双面多电极的穿透电弧焊接方法

专利名称：双面多电极的穿透电弧焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种双面焊接方法，尤其是一种穿透电弧的双面多电极焊接 方法，属于焊接方法领域。
背景技术：
在现代制造业和工业生产进程中，焊接技术己成为一种重要的材料加工 工艺。在各种不同形式的金属连接中，电弧焊接被广泛应用于生产各种高质 量的连接。这是因为在许多应用中，电弧焊接已经被证明是最经济的金属连 接方式。各个领域的发展也对焊接工艺提出了更高的新要求，特别是一些高 性能、大结构和新结构材料的应用等方面，使得传统的焊接工艺无能为力。 随着科学技术的不断发展，焊接技术也不断地推陈出新。
随着现代工业的日趋大型化，厚板、超厚板焊接结构的应用愈来愈广泛。 对于舰艇、压力容器、锅炉、铁轨等大厚壁金属结构产品的制造和大型工程 建造现场作业中，大量厚板接头的传统自动焊接方法普遍采用大坡口多层多
道MAG/MIG焊或埋弧焊，随着焊接结构厚度的不断增加，这些方法己经表现 出了很大的局限性和不适用性。最大的缺点就是由于厚板坡口面积的急剧加 大导致了焊接工作量成倍增加，生产效率低，消耗焊材多，焊接成本高。并 且热输入量大、热影响区宽、晶粒粗大，在厚板大拘束度和大量填充金属凝 固收縮力的共同作用下，焊接接头存在较大的残余应力和残余变形，焊接接 头力学性能低，容易产生裂纹等焊接缺陷。此外，现在工业及制造业中使用 并逐渐推广使用的多为特种材料或高强度钢，对焊接热循环和冷裂纹非常敏 感，对悍接接头的力学性能要求极高。这就要求焊接必须在较低线能量下进 行，但这样一来就要进一步降低生产效率。可见对于厚板材料焊接最大的问 题就是焊接接头力学性能、焊缝质量和焊接效率之间的矛盾。
基于这种考虑，1963年美国巴特尔(Battelle)研究所开发了一种窄间隙 焊接方法。与传统焊接技术相比，窄间隙焊具有以下诸多技术与经济的优越 性l)焊缝横截面积大幅度减少，焊接材料与电能量消耗大量节约，从而在大幅度提高焊接生产率的同时，也大幅度降低了焊接生产成本；2)热压縮塑 性变形量的大幅度縮小且沿板厚方向上更趋均匀化，从而带来了接头的残余 应力，残余变形减少；3)深而窄的坡口侧壁有利于焊接区的冶金保护，焊缝 金属的冶金纯净度更高；4)较高的熔池冷却速度，相对较小的焊接线能量， 使焊缝组织相对细小，且焊接热影响区的塑韧性损伤也大大减少，缺口韧性 相对提高。鉴于上述原因，窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构 焊接的首选技术。
窄间隙焊接技术虽然在中厚板焊接中存在优势，但这种技术自身也存在 着技术难题l)需要特殊的保护气喷嘴，以保证气体对电弧的有效保护；2) 焊接过程中的飞溅粘在侧壁和喷嘴上，可能阻碍焊枪的正常行走或引起短路， 且工艺可靠性不高，因此对焊接工艺要求比较严格；3)由于GMAW电弧的张角 较小，电弧集中作用在坡口底部，在较低的热输入下，容易产生侧壁未熔合; 4)对焊丝在坡口中的位置十分敏感，对装配精度要求严格。
