技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种焊接方法，具体地说是
铝合金焊接方法。
背景技术
[0002] 铝合金具有轻质、高强、优异的耐
腐蚀性能，以及良好的经济效益，因此，在
汽车、
船舶、航空航天等工程领域受到了广泛的关注。随着工业需求不断发展，铝及其合金材料已成为工业生产应用的首选。在工业生产制造中，其焊接方式主要为钨极氩弧焊(TIG)和
熔化极氩弧焊(MIG)进行铝及其合金的焊接。与传统
电弧焊相比，等离子弧焊(PAW)具有接头熔深大、热影响区窄、焊接后残余应
力和
变形小等优点，在铝合金的连接方面显示出了良好的应用前景。为清理铝合金表面存在的一层致密
氧化膜，国内外常采用变极性交流等离子弧进行铝合金的焊接。而变极性交流等离子弧焊接铝合金要求
焊接电源性能可靠，交流
频率域正负半波宽度也可调，想要获得好的
焊缝成形，必须花费长时间去调整各个参数，且设备价格昂贵，难以大范围的推广应用。此外，变极性交流电源在其负半波对
阴极产生的热量不能用来支持焊接，反而导致
工件热影响区增大，
电极寿命缩短。研究表明，利用交流等离子弧焊接铝合金时，由于钨极烧损会导致其内缩量发生变化，引起等离子弧的
电流密度发生改变，导致焊接过程
稳定性变差、焊缝成形的一致性难以保证。
申请号200720039986.9的发明
专利了一种等离子弧焊与钨极氩弧焊组合焊接装置，其等离子
焊枪位于钨极氩弧焊枪后方，借助等离子焊穿透能力强的特点及钨极氩弧焊自由电弧有良好的履盖能力，从而达到正、背面成形美观的效果，且等离子焊枪和钨极氩弧焊枪同时焊接，等离子焊后的焊接余热可以为紧跟其后的TIG焊盖面减少
能量。由于其只是简单装置的组合，在焊接
钢铁材料时有一定效果，焊接铝合金时许多问题(如钨极烧损、焊缝成形稳定性等)仍未解决。据相关研究表明，也可采用直流反极性的等离子弧进行铝合金的焊接，但其电极烧损太快，焊接过程中有效热功率低也影响焊接
质量与效率。
[0003] 基于克服上述问题的考虑，本发明提出了一种基于脉冲协调控制的铝合金直流等离子-钨极氩弧复合焊接新技术，即在等离子弧焊枪的一侧施加钨极氩弧焊枪，焊接时利用(交流或反极性)钨极氩弧焊枪在前面清理铝合金表面氧化膜，利用直流等离子焊枪在后进行焊接。通过合理调节钨极氩弧和等离子弧电源的电流脉冲
波形，控制铝合金表面氧化膜的清理效果和焊缝熔深，从而保证焊缝成形、减小钨极烧损、提高焊接效率。为防止焊接时等离子弧与钨极氩弧之间的
电磁干扰，采用脉冲协调控制的方法，即在等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，触发脉冲
信号控制器，调节钨极氩弧电流为负半波峰值进行铝合金表面氧化膜的清理；当等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供通过合理调节钨极氩弧和等离子弧电源的电流脉冲波形，控制铝合金表面氧化膜的清理效果和焊缝熔深，从而保证焊缝成形、减小钨极烧损、提高焊接效率的基于脉冲协调控制的铝合金直流等离子-钨极氩弧复合焊接方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的:
[0006] 本发明基于脉冲协调控制的铝合金直流等离子-钨极氩弧复合焊接方法，其特征是:
[0007] (I)将待焊工件的待焊部位加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式为对接或搭接，并对制成的坡口及其两侧表面进行打磨和清洗；布置焊接设备:所述的焊接设备包括:等离子弧焊电源、等离子焊枪、钨极氩弧电源、钨极氩弧焊枪、
