CN112792441A - 一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊缝生成技术领域，公开了一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置，在特定的空间位置上施加随焊冷源及辅助热源，调节焊接温度场，实现弹头形的焊接熔池，并最终生成单一纵向柱状晶焊接组织。生成单一纵向柱状晶焊缝的装置包括：主焊接系统，随焊冷源系统，辅助热源系统，焊枪夹持工装，焊件夹持工装。本发明提供了一种焊接定向凝固材料的新方法，改变了常规焊接方法中的热流方向，大大提高焊缝柱状晶结晶时的方向一致性。生成的“弹头形”的焊接熔池是本发明的重要特征之一，其是改变焊接热流方向，生成纵向柱状晶焊缝的关键；生成的单一纵向柱状晶结构焊缝是本发明的另一重要特征，可明显提高焊接接头在特定方向上的力学性能。

Description

一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置

技术领域

本发明属于焊缝生成技术领域，尤其涉及一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置。

背景技术

焊缝(welded seam)是利用焊接热源的高温，将焊条和接缝处的金属熔化连接而成的缝。焊缝晶粒的形态、大小及走向决定和影响着焊件整体性能。尤其对于在某一特定方向上对性能有特殊要求的焊缝，希望焊缝晶粒具有一致的走向。

然而目前，公知的焊缝晶粒形态由柱状晶和等轴晶组成，且对于晶粒形态及走向无法做到精确的调控。弯曲的柱状晶或具有等轴晶的焊缝组织因没有单一的晶粒走向，而不具备特定方向的特殊性能。现有技术通过调整焊接参数虽可生成单一走向的直线状柱状晶组织焊缝，但此柱状晶走向多是从焊缝边缘指向焊缝中心，相向生长的、垂直于焊缝方向的横向柱状晶，横向柱状晶在焊缝中心相遇，极易在焊缝中部产生裂纹，而需尽量避免。

因焊缝柱状晶总是沿温度梯度最大的方向生长，因而总是垂直于焊接熔池的凝固前沿，也即焊接熔池的后半部分。而现有技术中形成的焊接熔池形状一般为椭圆形或泪滴形，无法形成垂直焊缝方向的凝固前沿，因此，无法形成单一的纵向柱状晶焊缝组织。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中，无法生成单一的、平行于焊缝方向(即纵向)的柱状晶焊缝组织。

(2)现有技术中，无法对焊缝晶粒走向进行精确的调控。

(3)现在技术中，生成的横向柱状晶焊缝性能较差。

(4)现有技术中，无法形成具有垂直焊缝方向凝固前沿的焊接熔池。

解决以上问题及缺陷的难度为：

焊接过程中，在满足焊接接头成形质量的前提下，实现对焊接熔池形状的精确调控，进一步通过在特定位置上施加随焊冷源及辅助热源，形成具有垂直焊缝方向凝固前沿的弹头型焊接熔池。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明涉及一种焊接过程中的熔池调控方法及焊缝组织定向凝固方法，其意义为能够对焊接熔池形状进行精确调控，生成具有垂直焊缝方向凝固前沿的弹头型焊接熔池。进而形成平行于焊缝方向的单一纵向柱状晶组织焊缝。这种具有特定走向的晶粒组织，在特定方向上会表现出优异的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置。

本发明是这样实现的，一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，包括：

在主焊枪后部以及侧后方特定的空间位置上施加随焊冷源及辅助热源，调节焊接温度场，实现弹头形的焊接熔池，并最终生成单一纵向柱状晶焊接组织。

其实施步骤如下：

首先，通过调节焊件夹持工装移动速度、主焊机焊接电流、辅助焊机焊接电流及液氮罐出口压力，确定对于待焊金属合适的工艺参数；通过焊枪夹持工装滑块，调节冷源喷嘴及辅助热源焊枪的相关位置，确保焊接过程中形成弹头形熔池，且成形良好的焊缝。

