专利名称：一种控制热输入的电弧焊方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接方法，尤其涉及对热输入敏感的异种金属材料之间焊接方法。
背景技术：
现代工程结构中材料的应用要综合考虑性能、成本和制造工艺等各方面的因素， 单一材料往往不能满足实际应用中的各种要求，随着轻量化在航空航天、交通运输等工业领域的发展，铝-钢、镁-钢、镁-铝、铝-钛等轻金属与钢及轻金属之间的焊接显得尤为必要。而已有研究表明轻金属与钢及轻金属之间的焊接中最关键的问题是能够精确控制焊接热输入，最大程度减少接头界面有害的金属间化合物的产生，得到最佳焊接效果。国内外学者利用钎焊、激光焊、电子束焊、扩散焊、摩擦焊等热输入可控的焊接方法能够实现轻金属与钢及轻金属之间焊接，但普遍存在成本高、应用场合受限，焊接效率低等缺点，限制了它们的推广和应用。因此如何利用灵活方便而又成本低的电弧焊技术实现轻金属与钢及轻金属之间的可靠焊接并推动轻量化复合结构的广泛应用具有重要的工程意义。然而应用最为广泛的传统电弧焊方法由于对电弧过程、熔滴过渡、母材热输入等难以精确控制，将其用于对热输入敏感的轻金属与钢及轻金属之间的焊接时效果往往欠佳。近年来国外在传统电弧焊基础上发展起来的精确控制型电弧焊方法和工艺如Fronius 的CMT (冷金属过渡)弧焊技术、EWM的Cool-Arc、CLOOS的QUINTO CP等弧焊技术等获得了新的发展，并在铝与钢异种金属焊接领域显示出独特的活力，但仍然存在设备机械或主电路控制结构复杂、价格昂贵、工艺调节范围窄等缺点。因此研究新型低成本精确控制型电弧焊方法解决轻金属与钢及轻金属之间的焊接问题成为迫切的工程需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的焊接热输入和熔滴过渡过程具有精确调节能力的电弧焊方法，用于实现铝-钢、镁-钢、镁-铝、铝-钛等对热输入敏感的轻金属与钢及轻金属之间的有效焊接。本发明是一种控制热输入的电弧焊方法，采用两路电弧回路-主电弧回路和分流电弧回路，其中主电弧用于熔化焊丝和母材，利用分流电弧从焊丝与母材之间的主电弧弧柱中分流部分流入母材的电流，从而实现在高的焊丝熔化电流的条件下同时降低母材的热输入并进行控制。本发明的效果在于精确控制焊接热输入和熔滴过渡的稳定性，合理调节熔滴过渡方式和焊接温度场的分布，从而有效抑制轻金属与钢及轻金属之间焊接时界面处脆性金属间化合物的生成，实现铝-钢、镁-钢、镁-铝、铝-钛等对热输入敏感的轻金属与钢及轻金属之间的有效焊接。试验表明，采用本发明进行铝-钢、铝-镁焊接时，能有效控制接头界面处金属间化合物层的生成，焊接接头强度能达到母材强度的80%以上，焊缝成形美观。
图1为本发明热输入可精确控制的电弧焊方法的示意图。图2为铝合金或镁合金与镀锌钢板搭接结构示意图，图中1为铝合金或镁合金，2 为镀锌钢板，L为搭接宽度。
具体实施例方式如图1所示，本发明是一种控制热输入的电弧焊方法，采用两路电弧回路-主电弧回路和分流电弧回路，其中主电弧用于熔化焊丝和母材，利用分流电弧从焊丝与母材之间的主电弧弧柱中分流部分流入母材的电流，从而实现在高的焊丝熔化电流的条件下同时降低母材的热输入并进行控制。主电弧回路由主电弧脉冲电源供电，由MIG焊枪及送丝机实现焊丝送进和主电弧燃烧；分流电弧回路由分流电弧脉冲电源供电，由TIG焊枪实现分流电弧燃烧，两套电源供电系统采用分体式，或一体式结构。主电弧回路和分流电弧回路按照以下方式连接主电弧脉冲电源正极与分流电弧脉冲电源正极连接在一起并与MIG焊枪焊丝导电嘴相连；主电弧脉冲电源负极与被焊工件连接；分流电弧脉冲电源负极与TIG焊枪钨极导电嘴相连。分流电弧的TIG焊枪在主弧的MIG焊枪侧方安装，两枪轴线在同一平面，两枪角度 20 60度，使主电弧和分流电弧按照以下方式耦合主电弧在焊丝和被焊工件之间燃烧， 且焊丝为主电弧的阳极，工件为主电弧的阴极；分流电弧在钨极和主电弧弧柱区之间燃烧， 且主电弧的弧柱区为分流电弧的阳极，钨极为分流电弧的阴极。根据以上所述的控制热输入的电弧焊方法，主电弧与分流电弧的脉冲电流波形相位和周期是同步的，在主弧加热功率一定的条件下，通过调节分流电弧的脉冲参数调整母材热输入的大小。实施例1.铝合金与镀锌钢板异种金属材料的电弧焊所采用的铝合金母材为2mm厚的5052铝合金板，镀锌板的基体为Q235钢，镀锌板厚度为2mm，尺寸均为30mmX 10mm，焊接方法采用本发明提出的热输入可控的电弧焊方法， 焊丝为直径1. 