CN111618402A - 一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，属于窄间隙焊接技术领域，利用窄间隙钨极氩弧焊设备，采用非轴对称旋转钨极方式，进行超厚板(0‑300mm)、窄间隙(4‑10mm)的自动化焊接，步骤包括：(1)开坡口、坡口处理，(2)装夹窄间隙钨极氩弧焊设备，(3)安装钨极，设备编程，(4)定位：将焊枪钨极尖端移动至焊缝中心底部，气罩罩于焊缝上方，然后通过激光测距进行二次定位；(5)焊缝打底焊接：焊接过程中进行弧压及激光跟踪，保证钨极对中，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，(6)分层填中焊接：(7)盖面焊接。相比较于普通钨极氩弧焊接又大大增加了可焊接板厚及生产效率和生产质量。

Description

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，属于窄间隙焊接技术领域。

背景技术

窄间隙焊接(narrow gap welding，NGW)主要是应用在厚板焊接，在焊接前，焊接接头位置不开坡口或者开小角度坡口，并留有窄而深的间隙，采用传统的焊接方法实现工件的高效率焊接。

目前窄间隙钨极氩弧焊接主要实现方法有三种：一种是通过倾斜钨极配合直钨极或是双钨极双焊接电源结构，此结构可以保证有效的侧壁熔合，但是结构复杂，可以施焊的间隙宽度范围有限。一种是通过倾斜钨极在间隙中摆动产生摆动电弧从而有效加热两边侧壁，但是同样存在着施焊间隙宽度范围有限以及设备结构复杂价格昂贵等问题。另外一种是通过外加约束的方法控制电弧的加热范围，包括外加横向磁场以及旋转陶瓷片约束电弧的方法，但是磁控电弧方法不能焊接易磁化的材料并且需要解决磁场发生电路的问题，旋转陶瓷片约束电弧方法焊接效率较低，并且需要定期更换陶瓷片，由于陶瓷片旋转引入空气对焊缝的气体保护也存在问题。

当前窄间隙钨极氩弧焊接设备大多数采用焊接小车沿着既定的轨道进行焊接，设备的自动化程度有限，在施焊过程中对于焊枪的位置、姿态调整有限，而窄间隙钨极氩弧焊接中电弧的形态与焊接过程中钨极的位置息息相关，因而为保证侧壁的有效熔合以及良好的焊缝成形，对焊接过程中焊枪的位置与姿态进行实时监控调整很有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种厚板窄间隙钨极氩弧焊工艺方法，利用窄间隙钨极氩弧焊设备，采用非轴对称旋转钨极方式，进行超厚板(0-300mm)、窄间隙(4-10mm)的自动化焊接。

本发明的技术方案如下：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，包括步骤如下：

(1)开坡口、坡口处理：根据板厚及其它工艺参数，选择单侧或者双侧开U型坡口，预留窄间隙4-10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；

(2)装夹：采用一种窄间隙钨极氩弧焊设备，设备包括机架、工作台、焊枪、送丝系统、水冷系统、激光传感器、弧压传感器；焊枪顶部通过进气管与气瓶连接，焊枪顶部通过电源导线与焊接电源连接，水冷系统包括进水管、回水管、水冷主机，焊枪顶部通过进水管和回水管与水冷主机相连，主要是对焊枪实现冷却功能，以保证本设备的长期稳定运行；送丝系统包括送丝机、导丝管、加持装置，送丝系统为焊接熔池处提供焊丝；送丝速度取决于焊缝宽度、焊接速度、电流、电压等；工作台用于放置待焊工件，机架上设有传动机构，传动机构与焊枪、送丝系统连接，传动机构用于带动焊枪、送丝系统在机架上移动；将待焊工件置于工作台，并用压紧块压紧，实现稳定装夹，装夹厚板，装夹误差小于1.5mm；

机架包括横梁、支腿，传动机构包括第一轨道滑块副、齿轮齿条副、第二轨道滑块副，横梁顶部设有第一轨道滑块副和齿轮齿条副，横梁侧面设有第二轨道滑块副，第一轨道滑块副和齿轮齿条副上方设有溜板，溜板通过第一轨道滑块副与横梁连接；溜板上方固定设有滑台组件1，滑台组件1固定于溜板上方，滑台组件1包括滑块座1，固定架固定于滑块座1上方，固定架为直角板；固定架侧面设有滑台组件2，滑台组件2包括滑块座2，焊枪固定于滑块座2侧方；

滑台组件1与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件1滑块座1的前后移动带动固定架沿垂直横梁的方向直线前后移动；滑台组件2及焊枪跟随固定架前、后移动；

滑台组件2与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件2滑块座2的上下移动带动焊枪上下移动；

齿轮齿条副与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过齿轮齿条副控制溜板沿横梁直线左右移动；溜板之上的所有结构滑台组件1、固定架、滑台组件2及焊枪跟随溜板左、右移动。

固定架侧面还设有滑台组件3，滑台组件3包括滑块座3，滑块座3侧面设有气罩，滑台组件3与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件3滑块座3的上下移动带动气罩上下移动。

