窄縫焊接法和焊接裝置的製作方法
2023-06-09 23:36:46
專利名稱：窄縫焊接法和焊接裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種窄縫焊接法，通過該方法在MAG和MIG焊接中實現V形或單斜邊坡口多層組合焊接，以及一種對其焊接的裝置。
隨著諸如液壓鏟等的民用建築機器已經被製造的越來越大，構成如臂、懸臂、鏟鬥等的民用建築機器結構的鋼板越來越厚，其中需要大量的時間用於焊接工作。
作為用於縮短焊接時間的方法之一，有一種方法是通過使V形或單斜邊坡口焊縫坡口成為窄縫來減少焊接總量。然而，在使其成為窄縫的情況中，一個重要的因素為阻止焊接缺陷的發生，特別是在第一層中。
例如，如日本1996年的特開平108275所示，如果將要焊接的元件是圓形的，則其端面被非常精確加工以形成焊接坡口，並且可以進行自動焊接。但是，由於在民用建築機器的結構中，如果通過加工在具有由直線和曲線構成的複雜外輪廓的大尺寸元件中形成焊接坡口，其工作成本將極昂貴，其中不能承擔焊接成本，導致總生產成本增長。
例如，焊接坡口的焊接過程中，此時第一層中焊接電流小，輸入進將要焊接的元件中的熱量低。因此，如圖7所示，不能被第一層焊珠3遮蔽的空間4a產生在焊接坡口2的底部成為焊接缺陷，焊接坡口由一對焊接基體1形成。
如圖8所示，如果焊接電流增長，當相對於基體1可獲得足夠的熱量輸入時，熔融的填充金屬量增長。因此，焊珠3的縱橫比(焊珠的高度對寬度的比例)因而增長，在焊珠3中產生諸如熱裂縫4b的焊接缺陷。
為了確保對於焊接基體的充分焊透並阻止在焊珠中產生熱裂縫，增加焊接電流是必需的，且同時通過使焊接速率較快而將形成在焊接部分的焊珠高度抑制為較低。
另外，如圖9所示，由於焊條6接近從坡口2的中心部分偏移的一個側壁，故焊弧7流向焊條接近的側壁，其中，在焊接完成之後，如
圖10所示產生較大的咬邊。另外，由於焊弧的中心不是朝向坡口2的底部(方向性較差)，故可能為坡口2底部處的焊透不足這樣的情況。
焊接中的焊弧的方向性可以通過在焊弧上起作用的收縮力而得到。作為在焊弧上起作用的收縮力的其中之一，存在由焊接電流產生的電磁收縮力。電磁收縮力的強度與焊接電流的平方成比例。
因此，在民用建築機器等的結構中的第一層焊接中，難以採用諸如半自動焊接的焊接方法，在該方法中由於手抖動使得焊條的蜿蜒運行或目標位置的偏移是不可避免的。該焊接由技術熟練的焊接工人手工進行，其中降低焊接成本是困難的。
因此鑑於上述情形，本發明的一個目的是提供一種窄縫焊接法和一種用於該方法的焊接裝置，其能夠在窄坡口焊縫中在第一層中應用自動或半自動焊接，通過提高在焊接中產生的焊弧的方向性，並且提高由於手抖動使得焊條的蜿蜒運行或目標位置的偏移的公差。
為了達到該目的，本發明的第一方面為通過MAG和MIG焊接來焊接窄V形或單斜邊坡口的方法，包括如下步驟通過在第一層中施加焊接電流來焊接，通過其球形傳熱圖形(globule transfer pattern)變成噴射圖形(spraypattern)，這是通過引起直流和脈衝電流在焊接基體和填充金屬之間疊加的波形而進行的；之後，通過施加直流焊接第二層。
本發明的第二方面特徵在於，上述提及的直流被形成為200A到300A，而疊加到直流上的脈衝電流的峰值被形成為400A到500A。
本發明的第三方面特徵在於，上述提及的脈衝電流的頻率被形成為50赫茲或更大。
