CN114309876A - 一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法。依据实际管子焊接坡口要素，壁厚、装配间隙、坡口钝边量，通过熔池形态的热‑力学数值分析模型和实际管件的焊接试验确定焊接规范参数，包括脉冲峰值电流、脉冲时间、峰值电流停留时间，保证峰值电流的电弧能量超过临界熔透电弧能量，达到根部熔透效果。同时通过工艺试验确定焊接电流脉冲幅比和脉宽比、基值旋转速度和旋转时间或行走距离，平均电弧能量低于临界烧穿热输入，保证根部不烧穿。通过微机调节和控制，自动旋转或行走脉冲、自动送丝脉冲的频率和相位与电弧脉冲协调一致性，熔池形状变化规律稳定，从而正面和根部成形良好的焊缝。适宜作为铜及铜合金焊接方法应用。

Description

一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域的铜及铜合金管子焊接，特别是涉及一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法。

背景技术

铜及铜合金的导热系数比普通碳钢大7～11倍，焊接时热量从基材散失较快，因此相比钢的焊接，铜及铜合金焊接需要更大的电弧能量（热输入）才能达到较好的熔透效果。但是液态铜的表面张力比铁小1/3，而流动性比钢大1～1.5倍。因此对于薄壁铜及铜合金管子焊接时，当电弧能量较小时，即小于“临界熔透焊接热输入”，坡口侧壁及根部就会产生未焊透缺陷；焊接电弧能量过大时，即大于“临界烧穿焊接热输入”时，又会产生“烧穿”现象。而采用常用的恒速脉冲电弧焊时，脉冲频率较大时其效果等同于恒流焊接，当脉冲频率较小时，峰值电流时背部易产生“烧穿”而基值电流时根部易产生未焊透现象。

发明内容

为了能够解决在满足铜及铜合金焊缝全熔透的前提下、保证薄壁铜管打底焊不出现“烧穿”现象的技术问题，本发明提供了一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法。该方法通过自动行走或旋转脉冲频率和相位与电弧脉冲协调匹配一致时，依据打底焊坡口间隙、焊缝成形需要，选择“空行焊”或“填丝焊”；当选用填丝焊时，设定和调节送丝为脉冲送丝，并调节送丝参数与电弧脉冲和行走脉冲的频率和相位的匹配性和协调性，解决铜及铜合金管子焊接的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法，依据实际管子焊接坡口要素，壁厚、装配间隙和坡口钝边量，通过熔池形态的热-力学数值分析模型和实际管件的焊接试验确定焊接规范参数，包括脉冲峰值电流、脉冲延迟时间，保证峰值电流的电弧能量超过临界熔透电弧能量，从而达到根部熔透效果；同时通过工艺试验确定焊接电流脉冲幅比和脉宽比、基值电流时的行走或旋转速度和行走或旋转时间，达到平均电弧能量低于临界烧穿电流，保证根部不烧穿。通过微机调节和控制，达到自动行走或旋转脉冲、自动送丝脉冲的频率和相位与电弧脉冲协调一致性，熔池形状变化规律稳定可控，从而获得正面和根部焊缝熔透并成形良好的焊缝；

包括如下步骤：

1）针对管子壁厚、直径及坡口要素，包括坡口钝边量和坡口装配间隙，依据熔池形态的热-力学数值分析模型和焊接工艺参数试验，初步确定临界熔透电弧能量和临界烧穿电弧能量。

2）设置焊接电参数，包括电弧峰值电流、电弧基值电流、脉冲幅比、脉宽比和脉冲频率。

3）设置焊枪行走或旋转参数，包括峰值电流的停留时长、基值电流的旋转速度和旋转时长。

4）焊枪行走或旋转参数与焊接电参数的匹配和优化。

5）对于填丝焊，设置送丝参数包括送丝速度、送丝频率和送丝延迟时间。

6）送丝参数或填丝焊与电参数、焊枪旋转参数的匹配和优化。

7）电弧脉冲复合行走脉冲的打底焊接。

8）电弧脉冲复合恒速行走和恒速送丝填充焊接。

积极效果：由于本发明与恒流氩弧焊或单纯电弧脉冲钨极氩弧焊相比，电弧脉冲复合行走脉冲的焊接具有热输入易于控制、焊缝熔透性好、焊缝成形可控、根部不易烧穿等优点，解决了铜及铜合金这类导热速率大的金属管在较小规范打底焊接时易产生未焊透、较大焊接规范打底焊时易烧穿问题。显著提升铜及铜合金管件焊接质量，降低铜及铜合金管件报废率。适宜作为一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法应用。

