一种热丝焊接设备的制作方法

本发明公开了一种高效的热丝焊接设备，是一种电弧-热丝复合焊接设备，属于热加工技术领域。

背景技术：

常规的电弧焊接工艺可以分为熔化极电弧焊接工艺和非熔化极电弧焊接工艺。在传统的热丝tig焊接过程中，既有单热丝tig焊接方法，又有双热丝tig焊接方法。其电弧稳定，焊缝性能优良、无飞溅，熔敷率可控。但是，无论是单热丝tig还是双热丝tig焊接方法，热丝tig焊由于其主弧的载流能力有限，电弧功率受到一定限制，使得焊缝熔深浅；并且还会出现熔敷速率不够大，效率低等问题，不利于焊缝与母材熔合。焊接中厚板时，要求电弧能使焊缝底部与母材充分熔合，而且对熔敷速率要求高，所以热丝tig焊接工艺不适合于中厚板的焊接。tig主弧熔化焊丝的热量不如gmaw焊接方法，无法与双热丝gmaw焊接方法的熔敷速率相比较。热丝gmaw焊接方法同样具有热丝tig焊接方法的这些优点，gmaw电弧熔化的主焊丝及母材液态金属量更大，有助于熔化更多的热丝；熔深更大，更有利于使焊缝与母材充分熔合。并且gmaw热丝的熔敷速率调节范围也更大，有助于控制焊缝中晶粒的成长，改善焊缝力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于，通过提供一种高效的热丝gmaw复合焊接设备，实现焊接过程的高熔敷率及利用通过热丝电流对主弧进行电磁控制达到改进焊接工艺的目的，从而应用于常规焊接无法实现的高熔敷率及电弧能量分布可调节的焊接工艺问题。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种热丝焊接设备，焊接试验设备的硬件包括gmaw焊机、低频交流焊接电源、热丝焊枪、辅助送丝装置；焊接主弧由gmaw焊接电源产生，母材接gmaw焊接电源负极，焊枪接gmaw焊接电源正，母材-gmaw焊接电源-焊枪形成电流回路a，gmaw焊接电源的电流、电压、干伸长能够根据实验需要自由调节，熔池的熔深及熔宽亦随之调整；前后热丝电流由低频交流焊接电源产生，热丝焊枪直接与交流焊接电源的电流输出端相连，通过熔池形成热丝的电流回路b；低频交流焊接电源采用恒流模式，焊接电流大小可调、焊接电流方向和切换频率可调，辅助送丝装置的送丝速度亦随之调整，焊接过程热丝不起弧。为了实现高效的目的，实验采用双热丝gmaw焊接。焊枪分为三种摆放方式：方案(1)主焊丝和两根热丝沿焊接方向直线排列，主焊丝位于两根热丝的前侧或后侧，电弧在焊丝所在平面内往复摆动；方案(2)主弧焊丝和热丝沿焊接方向直线排列，主弧焊丝位于两热丝的中间，电弧在两根热丝之间往复摆动；方案(3)热丝位于和焊接行走方向垂直的平面内，且关于焊缝中心线对称，主弧焊丝位于焊缝正上方，主电弧关于焊缝对称摆动。

在大厚板焊接中提高效率的主要方式是提高熔敷率，大熔敷率焊接和常规焊接在焊接热输入的分配方式显著不同，大熔敷率焊接方式要求在热输入相对减少的同时，提高熔敷率。双丝焊机的硬件一方面采用大电流熔化焊丝，形成熔池，另一方面采用利用电阻热熔化热丝，达到相对低热输入同时熔敷率大大提高的效果，所以容易实现高效焊接工艺。目前热丝gmaw焊接工艺相对于单弧gmaw焊接工艺可以将熔敷率提高三倍以上，是目前主要的高效高熔敷率电弧焊接工艺。

