專利名稱：一種立體式分布的雙電弧焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體式分布的雙電弧焊接方法。
背景技術(shù)：
隨著焊接板材厚度的增加以及焊接效率需求的不斷提高，人們陸續(xù)開發(fā)出雙電弧、甚至多電弧焊接技術(shù)，采用這種方式可以實現(xiàn)雙絲、甚至多絲焊接以及提高焊接熱輸入，可顯著提高焊接熔化效率，進(jìn)而提高焊接生產(chǎn)效率。例如，美國的普萊克斯技術(shù)有限公司提出了一種新型焊絲間距可調(diào)的雙絲熔化極氣體保護(hù)焊焊炬及其焊接方法(CN200810190700. 6);內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司的專利中提到一種機(jī)器 人雙絲焊接鋁合金材料的方法(CN200910168787. I);哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種TIG電源輔助的雙TIG復(fù)合熱源焊接設(shè)備及方法(CN201010520993. 7)。目前的雙電弧焊接方法，均是采用處于同一平面的兩個電弧在焊接方向上串聯(lián)或并聯(lián)的布置方式，兩個電弧均燃燒于熔池表面，主要利用兩個電弧熱源焊接熱輸入的疊加來提高焊接熔化效率，焊接熱源的能量密度沒有實質(zhì)性提高，因此現(xiàn)有雙電弧熱源焊接熔深增加能力仍有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制一種立體式分布的雙電弧焊接方法，該方法是將傳統(tǒng)雙電弧熱源的平面式分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡p電弧熱源在熔池中呈現(xiàn)立體式分布，通過形成具有高能量密度的耦合電弧，顯著提高焊接熔深，滿足中厚板材焊接需求。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于采用兩個電弧熱源，兩個電弧分別由前焊槍和后焊槍的電極與工件產(chǎn)生，兩個電極在焊接方向上前后串聯(lián)，其中前焊槍電極I產(chǎn)生前電弧，用于熔化工件金屬形成焊接熔池；后焊槍電極II同心安裝于耐高溫材料套管內(nèi)，在套管和后焊槍電極II之間安裝帶孔的陶瓷同心環(huán)使套管與后焊槍電極II保持同心、絕緣，且套管與后焊槍電極II保持間隙O. 5 7_，套管另一端連接焊槍并通入高速流動的保護(hù)氣，保護(hù)氣沿套管與后焊槍電極II間隙從后焊槍電極II尖端流出，保護(hù)氣壓力在液態(tài)熔池中形成孔洞，后焊槍電極II引弧后，形成的后電弧通過孔洞潛入前電弧形成的焊接熔池深度l_15mm，兩電弧形成立體耦合電弧，該立體耦合電弧沿焊接方向運(yùn)動進(jìn)行焊接。焊接過程結(jié)束前，通過控制系統(tǒng)提升后焊槍，提升過程中前電弧和后電弧均保持燃燒狀態(tài)，當(dāng)后焊槍電極II和套管離開熔池表面后，后焊槍電極II先熄弧，前焊槍電極I后熄弧，焊接過程結(jié)束。所述前焊槍和后焊槍均采用傾斜方式，前焊槍與焊接工件表面夾角α在2(Γ90°之間，后焊槍在豎直方向傾角β在-7(Γ70°之間，兩焊槍在焊接方向上的夾角Θ在2(Γ150°之間，前焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角ε在-7(Γ70°之間，后焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角δ在-7(Γ70°之間，兩焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)上夾角Y在(Γ120°之間；前焊槍電極I和后焊槍電極II直徑選用范圍在
