CN106862718B - 交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，将交流非熔化极焊接电源、钨极与工件形成主回路，将交流熔化极焊接电源、钨极与焊丝形成旁路，其中，交流非熔化极焊接电源在钨极与工件之间产生交流主电弧，交流熔化极焊接电源在钨极与焊丝之间产生旁路交流热丝电弧；调整交流主电弧交流电信号波形，熔化母材形成熔池，同时清理工件表面氧化膜；在旁路交流热丝电弧辅助作用下，加热焊丝形成熔滴，同时过渡进入熔池，实现有色金属成形制造，通过调整旁路交流热丝电弧的电信号波形，实现焊丝熔化与熔滴过渡的自主控制,获得大滴过渡、搭桥过渡及射滴过渡等多种熔滴过渡形式，以满足不同制造工况需求。采用本发明的技术方案，可以实现有色金属的高质高效高精度成形制造。

Description

交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法

技术领域

本发明属于成形制造方法领域，尤其涉及一种采用交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法。

背景技术

目前制造业面临着从粗狂型制造向高质高效高精度方向的转变，而金属结构部件的热加工过程是其中重要一环，对于金属材料的焊接及增材制造方面，电弧作为热源的加工过程仍然是最主要的一种方式，传统的电弧主要分为熔化极电弧与非熔化极电弧，熔化极电弧焊丝作为一极工件作为另一极，在焊丝与工件之间形成电弧，通过电弧的热量熔化焊丝与工件，在此过程中熔敷效率与焊接热输入是耦合的，若想改变其中之一必定带来另一项的变化，无法实现合理有效的控制。非熔化极焊接加工时，虽然焊接过程较为稳定焊接质量高，但加工效率明显下降。

随着现代制造业发展，复杂结构件逐渐增多，高质高效地成形制造逐渐成为未来金属零部件加工趋势，单一热源的制造过程已很难满足工程制造业需求，复合热源因其结合了多种热源优势于一身成为近些年来焊接热源研究热点，复合热源焊接方法不仅可以发挥两种热源各自的优势，还可以相互弥补各自的不足。

针对电弧的复合目前主要的研究有以下几种：熔化极电弧的复合、非熔化极电弧的复合。

熔化极电弧的复合热源是传统单熔化极电弧的简单叠加，以Tandem焊接工艺为例，该方法采用并列双丝燃弧，两个电弧的叠加作用提高了焊丝的熔化效率，但相同熔化效率下对工件的热输入并没有减少，虽然熔敷效率增加，但该热源对工件热输入基本是单电弧的双倍，因此增加焊丝熔化效率的同时，必定导致非预期结果，不但浪费能量，而且导致焊接质量下降。

非熔化极电弧的复合主要以Twin-arc方法为主，在焊枪内部设置两个彼此绝缘的钨极，由两台电源供电，在两个钨极之间形成一个耦合电弧。该方法提高了钨极氩弧焊的焊接速度和焊接熔敷率，在保持钨极氩弧焊高品质的基础上提高了焊接生产率。该方法主要在薄板高速焊时具有较为明显的优势，由于其相对较小的电弧压力输出，导致其在不同焊接工况下存在一定的应用局限性。

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，提供一种采用交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，通过两种交流电弧的复合过程，实现在不影响焊接热输入的条件下，金属丝材熔敷量及熔滴过渡过程的自主控制，交流主电弧可以清理工件氧化膜的同时实现工件的熔透及穿透焊接，旁路交流热丝电弧通过周期性交替变换的电流波形实现熔化过程主动控制，调节正半波脉冲参数实现不同熔滴过渡形式，以及控制熔滴过渡路径，通过本发明可以实现有色金属的高质高效高精度成形制造。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，将交流非熔化极焊接电源、钨极与工件形成主回路，将交流熔化极焊接电源、钨极与焊丝形成旁路，其中，交流非熔化极焊接电源在钨极与工件之间产生交流主电弧，交流熔化极焊接电源在钨极与焊丝之间产生旁路交流热丝电弧；调整交流主电弧交流电信号波形，熔化母材形成熔池，同时清理工件表面氧化膜；在旁路交流热丝电弧辅助作用下，加热焊丝形成熔滴，同时过渡进入熔池，实现有色金属成形制造，通过调整旁路交流热丝电弧的电信号波形，实现焊丝熔化与熔滴过渡的自主控制。