等离子弧、激光和电子束这三种高能量密度热源的焊接由于能够满足新 的特殊工艺要求，所以在焊接领域中得到了迅速的发展和应用。"高能束焊接" 技术就成为传统焊接的补充和发展。高能密度焊接工艺的重要特征是在焊接 过程中出现小孔，这使得单道焊接就可以焊透更厚的工件。其中穿孔型等离 子弧焊接(Keyhole plasma arc welding, K-PAW)因为其潜在的优势，广泛应 用于焊接结构钢，汽车，飞机，火箭，太空飞船和空间焊接等，成为21世纪 最具发展前景和最有效的加工技术之一。
与钨极氢弧焊GTAW相比，K-PAW的电弧弧柱区的横截面受到喷嘴孔径压 縮，气体速度更高(300-2000m/s)和热输入密度更大(109-1011W/mm2)，电弧的 温度也显著增大，从而使等离子弧的稳定性和挺直度得以改善。
与激光焊(LBW)和电子束焊(EBW)相比K-PAW尽管等离子弧能量密度较 低，小孔尺寸较大，但射流速度大、等离子流力强，工艺成本低，接头装配 要求低；激光焊和电子束焊焊接设备昂贵，设备运行成本较高，束流直径小， 对接头装配要求严格；在很大程度上限制了在工业中的应用。
小孔型等离子弧焊接主要利用穿透工件的稳定小孔进行焊接成形。在焊
4接过程中，由于等离子弧被高度压縮，电弧挺度大，能量集中，等离子流力 强，工件在受热熔化的同时受到剧烈冲击力，熔池下凹，最终产生一个贯穿 工件的小孔，熔化金属则在电弧力、等离子体流力、液体金属表面张力、重 力和浮力等相互作用下保持平衡。当焊接前进时，小孔在电弧后方闭和形成
全熔透的焊缝。
根据国内外研究发现，在变极性等离子弧焊接中，小孔的稳定性是影响 小孔型等离子弧焊接过程稳定性以及接头质量的重要因素，也是影响该焊接 方法应用的瓶颈。如果等离子弧穿孔形成的小孔太大，太小或大小合适却极 不稳定，那么小孔稳定性无法保证，以后的焊接过程也极难调节。而在中厚 板的焊接中，由于工件厚度的原因，对电弧的穿透能力要求较高，在热输入 与小孔的稳定成型之间寻求一个较好的平衡是极为困难的，且当被焊工件的 厚度达到一定数值时，等离子弧将无法穿透工件。
双面双弧焊(DSAW)是近几年才出现的一种焊接新工艺，它由美国 Kentucky大学的张裕明教授首先提出的。双面双弧焊具有以下特点-
(1) 热输入小，能够显著增加熔深，提高焊接生产效率；
(2) 减小热影响区和焊接变形；
(3) 极大地提高焊接电弧的穿透能力，可以实现中厚度板一次对接成形而 无需开坡口。
双面双弧焊，目前研究及应用较多的是TIG-TIG， TIG-PAW匹配方式，它 们均为不填丝焊接方法，具有电弧稳定，适合于板边精密加工的薄板在无间 隙情况下的对接等特点。采用MIG-TIG配合，则因MIG焊有填充金属来补偿 和调节焊缝成形而可克服此类问题。
该工艺需要同时在工件的正反面进行焊接，在实际应用中有很大的局限 性；由于其背面不能加垫板等，对坡口间隙、工件变形较敏感。因而无法应 用于薄板焊接，而只能用于中等厚度板的直接对接焊接。同时由于两个焊枪 串联，焊接参数只能同时调整。
因此，如何增加等离子弧的穿透能力及如何能灵活的调整焊接过程中的 传热、传力和传质问题，是目前急需解决的难题。这个问题是能否实现中厚板穿孔焊接高效化、高质化、经济化以及双面弧焊在薄板焊接上的应用的关 键。

发明内容
本发明的目的在于克服了现有焊接方法的上述缺陷，提供了一种双面多 电极的穿透电弧焊接方法。该方法可操作性很强，能适应多种焊接环境，并 可以灵活的控制焊接电弧的形状、热源形态及对被焊工件的热输入，以实现 在焊接过程中的传热、传力和传质的自由组合。