I.O 10mm之間。所述前焊槍采用普通鎢極氬弧、等離子弧以及熔化極電弧的電源裝置，后焊槍采用鎢極作為電極，套管內(nèi)徑O1在I. 5 IOmm之間，套管外徑02在I. 6^15. 5mm之間，鎢極尖端伸出套管端面距離4在-KTlOmm之間；套管材料為單質(zhì)鎢、鎢合金、陶瓷或其它高溫合金，套管一端連接焊槍上的水冷銅模 塊上；兩電極在焊接方向上母材平面內(nèi)的間距離Cl1在f 50mm之間，在垂直于焊接方向上母材平面內(nèi)的間距d2在(T50mm之間。所述保護(hù)氣為Ar、He或Ar和He的混合氣，保護(hù)氣的流速為O. I 50L/min。此方法中前電弧的作用是預(yù)熔固態(tài)金屬，形成液態(tài)熔池。后電弧在前電弧形成的熔池底部的固液界面處燃燒，由于后電弧整體處于熔池內(nèi)部，因此提高了其加熱效率；同時套管內(nèi)高速保護(hù)氣的強(qiáng)烈壓縮作用可以提高后電弧的能量密度，進(jìn)而增加其熱穿透能力以及挖掘能力；由于室溫下保護(hù)氣體直接吹入熔池底部液態(tài)金屬，使得熔池金屬凝固時形核核心增多，起到細(xì)化晶粒的作用。此種方法中，雖然每個電弧均采用熱傳導(dǎo)的傳統(tǒng)加熱方式，但是對于兩電弧形成的立體分布復(fù)合熱源來說，加熱方式已經(jīng)變?yōu)樯钊酆改Ｊ?，熱源穿透能力可以大幅提高。立體式布置的雙電弧對熔池的攪拌作用會導(dǎo)致熔池中存在復(fù)雜地、劇烈地液態(tài)金屬流動，有利于凝固時的晶粒細(xì)化。同時，由于此方法中兩電弧的參數(shù)可以獨立設(shè)置，因此，可以根據(jù)需求設(shè)置兩電弧的放電相位關(guān)系，以實現(xiàn)所需的兩電弧間的電磁斥力或引力的搭配，即可以保持電弧穩(wěn)定燃燒，保證了焊接過程的穩(wěn)定性，又可以起到振蕩熔池、細(xì)化晶粒的作用。因此采用焊接熱源和焊接方法可以有效地提高焊接速度，同時降低焊接接頭晶粒長大的傾向，提高焊接接頭的力學(xué)性能。此方法可以選用鎢極氬弧、等離子弧以及熔化極電弧作為前電弧，采用鎢極氬弧作為后電弧構(gòu)建立體式復(fù)合焊接熱源，可用于鎂合金、鋁合金、鋼、鈦合金等中厚板、厚板的無預(yù)留間隙對接焊，焊接效率提高，同時有效抑制焊接接頭晶粒粗大現(xiàn)象。


圖Ia為本發(fā)明所述焊接方法焊接時的布局示意圖；圖Ib為本發(fā)明所述焊接方法焊接時的布局的另一角度示意圖；圖2為本發(fā)明所述焊接方法中后焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖la、圖Ib和圖2所示，一種立體式分布的雙電弧焊接方法，該方法是采用兩個電弧熱源，兩個電弧分別由前后兩個焊槍的電極與工件產(chǎn)生，兩個電極在焊接方向上前后串聯(lián)并呈立體式布置。其中電極I產(chǎn)生前電弧，用于熔化工件金屬形成焊接熔池；電極II同心安裝于耐高溫材料套管內(nèi)，在套管和電極II之間安裝帶孔的陶瓷同心環(huán)使套管與電極II保持同心、絕緣且保持間隙O. 5 7_，套管另一端連接焊槍并通入高速流動的惰性氣體，氣體沿套管與電極間隙從電極尖端流出，氣體壓力在液態(tài)熔池中形成孔洞，電極II引弧后通過孔洞潛入前電弧形成的焊接熔池深度廣15_，兩電弧形成立體耦合電弧。主要實施過程焊接時，電極I首先產(chǎn)生前電弧，并熔化工件金屬，形成焊接熔池；電極II在套管和其內(nèi)部高速氣體的作用下在電極I所產(chǎn)生的熔池中形成孔洞，然后電極II引弧并通過機(jī)械傳動裝置沿著該孔洞潛入到熔池底部并在固液界面處燃燒，形成立體式焊接耦合電弧，該立體式電弧在機(jī)械裝置的帶動下整體沿焊接方向運(yùn)動；焊接過程結(jié)束前，通過控制系統(tǒng)提升后焊槍，提升過程中前、后電弧均保持燃燒狀態(tài)，當(dāng)電極II和套管離開熔池表面后，電極II先熄弧，電極I后熄弧，焊接過程結(jié)束。本發(fā)明的進(jìn)一步特征為兩焊槍均采用傾斜方式(如專利附圖I所示)，前焊槍與焊接工件表面夾角α2(Γ90°，后焊槍在豎直方向傾角β_7(Γ70°，兩焊槍在焊接方向上的夾角Θ為2(Tl50°，前焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角ε為-7(Γ70°，后焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角δ為_70~70。，兩焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)上夾角Y為(Γ120°。前、后電極直徑選用范圍I. (TlOmm。前、后兩電弧的放電參數(shù)獨立調(diào)節(jié)。前電弧發(fā)生裝置采用普通鎢極氬弧、等離子弧以及熔化極電弧的電源裝置。后焊槍采用鎢極作為電極，套管材料為單質(zhì)鎢、鎢合金、陶瓷或其它高溫合金，套管內(nèi)徑O1I. 5 10mm，套管外徑Φ21. 6 15. 5mm，鎢極尖端伸出套管端面距離de_l(TlOmm。套管一端連接焊槍上的水冷銅模塊。保護(hù)氣Ar、He，或者二者混合氣從間隙內(nèi)流出，流速為
