一種控制熱輸入的電弧焊方法
2023-04-29 23:42:11 2
專利名稱：一種控制熱輸入的電弧焊方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接方法，尤其涉及對熱輸入敏感的異種金屬材料之間焊接方法。
背景技術：
現代工程結構中材料的應用要綜合考慮性能、成本和製造工藝等各方面的因素， 單一材料往往不能滿足實際應用中的各種要求，隨著輕量化在航空航天、交通運輸等工業領域的發展，鋁-鋼、鎂-鋼、鎂-鋁、鋁-鈦等輕金屬與鋼及輕金屬之間的焊接顯得尤為必要。而已有研究表明輕金屬與鋼及輕金屬之間的焊接中最關鍵的問題是能夠精確控制焊接熱輸入，最大程度減少接頭界面有害的金屬間化合物的產生，得到最佳焊接效果。國內外學者利用釺焊、雷射焊、電子束焊、擴散焊、摩擦焊等熱輸入可控的焊接方法能夠實現輕金屬與鋼及輕金屬之間焊接，但普遍存在成本高、應用場合受限，焊接效率低等缺點，限制了它們的推廣和應用。因此如何利用靈活方便而又成本低的電弧焊技術實現輕金屬與鋼及輕金屬之間的可靠焊接並推動輕量化複合結構的廣泛應用具有重要的工程意義。然而應用最為廣泛的傳統電弧焊方法由於對電弧過程、熔滴過渡、母材熱輸入等難以精確控制，將其用於對熱輸入敏感的輕金屬與鋼及輕金屬之間的焊接時效果往往欠佳。近年來國外在傳統電弧焊基礎上發展起來的精確控制型電弧焊方法和工藝如Fronius 的CMT (冷金屬過渡)弧焊技術、EWM的Cool-Arc、CLOOS的QUINTO CP等弧焊技術等獲得了新的發展，並在鋁與鋼異種金屬焊接領域顯示出獨特的活力，但仍然存在設備機械或主電路控制結構複雜、價格昂貴、工藝調節範圍窄等缺點。因此研究新型低成本精確控制型電弧焊方法解決輕金屬與鋼及輕金屬之間的焊接問題成為迫切的工程需求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種低成本的焊接熱輸入和熔滴過渡過程具有精確調節能力的電弧焊方法，用於實現鋁-鋼、鎂-鋼、鎂-鋁、鋁-鈦等對熱輸入敏感的輕金屬與鋼及輕金屬之間的有效焊接。本發明是一種控制熱輸入的電弧焊方法，採用兩路電弧迴路-主電弧迴路和分流電弧迴路，其中主電弧用於熔化焊絲和母材，利用分流電弧從焊絲與母材之間的主電弧弧柱中分流部分流入母材的電流，從而實現在高的焊絲熔化電流的條件下同時降低母材的熱輸入並進行控制。本發明的效果在於精確控制焊接熱輸入和熔滴過渡的穩定性，合理調節熔滴過渡方式和焊接溫度場的分布，從而有效抑制輕金屬與鋼及輕金屬之間焊接時界面處脆性金屬間化合物的生成，實現鋁-鋼、鎂-鋼、鎂-鋁、鋁-鈦等對熱輸入敏感的輕金屬與鋼及輕金屬之間的有效焊接。試驗表明，採用本發明進行鋁-鋼、鋁-鎂焊接時，能有效控制接頭界面處金屬間化合物層的生成，焊接接頭強度能達到母材強度的80%以上，焊縫成形美觀。
圖1為本發明熱輸入可精確控制的電弧焊方法的示意圖。圖2為鋁合金或鎂合金與鍍鋅鋼板搭接結構示意圖，圖中1為鋁合金或鎂合金，2 為鍍鋅鋼板，L為搭接寬度。
