CN204353659U - 等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置，将等离子弧焊枪与熔化极电弧焊枪组成复合焊枪，两电弧焊枪分别与直流脉冲等离子弧焊接电源的负极和直流脉冲熔化极弧焊电源的正极相连，并同时与另一氩弧焊电源(TIG弧焊电源)的负极和正极相连，且等离子弧电源的负极和熔化极焊接电源的正极与工件相连。为防止焊接时等离子弧与熔化极电弧之间的电磁干扰，采用脉冲协调控制的方法，即当熔化极电弧电流波形为脉冲基值维弧时，等离子弧为脉冲峰值进行焊接，而当等离子弧电流波形处于脉冲基值时，熔化极电弧为脉冲峰值焊接电流，如此反复。本实用新型可以解决电弧之间电磁干扰大，参数调节复杂及电极烧损严重等问题。

Description

等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种焊接装置。

背景技术

由于成本低、操作简便、适应性强，钨极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MIG/MAG)、等离子弧焊(PAW)等传统电弧焊接工艺仍然在制造业中得到广泛应用。随着制造业对提高焊接效率和改善焊接质量的持续需求，将传统电弧焊接工艺与设备不断改进与发展至关重要。近年来，将两种或两种以上的热源结合起来形成一种复合焊接工艺，使热源间优势互补，可取代或改善常规电弧焊接工艺，提高产品制造质量。例如，荷兰PHILIPS公司提出的等离子-MIG复合焊与常规熔化极气体保护焊相比极大地提高了焊接效率，又避免了激光焊或激光-电弧复合焊时带来的成本高、工件尺寸易受限制等缺点，显示出其独特的优势。目前，等离子-MIG复合焊分为两种：同轴式与旁轴式。前者是等离子弧将MIG弧完全包裹，后者是一前一后燃烧，但两个电弧同时被同一保护气氛所保护，而旁轴式研究最为深入，最具为代表性的Super-MIG复合焊已成功应用焊接生产中。专利号CN103817449A提出了一种等离子弧焊和熔化极电弧复合焊接方法及焊接装置，其等离子喷嘴位于熔化极喷嘴前方，焊接时采用等离子弧在前方对工件进行局部预热或形成“小孔”焊接效应，采用熔化极电弧在后方将焊丝熔化并填充焊缝，从而提高焊接效率。等离子-MIG复合焊接优势突出但也存在一定问题，例如：焊接过程中，等离子弧和MIG电弧同时在焊枪内燃烧，对焊枪的设计要求非常高；焊接过程中的参数多，工艺参数的调节较为复杂。另外，同时产生的等离子弧与MIG电弧存在一定的电磁干扰，减少了等离子体电极的使用寿命。研究表明，电弧之间的电磁干扰会导致等离子弧刚度，电流密度等发生改变，导致焊接熔深及焊缝成形质量难以得到保证。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供解决电弧之间电磁干扰大，参数调节复杂及电极烧损严重等问题的等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置，其特征是：包括熔化极脉冲弧焊电源、直流等离子脉冲弧焊电源、TIG弧焊电源、送丝机构、第一电流信号检测装置、第二电流信号检测装置、脉冲协调控制器、等离子焊枪、熔化极焊枪；直流等离子脉冲弧焊电源的负极连接等离子焊枪，正极连接待焊工件，构成等离子焊接电流回路，在直流等离子脉冲弧焊电源负极和等离子焊枪之间设置高频引弧器以及检测流经等离子焊枪电流脉冲的第一电流信号检测装置；熔化极脉冲弧焊电源正极连接熔化极焊枪的焊丝导电嘴，负极连接待测工件，构成熔化极氩弧焊接电流回路，在熔化极脉冲弧焊电源正极和熔化极焊枪之间设置检测流经熔化极焊枪电流脉冲的第二电流信号检测装置；TIG弧焊电源的正极连接焊丝导电嘴，负极连接等离子焊枪，构成电弧热丝或分流旁路；脉冲协调控制器分别连接熔化极脉冲弧焊电源、直流等离子脉冲弧焊电源以及第一电流信号检测装置和第二电流信号检测装置，等离子焊枪与熔化极焊枪组成复合焊枪，它们轴线之间的夹角α为0-90°。

