CN103737158B - 一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属焊接领域，具体涉及一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪及其焊接方法。一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪，辅助外套上固定非熔化极气体保护电弧焊炬，辅助外套两侧有螺杆，调节齿轮组件上固定熔化极气体保护电弧焊炬，一端有螺杆，调节齿轮组件上的螺杆与辅助外套两侧的螺杆通过有内螺纹的连接套筒连接在一起；通过连接套筒将两个熔化极气体保护电弧焊炬连接在非熔化极气体保护电弧焊炬的两侧。该焊枪及其焊接方法可以实现高熔敷率的同时减少作用于工件的热输入，减小工件的焊接变形，极大地改善焊接质量，扩大了焊接工艺规范区间，是一种高效、低热输入的焊接新工艺，尤其在中厚板的焊接中具有明显优势。

Description

一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪及其焊接方法

技术领域

本发明属于金属焊接领域，具体涉及一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪及其焊接方法。

背景技术

高效化是当前焊接技术的发展方向。要实现高效化焊接，一是提高焊接速度，但是提高焊接速度易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷；二是提高焊丝熔敷率，但常规熔化极电弧焊(如MIG/MAG焊)时，在提高焊丝熔敷率的同时也意味着焊接热输人的增加，从而引起焊接变形、热影响区扩大等问题。

为了解决上述问题，美国Kentucky大学张裕明教授提出一种热输入控制方法，即在焊接电流流入母材之前将其分流，减小了母材的热输入。该方法提出后，许多学者进行了相关研究。例如：兰州理工大学的石玗对双旁路耦合电弧铝合金MIG焊熔滴过渡形态进行了研究，结果表明双旁路耦合电弧可以促进熔滴过渡并可显著降低喷射过渡的临界电流；中国专利号为CN201110269628.8的专利文件中记载了一种双熔化极单电弧旁路耦合复合焊接系统及方法，包括第一焊机、第二焊机、第一焊丝和第二焊丝，其中：第一焊机和第二焊机的阳极共同与第一焊丝连接,第一焊丝与工件形成电弧；第一焊机的阴极与工件相连接；第二焊机的阴极与第二焊丝连接,第二焊丝与工件不形成电弧；美国专利号为US2012012559的专利文件记载了一种控制热输入的焊接系统，包括以下步骤：接收数据，编码所需的热输入范围内具有热输入值的上限值和下限值之间，接收数据的编码所需的电平改变到第一焊接焊缝变量的一组变量，确定到一个水平焊接变量的设定的第二焊缝变量的改变；中国专利号为CN201841347U的专利文件记载了一种新型双丝焊枪，焊枪电缆尾部并列设置两焊枪尾部连接头，通过同时输出两根焊丝的设计，提高了焊接效率。

以上研究工作大多集中于热输入控制技术的电弧物理特性及双丝焊枪的设计上，迄今为止，还没有一种基于热输入控制的焊枪及其焊接方法可以真正应用到生产实践中，发挥其优势所在。为此，本发明设计了一种新型的基于热输入控制的双熔化极焊枪，并介绍了其焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于减小焊接变形、提高焊丝熔敷率、提高焊接品质、追求高能量密度且性质均一的电弧形态、实现稳定焊接、改善焊接过程，减小飞溅的基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪，本发明的目的还在于提供一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪的焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪，由两个熔化极气体保护电弧焊炬和一个非熔化极气体保护电弧焊炬及机械调节结构组成，辅助外套上固定非熔化极气体保护电弧焊炬，辅助外套两侧有螺杆，调节齿轮组件上固定熔化极气体保护电弧焊炬，一端有螺杆，调节齿轮组件上的螺杆与辅助外套两侧的螺杆通过有内螺纹的连接套筒连接在一起；通过连接套筒将两个熔化极气体保护电弧焊炬连接在非熔化极气体保护电弧焊炬的两侧；熔化极气体保护电弧焊炬和非熔化极气体保护电弧焊炬之间安装有固定两个固定夹具；调节齿轮组件的另一端有旋转调节手轮，熔化极气体保护电弧焊炬上有与旋转调节手轮相配合的锯齿结构。

熔化极气体保护电弧焊炬为MIG焊炬，非熔化极气体保护电弧焊炬为TIG焊炬。

熔化极气体保护电弧焊炬和非熔化极气体保护电弧焊炬连接在恒压电源上。

一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪的焊接方法，包括：

步骤1：将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，并对其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件置于焊接平台上，调整接缝位置使之与焊枪钨极尖端行走路线重合，然后利用夹具将其固定；

步骤3：调整双熔化极电弧焊枪参数，确保两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧，使两侧MIG焊炬位于同一高度，其焊丝尖端距母材距离为2-10mm，焊丝与钨极之间的距离为2-8mm，钨极距工件的高度为3-10mm；

