CN1193856C - 窄缝焊接法和焊接装置 - Google Patents

Abstract

一种窄缝焊接法，通过该方法实现V形或单斜边坡口多层组合焊缝，该方法包括步骤如下：通过施加焊接电流焊接第一层，通过该步骤球形传热图形变成喷射图形，这是通过使直流和脉冲电流叠加的波形进行；并随后通过施加直流焊接第二层。

Description

窄缝焊接法和焊接装置

技术领域

本发明涉及一种窄缝焊接法，通过该方法在MAG和MIG焊接中实现V形或单斜边坡口多层组合焊接，以及一种对其焊接的装置。

背景技术

随着诸如液压铲等的民用建筑机器已经被制造的越来越大，构成如臂、悬臂、铲斗等的民用建筑机器结构的钢板越来越厚，其中需要大量的时间用于焊接工作。

作为用于缩短焊接时间的方法之一，有一种方法是通过使V形或单斜边坡口焊缝坡口成为窄缝来减少焊接总量。然而，在使其成为窄缝的情况中，一个重要的因素为阻止焊接缺陷的发生，特别是在第一层中。

例如，如日本1996年的特开平108275所示，如果将要焊接的元件是圆形的，则其端面被非常精确加工以形成焊接坡口，并且可以进行自动焊接。但是，由于在民用建筑机器的结构中，如果通过加工在具有由直线和曲线构成的复杂外轮廓的大尺寸元件中形成焊接坡口，其工作成本将极昂贵，其中不能承担焊接成本，导致总生产成本增长。

例如，焊接坡口的焊接过程中，此时第一层中焊接电流小，输入进将要焊接的元件中的热量低。因此，如图7所示，不能被第一层焊珠3遮蔽的空间4a产生在焊接坡口2的底部成为焊接缺陷，焊接坡口由一对焊接基体1形成。

如图8所示，如果焊接电流增长，当相对于基体1可获得足够的热量输入时，熔融的填充金属量增长。因此，焊珠3的纵横比(焊珠的高度对宽度的比例)因而增长，在焊珠3中产生诸如热裂缝4b的焊接缺陷。

为了确保对于焊接基体的充分焊透并阻止在焊珠中产生热裂缝，增加焊接电流是必需的，且同时通过使焊接速率较快而将形成在焊接部分的焊珠高度抑制为较低。

另外，如图9所示，由于焊条6接近从坡口2的中心部分偏移的一个侧壁，故焊弧7流向焊条接近的侧壁，其中，在焊接完成之后，如图10所示产生较大的咬边。另外，由于焊弧的中心不是朝向坡口2的底部(方向性较差)，故可能为坡口2底部处的焊透不足这样的情况。

焊接中的焊弧的方向性可以通过在焊弧上起作用的收缩力而得到。作为在焊弧上起作用的收缩力的其中之一，存在由焊接电流产生的电磁收缩力。电磁收缩力的强度与焊接电流的平方成比例。

发明内容

因此，在民用建筑机器等的结构中的第一层焊接中，难以采用诸如半自动焊接的焊接方法，在该方法中由于手抖动使得焊条的蜿蜒运行或目标位置的偏移是不可避免的。该焊接由技术熟练的焊接工人手工进行，其中降低焊接成本是困难的。

因此鉴于上述情形，本发明的一个目的是提供一种窄缝焊接法和一种用于该方法的焊接装置，其能够在窄坡口焊缝中在第一层中应用自动或半自动焊接，通过提高在焊接中产生的焊弧的方向性，并且提高由于手抖动使得焊条的蜿蜒运行或目标位置的偏移的公差。

为了达到该目的，本发明的第一方面为通过MAG和MIG焊接来焊接窄V形或单斜边坡口的方法，包括如下步骤：通过在第一层中施加焊接电流来焊接，通过其球形传热图形(globule transfer pattern)变成喷射图形(spray pattern)，这是通过引起恒定直流和脉冲电流在焊接基体和填充金属之间叠加的波形而进行的；之后，通过施加直流焊接第二层。

本发明的第二方面特征在于，上述提及的直流被形成为200A到300A，而叠加到直流上的脉冲电流的峰值被形成为400A到500A。

本发明的第三方面特征在于，上述提及的脉冲电流的频率被形成为50赫兹或更大。

本发明的第四方面为用于通过MAG和MIG焊接而焊接V形或单斜边坡口的装置，其包括：焊接能量源，其向由焊接基体和填充金属构成的焊接部分施加焊接能量；电流控制器，其将预定的焊接电流与施加到焊接部分的焊接电流比较，并且传送电流控制信号；电压控制器，将预定焊接电压与施加到焊接部分的焊接电压比较，并且传送电压控制信号；脉冲波形控制器，其传送取决于预定峰值电压、基准电压和频率的脉冲波形信号；以及输出控制器，控制基于上述提及的电流控制器、电压控制器和脉冲波形控制器的输出的上述提及的焊接能量源的输出，并向上述提及的焊接部分施加所需的焊接能量。

