CN112809137A - 空心钨极同轴mig/mag复合焊接装置的焊接方法 - Google Patents

Abstract

空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置及焊接方法。目前的空心钨极同轴填丝焊接技术的焊接效率依然较低。本发明组成包括：空心钨极（1）、钨极夹（2）、保护气罩（3）、MIG/MAG焊丝（4）、绝缘瓷管（5）、离子体缓冲气室（12）、TIG电源（13）和MIG/MAG电源（14）；所述的空心钨极通过对称布置的钨极夹夹持，所述的保护气罩位于所述的钨极夹外侧，所述的空心钨极上端固定有所述的离子体缓冲气室；所述的空心钨极内插有所述的绝缘瓷管，所述的绝缘瓷管内插有所述的MIG/MAG焊丝，所述的MIG/MAG焊丝与所述的空心钨极之间间隙形成离子气通道（15）。本发明用于空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接。

Description

空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置的焊接方法。

背景技术

就弧焊技术而言，传统非熔化极钨极氩弧（TIG焊）旁轴填丝焊接技术以其独特的过程稳定性，使其一直以来都作为某些关键领域优质焊接的首选技术，在促进国民经济快速发展的诸多关键领域发挥了重要作用；同非熔化极钨极氩弧焊相比，传统熔化极气体保护焊接（MIG/MAG焊）在利用电弧热熔化基体的同时还可实现填充材料的同步熔化，满足焊接过程对材料填充的需求，甚至实现对焊缝冶金过程的调控，该方法具有焊接效率高，工艺鲁棒性好等技术优势，但是焊接质量相对较低，这两者在诸多领域均发挥了不可替代的独特作用。但是，随着制造技术的稳步提升，传统弧焊方法在一些新的应用领域或应用场景中存在诸多技术难题需要进一步的完善和解决。近年来，在该背景下为了解决传统钨极氩弧旁轴填丝焊接存在的若干技术瓶颈，开发了空心钨极同轴填丝焊接技术，真正意义上实现了焊丝和电弧同轴的目的，该方法同传统钨极氩弧旁轴填丝焊相比具有焊枪空间尺寸小，工艺实施过程无方向性、工艺鲁棒性显著提升、有色金属焊接保护效果好等技术优势，使其在特殊材料以及复杂结构件的焊接或电弧增材制造等领域具有广阔的市场前景。然而，空心钨极同轴填丝焊接技术的焊接效率依然较低，在不降低焊接质量的同时如何进一步提升焊接效率是当前工业界和学术界共同聚焦的核心问题。

发明内容

本发明的目的是解决空心钨极同轴填丝焊接技术的焊接效率依然较低的问题，提供一种改变空心钨极电弧存在的状态及位置，进而改变TIG电弧和MIG/MAG电弧的耦合作用，实现对焊接过程的精准调控的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置的焊接方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，该空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置包括空心钨极、钨极夹、保护气罩、MIG/MAG焊丝、绝缘瓷管、离子体缓冲气室、TIG电源和MIG/MAG电源；

所述的空心钨极通过对称布置的钨极夹夹持，所述的保护气罩位于所述的钨极夹外侧，所述的空心钨极上端固定有所述的离子体缓冲气室；

所述的空心钨极内插有所述的绝缘瓷管，所述的绝缘瓷管内插有所述的MIG/MAG焊丝，所述的MIG/MAG焊丝与所述的空心钨极之间间隙形成离子气通道。

所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置还包括导电块，所述的导电块与所述的钨极夹外侧贴合。

所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的TIG电源与所述的导电块电连接，所述的MIG/MAG电源与所述的MIG/MAG焊接装置连接。

所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的空心钨极底部具有空心钨极内孔倒角、空心钨极电弧发射平面和空心钨极外侧面倒角。

一种空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置的焊接方法，具体包括如下步骤：

（1）根据需要焊接的材料对空心钨极选择，选择大内孔径空心钨极或小内孔径空心钨极；

（2）利用钨极制样工具清理钨极电子发射端的污染物，同时将钨极电子发射端预置成特定的喇叭口形状，将钨极安装到焊枪，保证钨极伸出保护气罩末端8-12mm；

（3）将MIG/MAG焊丝通过空心钨极内部的绝缘瓷管同轴送出，焊丝末端伸出空心钨极电子发射端1～3mm；

（4）利用机械清理或化学清洗的方法对工件待焊端面及附近15mm的区域进行预处理；

（5）装配待焊工件，利用塞尺工具测量端面间隙大小，将间隙控制在0.8mm以内，利用夹具将待焊工件固定好；

（6）依次检查确认冷却水、保护气、离子气、焊接行走机构、TIG电源、MIG/MAG电源处于正常工作状态，并依据焊接参数分别设定保护气和离子气流量、TIG电源和MIG/MAG电源极性、TIG电源和MIG/MAG电源的电流模式，TIG电源和MIG/MAG电源的电流大小、焊接速度；

