CN1367060A - 超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法及其弧焊设备,它是在超窄间隙条件下,采用熔化极气体保护弧焊,及单丝居中无电弧侧偏工艺,还采用超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源,使电流、电压的波形输出与熔滴空间状态接近完全对应的方法。所述其焊炬有特定形状,本发明优点在于,适用超窄间隙焊接,焊接质量高,耗电小,成本低,应用范围广泛。

Description

超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法与设备

                          技术领域

本发明涉及一种超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法与设备，属于焊接技术领域。

                          背景技术

窄间隙技术自上一世纪六十年代初发明以来，作为一种更高质量、更高生产率、更低生产成本的先进焊接生产技术，受到世界各国焊接专家和工程界的高度重视，迄今为止，发明了大量的窄间隙技术[(日)焊接学会著，尹士科等合译，窄间隙焊接，机械工业出版社，1988；V.Y.Malin，The State-of-the-art ofNarrow Gap Welding，Part I，Welding Journal，April.1983/Part II，WeldingJournal，June.1983；D.S.Taylor，Recent Advances in the Arc Welding of HeavySections，Welding Review International，Feb.1991]，归纳起来，其技术特征如下：①窄间隙埋弧焊是目前工业应用相对最为广泛的技术，由于脱渣和埋弧原因，目前该技术只能用于平或接近平焊位置，其坡口间隙G一般在18～36mm，多用20mm左右；焊接线能量一般在15～50KJ/cm；②窄间隙氩弧焊目前多采用直粗钨极脉冲电流，宽范围氩气保护，间隙G一般为9～14mm；焊接线能量一般为10～20KJ/cm；③窄间隙药芯焊丝电弧焊国内外开发和应用很少，见诸报道的坡口间隙G为13～24mm；其线能量在18～100KJ/cm；④窄间隙熔化极气体保护焊技术(以下简称NG-GMAW)是四十余年来国内外研发投入最多，然而迄今为止却应用最少。NG-GMAW的技术和经济优势相对于上述三种技术而言最为优越且最为显著，应用最少的关键原因是其可靠性难尽人意。主要是熔滴过渡中的飞溅，直接影响着伸入狭缝内焊矩的长时间可靠工作，同时飞溅溅射到侧壁上的非正常熔敷，又反过来决定着NG-GMAW条件下的坡口间隙不能降低到更理想水平，即粗丝NG-GMAW，其坡口间隙G一般在13～16mm；细丝NG-GMAW，G一般在9～14mm之间，其焊接线能量一般在16～28KJ/cm。窄间隙技术的所有技术和经济优势均来自于在焊接接头中减少了填充金属的比例，而且其减小的比例只取决于坡口间隙G的大小。通常技术条件下，G越小，其技术和经济优势越显著。因此，间隙G是衡量窄间隙技术水平的关键参数。现有技术中窄间隙埋弧焊、窄间隙药芯焊丝电弧焊和窄间隙氩弧焊由于受到脱渣和钨极载流能力等工艺因素的影响，要从目前间隙水平(埋弧焊G＝18～36mm，氩弧焊：G＝9～14mm，药芯焊丝电弧焊：G＝13～24mm)，再往下降几乎不可能(现有技术水平下)。

                          发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，以一种特别焊矩和特别电源技术，以实现间隙G≤6mm的超窄间隙超低线能量熔化及气体保护自动弧焊的方法和设备。

本发明的自动弧焊方法的技术方案是：它是在超窄间隙条件下采用熔化极气体保护弧焊及单丝居中无电弧侧偏工艺，还采用超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源，使电流、电压的波形输出与熔滴空间状态接近完全对应。

本发明的自动弧焊设备的技术方案是：它包括电源1，供气系统2，自动弧焊小车5，送丝机构9，控制箱16，及焊炬14；所述的焊炬14包括焊炬本体14.1，导丝结构24和导气孔22，所述的焊炬本体14.1的厚度≤5mm，其上有一中心导丝结构24，它包括一个可拆卸的长导丝管，嵌在焊炬本体14.1中，导丝管中心孔为导丝孔，在焊炬14的长度方向上有至少两个导气孔22，分布在导丝结构24两侧。

