CN107855629A - 脉冲复合磁场辅助gmaw高速焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接方法及装置，装置包括直流脉冲可调励磁电源和脉冲复合磁场发生装置，直流脉冲可调励磁电源与脉冲复合磁场发生装置连接，脉冲复合磁场发生装置包括GMAW焊枪，以及设置于其外沿的导磁铁芯，导磁铁芯包括多个磁极，磁极磁头沿GMAW焊枪圆周排列，导磁铁芯上部相对于GMAW焊枪中心线具有一夹角，且缠绕有励磁线圈，通过控制熔滴金属和焊接电弧沿焊接方向的倾斜角度以及左右摆动的幅度、频率以及在焊缝两侧的停留时间，实现改善熔池液态金属横向铺展和后向流动，在一定的焊接参数和磁场参数下，达到消除咬边和驼峰缺陷的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接方法及装置。
背景技术
焊接工艺对装备制造业产品的最终质量和生产效率有着举足轻重的影响。目前，熔化极气体保护焊(GMAW)在各类焊接技术的应用中居于主导地位。提高其焊接速度，是提高焊接生产率的主要途径。但实际生产经验证明：当GMAW焊接速度达到0.6m/min后，焊缝出现咬边缺陷；当焊接速度进一步提高时还会诱发驼峰缺陷。咬边和驼峰缺陷的出现，严重降低了接头的力学性能，限制了焊接速度的提高，成为企业提高焊接生产率的瓶颈。
利用外加磁场改善电弧焊焊接工艺，具有成本低、附加耗能少、易操作等优点，已成为一种先进焊接技术。目前，磁控高速TIG焊接工艺和磁控高效GMAW焊接工艺已取得阶段性成果。专利CN101767246B采用横向直流磁场，控制TIG电弧前倾角度，提高TIG焊焊接速度；专利CN1369347A、CN 100411799 C、CN104475923 A均采用纵向磁场压缩电弧，进而改善熔滴过渡的稳定性，提高GMAW熔敷效率；CN104816079B采用三对电极产生连续横向旋转磁场，改善熔池液态金属与母材和周围环境的热交换，改善焊缝组织；CN102725091A采用平行磁场，促使电弧横向摆动，用于深坡口焊接。但磁控高速GMAW焊接工艺仍处于起步阶段。高速GMAW过程中，熔池形态，尤其是熔池液态金属横向铺展和后向流动的状态，是决定咬边和驼峰缺陷产生与否的关键性因素。但是，目前尚未研发出适用的外加磁场装置来同时实现对熔池液态金属横向铺展和后向流动状态的针对性调控。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接方法及装置，本发明基于全数字化弧焊，利用可控脉冲复合磁场发生系统与焊枪相结合，从周期性调控电弧、熔滴运动轨迹的角度，改善高速焊熔池内液态金属的横向铺展和纵向流动，实现同时抑制高速焊咬边和驼峰缺陷的目标。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，包括直流脉冲可调励磁电源和脉冲复合磁场发生装置，所述直流脉冲可调励磁电源与脉冲复合磁场发生装置连接，所述脉冲复合磁场发生装置包括GMAW焊枪，以及设置于GMAW焊枪外沿的导磁铁芯，所述导磁铁芯包括多个磁极，磁极磁头沿GMAW焊枪圆周排列，导磁铁芯上部相对于GMAW焊枪中心线具有一夹角，且缠绕有励磁线圈。
进一步的，所述直流脉冲可调励磁电源为脉冲复合磁场发生装置提供双路波形、大小、频率、占空比和/或偏置可调的直流脉冲电源。
进一步的，所述磁极为三个，且磁极磁头连线成45°-90°排列。
进一步的，所述夹角为30°-60°，优选为45°。
进一步的，所述励磁线圈绕在导磁铁芯上部框架的外边面上。
进一步的，所述导磁铁芯为电磁软铁。
基于上述装置的焊接方法，将脉冲复合磁场发生装置夹持于焊枪保护嘴上，直流脉冲可调励磁电源产生所需波形、大小、频率以及占空比的脉冲励磁电流，经指定方向缠绕的线圈以及导磁铁芯作用，在磁头处以及电弧空间处产生脉冲复合磁场，以优化焊接电弧的位置与形态变化，通过控制熔滴金属和焊接电弧沿焊接方向的倾斜角度以及左右摆动的幅度、频率以及在焊缝两侧的停留时间，实现改善熔池液态金属横向铺展和后向流动，在一定的焊接参数和磁场参数下，达到消除咬边和驼峰缺陷的目的。