进一步，所述弹头形的焊接熔池后半部分为平直的直线状且垂直于焊缝方向。并按相对位置参数，将冷源喷嘴及辅助热源焊枪固定于焊枪夹持工装上，焊件固定于焊件夹持工装上。

焊接过程中，先在引弧板上依次开启主焊机、辅助焊机及随焊冷源开关，然后启动焊件夹持工装，焊件夹持工装以一定速度带动焊件进入焊接区，在焊件移出焊接区时，依次关闭主焊机、辅助热源焊机及随焊冷源开关，完成焊接。

上述逻辑动作可通过计算机编程控制完成。

本发明的另一目的在于提供一种生成单一纵向柱状晶焊缝的装置，包括：

主焊接系统，用于提供焊接所需能量；

随焊冷源系统，用于产生调节焊接温度场所需的冷源；

辅助热源系统，用于产生调节焊接温度场所需的附加热源；

焊枪夹持工装，用于夹持、固定和调节主焊枪、辅助热源焊枪以及冷源喷嘴的相对位置；

焊件夹持工装，用于夹持、固定焊件，并以一定速度带动焊件移动。

进一步，所述主焊接系统，包括主焊机以及主焊枪，主焊机用于提供焊接所需能量，主焊枪固定在焊枪夹持工装上，发出焊接电弧以熔化待焊工件并形成焊缝。

所述的随焊冷源系统，包括液氮罐及连接管以及冷源喷嘴，液氮罐用于存储所需冷却介质，并以一定压力将液氮喷出；液氮罐通过连接管与冷源喷嘴相连，冷源喷嘴与主焊枪以一定距离固定在一起，位于焊枪正后方，随主焊枪一起移动，喷出的液氮用于产生调节焊接温度场所需的冷源。

所述的辅助热源系统，由两台钨极氩弧焊机以及两辅助热源焊枪组成，氩弧焊机用于提供辅助热源所需的能量，两个辅助氩弧焊枪以一定相对位置与主焊枪、冷源喷嘴固定在夹持工装上，并位于主焊枪斜后方对称位置上，用于产生调节焊接温度场所需的附加热源。

所述生成单一纵向柱状晶焊缝的装置进一步包括：

主焊枪、辅助焊枪、冷源喷嘴、液氮罐、连接管；

主焊枪、辅助焊枪、以及冷源喷嘴与焊枪夹持工装连接在一起，主焊枪固定于焊枪夹持工装的最前端，冷源喷嘴夹持于主焊枪正后方，且通过连接管与液氮罐相连；

两个辅助热源焊枪位于主焊枪斜后方，并对称夹持；

辅助焊枪与冷源喷嘴对于主焊枪的相对位置通过焊枪夹持工装上的滑块移动。

所述焊件夹持工装夹持并带动焊件以1-8mm/s平移，优选3mm/s，2个辅助热源焊枪2分别夹持于主焊枪斜后方角度根据待焊材料与板厚做调节，优选一焊枪135度，另一焊枪225度。

本发明的另一目的在于提供所述生成单一纵向柱状晶焊缝的方法在工业铝板以及其他金属板焊接上的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明通过在焊接过程中，特定的空间位置上施加随焊冷源及辅助热源，调节焊接温度场，实现“弹头形”的焊接熔池，并最终生成单一纵向柱状晶焊接组织。本发明提供了一种焊接定向凝固材料的新方法，改变了常规焊接方法中的热流方向，大大提高焊缝柱状晶结晶时的方向一致性。生成的“弹头形”的焊接熔池是本发明的重要特征之一，其具有垂直于焊缝方向的平直的凝固前沿，这一重要特征是改变焊接热流方向，生成纵向柱状晶焊缝的关键；生成的单一纵向柱状晶结构焊缝是本发明的另一重要特征，此结构焊缝大大减少了横向晶界，可明显提高焊接接头在特定方向上的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的生成单一纵向柱状晶焊缝的装置。

