一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法

摘要

本发明涉及一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法，属于焊接方法技术领域；它通过焊接控制系统建立穿透电弧，基于充气装置、抽气装置使空心管状电极内腔及其下方电弧中心处于高压或者负压状态，增大穿透电弧径向上的压力梯度，提高电弧挺直度；通过对电弧中心高压值/负压值及其焊接工艺参数的调节，对气流导向电弧的挺直度、能量密度进行调节，实现对母材热输入的良好控制；该焊接方法在传统等离子弧和TIG电弧的基础上建立穿透电弧，辅以气流导向性，可显著增加焊接熔深，提高中厚板焊接质量，实现高效优质焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法，属于焊接方法技术 领域。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，焊接技术作为一种不可替代的重要加工工艺，深 入到汽车、机械制造、军事、航天及民用日常生活等各个领域，并发挥着越来越 重要的作用。虽然随着金属之间连接形式的增多，出现了激光焊、搅拌摩擦焊、 电子束焊等新型的焊接技术，但是电弧焊仍被认为是可实现金属间可靠连接的较 为经济的连接方式。怎样提高其焊接生产率，怎样提高其焊接质量，怎样实现其 焊接生产自动化，已受到越来越多的关注。

非熔化极气体保护焊作为电弧焊的一个重要分支，因其焊接质量高而得到广 泛应用，钨极氩弧焊和等离子弧焊接作为非熔化极气体保护焊的典型分支，在机 械制造、航空航天等领域的应用日益广泛。钨极氩弧焊具有保护效果好、电弧稳 定、焊件变形小、焊缝成形美观等优点，但是熔敷速度小，生产率较低，仅适用 于较薄板的焊接。等离子弧是阴阳两极间的自由电弧因受到喷嘴的机械压缩、热 压缩和电磁压缩作用而形成的高温、高电离度、高能量密度的压缩电弧，等离子 弧焊接具有焊接变形小、生产效率高、缺陷少等优点。

现代工业逐渐向大型化发展，实现中厚板、大厚板结构的焊接日益受到关注。 目前对于厚板的焊接多采用大坡口、多层多道MAG/MIG焊或者埋弧焊的方式进 行焊接，但是这不仅增加了焊接工作量，增加了焊材消耗和焊接成本，降低了生 产效率，而且热输入量大、热影响区宽、晶粒粗大，降低了接头力学性能。等离 子弧焊虽可实现厚板的焊接，但是由于厚度的原因会是小孔失稳的倾向加剧，在 板厚达到一定程度的时候也无法实现穿透焊。

单电源双面电弧焊接工艺是美国肯塔基大学的张裕明教授于1998年提出的 一种不同于常规的组合焊接方法，此法采用一台焊接电源共给两套焊枪。此法具 有增加熔深、焊后工件变形小、焊接缺陷少、焊接接头微观性能和力学性能好等 优点，可实现中等厚度板不开坡口直接对接焊。因此如何增加电弧在板厚方向上 的穿透力并实现稳定焊接，成为实现厚板焊接高速高效焊接的瓶颈。

为了解决上述问题，本发明提出一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方 法，

发明内容

本发明的目的在于克服现有焊接方法的上述不足，进一步提高厚板焊接中电 弧穿透力，实现厚板的高速高效焊接，提供了一种气流导向非熔化极气体保护焊 焊接方法。该方法操作简单，能够适应多种焊接环境，在基本不改变现有设备的 情况下，成为兼具等离子弧、TIG电弧和单电源双面电弧优势的双态电弧，显著 提高电弧穿透力，对焊接热输入和焊缝成形进行控制，实现厚板的高速高效焊接。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种气流导向非熔化极气体保 护焊焊接方法，包含两种形式，具体如下。

一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于：等离子焊枪(2) 与TIG焊枪A(5)分别位于工件(4)两侧，等离子焊枪(2)与TIG焊枪A(5) 的轴线垂直工件(4)并同时连在同一焊接电源及其控制系统(1)上，在穿透电 弧(7)建立后，通过抽气装置对TIG焊枪A中的空心管状电极A(6)的空心 管内进行抽气处理，在空心管状电极A的空心管内和空心管外尖端形成稳定负 压状态，增加电弧挺度和能量密度。

