一种磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置
技术领域
本发明属于焊接设备技术领域，具体涉及一种多丝埋弧焊设备。
背景技术
埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，因其生产效率高、焊缝质量高、焊接变形小、无弧光及烟尘少等一系列优点深受国内外大型企业的青睐，主要用于压力容器、铁路车辆、重型机械等领域，适用于低碳钢、低合金钢、不锈钢以及镍基合金等材料的焊接。近年来，国内外焊接学者先后研究多种高效优质的焊接方法，但未对埋弧焊的应用领域产生较大影响。
截至目前，超过80mm以上的钢板等焊接材料在实际工业中应用越来越多，原有单丝埋弧焊和双丝埋弧焊虽可实现厚板的连接，但厚板的多层多道焊接导致热输入量较大令焊缝组织晶粒粗大，影响接头的力学性能。多丝埋弧焊是指同时使用两根以上焊丝完成一条焊缝的埋弧焊接方法，相对单丝埋弧焊和双丝埋弧焊，其特点在于焊接时将所需的能量分配到不同的焊丝上，因此使用较细的焊丝、较小的焊接电流和较大的焊接速度就可实现焊道的一次成形，相邻焊丝之间可视为前丝的预热以及后丝的预热，在实际焊接过程中，可通过调节焊丝之间的排列方式、焊丝间距、焊丝倾角与电弧功率等来获得所需的焊缝形状与尺寸，多丝相辅相成，显著提高焊接生产效率和焊缝质量。
集成冷丝埋弧焊（ICETM）是在两根平行的热丝中间插入一根冷丝，利用热丝多余的热量来熔化焊丝。在焊接时。两根热丝由一个直流电机驱动以相同速度送丝，冷丝由一个独立的送丝机送丝，冷丝送丝速度可独立控制。该方法可大幅度提高焊接生产效率，增加焊接速度，降低焊剂消耗，实现高效高质量的低成本焊接。但该方法核心技术受限于国外，设备成本较高，此外，对于较大厚板时因冷丝消耗部分焊接热输入，导致焊接过程仍需多层多道，降低焊接效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新型埋弧焊接设备，该设备在两根与主电源连接的焊丝后方加入了一根不连接主电源的焊丝为热丝，前方两焊丝形成电弧会对后方焊丝预热，额外的独立电源对该焊丝加热，二者高温协同熔化该焊丝，实现集成热丝功能，该焊枪可以在相同的熔覆效率下，达到最小的热输入，减少了因为埋弧焊热输入高，加热速度快，局部过热而造成的焊缝组织相变恶化，对大电流，快速焊接的埋弧焊尤为重要，能明显提升接头组织的力学性能并减小焊缝变形量，提高产品质量。
实现集成热丝功能，该焊枪可以在相同的熔覆效率下，达到最小的热输入，减少了因为埋弧焊热输入高，加热速度快，局部过热而造成的焊缝组织相变恶化，对大电流，快速焊接的埋弧焊尤为重要，能明显提升接头组织的力学性能并减小焊缝变形量，提高产品质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置，包括主枪体、辅枪体，所述辅枪体设置在主枪体的后端，用于向主枪体内送入焊丝，所述主枪体内沿焊接方向平行设置三个送丝管；三个送丝管内分别为第一焊丝、第二焊丝和第三焊丝；其中第一焊丝和第二焊丝分别与起弧电源连接，用于与工件起弧；第三焊丝与辅助电源连接，被所述辅助电源加热后，用于填充焊缝；所述主枪体的前端设有喷嘴。
作为本发明的一种优选方式，所述第一焊丝连接直流电源。
作为本发明的一种优选方式，所述第二焊丝连接脉冲交流电源。
作为本发明的另一种优选方式，所述主枪体的前部外侧设有磁场发生装置；所述磁场发生装置与交流电源连接，通过周期性的磁场方向变化改变第一焊丝电弧的偏转方向。
进一步优选地，所述第三焊丝的送丝管为陶瓷送丝管；陶瓷送丝管上设有镂空结构。
进一步优选地，所述的第三焊丝通过热丝电极与辅助电源连接，所述热丝电极进入所述镂空结构与陶瓷送丝管内的第三焊丝接触，对经过热丝电极两个导电块之间的焊丝进行加热。
