专利名称：电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备及其方法
技术领域：
本发明涉及焊接领域，特别是一种电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊
接新型设备及其焊接方法。
背景技术：
随着我国经济的高速发展，在许多工业领域需要发展高速、高效和优质焊接技术来满足国家建设的需要，同时相关学科科学与技术的进步，促使了现代焊接新方法不断出现，焊接速度不断提高，焊接质量要求也随之提高，另外，可持续发展、环境保护对焊接技术的要求也逐步提高。 埋弧焊接技术是目前我国应用于低合金高强钢、厚板、长板焊接最重要的焊接技
术之一，在建筑、船舶、压力容器、电力、化工、重型机械等领域应用十分广泛。近年来，双丝或多丝埋弧焊技术在上述领域的应用使得其焊接质量和焊接效率得到了很大的提高，开辟
了一个新的焊接技术领域。但是，目前，传统的单丝、双丝或多丝埋弧焊接技术仍然存在不少缺点 1)焊接接头力学性能，特别是冲击韧性有待提高； 2)焊接线能量限制严格，限制了多丝埋弧焊接技术的优势； 3)焊接工艺规范较狭窄； 4)双丝或多丝焊容易造成焊缝金属晶粒粗大，气孔、偏析、夹杂、咬边等缺陷较多； 5)焊接速度和焊接效率也有待提高；
6)焊接材料，如焊剂、焊渣的环保问题突出； 7)由于采用涡轮蜗杆传动、齿轮减速等机构，使得焊枪和焊接设备笨重，体积庞
大，多丝焊接设备结构复杂，影响了多焊丝的排布，不利于使用，操作困难。 因此，需要更进一步的完善和发展埋弧焊接设备和技术，特别是多丝埋弧焊接设
备及焊接方法，以实现高效、优质、低成本的新型多丝埋弧焊接设备和技术的进步。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种厚板高效、优质、低成本三丝高速、高效埋弧焊接设备和方法，以便突破传统埋弧焊接设备和方法的局限性，以及对焊接工艺条件的苛刻要求，实现冲击性能良好，大电流、高速度、高效率、优质焊接接头的多丝埋弧焊接。 有鉴于此，本发明采用电磁直驱伺服电机，通过取消送丝驱动电机与送丝系统之间的涡轮蜗杆、齿轮减速等机械传动机构，实现电机与送丝轮之间的零传动，能够完成高速送丝任务；在电磁复合场的作用实现电磁控制埋弧焊接过程，获得了大焊接电流使用条件下电磁作用埋弧焊接的独特优点；同时，与焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接技术有机结合，实现焊缝正反面的优质成型，在数字电源和数控技术的支持下，实现了高效、优质、高
速、低成本的三丝埋弧焊接设备及其新方法。 本发明解决其技术问题所采用的具体方案如下 电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，包括送丝系统、焊接电源、磁场电源、焊剂铜衬垫系统、焊炬系统、电磁复合系统、数控系统。 进一步，所述送丝系统为焊丝I的电磁直驱旋转伺服电机I的转轴与主送丝轮I集成为一体，由单一送丝轮I副对完成送丝，焊丝II的电磁直驱旋转伺服电机II的转轴与主送丝轮II集成为一体，由排列在下部的导向轮I和主送丝轮II构成的双副对完成送丝，焊丝III的电磁直驱旋转伺服电机III的转轴与主送丝轮III集成为一体，由排列在上部的导向轮II和主送丝轮III构成的双副对完成送丝； 进一步，所述焊炬系统包括偏心导电嘴1、偏心导电嘴II和偏心导电嘴III，偏心导电嘴I由上半部分和下半部分构成，偏心导电嘴II由上半部分和下半部分构成，偏心导电嘴III由上半部分和下半部分构成； 进一步，所述电磁复合系统包括锥形励磁线圈、侧板、盖板、下入水口 、上出水口 、线圈线口，电磁复合系统与焊炬系统的喷嘴、水冷系统集成为一体，通过励磁电源产生外加电磁场作用焊接区域，控制焊接电弧和熔池，消除焊接过程中的电磁偏吹，提高焊接的接头整体质量； 进一步，所述焊剂铜衬垫系统包括充气软管、铜衬垫、衬垫焊剂，为放置于焊缝背面的气压式焊剂铜衬垫系统，是在铜垫板上撒布厚度均匀的衬垫焊剂，并用压縮空气通入气管，把敷好焊剂的铜垫板以一定的压力贴在焊缝的背面； 进一步，所述送丝系统的导向轮I与主送丝轮III排列在一起，同一根主轴，导向轮I与主轴通过轴承连接，导向轮II与主送丝轮II排列在一起，同一根主轴，导向轮II与主轴通过轴承连接，主送丝轮I主轴位于主送丝轮II主轴、主送丝轮III主轴的中间位置，呈空间等腰三角形排列，伺服电机II和伺服电机III上下排列在一侧，伺服电机I排列在另一侧中间位置，结构紧凑； 进一步，所述焊丝I为前置焊丝；焊丝II和焊丝III并排排列，位于焊丝I的后面，焊丝I和焊丝H、焊丝III之间呈等腰三角形分布，三根焊丝共同完成焊接过程填充焊缝金属的功能；焊丝I承担焊前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能，并能够与焊丝II和焊丝III 一起完成中间阶段的焊接； 进一步，所述导向轮I和导向轮II的导向槽表面是光滑的，而主送丝轮II和主送丝轮III的导向槽表面是粗糙的花纹纹路，有利于增大送丝摩擦力，提高送丝稳定性；
