Tig電源輔助的雙tig複合熱源焊接設備及方法
2023-09-12 01:35:10
專利名稱：Tig電源輔助的雙tig複合熱源焊接設備及方法
技術領域：
本發明涉及焊接技術，具體說就是一種TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備 及方法。
背景技術：
鎢極氬弧焊由於保護氣對電弧及熔池的可靠保護完全排除了氧、氮、氫等雜質氣 體對焊接金屬的侵害，焊接電弧極為穩定，能夠實現高品質焊接，獲得優良的焊縫。但由於 鎢極電流承載能力的限制，電弧功率受到制約，導致焊接速度低，生產效率不高。熱絲TIG焊接方法是在普通TIG焊的基礎上對焊絲進行預熱，以提高焊接熱輸入 量，增加熔化速度，從而提高焊接速度。其原理是將焊絲加熱到一定溫度後再送入焊接熔池 之中，從而獲得高的熔敷速度。此外，焊絲經過預熱表面得以淨化，使得焊縫質量更為優良。 從焊縫熱輸入量的角度看，焊絲預熱的能量和焊接電弧的能量分別獨立控制，焊接熔敷速 度的提高與焊縫熱輸入量的增加沒有直接的關係，即在不提高熱輸入的條件下，提高焊接 熔敷速度，使焊絲熔化速度增加。在相同電流的情況下，焊接速度可提高一倍以上。同常規 TIG焊相比，熱絲TIG焊明顯提高了熔敷速度、焊接速度，適合於焊接中等厚度的焊接結構， 同時又具有TIG焊高質量焊縫的特點。同MIG焊相比，其熔敷速度相差不大，但是熱絲TIG 焊的送絲速度獨立於焊接電流，因此能夠更好地控制焊縫成形，對於開坡口的焊縫，其側壁 熔合性比MIG焊好得多。目前熱絲TIG焊的方法有以下兩種1、電感加熱利用電感加熱設備，在焊絲表面近層產生高密度的渦流，從而加熱焊 絲，其加熱效率高，速度快，溫度可控性好，無磁偏吹效應。但對於有色金屬加熱溫度受到一 定限制，適用於鋁合金等低熔點焊絲。對於銅合金焊絲熔點高，散熱快，加熱電源需要很高 的功率才能夠達到工藝要求的預熱溫度，因而該方法具有一定的局限性。2、電弧加熱通過引入小功率TIG焊槍，在焊絲和鎢極之間產生熱絲電弧，利用熱 絲電弧，實現對焊絲的加熱，特別適合於具有低電阻率，高熔點，高導熱係數等特徵的焊絲， 如銅合金焊絲。但由於採用TIG電弧加熱，其能量密度非常高，對於導熱係數較低的材料容 易出現焊絲送進前發生熔化，破壞正常的焊接送絲過程。以上兩種方法在對於電阻率較高、導熱係數較低的材料如純鐵等的熱絲效果不理 想，極大地限制了焊接材料在高效率TIG焊接中的應用，如何擴大焊絲的選材範圍並實現 高品質和高效率焊接的結合已成為了拓展TIG焊接在工業生產中應用的關鍵，尤其在某些 特種領域表現更為突出，如純鐵彈帶的高品質高效率的堆焊。
發明內容
本發明的目的在於提供一種在不同熔滴過渡模式下，通過電阻熱或電弧產熱對焊 絲進行加熱，提高焊絲熔覆效率的TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備及方法。本發明的目的是這樣實現的所述的TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備，它 是由主TIG電源、TIG主焊槍、導絲嘴、副TIG電源、送絲裝置和工件組成的，主TIG電源分別連接TIG主焊槍和工件，主TIG電源、TIG主焊槍、主焊接電弧和工件構成主焊接迴路；副 TIG電源分別連接導絲嘴和工件，導絲嘴內部穿入由送絲裝置送來的焊絲，導絲嘴、副TIG 電源、工件和焊接熔池構成熱絲迴路，送絲裝置和工件絕緣。由TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備實現的焊接方法是在常規鎢極氬弧 焊系統中引入副TIG電源，將副TIG電源的兩電極分別接在送絲嘴和工件上，形成導電回 路，焊接過程中通過改變副TIG電源電流的大小形成不同的熔滴過渡方式，使得焊絲在電 阻熱或電弧熱或二者共存的條件下被加熱，採用副TIG電源輔助加熱焊絲，主TIG電源和副 TIG電源可均為直流電源或均為交流電源，或一個TIG電源為直流電源另一個TIG電源為 交流，焊絲選材電阻率較大的金屬材料，焊絲熔點可高於或低於工件基體的熔點，副TIG電 源採取直流正接，通過調節副TIG電源和主TIG電源電流的大小，使雙TIG熱源形成良好匹 配，同時，改變焊絲的送絲位置，改變熱絲的方式和熔滴的過渡形式，副TIG電源電流較小 時，焊絲與工件基體上熔融金屬保持短路狀態，熱絲迴路產生電阻熱對焊絲進行加熱，熔滴 過渡依靠主電弧熔斷；主TIG電源電流較大時，提高焊絲送進位置，在焊絲端部與工件之間 形成輔助電弧，輔助電弧的產熱對焊絲端部加熱形成熔滴，在重力、電弧力及較低主電弧熱 量下形成顆粒過渡；副TIG電源電流介於上述兩種情況之間時，焊絲發生短路時在主電弧 作用下熔斷，焊絲端部與工件基體之間產生輔助電弧，由於熔化速度低於送絲速度，接著又 發生短路，如此反覆發生燃弧、短路、熔斷的過程。本發明一種TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備及方法，相對於傳統的TIG 堆焊技術，具有如下顯著效果在不同熔滴過渡模式下，通過電阻熱或電弧產熱對焊絲進行 加熱，顯著提高了焊絲的熔覆效率，使生產效率提高，解決了傳統TIG堆焊生產效率上的不 足，實現了鎢極氬弧焊的高品質和高效率的結合；改變了採用TIG電弧堆焊過程中基體上 的熱輸入量明顯高於焊絲熔化熱的熱源分布特徵，雙TIG複合熱源的熱量分布向焊絲端部 集中，大量的熱量用於熔化焊絲，減小了工件基體金屬的熔化量，這對於異種材料的堆焊具 有重要意義。同時，還可以應用於焊絲熔點高於基體金屬熔點的堆焊；採用雙TIG電弧複合 熱源，緩解了鎢極的電流承載能力，提高了鎢極的使用壽命和生產效率；進一步提高了焊接 質量，在輔助電弧焊接模式下，熔滴過渡的區域更大，使得焊絲熔化產生的雜質氣體更加容 易析出，減少了焊縫中產生氣孔的傾向，熔敷率較高時，同時降低了裂紋傾向；本發明設備 簡單、成本低，便於在工業生產中推廣。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的焊絲與熔敷金屬短路示意圖；圖3為本發明的熱絲電弧起弧示意圖；圖4為本發明的複合熱源熔化焊絲示意圖；圖5為本發明的形成顆粒過渡示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作進一步說明。實施例1 結合圖1，本發明一種TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備，它是由主TIG電源、TIG主焊槍、導絲嘴、副TIG電源、送絲裝置和工件組成的，其特徵在於主TIG 電源分別連接TIG主焊槍和工件，主TIG電源、TIG主焊槍、主焊接電弧和工件構成主焊接回 路；副TIG電源分別連接導絲嘴和工件，導絲嘴內部穿入由送絲裝置送來的焊絲，導絲嘴、 副TIG電源、工件和焊接熔池構成熱絲迴路，送絲裝置和工件絕緣。由TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備實現的焊接方法是在常規鎢極氬弧 焊系統中引入副TIG電源，將副TIG電源的兩電極分別接在送絲嘴和工件上，形成導電回 路，焊接過程中通過改變副TIG電源電流的大小形成不同的熔滴過渡方式，使得焊絲在電 阻熱或電弧熱或二者共存的條件下被加熱，採用副TIG電源輔助加熱焊絲，主TIG電源和副 TIG電源可均為直流電源或均為交流電源，或一個TIG電源為直流電源另一個TIG電源為 