（7）选择大内孔径空心钨极时，空心钨极内壁和焊丝之间的距离大于空心钨极和工件之间的距离，将焊枪移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离保持不变；

（8）选择小内孔径空心钨极时，空心钨极内壁和焊丝之间的距离小于空心钨极和工件之间的距离，将焊枪移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离保持不变；

（9）上述（7）或（8）执行完成后，首先开启TIG电源，在高频引弧的作用下，TIG电弧击穿空气建立导电通道；

（10）当TIG电弧稳定燃烧0.2~0.5s时，将MIG/MAG电源开启，此时MIG/MAG焊丝开始向电弧区域送进，直至和试板接触，MIG/MAG电弧完成接触引弧；

（11）当MIG/MAG电弧和TIG电弧均稳定燃烧后，开启焊接启动按钮，实现待焊工件的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接；

（12）焊接完成后，首先断开TIG焊接电源，当TIG电弧熄灭后，将MIG焊接电源断开，完成待焊试样的焊接。

有益效果：

1.本发明将熔化极MIG/MAG焊接用焊丝通过空心钨极内孔送出，实现熔化极焊丝的几何中心和空心钨极的几何中心重合，即实际焊接时焊丝绕着其几何中心旋转任意角度，焊丝和空心钨极的空间位置不变。该方法可根据柔性电弧的电压最小原理，通过改变空心钨极电弧存在的状态及位置，进而改变TIG电弧和MIG/MAG电弧的耦合作用，实现对焊接过程的精准调控。

2.本发明基于空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置开发的工艺是同轴复合焊接工艺，是以MIG/MAG焊丝为中心，旋转任意角度，TIG电弧相对于MIG/MAG电弧的位置均不会发生改变。

3.本发明通过调节空心钨极内孔直径，就可以方便的调节钨极内孔壁与焊丝之间的距离相对于钨极电子发射端与工件之间距离的大小，进而改变钨极氩弧的作用的位置，适用于不同物理特性的金属焊接，可以满足不同金属在不同应用环境下的高质量连接，在很大程度上扩宽了该技术的应用范围。

4.本发明对于铝合金，镁合金等存在致密的高熔点氧化膜难焊有色金属而言，采用内径尺寸大的空心钨极，将MIG电弧和TIG电弧分开，通过精细的调控TIG电弧模式，使用交流或交流+脉冲的组合方式即可实现对焊接金属表面氧化膜的清理作用，这对于简化清洗工艺流程、降低生产成本、提高有色金属焊接质量方面具有用重要意义。

5.本发明对于碳当量较高或拘束度较大的金属构件而言，通过选择内孔直径较大的空心钨极，匹配合适的焊接电流及电弧模式，可以对待焊构件焊前预热和焊后缓冷区域与温度进行调控，实现对焊接构件热循环曲线的精细化控制，满足批量化生产对焊接质量一致性的要求。该方法工艺执行流程简单，加工成本显著降低。

6.本发明当空心钨极内孔尺寸较小时，空心钨极电子发射端和工件之间形成电弧会随着MIG/MAG电弧的引燃，逐渐转移到空心钨极内壁和MIG/MAG电弧的焊丝之间，该现象使得焊丝熔化端的温度升高，降低固态焊丝末端和熔融液滴之间的表面张力，使得液滴在等离子流力、重力和离子气吹力的作用下能够以小液滴的形式稳定的过渡到液态熔池中，这对于提高熔敷效率、稳定焊接过程和提高焊接质量具有重要意义。此外，钨极电弧直接作用在焊丝上这对于提升焊接效率的同时，降低焊缝区域的热输入有着显著作用，对于抑制晶粒长大，提升焊缝性能有着正向的促进作用。

附图说明

附图1是空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置示意图；

图中：1、空心钨极；2、钨极夹；3、保护气罩；4、MIG/MAG焊丝；5、绝缘瓷管；6、钨极氩弧；7、液滴；8、焊接层；9、试样；10、导电块；11、离子气进口；12、离子体缓冲气室；13、TIG电源；14、MIG/MAG电源；15、离子气通道；20、MIG/MAG电弧；

