一种双热源复合焊炬及焊接方法与流程

本发明涉及一种焊接装置，尤其涉及一种等离子电弧（PAW）和熔化极电弧MIG(GMAW)双热源复合焊接的焊炬，以及采用复合焊炬进行焊接的方法。

背景技术：

焊接技术已经众所周知许多年并且被广泛用在工业应用中。气体金属电弧焊(GMAW)的MIG工艺有连续、自动进给的熔化电极，该熔化电极通过外供气体与环境气氛屏蔽隔开。金属从熔化电极通过以下三种基本模式过渡到被焊工件：(a)短路过渡，(b)颗粒过渡，(c)喷射过渡。其中，最佳的工作模式是喷射过渡模式。所谓的MIG焊接喷射模式是指金属从熔化极电极以高度定向的液滴流方式进入被焊工件的熔池里，电弧力对液滴有加速效果，并且可以克服金属液滴的重力作用。但是，当金属液滴的沉积速度及其增速随着焊接电流增大而变大时，就会导致电极过度熔化，破坏焊缝质量。另外，MIG焊接通常需要尺寸较大的坡口，根据焊接速度和材料厚度，需要利用不同坡口类型并且进行多道次焊接。总而言之，由于MIG焊接存在焊接熔深小、焊接变形大、热输入量大等一系列问题，通常应用于对热输入不敏感的工件加工。

等离子弧焊PAW是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子弧焊用的热源是将钨极电弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。

等离子弧焊因为其电弧能量密度高、穿透能力强因而得到广泛应用，是一种高质量的“小孔焊接方法，在焊接3～12毫米厚的板材时具有熔深大、焊缝的深/宽比大、热影响区窄、工件变形小等优势，可焊材料种类多。但是相比GMAW焊接，其焊接效率较低。PAW工艺主要缺点是效率低，“小孔”穿透模式的焊接速度受到在熔池中的物理状况的限制。

已知的是，常用的MIG焊接与等离子弧焊接(PAW)或钨惰性气体(TIG)焊接的组合可以改善焊接熔合效果并提高生产率。

美国专利US2,756,311描述了一种复合电弧焊，采用了至少两个串列布置的惰性气体保护电弧，其中前电弧(MIG)实现穿透，后电弧(TIG)通过焊丝填充，但这种焊接方式并没有实质性地增加熔深。该专利采用不同类型的“聚焦”磁线圈围绕TIG焊炬，并且与钨电极采用同轴方式布置，但是，这只稳定了TIG电弧，因此在焊接过程中双电弧无法维持相互间的稳定，这就导致复合焊接速度和熔深显著减小。美国专利US3,519,780同样采用TIG电弧和MIG电弧的复合焊接方式，其做法是采用两个单独焊炬、按照一定顺序施加用于MIG和TIG的不同脉冲。但由于是采用两个焊炬，在两个电弧之间没有任何电磁控制，因此也没有明显的增加熔深的效果。

另外一些公开的TIG与MIG双电弧复合焊接技术，是在非熔化电极和工件之间保持未被压缩的等离子电弧，而熔化电极端与MIG电弧都浸没在等离子体流中。在这种情况下非熔化电极和熔化电极必须具有相同的极性，而同时因为熔化电极在等离子弧具区内受到预热，因此增加了电极的沉积速度，这种技术虽然抑制了MIG电弧的飞溅，但同样并没有增加熔深，焊接速度也没有显著提高。

另外还有一些采用熔化电极和非熔化电极双电弧（等离子电弧或者TIG电弧）两个焊炬同时焊接的技术，即MIG和PAW或者TIG串列布置而且两个电弧各自形成自己的熔池，其主要构思是一个用于表面预热，另一个用于实际焊接，在焊炬之间保持恒定距离，PAW或者TIG焊炬相对于工件的角度可以调整，MIG则可以按照与PAW或者TIG焊不同的参数进行焊接。但这些技术由于没有对电弧之间的距离进行控制，没有形成共有的熔池，因此同样也没有增加熔深，焊接速度也没有显著提高。

