CN108608126B - 等离子分流熔化极弧焊接装置与焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供等离子分流熔化极弧焊接装置与焊接方法，在进行熔化极等离子弧焊时，利用等离子焊枪喷嘴作为旁路来分流一部分通过母材的焊接电流。这样熔化极焊丝可以通以大电流，在实现高熔敷率和稳定熔滴过渡的同时，减少作用于母材的热输入，改善焊接质量；等离子喷嘴由于连接分流电弧的阴极，且仅通过部分电流可极大减小喷嘴烧损、提高焊枪承载能力，稳定焊接过程本发明结合了等离子分流的热输入低，熔化极等离子弧熔化效率高、焊接过程稳定的优势，既能实现对填充焊丝的高效加热，又能保证稳定地焊接过程和良好的焊接质量，适用于厚板的多层多道焊以及薄板的高速焊。

Description

等离子分流熔化极弧焊接装置与焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接装置及方法。

背景技术

等离子弧是通过外部拘束使电弧的弧柱被强烈压缩所形成的电弧。与传统电弧相比，等离子弧的电弧温度、能量密度、等离子流速都显著增加，具有焊缝深宽比大、热影响区窄、工件变形小等优势。熔化极氩弧焊(MIG焊)具有焊丝熔化效率高、可焊金属范围大等被广泛应用。为结合熔化极和等离子弧的技术优势，荷兰Philips研究中心的W.G.Essers和A.C.Liefkens等提出了一种等离子-熔化极复合热源焊接方法，焊接过程中外层等离子弧被压缩，MIG电弧、焊丝及熔滴都被炽热的等离子弧包围，外层等离子弧对焊丝及熔滴具有较强的预热作用，提高复合电弧焊接熔敷率。专利号CN103817449A提出了一种等离子弧和熔化极电弧复合焊接方法及焊接装置，其特征在于：沿焊接方向，在前端采用等离子弧对被焊工件进行预热或焊缝熔透，在后端采用熔化极电弧将焊丝熔化并填充焊缝。由于该方法中等离子喷嘴和熔化极喷嘴沿焊接方向按照前后顺序并且单列排布于复合焊枪的保护罩内，造成焊枪结构较复杂，体积较大，给相关元件的更换和日常的维护带来困难，也不利于实际的焊接操作。熔化极等离子弧焊接方法虽然具有很多优点，但是也存在一些不足，主要表现在：(1)由于熔化极等离子弧焊接时，焊枪内同时燃烧等离子弧和MIG电弧，且焊枪喷嘴接电源阳极，导致焊枪喷嘴温度很高，对水冷提出了较高要求，而且枪体内各参数要设计可靠以避免常见等离子枪所遇到的双弧烧枪现象，因此腔体结构复杂，体积和重量都较大。(2)熔化极等离子弧焊接时，为提高焊接效率，需要增加等离子弧和MIG电弧的焊接电流，使得工件热输入较大，易产生焊接变形大、组织性能变差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供合理分配作用于母材和焊丝的热量，减少等离子喷嘴接阳极时的焊枪烧损，提高焊接质量，减小焊接变形，解决等离子-熔化极复合电弧起弧难等问题的等离子分流熔化极弧焊接装置与焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明等离子分流熔化极弧焊接装置，包括MIG电源、分流模块、等离子分流熔化极弧焊枪、电流传感器、控制系统；所述等离子分流熔化极弧焊枪包括送丝机构、MIG焊导电嘴、绝缘保护瓷套、环形等离子电极、等离子拘束喷嘴、保护气罩，焊丝通过送丝机构伸入MIG焊导电嘴里，MIG焊导电嘴位于绝缘保护瓷套里，环形等离子电极通过螺纹连接水冷铜套，环形等离子电极和水冷铜套位于绝缘保护瓷套外部，等离子拘束喷嘴设置在环形等离子电极外部，等离子拘束喷嘴外部设置保护气罩；MIG电源的正极连接焊丝，MIG电源的负极连接工件，分流模块的正极连接焊丝，分流模块的负极连接水冷铜套，电流传感器连接检测母材的电流并连接控制系统，控制系统连接并调节分流模块的阻值。

本发明等离子分流熔化极弧焊接装置还可以包括：

1、水冷铜套上设置冷却水，水冷铜套和环形等离子电极的连接体与绝缘保护瓷套之间形成离子气通道，等离子拘束喷嘴与保护气罩之间形成保护气通道。

2、MIG电源被打开且启动送丝机构后，焊丝端部产生MIG电弧，环形等离子电极与焊丝之间形成回路，引燃离子气形成旁路等离子电弧，旁路等离子电弧与MIG电弧耦合形成复合电弧。

