CN117840616A - 一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电弧的等离子‑电弧复合焊接方法：S1，在熔化极焊丝与工件之间引燃第一电弧；S2，第一等离子气流穿过导电嘴和内等离子喷嘴之间的内通道，第二等离子气流穿过内等离子喷嘴和外等离子喷嘴之间的外通道；S3，在内等离子喷嘴与外等离子喷嘴之间点燃维弧，引燃内等离子喷嘴与工件之间的第二电弧；S4，引燃外等离子喷嘴与工件之间的第三电弧；S5，在第一电弧、第二电弧和第三电弧的共同作用下，在工件表面形成液态金属熔池。本发明在外部附加了一个非熔化极电弧，可在大电流下工作而不烧损电极；复合电弧具有更强的熔深能力和更快的焊接速度；利用本发明获得的焊缝成形质量高、孔隙率低，在焊接中对焊接间隙的要求更低。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法。
背景技术
美国专利号3818175：Welding Torch.发明人：W.G.Essers,G.Jelmorini,U.S.Philips Corporation(New York,NY)；国际专利分类：B23K9/00；18.06.1974]公开了一种焊枪，该焊枪包括外壳，铜接触管沿焊枪轴线放置，焊丝穿过焊枪轴线。钨极放置在铜接触管的侧面，焊丝穿过铜喷嘴，并被惰性气流吹动。熔化极电弧在焊丝端部与工件之间燃烧，非熔化极电弧也在钨极与工件之间燃烧。该设计方法的缺点是正极性的非熔化极电弧和反极性的熔化极电弧相互影响，在焊接铝、镁合金时，非熔化极电弧对表面氧化物层的破坏性较差。
与上述专利在技术本质上最接近的是一种用于等离子-MIG焊接的焊枪②[欧洲专利号0168810：一种用于等离子-MIG焊接的焊枪。发明人：Hans-Herbert Wilhelm，Suddeutsche Kuhlerfabrik Julius Fr.Behr GmbH&Co.KG。(Stuttgart,DE)；国际专利分类：B23K28/00；22.01.1986]，将其作为原型方法。该方法中的焊枪包含铜接触管，铜接触管位于直流反接的等离子电极(阳极)内部，熔化极焊丝穿过铜接触管。非熔化极电弧从等离子电极开始并到达工件。它穿过铜喷嘴，并被惰性气流压缩。在这种情况下，非熔化极的压缩电弧覆盖熔化极的电弧。非熔化极压缩电弧和熔化极电弧均在反极性的直流电(电极正)下燃烧，聚焦气体、等离子气体和保护气体可单独调节。氩气用作聚焦和保护气体，也可以使用氩气与二氧化碳或氧气的混合物作为保护气体。等离子阳极有一个带斜面的环形密封圈。该方法的缺点是非熔化极的压缩电弧使用反极性的直流电，导致非熔化电极剧烈发热，在大电流情况下易造成强烈的电弧放电以及对电极的损坏。
针对现有技术的不足，有必要对等离子-电弧复合焊接方法进行改进。
发明内容
本发明的目的是，解决现有技术的等离子-电弧复合焊枪无法在大电流下工作、电极容易烧损的问题，本发明提供了一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法。
本发明采用的技术方案是：
一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法，所述方法包括如下步骤：
S1，在熔化极焊丝与工件之间引燃第一电弧，即熔化极电弧(MIG/GMAW)；所述熔化极焊丝通过送丝装置同轴穿过导电嘴，所述导电嘴位于等离子焊枪的中心轴线上；
S2，导电嘴之外，从内向外依次设置有同轴中空的内等离子喷嘴、外等离子喷嘴和保护喷嘴，第一等离子气流穿过导电嘴和内等离子喷嘴之间的内通道，第二等离子气流穿过内等离子喷嘴和外等离子喷嘴之间的外通道；
S3，在内等离子喷嘴与外等离子喷嘴之间点燃维弧，在第一等离子气流的作用下，引燃内等离子喷嘴与工件之间的第二电弧，即内部等离子弧(PAW)；
S4，在维弧和第二等离子气流的作用下，引燃外等离子喷嘴与工件之间的第三电弧，即外部辅助的非熔化极电弧；
S5，在第一电弧、第二电弧和第三电弧的共同作用下，在工件表面形成液态金属熔池；熔化极焊丝熔化形成熔融金属，进行焊接、堆焊或增材制造。
所述方法还可以包括步骤S6，保护气体穿过外等离子喷嘴与保护喷嘴之间的保护气通道，对液态金属熔池进行保护。
