CN109909591A - 缆式焊丝窄间隙焊接方法、一种保护气体喷嘴、一种焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法、一种保护气体喷嘴、一种焊枪，属于窄间隙焊接技术领域，其中窄间隙焊接方法，包括以下步骤:选择缆式焊丝的规格；将缆式焊丝设置在具有冷却结构焊枪头的焊枪中；将焊枪分别连接焊机、保护气体和循环冷却液箱；使焊枪沿着焊接母材的窄间隙中心线进行直线移动焊接；本发明提供的窄间隙焊接方法，焊接中，使焊枪头内通入冷却液，通过降低焊枪头的温度，进而延长了导电杆的使用寿命；并且，焊枪沿着焊接母材的坡口中心线直线移动，充分利用了缆式焊丝自旋转电弧的优势，无需采用摆丝、波状旋转或侧缝跟踪装置等各类高成本侧壁熔合控制技术，焊丝沿窄间隙焊缝中心线移动即能完成一层焊接，提高了焊接生产效率。

Description

缆式焊丝窄间隙焊接方法、一种保护气体喷嘴、一种焊枪

技术领域

本发明涉及窄间隙焊接技术领域，具体涉及缆式焊丝窄间隙焊接方法、一种保护气体喷嘴、一种焊枪。

背景技术

窄间隙焊接是对厚度在30mm以上的焊接母材，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法。

目前窄间隙焊在许多国家的工业生产中发挥着巨大的作用，已成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术。其具有以下技术特征：

(1)焊缝截面积比传统弧焊方法至少减少30％以上；

(2)坡口形状为具有极小坡口角度(0.50-7.0)的V形或U形、或者I形；

(3)一般采用单道多层和双道多层熔敷方式，且板厚方向上熔敷方式固定；

(4)焊接线能量小。

窄间隙焊可分为：窄间隙埋弧焊(NG-SAW)、窄间隙熔化极气体保护焊(NG-GMAW)、窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)、窄间隙电渣焊、窄间隙激光焊。

在窄间隙熔化极气体保护焊中，为了使I形坡口的两边充分焊透，主要采用了：①在焊丝进入坡口前，使焊丝弯曲的方法；②使焊丝在垂直于焊接方向上摆动的方法；③旋转电弧方法；④麻花焊丝方法等。

其中，在麻花焊丝方法中，采用的麻花焊丝是由两根焊丝绞合而成，其焊接特性与单丝相比主要特点在于电弧旋转：两个同直径的焊丝捻合构成的麻花焊丝中每根焊丝均为螺旋状，电弧产生于螺旋状端部，由于电弧力及磁场力的作用，其方向与螺旋线方向(即切线方向)一致，随着焊丝端部不断熔化，其端部的螺旋线方向不断改变，形成旋转电弧。电弧旋转使熔池直径变大，因而无需在窄间隙坡口中摆动焊丝前端，从而无需常规窄间隙气保焊对复杂设备的需要而实现两侧壁充分熔化，从而大地节约了成本。然而，采用这种双丝麻花焊丝的窄间隙气体保护焊，具有以下缺点：1、由于电弧在两根丝端部交替产生，电弧表现出间歇旋转特征，因而焊接电弧的稳定性欠佳，起弧和断弧的位置无法控制，无法保持或控制在熔池宽度方向上的热量一致；2、由于麻花焊丝外表面的凹凸性，将会极大地影响送丝的稳定性，而使得该方法在实际生产中未见任何应用。

为了解决上述问题，中国专利文献CN108723633A公开了一种缆式焊丝，包括中心焊丝和螺旋旋绕所述中心焊丝设置的n根外围焊丝，各相邻所述外围焊丝相切设置。由于焊丝是由一中心焊丝和多根螺旋缠绕于所述中心焊丝上的外围焊丝所构成，焊接过程中，焊接电弧是由中心焊丝电弧和若干旋转的外围焊丝电弧耦合而成，焊丝端部所产生的电弧是一个连续的成喇叭状的旋转电弧，电弧轴线基本与焊丝轴线一致，因此克服了焊接电弧不稳定的缺陷；并由于中心焊丝的存在，因而减小了焊丝外表面凹凸性的缺陷，改善了送丝的稳定性。