进一步，所述送丝系统包括夹紧机构和前导丝板，送丝轮和与之相对应的夹紧轮构成送丝轮副对，夹紧轮使焊丝与送丝轮紧密接触，确保焊丝能顺利送进，前导丝板伸出引导焊丝很方便的穿入焊丝导孔。 进一步，所述偏心导电嘴I的上半部分和下半部分通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分和下半部分连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝I与导电嘴的良好接触，而且上半部分较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹I与偏心导电嘴I相连，独立为焊丝I提供焊接电流，偏心导电嘴I通过绝缘定位支架I与焊枪主体相连； 进一步，所述偏心导电嘴II的上半部分和下半部分通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分和下半部分连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝II与导电嘴的良好接触，而且上半部分较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹II与偏心导电嘴II相连，独立为焊丝II提供焊接电流， 所述偏心导电嘴III的上半部分和下半部分通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分和下半部分连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝III与导电嘴的良好接触，而且上半部分较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹III与偏心导电嘴III相连，独立为焊丝III提供焊接电流； 进一步，偏心导电嘴II通过绝缘定位支架II与焊枪主体相连，偏心导电嘴III通过绝缘定位支架III与焊枪主体相连，绝缘定位支架II和绝缘定位支架III排列在一起，互相绝缘，偏心导电嘴II和偏心导电嘴III之间也相互绝缘，保证了焊丝II和焊丝III之间的焊接电流相互独立，互不干扰； 进一步，导电夹选用黄铜做材料，焊接时产生电阻热较小，黄铜导电夹便于加工且经济性较好； 进一步，导电嘴具有过渡锥孔，使过渡部位平滑，无过渡死拐角，使焊丝能一次安装完成，工效高； 进一步，导电嘴中导电小孔的长度比一般的导电孔长度要长，保证了焊丝与导电嘴的接触距离，提高了导电性能，有效地防止断电、电弧不稳和粘丝现象，同时提高了导电嘴的抗磨性能，焊丝能提前进行电预热，有利于焊接。 进一步，所述电磁复合系统的励磁线圈为上大下小结构的锥形励磁线圈，产生中
心小外围大的磁场，与焊接电流中心大而外围小的分布状态相适应，在焊接区域形成合理
的电磁作用力，控制焊接电弧、焊接熔池、焊接冶金全过程，形成优质焊缝； 进一步，所述电磁复合系统由磁场电源提供励磁电流，产生正反方向交替变化、正
反脉冲不等幅值、中心弱四周强的间隙交变极性的脉冲纵向旋转磁场； 进一步，所述电磁复合系统的励磁线圈浸泡在冷却介质中，并与冷却介质绝缘，冷却介质从位于喷嘴下方的下入水口进入，从位于喷嘴上方的盖板的上出水口流出，这样保证喷嘴、励磁线圈具有良好的冷却作用，适用于埋弧大电流焊接，同时结构紧凑、简单有效、
工作可靠。 进一步，所述铜衬垫系统是焊剂铜衬垫单面焊双面成型的焊接系统，衬垫焊剂与工件背面直接接触，衬垫焊剂下有铜衬垫，在充气软管的顶升支撑作用下，焊剂衬垫紧贴工件背面，控制背面焊道的大小，特别是余高，使用大焊接电流，能形成背面焊道，而且对于坡口精度及焊接条件的变化其允许范围也较宽容，焊接质量可靠。 电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接方法，数控式三丝高速电磁复合焊剂铜衬垫单面焊双面成型的高效优质埋弧焊接方法，包括三丝高效焊接、高速焊接、电磁复合焊接、焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接、先进数字控制焊接的功能与作用； 进一步，所述数控式三丝高效焊接方式是在电磁直驱旋转伺服电机的支持下，取
消了从电机到送丝系统之间的机械传动环节，实行零传动模式，全部在电参数的数字控制
模式下实现快速平稳的送丝，并根据实际焊接情况进行快速的响应与反馈调节送丝状态，
三根焊丝之间互相独立，自成体系，同时又能够根据焊接需要进行协调运动和调节，焊丝I
承担焊前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能时，由焊接电源I提供直流焊接电流，焊丝
II由焊接电源II提供焊接电流，焊丝III由焊接电源III提供焊接电流，三根焊丝呈等边
三角排列方式，焊丝I在前，焊丝II和焊丝III并列在后，共同完成填充焊缝的功能，实现
打底、预热、盖面、填缝一次完成的高效焊接，能够高效率完成厚板焊接；三根焊丝可以共一
个熔池；或者焊丝I为一个熔池，焊丝II和焊丝III共另一个熔池；或者三根焊丝独立为三
个熔池； 进一步，所述高速焊接方式是在三丝、大电流、高速送丝的支持下实现高速焊接， 三根焊丝既独立又配合，可以分别设定送丝速度，实现组合式送丝方式，并且根据焊接工序 进行单一焊丝送丝速度的调节，实现高速三丝焊接过程，焊丝II和焊丝III的送丝速度一 致，焊丝I自主调节送丝速度，并配合焊丝II和焊丝III进行焊接，高速焊接速度为0.6m/ min-5m/min，焊接电流为400-1200A，焊丝直径为1. 2mm_6. 4mm ; 进一步，所述电磁复合焊接方式是在锥形励磁线圈、励磁电源的支持下，形成外
