CN115846877A - 工件焊接方法及焊接结构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工件焊接方法和焊接结构件，该工件焊接方法包括：安放第一连接件和第二连接件，使其对接设置；采用加热元件在焊缝位置对坡口根部进行加热；采用焊枪跟随加热元件进行打底焊接；打底焊接时焊枪的电流为周期性电流，周期性电流的电流高值为I1，电流低值为I2，I1大于I2，I2大于0，且熔池与加热元件的加热位置之间的距离大于0。本发明的工件焊接方法中，针对大间隙工件，采用加热元件对工件先进行预热，并采用周期性电流进行焊接，在预热与焊枪的周期性电流的配合下，即使周期性电流的电流低值较小，仍然能保证后续焊接过程中的侧壁熔深，又能避免热量过多而出现焊漏，从而使得在大间隙情况下，能够实现良好连接。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种工件焊接方法及焊接结构件。
背景技术
在工程机械结构等机械结构中，针对封闭式箱形结构存在的来料一致性差，出现的拼装间隙大(有时候间隙在2mm以上)。在常规的GMAW(gas metal arc melding，熔化极气体保护焊)焊接中，在大间隙(2mm以上)情况下，由于GMAW的焊丝直径为0.8-1.6mm，容易出现焊漏难连接的情况。尤其是在大间隙下，人工焊接时，容易出现焊瘤、焊漏等问题，焊瘤、焊漏等问题需要人工进行不断的修磨、补焊并检查，这样使得焊接的工序非常多，且质量不稳定，结构风险大。
一种焊接方法中，采用高低电弧焊对工件进行焊接，即焊接电流为高低电流交替进行焊接。然而，高低电弧焊的低电弧的电流值的确定难以控制，这是由于在低电弧焊接阶段，如果电流过高极易发生焊漏，如果电流过低则会导致熔深不够，因此焊接质量难以保证。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种焊接效果较好的工件焊接方法及焊接结构件。
本发明提供一种工件焊接方法，包括：
安放第一连接件和第二连接件，使所述第一连接件和所述第二连接件对接设置；
采用加热元件在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件和/或所述第二连接件的坡口根部进行加热；
采用焊枪跟随所述加热元件在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件和所述第二连接件进行打底焊接；
其中，打底焊接时所述焊枪的电流为周期性电流，所述周期性电流的电流高值为I1，电流低值为I2，I1大于I2，I2大于0，打底焊接时的熔池与所述加热元件的加热位置之间的距离大于0。
在一实施例中，所述加热元件包括激光加热元件，所述加热元件和所述焊枪(33)的光丝距离Dla为：30mm≤Dla≤100mm。
在一实施例中，在所述第一连接件和所述第二连接件所在平面上，且垂直于焊缝方向的方向上，所述加热元件摆动；其中，所述加热元件的摆动直径与所述坡口根部的间隙正相关。
在一实施例中，在平焊或立焊中，所述加热元件的摆动直径D1需满足：D1≥2Dlp+x+(2-4)mm，在横焊中，所述加热元件的摆动直径需满足：D1-x/2≥2Dlp+(1-2)mm，其中，x为坡口根部间隙，Dlp为所述加热元件中心与坡口根部间隙中心之间的距离值。
在一实施例中，在所述打底焊接中，所述加热元件将坡口根部温度y加热至大于等于25℃并小于等于600℃。
在一实施例中，在所述打底焊接中，坡口根部温度y与以下至少一项参数正相关：所述坡口根部间隙x、目标材料强度x1；其中，所述坡口根部间隙x为所述坡口根部的间隙，所述目标材料强度x1为所述第一连接件和所述第二连接件的屈服强度中的较高。
在一实施例中，所述坡口根部温度y与所述坡口根部间隙x的关系应满足：y≥a×ebx，其中a≥1，0<b<1，e为自然常数，0<x≤4，且当x＝0时，y≥25℃，所述坡口根部温度y的单位为℃，所述坡口根部间隙x的单位为mm。
在一实施例中，所述坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系应满足：
其中，0<a1<1，-1<b1<0，c1>0，235≤x1≤1100，所述目标材料强度x1的单位为MPa，所述坡口根部温度y的单位为℃。
在一实施例中，在所述打底焊接中，所述电流低值I2与所述电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙正相关，其中，坡口根部间隙为所述坡口根部的间隙。
在一实施例中，所述电流低值I2和所述电流高值I1的比值I2/I1与所述坡口根部间隙x的关系应满足：y2＝I2/I1＝a2x2+b2x+c2，其中，a2、b2、c2均为经验值，0＜a2＜1，-1＜b2＜0，-1＜c2＜0；1≤x≤4。