作为本发明的一种优选方式，第一焊丝和第二焊丝的送丝管为紫铜送丝管，起弧电源通过电极块接触紫铜送丝管管壁将焊接电流传递到管内的焊丝上。
作为本发明的一种优选方式，所述的辅枪体包括送丝机构和送丝软管，所述送丝软管连接于三个送丝管的末端，所述送丝机构通过送丝软管将三根焊丝分别送入三个送丝管内。
进一步优选地，所述的送丝机构由三组送丝行星轮组成，三组送丝行星轮相互之间等距排列。
作为本发明的一种优选方式，所述喷嘴内部设有稳弧器。
与传统的埋弧焊枪相比，本发明的有益效果如下：
（1）整套焊接装置尺寸较小，可实现大厚板窄间隙焊接，且每个送丝装置中均含有多个十字行星轮，对焊丝产生一个向前进给的拉力，保证较长距离送丝，实现长距离的有效焊接。
（2）焊接电弧共包括三个：第一焊丝电弧、第二焊丝电弧、第三焊丝电弧。由直流电源产生的第一焊丝电弧位于前端，匙孔工件，获得不同深度的熔深，且在外加磁场作用下会发生偏转，解决电弧磁偏吹等问题，并通过直流电源的大小和磁场方向改变电弧的偏转幅度和偏转方向，进而控制电弧焊接的有效区域，成功解决深厚板侧壁未熔合等关键问题。中间的脉冲交流电源产生的第二焊丝电弧主要用小电流大电压来控制焊缝的成型和控制熔深，并在外加磁场作用下令中丝形成稳定的焊接电弧，获得光滑的焊缝表面，改善焊缝成形。第三焊丝主要起到填充盖面作用，在辅助电源的预热作用下，焊丝熔敷速度加快，增大熔覆面积，焊接速度得到提高。
（3）外加磁场作用下三丝形成的电弧形成一个耦合电弧，在显著降低焊接过程热输入的同时提高焊缝熔敷率，细化晶粒，降低合金元素的烧损，减少焊缝内应力，避免焊接变形，令焊缝整体的强度和韧性均显著提高，获得理想的深宽比焊缝。
（4）针对大厚板，因焊接熔覆效率和熔深的提升，显著减少焊接层数，进而减少焊剂消耗，在获得平滑的焊缝表面的基础上显著降低焊接成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置的左视图；
图2为本发明实施例提供的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置的三维透视图；
图3为本发明实施例提供的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置的半剖视图；
图4为本发明实施例提供的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置内部结构立体示意图（左前方向）；
图5为本发明实施例提供的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置内部结构立体示意图（右后方向）；
图6为陶瓷送丝管的结构示意图；
图7为绝缘块的结构示意图；
图8为绝缘块的三维透视图；
图9为绝缘胶垫的结构示意图；
图10为热丝电极结构示意图；
图11为电极块的结构示意图：a.直流电极块、b.交流电极块；
图12为电磁铁外壳结构示意图；
图13为电磁铁线圈结构示意图；
图中，1.喷嘴；2.稳弧器；3.电极绝缘块；4.电磁铁外壳；5.电磁铁控制箱；6.电磁铁线圈；7.主枪体外壳；8.直流电极块；9.交流电极块；10.绝缘胶垫；11.热丝电极固定块；12.热丝电极；13. 第一紫铜送丝管；14. 第二紫铜送丝管；15.陶瓷送丝管；16.主枪体尾端固定块；17.辅枪体外壳；18.送丝软管固定板；19.十字行星轮载板；20.送丝软管；21.十字行星轮；22.镂空结构；23.导电块；24.绝缘棒。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
正如背景技术所介绍的，为提高焊接熔敷率，降低焊接热输入，本发明对热丝电源做了调整，引弧时后丝受辅助电源预热，温度控制系统使加热过程缓慢增加，并且存在梯度温度补偿，使引弧过程更稳定；可变磁场方向的磁场发生装置产生的磁场，对前后焊丝产生影响，提高了熔深和熔宽，降低了热输入，提高了熔覆效率，保证了焊缝的力学性能和成形美观，而且设备加装了十字行星轮解决了长距离送丝不稳的问题使焊缝质量进一步提升。