(3)安装钨极，设备编程：

焊枪包括枪筒，枪筒为两端开口的腔体，枪筒上侧设有上盖板，枪筒下侧设有下盖板，枪筒内设有固定板，固定板上设有电动机，电动机输出轴与主轴相连，主轴末端与钨极相连；

枪筒内设有水冷套，主轴贯穿水冷套，水冷套上设有进水管和回水管，进水管和回水管穿过上盖板与外界水冷系统连接；进水管输入冷却液体，出水管输出冷却液体，完成水的循环，通过水的循环过程降低主轴的温度，实现焊枪长时间工作；

枪筒内设有导电滑块，主轴贯穿导电滑块，导电滑块上设有导线，导线穿过上盖板与外界焊接电源相连；通过导线与焊接电源的连通对主轴进行有效导电，导电滑块与主轴配合并相对转动，主轴旋转运动时导电滑块固定不动；

上盖板贯穿设有气嘴接头，气嘴接头通过进气管与外界保护气系统相连，下盖板贯穿设有出气孔，气嘴接头、上盖板、枪筒内部空腔、主轴、下盖板共同形成气体通道，外接保护气体自气嘴接头处进入枪筒，先充满枪筒，起到缓冲作用，然后从下盖板出气孔处均匀、平稳排出焊枪，吹出气体属于层流，指向性一致，集中保护电弧正下方熔池，并且对焊接电弧起到拘束作用，保证起弧及焊接过程稳定，防止电弧在侧壁上方起弧，此保护气体既为焊接处熔池及焊缝提供保护气体，同时对枪体内部进行气流冷却；

枪筒外部设有外壳，枪筒与外壳相对移动；上盖板固定于枪筒的上端，其上有各螺纹或机械安装孔位，利于其分别与枪筒及其他零部件进行组装机配合，并形成气体通路；下盖板固定于枪筒的下端，其上有各螺纹或机械安装孔位，利于其分别与枪筒及其他零部件进行组装机配合，并开有一定数量的出气孔，以利于气体平稳、均匀排出为目的。

根据焊接情况的不同，选用直径不同规格的钨极，根据板厚明确焊接热输入能力及钨极伸出距离；

(4)定位：通过驱动源控制溜板沿横梁方向移动、固定架沿垂直横梁方向移动、焊枪上下移动、气罩上下移动，将焊枪钨极尖端移动至焊缝中心底部，气罩罩于焊缝上方，然后通过激光测距进行二次定位；

(5)设备编程，焊缝打底焊接：氩弧焊工艺，使其进行打底焊时不会烧穿，焊接过程中进行弧压及激光跟踪，保证钨极对中，电弧对两侧壁的作用相等；设有的激光传感器及弧压传感器，通过激光及弧压感应，保证窄间隙U型坡口的钨极对中问题，实际焊接时，只有焊枪精确对中才可保证钨极与两侧壁距离相等，使焊接质量得到保障；

为了控制较低的热输入，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，设计同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体、马氏体组织；尽可能减小焊接线能量，将焊接变形减至最小；

根据电弧电压随着钨极尖端与工件之间的最短距离发生周期性变化的规律，电弧遵守最小电压原理，转到侧壁时，电压最小，根据在两侧壁时的电压值的差别可以判断是否对中以及距离差多少；从而可以实现窄间隙电弧控制及焊缝跟踪。在焊接完一层后，设备可以自动回到程序设定的起始点，准备进行下一层焊接。

(6)分层填中焊接：单层焊接完成后，停止焊接，利用驱动源抬高钨极并返回程序设置点；等待层间冷却，冷却至焊缝处不高于100℃时进行下一道焊接；

(7)盖面焊接，焊枪钨极持续摆动，焊枪中心处与气罩处两重气体保护，确保焊接质量。

优选的，步骤(1)中，坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝1.0-3.0mm；②钝边伸出长度为1.0-3.0mm，钝边厚度1.0-3.0mm；③对口间隙1.0-2.0mm；④坡口角度0-3°。

优选的，步骤(2)中，第一轨道滑块副为第一方轨滑块副或第一圆轨滑块副，第二轨道滑块副为第二方轨滑块副或第二圆轨滑块副；齿轮齿条副替换为滚珠丝杠副，由滚珠丝杠副代替齿轮齿条副作为直线移动机构。

进一步优选的，步骤(2)中，气罩的数量为两个，分布于焊接方向上的焊枪前侧和焊枪后侧；滑台组件1、滑台组件2、滑台组件3、齿轮齿条副所连接的驱动源均为独立控制的驱动源，所述驱动源为伺服电机或步进电机，各伺服电机、步进电机作为运动源，由方轨滑块副、齿轮齿条副等机械结构作为运动实现方式，由控制系统进行控制，焊接检测及反馈部分实现检测及反馈，最终目的是实现焊枪及气罩等X、Y、Z三坐标方向的自动或者手动移动及准确定位。且通过控制系统的控制，气罩可与焊枪进行同步运动或相对运动。

优选的，步骤(3)中，电动机输出轴通过联轴器与主轴相连；导线通过机械紧固件与导电滑块连接，所述机械紧固件包括螺栓、弹性垫片、平垫片，另外一端与焊接电源联通并进行有效导电；主轴与枪筒内壁之间设有至少两个轴承。主轴通过轴承组装于枪筒内部，使焊枪工作时转动保持稳定。

