CN107570900B - 一种高频-电弧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频‑电弧复合焊接方法，该方法复合了电弧焊和高频焊两种焊接方法，在电弧焊接同时对工件馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝侧壁内部产生高频电阻热，将一部分焊接能量直接馈至母材待焊面，可突破传统电弧焊接由热传导机制决定的熔深小和焊接速度慢的局限，大幅增加焊接熔深和焊接效率。同时高频电流产生的高频交变磁场对熔池金属有一定的搅拌激荡作用，有利于改善焊缝组织和焊缝成形。另外，该方法还可用于异种金属熔钎焊、钎焊:在使用钎剂的焊接过程中，该方法能有效地改善钎剂的去膜作用，极大地促进钎料金属在母材表面尤其是母材背面的润湿和铺展，改善焊缝成形。
Description
技术领域
本发明属于技术材料加工焊接技术领域，具体涉及一种高频-电弧复合焊接方法。
背景技术
电弧焊接作为应用最广泛、应用量最大的焊接方法，具有设备简单，成本低廉、操作方便等优势，是其他焊接方法难以企及的，造就了其在焊接生产中不可替代的地位。随着现代工业的发展，新材料及大厚结构的不断应用，工业生产对焊接效率和质量的要求越来越高。传统电弧焊是典型的热传导型焊接方法，对工件的加热依赖热量传导，热量在工件中的传导速率因材料本身的性质而异且需要一定的时间，熔深因此受到热传导效率的限制，往往只能通过增大热输入、降低焊速等手段来保证焊缝成形。这在很大程度上限制了电弧焊接能力和效率的提高，决定了其难以实现低热输入，大深宽比焊接，无法完全满足现代制造业的要求。近年来，高能量密度焊接热源如等离子弧、激光、电子束等逐渐推广应用。这类焊接技术在原理上有别于传统电弧焊接，往往在焊接过程中利用小孔效应形成深熔焊，具有较高的焊接能力和较高的生产效率，但在焊接结构和环境条件的适应性方面不同程度地存在局限性且价格昂贵，仍无法完全取代电弧焊接。如何降低传统电弧焊的热输入，提高其焊接效率和焊接能力仍是备受关注的问题。
关于提高电弧焊接深宽比及焊接效率的相关专利，如专利号为CN101190484，名称为“大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺”，公开了一种通过向氦基惰性保护气体中加入微量活性气体(氧气或二氧化碳)，在焊接过程中微量活性气体分解并向液态焊接熔池溶解，调整熔池中活性组元氧的含量，改变熔池表面张力温度梯度系数和熔池对流方向，从而控制熔池内热对流和热传播方向，获得高深宽比熔池形貌，提高焊接效率的焊接方法。又如专利号CN10351711A，发明专利名称为“一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法”，公开了一种 通过多热源复合实现中厚板对接一次性单面填充焊接的方法，可提高焊接效率，减小焊接变形，减小残余应力，提高焊接接头的质量。类似的专利并未涉及电弧焊接导热机制的改变，从而在提高焊接熔深及焊接效率方面的效果有限，不能从根本上解决电弧焊接因其热传导机制决定的局限性。
高频焊以固体电阻热为能源，利用高频电流的集肤效应和邻近效应在工件内产生的电阻热使工件焊接区表层加热到熔化或接近的塑性状态，随即施加顶锻力而实现金属的结合，是20世纪初由低频和中频技术发展而来的一种机械化、自动化焊接方法。由于高频电流具有很强的趋肤效应和邻近效应，焊接过程中集中在焊缝两侧的母材端面，能量高度集中，加热十分迅速，焊速可高达150-200m/min，且热影响区很小。如此高的焊接效率是其他焊接方法无法匹敌的。然而传统高频焊需要外加的顶锻力作用于焊缝两侧母材，使待焊面在高温下受挤压形成结合，因此在焊接结构和焊接质量等方面具有很大的局限性，难以得到普遍应用。本发明结合传统电弧焊和高频焊的特点，将两种焊接方法进行复合，取长补短，提出一种低成本、低热输入、强焊接能力的高效复合焊接方法。
关于高频焊接与其他焊接形式的复合焊接方法，如专利（文件号CN103212781A）“高频接触-搅拌摩擦复合焊接装置及焊接方法”公开了一种将高频接触焊接与搅拌摩擦焊接相结合的复合焊接装置和方法。该发明利用高频电流对搅拌针前方工件待焊面进行预热，无需集流环等为搅拌头进行通电加热的装置，提前加热软化高熔点高硬度被焊金属，辅助搅拌摩擦焊接的顺利进行，提高搅拌针的使用寿命。本发明专利所提出的高频-电弧复合焊接方法与上述发明提出的方法是两种完全不同的复合焊接方法，本发明中高频电流对焊接过程的作用及解决的问题也与该发明完全不同。目前尚无关于高频接触焊接与电弧焊接的结合的报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高频-电弧复合焊接方法，所述方法结合电弧焊和高频焊两种焊接方法，在电弧焊接同时对工件馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝侧壁母材直接产生高频电阻热而被快速加热，降低电弧焊的热输入需求，增加焊接熔深，提高焊接效率，增加电弧焊接的焊接能力；