在一实施例中，在周期性的直流电流的每个周期内，所述电流高值I1的时间为t2-t1，所述电流低值I2的时间为t4-t3，由所述电流高值I1切换为所述电流低值I2的时间为t3-t2，由所述电流低值I2切换为所述电流高值I1的时间为t5-t4，t1～t5为一个周期；在所述打底焊接中，根据坡口根部间隙x确定所述电流低值I2的时间与所述电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)，且所述电流低值I2的时间与所述电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与所述第一连接件(11)与所述第二连接件(13)之间的所述坡口根部间隙x正相关，其中，坡口根部间隙为所述坡口根部的间隙。
在一实施例中，在所述打底焊接中，还包括：采用传感器在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件和所述第二连接件的坡口根部间隙进行跟踪，并根据跟踪结果控制所述加热元件和所述焊枪的行走路径，所述传感器与焊枪的所述焊枪的电弧中心之间的距离为50～200mm；在所述打底焊接中，还包括：采用所述传感器获取坡口根部间隙大小、坡口和板厚信息，并根据适时的间隙大小、坡口和板厚信息控制所述加热元件和所述焊枪的工作参数。
本发明还提供一种焊接结构件，包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和所述第二连接件采用上述工件焊接方法焊接在一起。
本发明实施例提供的工件焊接方法及焊接结构件中，针对大间隙工件，采用加热元件对工件先进行预热，并采用焊枪周期性电流进行焊接，在预热与焊枪的周期性电流的配合下，即使周期性直流电流的电流低值较小，仍然能保证后续焊接过程中的熔深，又能避免热量过多而出现焊漏，从而使电流低值较易确定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一实施例的工件焊接方法的流程图。
图2为图1中工件焊接设备对第一连接钢件和第二连接钢件进行焊接的主视结构示意图。
图3为图1中工件焊接设备对第一连接钢件和第二连接钢件进行焊接的俯视结构示意图。
图4为图1中大间隙工件焊接的电流波形图。
图5为图1中工件焊接设备对第一连接钢件和第二连接钢件进行焊接的侧视结构示意图。
图6为坡口根部温度y与坡口根部间隙x的关系曲线图。
图7为坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系曲线图。
图8为图4中焊枪的电流低值I2和电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙x的关系曲线图。
图9为图4中焊枪的电流低值I2时间t4-t3和电流高值I1时间t2-t1的比值(t4-t3)/(t2-t1)与坡口根部间隙x的关系曲线图。
图10(a)为利用本发明的工件焊接设备焊接后的焊缝的正面图片。
图10(b)为利用本发明的工件焊接设备焊接后的焊缝的背面图片。
图10(c)为利用本发明的工件焊接设备焊接后的焊缝的剖面图片。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的特定实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的描述，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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是为了区别属性类似的元件，而不是指示或暗示相对的重要性或者特定的顺序。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体，意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
相对于低强度钢，高强钢的碳当量较大，对焊接的热输入和冷却时间敏感程度也增加。
请参照图1，本发明一实施例中提供的工件焊接方法，包括以下步骤：
S11，请参照图2和图3，安放第一连接件11和第二连接件13，使第一连接件11和第二连接件13对接设置；
S13，采用加热激光31在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和/或第二连接件13的坡口根部进行加热；
S14，采用焊枪33跟随加热激光31在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和第二连接件13进行打底焊接。请参照图4，打底焊接时控制焊枪33的电流为周期性电流，电流高值为I1，电流低值为I2，I1大于I2，I2大于0，且打底焊接时的熔池与加热元件的加热位置之间的距离大于0。具体地，周期性电流可为直流电流。
本实施例中，光丝距离Dla约为：30mm≤Dla≤100mm(毫米)。具体地，光丝距离Dla为加热激光31的激光中心到焊枪33的焊丝的延长线与第一连接件11或第二连接件13的相交处中点的距离。光丝距离Dla为30～100mm，可使得加热激光和焊丝电弧不会共熔池，这样可使加热元件与焊枪间隔较远的距离，使加热元件和焊枪电弧不会共熔池，可对工件预先加热到合适的温度，能够保证后续焊接过程中的熔深，又能避免热量过多而出现焊漏(如共熔池，将会极易焊漏，在大间隙下很难实现合格的连接)，从而能获得良好的焊接质量。