优选的，步骤(3)中，导电滑块上通过螺栓等结构还设有测温电阻，测温电阻的传感线贯穿上盖板与外界设备控制器连接，实时测量焊枪内部温度，并进行后续控制，防止温度过高焊枪损坏。

进一步优选的，步骤(3)中，主轴上设有定位斜台，导电滑块内壁设有与定位斜台匹配的壁面，导电滑块上方设有弹簧，弹簧套于主轴上。导电滑块贯穿并定位主轴，通过定位斜台便于主轴与导电滑块卡位固定，弹簧可进一步加固导电滑块与主轴之间在轴向上紧密连接。主轴与导电滑块的接触面积为至少200mm²。通过定位斜台设置锥面保证接触稳定性，增大接触面积，以免面积过小时电阻大、造成发热严重。

进一步优选的，步骤(3)中，弹簧上端、下端均设有弹簧外套，弹簧外套为圆环板，圆环板外周边缘设有一圈挡板，弹簧外套用以限定弹簧形状、以免弹簧在压缩过程中变形或产生位移，同时可以减小弹簧与导电滑块、轴承的摩擦力。上端的弹簧外套与轴承下端接触，下端的弹簧外套与导电滑块接触，通过压缩弹簧的压力使导电滑块(9)与主轴(11)紧密配合。

进一步优选的，步骤(3)中，导电滑块为碳刷，可以采用碳刷形式，侧方还设有径向弹簧，径向弹簧的数量为至少两个，径向弹簧均匀分布于主轴一周，径向弹簧一端与碳刷尾端接触、另一端与碳刷仓内壁接触。通过径向弹簧进一步定位导电滑块或碳刷，使之与主轴紧密配合。

优选的，步骤(3)中，下盖板的出气孔的数量为至少两个，优选的为4个；出气孔均匀分布在下盖板上。枪筒末端设有导气嘴，导气嘴内部为倒锥形，并于内侧壁开有螺纹槽。由导气嘴进一步约束保护气流的走向。

优选的，步骤(3)中，水冷套与主轴接触内壁上下两端设有密封圈，主轴与水冷套采用旋转动密封方式进行组合，主轴与水冷套及密封圈之间共同形成一密封腔，密封腔为环形，进水管与环形密封腔相通，回水管与环形密封腔相通，共同形成闭环回路，冷却水进入水冷套后对主轴进行冷却，密封圈可进一步防止冷却水外溢。

优选的，步骤(3)中，主轴末端设有台阶孔，台阶孔内设有钨极夹，钨极夹内设置钨极，钨极夹通过钨极夹锁紧螺母与主轴连接。钨极夹锁紧螺母用以紧固钨极夹，从而紧固钨极。钨极夹通过钨极夹锁紧螺母固定于主轴之上，钨极通过主轴、钨极夹、钨极夹锁紧螺母有效接触，定位锁紧，与主轴同轴，同步旋转。台阶孔的横截面为圆形、椭圆形、锥形、四边形、三角形、多边形其中的一种。主轴与钨极夹之间的配合面的横截面积可为圆形或其他形状，二者形状相匹配即可。钨极夹与钨极夹锁紧螺母之间的配合面为圆形或圆锥形。

优选的，步骤(3)中，枪筒与外壳之间的相对移动为传动齿轮或滚珠丝杠副；

枪筒与外壳之间通过传动齿轮连接时，枪筒外壁设有齿条结构，外壳内壁设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿轮转动带动枪筒在外壳内竖向位移；

枪筒与外壳之间通过滚珠丝杠副连接时，外壳内壁设有丝杠，丝杠上设有滚珠滑块，滚珠滑块与枪筒外壁连接，丝杠的转动带动滚珠滑块直线移动，从而带动枪筒在外壳内竖向移动。

优选的，步骤(2)中，窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括废气处理系统，废气处理系统包括隔离罩、管路、集尘器，隔离罩设于机架、工作台之外，将设备与大气环境进行隔离，集中处理废气，改善操作人员工作条件，并使设备对外部工作环境的影响降至最低。隔离罩内设有工作摄像头和照明系统。用于焊接人员安装调试或者自动化检测、摄像机等提供合适的光源、采集整个自动设备工作状态。窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括控制柜，控制柜通过控制电缆与传动机构、焊接电源、送丝系统连接。控制设备各驱动电机或水、气等电磁阀等的开启、关闭、调速、调量等功能。现有程序可以达到，属于plc控制程序或者专用机床系统方面。

优选的，步骤(5)中，送丝系统包括盘状实芯焊丝，焊接时，焊丝直流反接，送丝速度为140-300cm/min；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.99％，气体流量为0-20L/min；