0.f50L/min。兩電極在焊接方向上母材平面內(nèi)的距離(I1為f 50mm，在垂直于焊接方向上 母材平面內(nèi)的距離d2為O 50mm可調(diào)。具體實施例如下實施例I :采用鎢極氬弧作為前電弧，實施8mm厚AZ31B鎂合金平板對接焊。按圖I所示方式裝配焊槍，前鎢極直徑3. 2mm，尖端距鎂合金板表面高度I. 5mm,α =30°，純度為99. 99%的Ar氣流量為10L/min。后鎢極垂直于鎂合金板材β =0°，直徑
1.6mm, d=4mm。Y =0° , ε =0°。套管采用鶴金屬制作，Φ fSmm, C>2=5mm, de=0. 5mm,其中 Ar 氣流速lL/min。焊接速度550mm/min，同時前鶴極起弧，焊接電流采用直流140A，待前電弧穩(wěn)定后，開通后鶴極保護(hù)氣，冋時后鶴極起弧，焊接電流直流90A,后鶴極下潛深度H1=S. 5mm。采用此方法焊接8mm厚鎂合金板不開坡口，直邊對接無預(yù)留間隙，一次焊接實現(xiàn)焊透，液態(tài)金屬回填充分，無明顯宏觀氣孔，同時焊接接頭晶粒大小在可接受范圍內(nèi)。與共面雙鎢極氬弧焊相比焊接效率可提高約100%。實施例2 :采用此焊接方法實施IOmm厚6061鋁合金板對接焊。按圖I所示方式裝配焊槍，前鎢極直徑3. 2mm,尖端距板材表面高度I. 5mm,α =45°，純度為99. 99%的Ar氣流量為10L/min。后鎢極垂直于板材表面，直徑2. Omm，兩電極尖端水平距離d=4mm。兩焊槍在垂直于焊接方向上夾角Υ=0°，β=_10°，ε =0°。套管材料采用鶴金屬制作，外徑Φ2=5πιπι，內(nèi)徑cI31=Amm,后鶴極伸出量de=0mm,其中Ar氣流速
2.5L/min。焊接速度350mm/min，前鎢極起弧，焊接電流采用直流180A，待前電弧穩(wěn)定后，開后鎢極保護(hù)氣，同時后鎢極起弧，焊接電流直流110A，后鎢極下潛深度氏=5臟。采用此方法對接焊IOmm厚鋁合金不開坡口，不填絲，直邊對接無預(yù)留間隙，一次焊接實現(xiàn)焊透，焊接過程無飛濺，焊接接頭內(nèi)無宏觀氣孔和夾雜物，同時焊接接頭晶粒長大并不明顯。與單獨鎢極氬弧焊相比焊接速度可提高230%。實施例3 :采用熔化極電弧作為前電弧，實施18mm厚Q235鋼板對接焊。按圖I所示方式裝配焊槍，前電弧高度4_，α =45°。后鎢極垂直于板材表面，直徑4mm。兩焊槍在垂直于焊接方向上夾角Υ=0°，β=_10° , ε =-10°。套管材料采用鶴金屬制作，Φ2=8πιπι，￠^=6. Omm,后鶴極伸出量de=-5mm,鶴管內(nèi)Ar氣流速15L/min。焊前兩電極尖端距離d=7. 5mmο焊接速度200mm/min,前焊槍先起弧,焊接電流采用直流480A,待前電弧穩(wěn)定后，開后鶴極保護(hù)氣，冋時后鶴極起弧，焊接電流直流290A,后鶴極潛深度HflOmm。采用此方法對接焊18mm厚Q235鋼板，與常規(guī)MIG焊相比，不用開坡口，直邊對接無預(yù)留間隙，一次焊接實現(xiàn)焊透。焊接過程平穩(wěn)，無飛濺，焊接接頭內(nèi)無氣孔和夾雜物，金屬回填充分，同時焊接接頭晶粒大小在可接受范圍內(nèi)。焊接效率與常規(guī)熔化極電弧焊相比，高2倍左右。實施例4 :采用等離子弧作為前電弧，實施22mm厚TC4鈦合金板對接焊。按圖I所示方式裝配焊槍，前焊槍高度I. 5mm, α =65°。后焊槍傾角β =_20°，鎢極直徑5. Omm。兩焊槍在垂直于焊接方向上夾角Υ=0°，ε =0°。套管材料采用鎢金屬制作，外徑Φ2=8· 5mm,內(nèi)徑￠^=6. 5mm,后鶴極伸出量de=_10mm,鶴管內(nèi)Ar氣流速16L/min。焊 前兩電極尖端水平距離d=8. Omm。同時需要對焊縫焊過區(qū)域施加整體Ar氣保護(hù)，避免冷卻過程中發(fā)生氧化。焊接速度215mm/min,等離子弧焊槍先起弧,焊接電流采用直流500A,待前等離子弧穩(wěn)定后，開后鎢極保護(hù)氣，同時后鎢極起弧，焊接電流直流320A，后鎢極下潛深 度 H1=I4mm η采用此方法對接焊22mm厚TC4鈦合金板，直邊對接無預(yù)留間隙，一次焊接實現(xiàn)焊透，焊縫表面平整，金屬回填充分，接頭內(nèi)無宏觀氣孔。