本发明等离子分流熔化极弧焊接方法，采用上述的等离子分流熔化极弧焊接装置：

(1)焊接前，对工件进行加工处理，包括清理母材表面的氧化膜、开坡口；

(2)调整等离子分流熔化极弧焊枪轴线与母材的角度、等离子拘束喷嘴距母材的距离，等离子分流熔化极弧焊枪轴线与母材处于垂直状态，等离子拘束喷嘴距母材的距离为4mm到15mm；

(3)通过送丝机构调整焊丝的伸出量、焊丝端部距母材的距离，焊丝的伸出长度为20mm到60mm，焊丝端部距母材的距离为2mm到7mm；

(4)设置工艺参数：MIG电流在50-600A之间，旁路等离子电弧电流在0-500A之间，焊丝直径为0.8-1.6mm，离子气流量为0.5-10.0L/min，保护气流量为5-25L/min，送丝速度3.0-20.0m/min，焊接速度为50-400cm/min；

(5)打开MIG电源，启动送丝机构引燃MIG电弧，MIG电弧在燃烧过程中向上爬升，在MIG电弧的作用下，环形等离子电极和焊丝之间形成回路，引燃旁路的等离子电弧，旁路等离子电弧与MIG电弧耦合形成复合电弧，利用复合电弧对母材进行焊接，焊接过程中外层等离子弧被压缩，MIG电弧、焊丝被等离子弧包围；

(6)焊接过程中，利用旁路等离子电弧进行分流，电流传感器对流经母材的焊接电流Im进行检测，控制系统调节旁路焊接电流Ip的大小，在焊接总热量不变的情况下，通过控制系统调节旁路焊接电流Ip的大小，调节流经母材的热输入，从而实现对焊缝成形和焊接变形地控制。

本发明的优势在于：

1、由于焊丝干伸长较大，旁路等离子弧温度高，复合电弧对于工件及焊丝具有良好的预热作用，能极大地提高复合电弧焊接熔敷效率。等离子喷嘴与分流电弧的阴极相连，且仅通过部分电流可极大减小喷嘴烧损、提高焊枪承载能力，稳定焊接过程。

2、由于旁路等离子弧的存在，复合电弧稳定性增强，焊接过程飞溅少或无飞溅。旁路电流的加入，使得主路电流的电弧成形更加稳定，极大促进了在熔池上方的熔滴过渡，在保持母材低热输入焊接的同时获得很高的焊丝熔化效率，进而减小热影响区宽度和焊接变形，改善焊接质量。

3、旁路等离子弧对于复合电弧具有稳弧及维弧作用。旁路等离弧对熔滴的作用使得焊接参数的调节范围增大。在匹配的等离子电流参数下，熔化极电流调节范围可以从零安倍增大到几百安培。因此，采用相同直径的焊丝就可以完成不同截面及坡口形式的填充。

4、该工艺由于旁路等离子弧具有较高的电流密度及等离子流力，能够避免外部气体进入熔滴中，同时等离子弧对熔池金属具有搅拌作用，有利于焊缝气体的逸出，因此能有效的降低焊缝中的气孔缺陷。

5、由于电源负极与母材金属连接，利用电弧的阴极清理作用，能有效的清除金属表面的氧化膜。同时，复合电弧的电弧耦合特性能够细化焊缝区晶粒，提高焊缝质量，因此特别适用于铝合金、钛合金等有色金属的焊接。