进一步的，所述脉冲复合磁场在电弧空间同时产生平行磁场和横向磁场的脉冲分量。
进一步的，在两线圈交替脉冲通电时，始终存在横向磁场以形成指向焊接前方的电磁分力，且间歇产生平行磁场以形成使电弧、熔滴沿垂直焊接方向周期性摆动的电磁分力。
进一步的，GMAW焊枪的焊接电流为200A～350A，焊接电压为20-35V，保护气流量15-25L/min，焊接速度为0.6-2.0m/min。
进一步的，励磁电流为1～15A，励磁频率为1～30Hz。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所产生的复合磁场中包含始终存在的横向磁场分量。在外加横向磁场作用下，焊接电弧和熔滴运动轨迹前倾，通过降低液态金属后向流速，促进液态金属向焊缝两侧铺展，减轻了高速焊咬边和驼峰缺陷；
(2)本发明所产生的复合磁场中同时也包含脉冲交变平行磁场分量，该脉冲交变磁场分量使电弧和熔滴产生周期性左右摆动，不仅促进液态金属周期性横向铺展，同时也改善了电弧热、电弧力以及熔滴热焓在工件上的分布，实现对咬边和驼峰缺陷的有效抑制；
(3)本发明所产生的脉冲复合磁场综合了横向磁场与平行磁场的各自优点，既能降低熔池内液态金属后向流速，又能促进液态金属周期性向焊缝两侧铺展，即同时实现对熔池液态金属横向铺展和后向流动状态的针对性调控，有效抑制GMAW高速焊咬边和驼峰缺陷；
(4)本发明可以在改善焊缝成形、得到质量良好的焊缝的基础上，将焊接速度提高至2.0m/min，提高焊接生产效率；
(5)本发明装夹在传统GMAW焊枪上，作用于待焊工件的正面，可达性好，易于装卸，且相较于作用于待焊工件背面的磁控装置而言，其适用范围更广，在待焊工件背面无法安装磁控装置的工况下具有很大优势；
(6)本发明可以直接配合传统GMAW设备进行焊接生产，无需附加的辅助或复合焊接电源，所需设备简单，易于改装，成本低；
(7)本发明应用范围广泛，适用于薄板以及中厚板的高速GMAW焊以及打底焊。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置结构图；
图2为本发明脉冲复合磁场发生装置结构图；
图3为本发明为产生脉冲复合磁场所加载电流信号的波形图；
图4为本发明在外加脉冲复合磁场作用下磁头极性及电弧受力分析图；
图5为本发明实施例1焊缝表面形貌；
图6为本发明对比例1焊缝表面形貌(无外加脉冲复合磁场)；
其中，1、脉冲复合磁场发生装置，2、直流脉冲可调励磁电源，3、异形结构导磁铁芯，4、励磁线圈，5、励磁线圈，6、导磁铁芯磁头端面，7、导磁铁芯磁头端面，8、导磁铁芯磁头端面，9、GMAW焊枪，10、卡箍。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不能同时实现对熔池液态金属横向铺展和后向流动状态的针对性调控，且焊缝成形存在问题的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一套机构紧凑的低成本可控脉冲复合磁场发生系统，与焊枪相结合，从周期性调控电弧、熔滴运动轨迹的角度，改善高速焊熔池内液态金属的横向铺展和纵向流动，实现同时抑制高速焊咬边和驼峰缺陷的目标，最终焊接速度1.5m/min时，焊缝无咬边和驼峰缺陷；焊接速度2.0m/min时，无驼峰缺陷，焊接质量等级满足ISO5817标准最高要求。
本发明提供了一种用于高速GMAW焊接的复合磁场调控装置，该装置可实现磁场大小、磁场方向、磁场脉冲频率的调节。该发明能够实现GMAW焊接电流200A-350A，电弧电压20V-35V，励磁电流1-15A、励磁脉冲频率1-30Hz等焊接参数下，最大焊接速度可达2.0m/min，无焊缝成形缺陷。本发明适用于薄板以及中厚板的高速GMAW焊以及打底焊。