本实用新型还可以包括：

1、在TIG弧焊电源正极和焊丝导电嘴之间设置第三电流信号检测装置，脉冲协调控制器还连接TIG弧焊电源以及第三电流信号检测装置。

本实用新型的优势在于：

1、采用本实用新型等离子-熔化极电弧动态复合焊接，可在传统熔化极氩弧焊基础上将焊接速度提高2～3倍，极大提高焊接效率。可获得成形美观，焊接缺陷少，焊缝质量高的焊接接头。通过等离子与熔化极输入能量的比例控制焊缝的深宽比，可充分提高接头抗拉强度及延伸率。

2、焊接中采用脉冲协调控制的方法，减小了焊接时熔化极电弧与等离子弧的干扰程度，极大增加了焊接过程的稳定性。通过对熔化极电弧与等离子弧电流脉冲波形的调节，当等离子弧电流处于峰值时，TIG弧焊电源对焊丝进行预热，提高了焊丝的熔敷率，当熔化极电弧电流处于峰值时，等离子弧对熔化极电弧进行分流减小了母材热输入，同时减少熔化极电弧的飘移与拉断以及容易产生的飞溅，使得在高速焊接情况下保持电弧稳定燃烧，熔滴过渡稳定可控，从而保证了焊缝成形与质量。

3、焊接过程中，等离子电源为直流电源，避免了电流负半波期间对电极寿命带来的损害，以及对等离子焊枪的钨极烧损，也避免了焊接设备损坏的风险。另外，整体装置装配要求低，设备成本少，工艺稳定性好，自动化程度高。

4、焊接过程中，对于中厚板不开坡口或开小坡口，减少了焊接工序，减少了焊丝填充量，在降低生产成本的同时节省了材料。同时等离子-熔化极电弧动态复合焊接接头的热影响区窄，减少构件焊接的变形，即减少了矫正变形的工序，同时也降低了生产成本。

5、该系统焊接适应性强，可适应于搭接焊、熔透焊、连续焊或断续焊/点焊等过程，尤其对于中厚板的焊接优势最为明显。且焊接操作方便，维护运行费用低，广泛使用于金属材料的焊接，是一种高效、优质的焊接方法。

附图说明

图1a是等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置示意图；

图1b是等离子-熔化极电弧动态复合焊接脉冲电流信号示意图；

图1c是等离子-熔化极电弧动态复合焊接不同脉冲电流信号时间段内的电弧形态示意图；

图2a是等离子弧焊/等离子-熔化极间接电弧焊/熔化极电弧动态复合焊接装置示意图；

图2b是等离子弧焊/等离子-熔化极间接电弧焊/熔化极电弧动态复合焊接脉冲电流信号示意图；

图2c是等离子弧焊/等离子-熔化极间接电弧焊/熔化极电弧动态复合焊接不同脉冲电流信号时间段内的电弧形态。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

具体实施方式一：

图1a、图1b、图1c是等离子-熔化极动态电弧复合焊接装置实施的原理图，该焊接装置主要由熔化极脉冲弧焊电源1、直流等离子脉冲弧焊电源8、TIG弧焊电源5、送丝机构3、电流信号检测装置2和6、脉冲协调控制器4、等离子焊枪10以及熔化极焊枪13等构成。焊接时，将等离子弧焊枪10与熔化极焊枪13组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角α为0-90°，等离子电源8在负极 连接电流信号检测装置6并连接等离子焊枪10，正极连接工件9构成等离子焊接电流回路；而熔化极弧焊电源1正极连接电流信号检测装置2并连接熔化极焊枪13的焊丝导电嘴，负极连接工件9构成熔化极氩弧焊接电流回路；TIG弧焊电源5的正极连接焊丝导电嘴，负极连接等离子焊10枪构成电弧热丝或分流旁路，来提高焊丝熔化效率，减小母材热输入与热影响区。焊接过程中，通过电流信号检测装置2和6分别检测流经熔化极电弧与等离子弧的电流脉冲，输入脉冲协调控制器4对两电弧的电流脉冲信号波形进行协调，并由其控制熔化极脉冲弧焊电源1与等离子脉冲弧焊电源8电流信号脉冲输出，进而实现等离子-热丝焊、旁路分流熔化极电弧焊之间的动态电弧复合焊接，实现高效、优质的焊接过程。