信号处理单元，信号处理单元由电流信号检测器、信号处理器、信号控制器依次连接组成，等离子弧焊电源负极分别连接电流信号检测器和等离子焊枪，在等离子弧焊电源负极和等离子焊枪之间设置第一高频引弧器，等离子弧焊电源正极连接待焊工件，钨极氩弧电源的一个极分别连接信号控制器和钨极氩弧焊枪，钨极氩弧电源与钨极氩弧焊枪之间设置第二高频引弧器，钨极氩弧电源的另一个极连接待焊工件，等离子焊枪面向待焊部位，钨极氩弧焊枪位于等离子焊枪的一侧且钨极氩弧焊枪与等离子弧轴线之间的夹
角为25° -75。；
[0008] (2)开启等离子弧焊电源和钨极氩弧电源:启动第一高频引弧器2，引燃等离子弧焊电源，然后启动第二高频引弧器，引燃钨极氩弧电源；
[0009] (3)进行焊接:利用钨极氩弧焊枪在前清理待焊工件表面氧化膜，利用等离子焊枪在后进行焊接从而使焊缝成形；焊接过程中，经电流信号检测器检测在直流等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，经信号处理器触发脉冲信号控制器，调节钨极氩弧电流为峰值进行待焊工件表面氧化膜的清理；当直流等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。
[0010] 本发明还可以包括:
[0011] 1、当钨极氩弧电源为直流电源时，钨极氩弧电源的正极连接信号控制器和钨极氩弧焊枪；当钨极氩弧电源为交流电源时钨极氩弧电源的负极连接信号控制器和钨极氩弧焊枪，钨极氩弧电源的正极与待焊工件间
串联有电容，等离子弧焊电源的正极与待焊工件间串联有电感。
[0012] 2、焊接设备还包括
填充焊丝，钨极氩弧焊枪和填充焊丝放置于等离子焊枪的前后两侧或放置于等离子焊枪的左右两侧，氩弧焊枪及填充焊丝与等离子弧轴线之间的夹角为25。-75。。
[0013] 3、等离子弧焊电源基值电流为10-100A，峰值电流为50-500A，脉冲频率为10-500HZ，离子气流量在0.5-3.0L/min之间；钨极氩弧电源基值电流为5-50A，峰值电流为20-200A，脉冲频率与等离子弧焊电源频率一致，保护气流量1.0-15L/min ;钨极氩弧焊枪的钨极直径为0.8-6.0mm，焊接速度为10-150cm/min ;等离子弧焊电源钨极内缩量为0.5-3.0mm，钨极氩弧焊枪的钨极距待焊工件为2.0-7.0mm，等离子弧焊电源
喷嘴距待焊工件离为1.0-8.0mm，钨极氩弧焊枪的钨极与等离子弧焊电源喷嘴间距为2_10mm。
[0014] 4、等离子弧焊电源基值电流为10-100A，峰值电流为50-500A，脉冲频率为10-500HZ，离子气流量在0.5-3.0L/min之间；钨极氩弧电源基值电流为5-50A，峰值电流为20-200A，脉冲频率与等离子弧焊电源频率一致，保护气流量1.0-15L/min ;钨极氩弧焊枪的钨极直径为0.8-6.0mm，焊接速度为10-150cm/min ;等离子弧焊电源钨极内缩量为0.5-3.0mm，钨极氩弧焊枪的钨极距待焊工件为2.0-7.0mm，等离子弧焊电源喷嘴距待焊工件离为1.0-8.0mm，钨极氩弧焊枪的钨极与等离子弧焊电源喷嘴间距为2-lOmm ;填充焊丝直径为0.8-2.0mm,送丝速度为1.0-10m/min。
[0015] 本发明的优势在于:
[0016] 1、采用脉冲协调控制的方法，可避免两电弧之间的相互干扰，既实现了铝合金板表面氧化膜的清理，又实现了铝合金板的直流
穿孔等离子弧焊接。通过调节等离子弧与钨极氩弧的电流脉冲波形，可使得铝合金焊接过程处于理想状态，是一种高效、可控的焊接方法。
[0017] 2、焊接过程中，等离子电源为直流电源，避免了电流负半波期间
对电极寿命带来的损害，以及对等离子焊枪的钨极烧损，且使得等离子弧刚直性好、焊缝熔深大、热影响区窄，保证焊缝成形质量。交直流钨极氩弧焊电源的电弧稳定好，铝材表面氧化膜清理效果显著。