然而，在采用上述缆式焊丝进行焊接时，由于缆式焊丝与导电嘴之间的机械磨损和电接触，相较于普通单丝仍具有严重的磨损，导致导电嘴的使用寿命短，一般每班8小时需要更换2-3个导电嘴，严重制约了缆式焊丝窄间隙气体保护焊的应用。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的，采用缆式焊丝方法进行窄间隙焊接，在进行焊接过程时，由于导电嘴使用寿命较短，影响焊接效率的缺陷，从而提供一种能够提高导电嘴使用寿命的缆式焊丝窄间隙焊接方法。

本发明还提供一种用于焊枪的保护气体喷嘴。

本发明还提供一种专门用于缆式焊丝窄间隙焊的焊枪。

本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法，用于对厚度在30mm以上的焊接母材进行焊接，包括以下步骤:

选择缆式焊丝的规格；

将缆式焊丝设置在具有冷却结构焊枪头的焊枪中；

将焊枪分别连接焊机、保护气体和循环冷却液箱；

使焊枪沿着焊接母材的窄间隙中心线进行直线移动焊接。

作为优选方案，所述缆式焊丝的规格包括：缆式焊丝的直径，所述缆式焊丝的直径范围为1.5～3.6mm。

作为优选方案，所述缆式焊丝的规格还包括：外围焊丝的数量，所述外围焊丝的数量范围为：2～8根。

作为优选方案，所述保护气体为80％Ar+20％CO₂。

作为优选方案，所述保护气体的流量范围为10～40L/min。

本发明提供的一种保护气体喷嘴，用于焊枪，包括：

中心腔，为通孔结构，适于套设连接在焊枪的导电杆上；

保护气体通道，设置在所述中心腔的至少一侧，用于通过保护气体；

冷却腔，围绕在所述中心腔的四周设置，用于通过冷却介质。

作为优选方案，包括：

连接段，内部设有第一段中心腔和所述冷却腔；

工作段，为扁平结构，内部设有第二段中心腔和所述保护气体通道，所述保护气体通道的出口位于所述工作段的底部；

所述第一段中心腔与所述第二段中心腔，通过同轴连通构成中心腔的整体。

作为优选方案，所述保护气体通道的保护气体出口为阵列孔结构，所述阵列孔的朝向为焊接时缆式焊丝底端的中心方向。

作为优选方案，所述保护气体通道内具有两层出口，通过两层出口的中间夹设出气体的容纳空间。

本发明提供的一种焊枪，包括：

上述方案中任一项所述的保护气体喷嘴；

导电杆，一端套设在所述保护气体喷嘴的中心腔内，另一端同轴连接导电嘴。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法，由于所用的缆式焊丝是，由一中心焊丝和至少两根螺旋缠绕于所述中心焊丝上的外围焊丝所构成，因此，焊接过程中，焊丝端部所产生的电弧，是由中心焊丝电弧和若干旋转的外围焊丝电弧耦合而成，是一个连续的成喇叭状的旋转电弧，因此，焊接过程稳定。在焊接过程中，使焊枪头内通入冷却液，通过降低焊枪头的温度，进而延长了导电杆的使用寿命，可使导电嘴的使用寿命提高到24小时以上，因此可适合长时间的焊接；并且，焊枪沿着焊接母材的坡口中心线直线移动，充分利用了缆式焊丝自旋转电弧的优势，无需采用摆丝、波状旋转或侧缝跟踪装置等各类高成本侧壁熔合控制技术，将电弧轴线基本与焊丝轴线一致，使焊丝沿窄间隙焊缝中心线移动，即能完成一层焊接，提高了焊接生产效率。

2.本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法，缆式焊丝的直径范围为1.5～3.6mm。缆式焊丝的直径，根据焊缝的厚度、以及坡口的宽度的增大而逐渐增大，从而保证能够一次性快速通过便可完成一层焊接工序，提高焊接效率。

3.本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法，缆式焊丝的外围焊丝数量为2～8根。缆式焊丝的外围焊丝数量，根据焊缝的坡口宽度的增大而逐渐减小，从而满足对坡口宽度的全面覆盖。另外，外围焊丝的数量越多，单根焊丝的直径就越小，因此所需要的电流就越小，在焊接时，由于导电接触点的电流减小，能够极大地降低导电嘴的磨损，从而增加导电嘴的使用寿命。

