1.本发明涉及材料加工工程技术领域中的焊接装置及方法，尤其涉及一种高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置及方法。
背景技术：2.等离子-熔化极惰性气体保护mig焊是一种复合电弧焊接方法，是将等离子电弧和惰性气体保护mig电弧结合而成的复合焊接工艺，通过压缩等离子电弧形成强电弧挺度来保证足够的焊接熔深，关键是等离子弧具有“阴极雾化”作用消除氧化物，再加上mig电弧来保证焊缝填充金属的供给，尤其适用于中大厚度的铝合金板材的焊接。
3.mig电弧可以直流反接，焊接镁铝等合金时具有良好的阴极雾化效果，可有效去除氧化膜，提高接头的焊接质量，而等离子弧具有高能量密度、高射流速度和强电弧力的特点，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面焊双面成形。
4.由于焊接变形小，生产效率高，等离子-mig焊得到广泛应用，但等离子-mig复合电弧是以工件熔池作为公用电极，即等离子电弧与mig电弧共同作用于同一个工件熔池，但是在进行中大厚度的铝合金板材焊接时，不仅要通过增大等离子弧电流来保证熔池的穿透性，还要增大mig电弧电流来保证足够的填充金属，进而确保高熔敷，这无疑增加了对工件熔池的热力输入，扩大了焊缝热影响区面积，造成工件局部变形。
技术实现要素：5.发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，为减小同轴式等离子-mig焊焊接中大厚板时的热力输入，同时保证高熔敷效率，本发明提出一种高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置及方法，利用旁路焊丝电极取代工件熔池电极，并与原等离子复合焊枪内的焊丝电极组成双熔化电极对，mig电弧在复合焊枪内的焊丝与旁路焊丝之间燃烧，且与工件熔池无电气连接。
6.技术方案：本发明高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置包括等离子弧回路组件、双熔化极电弧回路组件和协调控制单元；
7.等离子弧回路组件包括等离子弧电源、导电件、等离子环形电极和工件；
8.双熔化极电弧回路组件包括mig/mag电源、等离子复合焊枪、由导电嘴和导电固定件组成的旁路焊枪和焊丝；mig/mag电源的输出正端与复合焊枪内的焊丝连接，mig/mag电源的输出负端与旁路焊枪内的旁路焊丝连接，复合焊枪内焊丝与旁路焊丝之间形成双熔化极电弧。
9.复合焊枪内的焊丝沿复合焊枪的中心轴线穿过等离子环形电极和导电嘴。
10.等离子环形电极上设有与导电嘴电气隔离的绝缘环，利用该绝缘环将等离子环形电极与导电嘴进行电气隔离。
11.等离子环形电极为中空的环形结构，导电件内设有用于冷却等离子环形电极的水冷通道。
12.复合焊枪还包括水冷喷嘴，等离子环形电极和水冷喷嘴之间产生转移等离子弧。
13.旁路焊枪与复合焊枪的中心轴线夹角为0-60
°
。
14.复合焊枪的离子气输出方向和保护气输出方向沿复合焊枪的中心轴线方向，保护气位于离子气外围。
15.本发明高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接方法包括以下步骤：
16.(1)将等离子弧电源输出正端与等离子环形电极连接，等离子弧电源的输出负端与工件连接，mig/mag电源的输出正端与复合焊枪内的焊丝连接，mig/mag电源的输出负端与旁路焊枪内的焊丝连接，打开制冷水箱和气瓶阀门；
17.(2)根据工件的厚度和焊接速度在协调控制单元上设置工艺参数；
18.(3)开始建立离子弧：打开气体流量阀，在等离子空载电压作用下，等离子环形电极与复合焊枪的水冷喷嘴之间形成转移等离子弧，离子气将转移等离子弧吹到工件表面，在等离子环形电极与工件之间形成非转移等离子弧；协调控制单元接收非转移等离子弧信号后，控制mig/mag电源输出焊接电压和送丝机输出送丝速度，在焊丝和旁路焊丝之间形成双熔化极电弧，建立一个双丝单弧焊接过程，开始焊接。