与本发明比较接近的一种双热源复合焊接技术（美国专利US7,235,758）提供了一种（沿焊接方向）以等离子电弧在前、MIG电弧在后的旁轴方式布置的复合焊接装置，其两个电弧与工件相交的距离通过固定的磁屏蔽件进行控制。但由于在同一个焊炬上两个电极喷嘴的位置是固定的，并且由于这个位置与磁屏蔽件的作用是相互影响的，导致这种技术很难在较宽的工作电流参数范围稳定工作，实际上，单独调整磁屏蔽件也并不容易稳定共体熔池中的双电弧，因此很难在生产线上推广应用。

如上所述，毫无疑问的是，相比TIG电弧，等离子电弧经过压缩、具有更高能量密度且具有焊接熔深，在复合焊接工艺中采用等离子电弧可以增大焊接熔深，这对于提高复合焊接质量是非常重要的；同时，等离子电弧PAW和MIG电弧在共体熔池中的稳定性是实现高效复合焊接质量和效率的重要条件，但现有的各种等离子电弧PAW和MIG电弧复合焊接装置难以形成、或者难以稳定熔化电极和非熔化电极的共体熔池，因此不仅不能从根本上提高焊接熔深和焊接效率，同时也难以实现良好的焊接质量，限制了这些技术的推广应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双热源复合焊炬，该复合焊炬将等离子电弧和MIG电弧置于同一熔池内，通过调整两个电极的间距和磁屏蔽件形状，提高双电弧共体熔池的稳定性，进而提高复合焊接的质量。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种双热源复合焊炬，复合焊炬包括焊炬本体，焊炬本体上按照焊接方向前后布置有非熔化电极和熔化电极，非熔化电极和熔化电极所在轴线之间的夹角为锐角，非熔化电极和熔化电极与工件之间各自建立电弧并形成共体熔池，两个电弧在工件平面上的电弧冲击点间距为D；其特征在于：

通过调节间距D及调节施加在电弧上的横向磁场来使电弧处于稳定状态。

间距D通过电极间距调节装置来实现，施加在电弧上的横向磁场通过调节设置在电极上的磁屏蔽件形状来实现。

非熔化电极和熔化电极所在轴线之间的夹角不大于60°，间距D的调节范围为3-15mm。

非熔化电极为等离子电极，其包括钨极、钨极夹头、冷却水道、保护气套和压缩喷嘴，压缩喷嘴的中心通过钨极夹头固定有钨极，冷却水道包裹在钨极夹头外侧，保护气套包裹在冷却水道外侧。

熔化电极为MIG电极，其包括导电嘴，焊丝管和保护气套，焊丝管设置在导电嘴的中部，导电嘴的周围设置有保护气套，保护气套与导电嘴之间形成保护气道，焊丝管中设置有焊丝并从导电嘴中伸出。

所述电极间距调节装置包括固定在焊炬本体上的调节螺母和通过调节滑块固定在熔化电极上的调节螺杆，调节螺杆旋入调节螺母中，通过调节调节螺栓与调节螺母的相对位置实现对间距D的调节。

所述磁屏蔽件为包裹在非熔化电极外侧的磁屏蔽套。

本发明的另一个目的，是提供一种等离子电弧和MIG电弧双热源复合焊接方法，不仅可以获得比单独采用等离子电弧焊接和单独采用MIG焊接更高的效率和更好的焊接品质，具有大熔深、高效率、低热输入、低飞溅等优点，而且拓展了应用范围，可以焊接从薄板到中厚板，以及各种高强钢、低熔点金属等。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种利用双热源实现复合焊接的方式，包括如下步骤：

1）提供等离子电极和MIG电极，并将其呈小于60°夹角的方式安装在同一复合焊炬上；等离子电极和MIG电极与工件之间各自建立电弧并形成共体熔池；两个电弧在工件平面上的电弧冲击点间距为D；

