一种变极性三丝气体保护间接电弧焊方法、装置及其应用与流程

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种变极性间接电弧焊方法，具体而言，尤其涉及一种变极性三丝气体保护间接电弧焊方法、装置及其应用。

背景技术：

随着现代工业的发展，在建筑、船舶制造、桥梁、机械、压力容器、轨道、管道等领域，大型结构件的应用越来越广泛。制造这些大型结构件，厚板应用占有较大比例^[1-3]。提高厚板的焊接效率变的十分有必要。

厚板窄间隙焊接技术可使焊接面积可减少30％以上，大大的节省了填充材料，显著的提升焊接效率。而对于传统的熔化极气体保护焊，焊枪连接电源的一极，工件连接电源的另一极，导电通路建立在板材与工件之间。而在窄间隙焊接中，熔化极气体保护焊的焊丝极易和板材的侧壁起弧，导致焊缝根部未熔合缺陷产生，这限制了板材对接间隙的减小。

与传统的焊接方法不同，间接电弧焊的工件不连接电源，电弧只产生于电极之间。可有效地避免窄间隙焊接中侧壁起弧的产生。目前间接电弧的研究主要集中在双丝间接电弧焊^[4-5]，而双丝间接电弧具有明显的热输入不足的缺点。

针对双丝间接电弧热输入不足的问题，发明专利(申请号为201510145041.4)提出了一种三丝气体保护间接电弧焊接的方法，如图1所示，为三丝间接电弧焊原理图，主丝连接两直流电源的负极，两边丝分别连接两个直流电源的正极，第三根焊丝的引入，改善了间接电弧周围磁场的分布，扩大了间接电弧焊接参数的可调范围。改善了间接电弧热输入不足的缺点。但是该方法仍存在不足，结构中两边丝关于主丝中心对称使得主丝与边丝之间的磁场关于主丝中心对称，致使两间接电弧相互独立并且在尾部发生偏移，这样造成电弧对焊缝中心位置的加热作用较弱，易产生焊缝中心凸起和层间未熔合缺陷。

针对三丝间接电弧形态发散问题，发明专利(申请号为201811075326.5)提出了一种新型的三丝气体保护间接电弧焊接方法、装置及其应用，如图2所示，为新型三丝间接电弧焊的原理图，主丝连接两直流电源的正极，边丝分别连接两直流电源的负极，该电源连接方式调整了焊丝周围磁场和电场的分布，可使两个间接电弧复合到一起，电弧形态集中，进一步提升了三丝间接电弧焊的熔深。但是该方法也存在不足，电弧形态集中导致间接电弧对焊缝侧壁加热较少，易产生焊缝侧壁未熔合缺陷。

基于上述三丝间接电弧焊存在的缺陷及其产生的原因，有必要提供一种新型的三丝气体保护间接电弧焊的方法以解决上述问题。

参考文献：

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技术实现要素：

根据上述提出现有的三丝间接电弧焊方法在焊接中存在的问题，提供一种变极性三丝气体保护间接电弧焊方法、装置及其应用。本发明主要通过采用两个变极性焊接电源，实现了焊丝周围磁场分布的周期性调控，进而实现了间接电弧加热位置的调控。当主丝为正极时，电弧形态集中，可保证焊缝层间良好的熔合；当主丝为负极时，电弧向两侧偏转，可保证焊缝侧壁的良好融合。本发明变极性三丝气体保护间接电弧焊解决了窄间隙焊接中侧壁不熔和焊缝层间不熔的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种变极性三丝气体保护间接电弧焊方法，所述方法通过三根焊丝以及两个变极性电源实施焊接过程；其特征在于，具体包括：

焊接前，将主丝连接至两个变极性电源的一极，其余两根边丝分别连接至两个变极性电源的另一极；

焊接工件不与两个所述变极性电源连接；

焊接时，同时启动两个所述变极性电源，两个所述变极性电源同步工作且与所述主丝连接的极性始终相同，通过所述变极性电源极性的周期性正负极变换，焊丝周围磁场分布得到周期性调控，实现耦合间接电弧的周期性摆动的焊接过程。

进一步地，两根边丝分别排布在主丝两侧，并且关于主丝呈对称分布；两所述边丝分别与所述主丝构成20°～120°的夹角，两所述边丝与所述主丝的延长线分别相交且两交点在同一水平线上，且两所述边丝关于所述主丝镜像对称。

进一步地，当所述主丝与两个所述变极性焊接电源负极接通时，两间接电弧向两边丝偏转，耦合电弧变得分散，电弧能量密度降低；当所述主丝与两个所述变极性焊接电源正极接通时，两间接电弧向主丝偏转，电弧变得集中，耦合电弧能量密度增大；采用该能量密度可柔性调控的耦合间接电弧对母材进行加工，通过改变两个所述变极性焊接电源的控制参数，所述控制参数包括但不局限于电源的频率、占空比、电流及电压等参数，实现对焊丝和母材热输入的精确柔性调控过程。

