CN114734121B - 一种熔滴形态主动控制及过渡的装置和方法 - Google Patents

一种熔滴形态主动控制及过渡的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种熔滴形态主动控制及过渡的装置和方法，属于焊接/增材中热质控制领域。在增材过程中，在焊枪枪头前添加拉丝机构，拉丝机构内含有压丝机构，把丝材轧制成预制糖葫芦形态，并结合电流脉冲配合熔滴过渡，形成熔滴形态和过渡可塑控制的方法。且此方法能适应与多种工作环境，实现熔滴物态、形态、质量和热量的按需调控，提升增材精度和生产效率。

Description

一种熔滴形态主动控制及过渡的装置和方法
技术领域
本发明属于焊接/增材中热质控制领域，尤其涉及一种熔滴形态主动控制及过渡的装置和方法。
背景技术
熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding，GMAW)是移植于增材领域最常见的方法之一，但是传统的GMAW已经难以适应大型尺寸高精度增材的应用需求，特别是薄壁零件的三维立体成形。理想的电弧增材应该是既可以按需精密控制焊接热输入(传热问题)同时又可以实现按需且稳定的传质过程，即熔滴过渡。
传统GMAW焊接/增材过程传热和传质是相互耦合的，熔滴过渡行为主要由弧长和焊接电流大小决定，全焊缝形态主要靠行走速度、传质速度以及热输入。对于增材而言，随着沉积层高度的增加，热散失也逐渐由向基板的热传导转向向空气的热对流，热积累严重。如想保证沉积层成形的一致性，必须降低热输入和行走速度，从而影响沉积效率；即传统GMAW用于增材难以兼容效率和精度。熔滴作为增材制造过程中最微小的单元，其形态受热输入等焊接参数的影响，其过渡行为主要由弧长和焊接电流大小决定，如无飞溅的细颗粒过渡乃至射滴过渡需要较高的焊接电流，在低电流下只能是短路过渡或大滴过渡，飞溅大，电弧稳定性欠佳。即便是在脉冲GMAW中也要求峰值电流高于喷射过渡临界电流以保证一脉一滴过渡。要实现增材效率和精度兼容，必须找到一种简单可靠的方式保证熔滴形态的一致性以及过渡频率和方式的可调性，从而保证用于沉积层堆积最小单元的可塑性。
本发明基于一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，用于焊接/增材中熔滴的提前预制和辅助过渡。根据前期大量试验及经验表明，熔滴脱落主要受电磁收缩力的影响，一般在缩颈处促进熔滴脱落的力最大；所以本发明中经过焊接枪柄前端拉丝机构对丝材进行滚轮压丝/送丝、对齿轮挤压后形成规则的连续的类球状体，此球状体即为用于传输的熔滴；由于对齿轮的形状预制，连接两个熔滴的丝材为直径最小处，在丝材传输到此处时施以脉冲电流，受到强大电磁力后易于切断；以上过程连续用于焊接/增材，可以实现传热和传质过渡的可塑控制。
本发明一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，实现熔滴形态预制、过渡以及控制方法，设备简单、控制精准、熔滴形态均匀且一致性好，能够成形精度和尺寸良好的焊缝和沉积层，改善当前电弧增材中热质传输控制问题，可以极大地提高焊接/增材的生产效率，实现高质、高效焊接。
发明内容
本发明目的在于弥补增材过程中熔滴热质与形态不可按需调控的现状，提出一种熔滴形态主动控制及过渡的方法。在增材过程中，在焊枪枪头前添加拉丝机构，拉丝机构内含有对齿压丝机构，把丝材轧制成预制形态，并结合电流脉冲配合熔滴过渡，形成熔滴形态和过渡可塑控制的方法。且此方法能适应与多种工作环境，实现熔滴物态、形态、质量和热量的按需调控，提升增材精度和生产效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种熔滴形态主动控制及过渡的装置，所述的装置为焊枪整体机构，包括：拉丝机构(2)、导电机构和枪柄(20)，其中拉丝机构(2)包括主动轮(9)、滚动送丝轮(10)、焊丝形态预制的压丝轮(12)，导电机构包括导电喷嘴(6)、导电弹片(7)和导电触点(8)；