本实施例中，在步骤S11中，请参照图5，在第一连接件11和第二连接件13对接时形成坡口，坡口根部间隙x为坡口根部的间隙，在本实施例工件焊接方法可适应于坡口根部间隙x为1～4mm甚至更大的情况，因此本实施例尤其适应于大间隙工件的焊接。
本实施例中，在步骤S11中，在第一连接件11和第二连接件13对接后，还采用点焊将第一连接件11和第二连接件13连接起来，或者通过工装将第一连接件11和第二连接件13箍紧。可以理解，第一连接件11和第二连接件13对接后形成坡口，形成的坡口可以是V形坡口、Y形坡口、单边V形坡口、单边Y形坡口等。
本实施例中，在步骤S13中，在第一连接件11和第二连接件13所在平面上，且垂直于焊缝方向的方向上，加热激光31高速摆动。具体地，加热激光31的摆动方式可以是“一”字型、“◎”、“○”、“●”、“△”、“8”或“∞”等。加热激光31的摆动直径为D1。具体地，加热激光31产生的热量与加热激光31的移动速度、功率相关，因此，可根据需要的热量设定加热激光31的移动速度和功率。具体地，加热激光31的摆动直径与坡口根部间隙x正相关，也就是说，坡口根部间隙x越大，则加热激光31的摆动直径越大。
具体地，加热激光31中心与坡口根部间隙中心之间的距离Dlp可为0-2mm。也就是说，在垂直于焊缝方向的方向上，加热激光31的中心可偏离坡口根部间隙中心一定距离，即加热激光31的中心并不一定要与坡口根部间隙中心重合，当然也可重合。
具体地，在平焊或立焊中，加热激光31的摆动直径D1需满足：D1≥2Dlp+x+(2-4)mm，x为坡口根部间隙。在横焊中，加热激光31的摆动直径需满足：D1-x/2≥2Dlp+(1-2)mm，x为坡口根部间隙。也就是说，平焊或立焊时，激光扫描的位置覆盖第一连接件11和第二连接件13的根部两侧，且需要覆盖边缘至少1-2mm，从而确保板材根部能够被加热。横焊时，激光扫描的位置覆盖位于上方的第一连接件11或第二连接件13的根部，且覆盖位于上方的第一连接件11或第二连接件13的边缘至少1-2mm，从而确保板材根部能够被加热。其中，平焊时，焊缝处于水平位置，且焊接板材处于水平面；立焊时，焊缝处于垂直位置，且焊接板材垂直于水平面；横焊时，焊缝处于水平位置，且焊接板材垂直于水平面。
本实施例中，在步骤S13中，加热激光31将坡口根部温度y加热至大于等于25℃并小于等于600℃。
本实施例中，坡口根部最低温度y与以下至少一项参数正相关：坡口根部间隙x、目标材料强度x1，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，则坡口根部温度y越高，目标材料强度x1越高，坡口根部温度y越高。具体在本实施例中，坡口根部温度y与坡口根部间隙x、目标材料强度x1均正相关。可以理解，也可采用火焰、电弧等方式代替加热激光31进行加热，当然，激光加热由于激光的非接触性、单色性、集中性等优点，使得激光加热位置和加热温度精准可控，因此优选激光进行加热。其中，目标材料强度x1为第一连接件11和第二连接件13的屈服强度中的较高值，当第一连接件11和第二连接件13的屈服强度相同时，第一连接件11和第二连接件13的屈服强度中的较高值为第一连接件11和第二连接件13的屈服强度中的任意一个。
具体地，为了使预热位置达到合适的温度，从而达到良好的焊接效果，坡口根部温度y与坡口根部间隙x的关系应满足：y≥a×ebx，其中a≥1，0<b<1，e为自然常数，0<x≤4，且当x＝0时，y≥25℃，坡口根部温度y的单位为℃，坡口根部间隙x的单位为mm(毫米)。请参照图6，为坡口根部温度y与坡口根部间隙x的关系曲线图。当不进行激光加热时，为了实现无衬垫的自由成形，对电弧的热输入必须进行精确控制，势必电流偏小，这将导致一般电弧热输入容易偏小，从而易导致侧壁熔合的熔深不够，造成焊接接头抗拉强度偏低，无法满足使用要求，根据本实施例对激光加热的温度的控制可实现在无衬垫的情况下保证侧壁熔合的熔深足够，保证焊接接头的抗拉强度，满足使用要求。
具体地，为了使预热位置达到合适的温度，从而达到良好的焊接效果，坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系应满足：
其中，0<a1<1，-1<b1<0，c1>0，235≤x1≤1100目标材料强度x1的单位为MPa，坡口根部温度y的单位为℃。请参照图7，为坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系曲线图。焊接材料的强度越高，其对温度越敏感，当较高强度的材料作为焊接件时，对焊缝接头的要求更高，因此更需要保证根部充分熔合，熔深达到一定的深度，通过上述坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系式可很好地保证这一点。进一步地，当目标材料强度x1为960Mpa～1100Mpa时，坡口根部温度y最好保证在400～600℃。
本实施例中，沿焊缝方向上，焊枪33的移动速度与加热激光31的移动速度一致。