优选的，步骤(5)中，双阶梯交流脉冲焊接电流波形，脉冲频率为50HZ。

优选的，步骤(5)中，焊接过程中，焊枪旋转速度为250r/min，确保坡口侧壁熔合良好。

优选的，步骤(5)中，焊接时，外加热丝电源，在焊丝送入熔池前对焊丝进行加热。大大提高了焊接效率。

进一步优选的，步骤(5)中，焊丝预热电流60-70A。

优选的，钨极采用底部非轴对称方式磨尖，磨尖角度30°≤a≤60°，优选的a＝45°。

本设备的钨极同轴度高、钨极伸出距离较长、且摆动较小。导电滑块接触可靠、导电能力强。伸出距离长，摆动小，承载电流大，使其可以实现超厚板(例如0-300mm)、窄间隙(例如4-10mm)焊接。可节省大量加工、焊接的工时及材料费用；同时由于氩气等气体保护作用明显，焊缝的化学成份和力学性能稳定。相比较于窄间隙熔化极以及埋弧焊接方法，减小了焊接热输入，保证了高的焊接质量，并且可以减小坡口加工面积，增大熔敷金属的填充效率，一定程度上提升了焊接效率。相比较于普通钨极氩弧焊接又大大增加了可焊接板厚及生产效率和生产质量。

本发明的有益效果在于：

1、利用本技术方案通过窄间隙热丝TIG焊实现超厚板(例如0-300mm)、窄间隙(例如4-10mm)焊接，大大提高了焊接效率，提升焊接质量，降低生产成本。

2、本发明的技术方案通过窄间隙U型坡口，减少填充金属用量，提高了单道焊缝的焊接施工效率，降低了成本，由焊接设备控制焊枪精准对中，实现侧壁良好熔合。

3、本方案送丝稳定，送丝速度可调范围大，并在送丝过程中对焊丝加热，填充效率高，生产效率大大提高，利用本方案可以达到与MIG焊一样的熔敷金属填充效率，同时能够得到TIG焊接后的高质量焊缝，焊缝的冶金性能和力学性能均表现优良。

4、本发明的技术方案利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，设计同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，控制了较低的热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体或粗大马氏体组织，尽可能减小焊接线能量。

5.枪体采用特殊喷嘴，有效增加氩气的保护深度，形成稳定的焊接区域，保证焊缝处不受空气影响；并消除电弧沿两侧壁的攀爬现象；同时可对钨极进行冷却作用。

6.通过焊枪内部以及外部气罩两处气体保护，可以较好的对熔池以及焊缝进行保护，得到较高的焊缝质量。

7.通过水冷及风冷的共同作用，可以降低使焊枪各零件温度，使其可以长时间作业，并提供较大的暂载率。

附图说明

图1为本发明窄间隙钨极氩弧焊设备正视结构图；

图2为本发明窄间隙钨极氩弧焊设备俯视结构图；

图3为本发明窄间隙钨极氩弧焊设备左视结构示意图；

图4为图1中AA放大图；

图5为本发明钨极尖部结构示意图；

图6为本发明窄间隙钨极氩弧焊自动设备的焊枪内部分结构示意图；

图7是本发明碳刷结构示意图。

图中所用标记如下：(1)控制柜,(2)机架,(3)传动机构,(4)焊丝，(5)送丝机，(6)焊枪，(7)气罩，(8)进气管，(9)电源导线，(10)隔离罩，(11)管路，(12)电源导线，(13)焊接电源，(14)水冷主机，(15)工作台，(16)焊缝摄像头，(17)工作灯，(18)集尘器，(19)工作摄像头，(20)工件，(21)压紧装置，(22)控制电缆，(23)焊缝区域，(24)气瓶。(201)左支腿、(202)右支腿、(203)横梁、(204)溜板、(205)方轨滑块副、(206)齿轮齿条副、(207)滑台组件1、(208)滑台组件2、(209)固定架、(210)滑台组件3。

(601)枪筒,(602)进水管,(603)导线,(604)气嘴接头，(605)固定板，(606)回水管，(607)电动机，(608)轴承，(609)导电滑块，(610)水冷套，(611)主轴，(612)钨极夹，(613)钨极夹锁紧螺母，(614)钨极，(615)上盖板，(616)下盖板，(617)轴承，(618)联轴器，(619)弹簧，(620)密封圈，(621)螺栓，(622)弹性垫片，(623)平垫片，(624)齿轮，(625)外壳，(626)弹簧外套，(627)测温电阻，(628)碳刷，(629)碳刷仓。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，包括步骤如下：

(1)开坡口、坡口处理：16Mn板厚150mm，单侧开U型坡口，预留窄间隙10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝2.0mm；②钝边伸出长度为2.5mm，钝边厚度2.5mm；③对口间隙1.0mm；④坡口角度0°；

(2)装夹：采用一种窄间隙钨极氩弧焊设备，设备包括机架、工作台、焊枪、送丝系统、水冷系统、激光传感器、弧压传感器；焊枪顶部通过进气管与气瓶连接，焊枪顶部通过电源导线与焊接电源连接，水冷系统包括进水管、回水管、水冷主机，焊枪顶部通过进水管和回水管与水冷主机相连，主要是对焊枪实现冷却功能，以保证本设备的长期稳定运行；送丝系统包括送丝机、导丝管、加持装置，送丝系统为焊接熔池处提供焊丝；送丝速度取决于焊缝宽度、焊接速度、电流、电压等；工作台用于放置待焊工件，机架上设有传动机构，传动机构与焊枪、送丝系统连接，传动机构用于带动焊枪、送丝系统在机架上移动；将待焊工件置于工作台，并用压紧块压紧，实现稳定装夹，装夹厚板，装夹误差小于1.0mm；

