[發明專利]一種耦合電弧的短路過渡焊接系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201210500435.3
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103008835A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 黃鵬飛;盧振洋;韓國良;白立來
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095;B23K9/167;B23K9/173
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明涉及一種耦合電弧的短路過渡焊接系統及其控制方法，屬于焊接方法設備及自動化領域。

技術背景

航空航天、交通運輸、海洋工程等工業的發展，極大地推動了焊接技術的發展，提高焊接生產效率和保證焊接質量的高效、優質、低耗的焊接方法成為實際生產的迫切要求。焊接作為一種重要的制造成形工藝，其效率的提高對企業總的生產率的提高有著舉足輕重的影響。現代制造業為了增強市場競爭能力，對焊接生產加工的效率提出了越來越高的要求，提高焊接生產率的主要途徑之一是大幅度提高焊接速度。采用高能密度焊接工藝技術(激光焊，電子束焊)，可以提高焊接速度和焊接生產率，但其工藝復雜，設備投資成本高，對工件的裝配精度要求高，適應性差，難以大面積推廣應用。另一方面，當焊接速度提高到一定程度時，不管是傳統的焊接方法(鎢極氫弧焊，熔化極氣體保護電弧焊)，還是高能密度焊接技術(電子束焊和激光焊)，都會出現焊縫成形缺陷。例如，焊道咬邊和駝峰焊道等，這是高速焊接面臨的共性問題。如果對現有的電弧焊接工藝方法進行高效化改進，充分利用其高適應性的特點，同時避免高速焊時焊縫成形缺陷的產生，實現制造業焊接生產加工的低成本和高速度，無疑具有廣闊的應用前景。這對于增強制造業的市場競爭能力，具有重要的理論意義和工程實用價值。

已有研究結果證明，如果在焊接速度提高時能夠保持單位長度上熔敷的焊絲金屬量不變，同時要在焊絲和母材之間合理分配熱量，保持母材熔深不變(即減少對母材的熱輸入），才能避免高速焊接焊縫成形缺陷的產生。這就是說，為了實現高速焊接，一方面要保證對母材的熱輸入不能過大，同時還要增大通過焊絲的焊接電流，這是一個矛盾。因為對于常規的熔化極氣體保護電弧焊，通過焊絲的焊接電流就等于作用在母材上的焊接電流，如果要提高焊絲的熔化速度，就必然增加了對母材的熱輸入。因為無法解決這一矛盾，所以常規的熔化極氣體保護電弧焊無法實現高速焊接的穩定性。

為了解決高速焊中的問題，國內外很多焊接工作者提出了許多耦合電弧的焊接法，并且有一些方法在實際生產中得到了較成功的應用。例如，美國肯塔基大學的張裕明老師為了對常規的熔化極氣體保護電弧焊進行高效化改進，提出一種新型的電弧焊工藝DE-GMAW，該焊接工藝方法將一個GTAW焊槍與一個GMAW焊槍組合，GMAW焊槍與工件構成主路，GTAW焊槍構成旁路，使用一個電源進行控制輸出。流經焊絲的焊接電流在電弧弧柱區分為兩部分，一是旁路電流，二是施加到母材的電流。增大焊接電流時，作用于焊絲上的電流數值較高有利于提高焊絲的熔化速度，從而提高熔敷率。GTAW焊槍構成的旁路分流了一部分通過焊絲的焊接電流，在保證了熔敷率的同時，減小了作用于母材的熱輸入，很好地解決了上述矛盾。但該方法采用了一個電源進行控制，只能在旁路分流，不能使得旁路獨立提供電源支持，而且分流后容易導致原來的電源動特性失穩。該方法過渡形式采用的自由過渡，在角焊的時候，焊接精度要求比較高，范圍較小，而此時高電壓下，電弧比較長，不易精確控制焊接熔池和范圍，電弧波動比較大。在這種情況下工件始終處于焊接電弧的加熱下，熱輸入量大，在很高的焊接速度下，熔池不能及時冷卻，所以熔化態金屬的長度比常規速度焊接時長得多，產生熔池失穩的可能性也大大提高。

山東大學和蘭州理工大學也在DE-GMAW焊接方面做了一些研究，驗證了該方法在提高焊接速度時，由于旁路分流的作用，母材上的熱輸入可以控制在一定水平，實現了良好的焊接成型效果。同時，蘭州理工大學也進一步擴展研究和改進，提出采用雙旁路耦合電弧MAG焊，是在常規的MAG焊槍兩邊分別增加一把TIG焊槍，通過旁路電極和焊絲之間產生的旁路電弧，分流一部分通過母材的電流，有效降低大電流焊接時的電弧壓力和母材熱輸入，在一定的焊接規范下可以提高焊接速度，實現高速焊接的穩定性。

以上這些研究方法使用的電源是沒有做改變的原始電源，所以當采用耦合電弧分流時，通用的電源無法適應分流帶來的電源動特性改變，不能做出更有效的調整，不能實現穩定的短路過渡的形式，只能采用較為理想的射流過渡。

發明內容