密内疏、正反方向变极性、不等幅值的纵向旋转磁场，能够消除焊丝I直流+焊丝II直流 +焊丝III直流组合条件下的磁偏吹或吸引，同时扩大电弧面积，控制焊接电弧旋转，无
需摆动就可消除坡口或焊缝边缘的未融合，并且控制焊接熔池和焊缝冶金凝固过程，充分 搅拌焊接熔池，控制焊缝金属的结晶状况，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气 孔的敏感性，减少气孔、夹渣、咬边缺陷，提高焊缝的韧塑性和抗腐蚀的能力，形成优质焊 缝，电磁复合焊接励磁电流10-50A，变极性励磁频率l-25Hz，占空比30% _70%，变幅比 10% _50%，内外径磁场强度比为20% -60% ; 进一步，所述焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接方式是综合利用了焊剂垫和铜
衬垫的优势而形成的，衬垫焊剂固化前呈粉状，紧贴工件背面，加热熔化固化后使焊缝背面
强制成形，焊剂为纳米包覆的高韧性超低氢绿色环保的焊剂，在工件正面进行埋弧焊接，获 得单面焊双面成形的焊缝，高效焊接厚板或长板，能消除背面熔融金属流出、咬口等缺陷，
控制背面焊道的大小，特别是余高，能够使用大电流，对于坡口精度及焊接条件的变化范围 要求较小，从而实现高韧性优质高效焊接； 进一步，所述先进数字控制焊接方式是在焊接电源I、 II、 III和励磁电源均采用 数字电源，送丝系统采用电磁直驱伺服电机零传动的条件下，整个焊接系统和焊接工艺控 制均是先进的数字式控制模式，具有远程监控、遥控和数据传输能力，实现快速响应、平稳 运行、适时调节的闭环控制方式对整个焊接过程的各个环节进行全方位的自动控制，保证 获得优质焊接接头。 进一步，所述数字焊接电源I、 II、 III可以分别单独为焊丝1、焊丝II和焊丝III 提供直流焊接电流、交流焊接电流、脉冲焊接电流、变极性脉冲焊接电流、双脉冲焊接电流； 所述数字励磁电源可以为励磁线圈提供直流励磁电流、交流励磁电流、脉冲励磁电流、变极 性励磁脉冲焊接电流、双脉冲励磁电流。
本发明的有益效果主要体现在以下方面 1)电磁直驱旋转伺服电机零传动结构形式大幅度提高了送丝稳定性和控制响 应精度，消除了噪音、油污和振动，实现了结构简单、体积小、稳定可靠、精密可控的高速送 丝，同时也使得三丝焊枪设计变得十分简单，结构紧凑，焊丝排列形式丰富，空间分布足够 多种，各个焊丝之间既能够自成体系，又能够相互协调。 2)电磁复合场通过正反方向交替变化、正反脉冲不等幅值、中心弱四周强的间 隙交变极性的脉冲纵向旋转磁场控制焊接电弧、焊接熔池和焊缝凝固过程，使焊接熔池熔 体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布，引起微观 组织、相结构的改变，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，使焊缝及 其热影响区强度接近于母材的强度；消除焊接过程中的电磁偏吹，同时扩大电弧面积，控制 焊接电弧旋转，无需摆动就可消除坡口或焊缝边缘的未融合。 3)焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接综合利用了焊剂垫和铜衬垫的优势，衬
垫焊剂紧贴工件背面，使焊缝背面强制成形，焊剂为纳米包覆的高韧性超低氢绿色环保的
焊剂，在工件正面进行埋弧焊接，获得单面焊双面成形的焊缝；在高效焊接厚板或长板，能
消除背面熔融金属流出、咬口等缺陷，控制背面焊道的大小，特别是余高，能够使用大电流，
对于坡口精度及焊接条件的变化范围要求较小，从而实现高韧性优质高效焊接。
4)三丝排列方式三根焊丝呈等边三角排列方式，焊丝I在前，焊丝II和焊丝III
并列在后，共同完成填充焊缝的功能，实现打底、预热、盖面、填缝一次完成的高效焊接，能
够高效率完成厚板焊接。 5)偏心导电嘴和上下两半结构导电嘴上半部分和下半部分通过内外螺纹连接， 便于拆卸和更换，上半部分和下半部分连接时有一定程度的偏心，保证了焊丝与导电嘴的 良好接触，上半部分较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青 铜材料，下半部分较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最 佳的导电效果，导电夹与偏心导电嘴相连，独立为焊丝提供焊接电流；三根焊丝可以使用不 同类型的焊接电流，形成交流、直流多种组合。 6)送丝轮副对焊丝II和III由排列在下部的导向轮和主送丝轮构成的双副对 完成送丝，能够实现粗焊丝的稳定进给，提高填缝效率和熔敷效率；三根焊丝可以使用不同 的直径。 7)先进的数字控制焊接方式焊接电源和励磁电源均采用数字电源，送丝系统采 用电磁直驱伺服电机零传动的条件下，整个焊接系统和焊接工艺控制均是先进的数字式控 制模式，具有远程监控、遥控和数据传输能力，实现快速响应、平稳运行、适时调节的闭环控 制方式对整个焊接过程的各个环节进行全方位的自动控制，保证获得优质焊接接头。
