一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法及其系统

1.本发明提供了一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法及其系统，属于焊接加工领域。


背景技术：

2.目前，针对厚度超过40mm的大厚板焊接方法主要为mig/mag焊和窄间隙激光填丝焊。窄间隙激光填丝焊有着焊接质量高、稳定的优点，但是激光束对工件的装配间隙要求严格，金属表面对激光反射高，在熔池尚未形成时热效率低，在焊接时容易产生气孔、咬边等缺陷。而对于大厚板mig/mag焊，需要对待焊工件开坡口，且坡口尺寸较大，需要增大焊接时的填充量，并且会降低焊接效率。
3.为了解决上述问题，提出了双丝mig/mag焊技术，两根焊丝按照一定角度通过同一个焊枪，并且由两套独立的供电系统供电，焊接参数也相互独立，最大限度地降低两个焊丝间的干扰，同时双丝焊对装配要求低。但普通的双丝mig/mag焊受焊枪限制，坡口尺寸大，虽然较单丝mig/mag焊填充量大，但是受限于焊丝尺寸焊接效率仍然不高，尤其是在大厚板焊接中。若要提高焊接效率，又会减小填充量，形成侧壁未熔合或层间未熔合。
4.因此，本发明提出一种对装配间隙要求低，填充量大，焊接效率高的大厚板焊接方法和焊接系统是非常有必要的。


技术实现要素：

5.本发明的第一发明目的：提供一种基于双带状焊丝的大厚板mig/mag焊接方法，实现大厚板的高效高质焊接。
6.本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案是：一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法，所述方法是基于双焊丝电弧焊接原理工作的，所述焊丝为带状焊丝；在大厚板焊接过程中，将焊道层分为打底焊、填充焊、盖面焊；根据不同焊道层的特点，对带状焊丝进行尺寸选择和排布设置，包括：
7.记带状焊丝的长度和宽度所在平面为宽面，带状焊丝的长度和厚度所在平面为窄面，且带状焊丝的宽度大于其厚度；在焊接过程中，将两个带状焊丝中沿焊接方向靠前的带状焊丝称为前带状焊丝，靠后的带状焊丝称为后带状焊丝；
8.所述打底焊：选择宽度不同的两个带状焊丝，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，并且设置两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
9.所述填充焊：选择宽度相同的两个带状焊丝，并且设置两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
10.所述盖面焊：选择宽度不同的两个带状焊丝，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，并且设置两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；或者，选择宽度相同的两个带状焊丝，并且设置两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。
11.进一步，在进行所述填充焊前，将两个带状焊丝的起弧端沿相反方向分别进行斜向裁剪，使两个带状焊丝的起弧位置在不同侧。
12.在焊接开始前对带状焊丝进行预处理，即对焊丝的起弧端沿相反方向分别进行斜向裁剪，保证起弧位置在不同侧，如前带状焊丝左侧起弧开始填充，后带状焊丝右侧起弧开始填充，该方式还可保证侧壁填充量高于中间，形成凹型焊缝，进一步减小侧壁未熔合产生的可能性。
13.进一步，所述选择宽度不同的两个带状焊丝，具体为：选择一个宽度为4～6mm的带状焊丝和一个宽度为2～3mm的带状焊丝。
14.进一步，两个带状焊丝的厚度相同。
15.进一步，两个带状焊丝的厚度均为1mm。
16.本发明的第二发明目的：提供一种对焊缝适应能力强且对装配间隙要求低的双带状焊丝mig/mag焊接系统。
17.本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是：一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法的系统，所述系统包括双带状焊丝焊枪、焊接控制中心；所述双带状焊丝焊枪包括双带状焊丝焊枪a和双带状焊丝焊枪b；所述双带状焊丝焊枪a安装有两个宽度相同的带状焊丝；所述双带状焊丝焊枪b安装有两个宽度不同的带状焊丝；