焊接主弧gmaw输出电路中，三相交流电的u端、v端、w端分别与整流桥电路br1的第1端、第2端、第3端连接，整流桥电路br1的第4端、第5端之间并联有滤波电容c1。整流桥电路br1的第4端连接至功率开关管q1的集电极c端、功率开关管q2的集电极c端，整流桥电路br1的第5端连接至功率开关管q3的发射极e端、功率开关管q4的发射极e端；功率开关管q1的发射极e端、功率开关管q3的集电极c与变压器b1原边的第1端相连，功率开关管q2的发射极e端、功率开关管q4的集电极c端与变压器b1原边的第2端相连；变压器b1副边的第3端与二极管d1的a端相连，变压器b1副边的第4端与母材相连，变压器b1副边的第5端与二极管d2的a端相连。二极管d1的k端、二极管d2的k端与电感l1的一端相连，电感l1的另一端与2号送丝机相连。调节两组功率开关管的驱动信号占空比可调节gmaw电流的大小，第一组功率开关管为q1与q4，第二组功率开关管为q2与q3。

热丝电流的热丝恒流输出电路能够实现热丝电流值稳定输出特性；三相交流电的u端、v端、w端分别与整流桥电路br2的第1端、第2端、第3端连接，整流桥电路br2的第4端与功率开关管q5的集电极c端、功率开关管q6的集电极c端相连，整流桥电路br2的第5端与功率开关管q7的发射极e端、功率开关管q8的发射极e端相连；功率开关管q5的发射极e端、功率开关管q7的集电极c端与变压器b2原边的第1端相连，功率开关管q6的发射极e端、功率开关管q8的集电极c端与变压器b1原边的第2端相连；调节两组功率开关管的驱动信号占空比可调节热丝电流的大小，第一组功率开关管为q5与q8，第二组功率开关管为q6与q7。

热丝二次逆变电路使热丝电流输出电路的电流从不同的端子输出。当功率开关管q9导通、功率开关管q10关断时，热丝电流从电感l2、功率开关管q9、第一焊枪流出，经过熔池，从第三焊枪、变压器b2的第4端流回，构成热丝电流回路。当功率开关管q9关断、功率开关管q10导通时，热丝电流从变压器b2的第4端、第三焊枪流出，经过熔池，从第一焊枪、功率开关管q10、电感l3、二极管d5、第3端流回，构成热丝电流回路。

热丝电流二次逆变电路中，二极管d3的a端、二极管d5的k端与变压器b2副边的第3端相连，二极管d4的a端、二极管d6的k端与变压器b2副边的第5端相连，二极管d3的k端、二极管d4的k端与电感l2的一端相连，二极管d5的a端、二极管d6的a端与电感l3的一端相连，功率开关管q9集电极c端与电感l2的二端相连，发射极e端与1号送丝机、功率开关管q10集电极c端相连；功率开关管q10集电极e端与电感l3的二端相连，3号送丝机与变压器b2副边的第4端相连；两个功率开关管通过驱动电路交替工作，使电源的阴阳极输出端输出低频交流电。调节功率开关管q9、q10的驱动信号的频率可调节交流热丝电流的切换频率。