具體實施例方式如圖1所示，本發明是一種控制熱輸入的電弧焊方法，採用兩路電弧迴路-主電弧迴路和分流電弧迴路，其中主電弧用於熔化焊絲和母材，利用分流電弧從焊絲與母材之間的主電弧弧柱中分流部分流入母材的電流，從而實現在高的焊絲熔化電流的條件下同時降低母材的熱輸入並進行控制。主電弧迴路由主電弧脈衝電源供電，由MIG焊槍及送絲機實現焊絲送進和主電弧燃燒；分流電弧迴路由分流電弧脈衝電源供電，由TIG焊槍實現分流電弧燃燒，兩套電源供電系統採用分體式，或一體式結構。主電弧迴路和分流電弧迴路按照以下方式連接主電弧脈衝電源正極與分流電弧脈衝電源正極連接在一起並與MIG焊槍焊絲導電嘴相連；主電弧脈衝電源負極與被焊工件連接；分流電弧脈衝電源負極與TIG焊槍鎢極導電嘴相連。分流電弧的TIG焊槍在主弧的MIG焊槍側方安裝，兩槍軸線在同一平面，兩槍角度 20 60度，使主電弧和分流電弧按照以下方式耦合主電弧在焊絲和被焊工件之間燃燒， 且焊絲為主電弧的陽極，工件為主電弧的陰極；分流電弧在鎢極和主電弧弧柱區之間燃燒， 且主電弧的弧柱區為分流電弧的陽極，鎢極為分流電弧的陰極。根據以上所述的控制熱輸入的電弧焊方法，主電弧與分流電弧的脈衝電流波形相位和周期是同步的，在主弧加熱功率一定的條件下，通過調節分流電弧的脈衝參數調整母材熱輸入的大小。實施例1.鋁合金與鍍鋅鋼板異種金屬材料的電弧焊所採用的鋁合金母材為2mm厚的5052鋁合金板，鍍鋅板的基體為Q235鋼，鍍鋅板厚度為2mm，尺寸均為30mmX 10mm，焊接方法採用本發明提出的熱輸入可控的電弧焊方法， 焊絲為直徑1. 2mm的鋁矽焊絲ER4043，其焊接工藝步驟如下(1)施焊前，用丙酮去除待焊工件表面油汙，用不鏽鋼絲刷去除待焊工件表面氧化膜；(2)將待焊工件固定在焊接夾具上，接頭採用搭接形式，鋁合金板1在上，鍍鋅鋼板2在下，搭接寬度L為20mm，如圖2所示；(3)主路電弧與分流電弧夾角呈40°，所用鎢極直徑3. 0mm，鎢極尖端夾角為 30° ；保護氣採用氬氣，主路電弧保護氣流量為20L/min，分流電弧保護氣流量為5L/min ；(4)主路平均電流24A(峰值電流195A，基值電流5A，佔空比10%，脈衝頻率 80Hz)，旁路平均電流33A (峰值電流150A，基值電流20A，佔空比10 %，脈衝頻率80Hz)，焊接速度為0. 6m/min ；(5)將焊絲尖端對準搭接部位鋁合金邊緣進行焊接，導電嘴到工件距離15mm，啟動開關進行焊接；(6)施焊到工件末端，關閉焊接開關，焊接過程結束。
實施例2.鎂合金與鍍鋅鋼板異種金屬材料的電弧焊所採用的鎂合金母材為2mm厚的變形鎂合金AZ31B，鍍鋅板的基體為Q235鋼，鍍鋅板厚度為2mm，焊接方法採用本發明提出的熱輸入可控的電弧焊方法，焊絲為直徑1. 2mm的鎂合金焊絲AZ92A，其焊接工藝步驟如下(1)施焊前，用丙酮去除待焊工件表面油汙，用不鏽鋼絲刷去除待焊工件表面氧化膜；(2)將待焊工件固定在焊接夾具上，接頭採用搭接形式，鎂合金板1在上，鍍鋅鋼板2在下，搭接寬度L為20mm，如圖2所示；(3)主路電弧與分流電弧夾角呈40°，所用鎢極直徑3. 