本发明的与自动弧焊设备相配套的电源的技术方案是：电源(1)为脉冲逆变电源，其技术参数是：

A、能在熔滴短路过渡时两个液态小桥(缩颈小桥和短路小桥)形成初期高速把电流水平降至适当水平，其降速分别为≮-50KA/S和≮400KA/S

B、在短路小桥铺展完成(液态小桥直径大于固态焊丝直径)和缩颈小桥断裂后能高速输出缩颈脉冲电流和燃弧脉冲电流，其电流增长速度分别为≮260KA/S和330KA/S；

C、脉冲基值I_b电流应处于较低水平，通常小于100A，而脉冲峰值电流I_RM小于500A；

D、电流的输出频率为变动频率，是一种自适应控制电源，其电流和电压的输出能与熔滴的空间状态一一对应。

本发明的优点在于：与最接近的NG-GMAW技术(中国专利“CO₂气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊设备”申请号：97109281.8)相比，具有以下优点：①在超窄间隙(G≤6mm)条件下采用了熔化极气体保护弧焊方法，比埋弧、氩弧焊方法相比，综合技术和经济优势更显著；②在超窄间隙单丝居中条件下无须电弧侧偏技术，在简化工艺的同时，大大提高了工艺和设备的可靠性；③超窄间隙与传统窄间隙技术相比，焊接填充面积、材料和电能消耗下降了50％，焊接生产率提高至少一倍，，焊接生产成本下降50％；④焊接接头的应力与变形大幅度下降；⑤具有极优异的空间成型能力，可轻而易举地实现全位置焊接；⑥传统窄间隙技术一般在板厚30mm以上时才显现出该技术的经济和技术优势，而超窄间隙几乎可用于全系列板厚对接接头的焊接，其显著技术和经济优势的下限板厚可降至10mm左右；⑦本发明具有的超低焊接线能量(＜8KJ/cm)，更有利于高强钢、超高强钢的焊接。

                        附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明采用电源的输出电流、电压波形图；

图3是图4焊炬A-A剖面(横切面)图；

图4是焊炬主视图；

图5是超窄间隙坡口示意图；

图6是单面焊熔敷剖面图；

图7是双面焊熔敷剖面图；

图8是焊接工作程序图。

如图1-7所示，1、电源，2、供气系统，3、柔性轨道，4、永久磁钢，5、自动焊小车，6、焊枪高度调节组件，7、折叠式提手，8、丝盘，9、送丝机构，10、遥控盒，11、窄间隙坡口，12、高度跟踪压力传感器，13、横向浮动焊矩座组件，14、焊矩，14.1焊炬本体，15、气/电动接点端子，16、控制箱，17、控制电缆，18、丝极电缆，19、地线电缆，20焊件，21、销钉，22、导气孔，23、楔榫结构，24、导丝结构，25、导电嘴，26、绝缘滚针槽。

                      具体实施方式

如图1-7所示，本发明一种超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法，它是在超窄间隙条件下采用熔化极气体保护弧焊及单丝居中无电弧侧偏工艺，还采用超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源，使电流、电压波形输出与熔滴空间状态接近完全对应；所述的保护气体是100％CO₂气体，其流量为15-20L/min；保护气体还可以是Ar和CO₂混合气体，混合比例为Ar≥80％，CO₂≤20％，流量为10-25L/min；单丝居中无电弧侧偏工艺中的焊炬14的主体14.1其材料为纯铜，可以是T₂纯铜，导电嘴的材料是Cr-Zr-Cu；电流、电压波形输出与熔滴空间状态完全对应率为不小于90％，通常为95％以上；超窄间隙为G≤6毫米；所述的脉冲逆变电源，其脉冲峰值电流I_RM≤500A，基值电流I_b≤80A，焊接速度V≤5mm/s。

一种实现本发明自动弧焊方法的自动弧焊设备，它包括电源1，供气系统2，自动弧焊小车5，送丝机构9，控制箱16，及焊炬14；所述的焊炬14包括有焊炬本体14.1，导丝结构24和导气孔22，所述的焊炬的本体14.1的厚度为≤5mm，其上有一中心导丝结构24，它包括一个可拆卸的长导丝管，嵌在焊炬本体14.1中，导丝管中心孔为导丝孔，在焊炬宽度方向上有至少两个导气孔22，分布在导丝结构24两侧。所述的导丝结构24的导丝管为弹簧钢丝绕成，或不锈钢管，外层涂有绝缘层，导气孔22为椭圆形，自动焊小车15的调速方式为无级调速，其速度为5.1-304.8cm/min，运行轨迹为直线型；所述的送丝机构9的送丝调速方式为无级调速，速度为小于或等于6m/min。

