CN114226911A - 一种等离子-电弧复合焊接方法 - Google Patents

一种等离子-电弧复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接方法技术领域，具体涉及一种等离子‑电弧复合焊接方法。包括如下步骤：S1，利用等离子焊接电源在管状钨极和工件间产生第一电弧；S2，利用MIG/MAG焊接电源为熔化极焊丝提供焊接电流，在熔化极焊丝和工件间产生第二电弧；S3，在第一电弧和第二电弧共同作用下，在工件上形成公共熔池，往熔池中送进至少一条电中性的填充焊丝；S4，熔化极焊丝和填充焊丝同时熔化形成熔融金属，完成焊接、堆焊或增材制造。本发明具有方便实用、飞溅小的特点，可实现焊接、堆焊或增材制造等不同工艺。在焊接的情况下，焊接熔深大，能实现熔深达15mm的单道焊接；在堆焊情况下，熔敷率高，熔敷金属与母材有良好熔合，初次堆焊层具有小的稀释率。

Description

一种等离子-电弧复合焊接方法
技术领域
本发明属于焊接方法技术领域，具体涉及一种等离子-电弧复合焊接方法。
背景技术
已知的高效低稀释率堆焊方法和设备[专利US4521664A: Process andapparatus for surfacing with high deposition and low dilution.专利作者RobertF. Miller. HOBART BROTHERS COMPANY, TELEDYNE INDUSTRIES INC.公司；B23K31/025;1993.01.28.]，可以使用两条熔化极来熔敷金属层。具体设备包含连接电极和工件的电源，主要用来在两个电极之间引弧以及在正极和工件之间引弧，但是缺点在于一次熔敷金属量过大，难以控制获得精密而薄的熔敷层。
为了消除上述缺点，可以使用零件表面堆焊修复的方法 [俄罗斯专利№2403138:零件表面堆焊修复方法。专利作者：Vinogradov A.N. (RU), Lutakhov M.A. (RU), V.V.Meshkov (RU), D.V. Kuznetsov (RU);俄罗斯联邦国家高等职业教育机构“萨拉托夫国立技术大学”；国际专利分类 B23P6/04, B23K9/04; 2010.11.10]，在被修复零件的表面上用熔化极进行堆焊。被修复零件相对于电极移动，形成堆焊熔池并将不带电的填充焊丝送入堆焊熔池。在此情况下，可使用合金钢焊丝和有色金属焊丝。焊丝在工件运动方向之前或之后，并与工件保持一定的距离，焊丝的送丝方向和熔化极的送丝方向夹角呈锐角，能够减少熔敷金属中的合金元素损失。缺点是无法在大范围内控制焊接或堆焊零件的热影响区，有熔化焊丝和填充的飞溅， 无法进一步增加焊接熔深，堆焊过程中也无法降低稀释率。
现有技术中，与本发明最接近的是使用双丝熔化极电弧焊工艺 (GMAW-DCW)[Patent US 2016/0144447 A1: Welding process gas metal arc welding–double coldwire (GMAW-DCW)。专利作者：E. de M. Braga, P.D.C. Assuncao; UniversidadeFederal Do Para–UFPA 公司, Belém–PR (BR), B23K9/173, 2016.05.26]，包含两条“冷”填充焊丝，它们在电弧中或在惰性气体或活性气体（或混合气体）保护的熔池中熔化，与GMAW或 FCAW工艺相比，具有更高的堆焊速度和较高的效率。填充丝是通过辅助系统送进的，辅助系统不依赖焊接电源，填充丝穿过送丝管道，送丝管可以相对焊枪做水平移动，还可以绕焊枪轴并垂直于焊枪轴旋转，最后“冷”焊丝被引导送进焊接熔池。两条“冷”填充焊丝的化学成分可以与熔化极焊丝相同，也可以采用不同的化学成分来控制焊缝金属的冶金性能，但缺点是用于保证与母材熔合的熔化极电弧功率不足、熔化极电弧稳定性不足以及在焊接和堆焊过程中金属飞溅多。
因此，设计一种方便实用、飞溅小，可实现焊接、堆焊或增材制造等不同工艺，在焊接的情况下，焊接熔深大，能实现熔深达15mm的单道焊接；在堆焊情况下，熔敷率高，熔敷金属与母材有良好熔合，初次堆焊层具有小的稀释率的等离子-电弧复合焊接方法，就显得十分必要。
发明内容