所用装置，包括：等离子焊枪(2)、TIG焊枪A(5)、焊接电源及其控制系 统(1)、控制器(20)、连接接头A(8)、阀门A(10)、压力释放装置A(15)、 抽气装置(17)；等离子焊枪(2)和TIG焊枪A(5)分别位于工件(4)两侧， 等离子焊枪(2)与TIG焊枪A(5)的轴线均垂直工件(4)并且两者轴线在同 一直线上，等离子焊枪(2)的电极与TIG焊枪A(5)的空心管状电极A(6) 经由控制器(20)连在同一焊接电源及其控制系统(1)上，控制器(20)还与 工件(4)连接；空心管状电极A(6)的后端通过连接接头A(8)及阀门A(10) 依次与压力释放装置A(15)、抽气装置(17)连接，构成气流通路，在压力释 放装置A(15)上还设有压强显示装置A(12)。

另一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，TIG焊枪B(21) 与TIG焊枪A(5)分别位于工件(4)两侧，TIG焊枪A中的空心管状电极A (6)和TIG焊枪B中的空心管状电极B(22)连在同一焊接电源及其控制系统 (1)上，在穿透电弧(7)建立后，对TIG焊枪A中的空心管状电极A(6)的 空心管内进行抽气处理，使得在空心管状电极A的空心管内和空心管外尖端形 成稳定负压状态，增加电弧挺度和能量密度；同时通过充气装置对TIG焊枪B 中的空心管状电极B(22)的空心管内进行充气处理，使得在空心管状电极B 的空心管内和空心管外尖端形成稳定高压状态；或只对其中一个空心管状电极进 行负压或高压处理，借助气流导向作用增加电弧挺度和能量密度。

所用装置，包括：TIG焊枪B(21)、TIG焊枪A(5)、焊接电源及其控制 系统(1)、控制器(20)、连接接头A(8)、阀门A(10)、压力释放装置A(15)、 抽气装置(17)、连接接头B(23)、阀门B(25)、充气装置(27)、压力释放装 置B(29)；TIG焊枪B(21)和TIG焊枪A(5)分别位于工件(4)两侧，TIG 焊枪B(21)中的空心管状电极B(22)和TIG焊枪A(5)中的空心管状电极 A(6)轴线在同一直线上且均垂直工件(4)，且TIG焊枪B(21)中的空心管 状电极B(22)和TIG焊枪A(5)中的空心管状电极A(6)通过控制装置(20) 连在同一焊接电源及其控制系统(1)上，控制装置(20)还与工件(4)连接； 空心管状电极A(6)的后端通过连接接头A(8)及阀门A(10)依次与压力释 放装置A(15)、抽气装置(17)连接，构成气流通路，在压力释放装置A(15) 上还设有压强显示装置A(12)。空心管状电极B(21)的后端通过连接接头B (23)及阀门B(25)依次与压力释放装置B(29)、充气装置(27)连接，构 成气流通路，在压力释放装置B(29)上还设有压强显示装置B(32)。

本发明焊接过程中，通过调节电弧中心的压强状态及工艺参数，可以调节焊 接电弧的能量密度和电弧挺度，从而调节焊接热输入和控制焊缝成形，并实现大 厚度工件的焊接。

本发明焊接过程中，所述的焊接电源可为直流电源也可为变极性电源。

所述的充气装置中的气体均为惰性气体。

其包括：TIG焊枪，其内装有空心管状电极；等离子焊枪；

抽气装置，其与焊枪内的空心管状电极相连通，使空心管状电极的内腔及其 尖端的电弧中心形成稳定的负压区域；

充气装置，其与其与焊枪内的空心管状电极相连通，使空心管状电极的内腔 及其尖端的电弧中心形成稳定的高压区域。

本发明中包括压力释放装置、阀门、压强显示装置和气体管路，其中所述的 压力释放装置用以连通所述抽气装置/所述充气装置和所述空心管状电极，所述 的阀门位于连通所述压力释放装置和所述空心管状电极的管路上，所述压强显示 装置与所述压力释放装置相连，以显示其内的压强，所述的气体管路用以连通气 流通路。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下：