本实施例中，焊枪33可为MAG(Metal Active-Gas Arc Welding，熔化极活性气体保护电弧焊)焊枪，当然焊枪33也可为氩弧焊(填丝，冷送丝或热送丝均可)等其他电弧焊。具体地，焊枪33的焊炬相对第一连接件11或第二连接件13的倾斜角度α小于或等于90°，焊丝中心对准间隙中心。焊丝的干伸长为10～15mm。焊丝与第一连接件11和第二连接件13背面的距离为0-1mm，以保证焊接电弧燃烧位置不超过板材背面。
本实施例中，在步骤S13中，在焊枪33的周期性的直流电流的每个周期内，电流高值I1的时间为t2-t1，电流低值I2的时间为t4-t3，由电流高值I1切换为电流低值I2的时间为t3-t2，由电流低值I2切换为电流高值I1的时间为t5-t4，t1～t5为一个周期。具体地，在t2-t1时间和t4-t3时间内，电流大小不变，在t3-t2时间内，电流呈直线下降，在t5-t4时间内，电流呈直线上升。
具体地，在步骤S13中，根据坡口根部间隙x确定电流低值I2与电流高值I1的比值I2/I1和电流低值I2的时间与电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)。更具体地，电流低值I2与电流高值I1的比值I2/I1与第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x正相关，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，电流低值I2与电流高值I1的比值I2/I1越大；电流低值I2的时间与电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x正相关，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，电流低值I2的时间与电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)越大。更具体地，电流低值I2和电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙x的关系应满足：y2＝I2/I1＝a2x2+b2x+c2，其中，a2、b2、c2均为经验值，0＜a2＜1，-1＜b2＜0，-1＜c2＜0；1≤x≤4；电流低值I2的时间(t4-t3)和电流高值I1的时间(t2-t1)的比值(t4-t3)/(t2-t1)与坡口根部间隙x的关系应满足：y3＝(t4-t3)/(t2-t1)＝a3x2+b3x+c3，其中a3、b3、c3均为经验值，0＜a3＜1，0＜b3＜1，-1＜c3＜0，1≤x≤4。图8示出电流低值I2和电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙x的关系曲线示意图，图9示出电流低值I2的时间和电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与坡口根部间隙x的关系曲线示意图。优选地，电流高值I1可为110～280A，对应的电压值可为13～26V；电流低值I2可为40～240A，对应的电压值可为11～24V。对于本实施例采用的一种MAG焊枪，电流高值I1或电流低值I2确定后，电压值也对应确定，但在一个确定的电流值下可在一定范围内调节电压值，以对输出的热量进行调节和补偿，电压值的调节可根据板厚等情况进行，具体调节量可根据经验值确定。
在焊接过程中，焊枪通过采用电流低值I2、电流高值I1的周期性直流电流，电流低值I2起到稳定电弧和减缓熔池凝固的作用，使得熔池不完全冷却，呈现半凝固状态，熔池边缘因与焊缝边缘冷金属接触并与焊缝侧壁连接，降低了熔池温度，减少了熔化金属，而达到较好的平衡，不让焊接熔池出现焊漏的问题；当电流高值I1施加给熔池时，其较强的电弧力一方面可以将半凝固状态的熔池推向根部，另一方面带来较多的熔融金属和热量熔化已存在的半凝固熔池，二者作用使得焊缝根部可以充分熔化。因此，电流低值I2和电流高值I1的搭配可起到很好的焊接效果，既保证充分熔合，又避免焊漏。更进一步地，电流高值I1、对应的电压(补偿值)、电流高值I1的维持时间(t2-t1)，等参数会影响到单位距离的热输入，并且会影响到背部熔透情况，而焊丝指向位置、焊枪倾斜角度α会影响到电弧力的大小和熔池的表面积，从而影响表面张力，即焊丝指向越靠近板材背面，其电弧力越大，焊透可能性越大，焊漏的风险也越大，当焊枪倾斜角度α越小，垂直于熔池的电弧力分力越小，且熔池表面积越大，表面张力越大，越有利于更大间隙的成形；当电流高值I1较小、对应的电压值较大、电流高值I1维持时间(t2-t1)较短、焊丝指向位置更靠近正面、焊枪倾斜角度α更小时，背面不容易焊透，更容易出现根部熔合不良的缺陷；而电流高值I1较大、对应的电压值较小、电流高值I1维持时间(t2-t1)较长、焊丝指向更靠近背面，倾斜角度α较大时，背面更容易出现焊漏。本实施例中，针对不同的间隙，控制匹配的电流低值I2与电流高值I1之比以及时间占比，从而获得恰当的能量分配，从而得到良好的焊接效果。