交流热丝电流下拉装置能够实现电阻热熔化焊丝，不影响熔池温度；以双热丝焊接设备的焊枪布置方案(3)为例。交流热丝电流下拉装置能够通过两种结构方案实现：第一种方案：变压器b2副边的第4端引出线上串联如下电路结构，将功率开关管q11的集电极、二极管d7的k端、大功率电阻r1的a端与变压器b2副边的第4端相连。将功率开关管q11的发射极、功率开关管q12的发射极、二极管d7的a端、二极管d8的a端相连。将功率开关管q12的集电极、二极管d8的k端、大功率电阻r1的b端与第一焊枪相连。工艺试验工程中，由于电源交流输出，所以功率开关管q11、功率开关管q12交替导通，当电压传感器检测到热丝端头电压上升到电压设定值时，即热丝端部即将发生小桥爆断时，功率开关管q11、功率开关管q12的驱动信号都拉低，此时输出电路串入电阻r1，降低输出电流，防止小桥爆断。当电压传感器检测到热丝端头电压下降到电压设定值时，重新驱动功率开关管q11、功率开关管q12工作预热热丝。第二种方案：变压器b2副边的第4端引出线上串联如下电路结构。将二极管d9的a端、二极管d11的k端与第一焊枪相连。将功率开关管q13的集电极、二极管d9的k端、二极管d10的k端、电阻r2的a端相连。将功率开关管q13的发射极、二极管d11的a端、二极管d12的a端、大功率电阻r2的b端相连。将二极管d10的a端、二极管d12的k端与变压器b2副边的第4端相连。在工艺试验过程中，当单片机检测到热丝端头液态金属出现缩颈，即热丝端部即将发生小桥爆断时，功率开关管(q13)的驱动信号拉低，此时输出电路串入电阻r2，输出电流降低，防止小桥爆断。当电压传感器检测到热丝端头电压下降到设定电压值时，重新驱动功率开关管(q13)工作预热焊丝。

gmaw输出电路输出的直流电流为250a-300a。

热丝电流二次逆变电路能够将热丝电流输出电路输出的电流进行切换。

热丝恒流输出电路输出电流为50-350a。

交流热丝电流下拉装置能实现电阻热熔化焊丝，基本不影响熔池温度。

本发明为复合电弧焊接装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：双丝焊接工艺方法实现了焊接过程中的高效性；该焊接方法中，前后两侧的焊丝采用交流预热及熔池熔化的方式熔化焊丝，与其他的单丝焊、双丝焊及三丝弧焊相比，实现了在线性热输入减少的情况下，相对熔敷率明显增加；功率为10千瓦的主电弧(330安，32伏)，在冷丝焊时的最大熔敷速度不足，采用热丝焊(热丝电流300a，200hz)时熔敷速度非常可观，并且热丝焊可以单独控制电弧热量和热丝的进给速度，它允许热丝熔敷速度从零调整到最大值，而不受电弧电流值的限制。熔化热丝的绝大部分能量来自电阻热，这样可以避免熔池温度太低，影响焊缝与母材的熔合。该三丝焊接工艺方法可以通过调节电流大小、电流方向切换频率及焊枪间距调整熔池的长度；由于主弧电流方向始终是由焊枪流向母材的，而热丝的电流方向始终是有规律地切换的，电流方向的切换会改变对主弧作用力的方向，所以热丝电流对主弧产生磁偏吹的作用力，电弧的摆动频率等于电流的切换频率，摆动幅度由切换频率、电流大小及焊枪间距决定；该热丝焊接工艺方法可通过调整熔池长度，反复多次加热熔池有利于参杂在焊缝中的气体逸出，减少焊缝中的气孔，改善焊缝质量。通过摆动焊接电弧，均匀分散焊接热量，使热丝焊丝某些特殊合金材料不受电弧作用产生过烧现象，从而在焊缝中仍能保留这些合金材料，因此，改善焊缝性能。

相比于常规的单丝焊接系统本发明可以达到更高的焊接效率，相对于传统的双丝或多丝焊接系统具有相对更小的热输入、相对熔敷率增加，且电弧能量分布可调，易于气体逸出，,避免焊接缺陷产生，可以适用于厚板的焊接。该种焊接工艺采用热丝复合熔化极电弧焊接方法，热丝电流对主弧产生磁控效果，热丝电流方向的切换既可以调节主弧在两热丝焊丝之间来回摆动幅度,也可以调节其摆动频率，还可以调节焊接热量的分配方式，调整熔池长度，熔化母材，逸出焊缝中气孔，也可以增加熔敷金属的数量，从而有效提高焊接效率。而且焊丝的预热主要是通过电阻热实现的，几乎不需要借助熔池热熔化热丝，所以熔池热有利于熔化母材，使焊缝与母材充分熔合。