8)集成水冷系统电磁复合系统的励磁线圈浸泡在冷却介质中，并与冷却介质绝 缘，冷却介质从位于喷嘴下方的下入水口进入，从位于喷嘴上方的盖板的上出水口流出，这 样保证喷嘴、励磁线圈具有良好的冷却作用，适用于埋弧大电流焊接，同时结构紧凑、简单 有效、工作可靠。 9)用途广泛用于厚板、超大厚板、超长板的焊接；用于低合金高强钢、耐热钢、超 强钢、普通不锈钢、双相不锈钢的焊接；开坡口与不开坡口的焊接；窄间隙焊接等；焊接速 度快，焊接效率高，具有高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式、综合易控的先进厚板埋弧焊的特点，实现了高效、优质的有效协调与合理统一，降低了生产成本，提高了 产品的竞争力；解决了焊接效率和焊接板厚之间的矛盾限制，双面焊接一次成型，设备结构 简单、成本较低，而且控制可靠、稳定性好，焊缝质量高，易于推广使用。 本发明在船舶建造，锅炉、石油、冶炼和重型机械等行业关键部件的制造与装备领 域具有广阔的应用价值与发展前景，实现了厚板多丝埋弧焊接技术的创新。
图1是本发明焊丝I焊接设备示意图； 图2是本发明焊丝II和焊丝III焊接设备示意图； 图3是本发明三丝位置示意图； 图4是本发明铜衬垫焊接设备和焊接方法示意图； 图中，l.焊丝I导孔；2.焊丝II导孔；3.焊丝III导孔；4.伺服电机I ;5.导向槽； 6.主送丝轮I ;7.连轴器I ;8.支撑板；9.绝缘定位支架I ;10.导电嘴I上半部分；11.导 电嘴I下半部分；12.导电夹I ;13.侧板；14.线圈；15.出水口 ；16.盖板；17.入水口 ； 18.线圈线口 ；19.箱体；20.伺服电机II ;21.连轴器II ;22.主送丝轮II ;23.导向轮II ; 24.前导丝板；25.伺服电机III ;26.连轴器III ;27.导向轮I ;28.主送丝轮III ;29.导 电嘴II上半部分；30.导电嘴II下半部分；31.导电嘴III上半部分；32.导电嘴III下半
部分；33.绝缘定位支架II ;34.绝缘定位支架III ;35.导电夹III ;36.导电夹II ;37.喷
嘴；38.焊丝I ;39.焊丝II ;40.焊丝III ;41.喷嘴内壁；42.工件；43.充气软管；44.铜衬 垫；45.表面焊剂；46.正面熔渣；47.衬垫焊剂；48.背面熔渣；49.坡口 ；50.熔池；51.焊
接电源I ;52.焊接电源II ;53.焊接电源III ;54.外加磁场。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。 — .电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备 —种电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，具体结构如下 参见图1、图2、图3、图4，电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备包
括送丝系统、焊接电源、磁场电源、焊剂铜衬垫系统、焊炬系统、电磁复合系统、数控系统； 所述送丝系统为焊丝138的电磁直驱旋转伺服电机14的转轴与主送丝轮16集成
为一体，由单一送丝轮I副对完成送丝，焊丝1139的电磁直驱旋转伺服电机1120的转轴与
主送丝轮1122集成为一体，由排列在下部的导向轮127和主送丝轮1122构成的双副对完
成送丝，焊丝II140的电磁直驱旋转伺服电机II125的转轴与主送丝轮II128集成为一体，
由排列在上部的导向轮1123和主送丝轮III28构成的双副对完成送丝； 所述焊炬系统包括偏心导电嘴1、偏心导电嘴II和偏心导电嘴III，偏心导电嘴I
由上半部分10和下半部分11构成，偏心导电嘴II由上半部分29和下半部分30构成，偏
心导电嘴III由上半部分31和下半部分32构成； 所述电磁复合系统包括锥形励磁线圈14、侧板13、盖板16、下入水口 17、上出水口 15、线圈线口 18，电磁复合系统与焊炬系统的喷嘴37、水冷系统集成为一体，通过励磁电源 产生外加电磁场作用焊接区域，控制焊接电弧和熔池，消除焊接过程中的电磁偏吹，提高焊接的接头整体质量； 所述焊剂铜衬垫系统包括充气软管43、铜衬垫44、衬垫焊剂47，为放置于焊缝背 面的气压式焊剂铜衬垫系统，是在铜垫板上撒布厚度均匀的衬垫焊剂，并用压縮空气通入 气管，把敷好焊剂的铜垫板以一定的压力贴在焊缝的背面； 所述送丝系统的导向轮127与主送丝轮III28排列在一起，同一根主轴，导向轮 127与主轴通过轴承连接，导向轮1123与主送丝轮1122排列在一起，同一根主轴，导向轮 1123与主轴通过轴承连接，主送丝轮16主轴位于主送丝轮1122主轴、主送丝轮II128主轴 的中间位置，呈空间等腰三角形排列，伺服电机II20和伺服电机III25上下排列在一侧，伺 服电机I4排列在另一侧中间位置，结构紧凑； 所述焊丝138为前置焊丝；焊丝1139和焊丝II140并排排列，位于焊丝138的后 面，焊丝138和焊丝H39、焊丝11140之间呈等腰三角形分布，三根焊丝共同完成焊接过程 填充焊缝金属的功能；焊丝138承担焊前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能，并能够与 焊丝1139和焊丝III40 —起完成中间阶段的焊接； 所述导向轮127和导向轮1123的导向槽表面是光滑的，而主送丝轮1122和主送 丝轮III28的导向槽表面是粗糙的花纹纹路，有利于增大送丝摩擦力，提高送丝稳定性；