本实施例中，在步骤S13中还包括：采用传感器35在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和第二连接件13的坡口根部间隙进行跟踪，并根据跟踪结果控制加热激光31和焊枪33的行走路径。具体地，传感器35对坡口根部间隙进行扫描，获得整个坡口根部间隙的中心线的路径，并根据坡口根部间隙的中心线的路径控制加热激光31和焊枪33的行走路径。具体地，传感器35与焊枪33的电弧中心之间的距离约为50～200mm。通过设置在合适位置的传感器跟踪坡口根部间隙，可在加热激光31加热的同时适时获取间隙的中心位置，因而能够获得第一连接件11和第二连接件13在被加热后的当前的准确的间隙中心位置。具体地，传感器35可为激光传感器。
具体地，在步骤S13中还包括：采用传感器35获取坡口根部的间隙大小、坡口和板厚信息，并根据适时的间隙大小、坡口和板厚信息控制加热激光31和焊枪33的工作参数。具体地，可根据适时的坡口根部间隙大小、坡口和板厚信息控制加热激光31的功率、焊枪33的电流、焊枪33的速度、加热激光31的速度、焊枪33与第一连接件11的夹角α等工作参数。这样，通过传感器35的跟踪，可根据焊缝不同位置的不同宽度、板厚等适时调节加热和焊接的参数。
本实施例中，在步骤S13中，还在第一连接件11和第二连接件13的背面设置防护板37。通过设置防护板37，可防止加热激光31穿透间隙对背面设备、物体或人员造成伤害。
本实施例中，在步骤S13中，还包括根据需要确定光丝距离Dla、坡口根部间隙中心与加热激光31中心之间的距离Dlp，以及加热激光31的摆动直径D1。具体地，光丝距离Dla、坡口根部间隙中心与加热激光31中心之间的距离Dlp、加热激光31的摆动直径D1均为经验值，根据加热激光31的功率、加热激光31的移动速度、板厚、环境温度等选择合适的数值即可。
本实施例中，工件焊接方法还包括位于步骤S11之后，且位于步骤S13之前的步骤：
S12，在起弧板上起弧。通过在起弧板上起弧，可保证对第一连接件11和第二连接件13进行焊接时，电弧力、加热激光31提供的热量等趋于稳定，能保证第一连接件11和第二连接件13焊接处的焊接质量。
本实施例中，工件焊接方法还包括位于步骤S14之后的步骤：
S15，当加热激光31接触到收弧板时，关闭加热激光31，当焊枪33的电弧在收弧板上燃烧时，关闭焊枪33，焊接结束。
本实施例中，工件焊接方法还包括位于步骤S15之后的步骤：
S17，对第一连接件11和第二连接件13进行盖面焊或者进行填充焊和盖面焊。当第一连接件11和第二连接件13板厚较小时，可仅对第一连接件11和第二连接件13进行盖面焊；当第一连接件11和第二连接件13板厚较大时，可先对第一连接件11和第二连接件13进行填充焊，再对第一连接件11和第二连接件13进行盖面焊，填充焊可以为一道或多道。
一实施例中采用上述工件焊接方法焊接后，如图10(a)和图10(b)所示，可以看到有很明显的鱼鳞纹，证明焊接熔池是一个一个堆叠在一起，且背面自由成形较为平滑；在图10(c)中，焊缝左侧为有进行激光加热部位，右侧未进行激光加热，可以明显看到左侧侧壁熔深比右侧大，左侧熔合的金属更多，经过拉伸弯曲和冲击测试后，断裂部的部位为右侧根部。
本发明实施例的工件焊接方法焊接中，针对大间隙工件，在无衬垫的情况下，采用加热激光对工件先进行预热，并采用焊枪周期性直流电流进行焊接，在预热与焊枪的周期性直流电流的配合下，电流低值I2起到稳定电弧和减缓熔池凝固的作用，使得熔池不完全冷却，呈现半凝固状态，熔池边缘因与焊缝边缘冷金属接触并与焊缝侧壁连接，降低了熔池温度，减少了熔化金属，而达到较好的平衡，不让焊接熔池出现焊漏的问题，电流高值I1施加给熔池时，其较强的电弧力一方面可以将半凝固状态的熔池推向根部，另一方面带来较多的熔融金属和热量熔化已存在的半凝固熔池，二者作用使得焊缝根部可以充分熔化，通过周期性的直流电流进一步避免焊漏又保证熔深，因此即使周期性直流电流的电流低值较小，仍然能保证后续焊接过程中的熔深，又能避免热量过多而出现焊漏，从而使电流低值较易确定。然而在一种仅采用脉冲电流进行焊接的焊接方法中，电流低值难以确定，太高容易出现焊漏，太低容易出现熔深不够。通过本实施例的工件焊接方法焊接，能够在无衬垫的情况下实现大间隙板材的对接，降低了对工人的要求，也降低了对来料及拼装的要求，并能获得稳定的焊接质量。
本发明还提供一种焊接结构件，包括第一连接件11和第二连接件13，第一连接件11和第二连接件13采用上述工件焊接方法焊接在一起。
本发明还提供一种工件焊接设备，用于对第一连接件11和第二连接件13进行焊接，第一连接件11和第二连接件13的坡口根部间隙为x。本实施例工件焊接设备可适应于坡口根部间隙x为1～4mm甚至更大的情况，因此本实施例尤其适应于大间隙工件的焊接。该工件焊接设备包括可相对第一连接件11和第二连接件13移动的加热激光31和焊枪33，沿加热激光31的移动方向，焊枪33位于加热激光31的后方，且焊枪33的熔池与加热激光31的加热位置之间的距离大于0，光丝距离Dla约为：30mm≤Dla≤100mm(毫米)。加热激光31用于在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和/或第二连接件13的坡口根部进行加热，焊枪33用于跟随加热激光31在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和第二连接件13进行打底焊接。具体地，光丝距离Dla为加热激光31的激光中心到焊枪33的焊丝的延长线与第一连接件11或第二连接件13的相交处中点的距离。具体地，光丝距离Dla为30～100mm，可保证加热激光和焊丝电弧不会共熔池。
