CN112404654A - 一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，该方法包括多根焊丝、多个接触电刷、多个焊接电源，每个焊接电源与一根焊丝、一个接触电刷连接，构成电流回路，每个接触电刷分别位于对应的焊丝电弧正下方，与被焊工件背面接触；焊丝按焊接方向顺序排列，第1根焊丝以直流反接方式供电，其他焊丝通同频交流矩形波电流，交流的基波相位按0、π交替布置，且电流幅值是其前一根焊丝电流幅值的q倍；根据q值确定各根焊丝的丝端沿焊接方向的位置。本发明在电磁学仿真结果的基础上提供了多个接触电刷的最优位置、多根焊丝焊接电流的最优相位配置、多根焊丝的最优丝端位置分布，用于减小各电弧间电磁相互作用，提高电弧稳定性，保证焊接质量。

Description

一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法。

背景技术

多弧共熔池焊接技术由于其大电流、高沉积效率等优势，广泛应用于厚板或厚壁管等的焊接，然而在焊接过程中，各焊丝的电弧会受到其他焊丝电流带来的电磁力的干扰，电弧存在偏转摆动，影响焊接过程中的稳定性，给焊接质量控制带来不利影响。另一方面，焊接电源与被焊工件的连接方式、焊接电流幅值、焊接电流相位、焊丝间距分布等工艺参数对电磁力的影响是耦合的，无法通过优化单一参数减小电磁力干扰，需对各个工艺参数进行系统优化。

专利CN201911101281.9提供了一种多电源并联多丝高效电弧焊接装置，提及了采用多个独立焊接电源为多个焊丝分别供电，但未涉及电流相位、焊丝间距以及焊接电源输出端与被焊工件连接方式对于焊接过程稳定性的控制。专利201310363373.0提供了一种保障海底管线钢管接头综合性能的多丝埋弧焊焊接工艺，提及了采用3丝焊接时的各丝电流幅值的调节，但未能涉及电流相位、各丝间距和焊接电源输出端与被焊工件连接方式对于保障焊接过程稳定的作用。专利201710651806.0提供了一种适用于X70厚壁直缝钢管焊接的多丝埋弧焊接工艺，提及了各丝焊接电流之间的相位调节，各丝的电流相位按照90°递增，但未涉及焊丝间距、焊接电源输出端与被焊工件连接方式的优化。专利201911018373.0提供了一种薄壁钢管的低焊缝余高的多丝埋弧焊焊接工艺，分别提及了采用3丝焊接时内焊和外焊所用的各丝电流幅值的设置，但未涉及电流相位和各丝间距的调节以及焊接电源输出端与被焊工件连接方式的改进。期刊文章“精密数字控制四丝埋弧焊接系统”针对4丝埋弧焊接中提到了通过多丝电源间的相位控制来解决电弧干扰问题，各丝的电流相位按照90°递增，该文献未涉及焊丝间距和焊接电源输出端与被焊工件连接方式的优化。期刊文章“多丝电弧焊技术及其电弧稳定性和焊缝成形”和“多丝气体保护焊电弧干扰研究现状”提及了调整焊丝位置间距来抑制电弧干扰，但未涉及焊接电源输出端与被焊工件连接方式的改进。期刊文章“直缝焊管多丝埋弧焊焊接工艺”提出了调节电流相位和焊丝间距对于保证电弧稳定的影响，但未提出具体的调节方法，也未能涉及焊接电源输出端与被焊工件连接方式对的改进。

综上所述，现有技术中未能针对多丝共熔池情况下，各电弧的方向稳定性给出完善的工艺参数组合以降低电磁力干扰。

发明内容

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，用以解决现有技术中没有在多丝共熔池情况下减少电磁力干扰的缺陷，实现电弧稳定的多弧共熔池焊接方法。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，包括多个焊接电源、多根焊丝和多个接触电刷，每一焊接电源的一端分别与一根焊丝连接，每一焊接电源的另一端分别与一个接触电刷连接，每根焊丝对应一个接触电刷，所有接触电刷与被焊工件背面接触，其特征在于：