18.所述焊接控制中心用于预设焊接程序，并控制所述双带状焊丝焊枪a和所述双带状焊丝焊枪b按照所预设的焊接程序进行工作；所述预设焊接程序包括焊接模式的选择；所述焊接模式包括打底焊模式、填充焊模式、盖面焊模式；所述盖面焊模式包括盖面焊模式一、盖面焊模式二；
19.记带状焊丝的长度和宽度所在平面为宽面，带状焊丝的长度和厚度所在平面为窄面，且带状焊丝的宽度大于其厚度；在焊接过程中，将两个带状焊丝中沿焊接方向靠前的带状焊丝称为前带状焊丝，靠后的带状焊丝称为后带状焊丝；
20.所述打底焊模式中的双带状焊丝的设置方式为：两个带状焊丝的宽度不同，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
21.所述填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式为：两个带状焊丝的宽度相同，两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
22.所述盖面焊模式一中的双带状焊丝的设置方式为：两个带状焊丝的宽度不同，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
23.所述盖面焊模式二中的双带状焊丝的设置方式为：两个带状焊丝的宽度相同，两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向；
24.若执行所述打底焊模式，则所述焊接控制中心首先控制所述双带状焊丝焊枪b按照所述打底焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，然后控制所述双带状焊丝焊枪b对待焊接工件进行焊接；此时，所述双带状焊丝焊枪a处于待机状态；
25.若执行所述填充焊模式，则所述焊接控制中心首先控制所述双带状焊丝焊枪a按照所述填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，然后控制所述双带状焊丝焊枪a对待焊接工件进行焊接；此时，所述双带状焊丝焊枪b处于待机状态；
26.若执行所述盖面焊模式一，则所述焊接控制中心首先控制所述双带状焊丝焊枪b按照所述盖面焊模式一中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，然后控制所述双带状焊丝焊枪b对待焊接工件进行焊接；此时，所述双带状焊丝焊枪a处于待机状态；
27.若执行所述盖面焊模式二，则所述焊接控制中心首先控制所述双带状焊丝焊枪a按照所述盖面焊模式二中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，然后控制所述双带状焊丝焊枪a对待焊接工件进行焊接；此时，所述双带状焊丝焊枪b处于待机状态。
28.进一步，所述预设焊接程序包括焊道层数的划分、焊道层执行顺序的设置、每个焊道层焊接模式的选择、每个焊道层焊接参数的设置。
29.进一步，所述双带状焊丝焊枪的结构包括：带状焊丝卡扣、带状导电嘴、前带状焊丝、后带状焊丝、主动齿轮、从动齿轮、步进电机；所述焊接控制中心控制所述双带状焊丝焊枪按照不同焊接模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，具体为：所述焊接控制中心控制步进电机转动，与步进电机相连的主动齿轮开始旋转，并带动从动齿轮转动，从而带动穿过从动齿轮内部的后带状焊丝旋转，当后带状焊丝旋转到指定位置时，步进电机停止转动；所述带状焊丝卡扣用于带状焊丝的夹持；所述带状导电嘴用于导送带状焊丝。
30.带状焊丝卡扣和带状导电嘴配合，可保证焊丝的挺直性，防止焊丝出现弯曲，增强焊接过程的稳定性，提高传导电流的能力。
31.进一步，所述带状焊丝卡扣的带状焊丝支持端设有弹性结构，所述弹性结构可以沿带状焊丝宽度方向做弹性运动，所述带状焊丝卡扣适用于不同宽度的带状焊丝的夹持。
32.对于不同带状焊丝，其宽度差别较大，并且带状焊丝卡扣是位于焊枪内部的装置，更换麻烦，因此在带状焊丝卡扣的带状焊丝支持端设有弹性结构，可以沿带状焊丝的宽度方向做弹性运动，能够适应不同宽度的带状焊丝，减少更换麻烦，提高工作效率。
33.进一步，所述系统还包括焊接机器人a、焊接机器人b、工作台、焊接电源、气瓶。
34.本发明涉及的主要工作原理：
35.(一)双焊丝电弧焊接原理：双丝焊(双焊丝电弧焊)是将焊丝以一定角度放在特定的焊枪中，两根焊丝由两个独立的电源供电，两焊丝之间相互绝缘；两台电源通过供电装置协同配合输出电流，使热量分布在前后两焊丝上，充分利用电弧热量。两根焊丝前后排列，前焊丝的电流略大于后焊丝，以增大熔深，后焊丝主要起到填充的作用。采用这种方式得到的焊缝整体呈凸型，适合盖面焊，因此这种方式适用于薄板焊接。而大厚板焊接时，填充焊道呈凸型易产生层间未熔合等缺陷。因此，本发明是在双焊丝电弧焊接原理的基础上改进得到的一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法及其系统。
