一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。本发明专利技术方法，其特征在于：根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊。本发明专利技术主要利用直流反接的电弧与直流正接的脉冲电弧之间的电磁排斥效应，形成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源，从而有利于实现全位置高效焊接，以及获得更加精确的焊接成形。本发明专利技术提出的双电弧振动共熔池热源可以实现大参数高速度条件下的全位置焊接以及电弧熔丝增材制造，显著提高加工制造效率，减小残余应力，提高加工成形精度。

A control method for welding pool stability based on double arc vibration and its application

The invention provides a control method for welding pool stability based on double arc vibration and its application. The method is characterized in that according to the required welding forming objects, the welding gun is treated with a certain angle and a certain distance, which are combined with the welding gun which is connected with the melting pole gas protection welding power and the pulse type non melting pole gas protection welding power, respectively. The invention mainly uses the electromagnetic rejection effect between the DC reverse arc and the direct DC pulse arc, and forms the double arc vibration heat source of the front arc offset vibration and the rear end arc pulse wave, which is beneficial to the full position high efficiency welding and the more accurate welding forming. The heat source of the double arc vibration eutectic pool proposed in this invention can achieve full position welding in high parameters and high speed conditions and the manufacturing of arc fuse material, which can greatly improve the manufacturing efficiency, reduce the residual stress and improve the processing precision.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用
本专利技术属于材料加工工程领域，涉及电弧热源焊接熔池稳定性的调控方法，尤其涉及一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。
技术介绍
横焊、立焊以及仰焊是大型储罐、船舶分段和机车框梁等复杂构件的主要焊接方式。上述全位置电弧焊中，熔池金属和熔滴因受重力作用具有下坠趋势，容易产生焊瘤、咬边甚至熔化金属下淌等缺陷，需要严格控制熔池金属的流动行为，减少熔池的波动。电弧熔丝增材制造技术是利用电弧熔化丝材叠加进而实现增材制造的一种新的制备方法，与激光增材制造技术相比，具有增材效率高、制造成本低等显著优点，但是其成形尺寸精度受到电弧熔池流动稳定性制约则大幅下降[1]。因此，迎合全位置电弧自动化焊接和电弧熔丝增材制造的飞速发展，迫切需要开发电弧熔池流动稳定性的精确调控方法。单电弧热源焊接时主要是通过减小热源工艺参数、手工或机械电弧摆动和焊接电源脉冲波形控制等三种措施来调控焊接熔池稳定性，以满足实际工程的需要。第一种措施：减小单电弧热源的工艺参数，其本质是通过降低焊接电流、减小电弧等离子体对母材及焊丝加热，降低焊接熔池液态金属温度，增加了熔池液态金属的表面张力，降低了熔池液态金属的流动性，由此来增加焊接熔池的稳定性。此方法在一定程度上可以控制熔池的稳定性，但是大大限制了电弧热源的焊接效率。第二种措施：手工或机械的电弧摆动，其核心在于通过电弧热源的适当摆动，来降低焊接熔池液态金属的温度梯度，同时也降低了熔池液态金属温度[2]。根据熔池温度梯度引起的剪切力以及电弧等离子体对液态金属的剪切力的共同作用下，使得熔池液态金属在竖直方向的流动性能降低，且有一定的可调节性。此方法的局限性在于其实现自动化焊接方面有很大困难，同时焊接效率较低。第三种措施：焊接电源的脉冲波形控制，其核心是通过脉冲型焊接电源来提供焊接电流，实现了电弧等离子体对熔池液态金属的可调控式加热，同时可实现焊接平均电流较低的射滴过渡形式的焊接过程[3]。此方法通过焊接电源的脉冲加热，可以适当降低熔池液态金属的温度及其梯度，使得熔池液态金属的流动性降低，增加了焊接熔池的整体稳定性，但是其调节能力和范围有一定的局限性[4]。由此可见，单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着制造效率低或难以实现自动化焊接的难题。参考文献：[1]熊俊,薛永刚,陈辉,等.电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望[J].电焊机,2015,45(9):45-50.[2]任志鹏,蒋朝东,唐新华.新型摆动电弧窄间隙GMAW焊缝成形研究[J].焊接,2013,4:26-29.[3]郭宁,林三宝,范成磊,等.横向GMAW熔池控制研究进展[J].焊接,2009,9:21-25.[4]岳建锋,李亮玉,刘文吉,等.基于外加高频交变磁场下向MAG焊熔池成形控制[J].机械工程学报,2013,49(8):65-70.
技术实现思路
根据上述提出的单电弧热源焊接在熔池稳定性调节方面还存在着制造效率低或难以实现自动化的技术问题，而提供一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法及其应用。本专利技术主要利用直流反接的MAG/MIG电弧与直流正接的脉冲TIG电弧之间的电磁排斥效应，形成前端MAG/MIG电弧偏移振动及后端TIG电弧脉冲波动的双电弧振动热源，由此使得部分MIG/MAG电弧热量作用于熔池前方母材金属上，其余部分电弧热量作用于熔池液态金属上，此时熔池液态金属温度及其梯度均降低，熔池表面张力升高，熔池液态金属流动性能降低，由此实现了焊接熔池稳定性调控，从而有利于实现全位置高效焊接，以及获得更加精确的焊接成形。本专利技术提出的双电弧振动共熔池热源可以实现大参数高速度条件下的全位置焊接以及电弧增材制造，显著提高加工制造效率，减小残余应力，提高加工成形精度。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊。进一步地，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接(MAG/MIG)的直流反极性接法或交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接(TIG)的直流正极性接法；本专利技术根据所需的焊接成形尺寸来确定前端MAG/MIG焊接电流以及焊接速度，然后再确定两弧之间距离、焊枪夹角及TIG焊接峰值电流等。利用直流反接(或交流)的熔化极气体保护焊接(MIG/MAG)电源与直流正接的脉冲型(或直流)非熔化极气体保护焊接(P-TIG)电源之间的电磁场耦合排斥效应，形成了前端MIG/MAG电弧前后振动，后端TIG电弧脉冲波动的双电弧耦合振动共熔池热源形态，双电弧振动热源可以显著降低电弧压力、熔池液态金属温度及其梯度。进一步地，当后端脉冲TIG电弧电流位于脉冲峰值阶段时，前端MAG/MIG电弧呈现为尾端向前侧倾斜的状态，后端TIG电弧呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态；当后端脉冲TIG电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端MAG/MIG电弧呈现为竖直状态，后端TIG电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态。进一步地，通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，即熔池前沿距焊丝中心线的距离；当使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3范围时，双电弧振动热源焊接熔池的稳定性最佳，其焊接成形的尺寸均匀性和精确性控制在±0.5mm范围内。本专利技术还公开了一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺，其特征在于，采用上述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，在全位置焊接时，其对接坡口尺寸规范为：坡口夹角20-50°、坡口间隙1.0-3.0mm、钝边尺寸0.5-3.0mm。本专利技术还公开了一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺及电弧增材制造焊接工艺，其特征在于，采用上述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，在增材制造焊接时，其焊接工艺规范为：两极间距10-40mm，前端焊枪与板材夹角角度为60-90°，后端焊枪与前端焊枪的夹角为20-70°。进一步地，在增材制造焊接时，其焊接工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和非熔化极氩弧焊接的工艺规范；其中，熔化极气体保护焊接的工艺规范：Ar-CO2混合气气体流量：12-30L/min、焊接电流：160-400A、电弧电压：24-42V、焊丝直径：Φ1.2-1.6mm、焊丝伸出长度：15-35mm、焊接速度：600-960mm/min；非熔化极氩弧焊接的工艺规范：氩气气体流量：5-15L/min、焊接峰值电流360-460A、基值电流60-150A、电流脉冲频率为10-200Hz、电弧电压：8-16V、钨极直径：Φ2.4-3.2mm、焊接速度：600-960mm/min。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提出的MAG/MIG-TIG双电弧振动热源的全位置焊接或电弧增材制造焊接成形尺寸均匀，尺寸精确性可控制在±0.5mm范围内；双电弧振动共熔池热源实行多电弧的气体保护焊接，保证焊接质量，降低焊接应力，提高焊接速度，显著提高焊接制造效率。2、本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊；其中，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接的直流反极性接法或交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接的直流正极性接法，构成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源形式。