1)与传统的等离子焊接方法相比，本发明的优势就是可显著增加等离子电 弧的穿透能力，实现厚板焊接的单面焊双面成形。

2)与传统钨极氩弧焊焊接方法相比，本发明不仅使电弧具有良好稳定性， 而且增加了传统电弧的穿透能力，增加了焊接熔深，有助于实现厚板焊接的单面 焊双面成形。

3)本方法通过电弧中心处压力值的调节，可以调节双面电弧的电弧穿透能 力，使用现有的等离子焊接电源和钨极氩弧焊电源，实现厚板的高效高速焊接。

附图说明

图1为阀门启动前气流导向PAW-GTAW焊的工作示意图。

图2为阀门启动后气流导向PAW-GTAW焊的工作示意图。

图3为阀门启动前气流导向GTAW-GTAW焊的工作示意图。

图4为阀门启动后气流导向GTAW-GTAW焊的工作示意图。

图中：1、焊接电源及其控制系统，2、等离子焊枪，3、钨极，4、工件，5、 TIG焊枪A，6、空心管状电极A，7、穿透电弧，8、连接接头A，9、导气管 路A，10、阀门A，11、导气管路B，12、压强显示装置A，13、导气管路C， 14、导气管路D，15、压力释放装置A，16、导气管路E，17、抽气装置，18、 焊接电缆A，19、焊接电缆B，20、控制器，21、TIG焊枪B，22、空心管状电 极B，23、连接接头B，24、导气管路E，25、阀门B，26、导气管路F，27、 充气装置，28、导气管路G，29、压力释放装置B，30、导气管路H，31、导气 管路I，32、压强显示装置B。

具体实施方式

以下参考附图具体的说明本发明的实施方式。但本发明并不限于以下实施 例。

如图1所示为阀门启动前气流导向PAW-GTAW双面焊的工作示意图，如图 2所示为阀门启动后气流导向PAW-GTAW双面焊的工作示意图，如图3所示为 阀门启动前气流导向GTAW-GTAW双面焊的工作示意图，如图4所示为阀门启 动后气流导向GTAW-GTAW双面焊的工作示意图。

结合图1和图2、图3和图4对此焊接方法的具体实施方式进行详细的说明：

图1和图2为该焊接方法的实施方式之一。如图所示，该气流导向非熔化极 气体保护焊焊接装置主要包括焊接电源及其控制系统1、等离子焊枪2、钨极3、 工件4、TIG焊枪A5、空心管状电极A6、焊接电弧7、连接接头A8、阀门A10、 压强显示装置A12、压力释放装置A15、抽气装置17、焊接电缆A18、焊接电 缆B19，控制器20；等离子焊枪2和TIG焊枪A5分别置于被焊工件4两侧，并 且两焊枪轴线垂直于被焊工件4，保持三者在同一直线上，根据工件的厚度调节 焊接参数及电弧负压值；其中抽气装置15——导气管路E16——压力释放装置 A15——导气管路D14——导气管路B11——阀门A10——导气管路A9——连接 接头A8——空心管状电极A6构成气体管路；压强显示装置A12与压力释放装 置A15相连通；其中焊接电源及其控制系统1——焊接电缆A18——控制器20 ——TIG焊枪A5——等离子焊枪2——焊接电缆B19——焊接电源及其控制系统 1构成电气回路；与该焊接方法有关焊枪所需的水路和气路连接方式采用常规的 解法。所以不再具体进行说明。