以下进一步说明具体实施方式，如图1-7所示，其中，供气系统2为工业通用瓶装气体及减压系统，其供气程序控制(提前供气和滞后关气及给定调节)器可安装于电源1内，并将供气软管与控制电缆17、丝极电缆18集束一起，用航空接头和快速导气接头连接到焊接小车5后部。柔性轨道3可用铝合金制造，小车5与轨道3的二维(横向和高度方向)限位可用“U”型槽(位于轨道3两侧)和两对滚轮(在“U”型槽内滚动运动，位于小车的底部，其滚轮轮距可调，以保证横向和高度方向位置精度前提下减小滚轮/滚轮槽摩擦副的摩擦阻力)。永久磁钢4(与柔性轨道3相连)选择时，要考虑每块磁钢自成闭合磁路，要有足够大的吸引力(无气隙闭合磁路时每块吸力≮35kg)，且要附有非铁磁材料制成的类似杠杆结构，以便从工件20上分离轨道3。

超窄间隙焊矩14是其插入间隙内实现超窄间隙焊接的关键部件。其焊炬本体14.1可用纯铜T₂制造。为解决细长孔难加工问题，可采用分段(段长度视加工工具而定，一般为20～30mm)加工后用销钉21串接起来。为防止接缝区漏气，应在接合面导气孔22处设计为楔榫结构23，装配时在榫口处涂匀导电粘合剂，并在加压状态下固化。中心导丝结构24用φ0.5密绕弹簧管(或φ2×0.4不锈钢管)外加薄层绝缘层制成(可取出，以便定期清理)。焊矩总长度L应是系列规格[由工程上应用的板厚决定，一般计算如下L(mm)＝T-10，T为焊件板厚]。插入式焊矩14应与焊矩座组件13为可拆卸式连接。导电嘴25与焊矩本体14.1可为螺纹连接，材料宜采用Cr-Zr-Cu合金制做。焊矩本体14.1左右侧面上的绝缘滚针槽26为安装绝缘滚针用。

焊接小车5的行走，依靠位于小车上的拖动电机，经减速器的末级输出传动齿轮与固定在柔性轨道3上的直齿条啮合而实现。其拖动控制、减速器类别与规格的选择应满足下列要求：①垂直向上行走时负荷≮35KG；②拖动输出为无级调速，且拖动控制电路在可靠前提下尽可能体积小；③拖动电机、减速器体积尽可能的轻小。焊枪高度调节组件6包括高度调节电机和高度调节臂，调节电机(固定)可用步进电机，调节臂用滚珠丝杠(固定)/螺母结构(丝杠应有伸缩式密封保护套)或滑柱(固定)/滑套结构。滚珠丝杠螺母(或滑套)结构上刚性连接横向浮动焊矩座组件13。高度方向可移动螺母(或滑套)用齿条(或齿孔)结构与步进电机输出齿轮啮合以实现高度方向调节。

丝盘8为非标准小丝盘，由于超窄间隙条件下耗丝量小，装丝量1～3KG即可。

送丝机构9主要由送丝拖动电机、减速器、送丝滚轮、送丝速度调节与控制电路组成。拖动电机可选直流伺服电机，减速器选择传动速比大，体积小(为减轻重量，减速器箱体宜选用铝合金)为宜，送丝滚轮选择四轮驱动(两主动轮+两从动轮)、U型槽结构。送丝速度V_f控制电路应满足以下要求：①无级调节范围为0～6m/min；②可对空载和焊态V_f分别进行给定调节并显示；③具有退丝/送丝转换功能；④具有等速和恒值控制系统；⑤控制电路集成度尽可能高，以减小该部件体积。

高度跟踪控制电路，送丝拖动控制电路，小车拖动控制电路，相关动作的程序控制电路，以及必要的显示、指示和开关，均集装于控制箱16位置。

遥控盒10与自动焊小车5为有线连接(控制电缆线长视应用场合可为5～20米)，用于操作者不便于在小车5上实施控制操作的各种场合(如立焊时小车位于高空、自动施焊过程中等)。