机架包括横梁、支腿，传动机构包括第一轨道滑块副、齿轮齿条副、第二轨道滑块副，横梁顶部设有第一轨道滑块副和齿轮齿条副，横梁侧面设有第二轨道滑块副，第一轨道滑块副和齿轮齿条副上方设有溜板，溜板通过第一轨道滑块副与横梁连接；溜板上方固定设有滑台组件1，滑台组件1固定于溜板上方，滑台组件1包括滑块座1，固定架固定于滑块座1上方，固定架为直角板；固定架侧面设有滑台组件2，滑台组件2包括滑块座2，焊枪固定于滑块座2侧方；

滑台组件1与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件1滑块座1的前后移动带动固定架沿垂直横梁的方向直线前后移动；滑台组件2及焊枪跟随固定架前、后移动；

滑台组件2与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件2滑块座2的上下移动带动焊枪上下移动；

齿轮齿条副与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过齿轮齿条副控制溜板沿横梁直线左右移动；溜板之上的所有结构滑台组件1、固定架、滑台组件2及焊枪跟随溜板左、右移动。

固定架侧面还设有滑台组件3，滑台组件3包括滑块座3，滑块座3侧面设有气罩，滑台组件3与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件3滑块座3的上下移动带动气罩上下移动。

(3)安装钨极，设备编程：

焊枪包括枪筒，枪筒为两端开口的腔体，枪筒上侧设有上盖板，枪筒下侧设有下盖板，枪筒内设有固定板，固定板上设有电动机，电动机输出轴与主轴相连，主轴末端与钨极相连；

枪筒内设有水冷套，主轴贯穿水冷套，水冷套上设有进水管和回水管，进水管和回水管穿过上盖板与外界水冷系统连接；进水管输入冷却液体，出水管输出冷却液体，完成水的循环，通过水的循环过程降低主轴的温度，实现焊枪长时间工作；

枪筒内设有导电滑块，主轴贯穿导电滑块，导电滑块上设有导线，导线穿过上盖板与外界焊接电源相连；通过导线与焊接电源的连通对主轴进行有效导电，导电滑块与主轴配合并相对转动，主轴旋转运动时导电滑块固定不动；

上盖板贯穿设有气嘴接头，气嘴接头通过进气管与外界保护气系统相连，下盖板贯穿设有出气孔，气嘴接头、上盖板、枪筒内部空腔、主轴、下盖板共同形成气体通道，外接保护气体自气嘴接头处进入枪筒，先充满枪筒，起到缓冲作用，然后从下盖板出气孔处均匀、平稳排出焊枪，吹出气体属于层流，指向性一致，集中保护电弧正下方熔池，并且对焊接电弧起到拘束作用，保证起弧及焊接过程稳定，防止电弧在侧壁上方起弧，此保护气体既为焊接处熔池及焊缝提供保护气体，同时对枪体内部进行气流冷却；

枪筒外部设有外壳，枪筒与外壳相对移动；上盖板固定于枪筒的上端，其上有各螺纹或机械安装孔位，利于其分别与枪筒及其他零部件进行组装机配合，并形成气体通路；下盖板固定于枪筒的下端，其上有各螺纹或机械安装孔位，利于其分别与枪筒及其他零部件进行组装机配合，并开有一定数量的出气孔，以利于气体平稳、均匀排出为目的。

选用直径6.0mm规格的钨极，钨极伸出距离为150mm，间隙宽度取10mm，选用直径1.2mm的MG70S-6碳钢焊丝，对150mm的厚板单面焊接，焊接热输入30kJ/cm以下。

(4)定位：通过驱动源控制溜板沿横梁方向移动、固定架沿垂直横梁方向移动、焊枪上下移动、气罩上下移动，将焊枪钨极尖端移动至焊缝中心底部，气罩罩于焊缝上方，然后通过激光测距进行二次定位；

(5)设备编程，焊缝打底焊接：氩弧焊工艺，使其进行打底焊时不会烧穿，焊接过程中进行弧压及激光跟踪，保证钨极对中，电弧对两侧壁的作用相等；设有的激光传感器及弧压传感器，通过激光及弧压感应，保证窄间隙U型坡口的钨极对中问题，实际焊接时，只有焊枪精确对中才可保证钨极与两侧壁距离相等，使焊接质量得到保障；

为了控制较低的热输入，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，设计同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，脉冲频率为50HZ，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体、马氏体组织；尽可能减小焊接线能量，将焊接变形减至最小；

根据电弧电压随着钨极尖端与工件之间的最短距离发生周期性变化的规律，电弧遵守最小电压原理，转到侧壁时，电压最小，根据在两侧壁时的电压值的差别可以判断是否对中以及距离差多少；从而可以实现窄间隙电弧控制及焊缝跟踪。在焊接完一层后，设备可以自动回到程序设定的起始点，准备进行下一层焊接。

焊丝送丝速度为300cm/min，电弧电压18V，焊接电流350A，焊丝预热电流70A，焊接速度10cm/min，考虑到焊枪内部的热损失，热输入控制在30kJ/cm以下，钨极旋转速度250r/min。

