CN108356387B - 一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用 - Google Patents

一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。本发明方法，其特征在于：根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊。本发明主要利用直流反接的电弧与直流正接的脉冲电弧之间的电磁排斥效应，形成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源，从而有利于实现全位置高效焊接，以及获得更加精确的焊接成形。本发明提出的双电弧振动共熔池热源可以实现大参数高速度条件下的全位置焊接以及电弧熔丝增材制造，显著提高加工制造效率，减小残余应力，提高加工成形精度。

Description

一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用
技术领域
本发明属于材料加工工程领域，涉及电弧热源焊接熔池稳定性的调控方法，尤其涉及一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。
背景技术
横焊、立焊以及仰焊是大型储罐、船舶分段和机车框梁等复杂构件的主要焊接方式。上述全位置电弧焊中，熔池金属和熔滴因受重力作用具有下坠趋势，容易产生焊瘤、咬边甚至熔化金属下淌等缺陷，需要严格控制熔池金属的流动行为，减少熔池的波动。电弧熔丝增材制造技术是利用电弧熔化丝材叠加进而实现增材制造的一种新的制备方法，与激光增材制造技术相比，具有增材效率高、制造成本低等显著优点，但是其成形尺寸精度受到电弧熔池流动稳定性制约则大幅下降[1]。因此，迎合全位置电弧自动化焊接和电弧熔丝增材制造的飞速发展，迫切需要开发电弧熔池流动稳定性的精确调控方法。
单电弧热源焊接时主要是通过减小热源工艺参数、手工或机械电弧摆动和焊接电源脉冲波形控制等三种措施来调控焊接熔池稳定性，以满足实际工程的需要。
第一种措施：减小单电弧热源的工艺参数，其本质是通过降低焊接电流、减小电弧等离子体对母材及焊丝加热，降低焊接熔池液态金属温度，增加了熔池液态金属的表面张力，降低了熔池液态金属的流动性，由此来增加焊接熔池的稳定性。此方法在一定程度上可以控制熔池的稳定性，但是大大限制了电弧热源的焊接效率。
第二种措施：手工或机械的电弧摆动，其核心在于通过电弧热源的适当摆动，来降低焊接熔池液态金属的温度梯度，同时也降低了熔池液态金属温度[2]。根据熔池温度梯度引起的剪切力以及电弧等离子体对液态金属的剪切力的共同作用下，使得熔池液态金属在竖直方向的流动性能降低，且有一定的可调节性。此方法的局限性在于其实现自动化焊接方面有很大困难，同时焊接效率较低。
第三种措施：焊接电源的脉冲波形控制，其核心是通过脉冲型焊接电源来提供焊接电流，实现了电弧等离子体对熔池液态金属的可调控式加热，同时可实现焊接平均电流较低的射滴过渡形式的焊接过程[3]。此方法通过焊接电源的脉冲加热，可以适当降低熔池液态金属的温度及其梯度，使得熔池液态金属的流动性降低，增加了焊接熔池的整体稳定性，但是其调节能力和范围有一定的局限性[4]。
由此可见，单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着制造效率低或难以实现自动化焊接的难题。
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发明内容
根据上述提出的单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着制造效率低或难以实现自动化的技术问题，而提供一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。本发明主要利用直流反接的MAG/MIG电弧与直流正接的脉冲TIG电弧之间的电磁排斥效应，形成前端MAG/MIG电弧偏移振动及后端TIG电弧脉冲波动的双电弧振动热源，由此使得部分MIG/MAG电弧热量作用于熔池前方母材金属上，其余部分电弧热量作用于熔池液态金属上，此时熔池液态金属温度及其梯度均降低，熔池表面张力升高，熔池液态金属流动性能降低，由此实现了焊接熔池稳定性调控，从而有利于实现全位置高效焊接，以及获得更加精确的焊接成形。本发明提出的双电弧振动共熔池热源可以实现大参数高速度条件下的全位置焊接以及电弧增材制造，显著提高加工制造效率，减小残余应力，提高加工成形精度。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊。
