CN111975235B - 等离子-电弧复合焊接方法及焊接成品 - Google Patents

等离子-电弧复合焊接方法及焊接成品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了等离子‑电弧复合焊接方法及焊接成品，涉及复合焊接技术领域。等离子‑电弧复合焊接方法采用等离子‑MIG同轴复合焊枪，等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲同时产生且持续时间一致，熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1‑1.5:1；以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气的成分均包括：氧气0.5‑2％、氦气10‑25％，其余为氩气。焊接成品，采用上述焊接方法将待焊接料进行焊接而得，本发明具有低的热输入，残余应力应变降低10～20％，焊接速度可以增加40％，焊缝成形更加稳定。

Description

等离子-电弧复合焊接方法及焊接成品
技术领域
本发明涉及复合焊接技术领域，且特别涉及等离子-电弧复合焊接方法及焊接成品。
背景技术
等离子焊接的方法有利于获得高质量的铝合金和钢铁焊接接头，已经在轨道车辆、船体结构、海洋平台等多个领域得到应用。
如美国专利：No.4321454公开了一种等离子复合焊接方法及焊枪，提出一种中空非熔化极中心布置熔化极电极，气体被分割成非熔化极内部中心气柱和非熔化极外部环形气幕。焊接时，熔化极电弧在熔化极电极和工件之间产生，而等离子弧暂时在MIG电弧与非熔化极、工件间建立。由于该方法结合了非熔化极电弧和熔化极电弧，但是其容易造成熔化极电弧膨胀，不利于焊缝宽度的减少，且成形的稳定性差。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子-电弧复合焊接方法，旨在减少焊缝宽度，增加成形稳定性。
本发明的另一目的在于提供一种焊接成品，其具有焊缝宽度小、成形稳定性好的优点。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种等离子-电弧复合焊接方法，采用等离子-MIG同轴复合焊枪，等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲同时产生且持续时间一致，熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1；以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气的成分均包括：氧气0.5-2％、氦气10-25％，其余为氩气。
本发明还提出一种焊接成品，采用上述焊接方法将待焊接料进行焊接而得。
本发明实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法的有益效果是：其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，控制等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲使二者同时产生且持续时间一致，控制熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1，配合优化焊接过程中所用气体组成，能够显著降低焊缝宽度和成形稳定性。
本发明实施例还提供一种焊接成品，采用上述焊接方法将待焊接料进行焊接而得，具有焊缝宽度小、成形稳定性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为电流脉冲波形示意图；
图2为熔化极电流电压测量波形图；
图3为8mm1561铝合金焊缝截面成形对比图；
图4为5mm1561铝合金混合工作气体及氩气下焊缝外观；
图5为8mm5083铝合金焊缝正反面外观；
图6为10mmQ235碳钢焊缝正反面外观；
图7为12mmSUS304铝合金焊缝正反面外观。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的等离子-电弧复合焊接方法及焊接成品进行具体说明。
请结合图1，本发明实施例提供了一种等离子-电弧复合焊接方法，采用等离子-MIG同轴复合焊枪，等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲同时产生且持续时间一致，熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1；以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气(也称工作气体)的成分均包括：氧气0.5-2％、氦气10-25％，其余为氩气。
需要说明的是，本发明实施例采用等离子-MIG同轴复合焊枪，控制熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1，配合优化焊接过程中所用气体组成，能够显著降低焊缝宽度和成形稳定性。焊缝宽度减少是电流脉冲和工作气体共同作用的结果，若改变保护气等气体组成将会很大程度上使焊缝的宽度增大。
具体地，等离子-MIG同轴复合焊枪即焊丝位于中空非熔化电极的轴线上，其为现有装置。焊接时在焊丝与工件、非熔化极与工件之间分别产生MIG电弧和等离子电弧，熔化极电弧焊接模式下产生焊接电流脉冲，等离子弧和熔化极MIG弧同时产生。焊接电流脉冲可以在单电弧(熔化极电弧)或双电弧(熔化极电弧和等离子弧)出现，电流脉冲可包含单个方波，也可以包含两个方波(最大峰值和最小基值)，基值不为零且焊接过程中保持恒定。
在本发明优选的实施例中，以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气的成分均包括：氧气1.2-1.3％、氦气16-18％，其余为氩气。通过进一步优化工作气体组成，有利于缩小焊缝宽度，增加熔深。
为进一步减少焊缝宽度，保证焊缝的稳定性，发明人将熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比控制为1.2-1.3:1。
进一步地，在一个周期中，等离子弧电流脉冲(IPL)和熔化极电流脉冲(IMIG)均包括第一阶段和第二阶段；在第一阶段中，熔化极电流脉冲的波形幅值高于等离子弧电流脉冲的波形幅值，且在第二阶段中，熔化极电流脉冲的波形与等离子弧电流脉冲的波形重合。通过控制IPL和IMIG的波形，达到更精确地控制焊缝质量的目的。