19.其中，步骤(3)中，形成的双熔化极电弧位于等离子弧内，且与工件无电气连接。
20.步骤(2)中的工艺参数包括等离子弧电流、离子气流量、保护气流量、冷却水流量、mig电弧电压、阳极送丝速度、阴极送丝速度，复合焊枪与工件的法向倾角，旁路焊枪与复合焊枪的中心轴线夹角。
21.工作原理：本发明通过将旁路焊丝电极代替工件熔池电极作为原mig电弧的阴极，即将旁路焊丝电极与原mig电弧的阳极焊丝构成双熔化电极对，形成一个内置于等离子弧内的双熔化极电弧，完成高熔敷低热输入的焊接过程，不仅实现工件熔池热力输入与金属熔敷的解耦控制，减小mig电弧对工件的热力输入，而且增强mig电弧的金属填充能力，提高焊接效率。其中，焊接过程的解耦控制在于：等离子弧负责工件的热力输入，双丝熔化极电弧负责工件的金属熔敷，等离子弧与双丝熔化极电弧参数可以单独调整，通过减小等离子弧电流保证工件的低热力输入，而通过增加双丝熔化极电弧电流实现工件的高金属熔敷量。
22.同时本发明采用等离子环形阳极水冷的方式，实现反极性接法，有利于清除铝合金表面的氧化膜，实现等离子弧与双熔化极电弧的优势互补，满足中大厚度的铝合金、高强钢等难焊金属的高熔敷低热输入焊接。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.(1)利用旁路焊丝电极代替工件，双熔化极电弧形成于复合焊枪内焊丝和旁路焊丝之间，与工件电极无电气连接，极大减小熔化极电弧对工件熔池的热力输入，缩小热影响区和变形程度。
25.(2)由等离子弧电源与导电件、等离子环形电极、工件构成的等离子弧回路组件与由mig/mag电源、复合焊枪内的焊丝、旁路焊丝形成的双熔化极电弧电路之间无电气连接，且上述两个电源的电弧参数可分别调整，等离子弧负责工件的热力输入，双熔化极电弧主要负责工件的金属熔敷，从而实现焊接过程的热力质任务的灵活组合控制。
26.(3)本发明先等离子弧后双丝熔化极电弧的产生顺序提高了双熔化极电弧的引弧成功率。
27.(4)本发明的旁路焊丝电极作为电弧阴极，提高了焊丝熔敷量，基于热力质任务可控特性可实现高熔敷低热输入的焊接过程。
附图说明
28.图1为本发明高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置示意图。
具体实施方式
29.如图1所示，本发明高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置包括等离子弧回路组件、双熔化极电弧回路组件和协调控制单元。该等离子弧回路组件包括等离子弧电源21、导电件10、等离子环形电极7和工件22。等离子弧电源21的输出正端连接等离子环形电极7，输出负端连接工件22。
30.双熔化极电弧回路组件包括mig/mag电源19、等离子复合焊枪12、旁路焊枪、送丝系统和焊丝15和5；mig/mag电源19的输出正端与等离子复合焊枪内的焊丝15连接，mig/mag电源19的输出负端与旁路焊枪内的旁路焊丝5连接，焊丝15与旁路焊丝5之间形成双熔化极电弧2。等离子复合焊枪12包括等离子环形电极7和水冷喷嘴9。旁路焊枪由导电嘴3和导电固定件4组成。导电件10内设有冷却水通道11。送丝系统包括送丝机18、推拉丝送丝轮16和焊丝缓冲器17。
31.等离子环形电极7为中空的环形结构。焊丝15沿等离子复合焊枪的中心轴线穿过等离子环形电极7和焊丝导电嘴8。等离子环形电极7上设置有绝缘环6将等离子环形电极7与焊丝导电嘴8之间进行电气隔离，绝缘环6位于等离子环形电极7的内侧。
32.旁路焊丝5的运行路径为沿旁路mig/mag焊枪的中心轴线穿过导电固定件4和导电嘴3，该旁路焊丝5与焊丝15呈0-60
°
。
33.本发明的协调控制单元20用于控制等离子电源、mig/mag电源和两台送丝机。
34.本发明高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路复合电弧焊接方法包括以下步骤：
