊缝，在100mm长的焊缝中获得气孔数量为35个气孔。
实施例2：
本实施例针对3mm的1420(俄罗斯牌号)铝合金板，采用本发明提出的带有脉冲供给的离子气变极性等离子焊接技术，焊接方式为单面焊双面成型，设定的焊接工艺参数为：喷嘴高度5mm；变极性等离子焊接电源的正负电流均为165A，其中正极性持续时间为7ms，反极性持续时间为3ms；采用与被焊材料同材质的焊丝，直径为1.2mm，送丝速度为126m/h, 焊接速度为36m/h；离子气的供给频率为5Hz，离子气的供给规律为持续方波供给，其中最大气流量Pmax为1.0L/min，Pmin最小气流量为0.1L/min, tL与tP均为100ms。保护气流量为35L/min。焊后经X射线无损检测得知，100mm焊缝中的气孔数在15个。而采用相同焊接参数，采用脉冲供给离子气和保护气焊的焊缝，在100mm长的焊缝中获得气孔数量为45个气孔。
实施例3：
本实施例针对8mm的1460(俄罗斯牌号)铝合金板，采用本发明提出的带有脉冲供给的离子气变极性等离子焊接技术，焊接方式为单面焊双面成型，设定的焊接工艺参数为：喷嘴高度6mm；变极性等离子焊接电源的正负电流均为320A，其中正极性持续时间为5ms，反极性持续时间为5ms；采用与被焊材料同材质的焊丝，直径为1.6mm，送丝速度为60 m/h, 焊接速度为20m/h；离子气的供给频率为10Hz，离子气的供给规律为持续方波供给，其中最大气流量Pmax为3.0L/min，Pmin最小气流量为0.3L/min, tL与tP均为50ms。保护气流量为35L/min。焊后经X射线无损检测得知，100mm焊缝中的气孔数在12个。而采用相同焊接参数，采用脉冲供给离子气和保护气焊的焊缝，在100mm长的焊缝中获得气孔数量为40个气孔。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设置焊接速度、变极性焊接电流、保护气流量、喷嘴高度及离子气的最大气流量Pmax和最小气流量Pmin；
2）通过编程控制器编写控制两个电磁阀通断的程序，实现对两个电磁阀不同频率的交替通断控制，从而获得以方波脉冲形式持续供给的离子气；
3）使用以方波脉冲形式持续供给的离子气进行焊接，获得不同能量的等离子弧以抑制焊缝熔池液态金属飞溅和金属流的负扰动，并引起焊缝熔池区域周期性的同步振动而导致熔池中气泡上浮，使焊缝熔池脱气，从而获得低气孔率的焊接接头。
2.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述焊接速度为10～60m/h。
3.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述变极性焊接电流是由方波形式的变极性等离子焊接电源提供，且正极电流与负极电流相同，正负电流持续时间占比可任意调节。
4.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述变极性焊接电流为50～350A。
5.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述两个电磁阀各连接有一个流量控制器，所述各流量控制器的开关分别通过与其连接的电磁阀控制，且其中一个流量控制器用于限定离子气的最大气流量Pmax，另一个流量控制器用于限定离子气的最小气流量Pmin。
6.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述两个电磁阀的其中一个用于控制最大气流量Pmax气路的通断，另一个用于控制最小气流量Pmin气路的通断。
7.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述以方波脉冲形式持续供给的离子气的频率f为5～20Hz，且设定Pmin:Pmax=1:n（n=4～10）；或者，设定tL:tP=1:1，其中tL为最小离子气流量持续时间，tP为最大离子气流量持续时间。
8.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述离子气的最大气流量Pmax为1～3L/min，最小气流量 Pmin为0.1～0.3L/min。
9.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述保护气流量为25～35L/min。
10.根据权利要求1所述的高焊速下降低变极性等离子焊缝气孔率的方法，其特征在于：所述喷嘴高度为3～8mm。
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