CN109079291A - 一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置及方法，包括GMA焊接电源、送丝机构、分流模块、控制器、电流传感器、工件、空心钨极分流熔化极焊枪；空心钨极分流熔化极焊枪包括焊丝、导电嘴、空心钨极和保护罩；焊丝的一端位于送丝机构内，焊丝的另一端插入到导电嘴内；导电嘴位于空心钨极内，导电嘴的上半部分为空心圆柱，导电嘴的下半部分为空心圆锥；空心钨极位于保护罩内，空心钨极的上半部分为空心圆柱，空心钨极的下半部分为空心圆锥；保护罩为圆柱面形。本发明提高焊枪的灵活性，保证了焊接质量的一致性和可靠性，便于全位置、多方向的焊接；提高了电弧的挺直性和穿透能力，提高了填充焊丝的熔化效率。

Description

一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置及方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置及方法。

背景技术

气体保护熔化极电弧焊(GMA)具有灵活性好、成本低廉、操作方便的优点，是工业中使用最为广泛的焊接方法之一。但是，在传统GMA焊接过程中，焊枪和母材分别与焊接电源的两极直接相连，流经母材的电流等于熔化焊丝的电流，这就使得传统GMA焊接存在一定的弊端：(1)焊丝的熔化速度与焊接电流直接相关，高效的焊接生产要求更大的焊丝熔化速度，需采用更大的焊接电流，必然导致焊接热输入增加，焊接热影响区扩大，焊后变形增大，导致接头质量下降，焊接缺陷增多。(2)熔滴过渡形式与焊接电流有一定关系，要获得稳定的熔滴过渡，必然导致焊接电流增大，焊接热输入提高。

等离子弧的产生：在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。①机械压缩效应——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。

焊接时离子气和保护气均为纯氩。等离子弧焊所用电极一般为钨极，与钨极氩弧焊相同，国内主要采用钍钨极和铈钨极，国外还采用锆钨极和锆极，有时还需填充金属。一般均采用直流正接法，钨棒接负极。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。

专利号为CN103817449A的专利提出了一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法及焊接装置，沿焊接方向在前端采用等离子弧对被焊工件进行预热或焊缝熔透，在后端采用熔化极电弧将焊丝熔化并填充焊缝。该方法采用一把熔化极等离子复合焊枪，大大提高了焊枪的灵活性和可达性，便于实现焊接的自动化，同时，利用MIG电弧和等离子电弧产生的复合电弧对焊丝进行加热，能极大地提高焊接效率。但该方法在焊接时，为提高焊接效率，需要增加等离子弧和MIG电弧的焊接电流，使得工件热输入较大，易产生焊接变形大、组织性能变差等问题。

专利号为CN105215525A的专利提出了一种旁路热丝等离子弧焊接装置及焊接方法，该方法在进行穿孔等离子弧焊时，采用更为高效的送丝方式和旁路电弧热丝技术来获得很高的焊丝熔化效率，以对等离子弧产生的空隙进行高效填充，并利用旁路分流精确控制工件的热输入，从而可以极大地提高焊接效率和焊接质量。该方法在焊接时，由于在焊丝送入熔池前,在焊丝上会通过一定的电流,这样在工件和焊丝之间存在一条与主焊接回路相邻的热丝电流回路。在热丝电流回路所形成的磁场中,焊接电弧会受到一个磁场力的作用而偏离原来的方向,产生磁偏吹,磁偏吹在热丝焊中会对焊缝形状和电弧的准确定位产生不利的影响，从而影响焊缝成形和焊接质量。

专利号为CN102500873A的专利，公开了一种控制热输入的电弧焊方法，该方法采用两个焊接电流回路—主电流回路和旁路分流回路，主电流用于熔化焊丝，旁路焊枪分流部分流经母材的电流，从而实现在高的焊丝熔化电流条件下，减小流经母材的焊接电流，从而达到降低母材热输入、提高焊丝熔化效率的目的。但是，该方法的旁路焊枪和主路焊枪结构分离，主路焊丝与旁路钨极之间的角度较大，一方面增大了焊枪的整体体积，降低了焊枪的灵活性和可达性；另一方面，主/旁路电弧呈非对称性分布，焊接的方向性受到限制。

发明内容

本发明的目的在于公开灵活性高，熔透效果好的一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置，包括GMA焊接电源1、送丝机构2、分流模块7、控制器8、电流传感器9、工件13、空心钨极分流熔化极焊枪14；

空心钨极分流熔化极焊枪14包括焊丝3、导电嘴4、空心钨极5和保护罩6；焊丝3的一端位于送丝机构2内，焊丝3的另一端插入到导电嘴4内；导电嘴4位于空心钨极5内，导电嘴4的上半部分为空心圆柱，导电嘴4的下半部分为空心圆锥；空心钨极5位于保护罩6内，空心钨极5的上半部分为空心圆柱，空心钨极5的下半部分为空心圆锥；保护罩6为圆柱面形；