基于本实施方式的等离子-熔化极电弧动态复合焊接方法步骤如下：

步骤1：将待焊工件9安装定位就绪，将复合焊枪置于待焊处上方，并沿焊接方向置于同一水平线，即等离子焊枪10位于熔化极焊枪13前方，两焊枪轴线之间的夹角α为0-90°。等离子焊枪10可以垂直于待焊工件，也可于待焊工件之间存在一定的夹角。按图1a、图1b、图1c所示方法连接焊接实验设备与装置。

步骤2：根据焊接工艺要求，调节工件位置、两焊枪间距及夹角、焊枪与工件间距及夹角等参数。根据焊接要求，设定脉冲峰值电流、基值电流、电弧电压、保护气体流量、脉冲频率、焊接速度等各项焊接工艺参数。焊接前，分别打开三个焊接电源，将熔化极电源1和等离子电源8的电流脉冲频率、占空比设为一致，TIG弧焊电源采用直流无脉冲，启动高频引弧器7引燃等离子电弧。

步骤3：焊接过程中，利用电流信号检测器2测量熔化极焊枪13的电弧脉冲波形，当检测到熔化极电弧的电流处于脉冲基值时Im2，采用脉冲协调控制器4将等离子弧的电流脉冲调节为脉冲峰值Ip1，利用等离子弧在工件上生成“匙孔”进行深熔焊，通过TIG弧焊电源5形成热丝电弧12对填充焊丝预热从而进行高效填充，即等离子-热丝焊。

步骤4：经过设定的同步电流脉冲时间tp，当检测到熔化极电弧的电流处于脉冲峰值Im1时，采用脉冲协调控制器4将等离子弧的电流脉冲调节为脉冲 基值Ip2，实现熔敷金属的填充和盖面，旁路等离子弧与熔化极电弧形成耦合电弧11，实现更高的焊丝填充效率和较低的母材焊接热输入的焊接，同时可降低热影响区提高焊接质量。

步骤5：由于等离子和熔化极的电流脉冲频率一致，而两者电流脉冲波形的相位相差180°，再经过设定的同步脉冲频率tm时间，可重复步骤3和4的焊接过程，即进行等离子弧-热丝焊、等离子分流熔化极电弧焊之间的动态电弧复合焊接之间的转换，同时可通过分别改变等离子弧与熔化极电弧电流信号的峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，实现高效高质的焊接过程，直至焊接结束。

具体实施方式二：

图2a、图2b、图2c是等离子弧焊/等离子-熔化极间接电弧焊/熔化极电弧动态复合焊接装置实施的原理图，该焊接装置主要由脉冲熔化极弧焊电源1、直流脉冲等离子弧焊电源8、TIG弧焊电源5、送丝机构3、电流脉冲信号检测装置2、6和14、脉冲协调控制器4、等离子弧焊枪10以及熔化极焊枪13等构成。焊接时，将等离子弧焊枪10与熔化极焊枪13组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角α为0-90°，熔化极弧焊电源1的正极连接电流信号检测装置2并连接熔化焊枪13的焊丝导电嘴，负极连接工件9构成熔化极焊接电流回路；等离子电源8的负极连接电流信号检测装置6并与等离子焊枪10相连，正极连接工件9构成等离子焊接电流回路；TIG弧焊电源5的正极连接电流信号检测装置14并与焊丝导电嘴相连，负极连接等离子弧焊枪10构成等离子-熔化极间接电弧焊接回路，实现焊丝的高效填充，降低母材热输入，减少焊接变形和热影响区。焊接过程中，通过电流信号检测装置2、6和14分别检测流经熔化极回路，等离子回路及等离子-熔化极间接电弧焊接回路电流脉冲信号波形，输入脉冲协调控制器4进行协调，并由其控制熔化极电源1、等离子电源8和TIG弧焊电源5的电流脉冲信号输出，进而调节等离子弧焊、等离子-熔化极间接电弧焊、熔化极电弧焊之间的动态电弧复合焊接，在增加焊接熔深、提高焊丝熔化效率的同时，又减少了热输入和焊接变形，且焊接飞溅显著减小，是一种高效、可控的焊接方法。

基于本实施方式的等离子弧焊/等离子-熔化极间接电弧焊/熔化极电弧动 态复合焊接方法步骤如下：

步骤1：将待焊工件9安装定位就绪，将复合焊枪置于待焊处上方，并沿焊接方向置于同一水平线，等离子焊枪10处于熔化极电弧焊枪13前方，两焊枪轴线之间的夹角α为0-90°。等离子焊枪可以垂直于待焊工件，也可于待焊工件之间存在一定的夹角。按图2a、图2b、图2c所示方法连接实验设备与装置。