附图2是阶梯状空心钨极示意图；

图中： 16、空心钨极阶梯；17、空心钨极内孔倒角；18、空心钨极电弧发射平面；19、空心钨极外侧面倒角；

其中：D值代表焊丝直径，D0值代表焊丝距钨极内壁的距离，D1值代表空心钨极内孔直径，D2值代表空心钨极内孔倒角边缘位置的直径，D3值代表空心钨极外侧面倒角的边缘位置的直径，D4值代表空心钨极的直径，b值为钨极内孔距焊丝表面的距离，w为钨极末端电子发射端面的宽度；

附图3是为空心钨极内孔直径较小时，空心钨极氩弧和MIG/MAG电弧复合焊接过程示意图；

附图4是空心钨极内孔直径较大时，空心钨极氩弧和MIG/MAG电弧复合焊接过程示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，该空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置包括空心钨极1、钨极夹2、保护气罩3、MIG/MAG焊丝4、绝缘瓷管5、离子体缓冲气室12、TIG电源13和MIG/MAG电源14；

所述的空心钨极通过对称布置的钨极夹夹持，所述的保护气罩位于所述的钨极夹外侧，所述的空心钨极上端固定有所述的离子体缓冲气室；

所述的空心钨极内插有所述的绝缘瓷管，所述的绝缘瓷管内插有所述的MIG/MAG焊丝，所述的MIG/MAG焊丝与所述的空心钨极之间间隙形成离子气通道15。

实施例2：

根据实施例1所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置还包括导电块10，所述的导电块与所述的钨极夹外侧贴合。

实施例3：

根据实施例1或2所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的TIG电源与所述的导电块电连接，所述的MIG/MAG电源与所述的MIG/MAG焊接装置连接。

实施例4：

根据实施例3所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，所述的空心钨极底部具有空心钨极内孔倒角、空心钨极电弧发射平面和空心钨极外侧面倒角。

实施例5：

针对5A06铝合金材料，采用较大的空心钨极内孔直径，实施空心钨极同轴MIG焊接工艺，焊接材料的尺寸为300×200×3mm，焊接前只对铝合金待焊区域端面的氧化膜进行机械清理，待焊区域附近15mm内的板材不做任何处理，保护气和离子气均为氩气，其具体实施步骤如下：

步骤1：利用钨极制样工具清理钨极电子发射端的污染物，同时将钨极电子发射端预置成特定的喇叭口形状，其中空心钨极的内孔直径D1为16mm，空心钨极直径D4为20mm，空心钨极内孔倒角边缘位置直径D2为17mm，空心钨极外侧面倒角的边缘位置的直径D3为19mm，钨极电子发射端面的宽度w为1mm，将钨极安装到焊枪，保证钨极伸出保护气罩末端10mm；

步骤2：焊丝直径D为1.2mm，焊丝牌号为ER5083，钨极内孔距焊丝表面的距离b为7.2mm，将MIG焊丝通过空心钨极内部的绝缘瓷管同轴送出，焊丝末端伸出空心钨极电子发射端1～3mm；

步骤3：利用机械清理方法对工件待焊端面进行处理，附近区域不做任何处理；

步骤4：装配待焊工件，利用塞尺等工具测量端面间隙大小，将间隙控制在0.8mm以内，利用夹具将待焊工件固定好；

步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、焊接行走机构、TIG电源、MIG/MAG电源处于正常工作状态，并依据焊接参数要求将保护气和离子气的流量分别设定为20L/min和10mL/min，TIG电源采用交流模式，MIG电源采用直流反接的模式。MIG焊机焊接电流设定为230A，MIG焊机起焊电流控制在100~150A，起弧时间设定为0.2~0.5s，收弧电流设定为150~180A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为5~10s。TIG焊机电流设定为300A，采用正弦交流输出模式，频率为120HZ，TIG焊机起焊电流控制在200~150A，起弧时间设定为0.3~0.6s，收弧电流设定为150~180A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8~10s。焊接速度设定为0.7m/min。

步骤6：将焊枪以一定的姿态移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离为3~3.5mm；

步骤7：上述步骤均执行完成后，首先开启TIG电源，在高频引弧的作用下，TIG电弧击穿空气建立导电通道；

步骤8：当TIG电弧稳定燃烧后，将MIG电源开启，此时MIG焊丝开始向电弧区域送进，直至和试板接触，MIG电弧完成接触引弧。

步骤9：当MIG电弧和TIG电弧均稳定燃烧后，开启焊接启动按钮，实现待焊工件的空心钨极同轴MIG复合焊接。

步骤10：焊接完成后，首先断开TIG焊接电源，当TIG电弧熄灭0.1~0.3ms后，将MIG焊接电源断开，进而完成5A06铝合金材料的焊接。

与常规单热源MIG电弧焊接和单热源TIG填丝焊接相比，空心钨极同轴MIG复合焊接5A06铝合金，不需要对焊接附近区域进行清理，简化了焊接工艺流程，降低了焊接成本。同时，其焊接速度与MIG焊接和TIG焊接相比分别提高了30%和250%，且焊缝成形质量优异，其抗拉强度达到母材的87%左右，比TIG填丝和MIG焊接分别高出6%和12%。

