CN114247966A - 一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法 - Google Patents

一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法 Download PDF

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Abstract

一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，属于焊接方法和电弧熔丝增材领域。通过采用两根丝材与非熔化极钨电极连接交替产生电弧。采用变极性焊接热源，一极连接到非熔化极钨电极上，另一极通过并联的方式连接到两根丝材上，在两根丝材与变极性热源的通路上连接有IGBT或大容量二极管，利用二极管截止作用和变极性电源的电流极性转换作用以达到在钨电极和两根丝材间产生交替电弧。基材不作为电源供电端，仅依靠电弧等离子体加热作用以熔化基材。此焊接和增材方法可以有效利用阴极和阳极极性特点，在直流正极性接法和直流反极性接法中分别对熔点不同的异种材料加热融化。

Description

一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法
技术领域
本发明涉及一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，属于焊接方法和电弧熔丝增材领域。
背景技术
电弧熔丝增材制造技术是一种特殊的3D打印技术，以电弧为热源，以金属丝的形式提供沉积材料，以连续“线”为轨迹逐层添加金属材料进行工件快速成型，制造出实体工件的制造技术，不需要传统的刀具、夹具以及多道加工过程，相对于传统的减材制造，极大节省了材料用量，尤其在贵金属材料加工领域中，电弧熔丝增材制造技术具有更大的成本优势，可成形传统减材加工无法实现的复杂几何结构，实现近净成形。现在被认为是铸造，锻造和机械加工等制造技术的可行替代方法。
在如今的电弧熔丝增材制造领域，其热源仅仅是以现有的焊接电弧热源及多能场或多电极复合热源直接转移至增材制造领域，在进行异种材料的焊接和增材领域中，由于不同金属材料的物理性能和化学性能的不同以及金属熔点的差异使异种金属焊接和增材极其困难。近年来，一些新型的焊接方法在异种材料连接领域中异军突起，如：异种材料高能束(电子束、激光)焊接方法，其特点是能量集中，密度高、接头熔深大、熔宽小、焊接精度较高；异种材料搅拌摩擦焊，其采用的热源是搅拌头与工件摩擦产生的热量，其优点是热输入较低、焊接过程短、工件变形量小，然而摩擦焊需要至少其中一个构件具有轴对称结构，也就限制了其在工程中的实际应用；弧焊作为传统的焊接方法，其具有成本低廉、操作方便、结构和环境适应性强、装配精度要求低等优势，同时，相较于高能束焊接放置箔片的填充金属添加方式，电弧焊接中自动填丝及熔滴的优异搭桥能力能够显著降低焊接装配精度要求，从而拥有较高的焊接效率。
在异种材料传统单面电弧焊接中，由于其热量在工件内部主要以热传导形式传热，运输效率较低且没有指向性，由于异种金属具有不同的热输入需求，传统单面电弧难以控制异种金属接头热特性，从而难以实现异种金属接头金属化合物的有效调控。尽管一些研究人员通过采用搭接接头、V型坡口等辅助方式能在一定程度上改善异种金属接头金属间化合物，但并没有改变电弧热输入调控的本质问题。
针对于传统单面电弧焊接异种材料出现的问题，又出现了新型焊接工艺——双面双弧焊接方法。通过双电源连接双焊枪在工件的两面进行异种金属的连接，通过对正反两面热源的能量参数和位置参数的协调控制来进行对不同金属所需要的热输入进行控制，实现异种金属的高质量焊接。而此种方法需要双电源连接到双焊枪上，工件同时作为两电源的电极，电弧能量一部分融化丝材形成熔滴过渡到基材上，另一部分能量作用在工件上产热，造成了能量的浪费。且双面双弧焊接方法需要在工件两侧进行焊接，对工件及焊枪的空间位置有要求。因此，本专利提出了一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，实现对异种金属热输入的不同需求进行热源的热输入调控，同时提高了能量的利用效率。
发明内容：
本发明的内容在于搭建一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材装置，致力于对交替电弧的热输入分别调控，满足不同材料对热输入的不同需求，打破了“电弧是两个电极之间强烈而持久的放电现象”的传统概念，通过对交替电弧的热输入控制完成异种材料的高质量焊接和增材制造。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，建立了一个电源两个导电通道的分时导电装置，其中电源一个电极接在焊枪上，另外一个电极分成两路分别接在两个焊丝上，两个独立的焊丝均用于焊接或增材同一工件的同一位置；在每个焊丝的连接通路上各串联一个二极管或IGBT，且两个二极管的方向相反，使得焊接电源在相同极性时被迫只能与其中一个焊丝燃弧，在变极性周期内使得焊枪的钨电极与两种焊丝交替产生电弧；通过交替电弧调控热源的热量输入，满足不同材料的热输入需求；所述的电源为变极性周期交替的电源；
