CN109483031B - 一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，属于等离子焊技术领域，装置包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气；瓷套的外表面设有螺旋导流槽，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁。离子气自由行程短，气流的指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于现有结构中的涡流形成条件，本发明中涡流受拘束强，可控性好，涡流效果明显。

Description

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，属于等离子焊技术领域。

背景技术

目前，工业上常见的大厚度工件的焊接主要是通过先加工坡口(V形、Y形，等)，再采用多层单道或者多层多道的焊接方法填满坡口，从而实现焊接。但此种方法需要预先开坡口，不但造成材料的浪费，还费时费工，需要消耗大量的人力和物力，降低生产效率。此外，多层焊焊接工艺复杂，容易造成焊接缺陷。

在穿孔等离子弧焊接过程中，其电弧经过机械压缩、热压缩和电磁收缩三种压缩方式以后，能量密度得到显著提高，电弧挺度好、穿透能力强，因而穿孔等离子弧焊接技术可以在不加工坡口的情况下实现“单面焊、双面成形”，能极大简化整个焊接过程，提高生产效率。但是，现有的穿孔等离子弧焊接技术能够单次焊透工件的厚度有限(一般小于12mm)，而且深宽比较小(即焊缝宽度较大，背面熔池容易出现下塌)，这就限制了该先进技术在大厚度工件焊接方面的工业应用。

发明内容

针对现有技术的不足，为了解决穿孔等离子弧焊接技术在大厚度工件焊接方面的应用限制，本发明提供一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置及焊接方法，主要用于较大厚度(4mm--30mm)工件在不开坡口的情况下，单次焊接，双面成形，获得较大深宽比的焊接接头，可以实现不加工坡口、填丝或不填丝一次焊透大厚度工件。

本发明的技术方案如下：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气；

瓷套的外表面设有螺旋导流槽，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，经电离后电弧从水冷铜喷嘴末端喷出，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁。

将喷嘴内壁改为流线型结构，减小因结构突变带来的气体运动阻力，避免发生紊流，使得离子气运动更为顺畅，稳定焊接过程。同时，本发明中喷嘴出口的流线型结构还起到逐步压缩离子气的作用，从而提高电流密度，增加熔深。

根据本发明优选的，瓷套外表面导流槽为圆弧型凹槽。

进一步优选的，导流槽的圆弧尺寸为R0.5-R5.0，单位毫米；导流槽的个数为3-15个，导流槽的圈数为1-10圈。

进一步优选的，导流槽个数为4个，圈数为3圈，圆弧尺寸为R1.4，单位毫米。

离子气受到导流槽和喷嘴内壁的约束，直到靠近钨极尖端才解除瓷套的约束，离子气自由行程短，其指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于直吹的气流，涡流中气体向中心螺旋汇聚，其中心为低压区，有利于弧柱稳定于喷嘴孔道中心，既增强了弧柱的稳定性，同时对电弧的压缩作用更为强烈，得到的等离子弧能量密度更大，挺度更好。

根据本发明优选的，所述的离子气中通入氦气。在离子气中加入氦气，在相同的焊接电流下，氦气比氩气具有更高的电弧电压，所以加入氦气能使得电子的运动速度增大，电弧能量得到提高，从而加大熔深。

进一步优选的，通入氦气的占比比例为0％-25％。

根据本发明优选的，水冷铜喷嘴的下腔体的内壁线为圆弧形。

进一步优选的，水冷铜喷嘴的下腔体内壁的圆弧尺寸为R3-R50，单位毫米。

根据本发明优选的，所述焊接装置还包括控制系统，控制系统与焊枪相连，控制系统为闭环控制系统，闭环控制系统包括检测部分和控制部分，检测部分包括霍尔传感器、工业CCD相机、光谱仪和高精度麦克风；

控制部分为PID控制、模糊控制、神经网络控制或人工智能控制中的一种。

相比较于开环焊接，闭环控制能根据焊接过程中熔池的形态变化作出响应，及时调整焊接参数，如改变焊接电流或者焊接高度等，使得在整个焊接过程中，小孔能够周期性的闭合与开启，保证焊透工件的同时，避免焊缝金属下塌，稳定焊接过程。

一种利用上述大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置的焊接方法，包括步骤如下：

将焊枪置于待焊工件上方，设定焊枪操作参数；焊接电流50–500A，离子气流量为1-6L/min，保护气流量为5-20L/min，焊接速度为70–500mm/min，焊枪高度为3-10mm，钨极直径2-6mm，钨极内缩量为1mm-3mm；对待焊工件进行焊接。