本发明的第五方面为用于通过MAG和MIG焊接在多层组合中焊接V形或单斜边坡口的装置，其包括：移动焊炬的机构；用于控制上述提及机构的控制器，以使得上述提及的焊炬相对于焊接基体沿着焊接基体的焊缝移动；焊接能量源，其中设置多个焊接电流波形，其在上述提及的焊炬和焊接基体之间施加焊接能量；脉冲波形控制器，其产生施加在焊接基体的第一层中的焊接基体和填充金属之间的焊接电流波形；以及输出控制器，当焊接基体的第二层和以下层焊接时，其产生直流波形，并同时控制上述提及的焊接能量源的输出波形，当焊接电流波形从上述提及的脉冲波形控制器输入时焊接电流波形优选。

本发明的第六方面为用于通过MAG和MIG焊接在多层组合中焊接V形或单斜边坡口的装置，其包括：用于移动焊炬的机构；控制所述机构的控制器，以使得焊炬相对于焊接基体沿着焊接基体的焊缝移动；焊接能量源，其中设置多个焊接电流波形，其在焊炬和焊接基体之间施加焊接能量；脉冲波形控制器，在焊接基体的第一层中，其产生施加在焊接基体和填充金属之间的焊接电流波形；以及输出控制器，根据从脉冲波形控制器输入的焊接电流波形，产生直流波形并同时控制焊接能量源的输出波形，电流波形转换器，当焊接焊接基体的第二层和以下层时，暂停进入输出控制器的焊接电流波形的输入，使输出控制器根据恒定直流波形控制焊接能量的输出波形；焊条，从焊炬的尖端提供进入焊接基体的坡口中；电流检测器，检测提供到焊接部分的焊接电流；电压检测器，检测提供到焊接部分的焊接电压；电流设置器，设置预定焊接电流；电压设置器，设置预定焊接电压；时间设置器，设置脉冲时间和基准时间；开关，在脉冲波形控制器的输出侧进行干涉；和转换器，打开和关闭开关。

附图说明

图1是根据本发明焊接装置的结构图；

图2是示出根据本发明的窄坡口焊接中第一层的焊接电流波形的示意图；

图3是示出由本发明产生的焊接状态的剖面图；

图4是示出试验状态剖面图，以证明本发明脉冲频率；

图5是示出试验结果的示意图；

图6是根据本发明的焊接装置的结构图；

图7、图8、图9和图10是示出在相应的窄坡口焊接中第一层的焊接结果的剖面图。

具体实施方式

下文根据附图给出本发明的实施例。

图1至图5示出本发明的第一实施例，其中图1是根据本发明焊接装置的结构图，图2是示出根据本发明的在第一层中的焊接电流波形的示意图，图3是示出焊接时焊接基体和焊条之间位置关系的剖面图，图4是示出在本发明的证明试验中焊接状态的侧视图，以及图5是示出证明试验结果的示意图。

在图1中，焊接基体1其中形成有V形坡口2。5标识焊炬，且焊条6从供给装置8发送出，并且从焊炬5的尖端提供进坡口2中。

焊接基体1和焊条6连接到焊接能量源9的输出终端。电流检测器10检测从焊接能量源9提供到焊条6的焊接电流。电压检测器11检测从焊接能量源9提供到焊条6的焊接电流的电压。

电流设置器12设置将要施加到焊条6的电流值。电流控制器13将由电流设置器12设置的电流值与由电流检测器10检测的电流值比较并传送电流控制信号。

电压设置器14设置施加到焊条6的电压值。电压控制器15将由电压设置器14设置的电压值与由电压检测器11检测的电压值比较并传送电压控制信号。

16标识峰值电压设置器，且17标识基准电压设置器。时间设置器18设置脉冲时间和基准时间。脉冲波形控制器19连接到峰值电压设置器16、基准电压设置器17和脉冲时间设置器18上，并且根据从其施加的峰值电压和基准电压产生所需的脉冲波形、脉冲时间和基准时间。