区别于传统的一个电源两个电极和多电源多电极的焊接和增材方法，此方法采用一个电源三个电极的方式，三个电极分别为钨电极和两根丝材。两根焊丝是从相对的两侧到达固定位置。采用变极性电源，通过变极性电源的电流极性转变和在两根焊丝与变极性电源通路上的二极管的截止作用，产生交替电弧。电弧1为丝材1阳极-钨电极阴极，电弧2为钨电极阳极-丝材2阴极；在一个变极性电流周期，电弧1与电弧2交替产生来完成工作。
两根焊丝丝材是从以焊枪电极为对称轴从相对的两侧送达相应位置。
通过改变变极性电源的脉冲幅值、脉冲频率及占空比，控制交替电弧时序的协同实现电弧的热输入调控。在DCEN阶段和DCEP阶段，热源连接在钨电极的电源极性不同，热输入不同，实现对不同熔点的金属材料分别进行熔敷。变极性电流通过电流控制器对电流脉冲、频率和极性占空比进行调控，电流正常传输时，丝材1为阳极，钨电极为阴极，此时为直流正极性接法；当电流极性转变时，丝材2为阴极，钨电极为阳极，此时为直流负极性接法。两种接法所承受的最大焊接电流值不同，可对不同材料的丝材对应连接来进行焊接和增材。
在DCEN阶段和DCEP阶段，可以有效利用阴极和阳极极性特点，在DCEP阶段熔敷对热输入需求较低的金属材料，在DCEN阶段熔敷对热输入需求较高的金属材料。
基材不作为变极性电源的一极，因此变极性电源不向基材供电，减小了对基材的热输入提高了熔覆效率。
本发明可以获得如下有益效果：
本发明所述的一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，采用变极性电源，通过一个电源三个电极连接极性分时导通的装置，打破了“电弧是两个电极之间强烈而持久的放电现象”的传统概念，三个电极之间产生交替电弧，基材不做为电源的一极，变极性电源不向基材供电，基材的热输入来源于熔滴过渡到基材上的热传导以及交替电弧的电弧等离子体加热作用。提高了熔覆效率。此焊接和增材方法可以有效利用阴极和阳极极性特点，在直流正极性接法和直流反极性接法中分别对熔点不同的异种材料加热融化。通过对变极性电流的脉冲幅值、脉冲频率、极性占空比对热源的热输入进行调控以及通过异质双丝送丝速度调控熔覆量，为异种材料高质量焊接及异种材料增材制造提供理想热源。
附图说明
图1为一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法示意图
图2为一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法的交替电弧的电流导通示意图。
图3为实施例具体的装置连接方法。
图1中：1、变极性焊接电源，2、冷却水箱，3、保护气/离子气，4、保护气/离子气，5、保护气表/离子气表，6、保护气表/离子气表，7、非熔化极焊枪，8、钨电极，9、丝材2，10、丝材1，11.送丝机，12、IGBT/大容量二极管，13、IGBT/大容量二极管，14、基材。
具体实施方式
为具体进一步明确本发明所述的焊接和增材的方法以及技术方案，将结合以下实施例进行进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
以下具体地说明本发明的实施方式，附图中只是说明性质，只代表了该焊接方法的有关电回路方面的连接方式，焊枪所必须的气路和水路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。本焊接方法包含了等离子焊和TIG焊。
实施例1
下面对该焊接和增材方法的步骤进行说明：
在焊接或增材前，对待焊工件进行表面处理，用砂纸进行打磨去除氧化膜，采用丙酮进行洗涤并晾干，采取夹具进行固定。
在焊接或增材过程中，起弧前后都需要确保焊枪垂直于基材。
起弧前，两根不同材料的丝材分别从两侧由送丝机送达预定位置，检查送丝机是否正常工作，以防止在焊接和增材过程中堵丝使电弧熄灭，检查焊枪气管接口，防止保护气/离子气不能进入焊枪。设置距离参数如下：焊枪到焊丝距离为2mm-4mm，焊枪距基材5mm-8mm。
焊前工作准备就绪后，调节非熔化极焊枪(7)位置使其垂直于基材，并保证焊接过程中焊枪始终垂直基材，打开离子气(3)、保护气(4)和冷却水箱(2)，确保焊枪及其水路和气路正确连接。打开离子气气表(5)和保护气气表(6)，调节气体流量速度，按照要求接通焊接系统的各种开关，预先通过高频起直流维弧，在维弧稳定后，再起直流主弧，最后起变极性主弧进行焊接增材。在焊接过程中，通过对变极性电流的脉冲幅值、脉冲频率、极性占空比对热源的热输入进行调控以及通过异质双丝送丝速度调控熔覆量。
在变极性电流转换时，由于丝材与变极性电源的IGBT/大容量二极管的截止作用，迫使三电极中只产生一个电弧，在DCEP阶段，钨电极与丝材1导通，形成钨电极阳极-丝材1阴极电弧；随后在变极性电流极性转换后，即在DCEN阶段，钨电极与丝材2导通，形成钨电极阴极-丝材2阳极电弧。由于交替电弧的电流极性不同，在DCEN阶段和DCEP阶段，可以有效利用阴极和阳极极性特点，在DCEP阶段熔敷对热输入需求较低的金属材料，在DCEN阶段熔敷对热输入需求较高的金属材料。且通过对变极性电流的脉冲幅值、脉冲频率、极性占空比对热源的热输入进行调控以及通过异质双丝送丝速度调控熔覆量，为异种材料的高质量焊接和增材提供理想型热源。