进一步地，两个所述变极性电源变极性的频率为10hz-500hz，并且输出的电流方向相同，相位相同，所述主丝的电流始终为两个所述边丝的电流之和。

进一步地，焊接总电流范围保持在240a～600a，所述主丝的送丝速度控制在3.5m/min～15m/min，焊接速度控制在0.1m/min～4.0m/min。

进一步地，所述焊接方法进行焊接过程中所采用的保护气体可以为co2、ar中的一种或co2和ar的混合气，保护气流均为0.1～50l/min。

本发明还公开了一种实现所述的变极性三丝气体保护间接电弧焊方法的装置，其特征在于：

所述装置由三根焊丝以及两个变极性焊接电源组成；

其中，主丝连接至两个所述变极性焊接电源的一极；两根边丝分别连接至两个所述变极性焊接电源的另一极；两所述边丝分别排布在所述主丝两侧，并且关于所述主丝呈对称分布；两所述边丝与所述主丝夹角保持在20°-120°，并且两所述边丝与所述主丝的延长线分别相交且两交点在同一水平线上；

焊接时，两个所述变极性电源同步工作且与所述主丝连接的极性始终相同，变极性的频率为10hz-500hz，并且输出的电流方向相同，相位相同，主丝的电流始终为两边丝电流之和。

本发明还公开了一种基于变极性三丝气体保护间接电弧的薄板高速焊接方法，其特征在于，采用上述方法，并在实施高速焊过程中，以平行于焊丝所在竖直面为焊接方向，以三根所述焊丝为填充金属，利用间接电弧的弧柱热量和熔滴过渡所携带的热量，实现填充金属与焊接工件的焊接。

本发明还公开了一种基于变极性三丝气体保护间接电弧的厚板窄间隙焊接工艺，其特征在于：采用上述方法，并在实施焊接过程中，以平行于焊丝所在竖直面为焊接方向，以实现无坡口、对接间隙小于10mm条件下窄间隙多层多道焊接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提供的三丝气体保护间接电弧焊工件不接电源，电弧只在焊丝端部形成间接电弧，窄间隙焊接中不出现侧壁起弧现象。

2)本发明通过采用两变极性焊接电源，实现了间接电弧之间的磁场分布的周期性调控，通过电弧摆动及焊丝排布的特性，在电源极性变换过程中实现了电弧形态集中与电弧形态分散的周期性转换，可精确调控电弧加热位置和对母材的热输入。

综上，本发明的设计方案，可实现电弧形态的可控调节，主丝为负极时，电弧偏向两侧，可充分加热板材侧壁，改善侧壁不熔合问题；主丝为正极时，电弧集中，可抑制焊缝层间凸起和层间不熔。本发明通过调控电弧偏转，可实现焊接电弧热源能量的精确分配，有效解决薄板高速焊烧穿缺陷的产生和厚板窄间隙焊接中侧壁不熔和侧壁起弧的问题。

基于上述理由本发明可在窄间隙焊接和薄板高速焊接领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中主丝接负极三丝间接电弧焊原理示意图。

图2为现有技术中主丝接正极三丝间接电弧焊原理示意图。

图3为本发明变极性三丝间接电弧焊原理示意图。

图4为本发明中三丝间接电弧焊焊丝分布方式示意图，其中，(ⅰ)为视线垂直于焊接方向的示意图，(ⅱ)为视线平行于焊接方向的示意图。

图5为两变极性焊接电源电流输出波形图，其中，(a)为变极性电源1电流波形，(b)变极性电源2电流波形。

图6为本发明变极性三丝间接电弧焊的电弧形态图，其中，(a)主丝为正极时的电弧形态，(b)主丝为负极时的电弧形态。

图7为本发明中变极性三丝间接电弧薄板高速焊接实施例示意图。

图8为本发明中变极性三丝气体保护间接电弧厚板窄间隙焊接实施例示意图。

图中：1、第一变极性电源；2、第二变极性电源；3、主丝；4、第一边丝；5、第二边丝；6、待焊母材；7、陶瓷衬垫。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图3所示，本发明公开了一种变极性三丝气体保护间接电弧焊方法，所述方法通过三根焊丝以及两个变极性电源实施焊接过程；具体包括：

焊接前，先将三根所述焊丝中的一根焊丝连接至两个所述变极性电源(即变极性电源1和变极性电源2的一极)，其余的两根焊丝分别连接变极性电源1和变极性电源2的另一极，焊接工件不与所述两变极性电源连接。