本发明提供的其中一个实施例是：一种磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置，其外部结构如图1所示，主要包括主枪体Ⅰ和辅枪体Ⅱ两部分。辅枪体Ⅱ通过主枪体尾端固定块与主枪体Ⅰ嵌合。在主枪体Ⅰ的前侧下部设有磁场发生装置，用于产生磁场。
参照附图1、2所示，辅枪体Ⅱ位于主枪体Ⅰ的上部，包括辅枪体外壳17和其内部的送丝软管20、送丝软管固定板18，三组十字行星轮及其相关结构件。
辅枪体外壳17为完全相同的两部分，最上方凹槽内嵌入了十字行星轮载板19，十字行星轮载板19下方的凹槽内部设有送丝软管固定板18，辅枪体外壳17最下方与主枪体Ⅰ连接。
参照图2、3、4所示，十字行星轮载板19为确定三组十字行星轮21相互之间位置之所用，十字行星轮电机通过四颗定位螺钉固定于十字行星轮载板19下方，三组十字行星轮21相互之间等距排列。十字行星轮21整体结构下相隔8.7mm为送丝软管固定板18，也由相应的辅枪体外壳内的凹槽固定，送丝软管固定板18上表面三个穿丝孔为漏斗状，与十字行星轮出丝孔平行，下方为螺纹孔，用于连接送丝软管20。送丝软管固定板18下方为三根送丝管。两侧的送丝管分别通过送丝软管20与十字行星轮连接，中间的送丝管直接穿入送丝软管固定板18中间的孔与十字行星轮连接。
送丝机构为焊接过程提供稳定性，和满足长距离送丝的需要，焊丝经由外界送丝软管进入十字行星轮减速箱，依次通过十字行星轮21内部各结构件，最后进入送丝软管固定板18，经过矫直的焊丝分别经由送丝软管进入不同的送丝管。
参照附图2、3、4、5所示，主枪体包括主枪体外壳7和内部的电弧产生系统和热丝系统。主枪体外壳7最上端设有主枪体尾端固定块16。作为主枪体和辅枪体的连接部件，主枪体尾端固定块16两侧的突出块嵌于辅枪体外壳17内相应凹槽上。尾部固定块的垂直面上设有供三根送丝管通过的通孔和外部电源线缆通过的通孔。
主枪体外壳7内设置三个平行的送丝管，分别是第一紫铜送丝管13、第二紫铜送丝管14和陶瓷送丝管15。三根送丝管各相距13.75mm，其中，第一紫铜送丝管13负责运输第一焊丝，第二紫铜送丝管14用于负责运输第二焊丝；陶瓷送丝管15则负责运输第三焊丝。
第一紫铜送丝管13通过直流电极块8与直流电源相连接，第二紫铜送丝管14通过交流电极块9与脉冲交流电源相连接。陶瓷送丝管15上设有镂空结构22，如图6所示，通过镂空结构22使第三焊丝与热丝电极12相接触。陶瓷送丝管15绝缘的特性让辅助电源连接到焊枪内部的热丝电极12不会短路，同时通过焊丝电阻热加热热丝电极12正负极之间的焊丝。
主枪体外壳7的前端是喷嘴1。喷嘴1内部安装有耐高温绝缘的稳弧器2，进入三个送丝管内的焊丝最终会被送进入稳弧器2，起弧后由稳弧器2稳定电弧。
三个送丝管从上至下依次经过主枪体尾端固定块16、热丝电极固定块11、绝缘胶垫10、电极绝缘块3、以及稳弧器2，上述材料均为绝缘材料，保证焊丝与枪体不连电。
电极绝缘块3上含有两个凹槽，如图7所示，用于固定直流电极块8和交流电极块9，并且防止电极与枪体联电。电极绝缘块3中心区域有供三根送丝管通过的孔，如图8所示，其上方有绝缘胶垫10，固定三根送丝管的位置。
绝缘胶垫10的结构如图9所示，其上方为热丝电极固定块11，热丝电极固定块11置于主枪体外壳7内部的凹槽内，并且下表面与绝缘胶垫10上表面接触，热丝电极固定块11上设有与热丝电极12配合的凹槽，用于固定热丝电极12并使热丝电极12与枪体绝缘。
热丝电极12中间为绝缘实心塑料杆24，通过螺钉与金属铜制成的上、下导电块23连接，如图10所示，整体作为热丝电极12，通过外部辅助电源导线分别连接上、下导电块，电流流过焊丝，通过电阻热预热两个导电块之间的焊丝。