本发明克服了现有双丝熔化极电弧焊工艺中用于熔化母材的熔化极电弧功率不足、熔化极电弧不稳定性以及在焊接和堆焊过程中金属飞溅多的问题，提供了一种方便实用、飞溅小，可实现焊接、堆焊或增材制造等不同工艺，在焊接的情况下，焊接熔深大，能实现熔深达15mm的单道焊接，在堆焊情况下，熔敷率高，熔敷金属与母材有良好熔合，初次堆焊层有小稀释率的等离子-电弧复合焊接方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种等离子-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
S1，利用等离子焊接电源在管状钨极和工件之间产生第一电弧；
S2，利用MIG/MAG焊接电源向熔化极焊丝提供焊接电流，在熔化极焊丝与所述工件之间产生第二电弧；
S3，在第一电弧和第二电弧共同作用下，在工件上形成公共熔池，往形成的熔池送进至少一条电中性的填充焊丝；
S4，熔化极焊丝和填充焊丝同时熔化形成熔融金属，继而完成焊接或堆焊或逐层增材制造的过程。
作为优选，所述等离子气为氩气、氦及其混合气，等离子气以漩涡方式供给，使得等离子喷嘴上形成的等离子弧能沿其末端面做稳定的环形运动，在增加热负荷分布均匀性的同时，最大限度地减少熔融金属的飞溅。
作为优选，所述填充焊丝的送丝速率，使得进入熔池的填充焊丝质量是熔化极焊丝质量的10%-40%。
作为优选，所述电极包括非熔化极和熔化极，非熔化极为管状的钨极；熔化极即熔化极焊丝，熔化极焊丝穿过复合等离子发生器，并沿复合等离子发生器轴线以2.0m/min-20.0m/min的速度连续送丝。
作为优选，所述填充焊丝以1Hz-10Hz的脉冲频率和1mm-5mm的脉冲幅度送入熔池。
作为优选，提供给所述熔化极的焊接电流和所述非熔化极的焊接电流的比例范围为 1:2-2:1；
其中，提供给所述熔化极的焊接电流值范围为50A-400A。
作为优选，利用等离子喷嘴将等离子气以3.0L/min-9.0L/min的流量供应在非熔化极周围。
作为优选，所述熔化极的电弧由聚焦气体形成，所述聚焦气体为氩气，以4.0L/min-7.0L/min的流量通入管状钨极里。
作为优选，所述熔池由保护气体保护，所述保护气体为氩、氦、及其混合气，或者是氩气与氢气、氩气与氧气、氩气与二氧化碳的混合气，以30L/min-50L/min的流量进行供应。
作为优选，所述填充焊丝是电中性的，可以是一条，也可以是两条，有单独的送丝机构将填充焊丝送入焊接熔池；填充焊丝的直径和熔化极焊丝直径可相同也可不同，范围为0.8mm-3.0mm。
作为优选，所述等离子喷嘴的末端与待焊接工件表面的距离为5mm-8mm。
本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）本发明方便实用，飞溅小，核心是等离子弧与电弧的复合（Plasma-MIG），可以应用于窄间隙结构的焊接，堆焊以及增材制造。（2）本发明在焊接的情况下，焊接熔深大，能实现熔深达15mm的单道焊接；在堆焊情况下，熔敷率高，熔敷金属与母材有良好融合，初次堆焊层有小的稀释率。（3）本发明的等离子气以漩涡方式供给，使得等离子喷嘴上形成的等离子弧能沿其末端面做稳定的环形运动，在增加热负荷分布均匀性的同时，最大限度地减少熔融金属的飞溅。
附图说明
图1为本发明一种等离子-电弧复合焊接方法的原理示意图；
图2为采用本发明一种等离子-电弧复合焊接方法在开坡口和不开坡口的情况下，对12Mn钢板（δ=10mm）进行对接焊的焊缝横截面效果图；
图3为采用本发明一种等离子-电弧复合焊接方法在利用ER70S-6焊丝在基体（12Mn钢）进行堆焊后堆焊层与基体之间的熔合图；
图4为采用本发明一种等离子-电弧复合焊接方法在利用ER70S-6焊丝在基体（12Mn钢）进行堆焊后堆焊层之间的熔合图；
图5为采用本发明一种等离子-电弧复合焊接方法进行增材制造三维零件的实际效果图；
图6为图5对应的三维零件在车床上进行加工后的实际效果图。
图中：熔化极焊丝1、填充焊丝2、第一送丝管3、第二送丝管4、管状钨极5、工件6、堆焊层7、等离子气8、等离子喷嘴9、聚焦气体10、保护气体11、保护喷嘴12。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本发明提供了一种等离子-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：
S1，利用等离子焊接电源在电极和工件之间产生第一电弧；
S2，利用MIG/MAG焊接电源向熔化极焊丝提供焊接电流，在熔化极焊丝与所述工件之间产生第二电弧；
S3，在第一电弧和第二电弧共同作用下，在所述工件上形成公共熔池，往形成的熔池送进至少一条电中性的填充焊丝；