随后将上述连接两个变极性焊接电源正极的焊丝排布在中间，称该焊丝为主丝3；其余的两根焊丝分别排布在所述主丝3的两边，称这两根焊丝为边丝，即第一边丝4和第二边丝5；

在空间范围内，第一边丝4与主丝3之间以及第二边丝5与主丝3之间构成20°～120°的夹角，两所述边丝与所述主丝3的延长线分别相交且两交点在同一水平线上；如图4所示，所述边丝与所述主丝3在垂直于焊接方向的平面内的正投影满足如下条件：所述第一边丝4与所述主丝3以及第二边丝5与所述主丝3之间的夹角为20°～120°，在沿平行于焊接方向两所述边丝关于所述主丝3镜像对称；

焊接时，令所述两个变极性电源1和2同时启动，两变极性焊接电源输出的电流波形如图5所示，两变极性焊接电源输出的电流方向相同，大小相同，变极性频率相同。如图6(a)所示当主丝3为正极时，电弧形态集中，可充分加热焊缝中心。如图6(b)所示，当主丝3为负极时，电弧偏向两侧，可充分加热焊缝侧壁。根据预设的焊接工艺，通过调节两变极性焊接电源的变极性频率、占空比、焊接电流和焊接电压等可实现电弧能量的调控，进而实现母材6的焊接。

焊接总电流范围保持在240a～600a，变极性频率50hz～500hz，所述主丝3的送丝速度控制在3.5m/min～15m/min，焊接速度控制在0.1m/min～4.0m/min；主丝与边丝夹角范围为20°～120°。所述焊接方法进行焊接过程中所采用的保护气体可以为co2、ar中的一种或co2和ar的混合气，保护气流均为0.1～50l/min。

如图7所示，本发明还公开了一种基于变极性三丝气体保护间接电弧的薄板高速焊接方法，其特征在于，包括采用上述的方法，并在实施高速焊过程中，以平行于焊丝所在竖直面为焊接方向，以三根所述焊丝为填充金属，利用间接电弧的弧柱热量和熔滴过渡所携带的热量，实现填充金属与焊接工件的焊接。

如图8所示，本发明还公开了一种基于变极性三丝气体保护间接电弧的厚板窄间隙焊接工艺，包括采用上述的方法，并在实施焊接过程中，以平行于焊丝所在竖直面为焊接方向，以实现无坡口、对接间隙小于10mm条件下获得大于或等于20mm多层多道焊接。

本发明具体工作原理为：

本发明通过采用两变极性焊接电源以及对变极性频率、占空比、焊接电流和焊接电压的调控实现了间接电弧焊中的电弧形态集中和电弧形态发散的调控，使三丝间接电弧的加热位置和热输入得到精确的控制。当主丝为正极时，主丝3和两个边丝之间分别形成的间接电弧会同时向主丝偏转，两间接电弧直接耦合为一个电流密度较大的单电弧，电弧形态集中，可保证焊缝的层间熔合。当主丝为负极时，主丝3和两个边丝之间分别形成的间接电弧会同时向两边丝偏转，电弧形态发散，可保证焊缝的侧壁熔合。除此之外，在保持焊接电流不变的条件下，通过调节变极性频率，可实现电弧形态集中和发散的控制，达到焊缝侧壁和层间能量的合理分配。本发明利用变极性三丝间接电弧形态的可控，可满足薄板高速焊接以及厚板窄间隙焊接等高效焊接需求。

实施例1：变极性三丝气体保护间接电弧薄板高速焊。

如图7所示，采用图4中所示焊丝分布方式，主丝3与水平方向的夹角为50°，第一边丝4和第二边丝5分别与主丝3夹角为30°，两边丝分布于主丝3的两侧并且关于主丝镜像对称，并且两边丝分别与主丝3接触，两接触点在同一水平线上。其中，三根钢焊丝型号为er50-6，主丝3直径为1.6mm，两边丝直径均为1.2mm，电源采用两个交流电源，对应的保护气体为80％co2和20％ar混合气；板材型号为q235，板材尺寸为300mm×150mm×2mm，板材对接间隙1mm，焊枪高度为6mm，焊接总电流为320a，变极性频率200hz，焊接速度为2800mm/min，结果得到了表明光滑均匀一致，焊缝背面融合良好，没有缺陷的焊缝。

实施例2：变极性气体保护三丝间接电弧厚板窄间隙焊接。

如图8，其采用的焊丝分布见图4所示，主丝3与水平方向夹角为50°，主丝3和边丝夹角为30度，采用主丝直径1.6mm，两边丝直径1.2mm的焊丝，电源采用两个交流电源，对应的保护气体为80％co2和20％ar混合气；焊丝型号为er50-6，焊接母材为q235低碳钢，板材尺寸为300mm×150mm×20mm，不开坡口，母材对接间隙为8mm，背面使用陶瓷衬垫7，采用的总焊接电流为320a，变极性频率为150hz，焊接速度为550mm/min，得到了多层多道成形很好的焊缝。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。