立式双面双弧等离子对称焊接方法
阅读：837发布：2020-05-18
专利汇可以提供立式双面双弧等离子对称焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 焊接 加工领域，公开了一种立式双面双弧等离子对称焊接方法。具体是：将 工件 沿 焊缝 方向竖直放置，在工件正反两面两侧分别 水 平设置变极性等离子弧焊 焊枪 ，和 熔化 极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪。本发明带来的有益效果是： 电流 小，熔敷速度高， 电弧 燃烧稳定，可彻底消除未焊透 缺陷 ，最大限度地降低焊接 变形 ，有助于获得优质焊缝。，下面是立式双面双弧等离子对称焊接方法专利的具体信息内容。
1、一种立式双面双弧等离子对称焊接方法，其特征在于：将工件沿焊缝 方向竖直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置焊枪，两侧焊枪以相同的 速度沿焊缝方向运动，工件正面为变极性等离子弧焊焊枪，工件反面为熔化 极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪，熔化极惰性气体保 护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪在变极性等离子弧焊焊枪之下，二 者之间上下垂直距离保持一个熔池的长度；所述熔化极惰性气体保护焊焊枪 或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与变极性等离子弧焊焊枪采用单电源供电， 所述变极性等离子弧焊焊枪与电源正极连接，所述熔化极惰性气体保护焊焊 枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与电源负极连接。
2、如权利要求1所述的立式双面双弧等离子对称焊接方法，其特征在于： 所述变极性等离子弧焊焊枪配置脉动送丝装置。
技术领域
背景技术
近年来，随着航空航天、高压开关、高速铁路等工业的持续快速发展，大 量使用了铝及铝合金等有色金属，铝合金因其比重小、强度高等优点在这些 行业得到了广泛的应用。但由于铝合金焊接的敏感性，往往存在着检验工序 多、气孔率高、焊接变形大以及接头强度系数低(只达母材的0.6～0.8)等缺 点。
同时，伴随着产品、结构、材料、使用条件的多种多样，对焊接质量的要 求越来越高，焊接工作量逐渐上升。提高焊接生产效率和焊接质量，减少焊 接缺陷存在的高效焊接方法成为实际生产的迫切要求。目前，大量高效焊接 方法和不同焊接工艺的组合都已应用于各种不同生产的场合，提高焊接生产 效率，降低焊接成本。焊接生产效率，从某种角度上讲，主要是由单位时间 内填充金属的熔化量-熔敷速度来衡量的。但提高熔敷速度意味着热输入的增 加，对于采用单一电弧焊接而言，为了防止由于热输入增加而引起的焊接变 形，一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连 续、咬边等缺陷。
目前，针对10mm及其以下厚度铝合金，普遍采用的是熔化极惰性气体保 护焊(MIG)+非熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊接方法。一种方法是：即 先用脉冲MIG方法焊接，再用交流TIG法盖面；另一种方法是：采用大电流脉 冲MIG对外焊缝先焊接一道，然后把外焊缝进行打磨，内缝再用交流TIG方法 重熔。
另外，在高质量的厚大铝合金弧焊应用方面，较传统焊接工艺是：采用交 流TIG方法工艺开坡口进行多道焊接，由于铝合金焊接的敏感性，往往存在着 检验工序多、气孔率高、焊接变形大以及接头强度系数低(只达母材的0.6～0.8) 等缺点。
采用“自动MIG+TIG”方法，存在下列问题：
1)需要严格的焊前清理，并需要及时完成焊接。工序多、质量控制环节 多，对于较厚的板材必须先开坡口，加工费时费力；
2)焊缝过烧严重，接头强度明显低，并且焊缝区域易发脆。一旦有微小 的缺陷，长期工作就有裂纹产生；
3)工件变形严重。焊缝及热影响区明显塌陷，焊后需要校形，增加处理 工序；
4)焊缝宽度严重超标；
5)要焊接超过10mm厚度的铝合金，就需要更大的电流、更多道的焊接。 焊缝的质量和变形就存在更大的风险，生产周期也相对加长了。
6)综合效率低，不能满足大批量焊接生产需求。