0mm，鎢極尖端夾角為 30° ；保護氣採用氬氣，主路電弧保護氣流量為20L/min，分流電弧保護氣流量為5L/min ；(4)主路平均電流32A(峰值電流140A，基值電流5A，佔空比20%，脈衝頻率 80Hz)，旁路平均電流36A (峰值電流100A，基值電流20A，佔空比20 %，脈衝頻率80Hz)，焊接速度為0. 8m/min ；(5)將焊絲尖端對準搭接部位鎂合金邊緣進行焊接，導電嘴到工件距離15mm，啟動開關進行焊接；(6)施焊到工件末端，關閉焊接開關，焊接過程結束。經採用實施例1和實施2中所述方法焊接的鋁-鋼、鎂-鋼異種金屬焊接的焊縫成形美觀，焊接接頭的拉伸強度達到了母材拉伸強度的80%以上。另外，本發明還可用於例如鎂-鋁、鋁-鈦等異種輕金屬之間的焊接。
權利要求
1.一種控制熱輸入的電弧焊方法，其特徵在於採用兩路電弧迴路-主電弧迴路和分流電弧迴路，其中主電弧用於熔化焊絲和母材，利用分流電弧從焊絲與母材之間的主電弧弧柱中分流部分流入母材的電流，從而實現在高的焊絲熔化電流的條件下同時降低母材的熱輸入並進行控制。
2.根據權利要求1所述的控制熱輸入的電弧焊方法，其特徵在於主電弧迴路由主電弧脈衝電源供電，由MIG焊槍及送絲機實現焊絲送進和主電弧燃燒；分流電弧迴路由分流電弧脈衝電源供電，由TIG焊槍實現分流電弧燃燒，兩套電源供電系統採用分體式，或一體式結構。
3.根據權利要求1所述的控制熱輸入的電弧焊方法，其特徵在於主電弧迴路和分流電弧迴路按照以下方式連接主電弧脈衝電源正極與分流電弧脈衝電源正極連接在一起並與 MIG焊槍焊絲導電嘴相連；主電弧脈衝電源負極與被焊工件連接；分流電弧脈衝電源負極與TIG焊槍鎢極導電嘴相連。
4.根據權利要求1所述的控制熱輸入的電弧焊方法，其特徵在於分流電弧的TIG焊槍在主弧的MIG焊槍側方安裝，兩槍軸線在同一平面，兩槍角度20 60度，使主電弧和分流電弧按照以下方式耦合主電弧在焊絲和被焊工件之間燃燒，且焊絲為主電弧的陽極，工件為主電弧的陰極；分流電弧在鎢極和主電弧弧柱區之間燃燒，且主電弧的弧柱區為分流電弧的陽極，鎢極為分流電弧的陰極。
5.根據權利要求1、2和3所述的控制熱輸入的電弧焊方法，其特徵在於主電弧與分流電弧的脈衝電流波形相位和周期是同步的，在主弧加熱功率一定的條件下，通過調節分流電弧的脈衝參數調整母材熱輸入的大小。
全文摘要
一種控制熱輸入的電弧焊方法，其目的在於提供一種低成本的焊接熱輸入和熔滴過渡過程具有精確調節能力的電弧焊方法，用於實現鋁-鋼、鎂-鋼、鎂-鋁、鋁-鈦等對熱輸入敏感的輕金屬與鋼及輕金屬之間的有效焊接；採用兩路電弧迴路-主電弧迴路和分流電弧迴路，其中主電弧用於熔化焊絲和母材，利用分流電弧從焊絲與母材之間的主電弧弧柱中分流部分流入母材的電流，從而實現在高的焊絲熔化電流的條件下同時降低母材的熱輸入並進行控制。
文檔編號B23K9/16GK102500873SQ20111034739
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者盧立暉, 樊丁, 石玗, 黃健康 申請人:蘭州理工大學