CN117583702A - 一种超窄间隙的焊接设备及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种超窄间隙的焊接设备及焊接方法，属于超窄间隙焊接技术领域，一种超窄间隙焊接设备，包括吹气机构和导电嘴和工业冷水机组，工业冷水机组与吹气机构连接，工业冷水机组流经吹气机构内部，工业冷水机组适于降低吹气机构输出的保护气体的温度和导电嘴的温度。通过工业冷水机组能够持续降低吹气机构输出的保护气体的温度与导电嘴的温度，使得保护气体和导电嘴的温度能够一直保持在低温状态，低温状态的保护气体能够抑制保护气体产生电离现象，从而抑制旁路电弧的产生，并且本方案无需使用其他焊材和辅助焊材的送给装置，使得焊接设备更加简洁，也无需处理辅助焊材产生的焊渣，大幅节约了焊接时间。

Description

一种超窄间隙的焊接设备及焊接方法

技术领域

本发明涉及超窄间隙焊接技术领域，具体涉及一种超窄间隙的焊接设备及焊接方法。

背景技术

自上世纪20年代起电弧焊在工业制造领域开始规模应用以来，在中厚板、厚板、大厚板、超厚板的结构焊接中，都要开焊接坡口，控制电弧位于焊接坡口内进行填充式焊接。

为了进一步降低焊接工程量采用超窄间隙焊接技术，由于焊接坡口尺寸小，焊接坡口的两侧壁必须是气体导电的电弧的一个电极，作为电弧另一极的焊丝(伸出导电嘴后裸露的焊丝段)距离焊接坡口底部大于焊丝距离两侧壁的距离，从而导致在焊丝与两侧壁坡口的某一侧燃烧，形成电弧旁路。电弧旁路将导致焊接坡口底部未焊接，造成了上部有焊缝，下部是大空洞的未熔合焊接接头，该接头将不能承载焊接接头的工作载荷，是废品的焊接结构。

现有技术中，控制电弧不发生电弧旁路而在焊接坡口的根部燃烧的已有技术，仅见到物理绝缘法。例如：201110048535.2；U形焊剂带约束电弧超窄间隙焊接装置及焊接方法；其杜绝电弧旁路与上攀的原理是，伸出导电嘴后裸露的焊丝段与很近距离的两侧壁焊接坡口间，紧贴坡口部位用不导电的焊剂带加以物理绝缘，强迫焊丝端部与熔池间的气体放电(电弧燃烧)下沉于焊接坡口的底部。

但是物理绝缘导致弧焊工艺的复杂性，要专门生产配套的熔剂带辅材；并且熔剂带熔化将产生的焊渣紧密地覆盖在焊缝表面，超窄间隙坡口下很难清除；还要增加焊剂带的输送机构，增加了工艺设备的复杂程度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的容易产生旁路电弧的缺陷，从而提供一种超窄间隙的焊接设备，。

