一種基于脈沖電流的藥芯焊絲水下濕法焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于脈沖電流的藥芯焊絲水下濕法焊接方法，屬于焊接工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]基于自保護(hù)藥芯焊絲的水下濕法焊接技術(shù)(flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW)，具有方便操作、高效率、低成本和高質(zhì)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，是水下自動化和智能化焊接的重要發(fā)展方向之一。在該焊接過程中，焊絲和工件直接置于水中，電弧燃燒在主要由藥芯造氣劑和水不斷發(fā)生受熱分解、蒸發(fā)或反應(yīng)形成的氣泡內(nèi)進(jìn)行。與陸上自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊相比，由于電弧區(qū)域與水環(huán)境之間的持續(xù)相互影響，水下濕法燃燒空間的大小、內(nèi)壓都是不斷變化的，同時(shí)在氣泡內(nèi)的大溫度梯度、復(fù)雜氣體組分、快速冷卻條件等因素的作用下，導(dǎo)致其內(nèi)部的電弧區(qū)域持續(xù)發(fā)生互相耦合的、復(fù)雜的化學(xué)和物理作用，電弧行為和熔滴過渡過程等相對于空氣中FCAW發(fā)生了顯著變化，如圖1、圖2、圖3所示。
[0003]在采用常規(guī)的濕法焊接工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其主要以非軸向的大滴排斥過渡、短路過渡為主，臨界熔滴尺寸可達(dá)焊絲直徑的4倍，過渡頻率約在3Hz-6Hz之間。而在空氣中采用相同焊接材料及工藝參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其熔滴最大尺寸小于焊絲直徑的1.5倍，過渡頻率在20Hz-30Hz以上。水下濕法FACW這種較大尺寸的、低頻率的熔滴過渡形式，以及隨機(jī)的、非軸向的下落軌跡，導(dǎo)致縱向和橫向的焊縫成形出現(xiàn)不對稱、不均勻的現(xiàn)象，焊縫及熱影響區(qū)的組織形貌分布不均勻，并產(chǎn)生較多的飛濺，這些對獲得高質(zhì)量的焊接接頭形成了嚴(yán)重制約和挑戰(zhàn)。同時(shí)，氣泡的生成和上浮頻率(1Hz以上)顯著高于熔滴過渡的頻率，二者之間非同步和不協(xié)調(diào)的交互作用，也增加了焊接過程的不穩(wěn)定性。
[0004]傳統(tǒng)水下濕法FCAW熔滴主要受到氣泡內(nèi)氣體拖拽力和電弧力的排斥而導(dǎo)致其難以自由下落，被迫長大至較大尺寸甚至被排斥偏離焊絲軸線。根據(jù)目前水下熔滴受力成果可知，一方面，氣泡內(nèi)的氣體拖拽力主要來源于焊絲內(nèi)部的藥芯受熱分解、水受熱導(dǎo)致分解或蒸發(fā)以及熔池金屬蒸氣的不規(guī)則流動等，因此電弧熱是產(chǎn)生大量氣體的根本原因；另外一方面，電弧力主要包括斑點(diǎn)壓力、電磁力軸向分力等，其大小取決于焊接電流的大小。因此，若單純采用增加電流或電壓的方法，雖然理論上可以降低表面張力、提高等離子流力等，但不可避免地也會加劇藥芯和水的分解或蒸發(fā)并增加氣體流動對熔滴的拖拽力，同時(shí)熔滴下方的電弧斑點(diǎn)壓力也隨電流增加而增大，熔滴仍然受到較大的向上的力而不能自由下落，難以獲得較高頻率的、小尺寸的熔滴過渡。
[0005]中國專利文件“公告號CN105149747A”，公開了一種超聲輔助水下濕法氣體保護(hù)焊接裝置，包括超聲換能器、復(fù)合焊炬、導(dǎo)電桿和絕緣套管，所述超聲換能器與所述復(fù)合焊炬相連接，所述超聲換能器和復(fù)合焊炬設(shè)置有相互連通的通孔，所述導(dǎo)電桿和絕緣套管設(shè)置在所述通孔內(nèi)，所述絕緣套管套設(shè)在所述導(dǎo)電桿徑向外側(cè)，在所述絕緣套管和導(dǎo)電桿之間形成有空隙，還包括防水殼體和供氣裝置，所述超聲換能器設(shè)置在所述防水殼體內(nèi)，所述防水殼體與所述空隙相連通，所述防水殼體與所述供氣裝置相連通。本發(fā)明超聲輔助水下濕法氣體保護(hù)焊接裝置，利用超聲波與保護(hù)氣結(jié)合的方法進(jìn)行水下焊接，采用超聲波降低水壓對電弧的影響，采用保護(hù)氣增加電弧電離，以提高電弧的穩(wěn)定性。但該實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，設(shè)備投入較大，不利于這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，其次由于防水殼體等裝置的存在，大大增加了焊槍的尺寸和重量，使得焊縫的位置受到了影響，狹小區(qū)域的焊縫焊槍將伸不進(jìn)去或者焊縫質(zhì)量降低。并且整個(gè)過程需要通入保護(hù)氣，這無疑也增加了裝置的復(fù)雜性，提高了成本。
[0006]中國專利文件“公告號CN103128422A”，公開了一種用于濕法水下焊接的磁控裝置和方法，旨在解決現(xiàn)有水下焊接中的熔滴過渡不容易過渡到母材的問題，而提供了一種用于濕法水下焊接的磁控裝置和方法。磁控裝置，它由勵(lì)磁電源、導(dǎo)磁鐵芯、勵(lì)磁線圈、銅套筒、上端蓋和下端蓋構(gòu)成。磁控方法，一、裝上磁控裝置并接上勵(lì)磁電源;二、將焊絲穿過導(dǎo)磁鐵芯的通孔，施加保護(hù)氣體并引燃焊絲與焊接工件之間的電弧，即完成了濕法水下焊接。就磁控裝置來說，合適的縱向磁場可以增加熔寬，減少熔深，但是實(shí)驗(yàn)裝置同樣復(fù)雜，超聲輔助水下濕法氣體保護(hù)焊接裝置所具有的缺點(diǎn)同樣存在于磁控裝置方法上，并且外加磁場使得熔滴短路過渡頻率增加，電信號波形較普通水下濕法焊接更加不穩(wěn)定，同時(shí)磁場會施加給熔滴額外的洛倫茲力使得熔滴旋轉(zhuǎn)并受到離心力的作用，這點(diǎn)顯然是不利于熔滴平穩(wěn)過渡的。