附图说明

图1为电弧脉冲复合行走脉冲和送丝脉冲的波形示意图；

图中，A表示电弧电流，Vh表示焊头钨极移动速度，Vs表示送丝速度，T表示时间；

图2为电弧脉冲复合行走脉冲和送丝脉冲的焊接过程示意图；

图中，⑴表示：峰值电流时保证焊缝熔透，钨极保持不动或低速旋转；

⑵表示：电流降至维弧电流，防止烧穿，同时钨极快速移动（旋转）至下一焊点；

⑶表示：钨极移动停止或减速，电流增至峰值，形成新熔池；

⑷表示：形成连续的熔透焊缝；

图3为紫铜管结构及焊接坡口不开坡口图；

图4为焊接设备构成框图；

图5为综合试验装置示意图；

图6为空行焊的电弧脉冲复合行走脉冲打底焊逻辑图；

图中，A：一个焊接周期的开始，一个焊接周期焊接工作从开始到结束（由遥控器控制完成）；

A-B：电弧在起弧之前，程序中保护气体提前送气；

B：电弧以高频方式脉冲起弧；

B-C：旋转延迟；

C：焊头旋转开始，电弧处在峰值电流时，旋转速度为0，电弧处在基值电流时，焊头以一定速度旋转，两者频率、相位相同；

D：焊头旋转至363°，电流衰减开始；

D-E：电流衰减，一般情况下，电流衰减位置在365°-370°位置，在接头处重叠，从而保证焊接成形；

E：焊炬旋转停止；

F：电弧熄弧；

F-G：延后停气时间，防止高温的焊道表面氧化；

G：保护气停止，焊接周期结束。

图7为紫铜管电弧脉冲复合行走填丝焊接逻辑图；

A：一个焊接周期的开始，一个焊接周期焊接工作从开始到结束（由遥控器控制完成）；

A-B：电弧在起弧之前，程序中保护气体提前送气；

B：电弧以高频方式脉冲起弧；

C：电弧达到焊接电流，进入脉冲循环；

C-D：旋转延迟；

D：焊头旋转开始

C-E：送丝延迟；

E：送丝开始；

F：焊接旋转至363°，焊丝回抽，停止送丝，电流衰减开始；

F-G：电流衰减，一般情况下，电流衰减位置在365°-370°位置，在接头处重叠，从而保证焊接成形；

H：焊头旋转停止；

I：电弧熄弧；

I-J：延后停气时间，防止高温的焊道表面氧化；

J：保护气停止，焊接周期结束。

图8为铁白铜管结构及焊接坡口图；

图9为铁白铜管电弧脉冲复合行走脉冲和送丝脉冲打底焊逻辑图；

图中，A：一个焊接周期的开始，一个焊接周期焊接工作从开始到结束（由遥控器控制完成）；

A-B：电弧在起弧之前，程序中保护气体提前送气；

B：电弧以高频方式脉冲起弧，起弧后达到焊接电流，进入脉冲焊接循环；

B-C：送丝、旋转延迟；

C：送丝开始，电弧处在脉冲峰值电流时，以一定速度送丝，电弧处在脉冲基值电流时，送丝速度为0，两者频率、相位相同；

C：焊头旋转开始，电弧处在脉冲峰值电流时，旋转速度为0，电弧处在脉冲基值电流时，焊头以一定速度旋转，两者频率、相位相同；

D：焊接旋转至363°，焊丝回抽，停止送丝，电流衰减开始；

D-E：电流衰减，一般情况下，电流衰减位置在365°-370°位置，在接头处重叠，从而保证焊接成形；

E：焊头旋转停止；

F：电弧熄弧；

F-G：延后停气时间，防止高温的焊道表面氧化；

G：保护气停止，焊接周期结束。

图10铁白铜管电弧脉冲复合恒速行走填充焊接逻辑图；

图中，A：一个焊接周期的开始，一个焊接周期焊接工作从开始到结束（由遥控器控制完成）；

A-B：电弧在起弧之前，程序中保护气体提前送气；

B：电弧以高频方式脉冲起弧；

C：电弧达到焊接电流，进入脉冲循环；

C-D：旋转延迟；

D：焊头旋转开始

C-E：送丝延迟；

E：送丝开始，焊头摆动开始；

F：焊接旋转至363°，焊丝回抽，停止送丝

F-G：电流衰减，一般情况下，电流衰减位置在365°-370°位置，在接头处重叠，从而保证焊接成形；

H：焊头摆动停止，

I：焊头旋转停止；

J：电弧熄弧；

J-K：延后停气时间，防止高温的焊道表面氧化；

K：保护气停止，焊接周期结束。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

据图1、图2所示，一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法，在达到自动行走或旋转脉冲频率和相位与电弧脉冲协调匹配一致的同时，依据打底焊坡口间隙、焊缝成形需要，打底焊选择“空行焊”或“填丝焊”；当选用填丝焊时，需设定和调节送丝为脉冲送丝，并调节送丝参数与电弧脉冲和行走脉冲的频率和相位的匹配性和协调性。

