一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法
阅读说明：本技术 一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法 (Bypass coupling three-wire indirect electric arc welding method with controllable electric arc space structure ) 是由 胡成辉 王杏华 吴艳明 张金田 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法,将两根边丝、主丝和母材分别与两台弧焊电源相连,两台弧焊电源分别为旁路电源和主路电源,两条边丝同时与旁路电源的负极相连,主丝同时与两台弧焊电源的正极相连,母材与主路电源负极相连;采用镜像对称式的排布方式对两根边丝和主丝进行排布,主丝位于坡口中间位置,两根边丝分别位于主丝的两侧,并关于主丝轴线所在竖直面镜像对称；调整主丝和两根边丝端部的相对位置,两根边丝端部位置处于同一水平线上；在保证较高焊丝熔敷率的条件下,实现对母材热输入及电弧能量分布状态的控制,最终实现中厚板窄间隙坡口的高质量高效率焊接。(A bypass coupling three-wire indirect electric arc welding method with controllable electric arc space structure is characterized in that two side wires, a main wire and a base metal are respectively connected with two arc welding power supplies, the two arc welding power supplies are respectively a bypass power supply and a main circuit power supply, the two side wires are simultaneously connected with the negative electrode of the bypass power supply, the main wire is simultaneously connected with the positive electrodes of the two arc welding power supplies, and the base metal is connected with the negative electrode of the main circuit power supply; adjusting the relative positions of the main wire and the end parts of the two side wires, wherein the end parts of the two side wires are positioned on the same horizontal line; under the condition of ensuring higher welding wire deposition rate, the control of the heat input of the base metal and the distribution state of the electric arc energy is realized, and finally the high-quality and high-efficiency welding of the narrow-gap groove of the medium plate is realized.)
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体说的是一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法。