进一步优选的，利用闭环控制系统对焊接过程进行检测和控制，利用闭环控制系统的霍尔传感器、工业CCD相机和高精度麦克风组件采集信号源，所述信号源包括电信号、视觉信号、声信号，电信号包括尾焰电压、焊接电流、电弧电压，视觉信号包括小孔直径、熔池形态，声信号包括背面声频、正面音频，利用采集的信号源作为判断小孔开合与否的依据，为下一步的控制部分提供数据支撑；

控制部分根据检测部分的结果，在线调节焊接参数，使得小孔周期性闭合与开启，保证熔池具有足够的表面张力，避免出现厚板焊接时熔池易塌陷的现象，得到稳定的焊缝。

本发明的有益效果在于：

利用本发明的技术方案在大厚度工件焊接时，可不开坡口、填丝或不填丝实现单次焊接、双面成形工艺，获得大深宽比的焊缝。

本发明的技术方案中，离子气受到瓷套上的导流槽和喷嘴内壁的约束，直到靠近钨极尖端才解除瓷套的约束，离子气自由行程短，气流的指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于现有结构中的涡流形成条件，本发明中涡流受拘束强，可控性好，涡流效果明显。

本发明采集的信号源包括焊接过程中的电信号、视觉信号和声信号，然后以其中的一种信号源或者多种信号源为依据来判断小孔的开合状态或者开合趋势，采用PID控制、模糊控制、神经网络控制或人工智能控制这几个控制方法，在线调整焊接参数，实现整个焊接过程的自我控制。

附图说明

图1为等离子焊枪端部各部件相对位置结构示意图；

图2为现有瓷套结构示意图；

图3为本发明瓷套结构示意图；

图4为改进前现有喷嘴结构示意图；

图5为本发明喷嘴结构示意图；

图6为本发明整套焊接工艺闭环控制流程图。

其中，1为钨极，2为瓷套，3为水冷铜喷嘴，4为气罩，5为导流槽，6、下腔体，7、上腔体。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气。

瓷套的外表面设有螺旋导流槽，如图3所示，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，经电离后电弧从水冷铜喷嘴末端喷出，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁。

将喷嘴内壁改为流线型结构，减小因结构突变带来的气体运动阻力，避免发生紊流，使得离子气运动更为顺畅，稳定焊接过程。同时，本发明中喷嘴出口的流线型结构还起到逐步压缩离子气的作用，从而提高电流密度，增加熔深。

实施例2：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，瓷套外表面导流槽为圆弧型凹槽，导流槽的圆弧尺寸为R1.4，单位毫米，导流槽的个数为4个，导流槽的圈数为3圈。

离子气受到导流槽和喷嘴内壁的约束，直到靠近钨极尖端才解除瓷套的约束，离子气自由行程短，其指向性强，有利于电弧挺度的增加。相比较于直吹的气流，涡流中气体向中心螺旋汇聚，其中心为低压区，有利于弧柱稳定于喷嘴孔道中心，既增强了弧柱的稳定性，同时对电弧的压缩作用更为强烈，得到的等离子弧能量密度更大，挺度更好。

实施例3：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，导流槽的圆弧尺寸为R0.5，单位毫米，导流槽的个数为3个，导流槽的圈数为1圈。

实施例4：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，导流槽的圆弧尺寸为R5.0，单位毫米，导流槽的个数为15个，导流槽的圈数为10圈。

实施例5：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述的离子气中通入氦气，通入氦气的占比比例为25％。在离子气中加入氦气，在相同的焊接电流下，氦气比氩气具有更高的电弧电压，所以加入氦气能使得电子的运动速度增大，电弧能量得到提高，从而加大熔深。

实施例6：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例5所述，所不同的是，通入氦气的占比比例为1％。

实施例7：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，水冷铜喷嘴的下腔体的内壁线为圆弧形。水冷铜喷嘴的下腔体内壁的圆弧尺寸为R50，单位毫米。

实施例8：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，水冷铜喷嘴的下腔体内壁的圆弧尺寸为R3，单位毫米。

实施例9：

一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述焊接装置还包括控制系统，控制系统与焊枪相连，控制系统为闭环控制系统，闭环控制系统包括检测部分和控制部分，检测部分包括霍尔传感器、工业CCD相机、光谱仪和高精度麦克风。控制部分为PID控制、模糊控制、神经网络控制或人工智能控制中的一种。

相比较于开环焊接，闭环控制能根据焊接过程中熔池的形态变化作出响应，及时调整焊接参数，如改变焊接电流或者焊接高度等，使得在整个焊接过程中，小孔能够周期性的闭合与开启，保证焊透工件的同时，避免焊缝金属下塌，稳定焊接过程。

实施例10：

一种利用实施例9所述大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置的焊接方法，包括步骤如下：

将焊枪置于待焊工件上方，待焊工件适用于低合金钢(如Q235、Q345钢板)、不锈钢(304、316、316L等)、钛合金(TC4、TC6等)，待焊工件的厚度为4mm，设定焊枪操作参数；焊接电流50A，离子气流量为1L/min，保护气流量为5L/min，焊接速度为50mm/min，焊枪高度为3mm，钨极直径2mm，钨极内缩量为1mm；对待焊工件进行焊接。