附图说明

图1为gmaw直流电源和交流热丝电源的工作原理图

图2无电子开关双热丝焊接系统框图

图3含有第一套电子开关的双热丝焊接系统框图

图4含有第二套电子开关的双热丝焊接系统框图

图5gmaw直流电源和交流热丝电源的工作原理图

图6无电子开关单热丝电路系统框图

图7含有第一套电子开关的单热丝焊接系统框图

图8含有第二套电子开关的单热丝焊接系统框图

图9交流热丝电源输出电流波形图

图10gmaw电源输出电流波形图

图11焊枪的几种摆放位置

图1中左右分别为gmaw电源和热丝电源，gmaw电源的正极与第二焊枪相连，负极与母材相连，交流热丝电流一端与第一焊枪相连，另一端与第三焊枪相连。

图2中br1、br2——整流桥电路，c1、c2——电容器，q1～q10——功率开关管，b1、b2——变压器，d1～d6——二极管，l1、l2、l3——电感器；lem1、lem2——电流采样器，lem3——电压采样器，1——mag电流输出电路的驱动电路，2——mag电流输出电路电流采样及滤波，3——电压采样及滤波，4——热丝电流输出电路电流采样及滤波，5——二次逆变驱动电路，6——热丝电流输出电路的驱动电路，7——mag恒流输出电路，8——热丝二次逆变电路，9——热丝电流输出电路。10——dsp控制系统(数字信号处理控制系统)，11——人机界面，12——送丝系统。

具体实施方式

单热丝焊接设备和双热丝焊接设备工作原理一致，以双热丝设备原理图为例，并结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

该系统由gmaw焊接电弧作为主弧，流经两根热丝的交流电控制gmaw电弧摆动，主电弧在母材和gmaw焊枪之间持续导通，当热丝电流在第一焊枪和第三焊枪之间存在并来回切换时，受电磁力影响可以实现电弧摆动。当三把焊枪同时工作时，能够提高熔敷效率，实现高效焊接。由于可以调节熔池长度，所以该种工艺相比于单熔化极焊接可以减少焊缝中的气孔，降低最小焊接热输入，提高熔敷率，从而应用于常规焊接无法解决的高效、焊缝质量要求的焊接工艺问题。

如图1、图2所示，双弧复合焊接系统由gmaw恒流输出电路，热丝电流输出电路，热丝电流二次逆变电路组成。三相交流电由输入端子输入，经整流桥电路br2整流与电容滤波后变为平直的直流电，得到的直流电经逆变电路转变为中频方波电压，经变压器降压后再由二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、双胞电感l2、l3、igbt(q9、q10)组成的热丝二次逆变电路，电路获得稳定的交流电。该交流电分两个端子输出，其中，二极管d3的a端、二极管d5的k端与变压器b2副边的第3端相连，二极管d4的a端、二极管d6的k端与变压器b2副边的第5端相连，二极管d3的k端、二极管d4的k端与电感l2的一端相连，二极管d5的a端、二极管d6的a端与电感l3的一端相连，功率开关管q9集电极c端与电感l2的二端相连，发射极e端与1号送丝机、功率开关管q10集电极c端相连；功率开关管q10集电极e端与电感l3的二端相连，3号送丝机与变压器b2副边的第4端相连。mag恒流输出电路的正负输出端则分别接到第二焊枪和母材上。第二焊枪和母材之间的电弧是焊接主弧，是连续电弧，当q9与q10这两个开关管交替导通工作时，电弧在第二焊枪两侧摆动。通过调节两个开关管的导通时间，可以调节电弧摆动频率，以利于控制熔池长度。