步骤4：设定焊接工艺参数：恒流电源的电流在0-300A之间，恒压电源的焊接电流在50-500A之间、焊接电压为15-30V，焊接速度为10-200cm/min之间，MIG焊炬气体流量为8-30L/min，TIG焊炬气体流量为4-15L/min；

步骤5：开启恒流电源和恒压电源，引燃焊接电弧，这这样两侧MIG焊炬和TIG焊炬之间形成了一个稳定的耦合电弧，进而熔化焊丝，焊接工件。

本发明的有益效果在于：

1、该焊枪及其焊接方法可以实现高熔敷率(是常规MIG焊的2-3倍)的同时减少作用于工件的热输入，减小工件的焊接变形，极大地改善焊接质量，扩大了焊接工艺规范区间，是一种高效、低热输入的焊接新工艺，尤其在中厚板的焊接中具有明显优势。

2、采用两侧双熔化极、中间非熔化焊枪的独特组合方式，可形成了一个稳定、对称、均一的耦合电弧，该电弧能量密度更高、电弧刚直性好、电磁力分布更集中。同时，热源呈对称分布，减小了焊接飞溅、改善了焊缝成形，极大地提高了焊接质量，是一种稳定、实用的焊接工艺。

3、该方法在本质上属于电弧焊的改型，所以它也是一种低成本的高效焊接方法。应用在焊接生产中，将大大提高生产效率、降低焊接成本、提高焊接质量，可以实现高效、优质和低成本焊接，具有很大的工程实用价值。

4、由于具有焊接热输入低、焊丝熔敷效率高、焊接变形小等特点，该焊枪及其焊接方法既适用于同种金属材料的高效焊接，更适合异种金属(如Ti-Al、Fe-Al、Fe-Mg等)的焊接或堆焊。

5、该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，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)；根据焊接金属的性质，熔化极气体电弧焊的保护气体既可为Ar，也可为CO₂或混合气体等，能够广泛应用于多种金属结构的焊接过程中。

附图说明

图1是本发明焊枪组成示意图；

图2是调节机构的局部放大图；

图3是单恒压电源双熔化极焊接方法原理图；

图4是双恒压电源双熔化极焊接方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

本发明涉及一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪及其焊接方法，为了实现目的，本发明采用如下技术方案：

该焊枪由两个熔化极气体保护电弧焊炬(MIG焊炬Ⅰ、MIG焊炬Ⅱ)和一个非熔化极气体保护电弧焊炬(TIG焊炬)及相关机械调节结构组成。将辅助外套固定在TIG焊炬上，通过连接套筒与两侧MIG焊炬相连接。在两侧MIG焊炬和TIG焊炬之间的螺杆是通过一个配合有内螺纹的辅助外套连接，当套筒向一个方向旋转时，两个螺杆同时相互靠近，反之，同时远离，这样可实现MIG焊炬和TIG焊炬左右距离的调节。同时，在MIG焊炬上有固定外管螺纹，通过调节手轮和调节齿轮组件实现MIG焊炬相对TIG焊炬的上下运动。当MIG、TIG焊炬之间的距离调节结束后，利用固定夹具将三把焊炬连接在一起。

为了保证焊接效果，发挥该焊枪的最佳效果，需保证两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧。焊接时，两侧MIG焊炬既可同时连接于同一恒压焊接电源的正极，也可以分别与两个恒压电源的正极相连。同时，TIG焊炬与恒流电源的负极相连，引燃电弧后，该焊枪和工件之间形成性质均一、形状对称、高电流密度、低电弧压力、稳定的耦合电弧。双丝耦合电弧可以在相同时间内熔化更多焊丝，提高熔敷率；TIG焊炬一方面增大了焊丝的熔化电流，另一方面作为旁路来分流一部分通过母材的焊接电流；MIG焊炬和TIG焊炬由独立电源各自供电，具有更大的焊接参数调节范围。因此，该组合焊枪及其焊接方法可以实现高熔敷率焊接(是常规MIG焊的2-3倍)的同时减少作用于工件的热输入，减小工件的焊接变形，极大地改善焊接质量，扩大了焊接工艺规范区间，是一种高效焊接新工艺，尤其在中厚板的焊接中具有明显优势。

该装置在调节好焊接工艺之后，其使用方法类似于一把单独的熔化极电弧焊枪，非常方便灵活。具体实施步骤如下：

步骤1：将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，并对其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件置于焊接平台上，调整接缝位置使之与TIG焊枪钨极尖端行走路线重合，然后利用夹具将其固定；

步骤3：调整双熔化极电弧焊枪参数，确保两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧，使两侧MIG焊炬位于同一高度，其焊丝尖端距母材距离为2-10mm，焊丝与钨极之间的距离为2-8mm，钨极距工件的高度为3-10mm；