将每根焊丝按照焊接方向顺序排列，每根焊丝分别形成一个电弧，所有电弧作用于同一熔池区域；

每根焊丝的编号按照焊接方向依次递减，靠近焊接前方的焊丝编号为1，距焊接前方最远的焊丝编号为n，n表示所有焊丝的个数，焊接电源包含1个直流焊接电源和n-1个交流焊接电源，所述直流焊接电源以直流反接方式通过第1根焊丝为其对应电弧供电，n-1个交流焊接电源以同频交流矩形波方式分别通过第2根焊丝到第n根焊丝为其对应的电弧供电；

接触电刷有n个，每个接触电刷位于对应的焊丝的电弧的正下方，焊接过程中每个接触电刷与对应焊丝的电弧的相对位置保持不变，在焊接方向上与所述被焊工件相对运动；

将第2根焊丝接电流的基波相位设置为第一预设数值，保证第3根焊丝到第n根焊丝中每根焊丝与其前一根焊丝的电流基波相位的差值为第二预设数值；

第2根焊丝到第n根焊丝的电流幅值是其前一根焊丝电流幅值的q倍，根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，还包括：

每个接触电刷与所述被焊工件背面的接触点有一个或多个，每个接触电刷各自的接触点位于与焊接方向垂直的同一平面内，且关于焊道对称分布。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述第一预设数值的取值为0。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述第二预设数值的取值为π。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，n的取值范围如下：

3≤n≤6。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，q的取值范围如下：

0.7≤q≤1.0。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝3时，每根焊丝的丝端的相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝4时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝5时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

本发明提供一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝6时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

本发明提供的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，根据电磁学仿真的结果，优化了多个接触电刷的位置、多根焊丝的焊接电流相位分布、多根焊丝的丝端位置分布，从而减小电弧间的电磁相互作用、被焊工件中焊接电流带来的电磁相互作用，提高电弧稳定性，保证焊接质量。

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作一简单地介绍，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为本发明实施例提出的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法的硬件连接示意图；

图2为本发明实施例中焊丝与对应的接触电刷的位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法的流程图；

图4为本发明实施例中在焊丝数量为4的情况下对各焊丝受到的电磁力进行仿真得到的不同q值下最优的各个焊丝丝端相对位置示意图；

图5为本发明实施例中在焊丝数量为4的情况下对各焊丝受到的电磁力进行仿真得到的不同q值下所有焊丝丝端单位长度上受到的电磁力的峰峰值的平方平均值的最小值示意图。

附图标记：

101～104：焊接电源；2：焊枪；

201～204：焊丝；3：被焊工件；

401～404：接触电刷。

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。

图1为本发明实施例提出的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法的硬件连接示意图，图2为本发明实施例中焊丝与对应的接触电刷的位置关系示意图，如图1和图2中，1是焊接电源，由4个独立焊接电源101～104组成；2是焊枪，包含作用于同一熔池的4根焊丝201～204；3是被焊工件；4是接触电刷，包含4个接触电刷401～404，这4个接触电刷分别与4根焊丝201～204对应；S₁～S₄是焊丝201～204的丝端在焊接方向上的绝对位置，S₁₂、S₂₃、S₃₄分别是焊丝201与焊丝202、焊丝202与焊丝203、焊丝203与焊丝204在焊接方向上的间距；AC代表交流电，DC代表直流电。

图3为本发明实施例提供的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法的流程图，如图3所示，该方法包括：

S1，将每根焊丝按照焊接方向顺序排列，每根焊丝分别形成一个电弧，所有电弧作用于同一熔池区域；

在焊接过程中，多根焊丝沿焊接方向顺序排列，各焊丝分别由独立的焊接电源模块供应焊接电流，每根焊丝形成一个电弧，所有电弧作用于同一熔池区域，各焊丝的电流幅值调节是独立的，各焊丝的电流相位调节是独立的。