36.(二)带状焊丝工作原理：带状焊丝的电弧不是在焊丝的一个固定位置产生，而是在焊丝底部多个位置产生。在进行大电流焊接时，电弧能量增加，多个电弧会耦合形成一个电弧，使电流分散，电流密度降低，提高焊接稳定性。另外，即使在稳定的焊接参数下，电弧在焊丝端部的形态和位置也会变化，在焊丝端部左右移动。这是因为带状焊丝端部各处熔化情况不同，与坡口底部的距离不断变化，而最小电压原理促使阴极斑点寻找最短的电流通道，电弧总在焊丝端部与坡口底部的最短距离处，表现为电弧在焊丝两侧左右摆动，从而对侧壁和底部加热，减小侧壁未熔合。基于上述原理可以发现，电弧先在焊丝端部两侧形成，熔滴也优先向坡口两侧过渡，当焊接速度较大时，坡口两侧的填充量必然大于坡口中间
的填充量，这将限制焊接效率。因此，本发明基于带状焊丝工作原理提出了几种带状焊丝的设置方式，主要包括带状焊丝的尺寸设置和排布设置。
37.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
38.(一)本发明提供的大厚板焊接方法及其系统，对焊缝适应能力强，对装配间隙要求低，填充量大，焊接效率高，能够实现大厚板的高效高质焊接。
39.(二)双带状焊丝的焊接系统，前带状焊丝的电弧能对待焊接工件起到预热作用，降低侧壁未熔合产生，提高焊接质量。同时一前一后的焊丝设置，可以增大熔池尺寸，保证熔池中气泡的上逸时间，降低气孔的形成倾向。
40.(三)本发明基于带状焊丝工作原理提出了几种带状焊丝的设置方式，分别适用于打底焊、填充焊、盖面焊。
41.a.采用本发明的打底焊设置方式进行焊接，熔深较大，能够焊透钝边，反面也不需要清根，同时坡口两侧填充量大于中部，形成凹型焊缝，避免后续填充焊时形成侧壁未熔合。
42.b.采用本发明的填充焊设置方式进行焊接，填充量大，对大厚板坡口尺寸要求低，可以保证焊枪的可达性。
43.c.采用本发明的盖面焊设置方式一(即：两个带状焊丝的宽度不同，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向)进行焊接，焊缝中部的填充量高于焊缝两侧，形成凸型焊缝，在保证填充量和焊枪可达性的基础上，保证盖面焊的焊缝成型，以及焊缝整体的力学性能。
44.d.采用本发明的盖面焊设置方式二(即：两个带状焊丝的宽度相同，两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向)进行焊接，增大焊缝中间的填充量的同时增大了熔深，对焊缝中部有重熔作用，既形成凸型焊缝，保证焊缝成型；又均匀化焊缝组织，提高焊缝力学性能。
45.下面通过具体实施方式及附图对本发明做进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
46.图1是本发明实施例打底焊的双带状焊丝设置方式示意图。
47.图2是本发明实施例填充焊的双带状焊丝设置方式示意图。
48.图3是本发明实施例盖面焊的双带状焊丝设置方式一示意图。
49.图4是本发明实施例盖面焊的双带状焊丝设置方式二示意图。
50.图5是本发明实施例基于双带状焊丝的大厚板焊接方法的系统结构示意图，其中，1为焊接机器人a，2为双带状焊丝焊枪a，3为工作台，4为双带状焊丝焊枪b，5为焊接机器人b，6为焊接控制中心，7为焊接电源，8为气瓶。
51.图6是本发明实施例双带状焊丝焊枪b在打底焊模式下的结构透视图。
52.图7是本发明实施例双带状焊丝焊枪a在填充焊模式下的结构透视图。
53.图8是本发明实施例双带状焊丝焊枪b在盖面焊模式一下的结构透视图。
54.图9是本发明实施例双带状焊丝焊枪a在盖面焊模式二下的结构透视图。
55.在图6
‑
9中，a为带状焊丝卡扣，b为带状导电嘴，c为前带状焊丝，d为后带状焊丝，e
为主动齿轮，f为从动齿轮，g为步进电机。
具体实施方式
56.实施例
57.本例给出一种基于双带状焊丝的大厚板焊接方法及其系统。
58.本例采用的焊接方法是基于双焊丝电弧焊接原理工作的，焊丝为带状焊丝；在大厚板焊接过程中，将焊道层分为打底焊、填充焊、盖面焊；根据不同焊道层的特点，对带状焊丝进行尺寸选择和排布设置，包括：
59.记带状焊丝的长度和宽度所在平面为宽面，带状焊丝的长度和厚度所在平面为窄面，且带状焊丝的宽度大于其厚度；在焊接过程中，将两个带状焊丝中沿焊接方向靠前的带状焊丝称为前带状焊丝，靠后的带状焊丝称为后带状焊丝。