35.(1)将等离子弧电源21输出正端与等离子环形电极7相连接，等离子弧电源21的输出负端与工件22相连接，mig/mag电源19的输出正端与复合焊枪12内焊丝15相连接，mig/mag电源19的输出负端与旁路焊枪内焊丝5相连接，打开制冷水箱和气瓶阀门。
36.(2)根据工件厚度和焊接速度在协调控制单元18上设置工艺参数，该工艺参数包括等离子弧电流50-500a，离子气13的流量3-20l/min，混合保护气14的流量8-40l/min，冷却水流量2-10l/min，mig电源输出电压10-40v，阳极送丝速度1-15m/min，阴极送丝速度1-30m/min，复合焊枪12与工件法向倾角60-90
°
，旁路焊枪与等离子复合焊枪12的中心轴线夹角0-60
°
。
37.(3)开始等离子弧1的建立过程，打开气体流量阀，在等离子空载电压作用下，等离子环形电极7与复合焊枪的水冷喷嘴9之间形成转移等离子弧，离子气13将转移等离子弧吹到工件22表面，在等离子环形电极7与工件22之间形成非转移等离子弧。协调控制单元20接收非转移等离子弧信号后，控制mig/mag电源19输出焊接电压和送丝机18输出送丝速度，在非转移弧内形成双熔化极电弧2，建立一个双丝单弧焊接过程，开始焊接。
38.结合图1说明等离子电弧和双熔化极电弧的复合情况，等离子电弧在环形电极7与工件22之间形成，离子气通道与焊丝15平行以提高等离子弧挺度，等离子环形电极7为中空
的环状结构，以紫铜或类似具有导电导热能力的金属材料制成。焊丝15沿复合焊枪12中心线穿过导电嘴8和等离子环形电极7，旁路焊丝5沿旁路焊枪中心线穿过导电固定件4和导电嘴3，双熔化极电弧在焊丝15与旁路焊丝5之间形成，且内置于等离子弧内部，混合保护气充斥包围旁路焊丝端部。利用绝缘环6将等离子环形电极7与导电嘴8进行电气隔离，绝缘环的材料为陶瓷或其他耐高温绝缘材料。
39.其中，复合焊枪的离子气输出方向和保护气的输出方向均沿复合焊枪的中心轴线方向，保护气在离子气外围。
40.在协调控制单元的作用下，等离子弧电流50-500a可调，离子气流量3-20l/min，保护气流量8-40l/min，冷却水流量2-10l/min，mig/mag电源输出电压10-44v可调，阳极送丝速度1-15m/min，阴极送丝速度1-30m/min；环形等离子电极孔径为1-10mm可调，环形等离子电极与工件距离4-15mm可调；复合焊枪与工件法向倾角60-90
°
，旁路焊枪与等离子复合焊枪的中心轴线夹角0-60
°
可调；水冷喷嘴拘束孔道直径1-10mm可调；冷却水流量1-20l/min可调。
41.其中，双熔化极电弧与焊接电流大于50a的等离子电弧复合形成复合热源。该复合热源采用同轴加旁轴的分布形式，其中双熔化极电弧处于复合焊枪和旁路焊枪中心之间，等离子弧位于双熔化极电弧的外围，双熔化极电弧与等离子电弧通过绝缘环进行绝缘。焊接时，等离子弧焊接采用反极性接法，等离子电弧在中空的等离子环形电极与工件之间产生。
42.离子气采用纯ar，保护气采用20％co2+80％ar混合气，取代等离子-mig复合焊接，完成中大厚度的铝合金、高强钢板材的焊接。
技术特征：1.一种高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：包括等离子弧回路组件、双熔化极电弧回路组件和协调控制单元；所述等离子弧回路组件包括等离子弧电源(21)、导电件(10)、等离子环形电极(7)和工件(22)；所述双熔化极电弧回路组件包括mig/mag电源(19)、复合焊枪(12)、焊丝(15)、导电固定件(4)、导电嘴(3)和焊丝(5)；所述mig/mag电源(19)的输出正端与复合焊枪内的焊丝(15)连接，所述mig/mag电源(19)的输出负端与旁路焊枪内焊丝(5)连接，所述焊丝(15)与旁路焊丝(5)之间形成双熔化极电弧(2)。2.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：所述焊丝(15)沿复合焊枪(12)的中心轴线穿过导电嘴(8)和等离子环形电极(7)。