S2，每根焊丝的编号按照焊接方向依次递减，靠近焊接前方的焊丝编号为1，距焊接前方最远的焊丝编号为n，n表示所有焊丝的个数，焊接电源包含1个直流焊接电源和n-1个交流焊接电源，所述直流焊接电源以直流反接方式通过第1根焊丝为其电弧供电，n-1个交流焊接电源以同频交流矩形波方式分别通过第2根焊丝到第n根焊丝为其对应的电弧供电；

S3，接触电刷有n个，每个接触电刷位于对应的焊丝的电弧的正下方，与被焊工件背面接触，焊接过程中每个接触电刷与对应焊丝的电弧的相对位置保持不变，在焊接方向上与所述被焊工件相对运动；

焊接电源的两个输出端中，一个输出端连接焊枪和焊丝，一个输出端连接该焊丝电弧正下方被焊工件背面的接触电刷，在焊接过程中接触电刷与对应的焊丝电弧的相对位置保持不变，在焊接方向上与被焊工件相对运动。

此处的相对运动可以是焊丝和接触电刷静止，被焊工件运动，也可以是被焊工件静止，焊丝和接触电刷运动。

S4，第2根焊丝接电流的基波相位为第一预设数值，第3根焊丝到第n根焊丝中每根焊丝与其前一根焊丝的电流基波相位的差值为第二预设数值；

第一预设数值和第二预设数值为预先设定的，是根据电磁学仿真计算出的最优值，第一预设数值取值为0、第二预设数值取值为π，此时电弧稳定性最好，在本发明实施例中，第2丝焊接电流的基波相位为0，第3丝到第n丝的每丝与其前一丝的电流基波相位的差值为π。

S5，第2根焊丝到第n根焊丝的电流幅值是其前一根焊丝电流幅值的q倍，根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布。

各根焊丝的焊接电流改变时，各根焊丝及其电弧受到的电磁相互作用会改变，因此需要通过调整各个焊丝的位置减小焊丝间电磁相互作用。

以每根焊丝的丝端为受力分析对象，在上述接触电刷的布置方式下，每根焊丝和对应的接触电刷之间的焊接电流将垂直通过被焊工件，由毕奥-萨伐尔定律和安培力方程可得第k根焊丝丝端单位长度上受到的其他焊丝焊接电流及被焊工件内部电流造成的电磁力F(k)为：

式中，μ₀为真空磁导率，I_k为第k根焊丝中的焊接电流，x_k为第k根焊丝丝端在焊接方向上的位置，1≤k≤n，j为焊丝编号，1≤j≤n，x的正方向、电磁力F的正方向均设定为焊接方向的反方向。由于第2根焊丝到第n根焊丝的焊接电流为交流，随时间变化，所以F(k)也会随时间变化。F(k)在一个周期内的变化幅度，即峰峰值，代表着焊丝丝端以及电弧受到的电磁力的波动。电磁力波动越大，电弧摆动范围越大。从减小电弧摆动的角度，F(k)的峰峰值越小越好。

以所有焊丝丝端单位长度上受到的电磁力的峰峰值的平方平均值

为优化目标，即：

找到合适的焊接电流配置{I_k}、焊丝丝端位置分布{x_k}使得

最小，其中焊接电流配置{I_k}包括电流幅值{A_k}和电流相位

另外，根据多弧共熔池熔化极焊接的工程实际应用，第1根焊丝到第n根焊丝的焊接电流幅值是衰减的，并可近似为呈倍数q衰减，即后一焊丝的焊接电流幅值是前一丝的q倍，0.7≤q≤1.0，这样可确定电流幅值{A_k}。对不同的焊接电流相位分布