步骤4：设定焊接工艺参数，恒压电源的焊接电流在50-500A之间，焊接电压为15-30V，恒流电源的电流在0-300A之间，焊接速度为10-200cm/min之间，MIG焊炬气体流量为8-30L/min，TIG焊枪气体流量为4-15L/min；

步骤5：开启焊接电源，引燃焊接电弧，这样两侧MIG焊炬和TIG焊炬之间形成了一个稳定的耦合电弧，进而熔化焊丝，焊接工件。

图1是本发明的焊枪组成示意图，主要由直把TIG焊炬1、两侧MIG焊炬2、固定夹具3、辅助外套7、调节手轮9、调节齿轮组件10和连接套筒(内螺纹)11等组成。将辅助外套7固定在直把TIG焊炬1上，通过连接套筒(内螺纹)11与两侧MIG焊炬2相连接。旋转连接套筒(内螺纹)11可实现MIG焊炬2和TIG焊炬1左右距离的调节；旋转调节手轮9和调节齿轮组件10可以实现MIG焊炬2相对TIG焊炬1的上下运动。当MIG、TIG焊炬之间的距离调节结束后，利用固定夹具3将三支焊炬连接在一起。焊炬之间的远、近、高、低调节机构放大图见附图二，通过连接套筒内螺纹13和螺杆14之间的咬合即可实现MIG焊炬2和TIG焊炬1之间左右距离的调节。

图3和图4是本发明的具体施焊方法原理图，根据两个熔化极焊炬是否独立供电，可分为单恒压电源双熔化极焊接方法(附图三)和双恒压电源双熔化极焊接方法(附图四)。为了保证焊接效果，发挥该焊枪的最佳效果，需保证两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧，TIG焊炬与恒流电源的负极相连。该装置在调节好焊接工艺之后，其使用方法类似于一把普通单熔化极电弧焊枪，非常方便灵活。具体施焊步骤如下：

步骤1：将工件17的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，并对其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件17置于焊接平台上，调整接缝位置使之与TIG焊枪钨极尖端行走路线重合，然后利用夹具将其固定；

步骤3：调整双熔化极电弧焊枪参数，确保两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧，使两侧MIG焊炬位于同一高度，其焊丝尖端距母材距离为2-10mm，焊丝与钨极之间的距离为2-8mm，钨极距工件的高度为3-10mm；

步骤4：设定焊接工艺参数：恒流电源15的电流在0-300A之间，恒压电源16的焊接电流在50-500A之间、焊接电压为15-30V，焊接速度为10-200cm/min之间，MIG焊炬气体流量为8-30L/min，TIG焊炬气体流量为4-15L/min；

步骤5：开启恒流电源15和恒压电源16，引燃焊接电弧，这这样两侧MIG焊炬和TIG焊炬之间形成了一个稳定的耦合电弧，进而熔化焊丝，焊接工件。

Claims (1)

1.一种基于热输入控制的双熔化极电弧焊枪的焊接方法，辅助外套上固定非熔化极气体保护电弧焊炬，辅助外套两侧有螺杆，调节齿轮组件上固定熔化极气体保护电弧焊炬，一端有螺杆，调节齿轮组件上的螺杆与辅助外套两侧的螺杆通过有内螺纹的连接套筒连接在一起；通过连接套筒将两个熔化极气体保护电弧焊炬连接在非熔化极气体保护电弧焊炬的两侧；熔化极气体保护电弧焊炬和非熔化极气体保护电弧焊炬之间安装有两个固定夹具；调节齿轮组件的另一端有旋转调节手轮，熔化极气体保护电弧焊炬上有与旋转调节手轮相配合的锯齿结构；

所述的熔化极气体保护电弧焊炬为MIG焊炬，非熔化极气体保护电弧焊炬为TIG焊炬；

熔化极气体保护电弧焊炬和非熔化极气体保护电弧焊炬连接在恒压电源上，其特征在于：

步骤1：将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，并对其两侧表面进行打磨和清洗；

步骤2：将工件置于焊接平台上，调整接缝位置使之与焊枪钨极尖端行走路线重合，然后利用夹具将其固定；

步骤3：调整双熔化极电弧焊枪参数，确保两侧MIG焊炬对称置于TIG焊炬两侧，使两侧MIG焊炬位于同一高度，两侧MIG焊炬的焊丝尖端距母材距离为2-10mm，焊丝与钨极之间的距离为2-8mm，钨极距工件的高度为3-10mm；

步骤4：设定焊接工艺参数：恒流电源的电流在0-300A之间，恒压电源的焊接电流在50-500A之间、焊接电压为15-30V，焊接速度为10-200cm/min之间，MIG焊炬气体流量为8-30L/min，TIG焊炬气体流量为4-15L/min；

步骤5：开启恒流电源和恒压电源，引燃焊接电弧，这样两侧MIG焊炬和TIG焊炬之间形成了一个稳定的耦合电弧，进而熔化焊丝，焊接工件。