交流，焊絲選材電阻率較大的金屬材料，焊絲熔點可高於或低於工件基體的熔點，副TIG電 源採取直流正接，通過調節副TIG電源和主TIG電源電流的大小，使雙TIG熱源形成良好匹 配，同時，改變焊絲的送絲位置，改變熱絲的方式和熔滴的過渡形式，副TIG電源電流較小 時，焊絲與工件基體上熔融金屬保持短路狀態，熱絲迴路產生電阻熱對焊絲進行加熱，熔滴 過渡依靠主電弧熔斷；主TIG電源電流較大時，提高焊絲送進位置，在焊絲端部與工件之間 形成輔助電弧，輔助電弧的產熱對焊絲端部加熱形成熔滴，在重力、電弧力及較低主電弧熱 量下形成顆粒過渡；副TIG電源電流介於上述兩種情況之間時，焊絲發生短路時在主電弧 作用下熔斷，焊絲端部與工件基體之間產生輔助電弧，由於熔化速度低於送絲速度，接著又 發生短路，如此反覆發生燃弧、短路、熔斷的過程。實施例2 結合圖1-圖5，本發明是基於傳統鎢極氬弧焊焊接效率低，鎢極承載電 流的能力有限，限制其在大厚板及堆焊領域應用的問題，提出了一種雙TIG複合電源作用 下的熱絲焊接技術。利用輔助TIG電源產生的電阻熱或電弧熱加熱焊絲從而從整體上提高 焊接熱輸入彌補鎢極氬弧焊由於鎢極承載能力有限所導致的熱輸入方面的限制；同時，採 用雙TIG複合電源，緩解了對TIG電源的功率容量要求，提高了鎢極的使用壽命，提高了生 產效率。由於複合熱源的熱量向焊絲端部集中，減少了基體金屬的熱輸入，可降低堆焊過程 中基體金屬的溶解量，對於異種難焊材料之間的焊接具有明顯的優勢。TIG電源輔助的雙 TIG複合熱源焊接方法是在採用鎢極氬弧焊的同時，在送給的焊絲上通以一定大小的輔助 電流，在副TIG電源-焊絲-工件三者之間形成導電迴路，通過改變輔助電流的大小和焊絲 端部送絲的位置，在焊絲內部產生電阻熱或在焊絲與工件之間產生輔助電弧，該熱源與主 TIG電弧的熱量複合形成雙TIG複合熱源，複合熱源的熱量分布向焊絲端部集中，焊絲端部 較大範圍被加熱，從而形成TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接。所述副TIG電源提供的輔助電流通過如下方法設置選用導電性好的材料如銅合 金加工送絲嘴，首先，使焊絲與工件之間絕緣；然後，將副TIG電源的正負極分別接在送絲 嘴和工件上，焊絲與工件間產生輔助電弧。通過調節焊接工藝參數和輔助電流值的大小， 達到主TIG電源提供的焊接電流與副TIG電源提供的輔助電流合理匹配，使熔滴過渡表現 為以下三種過渡模式1、輔助電流較小時，焊絲與工件上熔池中的熔敷金屬發生物理接觸， 形成短路，輔助電流通過焊絲時產生電阻熱，對焊絲進行預熱，焊絲被主電弧熱量連續熔 化，在電弧力及電磁攪拌作用下直接與熔池金屬混合；2、輔助電流較大時，適當提高焊絲的 送進位置，在焊絲與工件之間引燃輔助電弧，焊絲端部在電弧熱的作用下被加熱，在熔滴重 力、電弧力及較低主電弧能量作用下形成平穩的顆粒過渡；3、輔助電流介於1和2兩種模式之間，適當調整焊絲的送進位置，焊絲端部先與熔敷金屬發生短路，在較高的主電弧能量 下將焊絲端部熔斷，在工件和焊絲之間引燃電弧，形成部分顆粒過渡，隨著時間延長，熔化 速率較低，焊絲與熔敷金屬即將發生短路前被主電弧熔化，如此反覆進行，焊絲在電阻熱和 電弧所產熱的作用下被加熱。副TIG電源電極位置有兩種設計方案1、電極位於鎢極前方 (沿焊接方向上)，對工件有一定程度的預熱作用；2、電極位於鎢極後方，對焊縫有一定的 焊後熱處理的作用。TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接新技術的設備包括工作檯、夾具、主副鎢極氬 弧焊機、焊槍、送絲裝置，送絲裝置與工件之間絕緣，主鎢極氬弧焊機_焊槍-工件_工作 臺之間形成主焊接迴路，副鎢極氬弧焊電源_送絲裝置_工件_工作檯之間形成的熱絲回 路，熱絲迴路中接工件的電極包括鎢極前後兩種接法，分別起到焊前預熱和焊後熱處理的 作用。