(6)分层填中焊接：单层焊接完成后，停止焊接，利用驱动源抬高钨极并返回程序设置点；等待层间冷却，冷却至焊缝处不高于100℃时进行下一道焊接；对150mm的厚板单侧焊50层，分层焊接，层间温度控制在100℃以下。

(7)盖面焊接，焊枪钨极持续摆动，焊枪中心处与气罩处两重气体保护，确保焊接质量。

实施例2：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，区别在于：

步骤(1)中，取16Mn板厚300mm，双侧开U型坡口，间隙宽度取10mm；

步骤(2)中，采用工件焊缝垂直向下固定，立焊的方法；选用两台焊接设备，分别位于工件两侧，立向上焊；

步骤(3)中，选用直径6.0规格的钨极，钨极伸出距离为150mm；

步骤(5)中，对300mm的厚板两侧分别焊50层，分层焊接，层间温度控制在100℃以下。焊丝送丝速度为260cm/min，电弧电压18V，焊接电流320A，焊丝预热电流70A，焊接速度8cm/min，单台设备热输入控制在30kJ/cm以下。上行焊接时，钨极旋转速度250r/min。

实施例3：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝1.0mm；②钝边伸出长度为1.0mm，钝边厚度1.0mm；③对口间隙1.0mm；④坡口角度0°。

实施例4：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝3.0mm；②钝边伸出长度为3.0mm，钝边厚度3.0mm；③对口间隙2.0mm；④坡口角度3°。

实施例5：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，第一轨道滑块副为第一方轨滑块副或第一圆轨滑块副，第二轨道滑块副为第二方轨滑块副或第二圆轨滑块副；齿轮齿条副替换为滚珠丝杠副，由滚珠丝杠副代替齿轮齿条副作为直线移动机构。

实施例6：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，气罩的数量为两个，分布于焊接方向上的焊枪前侧和焊枪后侧；滑台组件1、滑台组件2、滑台组件3、齿轮齿条副所连接的驱动源均为独立控制的驱动源，所述驱动源为伺服电机或步进电机，各伺服电机、步进电机作为运动源，由方轨滑块副、齿轮齿条副等机械结构作为运动实现方式，由控制系统进行控制，焊接检测及反馈部分实现检测及反馈，最终目的是实现焊枪及气罩等X、Y、Z三坐标方向的自动或者手动移动及准确定位。且通过控制系统的控制，气罩可与焊枪进行同步运动或相对运动。

实施例7：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，电动机输出轴通过联轴器与主轴相连；导线通过机械紧固件与导电滑块连接，所述机械紧固件包括螺栓、弹性垫片、平垫片，另外一端与焊接电源联通并进行有效导电；主轴与枪筒内壁之间设有至少两个轴承。主轴通过轴承组装于枪筒内部，使焊枪工作时转动保持稳定。

实施例8：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，导电滑块上通过螺栓等结构还设有测温电阻，测温电阻的传感线贯穿上盖板与外界设备控制器连接，实时测量焊枪内部温度，并进行后续控制，防止温度过高焊枪损坏。

实施例9：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，主轴上设有定位斜台，导电滑块内壁设有与定位斜台匹配的壁面，导电滑块上方设有弹簧，弹簧套于主轴上。导电滑块贯穿并定位主轴，通过定位斜台便于主轴与导电滑块卡位固定，弹簧可进一步加固导电滑块与主轴之间在轴向上紧密连接。主轴与导电滑块的接触面积为至少200mm²。通过定位斜台设置锥面保证接触稳定性，增大接触面积，以免面积过小时电阻大、造成发热严重。

实施例10：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，弹簧上端、下端均设有弹簧外套，弹簧外套为圆环板，圆环板外周边缘设有一圈挡板，弹簧外套用以限定弹簧形状、以免弹簧在压缩过程中变形或产生位移，同时可以减小弹簧与导电滑块、轴承的摩擦力。上端的弹簧外套与轴承下端接触，下端的弹簧外套与导电滑块接触，通过压缩弹簧的压力使导电滑块(9)与主轴(11)紧密配合。

实施例11：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，导电滑块为碳刷，可以采用碳刷形式，侧方还设有径向弹簧，径向弹簧的数量为至少两个，径向弹簧均匀分布于主轴一周，径向弹簧一端与碳刷尾端接触、另一端与碳刷仓内壁接触。通过径向弹簧进一步定位导电滑块或碳刷，使之与主轴紧密配合。

实施例12：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，下盖板的出气孔的数量为4个；出气孔均匀分布在下盖板上。枪筒末端设有导气嘴，导气嘴内部为倒锥形，并于内侧壁开有螺纹槽。由导气嘴进一步约束保护气流的走向。

实施例13：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，水冷套与主轴接触内壁上下两端设有密封圈，主轴与水冷套采用旋转动密封方式进行组合，主轴与水冷套及密封圈之间共同形成一密封腔，密封腔为环形，进水管与环形密封腔相通，回水管与环形密封腔相通，共同形成闭环回路，冷却水进入水冷套后对主轴进行冷却，密封圈可进一步防止冷却水外溢。