本发明提供了，一种超窄间隙的焊接设备，包括：

吹气机构，适于输出保护气体；

导电嘴，穿过所述吹气机构；所述导电嘴沿气体流动方向延伸设置；所述导电嘴沿气体流动方向的端部设置有焊丝；所述导电嘴适于为所述焊丝提供焊接电流和焊接电压；

工业冷水机组，与所述吹气机构连接，所述工业冷水机组流经所述吹气机构内部，所述工业冷水机组适于降低所述吹气机构输出的所述保护气体的温度与所述导电嘴的温度。

作为优选方案，所述超窄间隙的焊接设备包括：

喷嘴结构，所述喷嘴结构与所述吹气机构连通，所述喷嘴结构套设在所述导电嘴延伸出所述吹气机构部分的外周，所述喷嘴结构与所述导电嘴之间形成流通通道。

作为优选方案，所述超窄间隙的焊接设备还包括：

电源，与所述吹气机构连接。

作为优选方案，所述喷嘴结构的材质为陶瓷材质。

作为优选方案，所述工业冷水机组选用压缩机制冷设备。

本发明提供了，一种超窄间隙的焊接方法，应用于上述所述的超窄间隙的焊接设备，包括以下步骤：

根据焊接坡口尺寸判断为超窄间隙焊接坡口，根据焊接坡口尺寸确定所述导电嘴端部的所述焊丝的直径，所述焊丝的直径与坡口间隙的尺寸正相关；

通过所述导电嘴调节所述焊丝上焊接电流大小，将所述焊接电流的范围控制在使所述焊丝处于射流过度范围内；

在所述焊丝处于射流过度范围内时，调节焊接电压大小，使所述焊接电压大小范围处于短路过度范围内；

所述吹气机构持续朝向焊接坡口内输出保护气体，通过工业冷水机组持续降低所述吹气机构输出的所述保护气体的温度；

将所述焊丝送入焊接坡口内进行焊接。

作为优选方案，所述工业冷水机组将所述保护气体温度控制在10℃-20℃。

作为优选方案，所述保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体。

作为优选方案，所述保护气体为80％氩气和20％二氧化碳的混合气体。

作为优选方案，当焊件的板厚超过焊丝的长度，在所述导电嘴沿气流流动方向延伸出所述吹气机构部分的外周套设喷嘴结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的超窄间隙的焊接设备，包括吹气机构和导电嘴和工业冷水机组，通过工业冷水机组能够持续降低吹气机构输出的保护气体的温度与导电嘴的温度，使得保护气体和导电嘴的温度能够一直保持在低温状态，低温状态的保护气体能够抑制保护气体产生电离现象，从而抑制旁路电弧的产生，并且本方案无需使用其他焊材和辅助焊材的送给装置，使得焊接设备更加简洁，也无需处理辅助焊材产生的焊渣，大幅节约了焊接时间。

2.本发明提供的超窄间隙的焊接设备，设置有喷嘴结构，当焊接缝隙太深时，在导电嘴外周设置喷嘴结构，并且喷嘴结构设置为陶瓷材质，能有效防止导电嘴与焊接缝隙之间产生电弧。

3.本发明提供的超窄间隙的焊接设备，其中工业冷水机组选用压缩机制冷设备，压缩机制冷设备具有结构简单、体积小的优点，并且能够用较低的电功耗可以实现较大的制冷量，从而降低使用成本。

4.本发明提供的超窄间隙的焊接方法，包括步骤：根据焊接坡口尺寸判断为超窄间隙焊接坡口，根据焊接坡口尺寸确定所述导电嘴端部的所述焊丝的直径，所述焊丝的直径与坡口间隙的尺寸正相关；通过所述导电嘴调节所述焊丝上焊接电流大小，将所述焊接电流的范围控制在使所述焊丝处于射流过度范围内；在所述焊丝处于射流过度范围内时，调节焊接电压大小，使所述焊接电压范围处于短路过度范围内；所述吹气机构持续朝向焊接坡口内输出保护气体，通过工业冷水机组持续降低所述吹气机构输出的所述保护气体的温度；将所述焊丝送入焊接坡口内进行焊接。本方案通过工业冷水机组能够持续降低吹气机构输出的保护气体的温度与导电嘴的温度，使得保护气体和导电嘴的温度能够一直保持在低温状态，低温状态的保护气体能够抑制保护气体产生电离现象，并且通过控制焊接电流的大小，以及焊接电压的大小，从而抑制旁路电弧的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明提供的超窄间隙的焊接设备的整体结构示意图。

图2为本发明提供的超窄间隙的焊接设备的无喷嘴结构的结构示意图。

图3为本发明提供的超窄间隙的焊接设备中焊接坡口的结构示意图。

附图标记说明：

1、吹气机构；2、导电嘴；3、工业冷水机组；4、喷嘴结构；5、电源；6、第一焊接件；7、焊丝；8、熔池；9、保护气体；10、第二焊接件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本发明提供的超窄间隙的焊接设备，包括吹气机构1和导电嘴2和工业冷水机组3，其中吹气机构1适于吹出保护气体9。导电嘴2穿过吹气机构1，导电嘴2沿气流流动方向的端部设置有焊丝7，导电嘴2适于为焊丝7提供焊接电流和焊接电压。工业冷水机组3与吹气机构1连接，工业冷水机组3流经吹气机构1内部，工业冷水机组3适于降低吹气机构1输出的保护气体9的温度和导电嘴2的温度。通过工业冷水机组3能够持续降低吹气机构1输出的保护气体9的温度与导电嘴2的温度，使得保护气体9和导电嘴2的温度能够一直保持在低温状态，低温状态的保护气体9能够抑制保护气体9产生电离现象，从而抑制旁路电弧的产生，并且本方案无需使用其他焊材和辅助焊材的送给装置，使得焊接设备更加简洁，也无需处理辅助焊材产生的焊渣，大幅节约了焊接时间。

需要说明的是，其中工业冷水机组3选用压缩机制冷设备，压缩机制冷设备具有结构简单、体积小的优点，并且能够用较低的电功耗可以实现较大的制冷量，从而降低使用成本。其中工业冷水机组3具体设置有压缩机，动力泵，管路等结构，管路适于设置在所述吹气机构1内部，通过管路内设置有换热介质，通过动力泵使得换热介质在换热管路内流动，并将压缩机产生的冷量通过换热介质传递到吹气机构1内，保护气体9流经吹气机构1时与吹气机构1进行换热，从而实现工业冷水机组3对保护气体9的制冷效果。