[0018] 3、采用直流等离子弧焊接，中、厚板铝合金(< 12mm)焊接无需多道焊，可减少焊前坡口加工和清理等工序。由于电弧能量更加集中，电弧熔透能力增强，焊后工件变形小，焊缝质量优良。应用在焊接生产中，将大大提高生产效率、降低焊接成本、提高焊接质量，具有很大的工程实用价值。
[0019] 4、由于采用直流等离子电源，所以设备成本低、工艺稳定性好，且由于采用信号控制，焊接自动化程度高。
[0020] 5、该系统焊接工艺稳定并具有很强的焊接适应性，在焊接过程中，焊接
位置可以是平焊，也可以为其它位置焊接(如立焊或横焊等)，根据实际焊接需求，也可广泛应用于其它有色金属材料(如镁合金等)的焊接中。
附图说明
[0021] 图1为本发明的铝合金直流等离子-反接钨极氩弧复合焊接装置示意图；
[0022] 图2为本发明的铝合金直流等离子-交流钨极氩弧复合焊接装置示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0024] 本发明由等离子弧焊电源、等离子焊枪、钨极氩弧电源及焊枪、高频引弧器、电流信号检测器、信号处理器及控制器等组成。在等离子焊枪前方施加钨极氩弧焊枪，通过信号检测及控制系统分别与两个焊接电源相连接。焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法，即在等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，触发脉冲信号控制器，调节钨极氩弧电流为负半波峰值进行铝合金表面氧化膜的清理；当等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。这样可避免两电弧之间的相互干扰，既实现了铝合金板表面氧化膜的清理，又实现了铝合金板的直流穿孔等离子弧焊接。由于采用直流等离子弧焊接，可在很大程度上减小等离子钨极的烧损，提高了等离子电弧的稳定性和焊接质量，避免了焊缝成形
缺陷的产生。而且，直流等离子弧焊接铝合金可大大简化焊接设备，降低了焊接成本，提高了焊接效率，是一种高效、可控的焊接方法。
[0025] 用上述装置实施的焊接方法的步骤如下:[0026] 步骤1:将工件的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式可以为对接或搭接等多种形式，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。
[0027] 步骤2:焊接时，根据需要可以采用填充焊丝，也可不采用填充焊丝。如采用填充焊丝，钨极氩弧焊枪和填充焊丝既可放置于等离子焊枪的前后两侧，也可放置于等离子焊枪的左右两侧，共同组成等离子-钨极氩弧复合焊接头，氩弧焊枪及填充焊丝与等离子弧轴线之间的夹角为25° -75。，等离子焊枪可以垂直于待焊工件，也可于待焊工件之间存在一定的夹角。
[0028] 步骤3:设定焊接工艺参数，直流脉冲等离子弧基值电流为10-100A，峰值电流为50-500A，脉冲频率为10-500HZ，离子气流量在0.5-3.0L/min之间，脉冲氩弧焊基值电流为5-50A,峰值电流为20-200A，脉冲频率与等离子弧频率一致，保护气流量1.0_15L/min，钨极直径为0.8-6.0mm，焊接速度为10-150cm/min。等离子钨极内缩量为0.5-3.0mm，氩弧焊钨极距工件为2.0-7.0mm，等离子喷嘴距工件离为1.0-8.0mm，氩弧焊钨极与等离子喷嘴间距为2-10mm ;填充焊丝直径为0.8-2.0mm,送丝速度为1.0-10m/min。