高速GMAW的脉冲复合磁控装置由直流脉冲可调励磁电源、导磁铁芯、励磁线圈构成。励磁电源为双路波形、大小、频率、占空比、偏置可调的直流脉冲电源；所述导磁铁芯为异形结构，由三个磁极组成，磁极磁头连线成45°-90°排列，铁芯材料选用电磁软铁。铁芯结构为：下部磁头形状为方形(但不限于方形)，上部导磁铁芯弯转角度45°，励磁线圈绕在导磁铁芯的外边面上。通过此设计，可有效减小磁发生装置体积，提高焊接可达性。
高速焊过程中，根据需要，将脉冲复合磁场发生装置夹持于焊枪保护嘴上。直流脉冲可调励磁电源产生所需波形、大小、频率以及占空比的脉冲励磁电流，经指定方向缠绕的线圈以及铁芯作用，在磁头处以及电弧空间处产生一脉冲复合磁场，该复合磁场可在电弧空间同时产生平行磁场和横向磁场的脉冲分量，进而优化焊接电弧的位置与形态，同时有效控制优化熔滴金属和焊接电弧沿焊接方向的前倾(或后倾)角度以及左右摆动的幅度、频率以及在焊缝两侧的停留时间，最终实现改善熔池液态金属横向铺展和后向流动，在一定的焊接参数和磁场参数下，达到消除咬边和驼峰缺陷的目的。
磁发生装置所产生的脉冲复合磁场由始终存在的横向磁场和脉冲平行磁场组成，通入线圈的电流如图3所示。磁头极性以及产生的电磁力如图4所示。当4线圈通电时，三个磁头(6、7、8)极性分别为S极、N极、N极，6、7磁头之间磁场与电弧作用后产生的电磁力的力可分解为指向焊接前方的分力以及垂直焊接方向的分力，6、8磁头之间磁场与电弧作用后，产生指向焊接前方的电磁力，电磁力的作用效果使电弧和熔滴按设定角度前倾并偏向焊缝一侧；当5线圈通电时，6、7、8磁头极性分别为S极、S极、N极，7、8磁头之间磁场与电弧作用后产生的电磁力的力可分解为指向焊接前方的分力以及垂直焊接方向的分力，6、8磁头之间磁场与电弧作用后，产生指向焊接前方的电磁力，电磁力的作用效果使电弧和熔滴按设定角度前倾并偏向焊缝另一侧。因此在两线圈交替脉冲通电时，始终存在横向磁场以形成指向焊接前方的电磁分力，且间歇产生平行磁场以形成使电弧、熔滴沿垂直焊接方向周期性摆动的电磁分力。
应用于高速GAMW焊接的磁控装置的磁控方法按以下步骤实现：
步骤一、在传统GMAW焊接系统的基础上，在焊枪的保护嘴上安装上脉冲复合磁场发生装置并连接脉冲复合磁场调控装置；
步骤二、调节脉冲复合磁场调节装置相关参数，其中，所述磁控装置的励磁电流波形为脉冲电流波形，励磁电流为1～15A，励磁频率为1～30Hz。
步骤三、施加保护气体并引燃焊丝与待焊工件之间的电弧开始焊接；其中，GMAW焊接电流为200A～350A，焊接电压为20-35V，保护气流量20L/min，焊接速度为0.6-2.0m/min。
作为一种典型实施方式，如图1、图2所示，脉冲复合磁场发生装置包括3异形结构导磁铁芯，4、5励磁线圈为线径1mm的耐高温紫铜线在3异形结构导磁铁芯表面密绕300匝，将3异形结构导磁铁芯通过10卡箍与9GMAW焊枪夹持在一起，2直流脉冲可调励磁电源能够产生双路波形、大小、频率、占空比、相位差、偏置可调的脉冲电流，将通过磁场调控电路调控后的电流信号通过导线加载到脉冲复合磁场发生器1上，得到设计所需的复合磁场。
根据焊接工件的材质、板厚以及焊接速度要求，选择GMAW焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气种类、流量、干伸长等。
调节直流脉冲可调励磁电源相关参数，如波形、电流大小、频率、占空比、相位差、偏置等。
将直流脉冲可调励磁电源产生的励磁电流供给励磁线圈，励磁线圈产生磁场，施加保护气体并引燃焊丝与待焊工件之间的电弧开始焊接。
实施例1：脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接工艺，用本实施例装置，通过调节产生的电流波形调节产生的复合磁场，将调控后的外加磁场作用于焊接过程中。焊接工件采用250×70×5mm的Q235钢板，调节GMAW焊接电源，调节焊接电流275A，焊接电压32.5V；调节直流脉冲可调电源将电流波形调节为双路脉冲波形、大小5A、频率18Hz、占空比50％、相位差180°的电流信号，在焊接速度1.5m/min下，在外加磁场的情况下进行焊接。