焊丝丝端位置分布{x_k}下的

进行数值求解，找到令

最小的

{x_k}。

以焊丝数量为4的情况为例，电磁学仿真的结果如图4和图5所示。图4为本发明实施例中在焊丝数量为4的情况下对各焊丝受到的电磁力进行仿真得到的不同q值下最优的各个焊丝丝端相对位置示意图，图5为本发明实施例中在焊丝数量为4的情况下对各焊丝受到的电磁力进行仿真得到的不同q值下所有焊丝丝端单位长度上受到的电磁力的峰峰值的平方平均值的最小值示意图。

本发明实施例提供的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，在电磁学仿真分析的基础上，优化多个接触电刷的位置、多根焊丝的焊接电流相位分布、多根焊丝的丝端位置分布，从而减小电弧间电磁力，提高电弧稳定性，保证焊接质量。多根焊丝沿焊接方向顺序排列，各接触电刷的位置具有特定设置，各焊丝的电流具有特定配置，各焊丝丝端沿焊接方向的位置分布与各焊丝的电流幅值分布具有特定关系。

在上述实施例的基础上，还包括：

每个接触电刷与所述被焊工件背面的接触点有一个或多个，每个接触电刷各自的接触点位于与焊接方向垂直的同一平面内，且关于焊道对称分布。

接触点的对称分布可以使得被焊工件内部的焊接电流对称分布，被焊工件内部焊接电流对焊丝及其电弧的电磁力在垂直焊道和焊丝的方向上将相互抵消，从而使电弧更加稳定。

在上述实施例的基础上，q的取值范围如下：

0.7≤q≤1.0。

对于不同的q，各焊丝丝端沿焊接方向的位置分布不同。

在上述实施例的基础上，设第1丝到第n丝的丝端距离为L，L由实际焊接需求确定，在焊接方向上第1丝丝端的绝对位置为0，第n丝丝端的绝对位置为L，对焊丝丝端的绝对位置进行归一化处理得到焊丝丝端的相对位置，即焊丝丝端的相对位置为焊丝丝端的绝对位置除以L。

设第k丝丝端的相对位置为pos(k)，其中1≤k≤n，

对于n＝3，各焊丝丝端的相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

当n＝4时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

当n＝5时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

当n＝6时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

本发明实施例中，焊接电源1由4个独立焊接电源101～104组成，焊枪2包含4根焊丝201～204，被焊工件3是两块40mm厚的钢板对接，接触电刷4包含4个接触电刷401～404，所有接触电刷与被焊工件背面接触，4个焊接电源101～104的一端分别与焊丝201～204连接，另一端分别与接触电刷401～404连接，4根焊丝201～204分别对应接触电刷401～404。

如图1所示，一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法包括以下内容：

(1)在焊接过程中，4根焊丝沿焊接方向顺序排列，各焊丝分别由独立的焊接电源供应焊接电流，每根焊丝形成一个电弧，所有电弧作用于同一熔池区域，各焊丝的电流幅值调节是独立的，各焊丝的相位调节是独立的；

(2)焊丝总数量为4，沿焊接方向给各焊丝编号，最靠近焊接前方的焊丝201为第1丝，距焊接前方最远的焊丝204为第4丝，则焊丝202为第2丝，焊丝203为第3丝，焊接电源包含1个直流焊接电源101和3个交流焊接电源102～104，直流焊接电源以直流反接方式通过第1根焊丝为其电弧供电，3个交流焊接电源以同频交流矩形波方式分别通过第2根焊丝、第3根焊丝、第4根焊丝为其对应的电弧供电；

(3)接触电刷有4个，接触电刷401～404分别位于对应的焊丝201～204的电弧的正下方，焊接过程中每个接触电刷与对应的焊丝电弧的相对位置保持不变，在焊接方向上与被焊工件相对运动；

(4)第2丝焊接电流的基波相位为0，第3丝焊接电流的基波相位为π，第4丝焊接电流的基波相位为0；

(5)第2丝到第4丝的电流幅值是其前一丝电流幅值的0.9倍，设置第1丝的焊接电流幅值为1000A，则第2丝的焊接电流幅值为900A，第3丝的焊接电流幅值为810A，第4丝的焊接电流幅值为729A；