目前，美国和世界航空航天领域已经逐步采用变极性等离子焊接工艺，对 厚大铝合金产品进行焊接。不用开坡口一次可以焊透16mm的铝合金(对某些 铝合金，若采用He或He+Ar气体，一次可以焊透25mm)。采用变极性等离子 弧焊工艺，由于能量集中、穿透力强、焊接热输入量低，所以热影响区的宽 度很窄并且不会产生过烧组织。对其进行X光探伤，所有焊缝均达到JB4730-94 I级标准。
由于穿孔型等离子弧立焊可实现中厚板的单面一次焊双面同时自由成形， 并且气孔和夹渣少，焊接变形小，生产率高，成本低，因而成为国外航空航 天工业中重大铝合金焊接产品的主要焊接方法。
铝合金穿孔型等离子弧焊在拥有能量密度高、加热范围小和穿透力大等优 点的同时，也存在焊缝成形稳定性(或再现性)差，焊接规范较窄，容易造 成造成起始处塌漏或形成切割。这是因为：
1)要保证铝合金熔池金属的良好流动性，就必须采用在焊件为负的反极 性期间内去除氧化膜的交流方法，但却会使钨极烧损严重，造成电弧 燃烧不稳定。
2)必须对交流等离子弧采取稳弧措施，这不仅增加设备的复杂程度，且 易产生双弧。
3)由于等离子弧对焊件背面的氧化膜几乎没有清理作用，因此，穿孔熔 池背面液态金属的流动会受到焊件背面氧化膜的影响，穿孔型变极性 等离子焊背面焊缝成形较正面差。
4)由于铝合金的比热容、热导率和熔解热大，使得为提高焊缝成形稳定 性而在焊接钢材时所采用的“一脉一孔”的低频脉冲穿孔型等离子弧焊 不能很好地应用于铝合金焊接。
同时，伴随着产品、结构、材料、使用条件的多种多样，对焊接质量的要 求越来越高，焊接工作量逐渐上升。提高焊接生产效率和焊接质量，减少焊 接缺陷存在的高效焊接方法成为实际生产的迫切要求。目前，大量高效焊接 方法和不同焊接工艺的组合都已应用于各种不同生产的场合，提高焊接生产 效率，降低焊接成本。焊接生产效率，从某种角度上讲，主要是由单位时间 内填充金属的熔化量-熔敷速度来衡量的。但提高熔敷速度意味着热输入的增 加，对于采用单一电弧焊接而言，为了防止由于热输入增加而引起的焊接变 形，一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连 续、咬边等缺陷。
目前，针对10mm及其以下厚度铝合金，普遍采用的是熔化极惰性气体保 护焊(MIG)+非熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊接方法。一种方法是：即 先用脉冲MIG方法焊接，再用交流TIG法盖面；另一种方法是：采用大电流脉 冲MIG对外焊缝先焊接一道，然后把外焊缝进行打磨，内缝再用交流TIG方法 重熔。
另外，在高质量的厚大铝合金弧焊应用方面，较传统焊接工艺是：采用交 流TIG方法工艺开坡口进行多道焊接，由于铝合金焊接的敏感性，往往存在着 检验工序多、气孔率高、焊接变形大以及接头强度系数低(只达母材的0.6～0.8) 等缺点。
采用“自动MIG+TIG”方法，存在下列问题：
1)需要严格的焊前清理，并需要及时完成焊接。工序多、质量控制环节 多，对于较厚的板材必须先开坡口，加工费时费力；
2)焊缝过烧严重，接头强度明显低，并且焊缝区域易发脆。一旦有微小 的缺陷，长期工作就有裂纹产生；
3)工件变形严重。焊缝及热影响区明显塌陷，焊后需要校形，增加处理 工序；
4)焊缝宽度严重超标；
5)要焊接超过10mm厚度的铝合金，就需要更大的电流、更多道的焊接。 焊缝的质量和变形就存在更大的风险，生产周期也相对加长了。
6)综合效率低，不能满足大批量焊接生产需求。
目前，美国和世界航空航天领域已经逐步采用变极性等离子焊接工艺，对 厚大铝合金产品进行焊接。不用开坡口一次可以焊透16mm的铝合金(对某些 铝合金，若采用He或He+Ar气体，一次可以焊透25mm)。采用变极性等离子 弧焊工艺，由于能量集中、穿透力强、焊接热输入量低，所以热影响区的宽 度很窄并且不会产生过烧组织。对其进行X光探伤，所有焊缝均达到JB4730-94 I级标准。
由于穿孔型等离子弧立焊可实现中厚板的单面一次焊双面同时自由成形， 并且气孔和夹渣少，焊接变形小，生产率高，成本低，因而成为国外航空航 天工业中重大铝合金焊接产品的主要焊接方法。
铝合金穿孔型等离子弧焊在拥有能量密度高、加热范围小和穿透力大等优 点的同时，也存在焊缝成形稳定性(或再现性)差，焊接规范较窄，容易造 成造成起始处塌漏或形成切割。这是因为：
1)要保证铝合金熔池金属的良好流动性，就必须采用在焊件为负的反极 性期间内去除氧化膜的交流方法，但却会使钨极烧损严重，造成电弧 燃烧不稳定。
2)必须对交流等离子弧采取稳弧措施，这不仅增加设备的复杂程度，且 易产生双弧。
3)由于等离子弧对焊件背面的氧化膜几乎没有清理作用，因此，穿孔熔 池背面液态金属的流动会受到焊件背面氧化膜的影响，穿孔型变极性 等离子焊背面焊缝成形较正面差。