背景技术
中厚板在船舶、建筑、机械制造以及压力容器等行业中的应用非常普遍，而对于其焊接主要采用手工电弧焊、半自动熔化极气体保护焊或埋弧自动焊等传统弧焊技术，焊接效率低，劳动强度大，作业环境恶劣；同时，钢板总热输入量较高，焊接残余应力及焊接变形量较大。随着大型结构件的广泛应用，这些问题也将愈加凸出。因此，传统焊接技术焊接效率低和焊接总热输入大，难以满足当今社会的需求。
为了提高传统焊接技术的焊接效率，主要采用以下三种途径：一是增大熔敷率（即提高送丝速度），如T.I.M.E焊、缆式焊丝电弧焊等，虽然提高了焊丝熔敷率，但由于焊接电流增大，易造成焊接接头力学性能下降等问题。二是采用窄间隙焊接工艺，通过减小焊接坡口尺寸降低焊缝金属填充量，虽然提高了焊接效率，但由于坡口间隙较小，易造成“侧壁起弧”，电弧稳定性差；同时，电弧大部分热量作用于坡口底部而作用于坡口侧壁的热量较少，易造成侧壁未熔合缺陷。三是采用旁路耦合电弧焊的方法，其原理示意图如图1所示，通过引入旁路，从主路分走一部分电流，进而使流经母材的电流低于总焊接电流，在降低母材热输入的同时提高了焊丝熔敷率。但该方法的电弧形态对称性差，导致电弧作用区域宽度小，大量熔融金属铺展不开，产生焊接未熔合问题。当旁路电流与主路电流相等，母材中无电流通过时，电弧建立于焊丝之间，便形成了间接电弧，其原理示意图如图2所示。相比于旁路耦合电弧焊，其对母材的热输入更小，焊丝熔敷率更高，但由于母材中无电流通过，过小热输入易导致未熔合缺陷；而当通过增大电流提高母材热输入时，会导致间接电弧分散，无法保证焊接过程的稳定性。
针对以上问题，专利CN107838536A提出了“一种双熔化极-TIG电弧复合焊接技术”，通过在双丝间接电弧前端特定的距离添加TIG电弧，利用TIG电弧改善双丝间接电弧热输入不足的问题，在提高焊丝熔覆率的同时保证了母材充足的热输入，但电流增大时间接电弧分散的问题依然没有改善。
专利CN104772552A提出了“一种三丝气体保护间接电弧焊接方法、装置、堆焊方法及窄间隙焊接方法”，其原理示意图如图3所示，在双丝间接电弧的基础上再引入一个间接电弧，不但改善了双丝间接电弧母材热输入不足的问题，而且形成的两个间接电弧耦合在一起，提高了电弧的稳定性并增加了焊接参数的可调范围；另外，通过调整三根焊丝的排布方式，拓展了电弧的宽度，改变了电弧能量分布状态，实现了窄间隙焊接时的侧壁熔合，但是由于三根焊丝必须相互接触才能起弧，电弧拓展的宽度因此受到限制，造成窄间隙焊接时的工艺参数极窄，同时由于母材中无电流通过，热输入不足造成的层间未熔合问题依然存在。
专利CN109079287A提出了“一种三丝气体保护间接电弧焊方法、装置及其应用”，通过改变电源连接方式以及采用镜像对称式的焊丝排布方式，在优化磁场分布空间的同时获得了形态集中的间接电弧，虽然间接电弧能量密度大幅提高，但其宽度减小，不利于窄间隙焊接时的侧壁熔合。
基于以上焊接方法存在的缺陷及其产生的原因，有必要提出一种新型高效的焊接方法解决以上问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法，解决间接电弧母材热输入的不足以及旁路耦合电弧作用范围窄的问题，在保证较高焊丝熔敷率的条件下，实现对母材热输入及电弧能量分布状态的控制，最终实现中厚板窄间隙坡口的高质量高效率焊接。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法，将两根边丝、主丝和母材分别与两台弧焊电源相连，两台弧焊电源分别为旁路电源和主路电源，两条边丝同时与旁路电源的负极相连，主丝同时与两台弧焊电源的正极相连，母材与主路电源负极相连;
母材采用Ⅰ型坡口，坡口间隙为9-12mm，并以坡口长度方向为焊接方向；
采用镜像对称式的排布方式对两根边丝和主丝进行排布，主丝位于坡口中间位置，两根边丝分别位于主丝的两侧，并关于主丝轴线所在竖直面镜像对称；在视线与焊接方向垂直时，主丝和边丝之间的夹角保持在15°-90°，在视线与焊接方平行时，主丝、边丝及坡口侧壁之间相互平行;