高度跟踪压力传感器12，横向浮动焊矩座组件13根据实际需要设计。

弧焊电源1为超低飞溅率波形控制(waveform control)脉冲逆变电源。该电源可为大功率场效应晶体管逆变整流电子电源，其输出电流波形具有以下特性：①能在熔滴短路过渡时两个液态小桥(缩颈小桥和短路小桥)形成初期高速把电流水平降至适当水平(电流下降速度应分别为≮-50KA/S.和≮400KA/S.)；②在短路小桥铺展完成(液态小桥直径大于固态焊丝直径)和缩颈小桥断裂后能高速输出缩颈脉冲电流(图2中①)和燃弧脉冲电流(图2中②)，其电流增长速度应分别为≮260KA/S.和≮330KA/S.；③脉冲基值Ib(图2)电流应处于较低水平(如小于100A)，而脉冲峰值电流IRM(图2)可达500A；④电流的输出不是固定的频率，应根据熔滴的空间状态而一一对应输出(为自适应控制系统)，即熔滴与熔池即将接触瞬间输出负增长的短路电流，短路小桥铺展完成时高速输出缩颈脉冲电流，缩颈一旦断裂，迅速输出燃弧脉冲(见图2)。依据上述原理制造的电源既不属于恒压电源，也不属于恒流源，当波形输出与熔滴空间状态有95％以上的完全对应率时，其飞溅率可降至2％以下，将可完全排除超窄间隙GMAW条件下焊接飞溅对焊矩工作可靠性的影响。

结合附图更具体的实施例作进一步说明如下：

附图1～附图7实施例中，弧焊电源1可购买商品的表面张力过渡电源，但必须满足熔滴的空间状态与图2所示的输出电流/电压波形能一一对应的基本条件，即熔滴与熔池接触之前输出I_b→I_d，t₁时段中短路小桥一消失即迅速输出I_SM脉冲，缩颈脉冲持续到缩颈小桥一形成即高速(400KA/S.)降低电流，缩颈小桥一旦断裂(t₂终点)即高速(330KA/S.)输出燃弧脉冲I_RM，固态焊丝端部的熔滴一形成(t₃期间，熔滴直径稍大于固态焊丝直径)即迅速降低到基值电流I_b以下并开始维弧周期(t₄期间)。

供气系统2为标准的工业气瓶与减压器。气体类型与流量选择应根据焊件钢种及接头性能要求而定。选择100％CO₂保护气体时，气体流量为15～20L/min；A_r+CO₂混合气体保护时，混合比例选80％A_r+20％CO₂，其流量在10～15L/min。还可选择Ar+CO₂混合气体。

柔性轨道3和永久磁刚4可选择美国BUG-O公司的商品化产品，折叠式提手7，丝盘8，送丝机构9均集成于自动焊小车上。可全部自行设计制造(均为通用工业技术)，也可在美国BUG-O全位置焊小车基础上加装焊枪高度调节组件6及送丝机构组件8，9。选用BUG-O自动焊小车型号为MDS-1001型，主要技术参数为：垂直提升载荷27kg，移动速度(焊接速度)范围5.1-304.8cm/min，运动轨迹类型为直线型。焊枪高度调节组件6中的拖动电机可选用美国AI公司的23D-6209混合式电机和CMD-50整/半步斩波驱动器。送丝机构组件9可选用美国linclon公司的LN-742型送丝系统。遥控盒10上应有以下基本功能：电源指示、焊接速度显示、焊枪高度跟踪状态(调节/非调节、调节方向)指示、焊枪高度人工给定调节和人工/自动状态给定、启焊开关和停焊开关。

控制箱16中，除装有焊接小车、送丝和焊枪高度调节拖动控制电路外，还应具有送气程序控制和自诊断控制功能(见图8)。

为减轻焊接小车的附加阻力，丝极电缆18可用水冷电缆，控制电缆17和地线电缆19在满足导电截面和抗干扰要求前提下，选择尽可能轻、软的产品。

图3、图4为焊丝居中无侧偏弧超薄型焊矩的横截面结构。焊炬本体14.1材料为T2纯铜；分段长度为20mm；结构厚度3mm，宽35mm；销钉21直径为φ2，材料可为18-8不锈钢；导气孔22短半轴为φ1，长半轴5.5mm；中心导丝结构24的导丝管的直径为φ2.2mm；导电嘴25用Cr-Zr-Cu制造，总长度为30mm，螺纹公称直径M2，伸出焊炬本体14.1外部分的安装平面应装配后(导电嘴紧密旋入焊炬本体14.1螺孔后)加工，导丝孔径为φ1.0mm。焊炬本体14.1左右侧面的矩形浅绝缘滚针槽26为横向跟踪用结构。