焊接电源的两个输出端中，一个输出端连接焊丝，一个输出端连接该焊丝电弧正下方被焊工件背面的接触电刷，如图1所示，以第1丝和接触电刷401为例，第1丝对应的接触电刷401与被焊工件3背面的接触点有2个，第1丝对应的接触电刷401的2个接触点位于与焊接方向垂直的同一平面内，且关于焊道对称分布。

第2丝与接触电刷402、第3丝与接触电刷403、第4丝与接触电刷404的相对位置关系和第1丝与接触电刷401的相对位置关系相同。

第1丝到第4丝的丝端距离为39mm，在焊接方向上第1丝丝端的绝对位置为0mm，第4丝丝端的绝对位置为39mm，对焊丝丝端的绝对位置进行归一化处理得到焊丝丝端的相对位置，即焊丝丝端的相对位置为焊丝丝端的绝对位置除以39mm，

设第k丝丝端的相对位置为pos(k)，其中1≤k≤4，

第1丝、第2丝、第3丝、第4丝的相对位置为：

第1丝、第2丝、第3丝、第4丝的绝对位置为：

相邻焊丝之间的间隔S₁₂、S₂₃、S₃₄依次为19.34mm、11.60mm、8.06mm。

本发明提出的一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其优点是：

(1)减少各焊丝电弧间的电磁相互作用，保持焊接过程中各电弧的稳定，保障焊缝成形质量。

(2)克服被焊工件内部的焊接电流引起的焊丝电弧偏转，保证焊接熔深和焊接成形效率。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，包括多个焊接电源、多根焊丝和多个接触电刷，每一焊接电源的一端分别与一根焊丝连接，每一焊接电源的另一端分别与一个接触电刷连接，每根焊丝对应一个接触电刷，所有接触电刷与被焊工件背面接触，其特征在于：

将每根焊丝按照焊接方向顺序排列，每根焊丝分别形成一个电弧，所有电弧作用于同一熔池区域；

每根焊丝的编号按照焊接方向依次递减，靠近焊接前方的焊丝编号为1，距焊接前方最远的焊丝编号为n，n表示所有焊丝的个数，焊接电源包含1个直流焊接电源和n-1个交流焊接电源，所述直流焊接电源以直流反接方式通过第1根焊丝为其对应电弧供电，n-1个交流焊接电源以同频交流矩形波方式分别通过第2根焊丝到第n根焊丝为其对应的电弧供电；

接触电刷有n个，每个接触电刷位于对应焊丝的电弧的正下方，焊接过程中每个接触电刷与对应焊丝的电弧的相对位置保持不变，在焊接方向上与所述被焊工件相对运动；

将第2根焊丝接电流的基波相位设置为第一预设数值，保证第3根焊丝到第n根焊丝中每根焊丝与其前一根焊丝的电流基波相位的差值为第二预设数值；

第2根焊丝到第n根焊丝的电流幅值是其前一根焊丝电流幅值的q倍，根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布。

2.根据权利要求1所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，还包括：

每个接触电刷与所述被焊工件背面的接触点有一个或多个，每个接触电刷各自的接触点位于与焊接方向垂直的同一平面内，且关于焊道对称分布。

3.根据权利要求1所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述第一预设数值的取值为0。

4.根据权利要求1所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述第二预设数值的取值为π。

5.根据权利要求4所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，n的取值范围如下：

3≤n≤6。

6.根据权利要求1至5任一所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，q的取值范围如下：

0.7≤q≤1.0。

7.根据权利要求6所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝3时，每根焊丝的丝端的相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

8.根据权利要求6所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝4时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

9.根据权利要求6所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝5时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

10.根据权利要求6所述的多接触电刷的稳定多弧共熔池焊接方法，其特征在于，所述根据q确定每根焊丝的丝端沿焊接方向的位置分布，具体包括：

当n＝6时，每根焊丝的丝端相对位置为：

其中，pos(k)表示第k根焊丝的丝端的相对位置，其中1≤k≤n。

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