一種應(yīng)用脈沖tig電弧輔助mig焊接的裝置及采用該裝置實現(xiàn)的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]熔化極氣體保護焊(GMAW)是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一。GMAW焊接效率高，易于自動化。但是相比于GTAW(鎢極氬弧焊)，由于GMAW恪滴過渡現(xiàn)象對焊接電弧和熔池的擾動，電弧穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量均不如GTAW。同時傳統(tǒng)GMAW過程無法在過低的焊接電流下獲得穩(wěn)定的熔滴過渡，其可用焊接電流范圍也因此受到限制。這些問題限制了GMAW在現(xiàn)代制造業(yè)精密焊接中的應(yīng)用，尤其是薄板精密構(gòu)件的焊接。因此提高GMAW焊接質(zhì)量的關(guān)鍵在于控制其熔滴過渡。
[0003]以控制熔滴過渡為直接手段，以減小焊接飛濺，降低熱輸入，提升GMAW穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的要求為應(yīng)用目的，國內(nèi)外焊接工作者進行了大量的研究。其中，通過特定方式引入輔助外力來增強熔滴過渡，開發(fā)了一些先進的GMAW焊接工藝。
[0004]ColdMetalTransfer (CMT)是奧地利Fronius公司應(yīng)用振動送絲開發(fā)的新型焊接工藝。燃弧期間焊絲持續(xù)向前送進，當(dāng)熔滴接觸到熔池時回抽焊絲，拉斷短路液橋，使液態(tài)熔滴過渡到熔池。重新建立電弧以后，再送進焊絲直至下一次短路發(fā)生。CMT可以在小電流調(diào)節(jié)下獲得穩(wěn)定的短路過渡。一個熔滴過渡周期內(nèi)冷熱循環(huán)交替，燃弧時間比例不高，電弧熱輸入低，從而實現(xiàn)了低熱輸入、幾乎無飛濺的GMAW過程。該方法應(yīng)用廣泛，但設(shè)備成本較高。
[0005]脈沖高壓氣流控制。該方法通過電磁閥開關(guān)作用將高壓儲氣室中的氣體以脈沖形式導(dǎo)入保護氣噴咀，以瞬時高壓氣流對熔滴形成促進其過渡的附加沖擊力。但這種附加力僅在熔滴直徑顯著大于焊絲直徑時才有明顯的作用，因此適用于銅及其它某些低熔點輕金屬的焊接。
[0006]哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖捃采用脈沖激光照射熔滴產(chǎn)生蒸發(fā)反沖力促進熔滴過渡，在小電流區(qū)間內(nèi)乃至任意燃弧電流下獲得穩(wěn)定可控的射滴過渡或細顆粒過渡，從根本上提高小電流GMAW過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量，擴展GMAW可焊電流區(qū)間和應(yīng)用范圍。但該方法需要同時搭載焊接系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和熔滴過渡實時圖像采集和檢測系統(tǒng)，設(shè)備復(fù)雜不易實現(xiàn)。
[0007]此外，國內(nèi)外學(xué)者針對電磁場輔助GMAW焊接進行了研究。結(jié)果表明，磁場對熔滴過渡的促進作用很有限，其主要作用和優(yōu)勢所在仍然是依靠電磁攪拌作用來細化晶粒，改善焊縫組織性能，而熔滴過渡主要依靠焊接電流產(chǎn)生的電磁力。
[0008]綜上所述，目前采用氣體、機械振動、脈沖氣體以及電磁場等外加條件輔助GMAW熔滴過渡的研究較多，但這些方法存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、應(yīng)用材料范圍有限、促進熔滴過渡效果不佳等局限，制約了在焊接生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中MIG焊小電流短路過渡與大滴過渡穩(wěn)定性較差的問題。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置及采用該裝置實現(xiàn)的焊接方法。
[0010]本發(fā)明包括兩種裝置和一種方法。
[0011]第一種裝置:
[0012]一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置，它包括MIG焊接電源、TIG焊接電源、MIG焊槍、TIG焊槍、IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)和IGBT開關(guān)；
[0013]MIG焊槍的熔化極電極夾用于夾持熔化極焊絲，TIG焊槍的鎢極電極夾用于夾持鎢極，
[0014]MIG焊接電源的正極輸出端與MIG焊槍的熔化極電極夾連接，MIG焊接電源的負極輸出端與待焊接工件的一端連接，