此焊接方法包括以下步骤：

步骤1.将焊枪的气路水路按常规方法进行正确连接；将被焊工件准备就绪， 依板厚开坡口或者不开坡口；将等离子焊枪、TIG焊枪A、工件和送丝装置均连 接到与焊接电源及控制系统构成的回路中，其中两焊枪的轴线垂直工件4，确保 控制器能够进行互锁控制；确保抽气装置17、压力释放装置A15、阀门A10、 连接接头A8、空心管状电极A6及辅助的导气管路建立的气路正确连通，确保 阀门A10处于关闭状态下；启动抽气装置17，对压力释放装置A15进行抽气降 压处理，并随时对压强显示装置12的数值进行观察以监测压力释放装置A15内 的压强，直到预设的负压值。

步骤2.将焊接电源、等离子焊枪、TIG焊枪的回路接通，将TIG焊枪的空 心管状电极A6接触工件，建立正常的、稳定的等离子电弧并通过接触起弧的方 式建立稳定的TIG电弧。

步骤3.待电弧穿透工件并建立稳定穿透电弧后，建立空心管状电极的负压 环境，启动阀门A10，使建立的气路导通，空心管状电极处于负压状态，几毫秒 后，在大气压的压缩作用下，等离子焊枪2和TIG焊枪A5之间的穿透电弧挺度 加大、拘束度加大，穿透电弧7从图1中的形态变为图2中的形态。

焊接过程中，通过改变焊接工艺参数如电流、气流量、弧高等，及压力释放 装置A15的压强值，对穿透电弧7的穿透力进行调整，实现厚板的焊接。

该焊接方法的实施方式之二，焊接电源采用交流电源，其具体操作步骤为：

步骤1和步骤2均与上述相同。只是在步骤3的后面加上如下的操作：当建 立负压环境后的穿透电弧稳定后，当等离子焊枪2接正时，控制器20的开关连 通①方向，使焊接电源及控制系统1、等离子焊枪2、工件4构成回路对工件4 进行阴极清理作用，同时TIG电弧熄灭；当等离子焊枪2接负时，控制器20的 开关连通②方向，使焊接电源及控制系统1、等离子焊枪2、TIG焊枪A5构成 回路对工件4进行焊接。

图3和图4为该焊接方法的实施方式之三。如图所示，该气流导向非熔化极 气体保护焊焊接装置主要包括焊接电源及其控制系统1、工件4、TIG焊枪A5、 空心管状电极A6、穿透电弧7、连接接头A8、阀门A10、压强显示装置A12、 压力释放装置A15、抽气装置17、焊接电缆A18、焊接电缆B19、控制器20、 TIG焊枪B21、空心管状电极B22、连接接头B23、阀门B25、充气装置27、压 力释放装置B29、压强显示装置B32；TIG焊枪B21和TIG焊枪A5分别置于被 焊工件4两侧，并且两焊枪轴线垂直于被焊工件4，保持三者在同一直线上，根 据工件的厚度调节焊接参数及电弧负/高压值；其中抽气装置15——导气管路 E16——压力释放装置A15——导气管路D14——导气管路B11——阀门A10— —导气管路A9——连接接头A8——空心管状电极6构成气体管路，充气装置 27——导气管路G28——压力释放装置B29——导气管路H30——导气管路F26 ——阀门B25——导气管路E24——连接接头B23——空心管状电极B22构成气 体管路；压强显示装置A12与压力释放装置A15、压力释放装置B29与压强显 示装置B32相连通；其中焊接电源及其控制系统1——焊接电缆A18——控制器 20——TIG焊枪A5——TIG焊枪B21——焊接电缆B19——焊接电源及其控制 系统1构成电气回路；与该焊接方法有关焊枪所需的水路和气路连接方式采用常 规的解法。所以不再具体进行说明。

此焊接方法包括以下步骤：

步骤1.将焊枪的气路水路按常规方法进行正确连接；将被焊工件准备就绪， 依板厚开坡口或者不开坡口；将TIG焊枪A、TIG焊枪B、工件和送丝装置均连 接到与焊接电源及控制系统构成的回路中，其中两焊枪的轴线垂直工件4，确保 控制器能够进行互锁控制；确保抽气装置17、压力释放装置A15、阀门A10、 连接接头A8、空心管状电极A6及辅助的导气管路建立的气路正确连通，确保 阀门A10处于关闭状态下；启动抽气装置17，对压力释放装置A15进行抽气降 压处理，并随时对压强显示装置A12的数值进行观察以监测压力释放装置A15 内的压强，直到预设的负压值；确保由充气装置27、压力释放装置B29、阀门 B25、连接接头B23、空心管状电极B22及辅助的导气管路建立的气路正确连通， 确保阀门B2510处于关闭状态下；启动充气装置27，对压力释放装置B29进行 充气升压处理，并随时对压强显示装置B32的数值进行观察以监测压力释放装 置B29内的压强，直到预设的压强值。

