TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法

摘要

本发明提供一种在不同熔滴过渡模式下，通过电阻热或电弧产热对焊丝进行加热，提高焊丝熔覆效率的TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法。所述的TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备，它是由主TIG电源、TIG主焊枪、导丝嘴、副TIG电源、送丝装置和工件组成的，主TIG电源分别连接TIG主焊枪和工件，主TIG电源、TIG主焊枪、主焊接电弧和工件构成主焊接回路；焊接方法是在常规钨极氩弧焊系统中引入副TIG电源，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，焊接过程中通过改变副TIG电源电流的大小形成不同的熔滴过渡方式。本发明设备简单、成本低，便于在工业生产中推广。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及焊接技术，具体说就是一种TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法。

(二)背景技术

钨极氩弧焊由于保护气对电弧及熔池的可靠保护完全排除了氧、氮、氢等杂质气体对焊接金属的侵害，焊接电弧极为稳定，能够实现高品质焊接，获得优良的焊缝。但由于钨极电流承载能力的限制，电弧功率受到制约，导致焊接速度低，生产效率不高。

热丝TIG焊接方法是在普通TIG焊的基础上对焊丝进行预热，以提高焊接热输入量，增加熔化速度，从而提高焊接速度。其原理是将焊丝加热到一定温度后再送入焊接熔池之中，从而获得高的熔敷速度。此外，焊丝经过预热表面得以净化，使得焊缝质量更为优良。从焊缝热输入量的角度看，焊丝预热的能量和焊接电弧的能量分别独立控制，焊接熔敷速度的提高与焊缝热输入量的增加没有直接的关系，即在不提高热输入的条件下，提高焊接熔敷速度，使焊丝熔化速度增加。在相同电流的情况下，焊接速度可提高一倍以上。同常规TIG焊相比，热丝TIG焊明显提高了熔敷速度、焊接速度，适合于焊接中等厚度的焊接结构，同时又具有TIG焊高质量焊缝的特点。同MIG焊相比，其熔敷速度相差不大，但是热丝TIG焊的送丝速度独立于焊接电流，因此能够更好地控制焊缝成形，对于开坡口的焊缝，其侧壁熔合性比MIG焊好得多。目前热丝TIG焊的方法有以下两种：

1、电感加热利用电感加热设备，在焊丝表面近层产生高密度的涡流，从而加热焊丝，其加热效率高，速度快，温度可控性好，无磁偏吹效应。但对于有色金属加热温度受到一定限制，适用于铝合金等低熔点焊丝。对于铜合金焊丝熔点高，散热快，加热电源需要很高的功率才能够达到工艺要求的预热温度，因而该方法具有一定的局限性。

2、电弧加热通过引入小功率TIG焊枪，在焊丝和钨极之间产生热丝电弧，利用热丝电弧，实现对焊丝的加热，特别适合于具有低电阻率，高熔点，高导热系数等特征的焊丝，如铜合金焊丝。但由于采用TIG电弧加热，其能量密度非常高，对于导热系数较低的材料容易出现焊丝送进前发生熔化，破坏正常的焊接送丝过程。

以上两种方法在对于电阻率较高、导热系数较低的材料如纯铁等的热丝效果不理想，极大地限制了焊接材料在高效率TIG焊接中的应用，如何扩大焊丝的选材范围并实现高品质和高效率焊接的结合已成为了拓展TIG焊接在工业生产中应用的关键，尤其在某些特种领域表现更为突出，如纯铁弹带的高品质高效率的堆焊。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在不同熔滴过渡模式下，通过电阻热或电弧产热对焊丝进行加热，提高焊丝熔覆效率的TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法。

本发明的目的是这样实现的：所述的TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备，它是由主TIG电源、TIG主焊枪、导丝嘴、副TIG电源、送丝装置和工件组成的，主TIG电源分别连接TIG主焊枪和工件，主TIG电源、TIG主焊枪、主焊接电弧和工件构成主焊接回路；副TIG电源分别连接导丝嘴和工件，导丝嘴内部穿入由送丝装置送来的焊丝，导丝嘴、副TIG电源、工件和焊接熔池构成热丝回路，送丝装置和工件绝缘。

由TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备实现的焊接方法是：在常规钨极氩弧焊系统中引入副TIG电源，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，焊接过程中通过改变副TIG电源电流的大小形成不同的熔滴过渡方式，使得焊丝在电阻热或电弧热或二者共存的条件下被加热，采用副TIG电源辅助加热焊丝，主TIG电源和副TIG电源可均为直流电源或均为交流电源，或一个TIG电源为直流电源另一个TIG电源为交流，焊丝选材电阻率较大的金属材料，焊丝熔点可高于或低于工件基体的熔点，副TIG电源采取直流正接，通过调节副TIG电源和主TIG电源电流的大小，使双TIG热源形成良好匹配，同时，改变焊丝的送丝位置，改变热丝的方式和熔滴的过渡形式，副TIG电源电流较小时，焊丝与工件基体上熔融金属保持短路状态，热丝回路产生电阻热对焊丝进行加热，熔滴过渡依靠主电弧熔断；主TIG电源电流较大时，提高焊丝送进位置，在焊丝端部与工件之间形成辅助电弧，辅助电弧的产热对焊丝端部加热形成熔滴，在重力、电弧力及较低主电弧热量下形成颗粒过渡；副TIG电源电流介于上述两种情况之间时，焊丝发生短路时在主电弧作用下熔断，焊丝端部与工件基体之间产生辅助电弧，由于熔化速度低于送丝速度，接着又发生短路，如此反复发生燃弧、短路、熔断的过程。

本发明一种TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备及方法，相对于传统的TIG堆焊技术，具有如下显著效果：在不同熔滴过渡模式下，通过电阻热或电弧产热对焊丝进行加热，显著提高了焊丝的熔覆效率，使生产效率提高，解决了传统TIG堆焊生产效率上的不足，实现了钨极氩弧焊的高品质和高效率的结合；改变了采用TIG电弧堆焊过程中基体上的热输入量明显高于焊丝熔化热的热源分布特征，双TIG复合热源的热量分布向焊丝端部集中，大量的热量用于熔化焊丝，减小了工件基体金属的熔化量，这对于异种材料的堆焊具有重要意义。同时，还可以应用于焊丝熔点高于基体金属熔点的堆焊；采用双TIG电弧复合热源，缓解了钨极的电流承载能力，提高了钨极的使用寿命和生产效率；进一步提高了焊接质量，在辅助电弧焊接模式下，熔滴过渡的区域更大，使得焊丝熔化产生的杂质气体更加容易析出，减少了焊缝中产生气孔的倾向，熔敷率较高时，同时降低了裂纹倾向；本发明设备简单、成本低，便于在工业生产中推广。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的焊丝与熔敷金属短路示意图；

图3为本发明的热丝电弧起弧示意图；

图4为本发明的复合热源熔化焊丝示意图；

图5为本发明的形成颗粒过渡示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备，它是由主TIG电源、TIG主焊枪、导丝嘴、副TIG电源、送丝装置和工件组成的，其特征在于：主TIG电源分别连接TIG主焊枪和工件，主TIG电源、TIG主焊枪、主焊接电弧和工件构成主焊接回路；副TIG电源分别连接导丝嘴和工件，导丝嘴内部穿入由送丝装置送来的焊丝，导丝嘴、副TIG电源、工件和焊接熔池构成热丝回路，送丝装置和工件绝缘。

由TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接设备实现的焊接方法是：在常规钨极氩弧焊系统中引入副TIG电源，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，焊接过程中通过改变副TIG电源电流的大小形成不同的熔滴过渡方式，使得焊丝在电阻热或电弧热或二者共存的条件下被加热，采用副TIG电源辅助加热焊丝，主TIG电源和副TIG电源可均为直流电源或均为交流电源，或一个TIG电源为直流电源另一个TIG电源为交流，焊丝选材电阻率较大的金属材料，焊丝熔点可高于或低于工件基体的熔点，副TIG电源采取直流正接，通过调节副TIG电源和主TIG电源电流的大小，使双TIG热源形成良好匹配，同时，改变焊丝的送丝位置，改变热丝的方式和熔滴的过渡形式，副TIG电源电流较小时，焊丝与工件基体上熔融金属保持短路状态，热丝回路产生电阻热对焊丝进行加热，熔滴过渡依靠主电弧熔断；主TIG电源电流较大时，提高焊丝送进位置，在焊丝端部与工件之间形成辅助电弧，辅助电弧的产热对焊丝端部加热形成熔滴，在重力、电弧力及较低主电弧热量下形成颗粒过渡；副TIG电源电流介于上述两种情况之间时，焊丝发生短路时在主电弧作用下熔断，焊丝端部与工件基体之间产生辅助电弧，由于熔化速度低于送丝速度，接着又发生短路，如此反复发生燃弧、短路、熔断的过程。

