[发明专利]一种双热源复合焊炬及焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接装置，尤其涉及一种等离子电弧（PAW）和熔化极电弧MIG(GMAW)双热源复合焊接的焊炬，以及采用复合焊炬进行焊接的方法。

背景技术

焊接技术已经众所周知许多年并且被广泛用在工业应用中。气体金属电弧焊(GMAW)的MIG工艺有连续、自动进给的熔化电极，该熔化电极通过外供气体与环境气氛屏蔽隔开。金属从熔化电极通过以下三种基本模式过渡到被焊工件：(a)短路过渡，(b)颗粒过渡，(c)喷射过渡。其中，最佳的工作模式是喷射过渡模式。所谓的MIG焊接喷射模式是指金属从熔化极电极以高度定向的液滴流方式进入被焊工件的熔池里，电弧力对液滴有加速效果，并且可以克服金属液滴的重力作用。但是，当金属液滴的沉积速度及其增速随着焊接电流增大而变大时，就会导致电极过度熔化，破坏焊缝质量。另外，MIG焊接通常需要尺寸较大的坡口，根据焊接速度和材料厚度，需要利用不同坡口类型并且进行多道次焊接。总而言之，由于MIG焊接存在焊接熔深小、焊接变形大、热输入量大等一系列问题，通常应用于对热输入不敏感的工件加工。

等离子弧焊PAW是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子弧焊用的热源是将钨极电弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。

等离子弧焊因为其电弧能量密度高、穿透能力强因而得到广泛应用，是一种高质量的“小孔焊接方法，在焊接3～12毫米厚的板材时具有熔深大、焊缝的深/宽比大、热影响区窄、工件变形小等优势，可焊材料种类多。但是相比GMAW焊接，其焊接效率较低。PAW工艺主要缺点是效率低，“小孔”穿透模式的焊接速度受到在熔池中的物理状况的限制。

已知的是，常用的MIG焊接与等离子弧焊接(PAW)或钨惰性气体(TIG)焊接的组合可以改善焊接熔合效果并提高生产率。

美国专利US2,756,311描述了一种复合电弧焊，采用了至少两个串列布置的惰性气体保护电弧，其中前电弧(MIG)实现穿透，后电弧(TIG)通过焊丝填充，但这种焊接方式并没有实质性地增加熔深。该专利采用不同类型的“聚焦”磁线圈围绕TIG焊炬，并且与钨电极采用同轴方式布置，但是，这只稳定了TIG电弧，因此在焊接过程中双电弧无法维持相互间的稳定，这就导致复合焊接速度和熔深显著减小。美国专利US3,519,780同样采用TIG电弧和MIG电弧的复合焊接方式，其做法是采用两个单独焊炬、按照一定顺序施加用于MIG和TIG的不同脉冲。但由于是采用两个焊炬，在两个电弧之间没有任何电磁控制，因此也没有明显的增加熔深的效果。

另外一些公开的TIG与MIG双电弧复合焊接技术，是在非熔化电极和工件之间保持未被压缩的等离子电弧，而熔化电极端与MIG电弧都浸没在等离子体流中。在这种情况下非熔化电极和熔化电极必须具有相同的极性，而同时因为熔化电极在等离子弧具区内受到预热，因此增加了电极的沉积速度，这种技术虽然抑制了MIG电弧的飞溅，但同样并没有增加熔深，焊接速度也没有显著提高。

另外还有一些采用熔化电极和非熔化电极双电弧（等离子电弧或者TIG电弧）两个焊炬同时焊接的技术，即MIG和PAW或者TIG串列布置而且两个电弧各自形成自己的熔池，其主要构思是一个用于表面预热，另一个用于实际焊接，在焊炬之间保持恒定距离，PAW或者TIG焊炬相对于工件的角度可以调整，MIG则可以按照与PAW或者TIG焊不同的参数进行焊接。但这些技术由于没有对电弧之间的距离进行控制，没有形成共有的熔池，因此同样也没有增加熔深，焊接速度也没有显著提高。

与本发明比较接近的一种双热源复合焊接技术（美国专利US7,235,758）提供了一种（沿焊接方向）以等离子电弧在前、MIG电弧在后的旁轴方式布置的复合焊接装置，其两个电弧与工件相交的距离通过固定的磁屏蔽件进行控制。但由于在同一个焊炬上两个电极喷嘴的位置是固定的，并且由于这个位置与磁屏蔽件的作用是相互影响的，导致这种技术很难在较宽的工作电流参数范围稳定工作，实际上，单独调整磁屏蔽件也并不容易稳定共体熔池中的双电弧，因此很难在生产线上推广应用。