4.本发明提供的缆式焊丝窄间隙焊接方法，采用的保护气体为80％Ar+20％CO₂混合气体，由于采用富氩气体保护，因此使焊缝成型更加优美。

5.本发明提供的保护气体喷嘴，在进行缆式焊丝窄间隙焊接时，用于连接在焊枪上，由于保护气体喷嘴的中心腔套设在导电杆上，在焊接过程中，围绕中心腔的冷却腔通过冷却液，能够使与保护气体喷嘴连接的导电杆降温，进而降低连接在导电杆上的导电嘴的温度，提高导电嘴的使用寿命。

6.本发明提供的保护气体喷嘴，充分考虑到了窄坡口内的视觉跟踪影响，将工作段设计为扁平结构，在焊接过程中，更加易于焊接电弧的观测。由于保护气体通道的出口位于所述工作段的底部，将扁平结构的保护气体喷嘴伸入到焊接母材的窄间隙中，能够为焊接提供更好的气体保护。

7.本发明提供的保护气体喷嘴，保护气体出口为阵列孔结构，通过阵列孔结构后所述保护气体能够得到均化，均化后的保护气体朝向缆式焊丝的底端中心喷出，能够为焊接提供更好的气体保护。

8.本发明提供的保护气体喷嘴，在保护气体通道的出口处具有两层出口，两层出口之间夹设出气体的容纳空间。气体在保护气体通道内通过第一层出口后，进入到所述容纳空间内，在容纳空间内完成转向，再通过第二层出口，朝向缆式焊丝的底端中心喷出，因此所述容纳空间用于完成保护气体的转向，促使对焊接进行更加的保护。

9.本发明提供的焊枪，采用上述任一项方案所述的保护气体喷嘴，将保护气体喷嘴套设在连接有导电嘴的导电杆上，然后将保护气体喷嘴上相应的连接孔分别连接保护气体和循环冷却液箱，将焊枪连接焊接，即可进行焊接操作。使用时，由于在保护气体喷嘴上具有冷却结构，通过冷却结构能够降低保护气体喷嘴的温度，进而降低与保护气体喷嘴连接的导电杆以及导电嘴的温度，通过降低温度改善了导电嘴的使用工况，最终实现提高导电嘴使用寿命，保证能够长时间焊接操作，提高焊接生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为缆式焊丝窄间隙焊接方法的流程图。

图2为保护气体喷嘴主视图。

图3为图2中A-A向剖视图。

图4为图2中C-C向剖视图。

图5为图2的左视图。

图6为图5中B-B向剖视图。

图7为缆式焊丝的截面示意图。

附图标记说明：

1、中心焊丝；2、外围焊丝；

3、连接段；301、第一段中心腔；302、冷却腔；

4、工作段；401、第二段中心腔；402、保护气体通道；403、保护气体出口；404、容纳空间；

5、导电嘴；6、导电杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明的实施方式提供了一种焊枪，用于缆式焊丝窄间隙焊接方法中，其中所述的窄间隙焊接是指：对厚度在30mm以上的焊接母材进行的焊接。所述的缆式焊丝是指：如图7所示的，在中心焊丝1上缠绕有至少两根外围焊丝2的缆式焊丝。

具体的，焊枪的结构与常规焊枪相同，所不同之处在于：采用的保护气体喷嘴，如图2所示，包括：连接段3和工作段4，所述连接段3位于所述工作段4的上方。如图4所示，所述连接段3上设有中心腔入口和冷却腔302的出、入口；如图5所示，所述工作段4为扁平结构。

如图4、图5和图6所示，在所述连接段3内，设有第一段中心腔301和冷却腔302。所述冷却腔302围绕在所述中心腔的四周设置，用于通过冷却介质。

如图2、图5和图6所示，在所述工作段4内，设有第二段中心腔401和保护气体通道402。

所述第二段中心腔401与第一段中心腔301同轴连通，构成中心腔的整体。所述中心腔用于套设连接在焊枪的导电杆6上，所述导电杆6的末端同轴连接导电嘴5。

所述保护气体通道402的出口位于所述工作段4的底部，保护气体出口403为如图3所示的阵列孔结构，并且阵列孔的朝向为：焊接时的缆式焊丝底端中心方向。为了使阵列孔朝向所述缆式焊丝底端的中心方向，在保护气体通道402的出口设置有两层，通过两层出口的中间夹设出气体的容纳空间404，在所述容纳空间404内实现保护气体的转向。