为了实现上述目的，本发明釆取了如下技术方案。该方法使用两把或三 把焊枪对工件进行穿透焊接，焊枪分布在被焊工件的两侧，焊枪和被焊工件 分别与焊接电源及其控制系统相连，流过所有焊枪的电流和流过被焊工件的 电流形成动态平衡，即流入或流出焊枪及工件的电流相等。
使用三把焊枪焊接时，三把焊枪间同时燃起电弧，形成一个三角形电弧; 在焊接过程中，通过实时调整被焊工件上电流的大小来改变对被焊工件的热 输入，通过调整焊枪间的间距和夹角来改变焊接热源的形态，通过调整焊枪 间的间距和夹角来改变焊接时对熔池作用的力。
所述的焊枪为熔化极焊枪或非熔化极焊枪。
本发明的工作原理如下将三把焊枪分布在工件两面，其中一面放置两 把焊枪，另一面放置一把焊枪，电弧将在这三把焊枪的电极上燃烧；该焊接 方法区别于传统电弧焊接方法最显著的特征就是其焊接电弧是三角形且是可 控的，而传统电弧悍接方法所使用的电弧均为圆柱形且无法自由控制。通过 调整三把焊枪的相对位置，就可以调整焊接电弧的形态，进而改变焊接热源 的形态；众所周知，焊接电弧对工件的热输入主要靠电弧的斑点热及辐射等， 一旦形成穿透电弧，在工件虚地的时候，电弧在被焊工件上不会形成斑点， 同时焊接电弧的弧柱区对工件的热输入极小。因此，需要将工件也接在焊接 电源上，承担一部分电流，这样在工件表面也有电子的发射和接受，就会形 成斑点为工件提供斑点热。只要调整工件上流过的电流就可以方便的调整对 工件的热输入。而调整三把焊枪的相对位置的同时，也改变了焊接时电弧对 熔池的力的输入。再加上使用GMAW焊枪或者送丝机构，就可以在焊接过程中分别控制对熔池的力、热和质的输入，实现传热、传力和传质的自由组合。 同时，应该说明的是，本发明提出了一种多电极弧焊的概念，该方法还
可简化成双面双电极焊接，同样可以通过控制工件上流过的电流来控制对工
件的热输入，以适应不同焊接要求的需要。 本发明的优点如下
本发明所述的焊接方法，通过改变电弧形状、单独控制焊接热输入和单 独控制焊接时对熔池的传质，实现焊接过程中传力、传热和传质的解耦，从 而灵活的控制焊接电弧的形状、热源形态及对被焊工件的热输入，以实现在 焊接过程中的传热、传力和传质的自由组合。而目前已有的焊接方法在对熔 池进行力、热和质的输入上都是相互耦合的，难以分别调整。通过使用该焊 接方法，就可以满足目前可以解决但是成本过高或者质量无法控制的以及目 前还无法达到的焊接要求。这是一个对现有弧焊技术进行革新的发明，该方 法可以利用一些现有的设备进行高效率，高质量以及经济的薄板及中厚板焊 接。该方法最大限度利用了现有的设备，使实现的投资大大减少，和目前的 深熔焊如激光焊接、电子束焊接等相比有很高的经济性。此外，该方法可操 作性很强，能适应多种悍接环境。


图1是本焊接方法实施方式的装置示意图
图2是本焊接方法简化成双面双电极焊接后的示意图
图3是本焊接方法焊接薄板的一个具体实施方式
的装置示意图
图4是本焊接方法焊接厚板的一个具体实施方式
的装置示意图
图中1、焊接电源及其控制系统，2、第一焊接电缆，3、第二焊接电缆,
4、第三焊接电缆，5、第四焊接电缆，6、被焊工件，7、第一焊枪，8、第二
焊枪，9、第三焊枪，10、三角形穿透电弧，11、等离子焊枪，12、熔化极惰
性气体保护焊枪。
具体实施例方式