本发明中，第二电弧既加热工件表面，又对第一电弧进行压缩，提高其能量密度。第三电弧既加热工件，又对第二电弧进行压缩，取代了传统的压缩喷嘴的作用；第三电弧还同时离化外通道中的第二等离子气流，增加第二电弧的效率。
作为优选，所述的内等离子喷嘴和外等离子喷嘴均为非熔化电极，内等离子喷嘴内缩在外等离子喷嘴内，两喷嘴端面距离为1.0～1.5mm。
作为优选，所述内等离子喷嘴的电流值是外等离子喷嘴的电流值的1.5～2.0倍。
作为优选，所述内通道、外通道中的第一等离子气流和第二等离子气流为惰性气体，所述惰性气体为为氩气、氦气或两者的混合。
第二等离子气流的气体流量为第一等离子气流的气体流量的4～6倍。
所述第一等离子气流和第二等离子气流的总气体流量为3～9L/min。
作为优选，所述外通道的宽度，即内等离子喷嘴与外等离子喷嘴之间的间隙宽度，是外等离子喷嘴直径的1/10，惰性气体穿过内通道形成第一等离子气流，惰性气体穿过外通道形成第二等离子气流。
作为优选，两个非熔化极电弧，即内等离子喷嘴和外等离子喷嘴由两个同步电源供电，同步电源提供调制频率为100～200Hz反极性调制直流电。
作为优选，所述第一电弧、第二电弧和第三电弧的三个电极都连接到反极性直流电，其中第一电弧(熔化极电弧)的有效能量要可以小于或等于或大于第二电弧(内部等离子弧)的有效能量，不做特别限制；第三电弧(外部辅助的非熔化极电弧)的有效能量是第二电弧有效能量的0.5～0.75倍。
作为优选，提供给第一电弧(熔化极电弧)的焊接电流值范围为50A-400A。
作为优选，所述熔化极焊丝通过送丝装置同轴穿过导电嘴，沿等离子焊枪的中心轴线以2～20m/min的速度连续送丝。
所述熔化极焊丝的直径范围为0.8～3mm。
作为优选，所述内等离子喷嘴、外等离子喷嘴均采用含铜10～20％的铜钨复合材料制成，该材料是通过将钨粉压制并烧结成多孔烧结体，然后在氢气中将其与熔融铜接触并加热至1200～1800℃后获得。
作为优选，所述步骤S6中的保护气体为氩气、氦气或两者的混合，或者是氩气与氢气、氩气与氧气、氩气与二氧化碳的混合气，保护气体的流量为30～50L/min。
作为优选，所述内等离子喷嘴或外等离子喷嘴的末端与待焊接工件表面的距离为5～8mm。
本发明将三种电弧复合，其中内部等离子弧被附加的外部辅助第三电弧压缩，外部第三电弧的热量也被引入焊接熔池中，因此复合电弧具有更强的熔深能力、更快的焊接速度，并降低焊缝中的孔隙率、提高焊缝成形质量，焊接中对焊接间隙的要求更低。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明的核心是在熔化极电弧与内等离子压缩电弧的外部附加了一个辅助的非熔化极电弧，内部电弧被外部电弧压缩，能量密度更高，可在大电流下工作而不烧损电极；(2)三电弧的复合电弧具有更强的熔深能力和更快的焊接速度；(3)利用本发明获得的焊缝成形质量高、孔隙率低；(4)利用本发明在焊接中对焊接间隙的要求更低。
附图说明
图1为本发明一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法的设备剖面示意图。
图2为本发明所用的实验设备照片，其中a图为机械臂，b图为本发明的等离子喷枪，c图为控制系统。
图3为采用不同方法焊接Q235钢的接头外观照片，其中a图为使用原型方法焊接Q235钢的接头外观照片；b图为使用本发明方法焊接Q235钢的接头外观照片。
图4为采用不同方法焊接1561铝合金的接头截面照片，其中a图为使用原型方法焊接1561铝合金的接头截面照片，b图为使用本发明方法焊接1561铝合金的接头截面照片。
图1中：第一电弧1、熔化极焊丝2、工件3、液态金属熔池4、导电嘴5、第二电弧6、内等离子喷嘴7、内通道8、外等离子喷嘴9、外通道10、第三电弧11、保护喷嘴12，保护气通道13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，来对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
为了测试所提出方法的有效性，利用图1和图2所示试验设备验证本方法。
本发明的方法步骤如下：
S1，在熔化极焊丝2与工件3之间引燃第一电弧1，即熔化极电弧(MIG/GMAW)；所述熔化极焊丝2通过送丝装置同轴穿过导电嘴5，所述导电嘴5位于等离子焊枪的中心轴线上；