60.打底焊的双带状焊丝选择和设置方式：选择宽度不同的两个带状焊丝，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，并且设置两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。图1给出了本例打底焊的双带状焊丝设置方式示意图。
61.填充焊的双带状焊丝选择和设置方式：选择宽度相同的两个带状焊丝，并且设置两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。图2给出了本例填充焊的双带状焊丝设置方式示意图。
62.盖面焊的双带状焊丝选择和设置方式一：选择宽度不同的两个带状焊丝，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，并且设置两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。图3给出了本例盖面焊的双带状焊丝设置方式一示意图。
63.盖面焊的双带状焊丝选择和设置方式二：选择宽度相同的两个带状焊丝，并且设置两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。图4给出了本例盖面焊的双带状焊丝设置方式二示意图。
64.本例在进行填充焊前，将两个带状焊丝的起弧端沿相反方向分别进行斜向裁剪，使两个带状焊丝的起弧位置在不同侧。
65.本例选择宽度不同的两个带状焊丝，具体为：选择一个宽度为4～6mm的带状焊丝和一个宽度为2～3mm的带状焊丝。
66.本例两个带状焊丝的厚度相同，且为1mm。
67.另外，本例提供的焊接系统如图5所示，包括双带状焊丝焊枪、焊接控制中心6；双带状焊丝焊枪包括双带状焊丝焊枪a2和双带状焊丝焊枪b4；双带状焊丝焊枪a2安装有两个宽度相同的带状焊丝；双带状焊丝焊枪b4安装有两个宽度不同的带状焊丝。本例焊接系统还包括焊接机器人a1、焊接机器人b5、工作台3、焊接电源7、气瓶8。
68.焊接控制中心6用于预设焊接程序，并控制双带状焊丝焊枪a2和双带状焊丝焊枪b4按照所预设的焊接程序进行工作；预设焊接程序包括焊接模式的选择；焊接模式包括打底焊模式、填充焊模式、盖面焊模式；盖面焊模式包括盖面焊模式一、盖面焊模式二。
69.打底焊模式中的双带状焊丝的设置方式(如图1)为：两个带状焊丝的宽度不同，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。
70.填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式(如图2)为：两个带状焊丝的宽度相同，两
个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。
71.盖面焊模式一中的双带状焊丝的设置方式(如图3)为：两个带状焊丝的宽度不同，前带状焊丝的宽度大于后带状焊丝的宽度，两个带状焊丝的宽面相互平行，且两个带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。
72.盖面焊模式二中的双带状焊丝的设置方式(如图4)为：两个带状焊丝的宽度相同，两个带状焊丝的宽面相互垂直，且前带状焊丝的宽面垂直于焊接方向。
73.若执行打底焊模式，则焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪b4按照打底焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(图6给出了本例双带状焊丝焊枪b4在打底焊模式下的结构透视图)，然后控制双带状焊丝焊枪b4对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪a2处于待机状态。
74.若执行填充焊模式，则焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(图7给出了本例双带状焊丝焊枪a2在填充焊模式下的结构透视图)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
75.若执行盖面焊模式一，则焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪b4按照盖面焊模式一中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(图8给出了本例双带状焊丝焊枪b4在盖面焊模式一下的结构透视图)，然后控制双带状焊丝焊枪b4对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪a2处于待机状态。