[0015]TIG焊接電源的負極輸出端與待焊接工件的另一端連接，TIG焊接電源的正極輸出端與IGBT開關(guān)的正極輸入端連接，IGBT開關(guān)的負極輸入端同時與TIG焊槍的鎢極電極夾和IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)的電信號輸入端連接，IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)的控制信號輸出端與IGBT開關(guān)的控制端連接。
[0016]所述的MIG焊接電源為恒壓MIG焊接電源，TIG焊接電源為恒流TIG焊接電源。
[0017]一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置，它還包括兩個四自由度夾持機構(gòu)，且所述的兩個四自由度夾持機構(gòu)分別用于夾持MIG焊槍和TIG焊槍，每個四自由度夾持機構(gòu)用于實現(xiàn)沿X軸、y軸、z軸三個方向的平移運動及繞y軸的轉(zhuǎn)動。
[0018]第二種裝置:
[0019]一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置，它包括MIG焊接電源、TIG焊接電源、MIG焊槍、TIG焊槍、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和IGBT開關(guān)；
[0020]MIG焊槍的熔化極電極夾用于夾持熔化極焊絲，TIG焊槍的鎢極電極夾用于夾持鎢極，
[0021 ] MIG焊接電源的正極輸出端與MIG焊槍的熔化極電極夾連接，MIG焊接電源的負極輸出端與待焊接工件的一端連接，
[0022]TIG焊接電源的負極輸出端與待焊接工件的另一端連接，TIG焊槍的鎢極電極夾與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第一電信號輸入端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第二電信號輸入端與待焊接工件連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的低電平信號輸出端與IGBT開關(guān)的負極輸入端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平信號輸出端與IGBT開關(guān)的控制端連接，IGBT開關(guān)的正極輸入端與TIG焊接電源的正極連接。
[0023]所述的鎢極的起弧端與焊絲的熔滴端形成的熔滴間的垂直距離為2mm至3mm時，TIG焊槍的鎢極電極夾所夾持的鎢極起弧。
[0024]所述的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延遲時間為5ms至50ms。
[0025]采用第二種裝置實現(xiàn)的焊接方法，該方法的具體過程為:
[0026]步驟一:使MIG焊槍和TIG焊槍處于待焊接位置，且使MIG焊接電源和TIG焊接電源均與待焊接工件處于導(dǎo)通狀態(tài)；
[0027]步驟二:MIG焊槍的熔化極電極夾所夾持的熔化極焊絲形成熔滴，當(dāng)鎢極的起弧端與焊絲的熔滴端形成的熔滴間的垂直距離大于3mm時，鎢極未通過熔滴與待焊接工件建立電弧，鎢極的起弧端與焊絲的熔滴端保持空載電壓，此時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保持穩(wěn)態(tài)時的高電平，IGBT開關(guān)導(dǎo)通，其中，空載電壓為高電平；
[0028]步驟三:在熔滴生長過程中，熔滴與鎢極的起弧端間距逐漸減小，當(dāng)熔滴與鎢極的起弧端間的垂直距離為2mm至3mm時，鎢極滿足起弧條件，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器檢測到電弧電壓的低電平信號，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保持穩(wěn)態(tài)時的高電平5ms至50ms后，鎢極的起弧端產(chǎn)生的電弧將熔滴吹落至待焊接工件上，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器切換為低電平，控制焊接回路中的IGBT開關(guān)斷開，焊接停止，完成對待焊接工件的焊接。
[0029]TIG和MIG都采用直流反接形式，既可以發(fā)揮電弧陰極清理作用，還可以避免彼此極性不一致而在兩電極之間產(chǎn)生旁路電弧，進而干擾該方法下的熔滴過渡過程。TIG焊槍與MIG焊槍保持獨立，設(shè)計了一個四自由度TIG焊搶夾持機構(gòu)，該機構(gòu)可以實現(xiàn)沿xyz三個方向的精密平移運動和繞y軸的轉(zhuǎn)動。采用惰性氣體保護，以防止鎢極氧化。焊接過程中，MIG保持焊接模式，而TIG受IGBT開關(guān)控制實現(xiàn)切換，輸出頻率、占空比可調(diào)的脈沖電流。TIG高頻起弧會嚴(yán)重干擾焊接控制系統(tǒng)，因此本方法采用熔化極接觸引弧，隨后鎢極借助熔化極已經(jīng)建立的等離子體導(dǎo)電氛圍起弧。本發(fā)明帶來的有益效果是，