4)由于铝合金的比热容、热导率和熔解热大，使得为提高焊缝成形稳定 性而在焊接钢材时所采用的“一脉一孔”的低频脉冲穿孔型等离子弧焊 不能很好地应用于铝合金焊接。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种焊接电流小、熔敷速度 高、电弧燃烧稳定、可彻底消除未焊透缺陷、最大限度地降低焊接变形的立 式双面双弧等离子对称焊接方法。
本发明是这样实现的：
一种立式双面双弧等离子对称焊接方法，具体是：将工件沿焊缝方向竖 直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置焊枪，两侧焊枪以相同的速度沿 焊缝方向运动，工件正面为变极性等离子弧焊(VPPAW)焊枪，工件反面为 熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊枪或非熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊枪， 熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪在变极性等离子 弧焊焊枪之下，二者之间上下垂直距离保持一个熔池的长度；所述熔化极惰 性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与变极性等离子弧焊焊枪 采用单电源供电，所述变极性等离子弧焊焊枪与电源正极连接，所述熔化极 惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与电源负极连接。
作为本发明的一种优选方案，所述变极性等离子弧焊焊枪配置脉动送丝 装置。
本发明提供的立式双面双弧等离子对称焊接方法：电流小，熔敷速度高， 电弧燃烧稳定，可彻底消除未焊透缺陷，最大限度地降低焊接变形，因而气 孔倾向比单TIG方法、MIG方法以及VPPAW方法都要小，因为等离子体的阴 极雾化清除了铝合金表面的氧化膜，并且将熔滴和熔池的前端与空气隔离， 因而有助于获得优质焊缝。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本实施例提供的立式双面双弧等离子对称焊接示意图。
本发明是这样实现的：
一种立式双面双弧等离子对称焊接方法，具体是：将工件沿焊缝方向竖 直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置焊枪，两侧焊枪以相同的速度沿 焊缝方向运动，工件正面为变极性等离子弧焊(VPPAW)焊枪，工件反面为 熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊枪或非熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊枪， 熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪在变极性等离子 弧焊焊枪之下，二者之间上下垂直距离保持一个熔池的长度；所述熔化极惰 性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与变极性等离子弧焊焊枪 采用单电源供电，所述变极性等离子弧焊焊枪与电源正极连接，所述熔化极 惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪与电源负极连接。
作为本发明的一种优选方案，所述变极性等离子弧焊焊枪配置脉动送丝 装置。
本发明提供的立式双面双弧等离子对称焊接方法：电流小，熔敷速度高， 电弧燃烧稳定，可彻底消除未焊透缺陷，最大限度地降低焊接变形，因而气 孔倾向比单TIG方法、MIG方法以及VPPAW方法都要小，因为等离子体的阴 极雾化清除了铝合金表面的氧化膜，并且将熔滴和熔池的前端与空气隔离， 因而有助于获得优质焊缝。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本实施例提供的立式双面双弧等离子对称焊接示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意 性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例提供的立式双面双弧等离子对称焊接方法，具体 是：