进一步地，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接(MAG/MIG)的直流反极性接法或交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接(TIG)的直流正极性接法；本发明根据所需的焊接成形尺寸来确定前端MAG/MIG焊接电流以及焊接速度，然后再确定两弧之间距离、焊枪夹角及TIG焊接峰值电流等。利用直流反接(或交流)的熔化极气体保护焊接(MIG/MAG)电源与直流正接的脉冲型(或直流)非熔化极气体保护焊接(PTIG)电源之间的电磁场耦合排斥效应，形成了前端MIG/MAG电弧前后振动，后端TIG电弧脉冲波动的双电弧耦合振动共熔池热源形态，双电弧振动热源可以显著降低电弧压力、熔池液态金属温度及其梯度。
进一步地，当后端脉冲TIG电弧电流位于脉冲峰值阶段时，前端MAG/MIG电弧呈现为尾端向前侧倾斜的状态，后端TIG电弧呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态；当后端脉冲TIG电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端MAG/MIG电弧呈现为竖直状态，后端TIG电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态。
进一步地，通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，即熔池前沿距焊丝中心线的距离；当使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3范围时，双电弧振动热源焊接熔池的稳定性最佳，其焊接成形的尺寸均匀性和精确性控制在±0.5mm范围内。 本发明还公开了一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺，其特征在于，采用上述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，在全位置焊接时，其对接坡口尺寸规范为：坡口夹角20-50°、坡口间隙1.0-3.0mm、钝边尺寸0.5-3.0mm。
本发明还公开了一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺及电弧增材制造焊接工艺，其特征在于，采用上述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，在增材制造焊接时，其焊接工艺规范为：两极间距10-40mm，前端焊枪与板材夹角角度为60-90°，后端焊枪与前端焊枪的夹角为20-70°。
进一步地，在增材制造焊接时，其焊接工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和非熔化极氩弧焊接的工艺规范；其中，熔化极气体保护焊接的工艺规范：Ar-CO2混合气气体流量：12-30L/min、焊接电流：160-400A、电弧电压：24-42V、焊丝直径：Φ1.2-1.6mm、焊丝伸出长度：15-35mm、焊接速度：600-960mm/min；非熔化极氩弧焊接的工艺规范：氩气气体流量：5-15L/min、焊接峰值电流360-460A、基值电流60-150A、电流脉冲频率为10-200Hz、电弧电压：8-16V、钨极直径：Φ2.4-3.2mm、焊接速度：600-960mm/min。
本发明具有以下优点：
1、本发明提出的MAG/MIG-TIG双电弧振动热源的全位置焊接或电弧增材制造焊接成形尺寸均匀，尺寸精确性可控制在± 0.5mm范围内；双电弧振动共熔池热源实行多电弧的气体保护焊接，保证焊接质量，降低焊接应力，提高焊接速度，显著提高焊接制造效率。
2、本发明提出的MAG/MIG-TIG双电弧振动热源在焊接时一方面减少了熔池前端高温液态金属，另一方面显著增加了熔池长度，增加了熔池比表面积，有利于焊接熔池稳定。因此，既能保证MIG/MAG-TIG双电弧振动热源焊接时熔透均匀，又能实现熔池液态金属稳定、焊接成形尺寸精确控制与调节。
3、本发明提出的双电弧振动热源的中厚板对接横焊焊接工艺，可采用MAG电弧电源大参数条件下高速度的横焊焊接，可实现横焊位置的自动化焊接，较传统的中厚板对接横焊焊接工艺提高焊接生产效率2-3倍。
4、本发明提出的双电弧振动热源的电弧增材制造焊接，可实现喷射过渡参数下的高速高效熔敷金属累积成形，由焊接机器人控制热源的行走轨迹，可以实现柔性化、曲面的高效电弧增材制造焊接。
基于上述理由本发明可在电弧热源焊接领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施案例MAG/MIG-TIG双电弧振动热源焊接原理示意图。
图2为本发明实施案例MAG/MIG-TIG双电弧振动热源的电弧振动状态示意图，其中，(a)TIG脉冲峰值状态示意图；(b)TIG脉冲基值状态示意图。
图3为本发明实施案例MAG/MIG-TIG双电弧振动热源焊接熔池前沿偏移面积示意图。
图中：1、熔池前方工件/母材金属；2、MIG/MAG电弧；3、MAG/MIG焊枪(焊丝)；4、TIG焊枪(钨极)；5、TIG电弧；6、熔池液态金属。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度θ和一定的距离DMT复合在一起后，对待焊板材进行施焊。