本实施例中，加热激光31中心与坡口根部间隙中心之间的距离Dlp可为0-2mm。也就是说，在垂直于焊缝方向的方向上，加热激光31的中心可偏离坡口根部间隙中心一定距离，即加热激光31的中心并不一定要与坡口根部间隙中心重合。
本实施例中，加热激光31可在垂直于焊缝方向的方向上摆动。具体地，加热激光31的摆动方式可以是“一”字型、“◎”、“○”、“●”、“△”、“8”或“∞”等。加热激光31的摆动直径为D1。具体地，加热激光31产生的热量与加热激光31的移动速度、功率相关，因此，可根据需要的热量设定加热激光31的移动速度和功率。
具体地，在平焊或立焊中，加热激光31的摆动直径D1需满足：D1≥2Dlp+x+(2-4)mm，x为坡口根部间隙。在横焊中，加热激光31的摆动直径需满足：D1-x/2≥2Dlp+(1-2)mm，x为坡口根部间隙。也就是说，平焊或立焊时，激光扫描的位置覆盖第一连接件11和第二连接件13的根部两侧，且需要覆盖边缘至少1-2mm，从而确保板材根部能够被加热。横焊时，激光扫描的位置覆盖位于上方的第一连接件11或第二连接件13的根部，且覆盖位于上方的第一连接件11或第二连接件13的边缘至少1-2mm，从而确保板材根部能够被加热。
本实施例中，加热激光31用于将坡口根部温度y加热至大于等于25℃并小于等于600℃。
本实施例中，坡口根部温度y与第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x、目标材料强度x1正相关，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，则将坡口根部温度y加热至越高，目标材料强度x1越高，将坡口根部温度y加热至越高。可以理解，也可采用火眼、电弧等其他加热元件代替加热激光31进行加热，当然，激光加热由于激光的非接触性、单色性、集中性等优点，使得激光加热位置和加热温度精准可控，因此优选激光进行加热。其中，目标材料强度x1为所述第一连接件的屈服强度与所述第二连接件的屈服强度中的较高值，当第一连接件11和第二连接件13的屈服强度相同时，目标材料强度x1为第一连接件11和第二连接件13的屈服强度中的任意一个。
具体地，为了使预热位置达到合适的温度，从而达到良好的焊接效果，坡口根部温度y与坡口根部间隙x的关系应满足：y≥a×ebx，其中a≥1，0<b<1，e为自然常数，0<x≤4，且当x＝0时，y≥25℃。当不进行激光加热时，为了实现无衬垫的自由成形，对电弧的热输入必须进行精确控制，但一般电弧热输入容易偏小，从而易导致侧壁熔合的熔深不够，造成焊接接头抗拉强度偏低，无法满足使用要求，根据本实施例对激光加热的温度的控制可保证在无衬垫的情况下保证侧壁熔合的熔深足够，保证焊接接头的抗拉强度，满足使用要求。
具体地，为了使预热位置达到合适的温度，从而达到良好的焊接效果，坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系应满足：
其中，0<a1<1，-1<b1<0，c1>0，235≤x1≤1100。其中，目标材料强度x1的单位为MPa。焊接材料的强度越高，其对温度越敏感，当较高强度的材料作为焊接件时，对焊缝接头的要求更高，因此更需要保证根部充分熔合，熔深达到一定的深度，通过上述坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系式可很好地保证这一点。
本实施例中，焊枪33可为MAG(Metal Active-Gas Arc Welding，熔化极活性气体保护电弧焊)焊枪。具体地，焊枪33的焊炬相对第一连接件11或第二连接件13的倾斜角度α小于或等于90°，焊丝中心对准坡口根部间隙中心。焊丝的干伸长为10～15mm。焊丝与第一连接件11和第二连接件13背面的距离为0-1mm，以保证焊接电弧燃烧位置不超过板材背面。
本实施例中，焊枪33的电流为周期性的直流电流，直流电流的电流高值为I1，电流低值为I2，I1大于I2，I2大于0，在每个周期内，电流高值I1的时间为t2-t1，电流低值I2的时间为t4-t3，由电流高值I1切换为电流低值I2的时间为t3-t2，由电流低值I2切换为电流高值I1的时间为t5-t4，t1～t5为一个周期。具体地，在t2-t1时间和t4-t3时间内，电流大小不变，在t3-t2时间内，电流呈直线下降，在t5-t4时间内，电流呈直线上升。