依据根部间隙情况，打底焊可采用脉冲送丝或空行焊。

实施案例1

1.1 待焊管件尺寸

以空调冷水管用薄壁紫铜管对接焊为例，其管材材质为TP2紫铜，管子外径为Φ38mm，壁厚为3mm，焊接位置为5G管道水平固定焊。焊接坡口要素坡口形式和装配间隙见图3所示，不开坡口，间隙0.2mm。

1.2焊接方法

焊接方法为自动TIG焊。打底焊采用TIG电弧脉冲复合行走脉冲，打底焊采用空行焊，不填丝。填充焊采用电弧脉冲+恒速行走和恒速送丝焊。

1.3焊接设备

焊接设备选用的是宝利苏迪焊接技术有限公司的自动TIG 35OPC和自动TIG 600PC电源；送丝机型号为：POLYFIL开放式,机头型号为：MUⅣ128焊头；保护气体为99.999%的氩气，输入焊机的氩气压力为0.4Mpa。焊接设备设备构成框图如图4所示。综合试验装置示意图如图5所示。

1.4 电弧能量计算

选用适用的TIG打底（空行焊）热源模型，综合考虑电弧压力、电磁力、表面张力和体积力以及管道打底焊几何结构和紫铜物理特性，并结合动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程，建立了基于FLUENT软件的管道对接TIG空行打底焊熔池形态的三维数值分析模型。利用该模型对于确定直径、壁厚的紫铜管子对接TIG不填丝（空行焊）打底焊在不同装配间隙条件下的熔池形态进行了数值模拟，结合不同工艺参数条件下的温度场、流场及熔池自由液面形态，分析了不同焊接热输入对熔池形态的影响，结合焊接电参数、焊接行走（旋转）参数试验，最终获得了该薄壁紫铜管对接焊缝的临界熔透和临界烧穿的电弧能量和焊接热输入。见表1。

表1.不同热输入条件下紫铜管对接打底焊（空行焊）熔池形态(Φ38×3 mm)

1.5焊接轨迹程序（焊接参数）

1.5.1打底焊

针对打底焊焊接电参数（焊接峰值电流、焊接基值电流、焊接电流脉宽比、焊接电流脉冲幅比）、旋转参数（峰值电流的停留时长、基值电流的旋转速度和旋转时长）进行设计和焊接参数工艺适应性试验及焊接电参数与旋转参数的匹配设计和工艺试验，以焊缝正、反面成形作为评价依据。最终归纳出各焊接参数对焊缝成形的影响程度，从而确定各主要参数。空行焊的电弧脉冲复合行走脉冲打底焊逻辑图见图6。打底焊焊接参数见表2。

表2、φ38mm×3mm紫铜管典型打底焊规范参数

1.5.2填充焊

针对填充焊接电参数（焊接峰值电流、焊接基值电流、焊接电流脉宽比、焊接电流脉冲幅比）、旋转参数（旋转速度）、送丝参数进行设计和焊接参数工艺适应性试验，以填充焊缝成形作为评价依据。最终归纳出各参数对焊缝成形的影响程度，从而确定各主要参数的范围。紫铜管电弧脉冲复合行走填丝焊接逻辑图如图7所示。填充焊规范参数见表3。

表3 φ38mm×3mm紫铜管典型填充焊规范参数

实施案例2

2.1待焊管件尺寸

以铁白铜管对接焊为例，其管材材质为BFe10-1-1，管子外径为Φ114mm,壁厚为7mm，焊接位置为5G。焊接坡口要素，坡口形式和装配间隙如铁白铜管结构及焊接坡口图8所示，Y形坡口，间隙0.5mm，底高1.5mm，倾角60°。

2.2焊接方法

焊接方法为自动TIG焊。打底焊焊接方法为电弧脉冲复合行走脉冲和脉冲送丝，根据坡口间隙大小和反面成形情况，打底焊采用填丝焊，间隙较小时也可采用“空行”焊，本案例采用复合脉冲送丝焊。填充焊采用脉冲电弧复合恒速行走焊接和恒速送丝焊。