步骤2：根据焊接工艺要求，调节工件位置、两焊枪间距及夹角，焊枪与工件间距及夹角等工艺参数。根据焊接要求，设定脉冲峰值电流、基值电流、电弧电压、保护气体流量、脉冲频率、焊接速度等各项焊接工艺参数。焊接前，分别打开三个焊接电源，将熔化极电源1、等离子电源8、TIG弧焊电源5的电流脉冲频率、占空比设为一致，启动高频引弧器7引燃等离子电弧15。

步骤3：焊接过程中，利用电流信号检测装置2和14检测TIG弧焊电源5的脉冲电流信号为脉冲基值It2和熔化极焊枪10电弧脉冲电流信号为脉冲基值Im2时，采用脉冲协调控制器4将等离子弧15的电流脉冲调节为脉冲峰值Ip1，利用等离子电弧15在工件上生成“匙孔”进行深熔焊，即进行等离子焊。

步骤4：经过设定的同步脉冲频率tp时间，当检测到熔化极电弧17的电流处于脉冲峰值Im1时，采用脉冲协调控制器4将等离子弧15的电流脉冲调节为脉冲基值Ip2，此时TIG弧焊电源5电流脉冲信号仍处于基值维弧电流It2，进行熔化极电弧焊，实现工件的“阴极清理”和高效填丝焊接。

步骤5：再经过设定的同步脉冲频率tm时间，当检测熔化极电弧17的电流处于脉冲基值Im2和等离子弧15的电流处于脉冲基值Ip2时，采用脉冲协调控制器4将TIG氩弧电源5的电流脉冲调节为脉冲峰值It1，此时形成等离子熔化极间接耦合电弧16，进行等离子-熔化极间接电弧焊，实现焊丝的高效填充，降低母材热输入，减少焊接变形和热影响区。

步骤6：由于熔化极电源1、等离子电源8、TIG弧焊电源5的电流脉冲频率、占空比设为一致，而三者之间的电流脉冲波形的相位差为180°，再经过设定的同步脉冲频率tg时间，可重复步骤3、4和5的焊接过程，即进行等离子弧焊、等离子-熔化极间接电弧焊、熔化极电弧焊的动态电弧复合焊接之间的转换，同时可通过分别改变等离子弧15、熔化极电弧17、TIG间接复合电弧16 的电流信号的峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，实现高效、优质的焊接过程，直至焊接结束。

本实用新型提出了一种等离子-熔化极电弧动态复合焊接新技术，即将等离子弧焊枪与熔化极电弧焊枪组成复合焊枪，两电弧焊枪分别与直流脉冲等离子弧焊接电源的负极和直流脉冲熔化极弧焊电源的正极相连，并同时与另一氩弧焊电源(TIG弧焊电源)的负极和正极相连，且等离子弧电源的负极和熔化极焊接电源的正极与工件相连。为防止焊接时等离子弧与熔化极电弧之间的电磁干扰，采用脉冲协调控制的方法，即当熔化极电弧电流波形为脉冲基值维弧时，等离子弧为脉冲峰值进行焊接，而当等离子弧电流波形处于脉冲基值时，熔化极电弧为脉冲峰值焊接电流，如此反复。此外，氩弧焊电源既可以对填充焊丝进行预热，也可作为旁路进行分流。这样通过合理协调等离子弧与熔化极电弧焊的电流脉冲波形，可实现等离子-热丝焊、旁路分流熔化极电弧焊等焊接方式之间的相互转变。焊接时，首先利用等离子弧在工件上生成“匙孔”进行深熔焊，通过弧焊电源对填充焊丝的预热进行高效填充，然后利用等离子分流熔化极电弧焊方式实现更高的焊丝填充效率和较低的焊接热输入，可实现中厚板金属的高效、低热输入焊接。由于直流反接的熔化极电弧具有阴极清理作用，该工艺不仅适合钢、铁等黑色金属的焊接，还适合铝、镁、铜等有色金属的高质量连接。此外，如果氩弧焊电源采用直流脉冲模式，通过协调等离子、熔化极电弧、氩弧焊的电流脉冲波形，可实现等离子弧焊、等离子-熔化极间接电弧焊、熔化极电弧焊等焊接模式的转变，在增加焊接熔深、提高焊丝熔化效率的同时，又减少了工件的焊接变形和热影响区，且焊接飞溅显著减小，是一种高效、优质和高可靠性的焊接方法。