图2是本发明实施例提供的焊枪夹持工装主视图。

图3是本发明实施例提供的焊枪夹持工装左视图。

图4是本发明实施例提供的焊枪夹持工装俯视图。

图5是本发明实施例提供的焊枪夹持工装轴侧图。

图1-图5中：1、主焊枪；2、辅助焊枪；3、冷源喷嘴；4、焊枪夹持工装；5、焊件；6、焊件夹持工装；7、液氮罐；8、连接管。

图6是本发明实施例提供的采用常规焊接方法焊接铝时，焊接熔池形状接近椭圆形图。

图7是本发明实施例提供的采用本发明焊接方法时，通过辅助热源及冷源的作用，调节了焊接温度场的形状，进而产生了弹头型的焊接熔池图。

图8是本发明实施例提供的常规焊接焊缝晶粒形态图。

图9是本发明实施例提供的采用本发明焊接方法时焊缝晶粒形态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法与装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，包括：

在特定的空间位置上施加随焊冷源及辅助热源，调节焊接温度场，实现弹头形的焊接熔池，并最终生成单一纵向柱状晶焊接组织。

其实施步骤如下：

首先，通过调节焊件夹持工装移动速度、主焊机焊接电流、辅助焊机焊接电流及液氮罐出口压力，确定对于待焊金属合适的工艺参数；通过焊枪夹持工装滑块，调节冷源喷嘴及辅助热源焊枪的相关位置，确保焊接过程中形成弹头形熔池，且成形良好的焊缝。

在本发明中，所述弹头形的焊接熔池后半部分为平直的直线状且垂直于焊缝方向。并按相对位置参数，将冷源喷嘴及辅助热源焊枪固定于焊枪夹持工装上，焊件固定于焊件夹持工装上。

焊接过程中，先在引弧板上依次开启主焊机、辅助焊机及随焊冷源开关，然后启动焊件夹持工装，焊件夹持工装以一定速度带动焊件进入焊接区，在焊件移出焊接区时，依次关闭主焊机、辅助热源焊机及随焊冷源开关，完成焊接。

上述逻辑动作可通过计算机编程控制完成。

本发明实施例提供的生成单一纵向柱状晶焊缝的装置。包括：主焊接系统、随焊冷源系统、辅助热源系统以及焊枪、焊件夹持工装。

所述的主焊接系统，包含主焊机以及主焊枪，主焊机用于提供焊接所需能量，主焊枪固定在焊枪夹持工装上，发出焊接电弧以熔化待焊工件并形成焊缝；

所述的随焊冷源系统，包含液氮罐及连接管以及冷源喷嘴，液氮罐用于存储所需冷却介质(液氮)，并可以一定压力将液氮喷出；液氮罐通过连接管与冷源喷嘴相连，冷源喷嘴与主焊枪以一定距离固定在一起，位于焊枪正后方，随主焊枪一起移动，喷出的液氮用于产生调节焊接温度场所需的冷源；

所述的辅助热源系统，由两台钨极氩弧焊机以及两辅助热源焊枪组成，氩弧焊机用于提供辅助热源所需的能量，两个辅助氩弧焊枪以一定相对位置与主焊枪、冷源喷嘴固定在夹持工装上，并位于主焊枪斜后方对称位置上，用于产生调节焊接温度场所需的附加热源；

焊枪夹持工装，用于夹持、固定和调节主焊枪、辅助热源焊枪以及冷源喷嘴的相对位置；

焊件夹持工装，用于夹持、固定焊件，并可以一定速度带动焊件移动。

在本发明中，焊缝晶粒生长形态与焊接过程中的焊接熔池形状密切相关，焊接熔池的形状一般可为分椭圆形和泪滴形，椭圆形熔池一般存在于低速焊接过程中，其柱状晶生长一般呈弯曲状；而泪滴形熔池一般存在于较高速焊接中，其柱状晶形态一般为横向的直线状，并且由焊缝边缘指向焊缝中心相向生长，并在焊缝中心相遇，而在焊缝中心留下明显的纵向晶界，极易在焊缝中部产生裂纹。