本發明的第四方面為用於通過MAG和MIG焊接而焊接V形或單斜邊坡口的裝置，其包括焊接能量源，其向由焊接基體和填充金屬構成的焊接部分施加焊接能量；電流控制器，其將預定的焊接電流與施加到焊接部分的焊接電流比較，並且傳送電流控制信號；電壓控制器，將預定焊接電壓與施加到焊接部分的焊接電壓比較，並且傳送電壓控制信號；脈衝波形控制器，其傳送取決於預定峰值電壓、基準電壓和頻率的脈衝波形信號；以及輸出控制器，控制基於上述提及的電流控制器、電壓控制器和脈衝波形控制器的輸出的上述提及的焊接能量源的輸出，並向上述提及的焊接部分施加所需的焊接能量。
本發明的第五方面為用於通過MAG和MIG焊接在多層組合中焊接V形或單斜邊坡口的裝置，其包括移動焊炬的機構；用於控制上述提及機構的控制器，以使得上述提及的焊炬相對於焊接基體沿著焊接基體的焊縫移動；焊接能量源，其中設置多個焊接電流波形，其在上述提及的焊炬和焊接基體之間施加焊接能量；脈衝波形控制器，其產生施加在焊接基體的第一層中的焊接基體和填充金屬之間的焊接電流波形；以及輸出控制器，當焊接基體的第二層和以下層焊接時，其產生直流波形，並同時控制上述提及的焊接能量源的輸出波形，當焊接電流波形從上述提及的脈衝波形控制器輸入時焊接電流波形優選。
圖1是根據本發明焊接裝置的結構圖；圖2是示出根據本發明的窄坡口焊接中第一層的焊接電流波形的示意圖；圖3是示出由本發明產生的焊接狀態的剖面圖；圖4是示出試驗狀態剖面圖，以證明本發明脈衝頻率；圖5是示出試驗結果的示意圖；圖6是根據本發明的焊接裝置的結構圖；圖7、圖8、圖9和圖10是示出在相應的窄坡口焊接中第一層的焊接結果的剖面圖。
下文根據附圖給出本發明的實施例。
圖1至圖5示出本發明的第一實施例，其中圖1是根據本發明焊接裝置的結構圖，圖2是示出根據本發明的在第一層中的焊接電流波形的示意圖，圖3是示出焊接時焊接基體和焊條之間位置關係的剖面圖，圖4是示出在本發明的證明試驗中焊接狀態的側視圖，以及圖5是示出證明試驗結果的示意圖。
在圖1中，焊接基體1其中形成有V形坡口2。5標識焊炬，且焊條6從供給裝置8發送出，並且從焊炬5的尖端提供進坡口2中。
焊接基體1和焊條6連接到焊接能量源9的輸出終端。電流檢測器10檢測從焊接能量源9提供到焊條6的焊接電流。電壓檢測器11檢測從焊接能量源9提供到焊條6的焊接電流的電壓。
電流設置器12設置將要施加到焊條6的電流值。電流控制器13將由電流設置器12設置的電流值與由電流檢測器10檢測的電流值比較並傳送電流控制信號。
電壓設置器14設置施加到焊條6的電壓值。電壓控制器15將由電壓設置器14設置的電壓值與由電壓檢測器11檢測的電壓值比較並傳送電壓控制信號。
16標識峰值電壓設置器，且17標識基準電壓設置器。時間設置器18設置脈衝時間和基準時間。脈衝波形控制器19連接到峰值電壓設置器16、基準電壓設置器17和脈衝時間設置器18上，並且根據從其施加的峰值電壓和基準電壓產生所需的脈衝波形、脈衝時間和基準時間。
開關20在脈衝波形控制器19的輸出側進行幹涉。轉換器21打開和關閉開關20。
輸出控制器22經由電流控制器13、電壓控制器15和開關20連接到脈衝波形控制器19上，並且根據從其施加的信號控制焊接能量源9。
具有這種結構，當進行第一層焊接時，焊條6被推入窄坡口2內，該坡口2形成在一對焊接基體1之間以坡口2的中心為目標位置，且轉換器21打開開關20，其中在由脈衝波形控制器19產生的脈衝波形施加到輸出控制器22的狀態下開始焊接。