在枪柄(20)的上端口处设有拉丝机构(2)，在枪柄(20)的下端口处设有导电喷嘴(6)，在导电喷嘴(6)外侧相对的两侧设有相对的一对导电弹片(7)，导电弹片(7)的下端设有向导电喷嘴(6)中心线凸起的导电触点(8)，导电触点(8)位于导电喷嘴(6)下端口下方；
其中拉丝机构(2)中的主动轮(9)的一侧外匹配啮合一个滚动送丝轮(10)，另一侧外匹配啮合一个压丝轮(12)；同时滚动送丝轮(10)还匹配啮合一个送丝从动轮(11)；压丝轮(12)还匹配啮合一个压丝从动轮(13)；滚动送丝轮(10)和送丝从动轮(11)均为：轴长方向的一端通过外侧凸起的齿进行啮合，轴长方向的剩下部分或另一端为两个轮之间用于输送丝材，丝材的长度方向为输送方向，同时丝材的长度方向垂直滚动送丝轮(10)和送丝从动轮(11)的轴长方向；
压丝轮(12)和压丝从动轮(13)均为：轴长方向的一端通过外侧凸起的齿进行啮合，轴长方向的剩下部分为两个轮之间用于输送丝材同时压制丝材，丝材位于两个轮之间；使得丝材压制成多个球形或类球形结构连接成的糖葫芦式的丝材，丝材的长度方向为输送方向，同时丝材的长度方向垂直压丝轮(12)和压丝从动轮(13)的轴长方向；压丝轮(12)轴长方向的剩下部分和压丝从动轮(13)轴长方向的剩下部分与丝材接触的一圈外周也设有凸起的压齿，压齿的长度方向与对应所在的压丝轮(12)或压丝从动轮(13)的轴长方向一致，同时每个压齿在与丝材接触处的位置分别设有一个凹槽即为丝材形态预制口(19)；在压丝轮(12)或压丝从动轮(13)转动过程中，压丝轮(12)上的压齿和压丝从动轮(13)上的压齿一对一的对应相对；
压丝轮(12)和压丝从动轮(13)压制出来的糖葫芦式的丝材被直接导入输送至枪柄(20)中并直到导电喷嘴(6)；导电触点(8)在导电弹片(7)的作用下一直接触糖葫芦式的丝材，包括接触缩颈和扩径。
本发明还提供一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，包括以下步骤：
(1)预先根据焊丝直径，选择滚动送丝轮(10)和对应的送丝从动轮(11)；
(2)根据焊丝直径和预需求熔滴大小、形状选择或设置压丝轮(12)和压丝从动轮(13)，并设置两者之间的间距，同时设置压丝轮(12)上压齿的间距、丝材形态预制口(19)的大小；
(3)焊前准备工作；首先，将挤压后形成连续球状体的焊丝即糖葫芦式的丝材送出导电喷嘴，并调节导电弹片使导电触点与焊丝紧密接触；
(4)除根据焊丝直径匹配基值电流外，还匹配脉冲电流；脉冲电流根据制压丝球与球之间的间距、送丝速度，计算单熔滴即每一个球对应一个熔滴通过导电触点时间，即连续两个缩颈通过导电触点的时间，匹配脉冲序列，使得导电触点(8)接触缩颈时瞬间释放脉冲电流对应的峰值，在导电触点(8)与球状体接触时，脉冲电流处于基值；
(5)根据匹配好的参数进行焊接/增材，为保证与导电触点接触的焊丝为固态，预设的基值电流应满足电弧持续存在的同时不宜过大，在正常焊接/增材阶段，预设熔滴的尖端会在较小的基值电流下能熔化即可，随着焊接的推移，丝材与导电触点的接触位置实施更新，待接触点离开缩颈部位时施加电流脉冲，使得预制的熔滴在电阻热和电磁收缩力的综合作用下脱落；
(6)以此循环形成预设的焊道或沉积层形貌。
为确保焊丝(17)经过形态预制的压丝机构后能够形成大小形状相近的类熔滴，本发明根据焊丝(17)直径以及电流脉冲频率选择不同的压丝轮(12)，压丝轮上配备类熔滴形态的丝材形态预制口(19)。在焊接和增材中，根据沉积层热质的需求选择相应的焊丝和熔滴形态预制的压丝轮，匹配相应的电流脉冲；在导电触点与球状体接触时，电流处于基值；导电触点离开缩颈的瞬间释放电流脉冲，利用电磁收缩力和电阻热丝，使得熔滴在预制的缩颈处脱落；基于以上步骤形成热质力按需调控的焊接和增材方法。