实施例14：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，主轴末端设有台阶孔，台阶孔内设有钨极夹，钨极夹内设置钨极，钨极夹通过钨极夹锁紧螺母与主轴连接。钨极夹锁紧螺母用以紧固钨极夹，从而紧固钨极。钨极夹通过钨极夹锁紧螺母固定于主轴之上，钨极通过主轴、钨极夹、钨极夹锁紧螺母有效接触，定位锁紧，与主轴同轴，同步旋转。台阶孔的横截面为圆形、椭圆形、锥形、四边形、三角形、多边形其中的一种。主轴与钨极夹之间的配合面的横截面积可为圆形或其他形状，二者形状相匹配即可。钨极夹与钨极夹锁紧螺母之间的配合面为圆形或圆锥形。

实施例15：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，枪筒与外壳之间的相对移动为传动齿轮或滚珠丝杠副；

枪筒与外壳之间通过传动齿轮连接时，枪筒外壁设有齿条结构，外壳内壁设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿轮转动带动枪筒在外壳内竖向位移；

枪筒与外壳之间通过滚珠丝杠副连接时，外壳内壁设有丝杠，丝杠上设有滚珠滑块，滚珠滑块与枪筒外壁连接，丝杠的转动带动滚珠滑块直线移动，从而带动枪筒在外壳内竖向移动。

实施例16：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括废气处理系统，废气处理系统包括隔离罩、管路、集尘器，隔离罩设于机架、工作台之外，将设备与大气环境进行隔离，集中处理废气，改善操作人员工作条件，并使设备对外部工作环境的影响降至最低。隔离罩内设有工作摄像头和照明系统。用于焊接人员安装调试或者自动化检测、摄像机等提供合适的光源、采集整个自动设备工作状态。窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括控制柜，控制柜通过控制电缆与传动机构、焊接电源、送丝系统连接。控制设备各驱动电机或水、气等电磁阀等的开启、关闭、调速、调量等功能。现有程序可以达到，属于plc控制程序或者专用机床系统方面。

实施例17：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，送丝系统包括盘状实芯焊丝，焊接时，焊丝直流反接，送丝速度为140cm/min；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.99％，气体流量为20L/min。

实施例18：

一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，焊丝预热电流60A。

本发明提供了一种能进行超厚板、窄间隙焊接方式，各个系统有机结合，于焊接过程中实现窄间隙电弧控制、焊缝跟踪、自动分层焊接等功能，最终实现厚板窄间隙钨极氩弧焊的自动化焊接，并可于焊接过程中实现窄间隙电弧控制、焊缝跟踪、自动分层焊接等功能的一种窄间隙钨极氩弧焊焊接方法。

Claims (10)

1.一种厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)开坡口、坡口处理：根据板厚及其它工艺参数，选择单侧或者双侧开U型坡口，预留窄间隙4-10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；

(2)装夹：采用一种窄间隙钨极氩弧焊设备，设备包括机架、工作台、焊枪、送丝系统、水冷系统、激光传感器、弧压传感器；焊枪顶部通过进气管与气瓶连接，焊枪顶部通过电源导线与焊接电源连接，水冷系统包括进水管、回水管、水冷主机，焊枪顶部通过进水管和回水管与水冷主机相连；送丝系统包括送丝机，送丝系统为焊接熔池处提供焊丝；工作台用于放置待焊工件，机架上设有传动机构，传动机构与焊枪、送丝系统连接，传动机构用于带动焊枪、送丝系统在机架上移动；将待焊工件置于工作台，并用压紧块压紧；

机架包括横梁、支腿，传动机构包括第一轨道滑块副、齿轮齿条副、第二轨道滑块副，第一轨道滑块副和齿轮齿条副上方设有溜板；溜板上方固定设有滑台组件1，滑台组件1包括滑块座1，固定架固定于滑块座1上方，固定架为直角板；固定架侧面设有滑台组件2，滑台组件2包括滑块座2，焊枪固定于滑块座2侧方；

滑台组件1与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件1滑块座1的移动带动固定架沿垂直横梁的方向直线移动；

滑台组件2与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件2滑块座2的上下移动带动焊枪上下移动；

齿轮齿条副与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过齿轮齿条副控制溜板沿横梁直线移动；

固定架侧面还设有滑台组件3，滑台组件3包括滑块座3，滑块座3侧面设有气罩，滑台组件3与驱动源连接，驱动源用于提供动力，驱动源通过控制滑台组件3滑块座3的上下移动带动气罩上下移动；

(3)安装钨极，设备编程：

焊枪包括枪筒，枪筒为两端开口的腔体，枪筒上侧设有上盖板，枪筒下侧设有下盖板，枪筒内设有固定板，固定板上设有电动机，电动机输出轴与主轴相连，主轴末端与钨极相连；

枪筒内设有水冷套，主轴贯穿水冷套，水冷套上设有进水管和回水管，进水管和回水管穿过上盖板与外界水冷系统连接；

枪筒内设有导电滑块，主轴贯穿导电滑块，导电滑块上设有导线，导线穿过上盖板与外界焊接电源相连；

上盖板贯穿设有气嘴接头，气嘴接头通过进气管与外界保护气系统相连，下盖板贯穿设有出气孔，

枪筒外部设有外壳，枪筒与外壳相对移动；

根据焊接情况的不同，选用直径不同规格的钨极，根据板厚明确焊接热输入能力及钨极伸出距离；

(4)定位：通过驱动源控制溜板沿横梁方向移动、固定架沿垂直横梁方向移动、焊枪上下移动、气罩上下移动，将焊枪钨极尖端移动至焊缝中心底部，气罩罩于焊缝上方，然后通过激光测距进行二次定位；