3.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：所述等离子环形电极(7)上设有与导电嘴(8)电气隔离的绝缘环(6)。4.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：所述等离子环形电极(7)为中空的环形结构，所述导电件(10)内设有用于冷却等离子环形电极(7)的水冷通道(11)。5.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：所述复合焊枪(12)还包括水冷喷嘴(9)，所述等离子环形电极(7)和水冷喷嘴(9)之间产生转移等离子弧。6.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：所述旁路焊枪与复合焊枪的中心轴线夹角为0-60
°
。7.根据权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置，其特征在于：复合焊枪内离子气和保护气的输出方向沿复合焊枪的中心轴线方向，所述保护气位于离子气外围。8.一种高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置来实施，所述焊接方法包括以下步骤：(1)将等离子弧电源(21)输出正端与等离子环形电极(7)连接，等离子弧电源(21)的输出负端与工件(22)连接，mig/mag电源(19)的输出正端与复合焊枪(12)内的焊丝(15)连接，mig/mag电源(19)的输出负端与旁路焊枪内的焊丝(5)连接，打开制冷水箱和气瓶阀门；(2)根据工件(22)的厚度和焊接速度在协调控制单元(20)上设置工艺参数；(3)开始建立离子弧：打开气体流量阀，在等离子空载电压作用下，等离子环形电极(7)与复合焊枪的水冷喷嘴(9)之间形成转移等离子弧，离子气将转移等离子弧吹到工件(22)表面，在等离子环形电极(7)与工件(22)之间形成非转移等离子弧；协调控制单元(20)接收非转移等离子弧信号后，控制mig/mag电源(19)输出焊接电压和送丝机(18)输出送丝速度，在焊丝(15)和旁路焊丝(5)之间形成双熔化极电弧(2)，建立一个双丝单弧焊接过程，开始焊接。9.根据权利要求8所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接方法，其特征在于：步骤(3)中，形成的所述双熔化极电弧(2)位于所述等离子弧内，且与工件(22)无电气连接。
10.根据权利要求8所述的高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接方法，其特征在于：步骤(2)中，所述工艺参数包括等离子弧电流、离子气流量、保护气流量、冷却水流量、mig电弧电压、阳极送丝速度、阴极送丝速度，复合焊枪(12)与工件的法向倾角，旁路焊枪与复合焊枪(12)的中心轴线夹角。
技术总结本发明公开了一种高熔敷低热输入的等离子-双丝旁路电弧焊接装置及方法，该焊接装置包括等离子弧回路组件、双熔化极电弧回路组件和协调控制单元；等离子弧回路组件包括等离子弧电源、导电件、等离子环形电极和工件；双熔化极电弧回路组件包括MIG/MAG电源、复合焊枪、由导电固定件和导电嘴组成的旁路焊枪和焊丝。本发明焊接时，通过将旁路焊丝电极代替工件熔池电极作为原MIG电弧的阴极，即将旁路焊丝电极与原MIG电弧的焊丝阳极构成双熔化电极对，形成一个内置于等离子弧内的双熔化极电弧，完成高熔敷低热输入的焊接过程，不仅实现工件熔池热力输入与金属熔敷之间的解耦控制，以此减小MIG电弧对工件的热力输入，而且增强MIG电弧的金属填充能力，提高焊接效率。提高焊接效率。提高焊接效率。
技术研发人员：董善文 曾勇 卢倩 陈树君 蒋凡
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2022.05.06
技术公布日：2022/7/5