本发明的一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，用于焊接/增材过程中熔滴形态的预制以及熔滴脱落的主动控制；整个方法中包括脉冲幅值和占空比可调的热源、送丝机、本发明中的拉丝机构、本发明中的导电触点等，根据熔滴形态预制的对齿压丝机构、送丝速度、电流脉冲的协调配合，保证焊接/增材中最小单元的熔滴过渡的一致性和稳定性。该方法可主动调控热源传质的形态和物态，优化焊接/增材中传质的过渡过程，提高增材的控形能力和成形效率。
与现有技术相比，本发明方法的优点如下：
1、与传统熔化极焊接/增材方法相比，本发明可以提高熔滴形态和物态的一致性、提高熔滴过渡的稳定性；最显著的特征是熔滴形态可以通过对齿压丝机构进行调节，实现熔滴形态的主动控制和预制。
2、与传统熔化极焊接/增材方法相比，本发明能够实现焊接/增材过程中最小传质单元(熔滴)的主动控制和过渡的稳定性；弹片的导电触点能够保证丝材的导电位置，施加脉冲时可以通过理论得到易脱落的位置，以此保证熔滴过渡的一致性和稳定性。
3、本发明中的熔滴形态主动控制及过渡的方法，通过拉丝机构预制熔滴形态，根据熔滴形态和送丝速度匹配基值和峰值电流的占空比和幅值；导电弹片保证形态不连续的丝材与导电喷嘴始终接触，以此控制熔滴过渡的一致性和稳定性；以上两者的优势可以实现焊接/增材中传质单元(熔滴)形态和物态的主动控制，从而保证焊道成形的精度，以提高焊接的成形质量、增材成形精度和效率。
附图说明
图1是本焊接/增材中熔滴过渡控制方法的焊接过程示意图。
图2是本焊接/增材中熔滴过渡控制方法拉丝机构的局部放大图。
其中T1和T2分别代表焊接/增材过程中，熔滴和触点接触的不同时刻。
图中：1、焊枪整体机构，2、拉丝机构，3、熔滴过渡过程，4、基材，5、沉积层，6、导电喷嘴，7、导电弹片，8、导电触点，9、主动轮，10、送丝轮，11、送丝从动轮，12、压丝轮，13、压丝从动轮，14、保护罩，15、熔滴，16、正在挤压的丝材，17、焊丝，18、挤压后形成连续球状体的焊丝，19、丝材形态预制口，20、枪柄。
具体实施方式
以下参考附图具体地说明本发明实施方式，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，包括：由主动轮9、滚动送丝轮10、焊丝形态预制的压丝轮12等组成的拉丝机构2；由导电喷嘴6、导电弹片7和导电触点8组成的导电机构；由导电机构、拉丝机构2以及枪柄组成的焊枪整体机构1。拉丝机构2可以实现熔滴形态的预制，导电机构可以实现形态非连续的丝材始终接触，焊枪整体机构可以保证送丝顺畅和过程稳定。
本发明还提供一种熔滴形态主动控制及过渡的方法，包括以下步骤：
(1)根据所选的丝材直径和预想熔滴的形态，选择滚动送丝轮和对齿压丝轮；
(2)根据预制熔滴的形态配备弹力适中的导电弹片(弹簧压片)，保证导电触点与形态非连续的丝材始终接触；
(3)根据送丝速度与预制的熔滴形态，匹配焊接过程中的基值电流和峰值电流，以及其的占空比；
(4)根据预设焊接参数，观察预制的熔滴是否熔化，如不是：
进一步，重新匹配步骤(3)中的基值电流，使得焊接过程中熔滴周边处于液体状态，易于与基板浸润；在观察熔滴脱落是否在预制熔滴的缩颈处，如不是：
进一步，重新匹配步骤(3)中的峰值电流的幅值和占空比，使得在电阻热和电磁力等的综合作用下，熔滴脱落在缩颈处。
以此重复上述步骤，保证焊接/增材过程中熔滴脱落的一致性和稳定性，实现焊缝形成尺寸以及增材零件成型的精度控制。
实施例1：
首先，将焊前工作准备就绪，确定丝材直径，根据焊丝直径匹配相应的滚动送丝轮，根据预想的熔滴尺寸匹配相应的对齿压丝轮，调节丝材使得丝材经过拉丝机构2；在丝材接近导电喷嘴6时，调节导电弹片7的力度，使得挤压后形成连续球状体的焊丝18顺利通过导电弹片片，并保证非连续形态的丝材与导电触点8始终接触；安装保护罩14，并调节焊枪整体机构1与基材4的角度。为保证丝材熔滴在预制的缩颈处脱落，需根据预设熔滴尺寸、送丝速度匹配基值电流和峰值电流的占空比和幅值；如熔滴脱落或熔滴过渡不稳定，根据实施步骤重新调节。焊前准备工作就绪后，确保电源及其他必需的气路和水路正确连接，保护气正常送气。按照正常焊接/增材要求开启电源，形成大小一致、过渡均匀的熔滴15，并与基板接触形成预想的焊道或沉积层5。