【技术特征摘要】
1.一种基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，根据所需的焊接成形对象，将分别与熔化极气体保护焊接电源和脉冲型非熔化极气体保护焊接电源相连接的焊枪以一定的角度和一定的距离复合在一起后，对待焊板材进行施焊；其中，前端焊枪的电弧采用熔化极气体保护焊接的直流反极性接法或交流波形焊接电源；后端焊枪的电弧采用脉冲型非熔化极气体保护焊接的直流正极性接法，构成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动热源形式。2.根据权利要求1所述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，当后端电弧电流位于脉冲峰值阶段时，前端电弧呈现为尾端向前侧倾斜的状态，后端电弧呈现为沿钨极延长线方向的钟罩状形态；当后端电弧电流位于脉冲基值阶段时，前端电弧呈现为竖直状态，后端电弧呈现为尾端向焊接方向后侧倾斜的状态。3.根据权利要求2所述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方法，其特征在于，通过调整前后两端电弧之间的电磁场耦合排斥效应的强弱，来调节前端电弧的振动幅度以及焊接熔池前端偏移距离，使得熔池前端偏移区域面积S1与前端电弧加热圆形区域面积S的百分比为1/4-1/3。4.一种双电弧振动的焊接熔池热源应用于中厚板全位置的焊接工艺，其特征在于，采用如权利要求1-3任意权利要求所述的基于双电弧振动的焊接熔池稳定性调控方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎明，周彦彬，张兆栋，宋刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21