S4，熔化极焊丝和填充焊丝同时熔化形成熔融金属，继而完成焊接或堆焊或逐层增材制造的过程。
具体的，如图1所示，利用等离子焊接电源在管状钨极5和工件6之间产生第一电弧。送丝机构将熔化极焊丝1穿过第一送丝管3进入到管状电极5轴线中，MIG/MAG焊接电源正极接熔化极焊丝1、负极接工件6，在熔化极焊丝1与工件6之间产生第二电弧。在第一电弧和第二电弧的共同作用下，在工件6上形成一个公共熔池。送丝机构将填充焊丝2通过第二送丝管4送入公共熔池中，管状钨极5的第一电弧和熔化极焊丝1的第二电弧将熔化极焊丝1和填充焊丝2一起熔化形成熔融金属，完成焊接或堆焊或增材制造过程。在此情况下，管状钨极5的第一电弧最大限度地减少了熔化极焊丝1和填充焊丝2熔融金属的飞溅。
特别地，可以用两条填充焊丝来代替单一的填充焊丝。电极包括熔化极和非熔化极，熔化极即为熔化极焊丝1，非熔化极采用管状钨极5。
等离子气8（氩气、氦及氩气、氦的混合气体）通过等离子喷嘴9供应到非熔化极（管状钨极5）周围，使得管状钨极5与工件6之间形成的电弧沿非熔化极的端部循环移动以增加热负荷分布的均匀性。熔化极电弧由聚焦气体10（氩气）形成，聚焦气体10通入到非熔化极（管状钨极5）里面。保护气体11（氩、氦及氩、氦混合气体，以及氩气与氢气、氩气与氧气、氩气与二氧化碳的混合气体）通入保护喷嘴 12后，对工件6上形成的熔池进行保护。
进一步的，所述填充焊丝的送丝速率，使得进入熔池的填充焊丝质量是熔化极焊丝质量的10%-40%。
进一步的，所述熔化极焊丝穿过复合等离子发生器，并沿复合等离子发生器轴线以2.0m/min-20.0m/min的速度无级调速连续送丝。
进一步的，所述填充焊丝以1Hz-10Hz的脉冲频率和1mm-5mm的幅度脉冲送入熔池。
进一步的，提供给所述熔化极的焊接电流和所述非熔化极的焊接电流的比例范围为 1:2-2:1；
其中，提供给所述熔化极的焊接电流值范围为50A-400A。
进一步的，利用等离子喷嘴将等离子气以3.0L/min-9.0L/min的流量供应在非熔化极周围；
进一步的，所述熔化极的电弧由聚焦气流形成，所述聚焦气流为氩气，以4.0L/min-7.0L/min的流量通入管状钨极里。
进一步的，所述熔池由保护气体保护，所述保护气体以30L/min-50L/min的流量进行供应。
进一步的，所述填充焊丝的直径范围为0.8mm-3.0mm。
为了测试本发明一种等离子-电弧复合焊接方法的有效性，创建了一个实验室工作台。工作台由以下部分组成：最大载重量高达10kg、臂展高达1.4米的机械手，固定在机器人手臂上的导电送丝机构、单独固定的送丝机构、等离子焊装置、熔化极焊接电源、带送丝和定位系统的等离子-MIG复合焊接头、气体调配和供应系统、焊接工装夹具。
为了进行焊接实验，使用了尺寸为(300-400)×(100-200)×δmm的板试样，其中δ=5-15mm。试样材料为碳钢（12Mn）和不锈钢（AISI304L）和铝合金1561，使用直径为1.2-1.6mm的ER70S-6、ER308L、ER5356焊丝作为填充焊丝，具体参数如表1所示。焊接实验过程采用一条填充焊丝。焊接前，板试样对接接头的接头边缘通过机械清理清除污垢和氧化物。在进行增材堆焊实验中，使用一块尺寸为100×100×10mm的12Mn钢板和一条直径为1.0-1.2mm的ER70S-6填充焊丝。
表1 所用的材料化学成分组成表，wt%
Figure DEST_PATH_IMAGE001
进行了焊接和增材堆焊方面的一系列试验，根据本发明所提出的方法选择了最佳试验规范。此外，与原型方法做了对比试验。进行试验的规范参数如表2和表3所示。
表2 根据本发明提出的方法（第1-4项）和原始方法（第5-6项）焊接规范参数对比表
Figure 455074DEST_PATH_IMAGE002
实验结果如下：
按照本发明提出的方法焊接后与原型方法进行对比。图2展示了在开坡口（表2第1行；图2（a））和不开坡口（表2第2行；图2（b））的情况下，用本发明提出的方法对12Mn钢板（δ=10mm）进行对接焊的焊缝横截面。由此可见，使用本发明所提出的方法的情况下，开坡口可以将焊接线能量减少多达30%。在使用原型方法不开坡口的的情况下，未能获得全熔透和高质量的焊缝成形。同时发现，在采用本发明所提出的方法（表2第1行、第4行）进行焊接的情况下，与原型方法（表2第5行、第6行）相比，整个过程的速度提高了60%-70%，并且线能量减少了40%-75%。