本发明的实施方式中焊枪上的金属部件可采用紫铜或黄铜，以保证良好的导热和导电性能。金属部件周围可使用塑料绝缘材料或木质材料进行电绝缘，以保证焊工的安全。

使用时，直接将焊枪与现有的普通自动气保焊机的焊接焊接，焊接过程中焊枪沿窄间隙中心线移动。

保护气体喷嘴的工作段4为扁平结构，更适合于在窄间隙中移动，无需采用摆丝、旋转或侧缝跟踪装置等各类高成本侧壁熔合控制技术，在经济性和技术上具有巨大优势。

焊接过程中，由缆式焊丝产生的绕中心轴连续旋转的电弧，通过搅拌熔池，促进熔池向两侧快速扩张，形成中间凹陷的潜弧过程。同时旋转电弧较大径向热辐射为侧边母材熔化提供足够热量，保证了侧壁熔合良好。采用富氩气体保护，焊缝成型优美，层道表面为内凹-U型，更有利于层道间熔合。

采用上述焊枪，进行缆式焊丝窄间隙焊接时，将缆式焊丝设置在焊枪中。具体步骤如图1所示，包括：

步骤一、根据焊接母材的厚度以及坡口宽度，选择缆式焊丝的规格。所述缆式焊丝的规格包括：缆式焊丝直径和外围焊丝的数量。所述缆式焊丝的直径范围在1.5～3.6mm之间，常用的包括：1.8mm、2.4mm、3mm，选用所述缆式焊丝直径时，根据所述焊接母材的厚度、以及所述坡口的宽度的增大而逐渐增大，对于较小的间隙，应采用较细的焊丝，这样减小焊丝使用量，也可减小工件的应力与变形。所述外围焊丝的数量在2～8根之间，常用的包括：3、5、6、7根，所述外围焊丝的数量与所述螺旋升角的值成反比例对应，所述缆式焊丝的螺旋升角范围在26.99°～49.40°之间，常用的包括：26.99°、55.08°、72.56°、49.40°，选用所述螺旋升角时，根据所述焊接母材的坡口宽度的增大而逐渐减小，螺旋升角减小，旋转电弧的扩散角增大，熔宽增大有利于侧壁熔合。

步骤二、将缆式焊丝设置在上述具有冷却结构焊枪头的焊枪中。

步骤三、将上述焊枪分别连接焊机、保护气体和循环冷却液箱。所述焊机采用常规焊接。所述保护气体采用80％Ar+20％CO₂气体，保护气体的流量范围为12～20L/min，常用的包括：12、15、20L/min。所述循环冷却液箱内采用冷却水。

步骤四、使焊枪沿着焊接母材的窄间隙中心线进行直线移动焊接。焊接时，还需根据缆式焊丝的规格，设置焊机参数，所述焊机参数包括：电流和电压。所述电流的范围在250～500A之间，常用的包括：250、260、300、350、380、400、420、450、460、480、500A，选择所述电流时，根据所述缆式焊丝直径的增加而增大，在所述缆式焊丝直径旋转完成后，还要对电流进行再次选择，所述电流根据所述外围焊丝数量的增加而减小，焊接电流可适当减小，有利于减小应力和变形。所述电压的范围在25～35V之间，常用的包括：25、28、30、31、32、33、34、35V，选择所述电压时，根据所述电流的增加而增加。

另外，所述焊枪的移动速度控制在25～35cm/min之间，常用的包括：25、28、30、35cm/min。所述焊枪的前进角度范围在75～90°之间，常用的包括：75°、80°、90°。

表一列出了不同直径的单丝气保焊丝和各种不同数量的外围焊丝密绕的缆式焊丝在不同焊接参数条件下，平板堆焊的熔宽与熔深的数值，因此具体参数的选择可根据此表查询参考。

表一：

在上表中，根据缆式焊丝的规格确定焊机参数，从而减小焊接电流，减小变形，提高焊接接头的质量，并降低了导电嘴的磨损；设置焊枪移动速度、焊枪前进角度以及保护气体的流量，完成上述设置后，便可保证焊接的顺利进行。

在相同截面积的情况下，缆式焊丝随着焊丝数的增加，单根焊丝的直径会显著减小。对于单丝焊丝如果直径为2.4mm，则对应的相同截面积的一根中心丝和六根外围丝所构成的缆式焊丝的单丝直径仅为1mm，单丝截面积的降低，使所需电流减小，有利于减小变形及提高焊接接头的质量，并且所产生的熔宽为单丝焊丝的一倍以上，因此，仅沿窄间隙一次走焊即可将焊缝全部覆盖，提高焊接效率。