分流模块7分别与空心钨极5、工件13和控制器8连接，工件13还与GMA焊接电源1的负极连接，控制器8的另一端与电流传感器9连接，电流传感器9套在工件13与GMA焊接电源1的负极和分流模块7连接的干路上；GMA焊接电源1的正极和导电嘴4连接。

一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接方法，包含如下步骤：

步骤(1)：对工件进行焊前预处理，包括清理油污、打磨氧化层、开坡口，并按照相关要求选择合适的焊丝，然后连接焊接设备与装置；

步骤(2)：按照工艺要求，选择合适的空心钨极孔径，调节空心钨极到导电嘴的距离，避免钨极与导电嘴短路，使得焊枪轴线与工件基本垂直，控制空心钨极距工件的距离以及焊丝干伸长的长度；

步骤(3)：启动GMA焊接电源，按照焊接工艺，设定主路电流，主路电压，旁路电流，离子气流量，保护气流量，送丝速度，焊接速度；

步骤(4)：焊接时，引燃主路电弧，此时焊丝和空心钨极之间会形成旁路电弧，在主路电弧和旁路电弧共同作用下形成耦合电弧，焊丝在耦合电弧的作用下熔化，形成熔滴过渡，实现对工件的焊接；

步骤(5)：焊接过程中，旁路电弧对流经工件的电流具有分流作用，根据电流传感器对通过工件的电流进行检测，在总电流不变时，通过控制器调节分流模块，控制旁路电流大小，进而调节流经工件的电流，实现对工件的热输入控制，降低焊接热输入、减少焊接变形。

本发明的有益效果为：

本发明采用空心钨极分流中间填丝的送丝方式，大幅度减小焊枪尺寸，焊枪的灵活性提高，既适用于全自动化焊接，也适用于手工焊接；空心钨极分流熔化极电弧焊形成的耦合电弧热源为对称分布，不存在磁偏吹和焊接方向等问题，焊接过程中不需要考虑送丝的朝向性，确保了焊接质量的一致性和可靠性，便于全位置、多方向的焊接；空心钨极内通入保护气，调节空心钨极的孔径和气体流量大小，提高了电弧的挺直性和穿透能力，获得不同的熔透效果；空心钨极分流中心填丝的焊接方式，可将焊丝直接送入耦合电弧的中心，提高了填充焊丝的熔化效率。钨极与焊丝之间的旁路电弧可对焊丝进行预热，进一步提高了焊丝的熔化效率；旁路电弧对流经工件的电流有分流作用，可通过调节旁路电流，控制流经工件的电流，从而控制工件的焊接热输入和熔滴过渡形式，消除焊接飞溅，减少焊接变形，提高焊接质量；本发明既可用于焊接，也适合电弧增材制造，成本低。

附图说明

图1是一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置，包括GMA焊接电源1、送丝机构2、分流模块7、控制器8、电流传感器9、工件13、空心钨极分流熔化极焊枪14；

空心钨极分流熔化极焊枪14包括焊丝3、导电嘴4、空心钨极5和保护罩6；焊丝3的一端位于送丝机构2内，焊丝3的另一端插入到导电嘴4内；导电嘴4位于空心钨极5内，导电嘴4的上半部分为空心圆柱，导电嘴4的下半部分为空心圆锥；空心钨极5位于保护罩6内，空心钨极5的上半部分为空心圆柱，空心钨极5的下半部分为空心圆锥；保护罩6为圆柱面形；

分流模块7分别与空心钨极5、工件13和控制器8连接，工件13还与GMA焊接电源1的负极连接，控制器8的另一端与电流传感器9连接，电流传感器9套在工件13与GMA焊接电源1的负极和分流模块7连接的干路上；GMA焊接电源1的正极和导电嘴4连接。

一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接方法，包含如下步骤：

步骤(1)：对工件进行焊前预处理，包括清理油污、打磨氧化层、开坡口，并按照相关要求选择合适的焊丝，然后连接焊接设备与装置；

步骤(2)：按照工艺要求，选择合适的空心钨极孔径，调节空心钨极到导电嘴的距离，避免钨极与导电嘴短路，使得焊枪轴线与工件基本垂直，控制空心钨极距工件的距离以及焊丝干伸长的长度；

步骤(3)：启动GMA焊接电源，按照焊接工艺，设定主路电流，主路电压，旁路电流，离子气流量，保护气流量，送丝速度，焊接速度；

步骤(4)：焊接时，引燃主路电弧10，此时焊丝和空心钨极之间会形成旁路电弧，在主路电弧10和旁路电弧11共同作用下形成耦合电弧12，焊丝在耦合电弧12的作用下熔化，形成熔滴过渡，实现对工件的焊接；

步骤(5)：焊接过程中，旁路电弧11对流经工件的电流具有分流作用，根据电流传感器对通过工件的电流进行检测，在总电流不变时，通过控制器调节分流模块，控制旁路电流大小，进而调节流经工件的电流，实现对工件的热输入控制，降低焊接热输入、减少焊接变形。