作为优选，所述交流主电弧为正玄波交流电弧或方波变极性交流电弧；旁路交流热丝电弧的电信号波形与交流主电弧波形相对应，其为正玄波或方波，正负持续状态与主电弧相反。

作为优选，所述交流主电弧为自由态电弧或压缩等离子电弧。

作为优选，所述旁路交流热丝电弧为变极性脉冲电弧。

作为优选，所述熔滴过渡的形式为射滴过渡、搭桥过渡或大滴过渡其中的一种。

作为优选，所述交流复合电弧中的两电弧为不同夹角，通过调整两电弧的夹角，利用非熔化极电弧良好的指向性控制熔滴过渡路径。

本发明利用交流主电弧与旁路交流热丝电弧实现交流电弧的复合工艺，交流主电弧在实现被焊工件表面氧化膜清理的同时熔化母材形成熔池，旁路交流热丝电弧加热焊丝形成熔滴，过渡进入熔池，当焊丝处于交流波形的负半波时快速熔化焊丝，正半波时在耦合电弧的作用下实现熔滴过渡，通过调节旁路交流热丝电弧的电流波形可以实现熔滴的滴状过渡、射滴过渡、搭桥过渡等多种过渡形式，满足不同材料不同焊接工况的要求。利用交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧加工工艺，可以在熔敷效率与焊接热输入解耦控制的基础上，进一步实现焊丝熔化与熔滴过渡控制的自主性，实现高熔敷率与大电弧压力的结合，满足各种有色金属成形制造要求。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下。

本发明可以更大程度的提高金属丝材熔化与熔滴过渡控制的自主性，以及对有色金属的焊接加工。调整旁路交流电弧电信号波形，获得变极性脉冲熔化极电弧，可以实现阴极焊丝熔化与阳极熔滴过渡的精确控制，并通过主路交流电弧良好的指向性实现熔滴过渡路径的控制，利用压缩主电弧强烈的等离子流力实现厚板的穿透焊接，最终结合大电弧力与高熔敷效率，实现良好精确的金属材料成形制造过程。

附图说明

图1为交流等离子电弧与旁路交流热丝电弧复合过程示意图。

图中：1：交流主弧电源及控制系统，2：旁路交流热丝电弧电源及控制系统，3：工件，4：交流主电弧，5：旁路交流热丝电弧，6：钨极，7：压缩喷嘴，8：保护气罩，9导电嘴，10焊丝，11：送丝滚轮，12：主弧焊接电缆，13：旁路电弧焊接电缆

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明实施方式。

本发明提供一种复合电弧成形制造方法，利用一个非熔化极交流焊接电源与一个熔化极交流焊接电源，形成两个不同物理特性交流电弧的复合，交流非熔化极焊接电源在钨极与工件之间产生非熔化极交流电弧，称为交流主电弧，交流熔化极焊接电源在钨极与焊丝之间产生熔化极交流电弧，称为旁路交流热丝电弧；通过调整旁路交流热丝电弧的电信号波形实现焊丝熔化与熔滴过渡的自主控制，对焊接工件热力输入不产生影响，获得多种熔滴过渡形式，控制熔滴过渡路径，控制交流主电弧的工艺参数实现工件氧化膜清理、以及工件熔透控制；本发明的交流电弧的复合可以在提高加工效率的同时增加成形制造精度。

所述交流主电弧为正玄波交流电弧或方波变极性交流电弧；旁路交流热丝电弧的电信号波形与交流主电弧波形相对应，其为正玄波或方波，正负持续状态与主电弧相反。

所述交流主电弧为自由态电弧或压缩等离子电弧。

所述旁路交流热丝电弧为变极性脉冲电弧，通过调节正反极性持续时间以及脉冲峰值和占空比控制焊丝熔化速率及熔滴过渡形式。

所述熔滴过渡形式为射滴过渡、搭桥过渡或大滴过渡其中的一种。

所述交流复合电弧中的两电弧为不同夹角，通过调整两电弧的夹角，利用非熔化极电弧良好的指向性控制熔滴过渡路径。

该成形制造方法具体操作步骤如下:

(1)加工前准备：将工件及与之相匹配的焊丝准备就绪，将交流主弧电源及控制系统、旁路交流热丝电弧电源及控制系统与工件和焊丝分别连接成回路，确保送丝系统准备就绪，将两电源的交流电信号波形对应设置完毕，其他的气路和水路按常规接法连接。

(2)启动交流主电弧：调节钨极与工件之间的距离，使电弧高度维持在4mm与8mm之间，使焊丝正常送入，若主弧为自由电弧可直接启动开关，若主弧为压缩等离子电弧则需首先开启维护，待稳定后启动交流主电弧。

(3)启动旁路交流热丝电弧：开启送丝系统，调整送丝速度，使焊丝送入主弧，开启旁路交流热丝电弧控制开关，使钨极与焊丝之间形成旁路交流热丝电弧。

(4)正常焊接与成形制造过程：调整交流主电弧交流电信号波形，在形成熔池实现一定穿透作用的同时，清理工件表面氧化膜，在旁路交流热丝电弧辅助作用下，实现焊丝熔化与焊接热输入的解耦控制，通过调节旁路电弧正反极性持续时间以及脉冲特性，控制焊丝熔化效率，以及熔滴的过渡过程，实现不同工况下的射滴过渡、大滴过渡以及搭桥过渡的多种熔滴过渡形式，满足不同焊接材料不同板厚的焊接成形加工需求。