如图1所示，本发明根据所需的焊接成形尺寸来确定前端MAG/MIG焊接电流以及焊接速度，然后再确定两弧之间距离、焊枪夹角及TIG焊接峰值电流等。前端MAG焊枪3的电弧采用直流型熔化极气体保护焊接(MAG/MIG)电源的直流反极性接法(即MAG焊枪3接直流电源的正极，工件接直流电源的负极)或者MAG电弧接交流波形的焊接电源；后端TIG焊枪4的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接(TIG)电源的直流正极性接法(即TIG焊枪4接直流电源的负极，工件接直流电源的正极)。由于两弧之间的电流方向相反，二者之间产生了相互排斥的电磁效应，同时利用后端TIG电弧5的脉冲波动，使得前端MAG电弧2产生偏移振动，形成了MAG/MIG-TIG双电弧耦合振动共熔池热源。
如图2(a)所示，当后端脉冲TIG电弧5电流位于脉冲峰值阶段时，前端MAG/MIG电弧2呈现为尾端向前侧倾斜的状态，作用于熔池前方工件/母材金属1上，后端TIG电弧5呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态，作用于熔池液态金属6上；如图2(b)所示，当后端脉冲TIG电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端MAG/MIG电弧呈现为竖直状态，后端TIG电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态。
如图3所示，通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，即熔池前沿距焊丝中心的距离；当使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3范围时，双电弧振动热源焊接熔池的稳定性最佳，其焊接成形的尺寸均匀性和精确性控制在±0.5mm范围内。
实施例1：
以板厚为24mm的Q235-B板材对接横焊焊缝为例来详细说明MIG/MAG-TIG双电弧振动热源应用于中厚板对接横焊的高效焊接方法的焊接工艺过程。实施中厚板对接焊缝横焊焊接工艺如下：
在试板上加工成单面焊接坡口，其根部钝边为0-1.0mm，单面焊接坡口为V形，试板组装后构成的夹角为10-30°，采用定位点焊，定位后试板间隙为1.0-2.0mm。焊接前对单面焊坡口及其两侧10-30mm范围内进行打磨，并将坡口及其两侧的杂质清理干净。将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度(30-45°)和一定的距离(15-25mm)复合在一起，固定在焊接机器人的手臂上，进行双电弧振动热源中厚板对接横焊位置的单面焊双面成形的高效焊接。
焊接过程采用直流反接的熔化极气体保护焊接电弧在前，焊丝直径1.2mm，混合气气体流量为15-20L/min，焊接电流260-320A，电弧电压27-33V，焊接速度为600-900mm/min；直流正接的脉冲型非熔化极氩气电弧焊接电弧在后，钨极直径为3.2mm，氩气气体流量为5-12L/min，焊接峰值电流380-420A，焊接基值电流100-120A，脉冲频率为50-180Hz，电弧电压8-14V，焊接速度为600-900mm/min。
由于该双电弧振动热源可以实现射滴过渡模式大参数条件的横焊焊接，中厚板对接横焊位置的焊缝背面成形熔透均匀连续，余高成形尺寸适中，焊缝正反两侧不用做任何处理即可进行后续的填充及盖面焊接，实现了中厚板对接横焊位置的高效率焊接。
实施例2：
以直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝的电弧增材制造焊接为例来详细说明MIGTIG双电弧振动热源应用于电弧增材制造的焊接工艺过程。实施电弧增材制造焊接工艺如下：
要求制作的方形铝合金结构件壁厚10mm，长、宽、高分别为300mm、300mm、600mm，采用多层单道的MIG-TIG双电弧振动共熔池热源增材制造成形。
通过堆焊试验得到熔敷金属成形宽度为9-10mm的工艺参数：MIG焊接电流260A、TIG焊接峰值电流360A、TIG基值电流120A、TIG电流的脉冲频率为80-120Hz、丝极间距20mm、焊接速度12mm/s、氩气气体流量为15-22L/min；此工艺参数下，单道熔敷金属成形的高度为3.0mm；将经过酸洗的基板打磨平整、去除氧化皮，并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作平台上，保证其水平；在基板上选取合适位置进行打底堆焊熔敷成形，打底焊接参数为MIG焊接电流300A、TIG焊接峰值电流390A、TIG基值电流120A、TIG电流的脉冲频率为80-120Hz、丝极间距18-20mm、焊接速度12mm/s、氩气气体流量为5-12L/min；打底堆焊完成后，采用成形宽度为9-10mm的工艺参数进行实体部分的堆积；起弧点应位于方形框的一个角上，第一层堆积完成后，焊枪提高3.0mm进行第二层的堆积，第二层的起弧点应在下一个角处(即焊接机器人的工作手臂行走一条边的距离，双电弧振动共熔池热源暂不起弧)，依次类推，形成铝合金方形结构件的MIG-TIG双电弧振动热源共熔池的增材制造过程。