以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。附图中被焊工件都以对接立 焊为例，但这并不是限制性的，只是说明性质。附图中只说明了该焊接方法
7有关电回路方面的连接方式，焊枪所必须的气路和水路接法都是使用常规接 法，所以不再进行说明。
下面结合图1对该焊接方法的步骤进行详细说明
(1) 准备好要进行焊接的工件；
该焊接方法由于是利用穿透电弧进行焊接，在焊接中厚板时焊枪不必伸 入间隙中，因此该方法对被焊工件的间隙、坡口等要求很低。
(2) 放置焊枪在工件两面；
要求工件两面都要有焊枪分布，以形成穿透电弧；同时注意调整焊枪的 参数，已保证焊接电弧的穿透能力。
(3) 将所有焊枪及工件都连接到焊接电源组成的回路中；
该焊接电源需要满足对流过每把焊枪及工件的电流进行单独控制，同时 流入和流出焊枪及工件的电流相等，可由多个焊接电源串联而成。
(4) 焊枪在工件表面起弧；
调整焊枪的角度，务必使三把焊枪都指向被焊工件上的起焊点；同时调 整焊接电源的参数，使工件两面的焊枪形成一个回路。该回路中流经每把焊 枪及工件的电流是动态平衡的，即流入和流出焊枪及工件的电流相等；
(5) 位于工件两面的焊枪同时对工件进行热输入，使工件的熔池位置形成小 孔；
起弧后，供气系统除了对熔池进行保护外，还能对电弧进行压縮，提高 电弧的穿透能力，保证工件表面的金属熔化形成熔池后电弧能向下挖掘，以 形成一个完全穿透工件的小孔；这将保证工件的熔深和熔透，并形成一个高 质量的焊接回路。
(6) 小孔成型后，工件两面的电弧连接在一起，形成穿透电弧； 形成穿透电弧后，就涉及到一个电弧对被焊工件热输入的问题；众所周
知，焊接电弧对工件的热输入主要靠电弧的斑点热及辐射等， 一旦形成穿透 电弧，在工件虚地的时候，电弧在被焊工件上不会形成斑点，同时弧柱区对 工件的热输入极小。因此，需要将工件也接在焊接电源上，承担一部分电流，这样在工件表面也有电子的发射和接受，就会形成斑点为工件提供斑点热； 只要调整工件上流过的电流就可以方便的调整对工件的热输入。 (7)焊接过程中，实时调整焊接电源的参数，以满足焊接工艺的要求；
由于该焊接方法同时使用了多个电极进行焊接，在多个电极间燃起一个 或多个三角形电弧，因此通过调整焊枪间的夹角及焊枪与工件间的夹角，就 可以改变电弧的形状，进而改变热源的形状与分布，这样在焊接的过程中， 配合可活动的焊枪卡具，就可以通过改变焊枪间及焊枪与工件间的夹角，或 者让焊枪摆动，来实现对热源形状分布的实时改变，以满足特殊的焊接工艺 要求。
应该说明的是，本焊接方法提出了一个多电极电弧的概念，通过简化该 焊接方法，使用两把焊枪进行双面多电极焊接，可以实现薄板的高速焊接， 如图2所示。以上描绘的方法可以低电流的情况下得到高质量的薄板焊缝。
本发明依然还有其他先进的细节，但是

中所述的本发明，只是 为了选择一个最合适的方式进行说明。也许在本发明其他的体现形式上有一 些细节需要修改，但是那些都不会让本发明的核心思想产生改变。因此，以 下的图纸及前述的说明，都只是说明性质，而不是限制性的。
其次，就该焊接方法焊接薄板的具体实施方式
来说明。