实施例6：

以304不锈钢为例进行空心钨极同轴MAG复合焊接，所用钨极为内孔直径较小的空心钨极焊接材料的尺寸为300×150×2mm，焊接前对待焊区域端面及待焊区域附近15mm内的板材进行氧化膜清理，保护气为氩气，离子气均为氩气和二氧化碳的混合气体，其具体实施步骤如下：

步骤1：利用钨极制样工具清理钨极电子发射端的污染物，同时将钨极电子发射端预置成特定的喇叭口形状，其中空心钨极的内孔直径D1为4mm，空心钨极直径D4为8mm，空心钨极内孔倒角边缘位置直径D2为5mm，空心钨极外侧面倒角的边缘位置的直径D3为7mm，钨极电子发射端面的宽度w为1mm，将钨极安装到焊枪，保证钨极伸出保护气罩末端10mm；

步骤2：焊丝直径D为1.2mm，焊丝牌号为ER308L，钨极内孔距焊丝表面的距离b为1.4mm，将MAG焊丝通过空心钨极内部的绝缘瓷管同轴送出，焊丝末端伸出空心钨极电子发射端1～3mm；

步骤3：利用机械清理方法对工件待焊端面进行处理，附近区域不做任何处理；

步骤4：装配待焊工件，利用塞尺等工具测量端面间隙大小，将间隙控制在0.5mm以内，利用夹具将待焊工件固定好；

步骤5：依次检查确认冷却水、保护气、离子气、焊接行走机构、TIG电源、MAG电源处于正常工作状态。根据焊接参数要求将保护气和离子气的流量分别设定为20L/min和10mL/min，其中离子气采用体积分数98%的氩气和2%的二氧化碳组成的混合气体，保护气采用氩气。TIG电源设定为直流正接模式，MAG电源采用直流反接模式。MAG焊机焊接电流设定为200A，MAG焊机起焊电流控制在120~160A，起弧时间设定为0.4~0.6s，收弧电流设定为150~170A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为5~10s。TIG焊机电流设定为200A，TIG焊机起焊电流控制在100~150A，起弧时间设定为0.3~0.6s，收弧电流设定为150~180A，焊接完成后保护气延迟送气时间设定为8~10s。焊接速度设定为0.6m/min。

步骤6：将焊枪以一定的姿态移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离为3.0~3.5mm；

步骤7：上述步骤均执行完成后，首先开启TIG电源，在高频引弧的作用下，TIG电弧击穿空气建立导电通道；

步骤8：当TIG电弧稳定燃烧后，将MAG电源开启，此时MAG焊丝开始向电弧区域送进，直至和试板接触，MAG电弧完成接触引弧。

步骤9：当MAG电弧引燃后，TIG电弧的导电通道会由电子发射端和工件之间转移到空心钨极内壁和焊丝之间，此时开启焊接启动按钮，实现待焊工件的空心钨极同轴MAG复合焊接。

步骤10：焊接完成后，首先断开TIG焊接电源，当TIG电弧熄灭0.1~0.2ms后，将MAG焊接电源断开，完成304不锈钢的空心钨极同轴MAG焊接。

空心钨极同轴MAG复合焊接304不锈钢的焊接速度同常规MAG焊接不锈钢相当，但是其焊接质量接近TIG填丝的焊接效果，焊缝成形质量优异，其抗拉强度达到母材的92%左右。

改变TIG电弧和MIG/MAG电弧耦合机制为，当采用小尺寸空心钨极内径时，钨极末端和工件的距离要大于空心钨极内壁和焊丝的距离，当MIG/MAG焊丝和工件引弧后，根据电压最小原理，焊接电弧会改变作用位置，从工件表面逐渐转移到焊丝，此时导电通道在钨极内壁和焊丝之间，TIG电弧产生的热量都用于加热焊丝，由于钨极内壁的环形表面积较大，所以TIG电弧的电流密度相对较小，可以在不熔化焊丝的情况下，显著提升焊丝末端熔化前的温度，这对于不提升焊接热输入的情况下，提升MIG/MAG焊丝的熔敷效率具有重要意义。