[0029] 步骤4:电流信号检测器3、信号处理器4、信号控制器6依次连接组成信号处理单元5，焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法，即在直流等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，触发脉冲信号控制器，调节钨极氩弧电流为负半波峰值进行铝合金表面氧化膜的清理；当等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。可通过调节钨极氩弧峰值脉冲电流时间与幅值，控制铝合金表面氧化膜清理程度，通过改变等离子弧峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，在保证铝合金板表面氧化膜的清理的同时，又可实现铝合金板的直流穿孔等离子弧焊接。
[0030] 具体实施方式一:
[0031] 结合图1，它是基于脉冲协调铝合金直流等离子-反接钨极氩弧复合焊接装置实施方式，本实施方式由等离子弧焊电源1、等离子焊枪12、钨极氩弧电源8、钨极氩弧焊枪9、
送丝机14、高频引弧器2和7、电流信号检测器3、信号处理器(PLC或
单片机)4、信号控制器6等组成。焊接时，钨极氩弧焊枪9和填充焊丝15既可放置于等离子焊枪12的前后两侦牝也可放置于等离子焊枪12的左右两侧，共同组成等离子-钨极氩弧复合焊接头。焊接过程中，通过电流信号检测器3检测流经等离子弧的电流脉冲，经过信号处理器4和控制器6，来调节直流反接钨极氩弧焊的电流脉冲，进而调节铝合金表面氧化膜的清理程度，通过改变等离子弧峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，在保证铝合金表面氧化膜的清理的同时，又可实现铝合金的直流穿孔等离子弧焊接。
[0032] 基于本实施方式的等离子弧-钨极氩弧复合装置的焊接方法步骤如下:
[0033] 步骤1:将工件13的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式可以为对接或搭接等多种形式，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。
[0034] 步骤2:焊接时，根据需要可以采用填充焊丝，也可不采用填充焊丝。如采用填充焊丝15，钨极氩弧焊枪9和填充焊丝15既可放置于等离子焊枪的前后两侧，也可放置于等离子焊枪12的左右两侧，共同组成等离子-钨极氩弧复合焊接头，钨极氩弧焊枪9及填充焊丝与等离子弧轴线之间的夹角为25° -75°，等离子焊枪可以垂直于待焊工件，也可于待焊工件之间存在一定的夹角。
[0035] 步骤3:设定焊接工艺参数，直流脉冲等离子弧基值电流为10-100A，峰值电流为50-500A，脉冲频率为10-500HZ，离子气流量在0.5-3.0L/min之间，脉冲氩弧焊基值电流为5-50A，峰值电流为20-200A，脉冲频率与等离子弧频率一致，保护气流量1.0_15L/min，钨极直径为0.8-6.0mm，焊接速度为10-150cm/min。等离子钨极内缩量为0.5-3.0mm，氩弧焊钨极10距工件13为2.0-7.0mm，等离子喷嘴11距工件13间距为1.0-8.0mm，氩弧焊钨极与等离子喷嘴间距为2-10mm ;填充焊丝直径为0.8-2.0mm,送丝速度为1.0-10m/min。
[0036] 步骤4:开启两焊接电源1，8，启动高频引弧器2，引燃等离子弧，再启动高频引弧器7引燃钨极氩弧。
[0037] 步骤5:焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法，即经电流信号检测器3检测在直流等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，经信号处理器4触发脉冲信号控制器6，调节钨极氩弧电流为峰值进行铝合金13表面氧化膜的清理；当等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器6调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。可通过调节钨极氩弧峰值脉冲电流时间与幅值，控制铝合金13表面氧化膜清理程度，通过改变等离子弧峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，在保证铝合金板13表面氧化膜的清理的同时，又可实现铝合金板13的直流穿孔等离子弧焊接。