将工件1沿焊缝方向竖直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置焊枪， 两侧焊枪以相同的速度沿焊缝方向运动，工件正面4为变极性等离子弧焊 (VPPAW)焊枪2，工件反面5为熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊枪或非熔 化极惰性气体保护焊(MIG)焊枪3，熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极 惰性气体保护焊焊枪3在变极性等离子弧焊焊枪2之下，二者之间上下垂直距 离保持一个熔池6的长度，填充焊丝7设置在变极性等离子弧焊焊枪2上；所述 熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪3与变极性等离 子弧焊焊枪2采用单电源供电，所述变极性等离子弧焊焊枪2与电源正极连接， 所述熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪3与电源负 极连接。
从焊接工艺角度看，铝合金穿孔型等离子弧焊焊缝成形的稳定性主要取 决于四个方面：①由焊接电源和焊枪以及铝合金材料所决定的等离子弧性能； ②穿孔熔池金属的流动性；③反映穿孔熔池行为特征信号的提取；④焊缝成 形稳定性的控制。
本实施例中，在焊接时，利用电弧作用力和下方的TIG或MIG焊枪吹出的 惰性气体吹力形成一个向上的托力，并与熔池的表面张力对熔池起着支撑作 用，从而防止了熔池金属下淌，从而获得完美的焊缝；接口间隙大，焊接性 好，减小了夹渣和气孔倾向，同时提高了生产效率，节省了焊接材料；采用 单电源同时为VPPAW弧和TIG弧或MIG弧供电，两个电弧可以同时稳定燃烧， 在VPPAW和TIG或MIG电弧电流分配得当时，电弧非常稳定，VPPAW电弧作 为前导电弧，有预热作用，增加了焊接热输入，熔深也相应的增加，TIG或 MIG电弧形成所需的熔深，VPPAW电弧用于辅助堆焊层的补充合金化，它能 使堆焊金属获得细的结晶组织，且使强化的金属间化合物强化相分布均匀。
针对本发明提供的焊接方法，我们进行了对比试验，通过实验表明，在 相同的热输入条件下，对于立式双面双弧等离子对称焊接方法，在小孔形成 之后，焊件上的高温区域集中在电弧中心线附近，这是由于焊接电流直接沿 厚度方向上流过焊件，焊接电弧被导入小孔，电流分布比较集中，使电弧受 压缩的程度增加，从而补偿了等离子流穿透工件时的能量消耗，大大提高了 等离子弧的穿透能力。常规的VPPAW焊接时，在此条件下没有熔透，熔深较 浅，温度分布与立式双面变极性等离子焊接的情况有显著差异。
本实施例提供的焊接方法：
1)不用开坡口，如果剪板直线度满足要求，可以不用铣边和酸洗工序：
由于变极性等离子弧焊接的强大穿透能力，16mm以内的工件不需要开坡 口，目前的试验中，12mm的铝合金可以一次焊接完成，不需要盖面工序，如 果用户的剪板效果可以、对缝间隙小于母材厚度10％，则不用铣边；剪切后的 焊接边经过钢丝刷打磨、丙酮清理后可以直接焊接，不再需要酸洗工序，相 对TIG和MIG焊接工艺，变极性等离子对铝合金表面氧化膜不是非常敏感；
2)节省焊丝和电力成本：
一次穿透12mm的焊接电流只需要350安培，比TIG或MIG焊接需要的电流 小，而且，MIG或TIG要完成一个12mm开坡口的焊缝，需要浪费大量的焊丝；
3)节省人工和物流成本；
4)焊缝清理简单，容易得到一级焊缝质量：
剪切后的坡口经过简单的钢丝刷打磨和焊缝丙酮清理，就可以实施焊接， 目前所焊接的8mm和12mm厚铝合金筒体，全部为一级焊缝，变极性等离子 的小孔效应有助于杂质和气孔的析出，焊接质量容易稳定，原来的手工TIG焊 接工艺，只能保证70％的二级焊缝一次合格率；
5)速度高，双面成型，工件变形明显小：
变极性等离子采用高温、高聚能的等离子弧实施焊接，并且通过反面的TIG 过MIG焊接，相对于普通的等离子焊工艺，焊接速度高，能保证工件背面成 形美观，并保证100％焊透，对于传统的TIG和MIG焊接工艺而言，该焊接工 艺的能量密度高、热影响区小，因而焊接的多余热输入量少，从而保证工件 的变形最小；
6)降低对操作者的操作技能要求，提高生产效率；
7)减少对厚大铝合金的多道焊，增强接头强度：
在多道焊的情况下，铝合金焊缝及热影响区经过多次回火，接头强度明 显降低，采用VPPAW加背面TIG或MIG的方式一次焊透，有助于减少回火倾 向和热影响区的范围，明显提高铝合金焊接接头的强度。
为了使焊接过程更加自动化，使得焊接过程可控性更强，本实施例中可 在变极性等离子弧焊焊枪配置脉动送丝装置，将焊丝由送丝装置准确放入工 作位置。
如图1所示，本实施例提供的立式双面双弧等离子对称焊接方法，具体 是：