进一步地，所述方法中的高频电流馈入形式为接触式高频馈电或感应式高频馈电，其中接触式高频馈电所使用的两个接触电极为滑块式或滚轮式，材质为铜或其他导电性能优异的金属或合金，两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与电弧焊枪同步运行；管件直缝焊接时可采用感应高频馈电方式，感应式高频馈电的加热线圈为中空铜管，将加热线圈通水冷却后，与被焊管件同轴，在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与电弧焊枪同步运行；
进一步地，所述电弧焊接为熔化极气体保护电弧焊或非熔化极气体保护电弧焊，其中熔化极气体保护电弧焊具体包括MIG、MAG和二氧化碳保护焊，非熔化极气体保护电弧焊包括TIG和等离子弧焊，所述焊接电源为直流、交流或者脉冲；
进一步地，所述高频-电弧复合焊接使用的高频电源的频率范围为50~1000kHz；
进一步地，高频电流通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与电弧焊枪中心的距离为1~20cm；
进一步地，所述方法包括以下步骤：
（1）将被焊工件以待焊面平行于工作台空槽的方式安置于工作台上，预留焊缝间隙，并利用工装压紧；
（2）电弧焊枪置于焊缝间隙中心上方，两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与电弧焊枪保持相同距离；
（3）焊接开始时，首先引燃电弧，熔化焊丝，形成焊点导通两块工件，此时开起高频电源将高频电馈入工件，同时开动工作台，并保持电弧焊枪与接触电极空间同步运行 ；
（4）当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，但保持工作台与电弧焊枪继续相对运动；
（5）当电弧焊枪运行至工件端部时，切断弧焊电源，完成焊接过程；
其中，焊接的工艺参数范围为：电弧电压：10-30V，送丝速度2-20m/min，焊接电流60-200A，保护气流量15-25L/min，高频电源输出功率1-50kW，焊接速度10-200mm/s；
本发明的有益效果如下：
1）相较于传统高频焊，本发明焊接过程中无需顶锻压力的辅助便可实现连接，因此可以被应用于平板、管件等多种形式工件的焊接；
2）相较于传统热传导机制的弧焊，本发明中高频电流在工件内部产热，无需热传导过程，加热更加直接迅速，从原理上突破了电弧焊接热传导本质决定的局限性，能够应对超高速焊接的能量需求，提高电弧焊焊接效率，同时，由于高频电流的趋肤效应和邻近效应，两块工件的待焊侧面产生集中于表面的电阻热，加热区域集中，热影响区较普通电弧焊接小；
3）高频电流集中分布于焊缝两侧母材的焊接端面，同时，所述的高频电流可通过两个接触电极从正面或反面馈入，可最大限度地减小焊缝熔深方向上的温度梯度，解决了对接焊时背面热量不足的问题，克服传统弧焊由其热传导机制决定的局限性，促进接头的均匀化，提高焊接熔深，适合大厚板件的焊接，增加弧焊的焊接能力；
4）本发明有利于实现低热输入下的单面焊双面成形；
5）本发明所述方法操作容易，可适用于熔化焊、钎焊及熔钎焊等焊接形式；
6）本方法应用于异种金属熔钎焊时，高频电流加热的区域包含了焊接熔池前方一定范围，对于异种金属熔钎焊尤其是使用钎剂的焊接过程有一个预热作用，通过高频电流的高效高速预热，可以让熔池前方的母材温度又一个明显的温升，同时钎剂得以提前熔化，从而有利于钎料金属在母材上的润湿铺展；同时，产生的高频电阻热与两种母材的电阻率相关，往往有很大区别，将不同的高频功率与电弧焊接功率进行组合可以获得两种母材各种不等比例的热输入，从而满足异种金属熔钎焊时两种母材对热输入的不同要求；无需励磁装置、预镀层，也无需采用背部成形槽对焊缝背面强制成形，便可实现异种金属材料对接熔钎焊单面焊双面成形；
7）本发明中所述的弧焊焊接热源也可以为熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊等电弧热源；本发明也可应用于异种材料、复合材料、非金属导电材料等领域的熔化焊、钎焊以及熔钎焊连接中。