步骤2.将焊接电源、TIG焊枪A、TIG焊枪B的回路接通，将TIG焊枪 A5的空心管状电极A6接触工件，通过高频起弧的方式建立TIG焊枪B21与工 件4间的正常的、稳定的TIG电弧并通过接触起弧的方式建立TIG焊枪A5与工 件4间稳定的TIG电弧。

步骤3.待电弧穿透工件4并建立稳定穿透电弧7后，建立空心管状电极A6 的负压环境，启动阀门A10，使建立的气路导通，空心管状电极A6处于负压状 态，同时建立空心管状电极B22的高压环境，启动阀门B25，使建立的气路导通 向电弧内冲入气体，几毫秒后，在TIG焊枪A5和TIG焊枪B21之间建立新的 穿透电弧7，如图4所示，穿透电弧挺度加大、拘束度加大。

焊接过程中，通过改变焊接工艺参数如电流、气流量、弧高等，及两空心管 状电极的压强值，对穿透电弧7的穿透力进行调整，实现厚板的焊接。

该焊接方法的实施方式之四，若使用交流电源，其具体操作步骤为：

步骤1和步骤2均与上述相同。只是在步骤3的后面加上如下的操作：当建 立稳定穿透电弧后，当TIG焊枪B21接正时，控制器20的开关连通①方向，使 焊接电源及控制系统1、TIG焊枪B21、工件4构成回路对工件4进行阴极清理 作用，同时TIG焊枪A5侧的TIG电弧熄灭；当TIG焊枪B21接负时，控制器 20的开关连通②方向，使焊接电源及控制系统1、TIG焊枪B21、TIG焊枪A5 构成回路对工件4进行焊接。

上述的该焊接方法的实施方式三和实施方式四中，也可对其中一个空心管状 电极进行负压或高压处理，借助气流导向作用增加电弧挺度。

实施例1：

本实施例的一种气流导向非熔化极气体保护焊焊接方法，以PAW-GTAW方 式、选用直流电源为例，具体操作如下：

步骤1.焊接前，将待焊工件8mm厚铝合金板的待焊部位打磨、清洗后，将 其固定于焊接工装夹具上；按照图1所示，进行气路、水路、电路的连接，等离 子焊枪和TIG焊枪分别位于工件两侧，两焊枪的轴线垂直于工件并同时连在同 一焊接电源上；使得由抽气装置、压力释放装置、阀门、连接接头、空心管状电 极及辅助的导气管路建立的气路正确连通；阀门处于关闭状态下，启动抽气装置， 对压力释放装置进行抽气降压处理，通过对压强显示装置的数值观察使压力释放 装置内的压强达到预设的负压值0.03Mpa～0.08Mpa。

步骤2.进行工艺参数定：焊接电流100～180A，焊接速度0.1m/min，等离 子焊枪侧弧高4mm，TIG焊枪侧弧高3mm，保护气流量15L/min，离子气流量 3L/min。将控制器接通到②通路，TIG焊枪的空心管状电极接触工件，首先建立 正常的等离子电弧，其次通过接触起弧的方式，将TIG焊枪的空心管状电极逐 渐提起，建立稳定的TIG电弧。

步骤3.待电弧穿透工件并建立稳定穿透电弧后，建立空心管状电极的负压 环境，启动阀门，使建立的气路导通，空心管状电极处于负压状态，几毫秒后， 新的穿透电弧稳定，进行焊接，直至完成工件的焊接。

本实例获得的被焊工件与相同参数下不进行负压处理获得的工件相比，成型 更加优良。