理论上，焊缝柱状晶总是沿温度梯度最大的方向生长，因而总是垂直于焊接熔池的凝固前沿，也即焊接熔池的后半部分。本发明通过附加随焊冷源及辅助热源的方法，对焊接温度场进行调控，改变传统焊接时的椭圆形或泪滴形熔池为一种类似“弹头形”的焊接熔池形状，进而使焊接熔池后半部分形成一个平直的直线状，从而生成单一纵向柱状晶焊缝。

焊接电流、辅助热源电流以及冷源出口压力、焊件移动速度、焊枪与冷源喷嘴对于主焊枪的相对位置等技术参数对于调节焊接熔池形状至关重要，先期可通过计算机数值模拟的方法对焊接温度熔池进行模拟计算，以快速确定适用于待焊焊件的技术参数。

本发明目的在于提供一种调节焊接温度场和焊接熔池形状，进而实现单一纵向柱状晶焊缝组织的方法和装置。

下面结合具体实施例对本发明的方案作进一步描述。

实施例

如图1所示，本实施例的单一纵向柱状晶焊缝焊接装置包括：主焊枪1、辅助焊枪2、冷源喷嘴3、焊枪夹持工装4、焊件5、焊件夹持工装6、液氮罐7、连接管8。

主焊枪1辅助焊枪2以及冷源喷嘴3与焊枪夹持工装4连接在一起，其中主焊枪1固定于焊枪夹持工装4的最前端(焊接方向)，冷源喷嘴3夹持于主焊枪正后方，且通过连接管8与液氮罐7相连。2个辅助热源焊枪2位于主焊枪斜后方，并对称夹持。辅助焊枪2与冷源喷嘴3对于主焊枪1的相对位置可通过焊枪夹持工装4上的滑块移动。焊枪及冷源喷嘴的夹持细节见图2-图5。运行时焊件夹持工装6可夹持焊件以一定速度1-8mm/s平移。

本实施例的单一纵向柱状晶焊缝焊接装置运行时，待焊焊件为3mm厚工业纯铝板，焊件夹持工装6夹持并带动焊件以3mm/s平移。主焊枪1冷源喷嘴3的距离为14mm,2个辅助热源焊枪2分别夹持于主焊枪斜后方135度与225度，距离主焊枪8.5mm。运行时依次开启主焊枪1、辅助焊枪2以及液氮罐7阀门。主焊枪1焊接电流为120A，辅助热源焊枪2电流为52A，液氮罐喷出液氮流量为35mL/min。

下面结合具实验数据对本发明的效果作进一步描述。

试验结果如下

采用常规焊接方法，即只有一个主焊枪焊接时，仅在焊缝中间部位发现少量纵向柱状晶粒，其它为弯曲形状的柱状晶；而采用本实施例焊接规范时，焊缝晶粒形态呈现单一的纵向柱状晶形态。

试验结果表明：

采用常规焊接方法焊接铝时，焊接熔池形状接近椭圆形，见图6，而柱状晶粒的生长方向要垂直于椭圆的弯曲形态的凝固边界，因此生产了较多的弯曲柱状晶；而采用本实施例焊接方法时，通过辅助热源及冷源的作用，调节了焊接温度场的形状，进而产生了弹头型的焊接熔池，见图7，平直的熔池凝固边界生成单一的纵向柱状晶焊缝。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，其特征在于，所述生成单一纵向柱状晶焊缝的方法包括：

在主焊枪后部以及侧后方的空间位置上施加随焊冷源及辅助热源，调节焊接温度场，实现弹头形的焊接熔池，并最终生成单一纵向柱状晶焊接组织。

2.如权利要求1所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，其特征在于，所述弹头形的焊接熔池后半部分为平直的直线状且垂直于焊缝方向。