附图说明
图1为本发明所述的高频-熔化极气体保护电弧复合焊接装置的结构示意图；
其中，工作台1、接触电极2、电弧焊枪3、被焊工件4、焊缝间隙5、高频电源6、工作台空槽7；
图2为本发明所述的高频-电弧复合焊接装置采用非熔化极气体保护电弧热源的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1-图2所示，本发明提供一种高频-电弧复合焊接方法，所述方法结合电弧焊和高频焊两种焊接方法，在电弧焊接同时对工件馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝侧壁母材直接产生高频电阻热而被快速加热，降低电弧焊的热输入需求，增加焊接熔深，提高焊接效率，增加电弧焊接的焊接能力，所述方法中的高频电流馈入形式为接触式高频馈电或感应式高频馈电，其中接触式高频馈电所使用的两个接触电极为滑块式或滚轮式，材质为铜或其他导电性能优异的金属或合金，两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与电弧焊枪同步运行；管件直缝焊接时可采用感应高频馈电方式，感应式高频馈电的加热线圈为中空铜管，将加热线圈通水冷却后，与被焊管件同轴，在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与电弧焊枪同步运行，所述电弧焊接为熔化极气体保护电弧焊或非熔化极气体保护电弧焊，其中熔化极气体保护电弧焊具体包括MIG、MAG和二氧化碳保护焊，非熔化极气体保护电弧焊包括TIG和等离子弧焊，所述焊接电源为直流、交流或者脉冲，所述高频-电弧复合焊接使用的高频电源的频率范围为50~1000kHz，高频电流通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与电弧焊枪中心的距离为1~20cm，所述方法包括以下步骤：
（1）将被焊工件以待焊面平行于工作台空槽的方式安置于工作台上，预留焊缝间隙，并利用工装压紧；
（2）电弧焊枪置于焊缝间隙中心上方，两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与电弧焊枪保持相同距离；
（3）焊接开始时，首先引燃电弧，熔化焊丝，形成焊点导通两块工件，此时开起高频电源将高频电馈入工件，同时开动工作台，并保持电弧焊枪与接触电极空间同步运行 ；
（4）当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，但保持工作台与电弧焊枪继续相对运动；
（5）当电弧焊枪运行至工件端部时，切断弧焊电源，完成焊接过程；
其中，焊接的工艺参数范围为：电弧电压：10-30V，送丝速度2-20m/min，焊接电流60-200A，保护气流量15-25L/min，高频电源输出功率1-50kW，焊接速度10-200mm/s。
如图1所示，本发明复合焊接装置包括工作台1、两个滑动接触电极2、电弧焊枪3(熔化极气体保护焊枪或非熔化极气体保护焊枪)、高频电源6。将两块被焊工件4以待焊面平行于工作台空槽7放置于工作台1中间，待焊面之间预留一定的焊缝间隙5。电弧焊枪3置于焊缝间隙5中心上方，两个接触电极2分置于两块被焊工件4上并与电弧焊枪3保持相同距离，将其连接至高频电源6，并使其与被焊工件4形成接触导电。焊接前，将被焊工件4紧固于焊接工作台1之上，先引燃焊枪电弧，熔化焊丝形成焊点（非熔化极气体保护焊时需同时送进焊丝9），此时开启高频电源6，将高频交流电通过接触电极2馈入被焊工件中。形成回路时，任意时刻被焊工件的待焊面两侧电流方向相反，在高频电流趋肤效应和邻近效应的作用下，高频电流仅沿着待焊表面流动，并流经焊接熔池，产生高频电阻热集中于这些区域。与此同时开动工作台使被焊工件4与电弧焊枪3相对运动，两个接触电极2与电弧焊枪3保持空间同步。接触电极2始终位于电弧焊枪3的前面一段距离，以保证高频电流趋肤效应和邻近效应的产生，并对被焊工件待焊面有一定的预热作用，且预热范围集中，升温迅速，对于不同材质的被焊工件，可以通过调节接触电极与电弧焊枪之间的距离调整预热范围。
当接触电极2运行至工件的端部时，切断高频电源6。工作台继续运行至电弧焊枪行至工件端部时停止。本发明中，接触电极2可为滑块形式或滚轮形式，材质为铜或其他导电性能优良的金属合金，与传统高频接触焊电极相似，接触面积取决于使用电流的大小，一般在50mm2以上，大电流馈入应适当增大接触面积，减小接触电阻。高频电源6的输出电流频率范围100KHz-1MHz，频率越高，趋肤效应和邻近效应越明显。对于较厚的工件，可以适当降低频率，使厚度方向上加热更加均匀。对于不同材质的工件，若热导率都较好，则应增大频率，减小热量的扩散；若热导率均较差，则可以降低频率，保证均匀性。同时，高频电流也可从工件反面馈入，更大限度地减小焊接熔深方向上的温度梯度。