在本发明中，所述gmaw恒流输出电路由整流桥br1，滤波电容c1，开关管q1～q4构成的全桥电路、变压器b1、二极管d1、二极管d2、电感l1组成。其各端子之间的连接为三相交流电的u端，v端，w端分别与整流桥br1的第1端，第2端，第3端相连，整流桥br1的第4端，第5端之间并联有滤波电容c1，整流桥电路br1的第4端与功率开关管q1的集电极c端、功率开关管q2的集电极c端相连，整流桥电路br1的第5端与功率开关管q3的发射极e端、功率开关管q4的发射极e端相连；功率开关管q1的发射极e端、功率开关管q3的集电极c端与变压器b1原边的第1端相连，功率开关管q2的发射极e端、功率开关管q4的集电极c端与变压器b1原边的第2端相连；变压器b1副边的第3端与二极管d1的a端相连，变压器b1副边的第4端与电源输出端负极相连，该端外接母材。变压器b1副边的第5端与二极管d2的a端相连；二极管d1的k端、二极管d2的k端经电感l1与电源输出端正极相连，该端外部和主焊枪第二焊枪相连。

gmaw恒流发生电路将三相交流电连接到整流模块br1，然后经c1滤波，后将直流电经功率开关管q1～q4构成的逆变电路逆变为交流电，经变压器b1降压后再经过二极管d1，二极管d2整流后，输出稳定的直流电，其方向为由电源输出端正极经第二焊枪，电弧，母材，流回电源输出端负极。

在本发明中，所述热丝电流输出电路由整流桥br2，滤波电容c2，功率开关管q5-q8构成的全桥电路、变压器b2组成。其各端子之间的连接为：三相交流电的u端、v端、w端分别与整流桥br2的第1端、第2端、第3端相连，整流桥br2的第4端、第5端之间并联有滤波电容c2。整流桥的第4端连接至功率开关管q5的集电极c端、功率开关管q6的集电极c端，整流桥电路的第5端连接至功率开关管q7的发射极e端、功率开关管q8的发射极e端；功率开关管q5的发射极e端、功率开关管q7的集电极c端与变压器b2原边的第1端相连，功率开关管q6的发射极e端、功率开关管q8的集电极c端与变压器b2原边的第2端相连；二极管d3的a端、二极管d5的k端与变压器b2副边的第3端相连，二极管d4的a端、二极管d6的k端与变压器b2副边的第5端相连，二极管d3的k端、二极管d4的k端与电感l2的一端相连，二极管d5的a端、二极管d6的a端与电感l3的一端相连，功率开关管q9集电极c端与电感l2的二端相连，发射极e端与1号送丝机、功率开关管q10集电极c端相连；功率开关管q10集电极e端与电感l3的二端相连，第三焊枪与变压器b2副边的第4端相连。

功率开关管q10导通，q9关断时：当功率开关管q6、q7导通的情况下，电流由变压器b2的第4端流出，分别经过第三焊枪、母材、第一焊枪，再经过功率开关q10，电感l3、二极管d5最终流回到变压器b2的第3端，主电弧偏向第三焊枪。当功率开关管q5、q8导通的情况下，电流由变压器b2的第4端流出，分别经过第三焊枪、母材、第一焊枪，再经过功率开关q10，电感l3、二极管d6最终流回到变压器b2的第5端，主电弧偏向第三焊枪。

功率开关管q10关断，q9导通时：当功率开关管q6、q7导通的情况下，电流由变压器b2的第5端流出，分别经过二极管d4、电感l2、功率开关q9，再经过第一焊枪、母材、第三焊枪，最终流回到变压器b2的第4端，主电弧偏向第一焊枪。当功率开关管q5、q8导通的情况下，电流由变压器b2的第3端流出，分别经过二极管d3、电感l2、功率开关q9，再经过第一焊枪、母材、第三焊枪，最终流回到变压器b2的第4端，主电弧偏向第一焊枪。