调整主丝和两根边丝端部的相对位置，两根边丝端部位置处于同一水平线上；在视线与焊接方向垂直时，两根边丝端部和主丝端部的之间的相对长度保持在0-5mm；在视线与焊接方向平行时，两边丝端部与主丝端部之间的宽度间距保持在0-2mm。
主丝直径为1.2-1.6mm，两条边丝直径为0.8-1.2mm。
主路电源首先输出，待建立于主丝和母材之间的传统电弧稳定后旁路电源进行输出，以传统电弧空间的等离子体为导电通道，实现主丝和两边丝之间的非接触起弧，此时，向两侧偏转的两间接电弧被分别建立，由于对两边丝端部和主丝端部之间的相对长度和宽度间距的控制，实现两间接电弧宽度可调，高度可控，传统电弧和两间接电弧耦合在一起获得向两侧偏转的宽度可调、高度可控的旁路耦合三丝间接电弧。
流经主丝的电流控制在150-450A，流经边丝的电流大小相等且单根边丝电流控制在50-200A，流经母材的电流为流经主丝电流与流经边丝总电流之差；主丝由单独的送丝机送出并且送丝速度控制在3-13m/min，焊接速度控制在0.2-1.5m/min；焊接时所采用的保护气为CO2或CO2和Ar的混合气并由主丝焊枪送出，气体流量控制在10-30L/min。
本发明有益效果是：
（1）实现对母材热输入和焊丝熔覆率的匹配控制。本发明提出的旁路耦合三丝间接电弧焊的方法，通过对主路电源和旁路电源的控制，实现对流经母材电流大小和两边丝电流大小的调控，进一步地，实现对母材热输入和焊丝熔敷率的匹配控制，在保证较高焊丝熔敷率的条件下，解决了间接电弧热输入不足导致焊接未熔合的难题。
（2）实现对电弧能量分布空间的控制。区别于其他焊接方法，本发明提出的旁路耦合三丝间接电弧焊方法，以传统电弧空间的等离子体为导电通道，实现主丝和两边丝之间的非接触起弧，向两侧偏转的两间接电弧被分别建立，而焊丝采用镜像对称式的排布方式，根据需要调整两边丝端部与主丝端部之间的相对长度和宽度间距，实现对电弧在宽度和高度方向的控制，获得向两侧偏转的宽度可调、高度可控的旁路耦合三丝间接电弧，，从而实现对电弧能量分布空间的控制。
（3）可实现中厚板材的高质量高效率窄间隙焊接。焊接时，建立于主丝与边丝之间的传统电弧确保了底部母材的熔化，而通过调整主丝端部和边丝端部之间的相对长度和宽度间距获得的宽度可调、高度可控的向两侧偏转的间接电弧以及间接电弧与母材没有形成通路的特性，在避免“侧壁起弧”的条件下，保证了窄间隙坡口侧壁的熔合，从而实现中厚板的高质量高效率焊接。
附图说明
图1为现有技术中旁路耦合电弧焊原理示意图；
图2为现有技术中双丝间接电弧焊原理示意图；
图3为现有技术中三丝间接电弧焊原理示意图；
图4为本发明旁路耦合三丝间接电弧焊原理示意图；
图5为本发明旁路耦合三丝间接电弧焊焊丝分布示意图；
图6为本发明中旁路耦合三丝间接电弧焊实施例焊接示意图；
图中：1、旁路电源；2、主路电源；3、主丝；4、第一边丝，5、第二边丝；6、母材；7、衬板。
具体实施方式
一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法，将间接电弧和传统电弧进行耦合，通过间接电弧提高焊丝熔敷率，通过传统电弧控制母材热输入，实现了焊丝熔敷率和母材热输入的匹配控制，在此基础上，通过调整两边丝端部与主丝端部之间的相对位置实现了电弧空间结构位置的调控。充分发挥间接电弧高焊丝熔敷率、不与母材起弧的工艺特点以及耦合后的电弧空间结构位置可调的技术优点，实现中厚板窄间隙坡口的高质量高效率焊接。
将第一边丝4、第二边丝5、主丝3和母材分别与两台电源相连，如图4所示，第一边丝4和第二边丝5同时与一台弧焊电源（旁路电源1）的负极相连，而母材6与另外一台弧焊电源（主路电源2）的负极相连，主丝3同时与旁路电源1和主路电源2的正极相连。其技术优点是，流经第一边丝4、第二边丝5的电流大小相等且由旁路电源1控制，流经母材的电流大小由主路电源2控制，实现了焊丝熔敷率和母材热输入的匹配控制。
采用镜像对称式的焊丝排布方式对三根焊丝进行排布（见图5），主丝位于中间位置，两边丝位于主丝的两侧并与主丝轴线所在竖直面镜像对称；在视线与焊接方向垂直时，主丝和边丝之间的夹角保持在15°-90°，在视线与焊接方平行时，主丝、边丝及坡口侧壁之间相互平行。另外，主丝直径为1.2-1.6mm，边丝直径为0.8-1.2mm。