实施例1：
3.5mm厚碳钢Q235-b对接焊。高频-熔化极气体保护电弧复合焊接参数为：焊缝间隙5控制在0.8mm，焊接速度25mm/s（1500mm/min），高频电源输出电流频率600kHz，阳极电压5kV，阳极电流2A，电弧焊机焊接电压20V，电流170A，送丝速度16m/min，保护气为氩气，流量15L/min，焊丝为直径1.0mm的ER50-6低碳钢焊丝。高频-非熔化极气体保护电弧复合焊接参数为：焊缝间隙5控制在0.8mm，焊接速度10mm/s（600mm/min），高频电源输出电流频率600kHz，阳极电压5kV，阳极电流2A，电弧焊机焊接电压10V，电流120A，送丝速度8m/min，保护气为氩气，流量15L/min，焊丝为直径1.0mm的ER50-6低碳钢焊丝。由此所得焊缝连续无缺陷，焊接接头均断裂于母材（非热影响区），接头平均抗拉强度达到390MPa。
实施例2：
3.0mm厚碳钢Q235-b和3.0mm 1060纯铝对接熔钎焊，高频-熔化极气体保护电弧复合详细参数如下：焊缝间隙5控制在0.8mm，焊接速度20mm/s（1200mm/min），高频电源输出电流频率600kHz，阳极电压2kV，阳极电流0.5A，电弧焊机焊接电压13V，电流110A，送丝速度11m/min，保护气为氩气，流量15L/min，焊丝为直径0.8mm的ER4043铝硅合金焊丝。高频-非熔化极气体保护电弧复合详细参数如下：焊缝间隙5控制在0.8mm，焊接速度10mm/s（600mm/min），高频电源输出电流频率600kHz，阳极电压2kV，阳极电流0.5A，电弧焊机焊接电压10V，电流100A，送丝速度6m/min，保护气为氩气，流量15L/min，焊丝为直径0.8mm的ER4043铝硅合金焊丝。由此所得焊缝连续无缺陷，焊接接头均断裂于铝侧母材热影响区，接头平均抗拉强度达到80MPa。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种高频-电弧复合焊接方法，其特征在于，所述方法结合电弧焊和高频焊两种焊接方法，在电弧焊接同时对工件馈入高频电流，利用高频电流强烈的趋肤效应和邻近效应，使熔池及熔池前沿的焊缝侧壁母材直接产生高频电阻热而被快速加热，降低电弧焊的热输入需求，增加焊接熔深，提高焊接效率，增加电弧焊接的焊接能力，所述方法中的高频电流馈入形式为接触式高频馈电，接触式高频馈电所使用的两个接触电极为滑块式或滚轮式，材质为铜或其他导电性能优异的金属或合金，两个接触电极在焊接方向上位于电弧焊枪之前，在焊接过程中与电弧焊枪同步运行；其中，焊接的工艺参数范围为：电弧电压：10-30V，送丝速度2-20m/min，焊接电流60-200A，保护气流量15-25L/min，高频电源输出功率1-50kW，焊接速度10-200mm/s；
所述方法包括以下步骤：
(1)将被焊工件以待焊面平行于工作台空槽的方式安置于工作台上，预留焊缝间隙，并利用工装压紧；
(2)电弧焊枪置于焊缝间隙中心上方，两个接触电极分别压紧至两块被焊工件上形成良好接触并与电弧焊枪保持相同距离；
(3)焊接开始时，首先引燃电弧，熔化焊丝，形成焊点导通两块工件，此时开起高频电源将高频电馈入工件，同时开动工作台，并保持电弧焊枪与接触电极空间同步运行；
(4)当接触电极运行至工件端部时，切断高频电源，但保持工作台与电弧焊枪继续相对运动；
(5)当电弧焊枪运行至工件端部时，切断弧焊电源，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电弧焊接为熔化极气体保护电弧焊或非熔化极气体保护电弧焊，其中熔化极气体保护电弧焊具体包括MIG、MAG和二氧化碳保护焊，非熔化极气体保护电弧焊包括TIG和等离子弧焊，所述焊接电源为直流、交流或者脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频-电弧复合焊接使用的高频电源的频率范围为50～1000kHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高频电流通过两个接触电极从工件正面或反面馈入，两个接触电极的对称中心与电弧焊枪中心的距离为1～20cm。
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