2）焊接过程中通过调节两个电极在工件之间的电弧参数，并调节两个电极之间的间距及施加在电弧上的横向磁场来控制D，以保证两个电弧在共体熔池内的稳定性。

本发明还提供了一种双热源复合焊接系统，包括上述的复合焊炬、等离子电源、MIG电源、送丝机构、机器人和控制器，所述等离子电源和MIG电源共同组成双热源，等离子电源和MIG电源分别与复合焊炬中的非熔化电极和熔化电极相连，复合焊炬安装在机器人上，复合焊炬、等离子电源、MIG电源、送丝机构、机器人分别与控制器相连，送丝机构为复合焊炬中的熔化电极提供焊丝。

上述双热源复合焊接系统进行焊接的方法，包括采用等电流控制MIG电源，采用等电压控制等离子电源进行复合焊接，等电流控制MIG电源，即在焊接过程中维持电流不变，在焊接坡口尺寸有变化的情况下，使焊炬上MIG电极中焊丝管里的送丝速度不变；所述等电压控制的等离子电源，即在焊接过程中维持等离子电压不变，在焊接坡口尺寸有变化的情况下，使焊炬上等离子电弧强度不变，从而维持等离子电弧稳定。

本发明具有的技术效果：

1、本发明涉及利用等离子弧焊接和熔化极MIG焊接双热源的复合焊接系统，包括等离子弧焊接（PAW）与熔化极MIG电弧双热源的复合焊炬和控制系统。在焊接过程中，两个电弧在工件上的入射点之间的距离是可控的，并通过控制两个电极的在工件上的入射点之间的距离来实现电弧在共体熔池里的稳定性，该距离为3-15mm。

、针对不同的焊接工艺要求，通过电极间距调节装置和磁屏蔽件，可比较容易地在共体熔池里建立稳定的双电弧。在稳定的双热源的耦合作用下，焊接过程增加了熔深，同时大幅度提高了熔化极电弧焊丝熔敷效率。焊接过程在提高效率的同时，因为增加了熔深而提高了品质。

、使用一把复合焊炬并在一个共体熔池内完成焊接，其操作更为简便，可以实现全位置焊接。与常规熔化极焊接相比，热输入降低50%以上，热影响区更窄。

、本发明提供了一种利用等离子弧焊接和熔化极MIG焊接双热源的复合焊接方法，即利用本发明复合焊炬，采用等电流控制的MIG电源，以及等电压控制的等离子电源进行的复合焊接方法。在焊接坡口尺寸有变化的情况下，在焊接过程中可以维持焊炬MIG送丝速度不变，同时维持等离子电弧稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明实施例1所述的复合焊炬的结构原理示意图；

图2为本发明实施例2所述的复合焊接系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

图1是一种双热源复合焊炬的结构原理图，该双热源复合焊炬为一种等离子电弧和熔化极MIG电弧复合焊炬，在同一把整体焊炬中将PAW与MIG焊接组合在一起，并且在焊接过程中通过控制在工件表面上的电弧冲击点之间的距离D提高等离子电弧和MIG电弧在共体熔池里的稳定性，从而提高双热源的焊接耦合效率。所述复合焊炬包括：

---按照焊接方向布置在焊炬主体100的前端的非熔化电极，非熔化电极为等离子电极，非熔化电极包括钨极111，钨极夹头112，冷却水道113，保护气套114，磁屏蔽套115和压缩喷嘴116；压缩喷嘴116的中心通过钨极夹头112固定有钨极111，冷却水道112包裹在钨极夹头112外侧，保护气套114包裹在冷却水道113外侧，磁屏蔽套115包裹在保护气套114的外侧。

按照焊接方向布置在焊炬主体100的后端的熔化电极，熔化电极为MIG电极，与前端的等离子电弧压缩喷嘴呈锐角布置，该锐角不大于60。所述熔化电极包括焊丝管121，导电嘴122，保护气道123和保护气套124，焊丝管121设置在导电嘴122的中部，导电嘴122的周围设置有保护气套124，保护气套124与导电嘴122之间形成保护气道123，焊丝管121中设置有焊丝并从导电嘴122中伸出。