基于镜像对称式的焊丝排布方式，调整主丝和边丝端部的相对位置，两边丝端部位置处于同一水平线上；在视线与焊接方向垂直时，两边丝端部和主丝端部的距离保持在0-5mm；在视线与焊接方向平行时，两边丝端部与主丝端部的距离保持在0-2mm。通过调整主丝和边丝端部之间的相对长度和宽度间距，对电弧空间结构位置进行调控，实现对电弧能量分布空间的控制。
主路电源首先输出，待建立于主丝和母材之间的传统电弧稳定后旁路电源进行输出，此时向两侧偏转的间接电弧分别在主丝和两边丝之间建立，进一步地，传统电弧和两间接电弧耦合在一起形成向两侧偏转的宽度可调、高度可控的旁路耦合三丝间接电弧。
母材采用Ⅰ型坡口，坡口间隙为9-12mm（见图6），以坡口长度方向为焊接方向进行窄间隙焊接。焊接时，充足热量的传统电弧作用于焊缝底部，向两侧偏转的宽度可调高度可控的间接电弧作用于坡口侧壁，既解决了间接电弧焊接时的层间未熔合问题，又避免了“侧壁起弧”问题，可实现窄间隙高质量高效率焊接。
流经主丝的电流控制在150-450A，流经边丝的电流大小相等且单根边丝电流控制在50-200A，流经母材的电流为流经主丝电流与流经边丝总电流之差；主丝由单独的送丝机送出并且送丝速度控制在3-13m/min，焊接速度控制在0.2-1.5m/min；焊接时所采用的保护气为CO2或CO2和Ar的混合气并由主丝焊枪送出，气体流量控制在10-30L/min。
本发明的特点为：采用主路电源的两极分别与主丝和母材相连、旁路电源的两极分别与主丝和两边丝相连的方式，通过调控主路电源和旁路电源分别控制流经母材和边丝的电流大小，实现对母材热输入和焊丝熔敷率的匹配控制；采用主路电源首先输出，待建立于主丝和母材之间的传统电弧稳定后旁路电源输出，以传统电弧空间的等离子体为导电通道，实现主丝和两边丝之间的非接触起弧，同时提高了间接电弧的起弧稳定性；采用镜像对称式的焊丝排布方式，通过调整主丝端部和边丝端部之间的相对长度和宽度间距，实现对电弧在宽度和高度方向的控制，获得向两侧偏转的宽度可调、高度可控的旁路耦合三丝间接电弧，进一步地，实现对电弧能量分布空间的控制；窄间隙焊接时，建立于主丝与母材之间的传统电弧用于确保底部母材的熔化，而宽度可调、高度可控的向两侧偏转的间接电弧保障了坡口侧壁熔合，最终实现中厚板窄间隙的高质高效焊接。
实施例1
采用本发明所述的一种电弧空间结构可控的旁路耦合三丝间接电弧焊方法进行窄间隙焊接。母材为300×150×30mm（长×宽×高）的Q235钢板，焊丝采用ER50-6，其中主丝直径为1.6mm，边丝直径为1.2mm，焊接保护气体为Ar+20%CO2并由主丝焊枪送出，气流流量为15-20L/min；焊缝坡口形式采用Ⅰ型坡口，坡口间隙为10mm。具体焊接过程如下：
步骤1，焊接前，将所述三根焊丝和母材6分别与两台电源相连，其中，所述两边丝同时与旁路电源1的负极相连，而母材6与主路电源2的负极相连，所述主丝3则同时与两台电源的正极相连。
步骤2，焊接前，采用镜像对称式的焊丝排布方式对三根焊丝进行排布，在视线与焊接方向垂直时，主丝与焊接方向垂直，主丝与边丝之间的夹角为30°，与水平方向之间的夹角为90°；在视线与焊接方平行时，主丝和边丝之间相互平行。
步骤3，调整主丝和边丝端部的相对位置，两边丝端部处于同一水平线上；在视线与焊接方向垂直时，两边丝端部和主丝端部的距离保持在2mm；在视线与焊接方向平行时，两边丝端部与主丝端部的距离保持在1mm。调整焊枪的位置，使主丝位于坡口间隙中间位置，主丝3端部与衬板7接触。
步骤4，焊接时，主路电源首先输出，待其稳定后旁路电源输出。
步骤5，调整焊接工艺参数，其中，流经主丝的电流控制在320-360A，流经边丝的电流大小相等且单根边丝电流控制在100-130A，流经母材的电流为流经主丝电流与流经边丝总电流之差，焊接速度控制在0.5-0.65m/min，焊接层数为6层。完成后对其进行金相检测，层间及侧壁熔合良好，满足技术要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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