76.若执行盖面焊模式二，则焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照盖面焊模式二中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(图9给出了本例双带状焊丝焊枪a2在盖面焊模式二下的结构透视图)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
77.本例预设焊接程序包括焊道层数的划分、焊道层执行顺序的设置、每个焊道层焊接模式的选择、每个焊道层焊接参数的设置。
78.本例双带状焊丝焊枪的结构如图6
‑
9所示，包括：带状焊丝卡扣a、带状导电嘴b、前带状焊丝c、后带状焊丝d、主动齿轮e、从动齿轮f、步进电机g；焊接控制中心6控制双带状焊丝焊枪按照不同焊接模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置，具体为：焊接控制中心6控制步进电机g转动，与步进电机g相连的主动齿轮e开始旋转，并带动从动齿轮f转动，从而带动穿过从动齿轮f内部的后带状焊丝d旋转，当后带状焊丝d旋转到指定位置时，步进电机g停止转动；带状焊丝卡扣a用于带状焊丝的夹持；带状导电嘴b用于导送带状焊丝。
79.本例带状焊丝卡扣a的带状焊丝支持端设有弹性结构，弹性结构可以沿带状焊丝宽度方向做弹性运动，带状焊丝卡扣a适用于夹持不同宽度的带状焊丝。
80.下面按步骤简要说明本例焊接系统的工作方法：
81.s1、对待焊接工件进行预处理，并将待焊接工件按待焊接部位对接固定在工作台3上。
82.s2、根据待焊接工件的实际情况预设焊接程序，包括焊道层数的划分、焊道层执行顺序的设置、每个焊道层焊接模式的选择、每个焊道层焊接参数的设置。
83.本例焊道层数的划分：根据待焊接工件的具体情况将焊道层分为五层进行焊接。
84.本例焊道层执行顺序：先进行第一层的打底焊，然后依次进行第二、三、四层的填充焊，最后进行第五层的盖面焊。
85.本例每个焊道层焊接模式的选择：第一层的打底焊选择打底焊模式，第二、三、四层的填充焊均选择填充焊模式，第五层的盖面焊选择盖面焊模式二。
86.s3、焊接系统进入焊接工作状态，执行第一层的打底焊：焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪b4按照打底焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(如图6)，然后控制双带状焊丝焊枪b4对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪a2处于待机状态。
87.s4、第一层的打底焊结束，双带状焊丝焊枪b4返回到初始待机状态。
88.s5、执行第二层的填充焊：焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(如图7)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
89.s6、第二层的填充焊结束，双带状焊丝焊枪a2返回到初始待机状态。
90.s7、执行第三层的填充焊：焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(如图7)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
91.s8、第三层的填充焊结束，双带状焊丝焊枪a2返回到初始待机状态。
92.s9、执行第四层的填充焊：焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照填充焊模式中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(如图7)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
93.s10、第四层的填充焊结束，双带状焊丝焊枪a2返回到初始待机状态。
94.s11、执行第五层的盖面焊：焊接控制中心6首先控制双带状焊丝焊枪a2按照盖面焊模式二中的双带状焊丝的设置方式调整两个带状焊丝的位置(如图9)，然后控制双带状焊丝焊枪a2对待焊接工件进行焊接；此时，双带状焊丝焊枪b4处于待机状态。
95.s12、第五层的盖面焊结束，双带状焊丝焊枪a2返回到初始待机状态，焊接工作结束。
96.上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受本文所示的实施例限制。