3.如权利要求1所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，其特征在于，所述生成单一纵向柱状晶焊缝的方法具体包括：

步骤一，通过计算机编程调节焊件夹持工装移动速度、主焊机焊接电流、辅助焊机焊接电流及液氮罐出口压力，确定对于待焊金属合适的工艺参数；

步骤二，通过焊枪夹持工装滑块，利用调节冷源喷嘴及辅助热源焊枪的相关位置，使焊接过程中形成弹头形熔池，且成形焊缝。

4.如权利要求3所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，其特征在于，所述步骤二中，按相对位置参数，将冷源喷嘴及辅助热源焊枪固定于焊枪夹持工装上，焊件固定于焊件夹持工装上；

焊接过程中，先在引弧板上依次开启主焊机、辅助焊机及随焊冷源开关，然后启动焊件夹持工装，焊件夹持工装以一定速度带动焊件进入焊接区，在焊件移出焊接区时，依次关闭主焊机、辅助热源焊机及随焊冷源开关，完成焊接。

5.如权利要求3所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的方法，其特征在于，所述步骤二中焊件夹持工装夹持并带动焊件以1-8mm/s平移；2个辅助热源焊枪2分别夹持于主焊枪斜后方的角度根据待焊材料与板厚做调节。

6.一种生成单一纵向柱状晶焊缝的装置，其特征在于，所述生成单一纵向柱状晶焊缝的装置包括：

主焊接系统，用于提供焊接所需能量；

随焊冷源系统，用于产生调节焊接温度场所需的冷源；

辅助热源系统，用于产生调节焊接温度场所需的附加热源；

焊枪夹持工装，用于夹持、固定和调节主焊枪、辅助热源焊枪以及冷源喷嘴的相对位置；

焊件夹持工装，用于夹持、固定焊件，并以一定速度带动焊件移动。

7.如权利要求6所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的装置，其特征在于，所述主焊接系统，包括主焊机以及主焊枪，主焊机用于提供焊接所需能量，主焊枪固定在焊枪夹持工装上，发出焊接电弧以熔化待焊工件并形成焊缝；

所述的随焊冷源系统，包括液氮罐及连接管以及冷源喷嘴，液氮罐用于存储所需冷却介质，并以一定压力将液氮喷出；液氮罐通过连接管与冷源喷嘴相连，冷源喷嘴与主焊枪以一定距离固定在一起，位于焊枪正后方，随主焊枪一起移动，喷出的液氮用于产生调节焊接温度场所需的冷源。

8.如权利要求6所述的生成单一纵向柱状晶焊缝的装置，其特征在于，所述的辅助热源系统，由两台钨极氩弧焊机以及两辅助热源焊枪组成，氩弧焊机用于提供辅助热源所需的能量，两个辅助氩弧焊枪以一定相对位置与主焊枪、冷源喷嘴固定在夹持工装上，并位于主焊枪斜后方对称位置上，用于产生调节焊接温度场所需的附加热源。

9.如权利要求6～8任意一项所述生成单一纵向柱状晶焊缝的装置，其特征在于，所述生成单一纵向柱状晶焊缝的装置进一步包括：

主焊枪、辅助焊枪、以及冷源喷嘴与焊枪夹持工装连接在一起，主焊枪固定于焊枪夹持工装的最前端，冷源喷嘴夹持于主焊枪正后方，且通过连接管与液氮罐相连；

两个辅助热源焊枪位于主焊枪斜后方，并对称夹持；

辅助焊枪与冷源喷嘴对于主焊枪的相对位置通过焊枪夹持工装上的滑块移动。

10.一种如权利要求1～5任意一项所述生成单一纵向柱状晶焊缝的方法在工业铝板以及其他金属板焊接上的应用。

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