S2，导电嘴5外圈，从内向外依次设置有同轴中空的内等离子喷嘴7、外等离子喷嘴9和保护喷嘴12，第一等离子气流穿过导电嘴5和内等离子喷嘴7之间的内通道8，第二等离子气流穿过内等离子喷嘴7和外等离子喷嘴9之间的外通道10；
S3，在内等离子喷嘴7与外等离子喷嘴9之间点燃维弧，在第一等离子气流的作用下，引燃内等离子喷嘴7与工件3之间的第二电弧6，即内部等离子弧(PAW)；
S4，在维弧和第二等离子气流的作用下，引燃外等离子喷嘴9与工件3之间的第三电弧11，即外部辅助的非熔化极电弧；
S5，在第一电弧1、第二电弧6和第三电弧11的共同作用下，在工件3表面形成液态金属熔池4；熔化极焊丝2熔化形成熔融金属，进行焊接、堆焊或增材制造。
S6，保护气体穿过外等离子喷嘴9与保护喷嘴12之间的保护气通道13，对液态金属熔池4进行保护。
本发明所用的实验设备照片如图2所示，其中图2a为机械臂，图2b为本发明的等离子喷枪，图2c为控制系统。
第二电弧6既加热工件3表面，又对第一电弧1进行压缩，提高其能量密度。第三电弧11既加热工件3，又对第二电弧6进行压缩，取代了传统的压缩喷嘴的作用；第三电弧11还同时离化外通道10中的第二等离子气流，增加第二电弧6的效率。
本实施例中，所述的内等离子喷嘴7和外等离子喷嘴9均为非熔化电极，内等离子喷嘴7内缩在外等离子喷嘴9内，两喷嘴端面距离为1.0～1.5mm。
进一步，所述内等离子喷嘴7的电流值是外等离子喷嘴9的电流值的1.5～2.0倍。
进一步，第一等离子气流和第二等离子气流为惰性气体，所述惰性气体为为氩气、氦气或两者的混合。第二等离子气流的气体流量为第一等离子气流的气体流量的4～6倍。
所述第一等离子气流和第二等离子气流的总气体流量为3～9L/min。
进一步，所述外通道10的宽度，即内等离子喷嘴7与外等离子喷嘴9之间的间隙宽度，是外等离子喷嘴9直径的1/10，惰性气体穿过内通道8形成第一等离子气流，惰性气体穿过外通道10形成第二等离子气流。
进一步，两个非熔化极电弧，即内等离子喷嘴7和外等离子喷嘴9由两个同步电源供电，同步电源提供调制频率为100～200Hz反极性调制直流电。
进一步，所述第一电弧1、第二电弧6和第三电弧11的三个电极都连接到反极性直流电，其中第一电弧(熔化极电弧)的有效能量可以小于、等于或大于第二电弧(内部等离子弧)的有效能量，不做特别限制；第三电弧(外部辅助的非熔化极电弧)的有效能量是第二电弧有效能量的0.5～0.75倍。
进一步，提供给第一电弧(熔化极电弧)的焊接电流值范围为50A-400A，优选100～400A。
进一步，内等离子喷嘴7的电流值优选50～400A，更优选100～200A。
进一步，所述熔化极焊丝通过送丝装置同轴穿过导电嘴，沿等离子焊枪的中心轴线以2～20m/min的速度连续送丝，优选送丝速度为5～10m/min。
所述熔化极焊丝的直径范围为0.8～3mm。
进一步，所述内等离子喷嘴、外等离子喷嘴均采用含铜10～20％的铜钨复合材料制成，该材料是通过将钨粉压制并烧结成多孔烧结体，然后在氢气中将其与熔融铜接触并加热至1200～1800℃后获得。
所述步骤S6中的保护气体为氩气、氦气或两者的混合，或者是氩气与氢气、氩气与氧气、氩气与二氧化碳的混合气，保护气体的流量为30～50L/min。
所述内等离子喷嘴或外等离子喷嘴的末端与待焊接工件表面的距离为5～8mm。
使用原型方法和本方法分别对Q235钢(保护气体为82％Ar+18％CO2)和1561铝合金(保护气体为Ar)进行了对接焊实验。保护气体流量约为30L/min。试样尺寸为100×50×δ和100×400×δmm，其中试样厚度δ分别为4、5、8和10mm。原型方法为欧洲专利号0168810公开的方法，不包括第三电弧。
实验参数如表1-3所示。
表1～表3中，惰性气体为氩气，惰性气体穿过内通道8形成第一等离子气流，惰性气体穿过外通道10形成第二等离子气流，第二等离子气流的气体流量为第一等离子气流的气体流量的5倍。
表1使用原型方法与本方法在氩气保护下对接焊1561铝合金(δ＝5mm)的工艺参数
注：MIG/GMAW和PAW工艺在原型方法与本方法中可单独实现；试验中使用mm的ER5356熔化极焊丝。
表2使用原型方法与本方法在氩气保护下对接焊1561铝合金(δ＝8mm)的工艺参数
注：试验中使用的ER5356熔化极焊丝。
表3使用原型方法与本方法在82％Ar+18％CO2保护下对接焊Q235钢(δ＝10mm)的工艺参数