[0030]TIG電弧從無到有的較短時間內(nèi)，將產(chǎn)生較大的電弧沖擊力，該沖擊力可以促進熔滴加快脫離焊絲過渡到焊縫中，使小電流短路過渡或者大滴過渡轉(zhuǎn)化為細顆粒過渡，焊接過程更穩(wěn)定。該裝置及方法實現(xiàn)的關(guān)鍵在于TIG電弧在合適時刻施加到熔滴上，以保證熔滴未成長為大滴并且未與工件接觸形成液滴短路爆破。
[0031]本發(fā)明帶來的有益效果:
[0032]1.結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，只需兩套焊接設(shè)備和焊槍運動調(diào)節(jié)機構(gòu)即可。
[0033]2.提高熔滴過渡穩(wěn)定性，減少焊接飛濺，尤其是針對小電流條件下的薄板焊接。
[0034]本發(fā)明提出了一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置及采用該裝置實現(xiàn)的焊接方法，解決MIG焊小電流短路過渡與大滴過渡穩(wěn)定性較差的問題，通過脈沖TIG電弧輔助MIG熔滴過渡的方式，將短路過渡和大滴過渡轉(zhuǎn)化為頻率可控的細顆粒過渡，從而實現(xiàn)焊接過程的穩(wěn)定。本發(fā)明主要針對小電流條件下的薄板焊接。根據(jù)不同焊接材料和待焊試件厚度等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)熔化極與鎢極位置關(guān)系、焊接電流、電壓、送絲速度、TIG脈沖頻率和占空比、氣體流量等規(guī)范，獲得穩(wěn)定的焊接過程。
【附圖說明】
[0035]圖1為【具體實施方式】一所述的一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置的原理示意圖；
[0036]圖2為圖1中脈沖TIG輔助熔滴過渡時的工作狀態(tài)示意圖；
[0037]圖3為【具體實施方式】四所述的一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置的原理示意圖；
[0038]圖4為圖3中脈沖TIG輔助熔滴過渡時的工作狀態(tài)示意圖；
[0039]圖5為圖4中TIG焊槍的鎢極產(chǎn)生的TIG電弧電壓與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的波形圖。
【具體實施方式】
[0040]【具體實施方式】一:參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置，它包括MIG焊接電源1、TIG焊接電源2、MIG焊槍3、TIG焊槍4、IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)5和IGBT開關(guān)6;
[0041]MIG焊槍3的熔化極電極夾用于夾持熔化極焊絲，TIG焊槍4的鎢極電極夾用于夾持媽極，
[0042 ] MIG焊接電源I的正極輸出端與MIG焊槍3的熔化極電極夾連接，MIG焊接電源I的負極輸出端與待焊接工件的一端連接，
[0043]TIG焊接電源2的負極輸出端與待焊接工件的另一端連接，TIG焊接電源2的正極輸出端與IGBT開關(guān)6的正極輸入端連接，IGBT開關(guān)6的負極輸入端同時與TIG焊槍4的鎢極電極夾和IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)5的電信號輸入端連接，IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)5的控制信號輸出端與IGBT開關(guān)6的控制端連接。
[0044]本實施方式中，在焊接過程中，當(dāng)熔滴長大到一定尺寸后，通過IGBT開關(guān)控制系統(tǒng)5控制IGBT開關(guān)6導(dǎo)通，TIG電弧提供熔滴脫離焊絲過渡到焊縫中的電弧力。兩種狀態(tài)下交替切換，實現(xiàn)穩(wěn)定焊接。
[0045]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一所述的一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置的區(qū)別在于，所述的MIG焊接電源I為恒壓MIG焊接電源，TIG焊接電源2為恒流TIG焊接電源。
[0046]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一所述的一種應(yīng)用脈沖TIG電弧輔助MIG焊接的裝置的區(qū)別在于，它還包括兩個四自由度夾持機構(gòu)，且所述