改变TIG电弧和MIG/MAG电弧耦合机制为，当空心钨极的内径尺寸较大时，钨极内壁和焊丝的距离较远，钨极产生的氩弧和MIG/MAG焊丝产生的电弧相互独立。此时，空心钨极产生的环状氩弧可以起到焊前预热和焊后缓冷的作用，这对于碳当量较高的难焊金属而言，具有十分重要的意义。通过控制空心钨极的尺寸和电流大小即可实现对焊接过程温度场的精准调控。与此同时通过焊接过程电极极性的改变，实现对试样表面的阴极破碎作用，在不增加其他工艺流程的情况下，即可实现将试样表面的油污和氧化物去除掉，使金属熔化后形成的液态金属不受污染，这对于提升焊缝金属的力学性能极为有利。

空心钨极TIG电弧燃烧所用焊接电源和MIG/MAG焊接所用电源是两套具备独立功能的专用电源，各自的焊接过程均可通过独立的焊接电源控制系统进行调节和控制。

所述的TIG焊接电源和MIG/MAG焊接电源可以根据实际应用场景不同设定与之匹配的焊接参数应用在空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接工艺中。

焊丝形式包括各种药芯焊丝、实心焊丝和绞股焊丝。

Claims (5)

1.一种空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，其特征是：该空心钨极同轴MIGMAG复合焊接装置包括空心钨极、钨极夹、保护气罩、MIG/MAG焊丝、绝缘瓷管、离子体缓冲气室、TIG电源和MIG/MAG电源；

所述的空心钨极通过对称布置的钨极夹夹持，所述的保护气罩位于所述的钨极夹外侧，所述的空心钨极上端固定有所述的离子体缓冲气室；

所述的空心钨极内插有所述的绝缘瓷管，所述的绝缘瓷管内插有所述的MIG/MAG焊丝，所述的MIG/MAG焊丝与所述的空心钨极之间间隙形成离子气通道。

2.根据权利要求1所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，其特征是：所述的空心钨极同轴MIGMAG复合焊接装置还包括导电块，所述的导电块与所述的钨极夹外侧贴合。

3.根据权利要求2所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，其特征是：所述的TIG电源与所述的导电块电连接，所述的MIG/MAG电源与所述的MIG/MAG焊接装置连接。

4.根据权利要求3所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置，其特征是：所述的空心钨极底部具有空心钨极内孔倒角、空心钨极电弧发射平面和空心钨极外侧面倒角。

5.一种权利要求1-4之一所述的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接装置的焊接方法，具体包括如下步骤：

（1）根据需要焊接的材料对空心钨极选择，选择大内孔径空心钨极或小内孔径空心钨极；

（2）利用钨极制样工具清理钨极电子发射端的污染物，同时将钨极电子发射端预置成特定的喇叭口形状，将钨极安装到焊枪，保证钨极伸出保护气罩末端8-12mm；

（3）将MIG/MAG焊丝通过空心钨极内部的绝缘瓷管同轴送出，焊丝末端伸出空心钨极电子发射端1～3mm；

（4）利用机械清理或化学清洗的方法对工件待焊端面及附近15mm的区域进行预处理；

（5）装配待焊工件，利用塞尺工具测量端面间隙大小，将间隙控制在0.8mm以内，利用夹具将待焊工件固定好；

（6）依次检查确认冷却水、保护气、离子气、焊接行走机构、TIG电源、MIG/MAG电源处于正常工作状态，并依据焊接参数分别设定保护气和离子气流量、TIG电源和MIG/MAG电源极性、TIG电源和MIG/MAG电源的电流模式，TIG电源和MIG/MAG电源的电流大小、焊接速度；

（7）选择大内孔径空心钨极时，空心钨极内壁和焊丝之间的距离大于空心钨极和工件之间的距离，将焊枪移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离保持不变；

（8）选择小内孔径空心钨极时，空心钨极内壁和焊丝之间的距离小于空心钨极和工件之间的距离，将焊枪移动到待焊区域，保证钨极末端和工件的距离保持不变；

（9）上述（7）或（8）执行完成后，首先开启TIG电源，在高频引弧的作用下，TIG电弧击穿空气建立导电通道；

（10）当TIG电弧稳定燃烧0.2~0.5s时，将MIG/MAG电源开启，此时MIG/MAG焊丝开始向电弧区域送进，直至和试板接触，MIG/MAG电弧完成接触引弧；

（11）当MIG/MAG电弧和TIG电弧均稳定燃烧后，开启焊接启动按钮，实现待焊工件的空心钨极同轴MIG/MAG复合焊接；

（12）焊接完成后，首先断开TIG焊接电源，当TIG电弧熄灭后，将MIG焊接电源断开，完成待焊试样的焊接。

Images