由以上过程分析可知，当功率开关管q10导通，功率开关管q9关断时，无论变压器b2原边的工作状态如何，副边一侧电流均由变压器b2的第4端流出，分别经过第三焊枪、母材、第一焊枪，再经过功率开关q10，电感l3、回到变压器，主电弧偏向第三焊枪。当功率开关管q9导通，功率开关管q10关断时，无论变压器b2原边的工作状态如何，副边一侧电流均经过二极管d4、电感l2、功率开关q9，再经过第一焊枪、母材、第三焊枪，最终流回到变压器b2的第4端，主电弧偏向第一焊枪。

综上所述，主电弧的偏转方向通过q9、q10的导通关断来控制，当q9导通、q10关断时主电弧偏向第一焊枪，当q10导通、q9关断时主电弧偏向第三焊枪。

gmaw恒流输出电路与热丝电流输出电路，采用pwm(pulsewidthmodulation)控制技术。控制功率开关管q1～q4的导通与关断，调整占空比，即可控制gmaw恒流输出电路输出电流的大小。控制功率开关管q5～q8的导通与关断，调整占空比，即可调整热丝电流输出电路输出电流的大小。

图3和图4所示为双热丝焊接系统的两种电子开关的电路系统框图。图7和图8所示为单热丝焊接系统的两种电子开关的电路系统框图。

为了实现高效且焊缝性能良好的目的，实验采用一套交流热丝电流下拉装置。交流热丝电流下拉装置有两种方案：方案(1)：功率开关管q11和q12都导通时，交流热丝电流即可从变压器负边的中心抽头通过功率开关管q11和二极管d8流向母材，也可从母材通过功率开关管q12和二极管d7流向变压器负边的中心抽头；功率开关管q11和q12都关断时，热丝电流直接流过电阻r1；方案(2)：功率开关管q13导通时，交流热丝电流即可从变压器负边的中心抽头通过二极管d10、功率开关管q13和二极管d11流向母材，也可从母材通过二极管d9、功率开关管q13和二极管d12流向变压器负边的中心抽头；功率开关管q13关断时，热丝电流不再流过功率开关管q13，而是流过电阻r2。方案1与方案2相比较，方案1结构复杂，但是功耗小；方案2结构简单，但是功耗大。

图9为交流热丝电源输出的电流波形图，图10为gmaw电源输出电流波形图。

如图3所示为本发明的系统框图，gmaw恒流输出电路由整流桥br1、电容器c1、功率开关管q1～q4、变压器b1、二极管d1、二极管d2、电感l1组成。热丝电流输出电路由整流桥br2、电容c2、功率开关管q5～q8、变压器b2、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、双胞电感l2、l3，功率开关管q9、q10组成。gmaw恒流输出电路的驱动电路(1)连接在dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)与功率开关管q1～q4之间，gmaw恒流输出电路电流采样及滤波(2)连接在电流采样器lem1与dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)之间，gmaw恒流输出电路电压采样及滤波电路(3)连接在电压采样器lem3与dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)之间，热丝电流输出电路电流采样及滤波(4)连接在电流采样器lem2与dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)之间，热丝电流二次逆变切换驱动电路(5)连接在dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)与功率开关管q9，功率开关管q10之间，热丝电流输出电路驱动电路(6)连接在dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)与功率开关管q5～q8之间。人机界面(11)与dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)相连。在工作过程中，电流采样器lem1，电流采样器lem2分别对所在电路的电流进行采样，电压采样器lem3将采样结果送给dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)，dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)将采样结果与人机界面(7)设定的参数进行比较运算，传递信号给gmaw恒流输出电路驱动电路(1)，热丝电流输出电路的驱动电路(6)，分别调节功率开关管q1～q4，功率开关管q5～q8的占空比，最终实现输出电流参数与人机界面(11)设定值相等，并且dsp控制系统(数字信号处理控制系统)(10)发送信号给热丝电流二次逆变切换驱动电路(5)，控制功率开关管q9，功率开关管q10的开通与关断，实现不同频率的热丝电流输出，由于热丝电流输出回路的切换是通过功率开关的开通与关断实现的，所以此种电路拓扑结构可以容易实现不同频率调节，控制熔池长度。