如图3所示，作为被焊工件的平板6竖直放置，通过焊接电缆4将平板 6与焊接电源及其控制系统1连接起来；将等离子焊枪11和熔化极惰性气体 保护焊枪12放置在平板6的一侧，等离子焊枪ll竖直指向焊缝，熔化极惰 性气体保护焊枪12与工件呈30°角指向焊缝；等离子焊枪11通过焊接电缆 2，熔化极惰性气体保护焊枪12通过焊接电缆3与焊接电源及其控制系统1 连接起来；将另一把熔化极惰性气体保护焊枪12放置在平板6的另一侧，竖 直指向焊缝，通过焊接电缆5与焊接电源及其控制系统1连接起来。在焊枪、 工件和电源等连接完毕后，调整焊接参数并起弧。在燃弧初期尚未形成小孔 时三把焊枪所燃烧的电弧相互独立，并在力的作用下对平板6起到挖掘作用， 直到形成小孔。在形成小孔后形成一个三角形的电弧IO，此时对平板6的热 输入主要由流经导线2的电流来控制。最后，就该焊接方法焊接厚板的具体实施方式
来说明。
如图4所示，作为被焊工件的平板6竖直放置，通过焊接电缆4将平板6 与焊接电源及其控制系统1连接起来；将等离子焊枪11和熔化极惰性气体保 护焊枪12放置在平板6的一侧，等离子焊枪ll竖直指向焊缝，熔化极惰性 气体保护焊枪12与工件呈30°角指向焊缝；等离子焊枪11通过焊接电缆2， 熔化极惰性气体保护焊枪12通过焊接电缆3与焊接电源及其控制系统1连接 起来；将另一把等离子焊枪11放置在平板6的另一侧，竖直指向焊缝，通过 焊接电缆5与焊接电源及其控制系统1连接起来。在焊枪、工件和电源等连 接完毕后，调整焊接参数并起弧。在燃弧初期尚未形成小孔时三把焊枪所燃 烧的电弧相互独立，并在力的作用下对平板6起到挖掘作用，直到形成小孔。 在形成小孔后形成一个三角形的电弧10，此时对平板6的热输入主要由流经 导线2的电流来控制。
权利要求
1、双面多电极的穿透电弧焊接方法，其特征在于该方法使用两把或三把焊枪对工件进行穿透焊接，焊枪分布在被焊工件的两侧，焊枪和被焊工件分别与焊接电源及其控制系统相连，流过所有焊枪的电流和流过被焊工件的电流形成动态平衡。
2、 根据权利要求l所述的双面多电极的穿透电弧焊接方法，其特征在于使 用三把焊枪焊接时，三把焊枪间同时燃起电弧，形成一个三角形电弧；在焊 接过程中，通过实时调整被焊工件上电流的大小来改变对被焊工件的热输入， 通过调整焊枪和被焊工件之间的距离及焊枪之间的夹角来改变焊接热源的形 态和对熔池作用的力。
3、 根据权利要求l所述的双面多电极的穿透电弧焊接方法，其特征在于所 述的焊枪为熔化极焊枪或非熔化极焊枪。
全文摘要
本发明是一种双面多电极的穿透电弧焊接方法，该焊接方法使用三把焊枪对工件进行焊接。焊枪可以任意组合且分布在工件的两面，对工件形成穿透的电弧进行焊接。多把焊枪间会同时燃起电弧，形成一个可控的三角形电弧。通过实时调整工件上电流的大小，来改变热输入。通过改变焊枪的间距及夹角，可以改变热源形态及对熔池力的输入，以满足各种不同的焊接要求。该焊接方法可以实现焊接过程中的传热、传力、传质的任意组合，且电弧形状也可以任意控制。在焊接过程中，这种穿透电弧可以实现薄板的高速焊接及厚板的一次穿孔焊透焊接。这种焊接方法可以在拥有专用焊接电源的条件下使用现有的焊接设备进行高效高质的焊接。同时，该方法可简化成双面双弧焊接。
文档编号B23K9/095GK101559510SQ20091008620
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者洋 于, 卢振洋, 凡 蒋, 陈树君 申请人:北京工业大学