所述送丝系统包括夹紧机构和前导丝板24，送丝轮和与之相对应的夹紧轮构成送 丝轮副对，夹紧轮使焊丝与送丝轮紧密接触，确保焊丝能顺利送进，前导丝板24伸出引导 焊丝很方便的穿入焊丝导孔。 所述偏心导电嘴I的上半部分10和下半部分11通过内外螺纹连接，便于拆卸和 更换，上半部分IO和下半部分ll连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊 丝138与导电嘴11的良好接触，而且上半部分10较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就 节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分11较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青 铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹I12与偏心导电嘴I相连，独立为焊 丝138提供焊接电流，偏心导电嘴I通过绝缘定位支架19与焊枪主体相连；
所述偏心导电嘴II的上半部分29和下半部分30通过内外螺纹连接，便于拆卸和 更换，上半部分29和下半部分30连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊 丝1139与导电嘴30的良好接触，而且上半部分29较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就 节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分30较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青 铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹II36与偏心导电嘴II相连，独立为 焊丝1139提供焊接电流， 所述偏心导电嘴III的上半部分31和下半部分32通过内外螺纹连接，便于拆卸 和更换，上半部分31和下半部分32连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了 焊丝III40与导电嘴32的良好接触，而且上半部分31较长，采用较便宜的铜合金材料，这 样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分32较短，采用导电性和耐磨性好的铬 锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹III35与偏心导电嘴III相连， 独立为焊丝II140提供焊接电流； 偏心导电嘴II通过绝缘定位支架1133与焊枪主体相连，偏心导电嘴III通过绝 缘定位支架III34与焊枪主体相连，绝缘定位支架1133和绝缘定位支架III34排列在一 起，互相绝缘，偏心导电嘴II和偏心导电嘴III之间也相互绝缘，保证了焊丝1139和焊丝ni4o之间的焊接电流相互独立，互不干扰； 导电夹I12、导电夹III35、导电夹II36选用黄铜做材料，焊接时产生电阻热较小， 黄铜导电夹便于加工且经济性较好； 导电嘴111 、导电嘴1130 、导电嘴11132具有过渡锥孔，使过渡部位平滑，无过渡死 拐角，使焊丝能一次安装完成，工效高； 导电嘴111、导电嘴1130、导电嘴III32中导电小孔的长度比一般的导电孔长度要
长，保证了焊丝与导电嘴的接触距离，提高了导电性能，有效地防止断电、电弧不稳和粘丝
现象，同时提高了导电嘴的抗磨性能，焊丝能提前进行电预热，有利于焊接。 所述电磁复合系统的励磁线圈14为上大下小结构的锥形励磁线圈，产生中心小
外围大的磁场，与焊接电流中心大而外围小的分布状态相适应，在焊接区域形成合理的电
磁作用力，控制焊接电弧、焊接熔池、焊接冶金全过程，形成优质焊缝； 所述电磁复合系统由磁场电源提供励磁电流，产生正反方向交替变化、正反脉冲 不等幅值、中心弱四周强的间隙交变极性的脉冲纵向旋转磁场； 所述电磁复合系统的励磁线圈浸泡在冷却介质中，并与冷却介质绝缘，冷却介质 从位于喷嘴37下方的下入水口 17进入，从位于喷嘴37上方的盖板16的上出水口 15流 出，这样保证喷嘴37、励磁线圈14具有良好的冷却作用，适用于埋弧大电流焊接，同时结构 紧凑、简单有效、工作可靠。 所述铜衬垫系统是焊剂铜衬垫单面焊双面成型的焊接系统，衬垫焊剂47与工件 42背面直接接触，衬垫焊剂47下有铜衬垫44，在充气软管43的顶升支撑作用下，焊剂衬垫 紧贴工件42背面，控制背面焊道的大小，特别是余高，使用大焊接电流，能形成背面焊道， 而且对于坡口精度及焊接条件的变化其允许范围也较宽容，焊接质量可靠。
二.电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接方法 数控式三丝高速电磁复合焊剂铜衬垫单面焊双面成型的高效优质埋弧焊接方法， 包括三丝高效焊接、高速焊接、电磁复合焊接、焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接、先进 数字控制焊接的功能与作用； 所述数控式三丝高效焊接方式是在电磁直驱旋转伺服电机的支持下，取消了从电 机到送丝系统之间的机械传动环节，实行零传动模式，全部在电参数的数字控制模式下实 现快速平稳的送丝，并根据实际焊接情况进行快速的响应与反馈调节送丝状态，三根焊丝 之间互相独立，自成体系，同时又能够根据焊接需要进行协调运动和调节，焊丝138承担焊 前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能时，由焊接电源151提供直流焊接电流，焊丝1139 由焊接电源1152提供焊接电流，焊丝III40由焊接电源ni53提供焊接电流，三根焊丝呈 等边三角排列方式，焊丝138在前，焊丝1139和焊丝III40并列在后，共同完成填充焊缝的 功能，实现打底、预热、盖面、填缝一次完成的高效焊接，能够高效率完成厚板焊接；