这样避免了制造过程中的热量累积，综合性能良好，内部无裂纹、夹杂和气孔等缺陷。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以30-45°的角度和15-25mm的距离复合在一起后，对待焊板材进行全位置焊接或电弧增材制造焊接，其中，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接的交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接的直流正极性接法，构成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源形式；使得部分电弧热量作用于熔池前方母材金属上，其余部分电弧热量作用于熔池液态金属上，此时熔池液态金属温度及其梯度均降低，熔池表面张力升高，熔池液态金属流动性能降低，由此实现了焊接熔池稳定性调控；
当后端电弧电流位于脉冲峰值阶段时，前端电弧呈现为尾端向前侧倾斜的状态，后端电弧呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态；当后端电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端电弧呈现为竖直状态，后端电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态；
通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3，其焊接成形的尺寸均匀性和精确性控制在±0.5mm范围内。
2.一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以30-45°的角度和15-25mm的距离复合在一起后，对待焊板材进行全位置焊接，其中，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接的交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接的直流正极性接法，构成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源形式；使得部分电弧热量作用于熔池前方母材金属上，其余部分电弧热量作用于熔池液态金属上，此时熔池液态金属温度及其梯度均降低，熔池表面张力升高，熔池液态金属流动性能降低，由此实现了焊接熔池稳定性调控；
当后端电弧电流位于脉冲峰值阶段时，前端电弧呈现为尾端向前侧倾斜的状态，后端电弧呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态；当后端电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端电弧呈现为竖直状态，后端电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态；
通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3，其焊接成形的尺寸均匀性和精确性控制在±0.5mm范围内；
在全位置焊接时，其对接坡口尺寸规范为：坡口夹角20-50°、坡口间隙1.0-3.0mm、钝边尺寸0.5-3.0mm。
3.一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于电弧增材制造焊接工艺，其特征在于，采用如权利要求1所述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，在电弧增材制造焊接时，其焊接工艺规范为：两极间距10-40mm，前端焊枪与板材夹角角度为60-90°，后端焊枪与前端焊枪的夹角为20-70°。
4.根据权利要求3所述的双电弧振动的焊接熔池热源应用于电弧增材制造焊接工艺，其特征在于，在电弧增材制造焊接时，其焊接工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和脉冲型非熔化极气体保护焊接的工艺规范；其中，熔化极气体保护焊接的工艺规范：Ar-CO2混合气气体流量：12-30L/min、焊接电流：160-400A、电弧电压：24-42V、焊丝直径：Φ1.2-1.6mm、焊丝伸出长度：15-35mm、焊接速度：600-960mm/min；脉冲型非熔化极气体保护焊接的工艺规范：氩气气体流量：5-15L/min、焊接峰值电流360-460A、基值电流60-150A、电流脉冲频率为10-200Hz、电弧电压：8-16V、钨极直径：Φ2.4-3.2mm、焊接速度：600-960mm/min。
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