注：试验中使用的ER-70S熔化极焊丝。
采用不同方法焊接Q235钢的接头外观照片如图3所示，其中a图为使用原型方法焊接Q235钢的接头外观照片；b图为使用本发明方法焊接Q235钢的接头外观照片。
采用不同方法焊接1561铝合金的接头截面照片如图4所示，其中a图为使用原型方法焊接1561铝合金的接头截面照片，b图为使用本发明方法焊接1561铝合金的接头截面照片。
图3和图4的结果表明，本方法的熔透深度比原型方法增加了约50％，孔隙率降低了20～30％。此外，表1和表3的实验结果发现，与原型方法相比，本方法可以将焊接速度提高20～25％。
本发明将三种电弧复合，其中内部等离子弧被附加的外部辅助第三电弧压缩，外部第三电弧的热量也被引入焊接熔池中，因此复合电弧具有更强的熔深能力、更快的焊接速度，降低了焊缝中的孔隙率、提高了焊缝成形质量。
Claims (10)
1.一种三电弧的等离子-电弧复合焊接方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
S1，在熔化极焊丝与工件之间引燃第一电弧，即熔化极电弧；所述熔化极焊丝通过送丝装置同轴穿过导电嘴，所述导电嘴位于等离子焊枪的中心轴线上；
S2，导电嘴之外，从内向外依次设置有同轴中空的内等离子喷嘴、外等离子喷嘴和保护喷嘴，第一等离子气流穿过导电嘴和内等离子喷嘴之间的内通道，第二等离子气流穿过内等离子喷嘴和外等离子喷嘴之间的外通道；
S3，在内等离子喷嘴与外等离子喷嘴之间点燃维弧，在第一等离子气流的作用下，引燃内等离子喷嘴与工件之间的第二电弧，即内部等离子弧；
S4，在维弧和第二等离子气流的作用下，引燃外等离子喷嘴与工件之间的第三电弧，即外部辅助的非熔化极电弧；
S5，在第一电弧、第二电弧和第三电弧的共同作用下，在工件表面形成液态金属熔池；熔化极焊丝熔化形成熔融金属，进行焊接、堆焊或增材制造。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括步骤S6，保护气体穿过外等离子喷嘴与保护喷嘴之间的保护气通道，对液态金属熔池进行保护。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二电弧既加热工件表面，又对第一电弧进行压缩，提高其能量密度；第三电弧既加热工件，又对第二电弧进行压缩，还同时离化外通道中的第二等离子气流，增加第二电弧的效率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的内等离子喷嘴和外等离子喷嘴均为非熔化电极，内等离子喷嘴内缩在外等离子喷嘴内，两喷嘴端面距离为1.0～1.5mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述内等离子喷嘴的电流值是外等离子喷嘴的电流值的1.5～2.0倍。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述内通道、外通道中的第一等离子气流和第二等离子气流为惰性气体，所述惰性气体为为氩气、氦气或两者的混合；第二等离子气流的气体流量为第一等离子气流的气体流量的4～6倍。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述外通道的宽度是外等离子喷嘴直径的1/10，惰性气体穿过内通道形成第一等离子气流，惰性气体穿过外通道形成第二等离子气流。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于内等离子喷嘴和外等离子喷嘴由两个同步电源供电，同步电源提供调制频率为100～200Hz反极性调制直流电。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一电弧、第二电弧和第三电弧的三个电极都连接到反极性直流电，其中第三电弧的有效能量是第二电弧有效能量的0.5～0.75倍。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于第一电弧的焊接电流值范围为50A～400A。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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