所述高速焊接方式是在三丝、大电流、高速送丝的支持下实现高速焊接，三根焊丝 既独立又配合，可以分别设定送丝速度，实现组合式送丝方式，并且根据焊接工序进行单一 焊丝送丝速度的调节，实现高速三丝焊接过程，焊丝II和焊丝III的送丝速度一致，焊丝 I自主调节送丝速度，并配合焊丝II和焊丝III进行焊接，高速焊接速度为0. 6m/min-5m/ min，焊接电流为400-1200A，焊丝直径为1. 2mm_6. 4mm ; 所述电磁复合焊接方式是在锥形励磁线圈14、励磁电源的支持下，形成外密内疏、正反方向变极性、不等幅值的纵向旋转磁场，能够消除焊丝I直流+焊丝II直流+焊丝III 直流组合条件下的磁偏吹或吸引，同时扩大电弧面积，控制焊接电弧旋转，无需摆动就可消 除坡口或焊缝边缘的未融合，并且控制焊接熔池和焊缝冶金凝固过程，充分搅拌焊接熔池， 控制焊缝金属的结晶状况，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，减 少气孔、夹渣、咬边缺陷，提高焊缝的韧塑性和抗腐蚀的能力，形成优质焊缝，电磁复合焊接 励磁电流10-50A，变极性励磁频率l-25Hz，占空比30% _70%，变幅比10% -50%，内外径 磁场强度比为20% -60% ; 所述焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接方式是综合利用了焊剂垫和铜衬垫的 优势而形成的，衬垫焊剂固化前呈粉状，紧贴工件42背面，加热熔化固化后使焊缝背面强 制成形，焊剂为纳米包覆的高韧性超低氢绿色环保的焊剂，在工件正面进行埋弧焊接，获得 单面焊双面成形的焊缝，高效焊接厚板或长板，能消除背面熔融金属流出、咬口等缺陷，控 制背面焊道的大小，特别是余高，能够使用大电流，对于坡口精度及焊接条件的变化范围要 求较小，从而实现高韧性优质高效焊接； 所述先进数字控制焊接方式是在焊接电源I、 II、 III和励磁电源均采用数字电 源，送丝系统采用电磁直驱伺服电机零传动的条件下，整个焊接系统和焊接工艺控制均是 先进的数字式控制模式，具有远程监控、遥控和数据传输能力，实现快速响应、平稳运行、适 时调节的闭环控制方式对整个焊接过程的各个环节进行全方位的自动控制，保证获得优质 焊接接头。
三.具体实施例 下述实施例是按照本发明提供的焊接方法和设备实施的。 例1 :电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接板厚为30mm的16MnR钢， 接头采用Y型坡口 ，装配间隙lmm，接头端面采用机械加工平整光滑，焊前清理接头端面的 油污和水分，并干燥，焊缝背面采用CaF2-MgO-CaO-A1203渣系高强钢烧结焊剂，焊剂铜衬 垫单面焊双面成型工艺；采用焊丝I进行打底焊接和盖面焊接，其直流焊接电流为1200A， 励磁电流为20A，磁场频率为20Hz，焊丝II和焊丝III为直流焊接电流为850A，焊丝直径 4线焊接速度1. 5m/min。 实际焊接时，根据不同的焊接工艺、母材材质、焊接材料和接头形式等，采用本发 明提供的埋弧焊接方法和设备，应综合考虑各种焊接工艺参数的合理匹配，并对主要工艺 参数进行优化，可保证高效、优质、低成本新型埋弧焊接过程的实施。最后说明的是，以上实 施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说 明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
权利要求
一种电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，其特征在于包括送丝系统、焊接电源、磁场电源、焊剂铜衬垫系统、焊炬系统、电磁复合系统、数控系统；所述送丝系统为焊丝I(38)的电磁直驱旋转伺服电机I(4)的转轴与主送丝轮I(6)集成为一体，由单一送丝轮I副对完成送丝，焊丝II(39)的电磁直驱旋转伺服电机II(20)的转轴与主送丝轮II(22)集成为一体，由排列在下部的导向轮I(27)和主送丝轮II(22)构成的双副对完成送丝，焊丝III(40)的电磁直驱旋转伺服电机III(25)的转轴与主送丝轮III(28)集成为一体，由排列在上部的导向轮II(23)和主送丝轮III(28)构成的双副对完成送丝；所述焊炬系统包括偏心导电嘴I、偏心导电嘴II和偏心导电嘴III，偏心导电嘴I由上半部分(10)和下半部分(11)构成，偏心导电嘴II由上半部分(29)和下半部分(30)构成，偏心导电嘴III由上半部分(31)和下半部分(32)构成；所述电磁复合系统包括锥形励磁线圈(14)、侧板(13)、盖板(16)、下入水口(17)、上出水口(15)、线圈线口(18)，电磁复合系统与焊炬系统的喷嘴(37)、水冷系统集成为一体，通过励磁电源产生外加电磁场作用焊接区域，控制焊接电弧和熔池，消除焊接过程中的电磁偏吹，提高焊接的接头整体质量；所述焊剂铜衬垫系统包括充气软管(43)、铜衬垫(44)、衬垫焊剂(47)，为放置于焊缝背面的气压式焊剂铜衬垫系统，是在铜垫板上撒布厚度均匀的衬垫焊剂，并用压缩空气通入气管，把敷好焊剂的铜垫板以一定的压力贴在焊缝的背面。