Claims (5)

1.一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，其特征在于，建立了一个电源两个导电通道的分时导电装置，其中电源一个电极接在焊枪上，另外一个电极分成两路分别接在两个焊丝上，两个独立的焊丝均用于焊接或增材同一工件的同一位置；在每个焊丝的连接通路上各串联一个二极管或IGBT，且两个二极管或IGBT的方向相反，使得焊接电源在相同极性时被迫只能与其中一个焊丝燃弧，在变极性周期内使得焊枪的钨电极与两种焊丝交替产生电弧；通过交替电弧调控热源的热量输入，满足不同材料的热输入需求；所述的电源为变极性周期交替的电源。
2.按照权利要求1所述的一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，其特征在于，采用一个电源三个电极的方式，三个电极分别为钨电极和两根丝材；两根焊丝是从相对的两侧到达固定位置。采用变极性电源，通过变极性电源的电流极性转变和在两根焊丝与变极性电源通路上的二极管的截止作用，产生交替电弧；电弧1为丝材1阳极-钨电极阴极，电弧2为钨电极阳极-丝材2阴极；在一个变极性电流周期，电弧1与电弧2交替产生来完成工作。
3.按照权利要求1所述的一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，其特征在于，通过改变变极性电源的脉冲幅值、脉冲频率及占空比，控制交替电弧时序的协同实现电弧的热输入调控。在DCEN阶段和DCEP阶段，热源连接在钨电极的电源极性不同，热输入不同，实现对不同熔点的金属材料分别进行熔敷；变极性电流通过电流控制器对电流脉冲、频率和极性占空比进行调控，电流正常传输时，丝材1为阳极，钨电极为阴极，此时为直流正极性接法；当电流极性转变时，丝材2为阴极，钨电极为阳极，此时为直流负极性接法。两种接法所承受的最大焊接电流值不同，对不同材料的丝材对应连接来进行焊接和增材。
4.按照权利要求1所述的一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，其特征在于，两根焊丝丝材是从以焊枪电极为对称轴从相对的两侧送达相应位置。
5.按照权利要求1所述的一种基于变极性电源的双丝异种材料焊接和增材方法，其特征在于，在DCEN阶段和DCEP阶段，有效利用阴极和阳极极性特点，在DCEP阶段熔敷对热输入需求较低的金属材料，在DCEN阶段熔敷对热输入需求较高的金属材料。
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