雙電弧與冷絲脈沖復(fù)合焊接的三絲焊槍及焊接系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及焊接工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種雙電弧與冷絲脈沖復(fù)合焊接 三絲焊槍及焊接系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，航空航天、交通運(yùn)輸、海洋工程等工業(yè)的迅猛發(fā)展極大地推動了焊接技術(shù) 的進(jìn)步。產(chǎn)品、材料、使用條件的多樣性，對焊接效率和質(zhì)量的要求越來越高，如何用優(yōu)質(zhì)、 高效的焊接技術(shù)來滿足當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的需要是焊接工作者面臨的重要任務(wù)。因此提高焊接 生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量、實現(xiàn)焊接自動化生產(chǎn)、減少焊接缺陷成為實際生產(chǎn)的迫切要求。
[0003] 國外主要以德國、日本、奧地利、瑞士等公司為首已經(jīng)在多根焊絲配以單個或多個 電源方面開展了大量的研宄工作，主要開發(fā)Tandem、Twin Arc焊接工藝、T. I. M. E焊接工 藝、Rapid-Melt焊接工藝、Consumable double-electrode GMAW焊接工藝等，在提高焊接生 產(chǎn)速度和金屬熔敷率方面取得了一些實用性的成果。國內(nèi)也先后由山東大學(xué)、蘭州理工大 學(xué)、天津大學(xué)等開展了各種雙絲焊高效焊接技術(shù)，并先后研發(fā)了雙絲間接電弧氬弧焊、雙絲 旁路耦合電弧高效MIG焊、高效雙絲MIG/MAG脈沖焊等技術(shù)。
[0004] 目前開展的有關(guān)雙絲MIG/MAG焊的研宄已經(jīng)日趨成熟，眾所周知，穩(wěn)定的雙絲焊 可以在一定程度上提高焊接效率，改善焊接質(zhì)量，那么如何在雙絲焊的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實現(xiàn) 焊接效率的提高是我們最為關(guān)心的問題?？紤]到雙絲焊是基于兩電弧耦合的方式，是一種 多電弧焊接方法。多電弧焊接方法的基本出發(fā)點是在保持焊接熱輸入基本不變的情況下， 通過多路電弧的耦合作用提高焊接效率。
[0005] 目前針對三絲焊的研宄主要集中在焊接工藝研宄和數(shù)值模擬研宄，其中有關(guān)焊接 工藝方面的研宄總結(jié)如下。
[0006] (1)三熔化極MAG高速焊
[0007] 在造船及橋梁建造上，角焊縫扮演了重要的角色。尤其在造船業(yè)，水平角焊縫的長 度占總體焊縫長度約70%，因此如何同時保證焊接效率和焊接質(zhì)量顯得尤為重要。目前共 恪池的雙絲焊工藝被廣泛應(yīng)用于角焊縫的焊接中，其最大焊接速度可達(dá)I. 5m/min。兩對電 極并列安置在腹板兩側(cè)，且每對電極形成共同的熔池，目前當(dāng)焊速達(dá)I. 2-1. 3m/min時可獲 得滿意的角焊縫成形。為了進(jìn)一步提高最大焊接速度，因此必須相應(yīng)地增加焊接電流，但 當(dāng)焊接電流達(dá)到500A時，電弧干擾嚴(yán)重，降低了熔池的穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊縫成形變差，飛濺增 加。
[0008] 為了解決上述工藝難點，日本的神戶制鋼造船廠在傳統(tǒng)的雙絲焊接工藝基礎(chǔ)上， 采用雙明弧加熱填絲的三絲焊接工藝。通過降低由焊接電流增加引起的電弧干擾以及電弧 偏吹，進(jìn)而保證焊縫成形。三絲MAG焊的系統(tǒng)示意圖如圖2所示，填充焊絲作為第三根電極 添加在引導(dǎo)焊絲和跟隨焊絲之間，引導(dǎo)弧與跟隨弧設(shè)計成一直線，可以作相對的偏移微調(diào)， 并各有轉(zhuǎn)動軸。引導(dǎo)和跟隨焊絲極性為DCEP，而中間的填充焊絲采用DEEN，填充焊絲上電 流產(chǎn)生的磁場降低了引導(dǎo)焊絲和跟隨焊絲之間的電弧干擾，此外，填充焊絲起到冷卻熔池 的作用，增加了熔池內(nèi)流體的粘度，進(jìn)而提高了熔池的穩(wěn)定性。焊后氣孔較少，焊縫成形良 好。三絲MAG焊時，即使焊接速度達(dá)2. Om/min，所形成的熔池比雙絲焊時更為穩(wěn)定，因此可 以獲取好的焊縫成形及抗氣孔能力。
[0009] 但是焊接時三根焊絲由三臺獨(dú)立的焊接電源控制，獨(dú)立處在三個焊槍中，實際上 是三個熔化極電弧的簡單疊加，電弧與電弧之間無法實現(xiàn)通信，存在電弧可控性差，難以精 確控制三根焊絲的熔化及熔滴過渡的問題，此外由于采用電流相位控制，當(dāng)焊絲距離較近 時，三根焊絲獨(dú)立供電會因電磁力形成相互干擾。
[0010] (2)輔助冷絲埋弧焊（ICEtm)
[0011] 在2012年第十七屆北京埃森焊接與切割展覽會上，伊薩公司提出了全新的輔助 冷絲埋弧焊工藝（ICE?)。它是在兩根平行的熱絲中間插入一根冷絲，利用熱絲多余的熱量 來熔化冷絲。它是伊薩焊接與切割設(shè)備有限公司在埋弧焊領(lǐng)域的最新突破性技術(shù)發(fā)展，能 夠大幅度提高生產(chǎn)效率，增加焊接速度，降低焊劑消耗，降低熱輸入量和變形，節(jié)能，更高效 率打底，更平滑蓋面。