6、该工艺本质上属于电弧焊的改型，具备电弧焊的成本低、适应性强等特点，该工艺根据实际焊接需求,焊接位置可以是平焊,也可以为其它位置焊(如立焊)等,能够广泛应用于薄壁、中厚壁等金属结构的焊接过程中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，图1是等离子分流熔化极电弧焊接装置与焊接方法实施的原理图，该焊接装置主要由MIG焊接电源1、一把等离子分流熔化极弧焊枪2、送丝机构5、分流模块8、控制系统14、电流传感器13和母材12等组成。等离子分流熔化极焊枪2是整个机构的关键部件，主要由MIG焊导电嘴7、绝缘保护瓷套4、水冷铜套3、环形等离子电极9、等离子拘束喷嘴10、保护气罩11以及填充焊丝6等组成。MIG焊导电嘴7处于环形等离子电极9的内部，这种特殊的设计能使MIG电弧在燃烧时被旁路的等离子电弧均匀地包围，外层等离子弧对焊丝及熔滴具有较强的预热作用，能够极大地提高焊丝熔化效率。同时，外层等离子弧的介入也使得熔滴受力情况，电弧稳定性、熔滴过渡形式等发生了变化，复合电弧稳定性增强，熔滴过渡更加稳定，在焊接过程中能够有效的降低飞溅。焊接时，MIG焊接电源1的正、负极分别与焊丝6和工件12相连，环形等离子电极9通过螺纹与水冷铜套3相连，分流模块8正、负极分别与焊丝6和水冷铜套3相连。焊接时，打开MIG焊接电源1并启动送丝机构5引燃MIG电弧16，在MIG电弧16的作用下，环形等离子电极9和焊丝6之间形成回路，引燃旁路的等离子电弧15，旁路等离子电弧15与MIG电弧16耦合形成复合电弧17。焊接过程中，利用电流传感器13检测流经母材12的电流大小，再通过控制系统14调节分流模块8的阻值，可对流经旁路等离子电弧15和母材12的电流进行控制，进而实现对焊接热输入的有效控制，提高焊接质量。

基于本实施方式的等离子分流熔化极电弧焊接方法的步骤如下：

步骤1：焊接前，根据焊接需要对工件12进行加工处理(如清理母材表面的氧化膜，开坡口等)，然后用焊接工装夹具将工件12紧固，并按图1所示方法连接所有焊接设备与装置。

步骤2：通过焊接工装夹具调整熔化极等离子弧焊枪2轴线与待焊工件12的角度和等离子拘束喷嘴10距工件12的距离，等离子弧焊枪2轴线与待焊工件12应处于垂直状态，拘束喷嘴10距待焊工件12的距离不能太远，否则MIG电弧16爬升距离不够，不能顺利的引燃旁路的等离子电弧15，一般取4mm到15mm。

步骤3：通过送丝机构5调整焊丝6的伸出量和焊丝6端部距工件12的距离。焊丝6的伸出长度一般取20mm到60mm，焊丝干伸长较大，复合电弧17对于焊丝6具有良好的预热作用，能极大地提高焊接熔敷率。焊丝6端部距工件12的距离取2mm到7mm。

步骤4：由于本方法焊接效率高，焊接过程稳定，且水冷的环形等离子电极9承载电流能力强，因此可以取较大的焊接工艺参数，工艺参数一般为：熔化极MIG电流在50-600A之间，旁路等离子电流在0-500A之间，焊丝直径为0.8-1.6mm，离子气流量为0.5-10.0L/min，保护气流量为5-25L/min，送丝速度3.0-20.0m/min，焊接速度为50-400cm/min等。

步骤5：MIG焊接电源1打开之后，启动送丝机构5引燃MIG电弧16，MIG电弧16在燃烧过程中向上爬升，此时，在MIG电弧16的作用下，环形等离子电极9和焊丝6之间形成回路，引燃旁路的等离子电弧15，旁路等离子电弧15与MIG电弧16耦合形成复合电弧17，利用复合电弧17对工件12进行焊接，焊接过程中外层等离子弧15被压缩，MIG电弧16、焊丝6被炽热的等离子弧15包围，外层等离子弧15对焊丝具有较强的预热作用，提高复合电弧17焊接熔敷率。

步骤6：焊接过程中，利用旁路等离子电弧15进行分流。旁路等离子电弧15的存在，能改变作用在熔滴及熔池上的热输入与力场分布，极大稳定着焊接过程，减小焊接飞溅以及焊接缺陷的产生，保证焊缝成形。电流传感器13能对流经工件12的焊接电流Im进行检测，控制系统14可以调节旁路焊接电流Ip的大小。在焊接总热量不变的情况下，通过控制系统14调节旁路焊接电流Ip的大小，可以调节流经母材的热输入，从而实现对焊缝成形和焊接变形地精确控制。