2mm的铝硅焊丝ER4043，其焊接工艺步骤如下(1)施焊前，用丙酮去除待焊工件表面油污，用不锈钢丝刷去除待焊工件表面氧化膜；(2)将待焊工件固定在焊接夹具上，接头采用搭接形式，铝合金板1在上，镀锌钢板2在下，搭接宽度L为20mm，如图2所示；(3)主路电弧与分流电弧夹角呈40°，所用钨极直径3. 0mm，钨极尖端夹角为 30° ；保护气采用氩气，主路电弧保护气流量为20L/min，分流电弧保护气流量为5L/min ；(4)主路平均电流24A(峰值电流195A，基值电流5A，占空比10%，脉冲频率 80Hz)，旁路平均电流33A (峰值电流150A，基值电流20A，占空比10 %，脉冲频率80Hz)，焊接速度为0. 6m/min ；(5)将焊丝尖端对准搭接部位铝合金边缘进行焊接，导电嘴到工件距离15mm，启动开关进行焊接；(6)施焊到工件末端，关闭焊接开关，焊接过程结束。
实施例2.镁合金与镀锌钢板异种金属材料的电弧焊所采用的镁合金母材为2mm厚的变形镁合金AZ31B，镀锌板的基体为Q235钢，镀锌板厚度为2mm，焊接方法采用本发明提出的热输入可控的电弧焊方法，焊丝为直径1. 2mm的镁合金焊丝AZ92A，其焊接工艺步骤如下(1)施焊前，用丙酮去除待焊工件表面油污，用不锈钢丝刷去除待焊工件表面氧化膜；(2)将待焊工件固定在焊接夹具上，接头采用搭接形式，镁合金板1在上，镀锌钢板2在下，搭接宽度L为20mm，如图2所示；(3)主路电弧与分流电弧夹角呈40°，所用钨极直径3. 0mm，钨极尖端夹角为 30° ；保护气采用氩气，主路电弧保护气流量为20L/min，分流电弧保护气流量为5L/min ；(4)主路平均电流32A(峰值电流140A，基值电流5A，占空比20%，脉冲频率 80Hz)，旁路平均电流36A (峰值电流100A，基值电流20A，占空比20 %，脉冲频率80Hz)，焊接速度为0. 8m/min ；(5)将焊丝尖端对准搭接部位镁合金边缘进行焊接，导电嘴到工件距离15mm，启动开关进行焊接；(6)施焊到工件末端，关闭焊接开关，焊接过程结束。经采用实施例1和实施2中所述方法焊接的铝-钢、镁-钢异种金属焊接的焊缝成形美观，焊接接头的拉伸强度达到了母材拉伸强度的80%以上。另外，本发明还可用于例如镁-铝、铝-钛等异种轻金属之间的焊接。
权利要求
1.一种控制热输入的电弧焊方法，其特征在于采用两路电弧回路-主电弧回路和分流电弧回路，其中主电弧用于熔化焊丝和母材，利用分流电弧从焊丝与母材之间的主电弧弧柱中分流部分流入母材的电流，从而实现在高的焊丝熔化电流的条件下同时降低母材的热输入并进行控制。
2.根据权利要求1所述的控制热输入的电弧焊方法，其特征在于主电弧回路由主电弧脉冲电源供电，由MIG焊枪及送丝机实现焊丝送进和主电弧燃烧；分流电弧回路由分流电弧脉冲电源供电，由TIG焊枪实现分流电弧燃烧，两套电源供电系统采用分体式，或一体式结构。
3.根据权利要求1所述的控制热输入的电弧焊方法，其特征在于主电弧回路和分流电弧回路按照以下方式连接主电弧脉冲电源正极与分流电弧脉冲电源正极连接在一起并与 MIG焊枪焊丝导电嘴相连；主电弧脉冲电源负极与被焊工件连接；分流电弧脉冲电源负极与TIG焊枪钨极导电嘴相连。
4.根据权利要求1所述的控制热输入的电弧焊方法，其特征在于分流电弧的TIG焊枪在主弧的MIG焊枪侧方安装，两枪轴线在同一平面，两枪角度20 60度，使主电弧和分流电弧按照以下方式耦合主电弧在焊丝和被焊工件之间燃烧，且焊丝为主电弧的阳极，工件为主电弧的阴极；分流电弧在钨极和主电弧弧柱区之间燃烧，且主电弧的弧柱区为分流电弧的阳极，钨极为分流电弧的阴极。
5.根据权利要求1、2和3所述的控制热输入的电弧焊方法，其特征在于主电弧与分流电弧的脉冲电流波形相位和周期是同步的，在主弧加热功率一定的条件下，通过调节分流电弧的脉冲参数调整母材热输入的大小。
全文摘要
一种控制热输入的电弧焊方法，其目的在于提供一种低成本的焊接热输入和熔滴过渡过程具有精确调节能力的电弧焊方法，用于实现铝-钢、镁-钢、镁-铝、铝-钛等对热输入敏感的轻金属与钢及轻金属之间的有效焊接；采用两路电弧回路-主电弧回路和分流电弧回路，其中主电弧用于熔化焊丝和母材，利用分流电弧从焊丝与母材之间的主电弧弧柱中分流部分流入母材的电流，从而实现在高的焊丝熔化电流的条件下同时降低母材的热输入并进行控制。
文档编号B23K9/16GK102500873SQ20111034739
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者卢立晖, 樊丁, 石玗, 黄健康 申请人:兰州理工大学