实施例1：

如图1所示，连接整个系统的水路与气路，通过主弧焊接电缆12和旁路电弧焊接电缆13将主路与旁路各自连接成回路，使交流主弧电源及控制系统1、钨极6与工件3形成主回路，使钨极6、旁路交流热丝电弧电源及控制系统2、导电嘴9与焊丝10形成旁路，开始加工前对工件3做必要的清理工作，开启主电弧控制开关，在钨极6与工件3之间形成交流主电弧，所述交流主电弧为交流等离子主电弧，在工件3表面形成熔池，并清理表面氧化膜。随后启动送丝控制系统，送丝滚轮11开始转动，将焊丝10持续送入交流主电弧，开启旁路交流热丝电弧控制开关，在钨极6与焊丝10之间形成旁路交流热丝电弧5，待电弧稳定后进入正常焊接加工阶段，期间等离子气通过喷嘴7内部流入形成电离等离子体，保护气从保护气罩8内流入，交流主电弧4交替转换极性，旁路交流热丝电弧5同时变换，并与主弧相对应，电极的正负相反。

当交流主电弧为TIG自由电弧时，在钨极6与工件3之间形成非熔化极自由电弧，其他操作步骤与交流主电弧为交流等离子电弧时相同。

本发明的复合电弧成形制造方法，分别利用交流熔化极焊接电源和交流非熔化极焊接电源形成交流主电弧与旁路交流热丝电弧，交流主电弧在钨极与工件之间产生，旁路交流热丝电弧在钨极与焊丝之间产生。交流主电弧加热工件形成熔池，旁路交流热丝电弧熔化焊丝形成熔滴过渡进入熔池，实现熔敷效率与焊接热输入的解耦控制。解决填丝焊过程中熔滴过渡形式单一，无法满足不同焊接材料与焊接工况要求的缺点。交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合可以实现大电弧力与高熔敷率的结合，进一步提高金属材料的成形制造效率，实现高精度控形控性的加工过程。

利用本发明的可以实现大电弧力与高熔敷效率的有机结合，通过交替变换的电流极性，更大程度的提高焊丝熔化与熔滴过渡控制的自主性，利用阴极压降高产热多以及阳极脉冲电流大电弧力等原理，调整旁路交流热丝电弧电流波形即可完全实现熔滴过渡的控制，增大熔敷效率的同时不改变工件的热输入。另外，利用本发明的方法可以实现加工过程多种熔滴过渡形式，如射滴过渡、大滴过渡、搭桥过渡等等，满足不同工况不同焊接材料需求，解决变极性等离子有色合金焊接背面熔塌等问题，主弧良好的指向性可以实现熔滴过渡路径的控制，提高加工精度，为近净成形制造打下基础。

Claims (6)

1.一种交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，将交流非熔化极焊接电源、钨极与工件形成主回路，将交流熔化极焊接电源、钨极与焊丝形成旁路，其中，交流非熔化极焊接电源在钨极与工件之间产生交流主电弧，交流熔化极焊接电源在钨极与焊丝之间产生旁路交流热丝电弧；调整交流主电弧交流电信号波形，熔化母材形成熔池，同时清理工件表面氧化膜；在旁路交流热丝电弧辅助作用下，加热焊丝形成熔滴，同时过渡进入熔池，实现有色金属成形制造，通过调整旁路交流热丝电弧的电信号波形，实现焊丝熔化与熔滴过渡的自主控制；

焊接与成形制造过程为：调整交流主电弧交流电信号波形，在形成熔池实现一定穿透作用的同时，清理工件表面氧化膜，在旁路交流热丝电弧辅助作用下，实现焊丝熔化与焊接热输入的解耦控制，通过调节旁路电弧正反极性持续时间以及脉冲特性，控制焊丝熔化效率，以及熔滴的过渡过程。

2.如权利要求1所述的交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，所述交流主电弧为正玄波交流电弧或方波变极性交流电弧；旁路交流热丝电弧的电信号波形与交流主电弧波形相对应，其为正玄波或方波，正负持续状态与主电弧相反。

3.如权利要求1所述的交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，所述交流主电弧为自由态电弧或压缩等离子电弧。

4.如权利要求1所述的交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，所述旁路交流热丝电弧为变极性脉冲电弧。

5.如权利要求1所述的交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，所述熔滴过渡的形式为射滴过渡、搭桥过渡或大滴过渡其中的一种。

6.如权利要求1所述的交流主电弧与旁路交流热丝电弧的复合电弧成形制造方法，其特征在于，所述交流复合电弧中的两电弧为不同夹角，通过调整两电弧的夹角，利用非熔化极电弧良好的指向性控制熔滴过渡路径。