实施例2：结合图1-图5，本发明是基于传统钨极氩弧焊焊接效率低，钨极承载电流的能力有限，限制其在大厚板及堆焊领域应用的问题，提出了一种双TIG复合电源作用下的热丝焊接技术。利用辅助TIG电源产生的电阻热或电弧热加热焊丝从而从整体上提高焊接热输入弥补钨极氩弧焊由于钨极承载能力有限所导致的热输入方面的限制；同时，采用双TIG复合电源，缓解了对TIG电源的功率容量要求，提高了钨极的使用寿命，提高了生产效率。由于复合热源的热量向焊丝端部集中，减少了基体金属的热输入，可降低堆焊过程中基体金属的溶解量，对于异种难焊材料之间的焊接具有明显的优势。TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接方法是在采用钨极氩弧焊的同时，在送给的焊丝上通以一定大小的辅助电流，在副TIG电源-焊丝-工件三者之间形成导电回路，通过改变辅助电流的大小和焊丝端部送丝的位置，在焊丝内部产生电阻热或在焊丝与工件之间产生辅助电弧，该热源与主TIG电弧的热量复合形成双TIG复合热源，复合热源的热量分布向焊丝端部集中，焊丝端部较大范围被加热，从而形成TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接。

所述副TIG电源提供的辅助电流通过如下方法设置：选用导电性好的材料如铜合金加工送丝嘴，首先，使焊丝与工件之间绝缘；然后，将副TIG电源的正负极分别接在送丝嘴和工件上，焊丝与工件间产生辅助电弧。通过调节焊接工艺参数和辅助电流值的大小，达到主TIG电源提供的焊接电流与副TIG电源提供的辅助电流合理匹配，使熔滴过渡表现为以下三种过渡模式：1、辅助电流较小时，焊丝与工件上熔池中的熔敷金属发生物理接触，形成短路，辅助电流通过焊丝时产生电阻热，对焊丝进行预热，焊丝被主电弧热量连续熔化，在电弧力及电磁搅拌作用下直接与熔池金属混合；2、辅助电流较大时，适当提高焊丝的送进位置，在焊丝与工件之间引燃辅助电弧，焊丝端部在电弧热的作用下被加热，在熔滴重力、电弧力及较低主电弧能量作用下形成平稳的颗粒过渡；3、辅助电流介于1和2两种模式之间，适当调整焊丝的送进位置，焊丝端部先与熔敷金属发生短路，在较高的主电弧能量下将焊丝端部熔断，在工件和焊丝之间引燃电弧，形成部分颗粒过渡，随着时间延长，熔化速率较低，焊丝与熔敷金属即将发生短路前被主电弧熔化，如此反复进行，焊丝在电阻热和电弧所产热的作用下被加热。副TIG电源电极位置有两种设计方案：1、电极位于钨极前方(沿焊接方向上)，对工件有一定程度的预热作用；2、电极位于钨极后方，对焊缝有一定的焊后热处理的作用。

TIG电源辅助的双TIG复合热源焊接新技术的设备包括工作台、夹具、主副钨极氩弧焊机、焊枪、送丝装置，送丝装置与工件之间绝缘，主钨极氩弧焊机-焊枪-工件-工作台之间形成主焊接回路，副钨极氩弧焊电源-送丝装置-工件-工作台之间形成的热丝回路，热丝回路中接工件的电极包括钨极前后两种接法，分别起到焊前预热和焊后热处理的作用。

实施例3：结合图1-图5，本发明在钨极氩弧焊系统中引入了副TIG电源，首先使送丝装置及焊丝与工件绝缘，将副TIG电源的两电极分别接在送丝嘴和工件上，形成导电回路，如图1所示。焊接过程开始时，接通焊接主回路，引燃主弧对工件预热1～2s，接着通过送丝装置送进焊丝，当焊丝端部距离工件5～8mm时接通热丝回路，在主弧所产生的电弧等离子体的作用下，焊丝端部与工件之间易于点燃辅助电弧，在电弧产热的作用下，焊丝端部熔化并形成熔滴，随着熔滴的长大，辅助电弧对焊丝加热作用逐渐减小，由于焊丝与熔滴之间表面张力的作用，熔滴悬挂在焊丝端部，焊丝熔化速率低于焊丝送进速率，辅助电弧的弧长不断减小，焊丝端部的熔滴在主电弧中心区域被熔断，焊丝以大熔滴的方式过渡到基体金属上，接下来熔滴的过渡方式主要有以下三种过渡模式：