表3 根据本发明提出的方法（第1项）和根据原型方法（第2项）的堆焊规范参数对比表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
根据本发明提出的方法在堆焊过程中选择全金属三维产品增材制造的模式。采用ER70S-6焊丝的堆焊工艺规范（表3，第1项）进行了试验，发现第一条焊道与基体（12Mn钢）的熔合质量是可靠的，具体如图3所示。堆焊层之间的熔合性同样是符合要求，令人满意的，具体如图4所示。使用本发明所提出的方法能够制造如图5所示的三维零件，然后在车床上对其进行加工，加工后的零件如图6所示。车削后的堆焊金属是一体的，没有气孔和未熔合的地方。根据试验结果对比发现，本发明提出的方法（表3第1行）与原型方法（表3第2行）相比，焊接速度提高了约20%，线能量减少了15%-20%。
本发明方便实用，核心是等离子与电弧的复合（Plasma-MIG），可以应用于窄间隙结构的焊接，堆焊以及增材制造。本发明在焊接的情况下，焊接熔深达，能实现熔深达15mm的单道焊接；在堆焊情况下，熔敷率高，熔敷金属与母材有良好融合，初次堆焊层有小的稀释率。等离子气以漩涡方式供给，使得等离子喷嘴上形成的等离子弧能沿其末端面做稳定的环形运动，在增加热负荷分布均匀性的同时，最大限度地减少熔融金属的飞溅。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，利用等离子焊接电源在管状钨极和工件之间产生第一电弧；
S2，利用MIG/MAG焊接电源向熔化极焊丝提供焊接电流，在熔化极焊丝和工件间产生第二电弧；
S3，在第一电弧和第二电弧共同作用下，在工件上形成公共熔池，向熔池送进至少一条电中性的填充焊丝；
S4，熔化极焊丝和填充焊丝同时熔化形成熔融金属，继而完成焊接、堆焊或增材制造。
2.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述等离子气为氩气、氦及其混合气，等离子气以漩涡方式供给，使得等离子喷嘴上形成的等离子弧能沿其末端面做稳定的环形运动，在增加热负荷分布均匀性的同时，最大限度地减少熔融金属的飞溅。
3.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述填充焊丝的送丝速率，使得进入熔池的填充焊丝质量是熔化极焊丝质量的10%-40%。
4.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述电极包括熔化极和非熔化极，所述熔化极即熔化极焊丝，熔化极焊丝穿过复合等离子发生器，并沿复合等离子发生器轴线以2.0m/min-20.0m/min的速度连续送丝；所述非熔化极为管状的钨极。
5.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述填充焊丝以1Hz-10Hz的脉冲频率和1mm-5mm的脉冲幅度送入熔池。
6.根据权利要求4所述的电极，其特征在于，提供给所述熔化极的焊接电流和所述非熔化极的焊接电流的比例范围为 1:2-2:1；
其中，提供给所述熔化极的焊接电流值范围为50A-400A。
7.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，利用等离子喷嘴将等离子气以3.0L/min-9.0L/min的流量供应在非熔化极周围。
8.根据权利要求4所述的熔化极，其特征在于，所述熔化极的电弧由聚焦气体形成，所述聚焦气体为氩气，以4.0L/min-7.0L/min的流量通入管状钨极里。
9.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述熔池由保护气体保护，所述保护气体为氩、氦、及其混合气，或者是氩气与氢气、氩气与氧气、氩气与二氧化碳的混合气，以30L/min-50L/min的流量进行供应。
10.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述填充焊丝是电中性的，可以是一条，也可以是两条，有单独的送丝机构将填充焊丝送入焊接熔池；填充焊丝的直径和熔化极焊丝直径可相同也可不同，范围为0.8mm-3.0mm。
11.根据权利要求1所述的一种等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述等离子喷嘴的末端与待焊接工件表面的距离为5mm-8mm。
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