具体地，电流低值I2与电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙x正相关，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，电流低值I2与电流高值I1的比值I2/I1越大；电流低值I2的时间与电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与坡口根部间隙x正相关，也就是说，第一连接件11与第二连接件13之间的坡口根部间隙x越大，电流低值I2的时间与电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)越大。更具体地，电流低值I2和电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙x的关系应满足：y2＝I2/I1＝a2x2+b2x+c2，其中，a2、b2、c2均为经验值，0＜a2＜1，-1＜b2＜0，-1＜c2＜0；1≤x≤4；电流低值I2的时间和电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与坡口根部间隙x的关系应满足：y3＝(t4-t3)/(t2-t1)＝a3x2+b3x+c3，其中a3、b3、c3均为经验值，0＜a3＜1，0＜b3＜1，-1＜c3＜0，1≤x≤4。优选地，电流高值I1可为110～280A，对应的电压值可为13～26V；电流低值I2可为40～240A，对应的电压值可为11～24V。对于本实施例采用的一种MAG焊枪，电流高值I1或电流低值I2确定后，电压值也对应确定，但在一个确定的电流值下可在一定范围内调节电压值，以对输出的热量进行调节和补偿，电压值的调节可根据板厚等情况进行，具体调节量可根据经验值确定。
本实施例中，工件焊接设备还包括控制模块和传感器35，加热激光31、焊枪33和传感器35均连接于控制模块。沿加热激光31的移动方向，传感器35位于加热激光31的前方。传感器35用于跟踪在焊缝位置沿焊缝对第一连接件11和第二连接件13的坡口根部间隙，控制模块用于根据跟踪结果控制加热激光31和焊枪33的行走路径。具体地，传感器35对坡口根部间隙进行扫描，获得整个坡口根部间隙的中心线的路径，并根据坡口根部间隙的中心线的路径控制加热激光31和焊枪33的行走路径。工件被加热后会产生变形，通过传感器器35可在加热激光31进行加热的同时适时获得当前的焊缝位置，从而保证加热激光31和焊枪33在合适的行走路径上。具体地，传感器35与焊枪33的电弧中心之间的距离约为50～200mm。通过设置在合适位置的传感器跟踪坡口根部间隙，能够进一步保证获得第一连接件11和第二连接件13在被加热后的当前的准确焊缝位置。具体地，传感器35可为激光传感器。
具体地，传感器35还用于获取坡口根部的间隙大小、坡口和板厚信息，并根据适时的间隙大小、坡口和板厚信息控制加热激光31和焊枪33。具体地，可根据适时的坡口根部间隙大小、坡口和板厚信息控制加热激光31的功率、焊枪33的电流、焊枪33的速度、加热激光31的速度、焊枪33与第一连接件11的夹角α等。可以理解，也可用其他人眼观察或其他方式获取坡口根部间隙大小、坡口和板厚信息，并根据适时的间隙大小、坡口和板厚信息。
本实施例中，控制模块内预存有光丝距离Dla、坡口根部间隙中心与加热激光31中心之间的距离Dlp，以及加热激光31的摆动直径D1的数据库，控制模块还用于根据需要设定光丝距离Dla、坡口根部间隙中心与加热激光31中心之间的距离Dlp，以及加热激光31的摆动直径D1。具体地，光丝距离Dla、坡口根部间隙中心与加热激光31中心之间的距离Dlp、加热激光31的摆动直径D1均为经验值，将其预存在控制模块内，根据加热激光31的功率、加热激光31的移动速度、板厚、环境温度等选择合适的数值即可。
本实施例中，控制模块还用于控制焊枪33的移动速度与加热激光31沿焊缝方向上的移动速度一致。
本实施例中，工件焊接设备还包括设于第一连接件11和第二连接件13的背面的防护板37。通过设置防护板37，可防止加热激光31穿透间隙对背面设备、物体或人员造成伤害。
本实施例中，工件焊接设备还包括起弧板和收弧板，起弧板用于供焊枪33起弧，控制模块还用在加热激光31接触到收弧板时，关闭加热激光31，并在焊枪33的电弧在收弧板上燃烧时关闭焊枪33。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (14)
1.一种工件焊接方法，其特征在于，包括：
安放第一连接件(11)和第二连接件(13)，使所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)对接设置；
采用加热元件在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件(11)和/或所述第二连接件(13)的坡口根部进行加热；
采用焊枪(33)跟随所述加热元件在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)进行打底焊接；
其中，打底焊接时所述焊枪(33)的电流为周期性电流，所述周期性电流的电流高值为I1，电流低值为I2，I1大于I2，I2大于0，打底焊接时的熔池与所述加热元件的加热位置之间的距离大于0。