对比例1
采用250×70×5mm的Q235钢板，用现有GMAW焊接电源，与实施例1焊接参数完全相同，区别在于不加外加脉冲复合磁场。
如图5和图6所示，本发明的实施例1的焊接效果明显优于对比例1。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，其特征是：包括直流脉冲可调励磁电源和脉冲复合磁场发生装置，所述直流脉冲可调励磁电源与脉冲复合磁场发生装置连接，所述脉冲复合磁场发生装置包括GMAW焊枪，以及设置于GMAW焊枪外沿的导磁铁芯，所述导磁铁芯包括多个磁极，磁极磁头沿GMAW焊枪圆周排列，导磁铁芯上部相对于GMAW焊枪中心线具有一夹角，且缠绕有励磁线圈。
2.如权利要求1所述的一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，其特征是：所述直流脉冲可调励磁电源为脉冲复合磁场发生装置提供双路波形、大小、频率、占空比和/或偏置可调的直流脉冲电源。
3.如权利要求1所述的一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，其特征是：所述磁极为三个，且磁极磁头连线成45°-90°排列。
4.如权利要求1所述的一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，其特征是：所述夹角为30°-60°。
5.如权利要求1所述的一种脉冲复合磁场辅助GMAW高速焊接装置，其特征是：所述励磁线圈绕在导磁铁芯上部框架的外边面上。
6.基于如权利要求1-5中任一项所述的装置的焊接方法，其特征是：将脉冲复合磁场发生装置夹持于焊枪保护嘴上，直流脉冲可调励磁电源产生所需波形、大小、频率以及占空比的脉冲励磁电流，经指定方向缠绕的线圈以及导磁铁芯作用，在磁头处以及电弧空间处产生脉冲复合磁场，以优化焊接电弧的位置与形态变化，通过控制熔滴金属和焊接电弧沿焊接方向的倾斜角度以及左右摆动的幅度、频率以及在焊缝两侧的停留时间，实现改善熔池液态金属横向铺展和后向流动，在一定的焊接参数和磁场参数下，达到消除咬边和驼峰缺陷的目的。
7.如权利要求6所述的焊接方法，其特征是：所述脉冲复合磁场在电弧空间同时产生平行磁场和横向磁场的脉冲分量。
8.如权利要求6所述的焊接方法，其特征是：在两线圈交替脉冲通电时，始终存在横向磁场以形成指向焊接前方的电磁分力，且间歇产生平行磁场以形成使电弧、熔滴沿垂直焊接方向周期性摆动的电磁分力。
9.如权利要求6所述的焊接方法，其特征是：GMAW焊枪的焊接电流为200A～350A，焊接电压为20-35V，保护气流量15-25L/min，焊接速度为0.6-2.0m/min。
10.如权利要求6所述的焊接方法，其特征是：励磁电流为1～15A，励磁频率为1～30Hz。
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Application publication date: 20180330 Assignee: Shandong jiabeide Metal Technology Co.,Ltd. Assignor: SHANDONG University Contract record no.: X2021980016205 Denomination of invention: Pulsed composite magnetic field assisted GMAW high speed welding method and device Granted publication date: 20190625 License type: Common License Record date: 20211224 |