本发明涉及一种等离子分流熔化极电弧焊接装置与焊接方法，它由一个MIG焊接电源、一把等离子分流熔化极焊枪、送丝机构、分流模块、电流传感器及其控制系统等组成。焊接时，将MIG焊接电源正、负极分别与焊丝和母材相连，分流模块正、负极分别与焊丝和环形等离子电极相连，打开MIG焊接电源并启动送丝机构引燃MIG电弧，在MIG电弧的作用下，环形等离子电极和焊丝之间形成回路，引燃旁路等离子电弧。这样流经焊丝的主路电流一部分通过母材流向焊接电源的负极，另一部分在分流模块的作用下通过旁路等离子电弧流向电源的负极。焊接过程中，旁路等离子电弧与MIG电弧相互耦合形成复合电弧，旁路电弧对焊丝具有预热作用，能极大地提高焊丝熔化效率，旁路电弧的存在对复合电弧具有稳弧及维弧作用，能提高焊接过程的稳定性，减少飞溅，且旁路电弧具有分流的作用，可减少对母材的热输入，提高焊接质量。焊接过程中，利用电流传感器可检测流经母材的电流，再通过控制系统调节分流模块，可对流经旁路和母材的电流进行控制，合理分配作用于电弧和熔池上的热、力分布,并可以有效地控制焊缝成形、改善焊接质量。该方法有效结合了熔化极等离子弧焊接效率高和旁路分流对母材热输入低，焊接质量好等优势，能够极大地提高厚板和薄板的焊接质量和效率，并减少薄板的焊接变形。

Claims (4)

1.等离子分流熔化极弧焊接装置，其特征是：包括MIG电源、分流模块、等离子分流熔化极弧焊枪、电流传感器、控制系统；所述等离子分流熔化极弧焊枪包括送丝机构、MIG焊导电嘴、绝缘保护瓷套、环形等离子电极、等离子拘束喷嘴、保护气罩，焊丝通过送丝机构伸入MIG焊导电嘴里，MIG焊导电嘴位于绝缘保护瓷套里，环形等离子电极通过螺纹连接水冷铜套，环形等离子电极和水冷铜套位于绝缘保护瓷套外部，等离子拘束喷嘴设置在环形等离子电极外部，等离子拘束喷嘴外部设置保护气罩；MIG电源的正极连接焊丝，MIG电源的负极连接工件，分流模块的正极连接焊丝，分流模块的负极连接水冷铜套，电流传感器连接检测母材的电流并连接控制系统，控制系统连接并调节分流模块的阻值。

2.根据权利要求1所述的等离子分流熔化极弧焊接装置，其特征是：水冷铜套上设置冷却水，水冷铜套和环形等离子电极的连接体与绝缘保护瓷套之间形成离子气通道，等离子拘束喷嘴与保护气罩之间形成保护气通道。

3.根据权利要求1或2所述的等离子分流熔化极弧焊接装置，其特征是：MIG电源被打开且启动送丝机构后，焊丝端部产生MIG电弧，环形等离子电极与焊丝之间形成回路，引燃离子气形成旁路等离子电弧，旁路等离子电弧与MIG电弧耦合形成复合电弧。

4.等离子分流熔化极弧焊接方法，其特征是：采用如权利要求1所述的等离子分流熔化极弧焊接装置：

(1)焊接前，对工件进行加工处理，包括清理母材表面的氧化膜、开坡口；

(2)调整等离子分流熔化极弧焊枪轴线与母材的角度、等离子拘束喷嘴距母材的距离，等离子分流熔化极弧焊枪轴线与母材处于垂直状态，等离子拘束喷嘴距母材的距离为4mm到15mm；

(3)通过送丝机构调整焊丝的伸出量、焊丝端部距母材的距离，焊丝的伸出长度为20mm到60mm，焊丝端部距母材的距离为2mm到7mm；

(4)设置工艺参数：MIG电流在50-600A之间，旁路等离子电弧电流在0-500A之间，焊丝直径为0.8-1.6mm，离子气流量为0.5-10.0L/min，保护气流量为5-25L/min，送丝速度3.0-20.0m/min，焊接速度为50-400cm/min；

(5)打开MIG电源，启动送丝机构引燃MIG电弧，MIG电弧在燃烧过程中向上爬升，在MIG电弧的作用下，环形等离子电极和焊丝之间形成回路，引燃旁路的等离子电弧，旁路等离子电弧与MIG电弧耦合形成复合电弧，利用复合电弧对母材进行焊接，焊接过程中外层等离子弧被压缩，MIG电弧、焊丝被等离子弧包围；

(6)焊接过程中，利用旁路等离子电弧进行分流，电流传感器对流经母材的焊接电流Im进行检测，控制系统调节旁路焊接电流Ip的大小，在焊接总热量不变的情况下，通过控制系统调节旁路焊接电流Ip的大小，调节流经母材的热输入，从而实现对焊缝成形和焊接变形地控制。

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