實施例3 結合圖1-圖5，本發明在鎢極氬弧焊系統中引入了副TIG電源，首先使 送絲裝置及焊絲與工件絕緣，將副TIG電源的兩電極分別接在送絲嘴和工件上，形成導電 迴路，如圖1所示。焊接過程開始時，接通焊接主迴路，引燃主弧對工件預熱1 2s，接著通 過送絲裝置送進焊絲，當焊絲端部距離工件5 8mm時接通熱絲迴路，在主弧所產生的電弧 等離子體的作用下，焊絲端部與工件之間易於點燃輔助電弧，在電弧產熱的作用下，焊絲端 部熔化並形成熔滴，隨著熔滴的長大，輔助電弧對焊絲加熱作用逐漸減小，由於焊絲與熔滴 之間表面張力的作用，熔滴懸掛在焊絲端部，焊絲熔化速率低於焊絲送進速率，輔助電弧的 弧長不斷減小，焊絲端部的熔滴在主電弧中心區域被熔斷，焊絲以大熔滴的方式過渡到基 體金屬上，接下來熔滴的過渡方式主要有以下三種過渡模式一、輔助電流較小時，在基體上熔敷金屬達到期望高度時，焊絲端部與基體金屬發 生短路，由於採用具有陡降特性的TIG電源，輔助電流不變，不會產生如熔化極氣體保護焊 中短路過渡時的連橋爆斷的現象，熔滴過渡主要通過主電弧的熱作用將送進的焊絲持續熔 斷，如圖2所示，此種短路狀態始終保持。二、輔助電流較大時，適當提高焊絲的送進位置，焊絲端部與熔敷金屬發生短路 時，此時熱絲迴路在焊絲上產生較高的電阻熱，焊絲在較小的主電弧熱量作用下即可發生 熔化，使得焊絲在主電弧較大區域內即被主電弧熱量熔斷，並在焊絲端部與工件之間形成 輔助電弧，如圖3所示，由於焊絲電阻熱的作用，在較小的主電弧熱量下焊絲端部即發生熔 化並形成熔滴懸掛，如圖4所示，隨著電阻熱絲、電弧繼續加熱和焊絲的進給，焊絲熔化速 度與送進速度相當，輔助電弧弧長減小不明顯，當熔滴尺寸增大到一定程度時，在熔滴重 力、電弧力及較低的主弧熱量作用下，熔滴以細小顆粒的形式過渡到熔敷金屬上，輔助電弧 繼續在新形成的焊絲端部與工件之間燃燒，如此形成類似熔化極氣體保護焊的顆粒過渡狀 態，如圖5所示。由於熔滴過渡所需的熱量較小，過渡容易，整個過程平穩無飛濺，對焊接效 率的提高及焊接質量均產生了積極地影響。三、當輔助電流數值位於以上兩種過渡方式對應的電流之間時，焊絲首先與基體 上熔敷金屬發生短路，由於相對較大的電阻熱絲作用，使得焊絲上較大長度範圍內的焊絲 被主電弧的熱量熔化，同時，由於主電弧空間大量等離子體的存在，又在焊絲端部與工件之 間引燃輔助電弧，隨著熱量的積累，輔助電弧的長度減小，在焊絲端部與熔融金屬發生短路 前，焊絲端部的熔滴被焊絲熔斷，形成顆粒過渡。此時，熔滴的過渡方式主要是主電弧熔斷焊絲，而區別於方式第二種重力及電弧力作用下的過渡模式。以上三種過渡方式均導致焊絲的熔化效率明顯高出傳統TIG焊接效率，對焊接生 產效率的提高和降低成本有明顯的優勢。同時，熱絲迴路中輔助電流作用下，使得焊絲及部分基體被加熱，在該種過渡方式 下，輔助電流通過焊絲產生電阻熱對焊絲進行加熱，使得焊絲熔化所需要的主弧熱量降低， 從而增加了熔敷效率。同時，輔助電流通過基體金屬時，若熱絲迴路中工件上電極接線位置 在鎢極的前方，輔助電流通過工件產生的電阻熱對基體金屬具有預熱作用，接線位置位於 鎢極後方時，對焊縫有焊後熱處理的作用。本發明的應用領域用於低碳鋼、合金鋼、特種鋼、不鏽鋼等黑色金屬的焊接；用 於開破口或不開破口的對接、搭接、交接、T型接頭；用於直焊縫、環焊縫或空間曲線焊縫的 焊接；本發明特別適用於在低熔點基體表面堆敷高熔點的金屬，可解決低熔點基體易發生 熔化的問題，解決了低熔點基體上堆敷高熔點金屬的困難，同時可提高熔敷效率，提高生產 效率，降低鎢極損耗，降低焊接成本，輔助電弧作用下還能提高焊縫質量。一種利用本發明的實際焊接參數工件基體為口徑為60mm，厚度為15mm的35CrMnSi鋼炮彈，焊絲為純鐵，進行彈帶 堆焊，主TIG電源輸出電流為250A，輔助電流為40 60A，輔助電壓為20V左右，送絲速度 為3m/min，採用以上新技術在炮彈的表面獲得了優質的純鐵彈帶。確定焊接規範的原則是應綜合考慮焊接結構的形式、性能、尺寸，並與焊接工藝 參數進行合理匹配，根據實際焊接對象和材料對主要焊接工藝參數進行優化，同時考慮焊 絲的承載能力，對熱絲迴路和主焊接迴路進行合理的能量分配和組合，可保證獲得較高的 生產效率和優質的焊接接頭。