一、辅助电流较小时，在基体上熔敷金属达到期望高度时，焊丝端部与基体金属发生短路，由于采用具有陡降特性的TIG电源，辅助电流不变，不会产生如熔化极气体保护焊中短路过渡时的连桥爆断的现象，熔滴过渡主要通过主电弧的热作用将送进的焊丝持续熔断，如图2所示，此种短路状态始终保持。

二、辅助电流较大时，适当提高焊丝的送进位置，焊丝端部与熔敷金属发生短路时，此时热丝回路在焊丝上产生较高的电阻热，焊丝在较小的主电弧热量作用下即可发生熔化，使得焊丝在主电弧较大区域内即被主电弧热量熔断，并在焊丝端部与工件之间形成辅助电弧，如图3所示，由于焊丝电阻热的作用，在较小的主电弧热量下焊丝端部即发生熔化并形成熔滴悬挂，如图4所示，随着电阻热丝、电弧继续加热和焊丝的进给，焊丝熔化速度与送进速度相当，辅助电弧弧长减小不明显，当熔滴尺寸增大到一定程度时，在熔滴重力、电弧力及较低的主弧热量作用下，熔滴以细小颗粒的形式过渡到熔敷金属上，辅助电弧继续在新形成的焊丝端部与工件之间燃烧，如此形成类似熔化极气体保护焊的颗粒过渡状态，如图5所示。由于熔滴过渡所需的热量较小，过渡容易，整个过程平稳无飞溅，对焊接效率的提高及焊接质量均产生了积极地影响。

三、当辅助电流数值位于以上两种过渡方式对应的电流之间时，焊丝首先与基体上熔敷金属发生短路，由于相对较大的电阻热丝作用，使得焊丝上较大长度范围内的焊丝被主电弧的热量熔化，同时，由于主电弧空间大量等离子体的存在，又在焊丝端部与工件之间引燃辅助电弧，随着热量的积累，辅助电弧的长度减小，在焊丝端部与熔融金属发生短路前，焊丝端部的熔滴被焊丝熔断，形成颗粒过渡。此时，熔滴的过渡方式主要是主电弧熔断焊丝，而区别于方式第二种重力及电弧力作用下的过渡模式。

以上三种过渡方式均导致焊丝的熔化效率明显高出传统TIG焊接效率，对焊接生产效率的提高和降低成本有明显的优势。

同时，热丝回路中辅助电流作用下，使得焊丝及部分基体被加热，在该种过渡方式下，辅助电流通过焊丝产生电阻热对焊丝进行加热，使得焊丝熔化所需要的主弧热量降低，从而增加了熔敷效率。同时，辅助电流通过基体金属时，若热丝回路中工件上电极接线位置在钨极的前方，辅助电流通过工件产生的电阻热对基体金属具有预热作用，接线位置位于钨极后方时，对焊缝有焊后热处理的作用。

本发明的应用领域：用于低碳钢、合金钢、特种钢、不锈钢等黑色金属的焊接；用于开破口或不开破口的对接、搭接、交接、T型接头；用于直焊缝、环焊缝或空间曲线焊缝的焊接；本发明特别适用于在低熔点基体表面堆敷高熔点的金属，可解决低熔点基体易发生熔化的问题，解决了低熔点基体上堆敷高熔点金属的困难，同时可提高熔敷效率，提高生产效率，降低钨极损耗，降低焊接成本，辅助电弧作用下还能提高焊缝质量。

一种利用本发明的实际焊接参数：

工件基体为口径为60mm，厚度为15mm的35CrMnSi钢炮弹，焊丝为纯铁，进行弹带堆焊，主TIG电源输出电流为250A，辅助电流为40～60A，辅助电压为20V左右，送丝速度为3m/min，采用以上新技术在炮弹的表面获得了优质的纯铁弹带。

确定焊接规范的原则是：应综合考虑焊接结构的形式、性能、尺寸，并与焊接工艺参数进行合理匹配，根据实际焊接对象和材料对主要焊接工艺参数进行优化，同时考虑焊丝的承载能力，对热丝回路和主焊接回路进行合理的能量分配和组合，可保证获得较高的生产效率和优质的焊接接头。