2.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，所述加热元件包括激光加热元件，所述加热元件和所述焊枪(33)的光丝距离Dla为：30mm≤Dla≤100mm。
3.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)所在平面上，且垂直于焊缝方向的方向上，所述加热元件摆动；其中，所述加热元件的摆动直径与所述坡口根部的间隙正相关。
4.如权利要求3所述的工件焊接方法，其特征在于，在平焊或立焊中，所述加热元件的摆动直径D1需满足：D1≥2Dlp+x+(2-4)mm，在横焊中，所述加热元件的摆动直径需满足：D1-x/2≥2Dlp+(1-2)mm，其中，x为坡口根部间隙，Dlp为所述加热元件中心与坡口根部间隙中心之间的距离。
5.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在所述打底焊接中，所述加热元件将坡口根部温度y加热至大于等于25℃并小于等于600℃。
6.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在所述打底焊接中，坡口根部温度y与以下至少一项参数正相关：所述坡口根部间隙x、目标材料强度x1；其中，所述坡口根部间隙x为所述坡口根部的间隙，所述目标材料强度x1为所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)的屈服强度中的较高值。
7.如权利要求6所述的工件焊接方法，其特征在于，所述坡口根部温度y与所述坡口根部间隙x的关系应满足：y≥a×ebx，其中a≥1，0<b<1，e为自然常数，0<x≤4，且当x＝0时，y≥25℃，所述坡口根部温度y的单位为℃，所述坡口根部间隙x的单位为mm。
8.如权利要求6所述的工件焊接方法，其特征在于，所述坡口根部温度y与目标材料强度x1的关系应满足：
其中，0<a1<1，-1<b1<0，c1>0，235≤x1≤1100，所述目标材料强度x1的单位为MPa，所述坡口根部温度y的单位为℃。
9.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在所述打底焊接中，所述电流低值I2与所述电流高值I1的比值I2/I1与坡口根部间隙正相关，其中，坡口根部间隙为所述坡口根部的间隙。
10.如权利要求9所述的工件焊接方法，其特征在于，所述电流低值I2和所述电流高值I1的比值I2/I1与所述坡口根部间隙x的关系应满足：y2＝I2/I1＝a2x2+b2x+c2，其中，a2、b2、c2均为经验值，0＜a2＜1，-1＜b2＜0，-1＜c2＜0；1≤x≤4。
11.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在周期性的直流电流的每个周期内，所述电流高值I1的时间为t2-t1，所述电流低值I2的时间为t4-t3，由所述电流高值I1切换为所述电流低值I2的时间为t3-t2，由所述电流低值I2切换为所述电流高值I1的时间为t5-t4，t1～t5为一个周期；在所述打底焊接中，根据坡口根部间隙x确定所述电流低值I2的时间与所述电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)，且所述电流低值I2的时间与所述电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与所述第一连接件(11)与所述第二连接件(13)之间的所述坡口根部间隙x正相关，其中，坡口根部间隙为所述坡口根部的间隙。
12.如权利要求11所述的工件焊接方法，其特征在于，所述电流低值I2的时间和所述电流高值I1的时间的比值(t4-t3)/(t2-t1)与所述坡口根部间隙x的关系应满足：y3＝(t4-t3)/(t2-t1)＝a3x2+b3x+c3，其中a3、b3、c3均为经验值，0＜a3＜1，0＜b3＜1，-1＜c3＜0，1≤x≤4。
13.如权利要求1所述的工件焊接方法，其特征在于，在所述打底焊接中，还包括：采用传感器(35)在焊缝位置沿焊缝对所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)的坡口根部间隙进行跟踪，并根据跟踪结果控制所述加热元件和所述焊枪(33)的行走路径，所述传感器(35)与焊枪(33)的所述焊枪(33)的电弧中心之间的距离为50～200mm；在所述打底焊接中，还包括：采用所述传感器(35)获取所述坡口根部的间隙大小、坡口和板厚信息，并根据适时的间隙大小、坡口和板厚信息控制所述加热元件和所述焊枪(33)的工作参数。
14.一种焊接结构件，包括第一连接件(11)和第二连接件(13)，其特征在于，所述第一连接件(11)和所述第二连接件(13)采用如权利要求1-13任意一项所述的工件焊接方法焊接在一起。
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