将工件1沿焊缝方向竖直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置焊枪， 两侧焊枪以相同的速度沿焊缝方向运动，工件正面4为变极性等离子弧焊 (VPPAW)焊枪2，工件反面5为熔化极惰性气体保护焊(TIG)焊枪或非熔 化极惰性气体保护焊(MIG)焊枪3，熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极 惰性气体保护焊焊枪3在变极性等离子弧焊焊枪2之下，二者之间上下垂直距 离保持一个熔池6的长度，填充焊丝7设置在变极性等离子弧焊焊枪2上；所述 熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪3与变极性等离 子弧焊焊枪2采用单电源供电，所述变极性等离子弧焊焊枪2与电源正极连接， 所述熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪3与电源负 极连接。
从焊接工艺角度看，铝合金穿孔型等离子弧焊焊缝成形的稳定性主要取 决于四个方面：①由焊接电源和焊枪以及铝合金材料所决定的等离子弧性能； ②穿孔熔池金属的流动性；③反映穿孔熔池行为特征信号的提取；④焊缝成 形稳定性的控制。
本实施例中，在焊接时，利用电弧作用力和下方的TIG或MIG焊枪吹出的 惰性气体吹力形成一个向上的托力，并与熔池的表面张力对熔池起着支撑作 用，从而防止了熔池金属下淌，从而获得完美的焊缝；接口间隙大，焊接性 好，减小了夹渣和气孔倾向，同时提高了生产效率，节省了焊接材料；采用 单电源同时为VPPAW弧和TIG弧或MIG弧供电，两个电弧可以同时稳定燃烧， 在VPPAW和TIG或MIG电弧电流分配得当时，电弧非常稳定，VPPAW电弧作 为前导电弧，有预热作用，增加了焊接热输入，熔深也相应的增加，TIG或 MIG电弧形成所需的熔深，VPPAW电弧用于辅助堆焊层的补充合金化，它能 使堆焊金属获得细的结晶组织，且使强化的金属间化合物强化相分布均匀。
针对本发明提供的焊接方法，我们进行了对比试验，通过实验表明，在 相同的热输入条件下，对于立式双面双弧等离子对称焊接方法，在小孔形成 之后，焊件上的高温区域集中在电弧中心线附近，这是由于焊接电流直接沿 厚度方向上流过焊件，焊接电弧被导入小孔，电流分布比较集中，使电弧受 压缩的程度增加，从而补偿了等离子流穿透工件时的能量消耗，大大提高了 等离子弧的穿透能力。常规的VPPAW焊接时，在此条件下没有熔透，熔深较 浅，温度分布与立式双面变极性等离子焊接的情况有显著差异。
本实施例提供的焊接方法：
1)不用开坡口，如果剪板直线度满足要求，可以不用铣边和酸洗工序：
由于变极性等离子弧焊接的强大穿透能力，16mm以内的工件不需要开坡 口，目前的试验中，12mm的铝合金可以一次焊接完成，不需要盖面工序，如 果用户的剪板效果可以、对缝间隙小于母材厚度10％，则不用铣边；剪切后的 焊接边经过钢丝刷打磨、丙酮清理后可以直接焊接，不再需要酸洗工序，相 对TIG和MIG焊接工艺，变极性等离子对铝合金表面氧化膜不是非常敏感；
2)节省焊丝和电力成本：
一次穿透12mm的焊接电流只需要350安培，比TIG或MIG焊接需要的电流 小，而且，MIG或TIG要完成一个12mm开坡口的焊缝，需要浪费大量的焊丝；
3)节省人工和物流成本；
4)焊缝清理简单，容易得到一级焊缝质量：
剪切后的坡口经过简单的钢丝刷打磨和焊缝丙酮清理，就可以实施焊接， 目前所焊接的8mm和12mm厚铝合金筒体，全部为一级焊缝，变极性等离子 的小孔效应有助于杂质和气孔的析出，焊接质量容易稳定，原来的手工TIG焊 接工艺，只能保证70％的二级焊缝一次合格率；
5)速度高，双面成型，工件变形明显小：
变极性等离子采用高温、高聚能的等离子弧实施焊接，并且通过反面的TIG 过MIG焊接，相对于普通的等离子焊工艺，焊接速度高，能保证工件背面成 形美观，并保证100％焊透，对于传统的TIG和MIG焊接工艺而言，该焊接工 艺的能量密度高、热影响区小，因而焊接的多余热输入量少，从而保证工件 的变形最小；
6)降低对操作者的操作技能要求，提高生产效率；
7)减少对厚大铝合金的多道焊，增强接头强度：
在多道焊的情况下，铝合金焊缝及热影响区经过多次回火，接头强度明 显降低，采用VPPAW加背面TIG或MIG的方式一次焊透，有助于减少回火倾 向和热影响区的范围，明显提高铝合金焊接接头的强度。
为了使焊接过程更加自动化，使得焊接过程可控性更强，本实施例中可 在变极性等离子弧焊焊枪配置脉动送丝装置，将焊丝由送丝装置准确放入工 作位置。
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