开关20在脉冲波形控制器19的输出侧进行干涉。转换器21打开和关闭开关20。

输出控制器22经由电流控制器13、电压控制器15和开关20连接到脉冲波形控制器19上，并且根据从其施加的信号控制焊接能量源9。

具有这种结构，当进行第一层焊接时，焊条6被推入窄坡口2内，该坡口2形成在一对焊接基体1之间以坡口2的中心为目标位置，且转换器21打开开关20，其中在由脉冲波形控制器19产生的脉冲波形施加到输出控制器22的状态下开始焊接。

此时，焊接能量源9设置峰值电流值于高于在该电流值的平均电流值100到300A的值，根据来自脉冲波形控制器19的作用，其内平均电流值为300A或更多的球形传热图形处变成在焊接基体1和焊条6之间的喷射传热图形，并且如图2所示，施加具有以下特征的电流，即电流值为A1的脉冲状峰值电流被导致叠加在电流值为A2的基准电流上。此外，峰值电流的频率被设置为50赫兹或更大。

如果峰值电流的频率设置为50赫兹或更大，则可得到与峰值电流值平方成比例的电磁收缩力，其作为在焊弧上起作用的电磁收缩力。因此，如果平均电流相同，通过使用峰值电流频率为50赫兹或更多的脉冲电流，在焊弧上起作用的电磁收缩力增加，焊弧的方向性可以改进。

如图3所示，由于焊弧的方向性是集中的，即使焊条6的目标位置从坡口2的中心位置偏移到其一侧，焊弧的中心仍可以定向到坡口2的附近(根部分)。也就是说，即使焊条6的尖端位置由于焊条6的回转而摇摆，焊弧的中心可以定向到焊条6由于增强的电磁收缩力而前进的方向(坡口2的底部)。因此，在底部可以达到充分的焊透。

因而，与仅仅使用直流的焊接情况相比，能够进行较高速的焊接，由此将焊珠的高度抑制到较低是可能的，并且阻止焊珠由于高温而裂开也是可能的。

如图4所示，开口角度为30°的单斜边坡口形成在试件1A上，且焊接通过上述提及的焊接法进行，而改变从焊炬5发送出的焊条6的目标位置。其视觉检测到的结果在图5中示出。

在图5中，符号○表示焊接是令人满意的并在焊接中无缺陷的状态，符号△表示有不会负面影响质量的微小缺陷的状态，符号×表示有会负面影响质量的严重缺陷的状态。

如图5所示，在脉冲频率为50赫兹的情况中，如果目标位置的偏移量为1mm，则能够使焊接无任何缺陷。同样，如果目标位置的偏移量超过2mm，则产生通常不会影响质量的诸如不充分焊透和微小咬边这样的微小缺陷。

另外，在脉冲频率为100赫兹或更多的情况下，即使目标位置的偏移量为3mm，也可以实现无任何缺陷的焊接。然而，在脉冲频率为35赫兹的情况下，即使目标位置的偏移量为0mm，也可以产生微小缺陷。

因此，如果脉冲频率为50赫兹或更多，可以实现不会负面影响焊接质量的焊接。另外，优选的是，即使目标位置可以变动的半自动焊接应用于窄坡口焊缝中，通过将脉冲频率设置到100赫兹或更大，也可以实现没有任何缺陷的焊接。

由于转换器20在进行第二层和以下层焊接的情况中被打开，故没有由脉冲波形控制器19产生的脉冲波形输入进输出控制器22中。因此，输出控制器22控制焊接能量源9以使得电流值由电流设置器12设置并通过电流控制器13施加，电压值由电压调整器14设置并通过电压控制器15施加的直流电在焊条6和焊接基体1之间施加。

而且，通过直流进行焊接，其可容易地使焊弧偏移到坡口的侧壁，而可以促进焊接透入坡口的侧壁。

此外，关于用于第二层和以下层焊接的条件，有可能根据各层所需的焊接量、焊珠宽度和焊腿(welding leg)等确定焊接电流、焊接电压、焊接速率等。

图6是示出本发明第二实施例的视图。

在图6中，1表示其中形成有V形坡口2的焊接基体。23表示构成机构部分的多关节型焊接机器人。焊炬5被支撑在焊接机器人23的自由端。焊条6从并入到焊接机器人23中的供给装置8发送出并通过焊炬5提供到焊接部分。