电极绝缘块3上固定的直流电极块8和脉冲交流电极块9分别与第一紫铜送丝管13和第二紫铜送丝管紧密贴合，保证焊接电流完全传递到第一焊丝和第二焊丝上。直流电极块8和交流电极块的结构类似，分别如图11a和11b所示，通过电极块上的U型凹槽与紫铜送丝管的外壁紧密贴合。
而进入陶瓷送丝管15的第三焊丝在经过主枪体尾端固定块16后，通过陶瓷送丝管15上镂空的位置与热丝电极12相接触，经过辅助电源的预热成为热丝，然后在陶瓷送丝管15内依次经过热丝电极固定块11、绝缘胶垫10、电极绝缘块3、稳弧器2，最后被预热后的热丝直接进入前方两焊丝制造的熔池之中，在第一焊丝的主电弧所产生的电弧热作用下熔化为填充金属参与到焊接反应当中。
喷嘴1通过螺钉固定在主枪体外壳7前端。主枪体外壳7与喷嘴1相连偏上的位置固定有电磁铁控制箱5，下端连接着电磁铁外壳4，如图12所示，保护电磁铁线圈6。电磁铁线圈6位于电磁铁外壳4内部，如图13所示，电磁铁线圈6与交流电源连接。通电后，电磁铁线圈6在第一焊丝的前方形成左右方向的磁场。
电磁铁线圈6在整个焊接过程中始终工作，通过调节电磁铁控制箱5的参数控制焊道最前端与直流电源连接的第一焊丝所产生的电弧，改变电弧摆动的频率和方向，同时通过调节直流电源参数改变电弧摆动幅度，保证焊接大熔宽和高的熔覆效率。
本实施例的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置，内部含有第一焊丝、第二焊丝、第三焊丝（热丝），且每个焊丝均配有单独的焊接电源。焊接时，三根焊丝以平行沿焊道方向前后排列的方式沿着焊接方向实现焊接，第一焊丝可垂直于焊接工件或者向前倾斜与工件呈20-80°夹角，第三焊丝（热丝）通常向后倾斜，与工件呈现30-80°夹角，第二焊丝垂直于工件焊接，也可以与工件呈现一定角度。
第一焊丝与直流电源连接，第二焊丝则与脉冲交流电源相连接，第三焊丝连接辅助电源。通过控制第一焊丝的电流大小来控制焊缝的熔深，第二焊丝起到进一步增加熔深和改善焊道成形的作用，第三焊丝（热丝）通过辅助电源可以预热焊丝，加大焊丝的熔化速度，提高焊接速度。辅助电源可以为直流电源，也可以为交流电源。
电磁铁线圈6在交流电源的作用下，周期性改变电磁铁极性。前方的第一焊丝产生的电弧在磁场的作用下，实现周期性偏向，电弧周期性的左右偏向近似于焊枪摆动但是更直接的影响焊接区域的热输入，这样保证了不改变电流的前提下减小了熔深增大了熔覆面积，通过对电磁铁电流强弱的控制可以控制电弧摆动幅度，控制电弧焊接的有效区域和焊缝区以及热影响区的面积，降低热输入在细化晶粒上有显著作用，而由于第一电弧所带来的成形不美观和熔深减少的问题可由后续两根焊丝改善。
中间的第二焊丝主要用小电流大电压来控制焊缝的成型和进一步提高熔深，电源采用为交流脉冲电源，当电弧电流在峰值区间内，焊丝电流为零，此时不会产生磁偏吹，当焊丝通电时，电弧基值电流很小，仅能维持电弧燃烧，焊丝通电产生磁场进而产生安培力拉扯电弧，但是电弧基值电流很小，无法对母材造成不利影响，因此中间的焊丝可以稳定电弧，获得光滑的焊缝表面，改善焊缝成形。
最后方的第三焊丝（热丝），作为填充金属，增大熔覆面积，并且在外加电源的辅助下，焊丝熔化速度足够快，焊接速度可以极大提高，进而减少了整个焊接过程的实际热输入，减少了合金元素的烧损，减低了焊缝内应力，细化了晶粒使焊缝整体的强度和韧性显著提高。
本实施例的磁场辅助下集成热丝埋弧焊接装置，在外置磁场的作用下，改善焊接温度场的分布，形成一体式耦合电弧，以最小的热输入下实现高熔敷率焊接，避免因热输入量过大导致的焊缝组织粗化，显著提高接头力学性能并减小焊缝变形量，提高焊缝接头质量，此外，脉冲模式的优点也得以应用，良好的引弧性能，热输入量小，抗气孔性能好。外加磁场与各电弧的协同效应亦尤为重要，可以在保证在不增大热输入的基础上通过控制电弧形态进而改变熔宽和熔深。