进一步的，当焊接件的板厚较大时，还需要设置喷嘴结构4，喷嘴结构4与吹气机构1连通，喷嘴结构4套设在导电嘴2延伸出吹气机构1部分的外周，喷嘴结构4与导电嘴2之间形成流通通道。喷嘴结构4能够防止导电嘴2与焊接坡口两侧的侧壁产生电弧。保护气体9通过流通通道到达焊丝7附件，实现对焊丝7的保护。在本方案中，喷嘴结构4为圆台形状，并且喷嘴结构4沿保护气体9流动方向逐渐收缩，喷嘴结构4的一端开口的面积大于另一端开口的面积。保护气体9从喷嘴结构4的大开口的一端进入，小开口的一端流出，这样设计的喷嘴结构4具有对保护气体9的收束作用，并增加保护气体9的有效保护范围。

需要说明的是，通常情况下焊接件的板厚大于16mm时需要使用喷嘴结构4。

需要说明的是，喷嘴结构4在本实施例中为陶瓷材质，作为可替换的实施方式，还可以想选用塑料、橡胶等绝缘材料。

进一步的，超窄间隙的焊接设备还包括：电源5，电源5与所述吹气机构1连接。电源5能够为吹气机构1以及导电嘴2和工业冷水机组3等设备提供能量。电源5一般设置在吹气机构1的一侧。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的超窄间隙的焊接方法，应用实施例1中的焊接设备，还包括以下步骤：根据焊接坡口尺寸判断为超窄间隙焊接坡口，根据焊接坡口尺寸确定所述导电嘴2端部的所述焊丝7的直径，所述焊丝7的直径与坡口间隙的尺寸正相关；通过所述导电嘴2调节所述焊丝7上焊接电流大小，将所述焊接电流的范围控制在使所述焊丝7处于射流过度范围内；在所述焊丝7处于射流过度范围内时，调节焊接电压大小，使所述焊接电压范围处于短路过度范围内；所述吹气机构1持续朝向焊接坡口内输出保护气体9，通过工业冷水机组3持续降低所述吹气机构1输出的所述保护气体9的温度；将所述焊丝7送入焊接坡口内进行焊接。本方案通过工业冷水机组3能够持续降低吹气机构1输出的保护气体9的温度与导电嘴2的温度，使得保护气体9和导电嘴2的温度能够一直保持在低温状态，低温状态的保护气体9能够抑制保护气体9产生电离现象，并且通过控制焊接电流的大小，以及焊接电压的大小，从而抑制旁路电弧的产生。

如图3所示，需要说明的是，将超窄间隙焊接坡口设计为极小坡口面角，极小坡口面角的超窄间隙焊接坡口，是指根部最小组装间隙为超窄间隙范畴，两侧壁的坡口不是垂直状态(0°)，而是极小坡口面角的倾斜状态；该坡口面角的大小与焊件的板厚成反比而变化，即板厚较小时，坡口面角较大，板厚较大时，坡口面角较小；极小的坡口面角范围是0.5°-4°；根部最小组装间隙的最大值为6mm。

在本实施例中坡口面角的角度为β，根部最小组装间隙为b，焊接件板厚为T，坡口面角β的大小与焊件的板厚T成反比而变化，即焊件板厚T较小时，坡口面角β较大，焊件板厚T较大时，坡口面角β较小；极小的组对坡口面角范围是2°～4°,第一焊件和第二焊件的坡口面角β是0.5°～3°,本例焊件板厚T为300mm,β是0.5°,根部最小组装间隙b为5mm。

在本例中，板厚T大于16mm所以需要使用喷嘴结构4。通过喷嘴结构4实现焊接件与导电嘴2之间绝缘。

需要说明的是，焊丝7在焊接坡口的底部进行燃烧融合，此区域成为熔池8。

需要说明的是，焊丝7在本实施例中选用实芯焊丝7，焊丝7直径的范围为0.8mm-1.2mm。具体在本实施例中选用焊丝7直径为1.2mm。

需要说明的是，在给定的焊丝7直径下，焊接电流作为电弧能量特性的重要参数之一，焊接电流的选用范围为对应焊丝7的射流过渡规范区的中等到中等偏下，当焊丝7直径为1.2mm时，焊接电流的范围为220A-270A。

还需要控制电弧长度(简称弧长)就是控制焊接电压，将焊接电压控制在对应射流过渡电流匹配的电弧电压范围的中或中偏上区域，避免电弧扩散角偏大即避免阴极导电区直径偏大。在焊接电流的范围为220A-270A时，焊接电压的范围为23V-28V。

