[发明专利]一种耦合电弧的短路过渡焊接系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耦合电弧的短路过渡焊接系统及其控制方法，属于焊接方法设备及自动化领域。

技术背景

航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展，极大地推动了焊接技术的发展，提高焊接生产效率和保证焊接质量的高效、优质、低耗的焊接方法成为实际生产的迫切要求。焊接作为一种重要的制造成形工艺，其效率的提高对企业总的生产率的提高有着举足轻重的影响。现代制造业为了增强市场竞争能力，对焊接生产加工的效率提出了越来越高的要求，提高焊接生产率的主要途径之一是大幅度提高焊接速度。采用高能密度焊接工艺技术(激光焊，电子束焊)，可以提高焊接速度和焊接生产率，但其工艺复杂，设备投资成本高，对工件的装配精度要求高，适应性差，难以大面积推广应用。另一方面，当焊接速度提高到一定程度时，不管是传统的焊接方法(钨极氢弧焊，熔化极气体保护电弧焊)，还是高能密度焊接技术(电子束焊和激光焊)，都会出现焊缝成形缺陷。例如，焊道咬边和驼峰焊道等，这是高速焊接面临的共性问题。如果对现有的电弧焊接工艺方法进行高效化改进，充分利用其高适应性的特点，同时避免高速焊时焊缝成形缺陷的产生，实现制造业焊接生产加工的低成本和高速度，无疑具有广阔的应用前景。这对于增强制造业的市场竞争能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。

已有研究结果证明，如果在焊接速度提高时能够保持单位长度上熔敷的焊丝金属量不变，同时要在焊丝和母材之间合理分配热量，保持母材熔深不变(即减少对母材的热输入），才能避免高速焊接焊缝成形缺陷的产生。这就是说，为了实现高速焊接，一方面要保证对母材的热输入不能过大，同时还要增大通过焊丝的焊接电流，这是一个矛盾。因为对于常规的熔化极气体保护电弧焊，通过焊丝的焊接电流就等于作用在母材上的焊接电流，如果要提高焊丝的熔化速度，就必然增加了对母材的热输入。因为无法解决这一矛盾，所以常规的熔化极气体保护电弧焊无法实现高速焊接的稳定性。

为了解决高速焊中的问题，国内外很多焊接工作者提出了许多耦合电弧的焊接法，并且有一些方法在实际生产中得到了较成功的应用。例如，美国肯塔基大学的张裕明老师为了对常规的熔化极气体保护电弧焊进行高效化改进，提出一种新型的电弧焊工艺DE-GMAW，该焊接工艺方法将一个GTAW焊枪与一个GMAW焊枪组合，GMAW焊枪与工件构成主路，GTAW焊枪构成旁路，使用一个电源进行控制输出。流经焊丝的焊接电流在电弧弧柱区分为两部分，一是旁路电流，二是施加到母材的电流。增大焊接电流时，作用于焊丝上的电流数值较高有利于提高焊丝的熔化速度，从而提高熔敷率。GTAW焊枪构成的旁路分流了一部分通过焊丝的焊接电流，在保证了熔敷率的同时，减小了作用于母材的热输入，很好地解决了上述矛盾。但该方法采用了一个电源进行控制，只能在旁路分流，不能使得旁路独立提供电源支持，而且分流后容易导致原来的电源动特性失稳。该方法过渡形式采用的自由过渡，在角焊的时候，焊接精度要求比较高，范围较小，而此时高电压下，电弧比较长，不易精确控制焊接熔池和范围，电弧波动比较大。在这种情况下工件始终处于焊接电弧的加热下，热输入量大，在很高的焊接速度下，熔池不能及时冷却，所以熔化态金属的长度比常规速度焊接时长得多，产生熔池失稳的可能性也大大提高。

山东大学和兰州理工大学也在DE-GMAW焊接方面做了一些研究，验证了该方法在提高焊接速度时，由于旁路分流的作用，母材上的热输入可以控制在一定水平，实现了良好的焊接成型效果。同时，兰州理工大学也进一步扩展研究和改进，提出采用双旁路耦合电弧MAG焊，是在常规的MAG焊枪两边分别增加一把TIG焊枪，通过旁路电极和焊丝之间产生的旁路电弧，分流一部分通过母材的电流，有效降低大电流焊接时的电弧压力和母材热输入，在一定的焊接规范下可以提高焊接速度，实现高速焊接的稳定性。

以上这些研究方法使用的电源是没有做改变的原始电源，所以当采用耦合电弧分流时，通用的电源无法适应分流带来的电源动特性改变，不能做出更有效的调整，不能实现稳定的短路过渡的形式，只能采用较为理想的射流过渡。

发明内容