[0007]因此，研究一種基于脈沖電流的新型水下濕法焊接工藝具有極高的實(shí)驗(yàn)、推廣意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于脈沖電流的水下濕法焊接方法，以獲得較高頻率和較小熔滴尺寸的可控熔滴過渡，改善焊縫成形和焊接過程穩(wěn)定性。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]—種基于脈沖電流的藥芯焊絲水下濕法焊接方法，包括步驟如下:
[0011 ]步驟(I)、焊接準(zhǔn)備:裝夾好待焊工件，將焊絲伸出焊槍；
[0012]步驟(2)、連接焊機(jī)與上位機(jī)，測試焊機(jī)與上位機(jī)的通訊信號；上位機(jī)是指焊接過程中對焊機(jī)輸出進(jìn)行控制的裝置，由于本發(fā)明的焊接過程中需要對焊機(jī)的電流波形進(jìn)行控制，因此需要焊機(jī)有與上位機(jī)通訊的接口，將焊機(jī)與上位機(jī)連接，當(dāng)上位機(jī)與焊機(jī)通訊正常并且焊機(jī)向上位機(jī)返回了正常的信號后，即可開始焊接。
[0013]步驟(3)、設(shè)定焊接參數(shù)，設(shè)定焊接電流為脈沖電流，開始焊接。由于是水下濕法焊接，采用了水下濕法自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行焊接，因此焊接的過程中不需要通入保護(hù)氣。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中，焊絲的伸出長度為17mm。焊絲選用普通水下濕法藥芯焊絲即可，對于焊絲方面沒有過多的要求。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述上位機(jī)為普通PC機(jī)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)中，焊機(jī)與上位機(jī)之間通過數(shù)字信號進(jìn)行通訊。由于本發(fā)明中的電流的波形變化較快，必須依賴數(shù)字信號進(jìn)行通訊才能保證足夠得響應(yīng)速度。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中，焊絲直徑為1.6mm或2.0mm。焊絲參數(shù)的選用根據(jù)待焊工件的厚度和焊機(jī)功率即可確定、選用。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)中，焊接電流的一個(gè)脈沖周期波形包括背景電流波形段、第一谷值電流波形段、箍縮電流波形段、第二谷值電流波形段，所述背景電流波形段、第一谷值電流波形段、第二谷值電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值均為恒定值，所述箍縮電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值為線性增長的數(shù)值。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，第一谷值電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值和第二谷值電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值均小于背景電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值，背景電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值小于箍縮電流波形段內(nèi)的電流數(shù)值。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，背景電流波形段持續(xù)的背景時(shí)間為15ms，第一谷值電流波形段持續(xù)的第一谷值時(shí)間為8ms，箍縮電流波形段持續(xù)的箍縮時(shí)間為10ms，第二谷值電流波形段持續(xù)的第二谷值時(shí)間為8ms ο此時(shí)脈沖頻率為25HZ左右。
[0021]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，背景電流數(shù)值為230A，第一谷值電流數(shù)值為80A，箍縮電流數(shù)值為從280A線性增加至350A，第二谷值電流數(shù)值為80A。
[0022]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，設(shè)定送絲速度為4m/min，等速送絲。波形的平均電流為192A左右，送絲速度可根據(jù)平均電流的值來確定。
[0023]本發(fā)明將脈沖焊接方法應(yīng)用到水下濕法FCAW上，利用脈沖電參數(shù)對其熔滴受力條件進(jìn)行改變，獲得小尺寸熔滴的自由過渡，顯著優(yōu)化濕法FCAW過程穩(wěn)定性和焊縫成形，更容易獲得尚質(zhì)量的焊接接頭，承受水壓、水流等惡劣因素的影響。
[0024]本發(fā)明焊接工藝采用的是脈沖電流配合等速送絲進(jìn)行焊接，即焊接過程中電壓隨電流波形進(jìn)行波動，電流按照預(yù)先設(shè)定的波形進(jìn)行變化。焊接過程中，電流變化較快，因此必須采用數(shù)字信號進(jìn)行通訊，以保證足夠得響應(yīng)速度。整個(gè)過程電流按照預(yù)定的波形進(jìn)行變化而電壓更隨著電流波形進(jìn)行相應(yīng)的變化，利用電流電壓匹配較好的焊接參數(shù)，配合上較高的脈沖頻率，從而達(dá)到改善熔滴過渡形式的目的。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]本發(fā)明提出的脈沖電流作用下的水下濕法FCAW熔滴可控自由過渡機(jī)理研究，從改變濕法焊接熔滴受力條件入手，通過急速降低焊接電流降低熔滴受到的排斥力，促使其向下垂落和產(chǎn)生震蕩，然后急速增大焊接電流，利用