此時，焊接能量源9設置峰值電流值於高於在該電流值的平均電流值100到300A的值，根據來自脈衝波形控制器19的作用，其內平均電流值為300A或更多的球形傳熱圖形處變成在焊接基體1和焊條6之間的噴射傳熱圖形，並且如圖2所示，施加具有以下特徵的電流，即電流值為A1的脈衝狀峰值電流被導致疊加在電流值為A2的基準電流上。此外，峰值電流的頻率被設置為50赫茲或更大。
如果峰值電流的頻率設置為50赫茲或更大，則可得到與峰值電流值平方成比例的電磁收縮力，其作為在焊弧上起作用的電磁收縮力。因此，如果平均電流相同，通過使用峰值電流頻率為50赫茲或更多的脈衝電流，在焊弧上起作用的電磁收縮力增加，焊弧的方向性可以改進。
如圖3所示，由於焊弧的方向性是集中的，即使焊條6的目標位置從坡口2的中心位置偏移到其一例，焊弧的中心仍可以定向到坡口2的附近(根部分)。也就是說，即使焊條6的尖端位置由於焊條6的迴轉而搖擺，焊弧的中心可以定向到焊條6由於增強的電磁收縮力而前進的方向(坡口2的底部)。因此，在底部可以達到充分的焊透。
因而，與僅僅使用直流的焊接情況相比，能夠進行較高速的焊接，由此將焊珠的高度抑制到較低是可能的，並且阻止焊珠由於高溫而裂開也是可能的。
如圖4所示，開口角度為30°的單斜邊坡口形成在試件1A上，且焊接通過上述提及的焊接法進行，而改變從焊炬5發送出的焊條6的目標位置。其視覺檢測到的結果在圖5中示出。
在圖5中，符號○表示焊接是令人滿意的並在焊接中無缺陷的狀態，符號Δ表示有不會負面影響質量的微小缺陷的狀態，符號×表示有會負面影響質量的嚴重缺陷的狀態。
如圖5所示，在脈衝頻率為50赫茲的情況中，如果目標位置的偏移量為1mm，則能夠使焊接無任何缺陷。同樣，如果目標位置的偏移量超過2mm，則產生通常不會影響質量的諸如不充分焊透和微小咬邊這樣的微小缺陷。
另外，在脈衝頻率為100赫茲或更多的情況下，即使目標位置的偏移量為3mm，也可以實現無任何缺陷的焊接。然而，在脈衝頻率為35赫茲的情況下，即使目標位置的偏移量為0mm，也可以產生微小缺陷。
因此，如果脈衝頻率為50赫茲或更多，可以實現不會負面影響焊接質量的焊接。另外，優選的是，即使目標位置可以變動的半自動焊接應用於窄坡口焊縫中，通過將脈衝頻率設置到100赫茲或更大，也可以實現沒有任何缺陷的焊接。
由於轉換器20在進行第二層和以下層焊接的情況中被打開，故沒有由脈衝波形控制器19產生的脈衝波形輸入進輸出控制器22中。因此，輸出控制器22控制焊接能量源9以使得電流值由電流設置器12設置並通過電流控制器13施加，電壓值由電壓調整器14設置並通過電壓控制器15施加的直流電在焊條6和焊接基體1之間施加。
而且，通過直流進行焊接，其可容易地使焊弧偏移到坡口的側壁，而可以促進焊接透入坡口的側壁。
此外，關於用於第二層和以下層焊接的條件，有可能根據各層所需的焊接量、焊珠寬度和焊腿(welding leg)等確定焊接電流、焊接電壓、焊接速率等。
圖6是示出本發明第二實施例的視圖。
在圖6中，1表示其中形成有V形坡口2的焊接基體。23表示構成機構部分的多關節型焊接機器人。焊炬5被支撐在焊接機器人23的自由端。焊條6從併入到焊接機器人23中的供給裝置8發送出並通過焊炬5提供到焊接部分。
控制器24控制焊接機器人23的動作並使焊炬5沿著先前告知的溝槽(channel)移動並傳送所需的信號。
轉換器21按照來自控制器24的指示控制開關20的打開和關閉。所有其它結構與第一實施例中的相同，並省略了其重複的說明。
具有這些結構，控制器24控制焊接自動器23以使得焊炬5沿著先前告知的焊接溝槽移動。同時，它在焊接基體1和焊條6之間施加所需的焊接能量，以進行焊接基體1的焊接。