與常規(guī)預(yù)開坡口的熔化極焊相比，焊接效率約提高240%。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于采用兩個電弧熱源，兩個電弧分別由前焊槍和后焊槍的電極與工件產(chǎn)生，兩個電極在焊接方向上前后串聯(lián)，其中前焊槍電極I產(chǎn)生前電弧，用于熔化工件金屬形成焊接熔池；后焊槍電極II同心安裝于耐高溫材料套管內(nèi)，在套管和后焊槍電極II之間安裝帶孔的陶瓷同心環(huán)使套管與后焊槍電極II保持同心、絕緣，且套管與后焊槍電極II保持間隙O. 5 7_，套管另一端連接焊槍并通入高速流動的保護(hù)氣，保護(hù)氣沿套管與后焊槍電極II間隙從后焊槍電極II尖端流出，保護(hù)氣壓力在液態(tài)熔池中形成孔洞，后焊槍電極II引弧后，形成的后電弧通過孔洞潛入前電弧形成的焊接熔池深度f 15mm，兩電弧形成立體耦合電弧，該立體耦合電弧沿焊接方向運(yùn)動進(jìn)行焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于焊接過程結(jié)束前，通過控制系統(tǒng)提升后焊槍，提升過程中前電弧和后電弧均保持燃燒狀態(tài)，當(dāng)后焊槍電極II和套管離開熔池表面后，后焊槍電極II先熄弧，前焊槍電極I后熄弧，焊接過程結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于所述前焊槍和后焊槍均采用傾斜方式，前焊槍與焊接工件表面夾角α在20、0°之間，后焊槍在豎直方向傾角β在-7(Γ70°之間，兩焊槍在焊接方向上的夾角Θ在2(Γ150°之間，前焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角ε在-7(Γ70°之間，后焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)豎直方向上的傾角δ在-7(Γ70°之間，兩焊槍在垂直于焊接方向平面內(nèi)上夾角Y在(Tl20°之間；前焊槍電極I和后焊槍電極II直徑選用范圍在I. (TlOmm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于所述前焊槍采用普通鎢極氬弧、等離子弧以及熔化極電弧的電源裝置，后焊槍采用鎢極作為電極，套管內(nèi)徑O1在I. 5 IOmm之間，套管外徑02在1.6 15. 5mm之間，鎢極尖端伸出套管端面距離de在之間；套管材料為單質(zhì)鶴、鶴合金、陶瓷或其它高溫合金,套管一端連接焊槍上的水冷銅模塊上；兩電極在焊接方向上母材平面內(nèi)的距離Cl1在f 50mm之間，在垂直于焊接方向上母材平面內(nèi)的距離d2在(T50mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于所述保護(hù)氣為Ar、He或Ar和He的混合氣，保護(hù)氣的流速為O. I 50L/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種立體式分布的雙電弧焊接方法，其特征在于采用兩個電弧熱源，兩個電弧分別由前焊槍和后焊槍的電極與工件產(chǎn)生，兩個電極在焊接方向上前后串聯(lián)，其中前焊槍電極Ⅰ產(chǎn)生前電弧，用于熔化工件金屬形成焊接熔池；后焊槍電極Ⅱ同心安裝于耐高溫材料套管內(nèi)，套管另一端連接焊槍并通入高速流動的保護(hù)氣，保護(hù)氣沿套管與后焊槍電極Ⅱ間隙從后焊槍電極Ⅱ尖端流出，保護(hù)氣壓力在液態(tài)熔池中形成孔洞，后焊槍電極Ⅱ引弧后，形成的后電弧通過孔洞潛入前電弧底部，兩電弧形成立體耦合電弧，該立體耦合電弧沿焊接方向運(yùn)動進(jìn)行焊接。該方法通過形成具有高能量密度的耦合電弧，顯著提高焊接熔深，滿足中厚板材焊接需求。
文檔編號B23K9/167GK102814577SQ20121030236
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者劉黎明, 張兆棟, 宋剛, 王紅陽, 任大鑫 申請人:大連理工大學(xué), 大連新宇理工科技開發(fā)中心有限公司