图5为超窄间隙熔化极气体保护弧焊时的坡口与组装尺寸。坡口面角α视板厚不同而别，一般为1°～2.5°。R＝3～5mm，P＝1.5～2.0mm，根部间隙b＝0～0.5mm。

图6、图7为采用0.8mmH08Mn2Si焊丝，采用下述工艺参数焊接时的焊道熔敷顺序。脉冲峰值电流I_RM＝480A，基值电流I_b＝60～75A，送丝速度V_f＝3.8～4.2m/min，焊接速度V_w＝0.2～0.3m/min，焊丝伸出长度L_s＝8～10mm，直流反极性，100％CO₂气体保护，气体流量20L/min。一般板厚30mm以下可采用单面焊，更大的板厚可采用双面焊。其中Wa为焊接热影响区宽度，该工艺时为0.6～1.2mm。

Claims (10)

1、一种超窄间隙超低线能量熔化极气体保护自动弧焊方法，其特征在于，它是在超窄间隙条件下采用熔化极气体保护弧焊及单丝居中无电弧侧偏工艺，还采用超低飞溅率波形控制脉冲逆变电源，使电流、电压的波形输出与熔滴空间状态接近完全对应。

2、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，超窄间隙为G≤6毫米。

3、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，单丝居中无电弧侧偏工艺中的焊炬(14)的本体(14.1)其材料为纯铜，可以是T₂纯铜，导电嘴的材料是Cr-Zr-Cu。

4、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，所述的保护气体是混合气体，该混合气体可以是100％CO₂气体，其流量为15-20L/min。

5、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，保护气体是Ar和CO₂混合气体，混合比例Ar≤80％，CO₂≥20％，流量为10-25L/min，或Ar+CO₂的混合气体。

6、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，电流、电压波形输出与熔滴空间状态完全对应率为不小于90％。

7、根据权利要求1所述的自动弧焊方法，其特征在于，所述的脉冲逆变电源，其脉冲峰值电流I_RM≤500A，基值电流I_b≤80A，焊接速度V≤5mm/s。

8、一种实现权利要求1所述的自动弧焊方法的自动弧焊设备，其特征在于，它包括电源(1)，供气系统(2)，自动弧焊小车(5)，送丝机构(9)，控制箱(16)，及焊炬(14)；所述的焊炬(14)包括焊炬本体(14.1)、导丝结构(24)和导气孔(22)，所述的焊炬本体(14.1)的厚度为≤5mm，其上有一中心导丝结构(24)，它包括一个可拆卸的长导丝管，嵌在焊炬本体(14.1)中，导丝管中心孔为导丝孔，在焊炬(14)宽度方向上有至少两个导气孔(22)，分布在导丝结构(24)两侧。

9、根据权利要求8所述的自动弧焊设备，其特征在于，所述的导丝结构(24)的导丝管为弹簧钢丝绕成的小管，或不锈钢管，外层涂有绝缘层，导气孔(22)为椭圆形。

10、一种与权利要求8所述的自动弧焊设备相配套使用的电源，其特征在于，所述的电源(1)为脉冲逆变电源，其技术参数是：

A、能在熔滴短路过渡时两个液态小桥(缩颈小桥和短路小桥)形成初期高速把电流水平降至适当水平，其降速分别为≮-50KA/S和≮400KA/S；

B、在短路小桥铺展完成(液态小桥直径大于固态焊丝直径)和缩颈小桥断裂后能高速输出缩颈脉冲电流和燃弧脉冲电流，其电流增长速度分别为≮260KA/S和330KA/S；

C、脉冲基值I_b电流应处于较低水平，通常小于100A，而脉冲峰值电流I_RM小于500A；

D、电流的输出频率为变动频率，是一种自适应控制电源，其电流和电压的输出能与熔滴的空间状态一一对应。

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