利用闭环控制系统对焊接过程进行检测和控制，利用闭环控制系统的霍尔传感器、工业CCD相机和高精度麦克风等组件采集信号源，所述信号源包括电信号、视觉信号、声信号，电信号包括尾焰电压、焊接电流、电弧电压，视觉信号包括小孔直径、熔池形态，声信号包括背面声频、正面音频，利用采集的信号源作为判断小孔开合与否的依据，为下一步的控制部分提供数据支撑。

控制部分根据检测部分的结果，在线调节焊接参数，使得小孔周期性闭合与开启，保证熔池具有足够的表面张力，避免出现厚板焊接时熔池易塌陷的现象，得到稳定的焊缝。

实施例11：

一种利用大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置的焊接方法，步骤如实施例10，所不同的是：将焊枪置于待焊工件上方，待焊工件适用于低合金钢(如Q235、Q345钢板)、不锈钢(304、316、316L等)、钛合金(TC4、TC6等)，待焊工件的厚度为30mm，设定焊枪操作参数；焊接电流500A，离子气流量为6L/min，保护气流量为35L/min，焊接速度为500mm/min，焊枪高度为10mm，钨极直径6mm，钨极内缩量为3mm；对待焊工件进行焊接。

对比例1

针对Q235钢板，采用控制变量法，利用本发明实施例2的装置结构和现有图2所示的原瓷套做对比实验，验证本发明的穿透性能。

本实验采用的焊接电流为恒流150A，离子气流量为4L/min，保护气流量为10L/min，焊接速度为150mm/min，焊枪高度为5mm，钨极直径4mm，钨极内缩量为2mm，所用试板为平均厚度7.7mm的Q235钢板。

经实验，普通瓷套焊接条件下，穿孔过程稳定，焊缝正反两面成型良好；本发明涡流环焊接条件下，焊缝部位形成切割边缘，焊缝金属被吹落。结果说明在相同条件下，本发明的可以穿透更厚的工件，本发明的穿透性能优于现有原瓷套。

Claims (4)

1.一种大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其特征在于，包括焊枪，焊枪端部包括钨极，钨极外侧套设有瓷套，瓷套外侧套设有水冷铜喷嘴，水冷铜喷嘴外侧套设有气罩，水冷铜喷嘴与气罩之间通入保护气；

瓷套的外表面设有螺旋导流槽，瓷套与水冷铜喷嘴之间通入离子气，离子气经由水冷铜喷嘴内壁和导流槽之间，离子气由水冷铜喷嘴出口流出，离子气在水冷铜喷嘴的下腔体部位形成涡流；水冷铜喷嘴的下腔体容积小于上腔体的容积，下腔体的内壁为流线型内壁；

瓷套外表面导流槽为圆弧型凹槽，导流槽的圆弧尺寸为R0.5-R5.0，单位毫米；导流槽的个数为3-15个，导流槽的圈数为1-10圈；

所述的离子气中通入氦气，通入氦气的占比比例为0％-25％；

水冷铜喷嘴的下腔体的内壁线为圆弧形，水冷铜喷嘴的下腔体内壁的圆弧尺寸为R3-R50，单位毫米。

2.根据权利要求1所述的大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其特征在于，导流槽个数为4个，圈数为3圈，圆弧尺寸为R1.4，单位毫米。

3.根据权利要求1所述的大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括控制系统，控制系统与焊枪相连，控制系统为闭环控制系统，闭环控制系统包括检测部分和控制部分，检测部分包括霍尔传感器、工业CCD相机、光谱仪和高精度麦克风；

控制部分为PID控制、模糊控制、神经网络控制或人工智能控制中的一种。

4.一种利用上述权利要求1-3任意一项权利要求所述大熔深大深宽比穿孔等离子弧焊接装置的焊接方法，包括步骤如下：

将焊枪置于待焊工件上方，设定焊枪操作参数；焊接电流50–500A，离子气流量为1-6L/min，保护气流量为5-20L/min，焊接速度为70–500mm/min，焊枪高度为3-10mm，钨极直径2-6mm，钨极内缩量为1mm-3mm；对待焊工件进行焊接；

利用闭环控制系统对焊接过程进行检测和控制，利用闭环控制系统的霍尔传感器、工业CCD相机和高精度麦克风组件采集信号源，所述信号源包括电信号、视觉信号、声信号，电信号包括尾焰电压、焊接电流、电弧电压，视觉信号包括小孔直径、熔池形态，声信号包括背面声频、正面音频；

控制部分根据检测部分的结果，在线调节焊接参数。

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