还需要控制电弧的刚度(挺度)，电弧刚度是与电弧力正相关的，作为电弧力最主要的组成部分：电磁收缩力和等离子流力均与电流强度正相关，所以调节电弧的刚度为中高水平，以加大磁场对电弧的径向压缩作用，防止其径向扩张；气体的种类和流量也一定程度上影响着电弧的刚度，本发明采用很低的一次保护气流量，选用含有解离能较低的多原子气体(如一定比例的CO2)均对防止电弧旁路有利。保护气体9为氩气和二氧化碳的混合气体。

需要说明的是，在本实施例中保护气体9的流量为8L/min～10L/min，保护气体9具体为80％氩气+20％二氧化碳。

需要说明的是，旁路电弧均发生在伸出导电嘴2部分的焊丝7段内，将该段焊丝7的预热温度控制在很低的状态，将有利于抑制焊丝7周向的保护气体9电离，从而抑制旁路电弧产生。

需要说明的是，在本实施例中不仅要用工业冷水机组3提供水温很低的且恒温的冷却循环水，用该低温循环水高效地冷却导电嘴2和焊枪本体中的导丝管，使导电嘴2和其后端的导丝管始终处于很低的温度水平，还需要控制焊丝7这一电极上电流的接入位置，使流经焊丝7的通电路径尽可能短。在本实施例中，工业冷水机组3将所述保护气体9温度控制在10℃-20℃。阳极电流流经焊丝7上的距离仅20mm左右。

实施例3,

本实施例为实施例2的另一基础实施例，本实施例的焊件板厚T是20mm,极小的组对坡口面角2β是4°,第一焊件和第二焊件的坡口面角β是2°，根部最小组装间隙b为4.5mm。本例焊丝7直径为1.0mm。

其余参数与步骤与实施例2相同。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种超窄间隙的焊接设备，其特征在于，包括：

吹气机构(1)，适于输出保护气体(9)；

导电嘴(2)，穿过所述吹气机构(1)；所述导电嘴(2)沿气体流动方向延伸设置；所述导电嘴(2)沿气体流动方向的端部设置有焊丝(7)；所述导电嘴(2)适于为所述焊丝(7)提供焊接电流和焊接电压；

工业冷水机组(3)，与所述吹气机构(1)连接，所述工业冷水机组(3)流经所述吹气机构(1)内部，所述工业冷水机组(3)适于降低所述吹气机构(1)输出的所述保护气体(9)的温度与所述导电嘴(2)的温度。

2.根据权利要求1所述的超窄间隙的焊接设备，其特征在于，所述超窄间隙的焊接设备包括：

喷嘴结构(4)，所述喷嘴结构(4)与所述吹气机构(1)连通，所述喷嘴结构(4)套设在所述导电嘴(2)延伸出所述吹气机构(1)部分的外周，所述喷嘴结构(4)与所述导电嘴(2)之间形成流通通道。

3.根据权利要求1所述的超窄间隙的焊接设备，其特征在于，所述超窄间隙的焊接设备还包括：

电源(5)，与所述吹气机构(1)连接。

4.根据权利要求2所述的超窄间隙的焊接设备，其特征在于，所述喷嘴结构(4)的材质为陶瓷材质。

5.根据权利要求1所述的超窄间隙的焊接设备，其特征在于，所述工业冷水机组(3)选用压缩机制冷设备。

6.一种超窄间隙的焊接方法，应用于权利要求1-5所述的超窄间隙的焊接设备，其特征在于，包括步骤：

根据焊接坡口尺寸判断为超窄间隙焊接坡口，根据焊接坡口尺寸确定所述导电嘴(2)端部的所述焊丝(7)的直径，所述焊丝(7)的直径与坡口间隙的尺寸正相关；

通过所述导电嘴(2)调节所述焊丝(7)上焊接电流大小，将所述焊接电流的范围控制在使所述焊丝(7)处于射流过度范围内；

在所述焊丝(7)处于射流过度范围内时，调节焊接电压大小，使所述焊接电压大小范围处于短路过度范围内；

所述吹气机构(1)持续朝向焊接坡口内输出保护气体(9)，通过工业冷水机组(3)持续降低所述吹气机构(1)输出的所述保护气体(9)的温度；

将所述焊丝(7)送入焊接坡口内进行焊接。

7.根据权利要求6所述的超窄间隙的焊接方法，其特征在于，所述工业冷水机组(3)将所述保护气体(9)温度控制在10℃-20℃。

8.根据权利要求6所述的超窄间隙的焊接方法，其特征在于，所述保护气体(9)为氩气和二氧化碳的混合气体。

9.根据权利要求6所述的超窄间隙的焊接方法，其特征在于，所述保护气体(9)为80％氩气和20％二氧化碳的混合气体。

10.根据权利要求6所述的超窄间隙的焊接方法，其特征在于，当焊件的板厚超过焊丝(7)的长度，在所述导电嘴(2)沿气流流动方向延伸出所述吹气机构(1)部分的外周套设喷嘴结构(4)。