进一步地，等离子焊接的线能量为295-1780J，熔化极焊接的线能量为250-1670J；优选地，等离子焊接的线能量为240-295J，熔化极焊接的线能量为250-480J。等离子焊接电流为100-200A，电压为20-37V。熔化极焊接电流为140-300A，电压为15-30V。等离子弧焊接和熔化极焊接中，均控制工作频率为30-300Hz，脉冲占空比为50-90％。在等离子-电弧复合焊接工艺中，熔化极电流和电压脉冲模式典型波形如图2所示，其中上方为电弧电压和下方位焊接电流。
需要说明的是，发明人进一步控制焊接的线能量、电压和电流，能够进一步降低焊接残余应力应变值，这可能是由于焊接线能量的降低、产生熔池的强制振动、进一步压缩电弧和增加熔深的气体成分共同作用的结果。
进一步地，焊接速率为30-70m/h，优选为35-60m/h，通过进一步控制焊接速率避免穿透，保证焊缝质量。
本发明实施例提供了一种焊接成品，采用上述焊接方法将待焊接料进行焊接而得，其具有焊缝窄、稳定性高的优点，待焊接料可以为15mm厚度以下的铝合金、碳钢或不锈钢。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，待焊接料为8mm厚的1561铝合金，焊丝为ER5356，直径1.6mm。中心气体、压缩空气和保护气的成分为氧气0.5％，氦气在10.0％，其余的为氩气。焊接速度V＝60m/h，方波脉冲频率f＝150Hz，等离子焊接电流IPL＝170A(电弧电压UPL＝29V)，熔化极电流IMIG＝190A(电压UMIG＝22V)，等离子弧的线能量EPL＝295J，熔化极电弧的线能量EMIG约为250J。
对比试验与实施例1不同之处仅在于：中心气体、压缩空气和保护气的成分为氩气。
图3为焊缝截面图，其中，图3.a为对比试验焊接截面，图3.b为实施例1方法焊接截面。实施例1的焊缝宽度比对比试验窄6～8％，熔深增加30～40％。
实施例2
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，待焊接料为5mm厚1561铝合金，焊丝使用直径1.2mm的ER5356，中心气体、压缩空气和保护气的成分为氧气2％，氦气在25％，其余的为氩气。焊接速度V＝36m/h，以避免穿透；方波脉冲频率f＝150Hz，等离子焊接电流IPL＝100A(电弧电压UPL＝24V)，熔化极电流IMIG＝150A(电压UMIG＝17V)，等离子弧的线能量EPL约为240J，熔化极电弧的线能量EMIG约为480J。
对比试验与实施例2不同之处仅在于：中心气体、压缩空气和保护气的成分为氩气。
图4为焊缝表面图，其中，图4.a为对比试验焊接表面，图4.b为实施例2方法焊接表面。对比试验焊缝成形不稳定，实施例2的成形良好且热输入小。进一步实验表明：实施例2的焊接速度可提高到60m/h，焊接电流IPL＝160A和IMIG＝180A，而原有发明不允许这么高的值。
实施例3
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，待焊接料为8mm厚5083铝合金，其中焊丝为直径1.6mm的ER5356，焊接速度24m/h，方波脉冲频率f＝150Hz，等离子焊接电流IPL＝150A(电弧电压UPL＝27V)，熔化极电流IMIG＝180A(电压UMIG＝22V)，等离子弧的线能量EPL约为600J，熔化极电弧的线能量EMIG约为560J。
对比试验与实施例3不同之处仅在于：中心气体、压缩空气和保护气的成分为氩气。
图5为焊缝截面图，其中，图5.a为对比试验焊接截面，图5.b为实施例3方法焊接截面。对比试验的焊缝外观不稳定且更宽，实施例3的焊接方法焊缝成形更加稳定且热影响区小。
实施例4
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，待焊接料为10mm厚的Q235，使用的直径为1.6mm的ER70-S-6，焊接速度V＝15m/h，方波脉冲频率f＝150Hz，等离子焊接电流IPL＝200A(电弧电压UPL＝37V)，熔化极电流IMIG＝240A(电压UMIG＝29V)，等离子弧的线能量EPL＝1780J，熔化极电弧的线能量EMIG＝1670J。
图6为焊缝的外观，图6.a为正面，图6.b为反面，其焊缝宽度为1.05mm。
实施例5
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，待焊接料为12mm厚的SUS304，使用的直径为1.6mm的ER308L，焊接速度V＝15m/h，方波脉冲频率f＝150Hz，等离子焊接电流IPL＝240A(电弧电压UPL＝39V)，熔化极电流IMIG＝300A(电压UMIG＝29V)，等离子弧的线能量EPL＝4350J，熔化极电弧的线能量EMIG＝210J。
图7为焊缝的外观，图7.a为正面，图7.b为反面，其焊缝宽度为1.32mm。
实施例6
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，与实施例1不同之处仅在于：工作气体为氧气1％、氦气15％，其余为氩气。
实施例7
本实施例提供一种等离子-电弧复合焊接方法，与实施例1不同之处仅在于：工作气体为氧气1.5％、氦气20％，其余为氩气。
试验例1
测试实施例1-5中得到焊接产品进行了应力应变状态分析，使用电子散斑干涉仪进行钻孔法测量，试验分别测量了正反面焊缝纵向和横向的应力应变分布。
通过对比分析本发明实施例和对比试验的残余应力和应变，所有结果表明，本发明实施例的方法焊接残余应力应变值比对比试验降低10～20％，焊缝宽度降低10～30％。这可能是焊接线能量的降低、产生熔池的强制振动、进一步压缩电弧和增加熔深的气体成分等共同作用的结果。
相比对比试验，本发明实施例具有低的热输入，残余应力应变降低10～20％，焊接速度40％增加，焊缝成形更加。
综上，本发明提供的一种等离子-电弧复合焊接方法，其采用等离子-MIG同轴复合焊枪，控制等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲使二者同时产生且持续时间一致，控制熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1，配合优化焊接过程中所用气体组成，能够显著降低焊缝宽度和成形稳定性。
本发明还提供的一种焊接成品，采用上述焊接方法将待焊接料进行焊接而得，具有焊缝宽度小、成形稳定性好的优点。
以上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。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