2.3焊接设备

焊接设备及综合试验装置与实施案例1的1.3条相同。

2.4 电弧能量计算

选用适用于TIG打底（填充焊）热源模型，综合考虑电弧压力、电磁力、表面张力和体积力以及管道打底焊几何结构及铁白铜材料物理特性，并结合动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程，建立了基于FLUENT软件的管道对接TIG填丝打底焊熔池形态的三维数值分析模型。利用该模型对于确定直径、壁厚的紫铜管子对接TIG填丝打底焊在不同装配间隙条件下的熔池形态进行了数值模拟，结合不同工艺参数条件下的温度场、流场及熔池自由液面形态，分析了不同焊接热输入对熔池形态的影响，结合焊接电参数、焊接行走（旋转）参数试验，最终获得了特定直径和壁厚的铁白铜坡口焊对接打底焊缝的临界熔透和临界烧穿的电弧能量和焊接热输入。见表4。

表4.不同热输入条件下铁白铜管对接打底焊（填丝焊）熔池形态(规格Φ114×7mm)

2.5焊接轨迹程序（焊接参数）

2.5.1打底焊

针对打底焊焊接电参数（焊接峰值电流、焊接基值电流、焊接电流脉宽比、焊接电流脉冲幅比）、旋转参数（峰值电流的停留时长、基值电流的旋转速度和旋转时长）、送丝参数（峰值电流的送丝速度、基值电流的送丝速度）进行设计和焊接参数工艺适应性试验及焊接电参数与旋转参数、送丝参数的匹配设计和工

艺试验，以打底焊缝正、反面成形作为评价依据。最终归纳出各焊接参数对焊缝成形的影响程度，从而确定主要参数。铁白铜管电弧脉冲复合行走脉冲和送丝脉冲打底焊逻辑图如图9所示。填充打底焊焊接参数见表5。

表5 φ114mm×7mm铁白铜管典型打底焊规范参数

2.5.2填充焊

针对坡口填充焊接电参数（焊接峰值电流、焊接基值电流、焊接电流脉宽比、焊接电流脉冲幅比）、旋转参数（旋转速度）、送丝参数（送丝速度）进行设计和焊接参数工艺适应性试验，以坡口填充焊缝成形作为评价依据。最终归纳出各参数对焊缝成形的影响程度，从而确定铁白铜管的填充焊各主要参数。铁白铜管电弧脉冲复合恒速行走填充焊接逻辑图如图10所示。填充焊规范参数见表6。

表6 φ114mm×7mm铁白铜管典型填充焊规范参数

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法，其特征是：依据实际管子焊接坡口要素，壁厚、装配间隙和坡口钝边量，通过熔池形态的热-力学数值分析模型和实际管件的焊接试验确定焊接规范参数，包括脉冲峰值电流、脉冲延迟时间，保证峰值电流的电弧能量超过临界熔透电弧能量，从而达到根部熔透效果；同时通过工艺试验确定焊接电流脉冲幅比和脉宽比、基值电流时的行走或旋转速度和行走或旋转时间，达到平均电弧能量低于临界烧穿电流，保证根部不烧穿，通过微机调节和控制，达到自动行走或旋转脉冲、自动送丝脉冲的频率和相位与电弧脉冲协调一致性，熔池形状变化规律稳定可控，从而获得正面和根部焊缝熔透并成形良好的焊缝；

包括如下步骤：

针对管子壁厚、直径及坡口要素，包括坡口钝边量和坡口装配间隙，依据熔池形态的热-力学数值分析模型和焊接工艺参数试验，初步确定临界熔透电弧能量和临界烧穿电弧能量；

设置焊接电参数，包括电弧峰值电流、电弧基值电流、脉冲幅比、脉宽比和脉冲频率；

设置焊枪行走或旋转参数，包括峰值电流的停留时长、基值电流的旋转速度和旋转时长；

焊枪行走或旋转参数与焊接电参数的匹配和优化；

对于填丝焊，设置送丝参数包括送丝速度、送丝频率和送丝延迟时间；

送丝参数或填丝焊与电参数、焊枪旋转参数的匹配和优化；

电弧脉冲复合行走脉冲的打底焊接；

电弧脉冲复合恒速行走和恒速送丝填充焊接。

2.根据权利要求1所述的一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法，其特征是：

在达到自动行走或旋转脉冲频率和相位与电弧脉冲协调匹配一致的同时，依据打底焊坡口间隙、焊缝成形需要，打底焊选择“空行焊”或“填丝焊”；当选用填丝焊时，需设定和调节送丝为脉冲送丝，并调节送丝参数与电弧脉冲和行走脉冲的频率和相位的匹配性和协调性。

3.根据权利要求1所述的一种电弧脉冲复合行走脉冲的铜及铜合金管子焊接方法，其特征是：

依据根部间隙情况，打底焊可采用脉冲送丝或空行焊。

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