(5)设备编程，焊缝打底焊接：氩弧焊工艺，使其进行打底焊时不会烧穿，焊接过程中进行弧压及激光跟踪，保证钨极对中，电弧对两侧壁的作用相等；

利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，设计同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入；

电弧遵守最小电压原理，转到侧壁时，电压最小，根据在两侧壁时的电压值的差别可以判断是否对中以及距离差多少；

(6)分层填中焊接：单层焊接完成后，停止焊接，利用驱动源抬高钨极并返回程序设置点；等待层间冷却，冷却至焊缝处不高于100℃时进行下一道焊接；

(7)盖面焊接，焊枪钨极持续摆动，焊枪中心处与气罩处两重气体保护。

2.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(1)中，坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝1.0-3.0mm；②钝边伸出长度为1.0-3.0mm，钝边厚度1.0-3.0mm；③对口间隙1.0-2.0mm；④坡口角度0-3°。

3.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(2)中，第一轨道滑块副为第一方轨滑块副或第一圆轨滑块副，第二轨道滑块副为第二方轨滑块副或第二圆轨滑块副；齿轮齿条副替换为滚珠丝杠副；

优选的，步骤(2)中，气罩的数量为两个，分布于焊接方向上的焊枪前侧和焊枪后侧；滑台组件1、滑台组件2、滑台组件3、齿轮齿条副所连接的驱动源均为独立控制的驱动源，所述驱动源为伺服电机或步进电机。

4.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(3)中，电动机输出轴通过联轴器与主轴相连；导线通过机械紧固件与导电滑块连接，所述机械紧固件包括螺栓、弹性垫片、平垫片；主轴与枪筒内壁之间设有至少两个轴承；

优选的，步骤(3)中，导电滑块上还设有测温电阻，测温电阻的传感线贯穿上盖板与外界设备控制器连接，

进一步优选的，步骤(3)中，主轴上设有定位斜台，导电滑块内壁设有与定位斜台匹配的壁面，导电滑块上方设有弹簧，弹簧套于主轴上，主轴与导电滑块的接触面积为至少200mm²，弹簧上端、下端均设有弹簧外套，弹簧外套为圆环板，圆环板外周边缘设有一圈挡板，上端的弹簧外套与轴承下端接触，下端的弹簧外套与导电滑块接触。

5.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(3)中，导电滑块为碳刷，侧方还设有径向弹簧，径向弹簧的数量为至少两个，径向弹簧均匀分布于主轴一周，径向弹簧一端与碳刷尾端接触、另一端与碳刷仓内壁接触。

6.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(3)中，下盖板的出气孔的数量为至少两个；出气孔均匀分布在下盖板上；枪筒末端设有导气嘴，导气嘴内部为倒锥形，并于内侧壁开有螺纹槽；

优选的，步骤(3)中，水冷套与主轴接触内壁上下两端设有密封圈，主轴与水冷套及密封圈之间共同形成一密封腔，密封腔为环形，进水管与环形密封腔相通，回水管与环形密封腔相通；

进一步优选的，步骤(3)中，主轴末端设有台阶孔，台阶孔内设有钨极夹，钨极夹内设置钨极，钨极夹通过钨极夹锁紧螺母与主轴连接；台阶孔的横截面为圆形、椭圆形、锥形、四边形、三角形、多边形其中的一种；钨极夹与钨极夹锁紧螺母之间的配合面为圆形或圆锥形。

7.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(3)中，枪筒与外壳之间的相对移动为传动齿轮或滚珠丝杠副；

枪筒与外壳之间通过传动齿轮连接时，枪筒外壁设有齿条结构，外壳内壁设有齿轮，齿轮与齿条啮合；齿轮转动带动枪筒在外壳内竖向位移；

枪筒与外壳之间通过滚珠丝杠副连接时，外壳内壁设有丝杠，丝杠上设有滚珠滑块，滚珠滑块与枪筒外壁连接。

8.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(2)中，窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括废气处理系统，废气处理系统包括隔离罩、管路、集尘器，隔离罩设于机架、工作台之外，隔离罩内设有工作摄像头和照明系统；窄间隙钨极氩弧焊自动设备还包括控制柜，控制柜通过控制电缆与传动机构、焊接电源、送丝系统连接。

9.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(5)中，送丝系统包括盘状实芯焊丝，焊接时，焊丝直流反接，送丝速度为140-300cm/min；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.99％，气体流量为0-20L/min；双阶梯交流脉冲焊接电流波形，脉冲频率为50HZ；焊接过程中，焊枪旋转速度为250r/min。

10.根据权利要求1所述的厚板窄间隙钨极氩弧焊焊接工艺方法，其特征在于，步骤(5)中，焊接时，外加热丝电源，在焊丝送入熔池前对焊丝进行加热；

优选的，步骤(5)中，焊丝预热电流60-70A。

Images