權利要求
1.一種TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備，它是由主TIG電源、TIG主焊槍、導 絲嘴、副TIG電源、送絲裝置和工件組成的，其特徵在於主TIG電源分別連接TIG主焊槍和 工件，主TIG電源、TIG主焊槍、主焊接電弧和工件構成主焊接迴路；副TIG電源分別連接導 絲嘴和工件，導絲嘴內部穿入由送絲裝置送來的焊絲，導絲嘴、副TIG電源、工件和焊接熔 池構成熱絲迴路，送絲裝置和工件絕緣。
2.一種由權利要求1所述TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備實現的焊接方法， 其特徵在於在常規鎢極氬弧焊系統中引入副TIG電源，將副TIG電源的兩電極分別接在送 絲嘴和工件上，形成導電迴路，焊接過程中通過改變副TIG電源電流的大小形成不同的熔 滴過渡方式，使得焊絲在電阻熱或電弧熱或二者共存的條件下被加熱，採用副TIG電源輔 助加熱焊絲，主TIG電源和副TIG電源均為直流電源或均為交流電源，或一個TIG電源為直 流電源另一個TIG電源為交流電源，焊絲選材電阻率較大的金屬材料，焊絲熔點高於或低 於工件基體的熔點，副TIG電源採取直流正接，通過調節副TIG電源和主TIG電源電流的大 小，使雙TIG熱源形成良好匹配。同時，改變焊絲的送絲位置，改變熱絲的方式和熔滴的過 渡形式，副TIG電源電流較小時，焊絲與工件基體上熔融金屬保持短路狀態，熱絲迴路產生 電阻熱對焊絲進行加熱，熔滴過渡依靠主電弧熔斷；主TIG電源電流較大時，提高焊絲送進 位置，在焊絲端部與工件之間形成輔助電弧，輔助電弧的產熱對焊絲端部加熱形成熔滴，在 重力、電弧力及較低主電弧熱量下形成顆粒過渡；副TIG電源電流介於上述兩種情況之間 時，焊絲發生短路時在主電弧作用下熔斷，焊絲端部與工件基體之間產生輔助電弧，由於熔 化速度低於送絲速度，接著又發生短路，如此反覆發生燃弧、短路、熔斷的過程。
全文摘要
本發明提供一種在不同熔滴過渡模式下，通過電阻熱或電弧產熱對焊絲進行加熱，提高焊絲熔覆效率的TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備及方法。所述的TIG電源輔助的雙TIG複合熱源焊接設備，它是由主TIG電源、TIG主焊槍、導絲嘴、副TIG電源、送絲裝置和工件組成的，主TIG電源分別連接TIG主焊槍和工件，主TIG電源、TIG主焊槍、主焊接電弧和工件構成主焊接迴路；焊接方法是在常規鎢極氬弧焊系統中引入副TIG電源，將副TIG電源的兩電極分別接在送絲嘴和工件上，形成導電迴路，焊接過程中通過改變副TIG電源電流的大小形成不同的熔滴過渡方式。本發明設備簡單、成本低，便於在工業生產中推廣。
文檔編號B23K9/06GK102000903SQ20101052099
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者於衝衝, 呂世雄, 張芙蓉, 徐永強, 敬小軍, 曲傑, 磨安詳, 鄭傳奇, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業大學