本实用新型由等离子弧焊电源、等离子焊枪、熔化极弧焊电源及焊枪，TIG弧焊电源、高频引弧器、电流脉冲信号检测与协调控制装置等组成。焊接前，将等离子焊枪与熔化极电弧焊枪组成复合焊枪，两焊枪轴线之间的夹角α为0-90°，熔化极弧焊电源的正极连接熔化极焊枪的焊丝导电嘴，等离子电源的负极与等离子焊枪相连，TIG弧焊电源的正、负极分别与焊丝导电嘴和等离子弧焊枪相连。这样等离子电源的负极连接等离子焊枪，正极连接工件构成等离子焊接电流回路；而熔化极弧焊电源正极连接熔化极焊枪的焊丝导电嘴，负极 连接工件构成熔化极氩弧焊接电流回路；TIG弧焊电源的正极连接焊丝导电嘴，负极连接等离子焊枪构成电弧热丝或分流旁路，来提高焊丝熔化效率，减小母材热输入与热影响区。焊接过程中，通过电流信号检测装置测量等离子弧焊的电流波形，进而利用脉冲控制器来调节熔化极电弧焊的电流波形，即当检测到等离子弧电流处于脉冲峰值时，脉冲协调控制器将熔化极电弧调节为基值维弧电流，而当等离子弧为基值维弧电流时，熔化极电弧调节为峰值焊接电流，如此反复。此外，将氩弧焊电源的正、负极分别与熔化极焊枪和等离子焊枪相连，既可对填充焊丝进行预热，也可作为旁路进行分流。这样通过合理协调等离子弧与熔化极电弧的电流脉冲波形，可实现等离子-热丝焊、旁路分流熔化极电弧焊等方式的动态电弧复合焊接。焊接时，首先利用等离子-热丝焊来实现大熔深和高效填充，再利用等离子分流熔化极电弧焊的方式来获得更高的焊丝填充效率和较低的焊接热输入，可实现中厚板金属的高效、低热输和高质量焊接。此外，如果氩弧焊电源采用了直流脉冲模式，通过协调等离子、熔化极电弧、氩弧焊三者之间的电流脉冲波形，可实现等离子弧焊、等离子-熔化极间接电弧焊、熔化极电弧焊等方式的动态电弧复合焊接。由于采用了脉冲协调控制方法，可避免等离子弧与熔化极电弧之间的电磁干扰，在很大程度上减小等离子电极的烧损，保证了电弧的稳定性和焊接质量，避免了焊缝成形缺陷的产生。而且，此焊接方法可降低了对焊枪一体化设计的要求，且焊接参数灵活可调，极大提高了焊接的灵活性与焊接效率，是一种高效、低热输入的焊接方法。

Claims (2)

1.等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置，其特征是：包括熔化极脉冲弧焊电源、直流等离子脉冲弧焊电源、TIG弧焊电源、送丝机构、第一电流信号检测装置、第二电流信号检测装置、脉冲协调控制器、等离子焊枪、熔化极焊枪；直流等离子脉冲弧焊电源的负极连接等离子焊枪，正极连接待焊工件，构成等离子焊接电流回路，在直流等离子脉冲弧焊电源负极和等离子焊枪之间设置高频引弧器以及检测流经等离子焊枪电流脉冲的第一电流信号检测装置；熔化极脉冲弧焊电源正极连接熔化极焊枪的焊丝导电嘴，负极连接待测工件，构成熔化极氩弧焊接电流回路，在熔化极脉冲弧焊电源正极和熔化极焊枪之间设置检测流经熔化极焊枪电流脉冲的第二电流信号检测装置；TIG弧焊电源的正极连接焊丝导电嘴，负极连接等离子焊枪，构成电弧热丝或分流旁路；脉冲协调控制器分别连接熔化极脉冲弧焊电源、直流等离子脉冲弧焊电源以及第一电流信号检测装置和第二电流信号检测装置，等离子焊枪与熔化极焊枪组成复合焊枪，它们轴线之间的夹角α为0-90°。

2.根据权利要求1所述的等离子-熔化极电弧动态复合焊接装置，其特征是：在TIG弧焊电源正极和焊丝导电嘴之间设置第三电流信号检测装置，脉冲协调控制器还连接TIG弧焊电源以及第三电流信号检测装置。