实施例1：

一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接方法：

步骤(1)：对工件进行焊前预处理，包括清理油污、打磨氧化层、开坡口，并按照相关要求选择合适的焊丝，然后连接焊接设备与装置；

步骤(2)：按照工艺要求，选择合适的空心钨极孔径，调节空心钨极到导电嘴的距离为1-3mm，避免钨极与导电嘴短路，使得焊枪轴线与工件基本垂直，空心钨极距工件的距离5-15mm，焊丝干伸长10-25mm

步骤(3)：启动GMA焊接电源，按照相关焊接工艺，设定主路电流I，主路电压，旁路电流I_P，离子气流量，保护气流量，送丝速度，焊接速度等工艺参数；

步骤(4)：焊接时，引燃主路电弧，此时焊丝和空心钨极之间会形成旁路电弧，在主路电弧和旁路电弧共同作用下形成耦合电弧，焊丝在耦合电弧的作用下熔化，形成熔滴过渡，实现对工件的焊接；

步骤(5)：焊接过程中，旁路电弧对流经工件的电流具有分流作用，可以根据电流传感器对通过工件的电流进行检测，在总电流I不变时，通过控制器调节分流模块，控制旁路电流I_P大小，进而调节流经工件的电流I_M，实现对工件的热输入控制，实现降低焊接热输入、减少焊接变形、改善焊接质量的目的。

与现有技术相比，本发明采用空心钨极分流中间填丝的送丝方式，大幅度减小焊枪尺寸，焊枪的灵活性提高，既适用于全自动化焊接，也适用于手工焊接；空心钨极分流熔化极电弧焊形成的耦合电弧热源为对称分布，不存在磁偏吹和焊接方向等问题，焊接过程中不需要考虑送丝的朝向性，确保了焊接质量的一致性和可靠性，便于全位置、多方向的焊接；空心钨极内通入保护气，调节空心钨极的孔径和气体流c量大小，提高了电弧的挺直性和穿透能力，获得不同的熔透效果；空心钨极分流中心填丝的焊接方式，可将焊丝直接送入耦合电弧的中心，提高了填充焊丝的熔化效率。钨极与焊丝之间的旁路电弧可对焊丝进行预热，进一步提高了焊丝的熔化效率；旁路电弧对流经工件的电流有分流作用，可通过调节旁路电流，控制流经工件的电流，从而控制工件的焊接热输入和熔滴过渡形式，消除焊接飞溅，减少焊接变形，提高焊接质量；本发明既可用于焊接，也适合电弧增材制造，成本低。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接装置，其特征在于：包括GMA焊接电源(1)、送丝机构(2)、分流模块(7)、控制器(8)、电流传感器(9)、工件(13)、空心钨极分流熔化极焊枪(14)；

空心钨极分流熔化极焊枪(14)包括焊丝(3)、导电嘴(4)、空心钨极(5)和保护罩(6)；焊丝(3)的一端位于送丝机构(2)内，焊丝(3)的另一端插入到导电嘴(4)内；导电嘴(4)位于空心钨极(5)内，导电嘴(4)的上半部分为空心圆柱，导电嘴(4)的下半部分为空心圆锥；空心钨极(5)位于保护罩(6)内，空心钨极(5)的上半部分为空心圆柱，空心钨极(5)的下半部分为空心圆锥；保护罩(6)为圆柱面形；

分流模块(7)分别与空心钨极(5)、工件(13)和控制器(8)连接，工件(13)还与GMA焊接电源(1)的负极连接，控制器(8)的另一端与电流传感器(9)连接，电流传感器(9)套在工件(13)与GMA焊接电源(1)的负极和分流模块(7)连接的干路上；GMA焊接电源(1)的正极和导电嘴(4)连接。

2.一种基于空心钨极分流的熔化极电弧焊接方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：对工件进行焊前预处理，包括清理油污、打磨氧化层、开坡口，并按照相关要求选择合适的焊丝，然后连接焊接设备与装置；

步骤(2)：按照工艺要求，选择合适的空心钨极孔径，调节空心钨极到导电嘴的距离，避免钨极与导电嘴短路，使得焊枪轴线与工件基本垂直，控制空心钨极距工件的距离以及焊丝干伸长的长度；

步骤(3)：启动GMA焊接电源，按照焊接工艺，设定主路电流，主路电压，旁路电流，离子气流量，保护气流量，送丝速度，焊接速度；

步骤(4)：焊接时，引燃主路电弧，此时焊丝和空心钨极之间会形成旁路电弧，在主路电弧和旁路电弧共同作用下形成耦合电弧，焊丝在耦合电弧的作用下熔化，形成熔滴过渡，实现对工件的焊接；

步骤(5)：焊接过程中，旁路电弧对流经工件的电流具有分流作用，根据电流传感器对通过工件的电流进行检测，在总电流不变时，通过控制器调节分流模块，控制旁路电流大小，进而调节流经工件的电流，实现对工件的热输入控制，降低焊接热输入、减少焊接变形。