如图1和2所示为一种熔滴形态主动控制及过渡的方法的装置图。本发明可以实现熔滴形态预制、过渡以及稳定性控制的方法，设备简单、控制精准、熔滴形态均匀且一致性好，能够成形精度和尺寸良好的焊缝和沉积层，改善当前电弧增材中热质传输控制问题，可以极大地提高焊接/增材的生产效率，实现高质、高效焊接/增材。

Claims (2)

1.一种熔滴形态主动控制及过渡的装置，其特征在于，所述的装置为焊枪整体机构(1)，包括：拉丝机构(2)、导电机构和枪柄(20)，其中拉丝机构(2)包括主动轮(9)、滚动送丝轮(10)、焊丝形态预制的压丝轮(12)，导电机构包括导电喷嘴(6)、导电弹片(7)和导电触点(8)；
在枪柄(20)的上端口处设有拉丝机构(2)，在枪柄(20)的下端口处设有导电喷嘴(6)，在导电喷嘴(6)外侧相对的两侧设有相对的一对导电弹片(7)，导电弹片(7)的下端设有向导电喷嘴(6)中心线凸起的导电触点(8)，导电触点(8)位于导电喷嘴(6)下端口下方；
其中拉丝机构(2)中的主动轮(9)的一侧外匹配啮合一个送丝轮(10)，另一侧外匹配啮合一个压丝轮(12)；同时送丝轮(10)还匹配啮合一个送丝从动轮(11)；压丝轮(12)还匹配啮合一个压丝从动轮(13)；送丝轮(10)和送丝从动轮(11)均为：轴长方向的一端通过外侧凸起的齿进行啮合，轴长方向的剩下部分或另一端的两个轮之间用于输送丝材，丝材的长度方向为输送方向，同时丝材的长度方向垂直送丝轮(10)和送丝从动轮(11)的轴长方向；
压丝轮(12)和压丝从动轮(13)均为：轴长方向的一端通过外侧凸起的齿进行啮合，轴长方向的剩下部分的两个轮之间用于输送丝材同时压制丝材，丝材位于两个轮之间；使得丝材压制成多个球形或类球形结构连接成的糖葫芦式的丝材，丝材的长度方向为输送方向，同时丝材的长度方向垂直压丝轮(12)和压丝从动轮(13)的轴长方向；压丝轮(12)轴长方向的剩下部分和压丝从动轮(13)轴长方向的剩下部分与丝材接触的一圈外周也设有凸起的压齿，压齿的长度方向与对应所在的压丝轮(12)或压丝从动轮(13)的轴长方向一致，同时每个压齿在与丝材接触处的位置分别设有一个凹槽即为丝材形态预制口(19)；在压丝轮(12)或压丝从动轮(13)转动过程中，压丝轮(12)上的压齿和压丝从动轮(13)上的压齿一对一的对应相对；
压丝轮(12)和压丝从动轮(13)压制出来的糖葫芦式的丝材被直接导入输送至枪柄(20)中并直到导电喷嘴(6)；导电触点(8)在导电弹片(7)的作用下一直接触糖葫芦式的丝材，包括接触缩颈和扩径。
2.采用权利要求1所述的装置进行熔滴形态主动控制及过渡的方法，包括以下步骤：
(1)预先根据焊丝直径，选择滚动送丝轮(10)和对应的送丝从动轮(11)；
(2)根据焊丝直径和欲需求熔滴大小、形状选择或设置压丝轮(12)和压丝从动轮(13)，并设置两者之间的间距，同时设置压丝轮(12)上压齿的间距、丝材形态预制口(19)的大小；
(3)焊前准备工作；首先，将挤压后形成连续球状体的焊丝即糖葫芦式的丝材送出导电嘴，并调节弹簧压片使触点与焊丝紧密接触；
(4)除根据焊丝直径匹配基值电流外，还匹配脉冲电流；脉冲电流根据丝材压制的球与球之间的间距、送丝速度，计算单熔滴即每一个球对应一个熔滴通过导电触点时间，即连续两个缩颈通过触点的时间，匹配脉冲序列，使得导电触点(8)接触缩颈时瞬间释放脉冲电流对应的峰值，在导电触点(8)与球状体接触时，脉冲电流处于基值；
(5)根据匹配好的参数进行焊接/增材，为保证与触点接触的焊丝为固态，预设的基值电流应满足电弧持续存在的同时不宜过大，在正常焊接/增材阶段，预设熔滴的尖端会在较小的基值电流下能熔化即可，随着焊接的推移，丝材与弹片触点的接触位置实时更新，待接触点离开缩颈部位时施加电流脉冲，使得预制的熔滴在电阻热和电磁收缩力的综合作用下脱落；
(6)以此循环形成预设的焊道或沉积层形貌。
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