此時，如果焊接為焊接基體1的第一層焊接，控制器24，通過轉換器21關閉開關20，且，如果焊接為第二或以下層的焊接，通過轉換器21開啟開關20。
在焊接基體1的第一層的情況下，由脈衝波形控制器19產生依照由峰值電壓設置器16、基準電壓設置器17和脈衝時間設置器18所確定的條件的脈衝波形，通過轉換器21施加到輸出控制器22，且輸出控制器22基於從脈衝波形控制器19施加的脈衝波形控制焊接能量源9，並且在焊條6和焊接基體1之間施加所需的焊接能量。
在第二實施例中，基隹電流值、峰值電流值和電流頻率如在第一實施例中所確定。結果與第一實施例的相同。
如上所述，本發明涉及窄坡口焊縫法，其進行V形焊接和單斜邊多層焊接，其中在第一層焊接中，焊接是通過向焊接部分施加焊接電流而進行的，焊接電流存在於球形傳熱圖形變成噴射傳熱圖形的區域，具有通過使直流和脈衝電流相互疊加而得到的波形；且在第二層和以下層焊接中，焊接是通過向焊接部分施加DC焊接電流而進行的。因此，焊弧的方向性可以在第一層焊接中改進，且相對於目標位置的偏移公差大大提高，並且自動焊接和半自動焊接可以應用於窄坡口焊縫中，這兩種焊接中目標位置由於焊條的迴轉或手抖動而易於偏移，窄坡口通過具有較差加工精確度的氣割而加工。此外，由於焊接量可通過使坡口寬度變窄而降低，故焊接時間和成本可以顯著降低，且焊接結構的工作成本可以較大程度的降低。
權利要求
1．一種用於通過MAG和MIG焊接來焊接V形或單斜邊坡口的方法，該方法包括以下步驟施加焊接電流以焊接第一層，其中球形傳熱圖形變成噴射圖形，這是通過使直流和脈衝電流在焊接基體和填充金屬之間疊加的波形產生的；以及施加直流以焊接第二層和以下層。
2．如權利要求1所述的方法，其中，所述直流被形成為200A到300A，而疊加在直流上的脈衝電流的峰值被形成為400A到500A。
3．如權利要求1或2所述的方法，其中，上述提及的脈衝電流的頻率為50赫茲或更大。
4．一種用於通過MAG或MIG焊接來焊接V形或單斜邊坡口的裝置，該裝置包括焊接能量源，向包括焊接基體和填充金屬的焊接部分施加焊接能量；電流控制器，將預定的焊接電流與施加到焊接部分的焊接電流比較並傳送電流控制信號；電壓控制器，將預定的焊接電壓與施加到焊接部分的焊接電壓比較並傳送到電壓控制信號；脈衝波形控制器，根據預定的峰值電壓、基準電壓和頻率傳送脈衝波形信號；以及輸出控制器，根據電流控制器、電壓控制器和脈衝波形控制器的輸出控制焊接能量源的輸出，並向焊接部分施加所需的焊接能量。
5．一種用於通過MAG或MIG焊接來焊接在多層組合中的V形或單斜邊坡口的裝置，該裝置包括用於移動焊炬的機構；控制所述機構的控制器，以使得焊炬相對於焊接基體沿著焊接基體的焊縫移動；焊接能量源，其中設置多個焊接電流波形，其在焊炬和焊接基體之間施加焊接能量；脈衝波形控制器，在焊接基體的第一層中，其產生施加在焊接基體和填充金屬之間的焊接電流波形；以及輸出控制器，當焊接焊接基體的第二層和以下時產生直流波形，並同時控制焊接能量源的輸出波形，當焊接電流波形從脈衝波形控制器輸入時焊接電流波形優先。
全文摘要
一種窄縫焊接法，通過該方法實現V形或單斜邊坡口多層組合焊縫，該方法包括步驟如下通過施加焊接電流焊接第一層，通過該步驟球形傳熱圖形變成噴射圖形，這是通過使直流和脈衝電流疊加的波形進行；並隨後通過施加直流焊接第二層。
文檔編號B23K9/02GK1316935SQ00801356
公開日2001年10月10日 申請日期2000年3月28日 優先權日1999年7月12日
發明者高谷透, 早川泰夫, 高野悠敬, 山本光 申請人:日立建機株式會社