控制器24控制焊接机器人23的动作并使焊炬5沿着先前告知的沟槽(channel)移动并传送所需的信号。

转换器21按照来自控制器24的指示控制开关20的打开和关闭。所有其它结构与第一实施例中的相同，并省略了其重复的说明。

具有这些结构，控制器24控制焊接自动器23以使得焊炬5沿着先前告知的焊接沟槽移动。同时，它在焊接基体1和焊条6之间施加所需的焊接能量，以进行焊接基体1的焊接。

此时，如果焊接为焊接基体1的第一层焊接，控制器24，通过转换器21关闭开关20，且，如果焊接为第二或以下层的焊接，通过转换器21开启开关20。

在焊接基体1的第一层的情况下，由脉冲波形控制器19产生依照由峰值电压设置器16、基准电压设置器17和脉冲时间设置器18所确定的条件的脉冲波形，通过转换器21施加到输出控制器22，且输出控制器22基于从脉冲波形控制器19施加的脉冲波形控制焊接能量源9，并且在焊条6和焊接基体1之间施加所需的焊接能量。

在第二实施例中，基准电流值、峰值电流值和电流频率如在第一实施例中所确定。结果与第一实施例的相同。

如上所述，本发明涉及窄坡口焊缝法，其进行V形焊接和单斜边多层焊接，其中在第一层焊接中，焊接是通过向焊接部分施加焊接电流而进行的，焊接电流存在于球形传热图形变成喷射传热图形的区域，具有通过使直流和脉冲电流相互叠加而得到的波形；且在第二层和以下层焊接中，焊接是通过向焊接部分施加DC焊接电流而进行的。因此，焊弧的方向性可以在第一层焊接中改进，且相对于目标位置的偏移公差大大提高，并且自动焊接和半自动焊接可以应用于窄坡口焊缝中，这两种焊接中目标位置由于焊条的回转或手抖动而易于偏移，窄坡口通过具有较差加工精确度的气割而加工。此外，由于焊接量可通过使坡口宽度变窄而降低，故焊接时间和成本可以显著降低，且焊接结构的工作成本可以较大程度的降低。

Claims (12)

1.一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，该装置包括：

焊接能量源，向包括焊接基体和填充金属的焊接部分施加焊接能量；

电流控制器，将预定的焊接电流与施加到焊接部分的焊接电流比较并传送电流控制信号；

电压控制器，将预定的焊接电压与施加到焊接部分的焊接电压比较并传送到电压控制信号；

脉冲波形控制器，根据预定的峰值电压、基准电压和频率传送脉冲波形信号；以及

输出控制器，根据电流控制器、电压控制器和脉冲波形控制器的输出控制焊接能量源的输出，并向焊接部分施加所需的焊接能量，

焊条，从焊炬的尖端提供进入焊接基体的坡口中；

电流检测器，检测提供到焊接部分的焊接电流；

电压检测器，检测提供到焊接部分的焊接电压；

电流设置器，设置预定焊接电流；

电压设置器，设置预定焊接电压；

时间设置器，设置脉冲时间和基准时间；

开关，在脉冲波形控制器的输出侧进行干涉；和

转换器，打开和关闭开关。

2.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，脉冲波形控制器连接到峰值电压设置器、基准电压设置器和时间设置器上。

3.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，输出控制器经由电流控制器、电压控制器和开关连接到脉冲波形控制器上。

4.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，提供到焊接部分的焊接电流是从焊接能量源提供到焊条的焊接电流。

5.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，提供到焊接部分的焊接电压是从焊接能量源提供到焊条的焊接电压。

6.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，预定焊接电压是提供到焊条的电流的电压值。

7.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，预定焊接电流是提供到焊条的电流的电流值。

8.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，焊接基体和焊条连接到焊接能量源的输出终端。

9.如权利要求1所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，

用于移动焊炬的机构；

控制所述机构的控制器，以使得焊炬相对于焊接基体沿着焊接基体的焊缝移动；

焊接能量源，其中设置多个焊接电流波形，其在焊炬和焊接基体之间施加焊接能量；

脉冲波形控制器，在焊接基体的第一层中，其产生施加在焊接基体和填充金属之间的焊接电流波形；以及

输出控制器，根据从脉冲波形控制器输入的焊接电流波形，产生直流波形并同时控制焊接能量源的输出波形，

电流波形转换器，当焊接焊接基体的第二层和以下层时，暂停进入输出控制器的焊接电流波形的输入，使输出控制器根据恒定直流波形控制焊接能量的输出波形。

10.如权利要求9所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，还包括转换器，根据控制器的指示转换器控制打开和关闭开关。

11.如权利要求10所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，当焊接焊接基体第一层时，控制器通过转换器关闭开关。

12.如权利要求11所述的一种用于通过MAG或MIG焊接来焊接V形或单斜边坡口的装置，其中，当焊接焊接基体第二层和以下层时，控制器通过转换器打开开关。

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