2. 根据权利要求1所述的电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，其特征在于所述送丝系统的导向轮I(27)与主送丝轮I11(28)排列在一起，同一根主轴，导向轮1(27)与主轴通过轴承连接，导向轮11(23)与主送丝轮I1(22)排列在一起，同一根主轴，导向轮11(23)与主轴通过轴承连接，主送丝轮1(6)主轴位于主送丝轮11(22)主轴、主送丝轮111(28)主轴的中间位置，呈空间等腰三角形排列，伺服电机11(20)和伺服电机111(25)上下排列在一侧，伺服电机I(4)排列在另一侧中间位置，结构紧凑；所述焊丝I(38)为前置焊丝；焊丝I1(39)和焊丝I11(40)并排排列，位于焊丝I(38)的后面，焊丝I(38)和焊丝II(39)、焊丝I11(40)之间呈等腰三角形分布，三根焊丝共同完成焊接过程填充焊缝金属的功能；焊丝1(38)承担焊前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能，并能够与焊丝11(39)和焊丝111(40) —起完成中间阶段的焊接；所述导向轮I(27)和导向轮11(23)的导向槽表面是光滑的，而主送丝轮11(22)和主送丝轮111(28)的导向槽表面是粗糙的花纹纹路，有利于增大送丝摩擦力，提高送丝稳定性；所述送丝系统包括夹紧机构和前导丝板(24)，送丝轮和与之相对应的夹紧轮构成送丝轮副对，夹紧轮使焊丝与送丝轮紧密接触，确保焊丝能顺利送进，前导丝板(24)伸出引导焊丝很方便的穿入焊丝导孔。
3. 根据权利要求1所述的电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，其特征在于所述偏心导电嘴I的上半部分(10)和下半部分(11)通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分(10)和下半部分(11)连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝I(38)与导电嘴(11)的良好接触，而且上半部分(10)较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分(11)较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹1(12)与偏心导电嘴I相连，独立为焊丝1(38)提供焊接电流，偏心导电嘴I通过绝缘定位支架1(9)与焊枪主体相连；所述偏心导电嘴II的上半部分(29)和下半部分(30)通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分(29)和下半部分(30)连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝11(39)与导电嘴(30)的良好接触，而且上半部分(29)较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分(30)较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹11(36)与偏心导电嘴II相连，独立为焊丝11(39)提供焊接电流，所述偏心导电嘴III的上半部分(31)和下半部分(32)通过内外螺纹连接，便于拆卸和更换，上半部分(31)和下半部分(32)连接时有一定程度的偏心，形成了偏心导电嘴，保证了焊丝I11(40)与导电嘴(32)的良好接触，而且上半部分(31)较长，采用较便宜的铜合金材料，这样就节省了约一半的昂贵的铬锆青铜材料，下半部分(32)较短，采用导电性和耐磨性好的铬锆青铜材料，便于内孔精加工，达到最佳的导电效果，导电夹111(35)与偏心导电嘴III相连，独立为焊丝III (40)提供焊接电流；偏心导电嘴II通过绝缘定位支架11(33)与焊枪主体相连，偏心导电嘴III通过绝缘定位支架I11(34)与焊枪主体相连，绝缘定位支架I1(33)和绝缘定位支架I11(34)排列在一起，互相绝缘，偏心导电嘴II和偏心导电嘴III之间也相互绝缘，保证了焊丝11(39)和焊丝111(40)之间的焊接电流相互独立，互不干扰；导电夹I、II、in(12、36、35)选用黄铜做材料，焊接时产生电阻热较小，黄铜导电夹便于加工且经济性较好；导电嘴I、 II、 III(11、30、32)具有过渡锥孔，使过渡部位平滑，无过渡死拐角，使焊丝能一次安装完成，工效高；导电嘴I、 II、 III(11、30、32)中导电小孔的长度比一般的导电孔长度要长，保证了焊丝与导电嘴的接触距离，提高了导电性能，有效地防止断电、电弧不稳和粘丝现象，同时提高了导电嘴的抗磨性能，焊丝能提前进行电预热，有利于焊接。