实施例1

本实施例的钢板厚度为80mm，设置U型坡口，坡口底部间隙宽度为10mm，采用直径为2.4mm的6+1的缆式焊丝，其螺旋升角为72°，保护气体为80％Ar+20％CO2,焊接参数见表二。

表二Φ2.4mm(6+1)缆式焊丝窄间隙气保焊焊接参数

焊接后，宏观金相显示侧壁熔合很好。

实施例2

本实施例的钢板厚度为80mm，设置U型坡口，坡口间隙宽度为15mm，采用直径为2.4mm的(6+1)的缆式焊丝，其螺旋升角为72°，保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接参数见表三。

表三Φ2.4mm(6+1)缆式焊丝窄间隙气保焊焊接参数

宏观金相显示侧壁熔合很好。

实施例3

本实施例的钢板厚度80mm，设置U型坡口，坡口底部间隙宽度为10mm，采用直径为1.8mm的(6+1)的缆式焊丝，其螺旋升角为72°，保护气体为80％Ar+20％CO2,焊接参数见表四。

表四Φ1.8mm6+1缆式焊丝窄间隙气保焊焊接参数

宏观金相显示侧壁熔合很好。

实施例4

本实施例的钢板厚度80mm，设置U型坡口，坡口底部间隙宽度为15mm，采用直径为2.4mm的(3+1)的缆式焊丝，其螺旋升角为27°，保护气体为80％Ar+20％CO2,焊接参数见表五。

表五Φ2.4mm(3+1)缆式焊丝窄间隙气保焊焊接参数

宏观金相显示侧壁熔合很好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.缆式焊丝窄间隙焊接方法，用于对厚度在30mm以上的焊接母材进行焊接，其特征在于：包括以下步骤:

选择缆式焊丝的规格；

将缆式焊丝设置在具有冷却结构焊枪头的焊枪中；

将焊枪分别连接焊机、保护气体和循环冷却液箱；

使焊枪沿着焊接母材的窄间隙中心线进行直线移动焊接。

2.根据权利要求1所述的缆式焊丝窄间隙焊接方法，其特征在于，所述缆式焊丝的规格包括：缆式焊丝的直径，所述缆式焊丝的直径范围为1.5～3.6mm。

3.根据权利要求2所述的缆式焊丝窄间隙焊接方法，其特征在于，所述缆式焊丝的规格还包括：外围焊丝(2)的数量，所述外围焊丝(2)的数量范围为：2～8根。

4.根据权利要求1所述的缆式焊丝窄间隙焊接方法，其特征在于，所述保护气体为80％Ar+20％CO₂。

5.根据权利要求4所述的缆式焊丝窄间隙焊接方法，其特征在于，所述保护气体的流量范围为10～40L/min。

6.一种保护气体喷嘴，用于焊枪，其特征在于：包括：

中心腔，为通孔结构，适于套设连接在焊枪的导电杆(6)上；

保护气体通道(402)，设置在所述中心腔的至少一侧，用于通过保护气体；

冷却腔(302)，围绕在所述中心腔的四周设置，用于通过冷却介质。

7.根据权利要求6所述的保护气体喷嘴，其特征在于，包括：

连接段(3)，内部设有第一段中心腔(301)和所述冷却腔(302)；

工作段(4)，为扁平结构，内部设有第二段中心腔(401)和所述保护气体通道(402)，所述保护气体通道(402)的出口位于所述工作段(4)的底部；

所述第一段中心腔(301)与所述第二段中心腔(401)，通过同轴连通构成中心腔的整体。

8.根据权利要求7所述的保护气体喷嘴，其特征在于，所述保护气体通道(402)的保护气体出口(403)为阵列孔结构，所述阵列孔的朝向为焊接时缆式焊丝底端的中心方向。

9.根据权利要求8所述的保护气体喷嘴，其特征在于，所述保护气体通道(402)内具有两层出口，通过两层出口的中间夹设出气体的容纳空间(404)。

10.一种焊枪，其特征在于，包括：

权利要求6～9中任一项所述的保护气体喷嘴；

导电杆(6)，一端套设在所述保护气体喷嘴的中心腔内，另一端同轴连接导电嘴(5)。