调节非熔化电极和熔化电极间距的电极间距调节装置，其包括调节螺杆132、调节螺母133和调节滑块131；，调节螺母133固定在焊炬本体上，调节螺杆132通过调节滑块131固定在熔化电极上，调节螺杆132旋入调节螺母133中，通过调节调节螺杆132与调节螺母133的相对位置实现对非熔化电极和熔化电极间距的调节。

非熔化电极和熔化电极间距是指两个电极所产生的电弧在被焊工件上共体熔池内的冲击点间距D，该D值在3-15mm之间。

众所周知的是，在共体熔池内的两个电弧之间会产生电磁力，该电磁力会使电弧偏离，即在两个电弧电流具有相同方向的情况下，电磁力倾向于使它们合拢（极端的情况是，当电弧之间距离过小时，电弧体积合二为一），这会导致MIG焊丝的沉积速度增大，超过了焊接速度而且没有焊接熔深；在这两个电弧电流具有彼此相反方向的情况下，电磁力倾向于使它们分开，MIG电弧会将等离子电弧吹开，导致在焊接中电弧偏移造成熔池内的显著湍流，这同样不利于保证焊接质量。

因此，需要采取技术措施控制距离D，也就是控制两个电弧的稳定性。实际上，无论电流、可焊材料、接头构型、焊接条件等如何，存在一个最佳距离(或距离范围)D，可以使两个电弧处于最佳的稳定状态，在这种情况下焊接操作可以实现最高效率和最大熔深。这个距离D范围是3~15mm，适合于等离子电流1~400A的范围，MIG电流50~750A的范围。

众所周知的是，该电磁力的大小与两个电弧之间的距离成反比，而与两个电弧的电流成正比；通过磁屏蔽件在在电弧区域内施加横向磁场，可以抵消两个电弧之间的电磁力，从而减轻MIG电弧对等离子电弧的影响。

根据本发明，可以根据焊接操作的参数条件，无论电弧电流方向是大小如何，都可以通过调节装置调节两个电极入射点之间的间距D和横向磁场的强度，降低电磁力对电弧的影响，实际地减轻MIG电弧对等离子电弧的影响。其中，通过调节装置调节两个电极之间的间距D的操作更为简便，效果也更为直接。

根据本发明，与钨极111连接的等离子电源最好具有恒定电流输出特性，提供稳定等离子电弧，而与导电嘴122连接的MIG电源最好具有恒定电压输出特性，从而保证MIG电弧的长度是稳定的，送丝速度也是稳定的。这是因为连接钨极111和导电嘴122的电源都与工件连接，焊缝区域的形状变化有可能引起等离子电源的电压波动和MIG电源的电流波动，这都会影响焊接质量。

根据本发明的复合焊接系统和方法，无论电弧功率、电流方向、加工速度、材料和焊接接头形态如何，间距D都可以通过直接调节两个电极的间距以及磁屏蔽件来进行控制，这不同于所有的不具备对距离D进行调节功能的现有技术方案，也不同于只能采取某一种调节方式的技术方案布置，实际上，只采取某一种技术措施，都很不容易、或者很不方便找到最佳的距离D。

实施例2

图2给出了一种复合焊接系统的结构示意图，其包括实施例1中描述的复合焊炬3、等离子电源1、熔化极MIG电源2，送丝机构4，机器人5和控制器6，所述等离子电源1和熔化极MIG电源2共同组成双焊接热源，复合焊炬3安装在机器人5上，等离子电源1和熔化极MIG电源2、送丝机构4、机器人5与控制器6相连，复合焊炬3与所等离子电源1、熔化极MIG电源2和送丝机构4相连，复合焊炬3配水冷，复合焊枪3的水冷管与电源水冷系统相连。

本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的保护范围的前提下，可以对上述实施方式进行各种修改、变化和组合，并且认为这种修改、变化和组合是在独创性思想的范围之内的。