[0038] 具体实施方式二:
[0039] 结合图2，它是基于脉冲协调铝合金直流等离子-交流钨极氩弧复合焊接装置实施方式，本实施方式由等离子弧焊电源1、等离子焊枪13、钨极氩弧电源8、钨极氩弧焊枪10、高频引弧器2和7、电流信号检测器3、信号处理器4 (PLC或单片机)、信号控制器6，控制系统5、电容9、电感15、送丝机16等组成。焊接时，钨极氩弧焊枪10和填充焊丝17既可放置于等离子焊枪13的前后两侧，也可放置于等离子焊枪13的左右两侧，共同组成等离子-钨极氩弧复合焊接头。焊接过程中，通过电流信号检测器3检测流经等离子弧的电流脉冲，经过信号处理器4和控制器6，来调节钨极氩弧的电流脉冲，进而调节钨极氩弧的氧化膜清理程度，通过改变等离子弧峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，在保证铝合金表面氧化膜的清理的同时，又可实现铝合金的直流穿孔等离子弧焊接。在钨极氩弧焊支路中串联电容9的作用是防止等离子弧支路中的直流进入到钨极氩弧焊支路中，在等离子弧支路中串联电感15的目的是防止交流钨极氩弧焊支路中的交流进入到等离子弧支路中来。
[0040] 基于本实施方式的等离子弧-钨极氩弧复合装置的焊接方法步骤如下:
[0041] 步骤1:将工件14的待焊部位根据需要加工成I形、Y形或V形坡口，接头形式可以为对接或搭接等多种形式，并对制成的焊接坡口及其两侧表面进行打磨和清洗。
[0042] 步骤2:焊接时，根据需要可以采用填充焊丝，也可不采用填充焊丝。如采用填充焊丝17，钨极氩弧焊枪10和填充焊丝17既可放置于等离子焊枪的前后两侧，也可放置于等离子焊枪13的左右两侧，共同组成等离子-钨极氩弧复合焊接头，钨极氩弧焊枪10及填充焊丝17与等离子弧轴线之间的夹角为25° -75。，等离子焊枪13可以垂直于待焊工件14，也可于待焊工件14之间存在一定的夹角。
[0043] 步骤3:设定焊接工艺参数，直流脉冲等离子弧基值电流为10-100A，峰值电流为50-500A，脉冲频率为10-500HZ，离子气流量在0.5-3.0L/min之间，脉冲氩弧焊基值电流为5-50A,峰值电流为20-200A，脉冲频率与等离子弧频率一致，保护气流量1.0_15L/min，钨极直径为0.8-6.0mm，焊接速度为10-150cm/min。等离子钨极内缩量为0.5-3.0mm，氩弧焊钨极11距工件14为2.0-7.0mm，等离子喷嘴12距工件14间距为1.0-8.0mm，氩弧焊钨极与等离子喷嘴间距为2-10mm ;填充焊丝直径为0.8-2.0mm,送丝速度为1.0-10m/min。
[0044] 步骤4:开启两焊接电源1，8，启动高频引弧器2，引燃等离子弧，再启动高频引弧器7引燃钨极氩弧。
[0045] 步骤5:焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法，即经电流信号检测器3检测在直流等离子弧电流处于脉冲基值维弧时，经信号处理器触发脉冲信号控制器6，调节钨极氩弧电流为负半波峰值进行铝合金14表面氧化膜的清理；当等离子弧电流为脉冲峰值焊接阶段时，通过脉冲信号控制器6调节钨极氩弧电流处于脉冲基值输出，如此反复。可通过调节钨极氩弧峰值脉冲电流时间与幅值，控制铝合金14表面氧化膜清理程度，通过改变等离子弧峰值脉冲时间与幅值来控制焊缝成形，在保证铝合金14表面氧化膜的清理的同时，又可实现铝合金14的直流穿孔等离子弧焊接。