[0012] ICE焊槍中間的冷絲電氣上絕緣，從兩根導(dǎo)電的熱絲中間平行穿入。冷絲由一個獨(dú) 立的送絲機(jī)送絲，冷絲送絲速度可以獨(dú)立控制。而兩根熱絲由一個直流電機(jī)驅(qū)動以相同速 度送絲。冷絲送絲速度由PEK控制和調(diào)節(jié)，并按照熱絲送絲速度的百分比來設(shè)定。當(dāng)設(shè)定 焊接參數(shù)時，只有一個額外的參數(shù)需設(shè)置，即冷絲送絲速度百分比。ICE?具有以下7個最 突出的優(yōu)點：
[0013] 1.增加熔敷率。ICE?相對于單絲埋弧焊可以增加 100%的熔敷率，相對于單弧雙 絲埋弧焊可以增加 50 %的熔敷率。
[0014] 2.增加焊接速度。更高的熔敷率和更好的焊接穩(wěn)定性意味著可以使用更高的焊接 速度。
[0015] 3.降低熱輸入量和變形。在同樣的熔敷率或者同樣的焊接速度的前提下，ICE?可 以降低熱輸入量。對于容易變形的薄板和對熱輸入量敏感的材料，這是一個非常重要的優(yōu) 點。ICE?特別適合船廠的板拼接生產(chǎn)線以降低焊接變形。
[0016] 4.高效率打底。使用前置單絲與ICE?復(fù)合焊可以實現(xiàn)高效率打底。一般前絲使 用4mm焊絲直流反接，ICE?焊槍使用交流進(jìn)行焊接。
[0017] 5.平滑蓋面。使用ICE?比傳統(tǒng)埋弧焊更容易實現(xiàn)平滑蓋面。因為可以只調(diào)節(jié)冷 絲送絲速度來調(diào)節(jié)余高，它不會改變熱輸入量，熔深以及機(jī)械性能。
[0018] 6.節(jié)能。ICE?使用額外的熱量來熔化更多的焊絲，減少了能量消耗和能源費(fèi)用。 與單絲埋弧焊相比，ICE?可節(jié)約能源約50%。與單弧雙絲埋弧焊相比，ICE ?可節(jié)約能源約 33%〇
[0019] 該項技術(shù)被金屬加工雜志社評為2012年焊接與切割行業(yè)十大創(chuàng)新技術(shù)。但是該 焊接方法不適用較小焊接參數(shù)。因中間焊絲不導(dǎo)電，在較小焊接參數(shù)下，另兩條焊絲產(chǎn)熱量 較小，則冷絲不易熔化，導(dǎo)致形成焊縫缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種雙電弧與冷絲脈沖復(fù)合焊接三絲焊 槍，在雙電弧中加入冷絲，既提高焊接效率（焊接熔敷率），又能通過冷絲的加入起到鎮(zhèn)定 熔池（增加熔池粘度），降低熱輸入的作用，且將兩根焊絲以及一根冷絲集成在一把焊槍 中，實際焊接時僅用一把焊槍，操作簡單便捷。
[0021] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，還提供了一種雙電弧與冷絲脈沖復(fù)合焊接系統(tǒng) 及方法，采用脈沖電流進(jìn)行焊接，其加熱方式不同于普通直流焊接，周期性的脈沖電流可以 對熔池金屬產(chǎn)生震蕩作用，增強(qiáng)對熔池的攪拌作用，從而細(xì)化晶粒，提高焊縫韌性，改善焊 縫性能。
[0022] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0023] 雙電弧與冷絲脈沖復(fù)合焊接三絲焊槍，包括焊槍主體、第一引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管、第一 引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電嘴、第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管、第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電嘴、冷絲導(dǎo)電管、冷絲導(dǎo)電嘴、第 一引導(dǎo)焊絲（即附圖中的引導(dǎo)焊絲1)、第二引導(dǎo)焊絲（即附圖中的引導(dǎo)焊絲2)以及冷絲， 所述焊槍主體內(nèi)設(shè)置有所述第一引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管、所述第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管以及所述冷絲 導(dǎo)電管，所述第一引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管與所述第一引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電嘴相連，所述第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo) 電管與所述第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電嘴相連，所述導(dǎo)電管內(nèi)設(shè)置有焊絲，所述冷絲導(dǎo)電管與所述 冷絲導(dǎo)電嘴相連，所述第一引導(dǎo)焊絲設(shè)置在所述第一引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管內(nèi)，所述第二引導(dǎo)焊 絲設(shè)置在所述第二引導(dǎo)焊絲導(dǎo)電管內(nèi)，所述冷絲設(shè)置在所述冷絲導(dǎo)電管內(nèi)，所述冷絲導(dǎo)電 管與所述第一引導(dǎo)焊絲以及所述第二引導(dǎo)焊絲在工件表面的投影點為等邊三角形的三個 頂點，所述第一引導(dǎo)焊絲與所述第二引導(dǎo)焊絲在工件表面的投影點之間的距離為l〇_15mm， 所述冷絲導(dǎo)電管、所