4. 根据权利要求1所述的电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，其特征在于所述电磁复合系统的励磁线圈(14)为上大下小结构的锥形励磁线圈，产生中心小外围大的磁场，与焊接电流中心大而外围小的分布状态相适应，在焊接区域形成合理的电磁作用力，控制焊接电弧、焊接熔池、焊接冶金全过程，形成优质焊缝；所述电磁复合系统由磁场电源提供励磁电流，产生正反方向交替变化、正反脉冲不等幅值、中心弱四周强的间隙交变极性的脉冲纵向旋转磁场；所述电磁复合系统的励磁线圈浸泡在冷却介质中，并与冷却介质绝缘，冷却介质从位于喷嘴(37)下方的下入水口 (17)进入，从位于喷嘴(37)上方的盖板(16)的上出水口 (15)流出，这样保证喷嘴(37)、励磁线圈(14)具有良好的冷却作用，适用于埋弧大电流焊接，同时结构紧凑、简单有效、工作可靠。
5. 根据权利要求1所述的电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备，其特征在于所述铜衬垫系统是焊剂铜衬垫单面焊双面成型的焊接系统，衬垫焊剂(47)与工件(42)背面直接接触，衬垫焊剂(47)下有铜衬垫(44)，在充气软管(43)的顶升支撑作用下，焊剂衬垫紧贴工件(42)背面，控制背面焊道的大小，特别是余高，使用大焊接电流，能形成背面焊道，而且对于坡口精度及焊接条件的变化其允许范围也较宽容，焊接质量可靠。
6. —种电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接方法，其特征在于数控式三丝高速电磁复合焊剂铜衬垫单面焊双面成型的高效优质埋弧焊接方法，包括三丝高效焊接、高速焊接、电磁复合焊接、焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接、先进数字控制焊接的功能与作用；所述数控式三丝高效焊接方式是在电磁直驱旋转伺服电机的支持下，取消了从电机到送丝系统之间的机械传动环节，实行零传动模式，全部在电参数的数字控制模式下实现快速平稳的送丝，并根据实际焊接情况进行快速的响应与反馈调节送丝状态，三根焊丝之间互相独立，自成体系，同时又能够根据焊接需要进行协调运动和调节，焊丝I(38)承担焊前打底、焊缝初期预热和焊后盖面的功能时，由焊接电源I(51)提供直流焊接电流，焊丝11(39)由焊接电源11(52)提供焊接电流，焊丝111(40)由焊接电源111(53)提供焊接电流，三根焊丝呈等边三角排列方式，焊丝I(38)在前，焊丝I1(39)和焊丝I11(40)并列在后，共同完成填充焊缝的功能，实现打底、预热、盖面、填缝一次完成的高效焊接，能够高效率完成厚板焊接；所述高速焊接方式是在三丝、大电流、高速送丝的支持下实现高速焊接，三根焊丝既独立又配合，可以分别设定送丝速度，实现组合式送丝方式，并且根据焊接工序进行单一焊丝送丝速度的调节，实现高速三丝焊接过程，焊丝II和焊丝III的送丝速度一致，焊丝I自主调节送丝速度，并配合焊丝II和焊丝III进行焊接，高速焊接速度为0. 6m/min-5m/min，焊接电流为400-1200A，焊丝直径为1. 2mm-6. 4mm ;所述电磁复合焊接方式是在锥形励磁线圈(14)、励磁电源的支持下，形成外密内疏、正反方向变极性、不等幅值的纵向旋转磁场，能够消除焊丝I直流+焊丝II直流+焊丝III直流组合条件下的磁偏吹或吸引，同时扩大电弧面积，控制焊接电弧旋转，无需摆动就可消除坡口或焊缝边缘的未融合，并且控制焊接熔池和焊缝冶金凝固过程，充分搅拌焊接熔池，控制焊缝金属的结晶状况，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性，减少气孔、夹渣、咬边缺陷，提高焊缝的韧塑性和抗腐蚀的能力，形成优质焊缝，电磁复合焊接励磁电流10-50A，变极性励磁频率l-25Hz，占空比30% _70%，变幅比10% -50%，内外径磁场强度比为20% -60% ;所述焊剂铜衬垫单面焊双面成型高效焊接方式是综合利用了焊剂垫和铜衬垫的优势而形成的，衬垫焊剂固化前呈粉状，紧贴工件(42)背面，加热熔化固化后使焊缝背面强制成形，焊剂为纳米包覆的高韧性超低氢绿色环保的焊剂，在工件正面进行埋弧焊接，获得单面焊双面成形的焊缝，高效焊接厚板或长板，能消除背面熔融金属流出、咬口等缺陷，控制背面焊道的大小，特别是余高，能够使用大电流，对于坡口精度及焊接条件的变化范围要求较小，从而实现高韧性优质高效焊接；所述先进数字控制焊接方式是在焊接电源I、 II、 III和励磁电源均采用数字电源，送丝系统采用电磁直驱伺服电机零传动的条件下，整个焊接系统和焊接工艺控制均是先进的数字式控制模式，具有远程监控、遥控和数据传输能力，实现快速响应、平稳运行、适时调节的闭环控制方式对整个焊接过程的各个环节进行全方位的自动控制，保证获得优质焊接接头。
全文摘要
本发明公开了一种电磁直驱高速三丝磁场复合焊剂铜衬垫埋弧焊接设备及其方法，包括送丝系统、焊接电源、磁场电源、铜衬垫系统、焊矩系统、电磁复合系统、数控系统；送丝系统为电磁直驱旋转伺服电机的转子与主送丝轮集成为一体，焊矩系统包括分成上下两部分的偏心导电嘴，电磁复合系统与焊炬系统的喷嘴和水冷系统集成为一体，铜衬垫系统为背面使用焊剂的气压式铜衬垫单面焊双面一次成型体系，本发明能够取消传统电机与送丝轮之间的机械传动环节，大幅度提高送丝稳定性和控制响应精度，消除了噪音、油污和振动，实现结构简单、体积小、稳定可靠、精密数控的三丝高速电磁复合埋弧焊单面焊双面成型高效焊接方法，可用于超大厚板的焊接制造。
文档编号B23K9/18GK101745725SQ200910191949
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者王颖, 罗乾, 罗键 申请人:重庆大学