Claims (13)

1.一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，采用等离子-MIG同轴复合焊枪，等离子弧焊接电流脉冲和熔化极焊接电流脉冲同时产生且持续时间一致，熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1-1.5:1；以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气的成分均包括：氧气0.5-2％、氦气10-25％，其余为氩气。
2.根据权利要求1所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，熔化极电流的幅值与等离子弧电流的幅值之比为1.2-1.3:1。
3.根据权利要求1所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，在一个周期中，等离子弧电流脉冲和熔化极电流脉冲均包括第一阶段和第二阶段；
在所述第一阶段中，所述熔化极电流脉冲的波形幅值高于所述等离子弧电流脉冲的波形幅值，且在所述第二阶段中，所述熔化极电流脉冲的波形与所述等离子弧电流脉冲的波形重合。
4.根据权利要求3所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，等离子焊接的线能量为295-1780J，熔化极焊接的线能量为250-1670J。
5.根据权利要求4所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，等离子焊接的线能量为240-295J，熔化极焊接的线能量为250-480J。
6.根据权利要求5所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，等离子焊接电流为100-200A，电压为20-37V。
7.根据权利要求5所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，熔化极焊接电流为140-300A，电压为15-30V。
8.根据权利要求1所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，以体积分数计，在焊接过程中通入的中心气、离子气和保护气的成分均包括：氧气1.2-1.3％、氦气16-18％，其余为氩气。
9.根据权利要求1所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述等离子弧焊接和所述熔化极焊接中，均控制工作频率为30-300Hz，脉冲占空比为50-90％。
10.根据权利要求1所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，焊接速率为30-70m/h。
11.根据权利要求10所述的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，焊接速率为35-60m/h。
12.一种焊接成品，其特征在于，采用权利要求1-11中任一项所述的焊接方法将待焊接料进行焊接而得。
13.根据权利要求12所述的焊接成品，其特征在于，所述待焊接料为15mm厚度以下的铝合金、碳钢或不锈钢。
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