專利名稱：一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置及其使用方法
技術領域：
本發明屬于埋弧焊接領域，更具體地說，涉及一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置及其使用方法。
背景技術：
金屬結構中的焊縫是在電弧加熱作用下熔化成液態熔池，隨后經凝固而形成的，電弧加熱作用對熔池的幾何形狀起著決定性的作用。焊接過程中不可避免地因電弧波動形成多種外觀缺陷，如焊縫表面欠光滑，焊縫寬窄不均勻，焊縫邊緣咬邊等。外觀缺陷，特別是咬邊缺陷會造成嚴重的應力集中，使該處在承力狀態下容易產生裂紋源最終導致結構的失 效。同時焊縫表面成形又直接影響產品的外觀形貌，制造廠商及用戶對此都較為關注。為此，重要金屬結構如化工壓力容器、船舶制造等都需在焊后進行焊縫表面打磨修復，但這又耗費大量的時間及勞動成本，而且打磨修復工況條件也較為惡劣。目前大型化工壓力容器的建造主要依靠高效大線能量埋弧自動焊進行焊接加工，由于壓力容器制造一般都要求使用工藝性能相對不如酸性渣系的堿性燒結焊劑進行焊接，而對焊縫表面質量又有較高的要求，尤其對焊道咬邊深度、焊縫余高、焊縫寬度的均勻性以及焊縫表面光潔度等都制訂有量化的檢驗指標。為此通過進一步提高焊接過程電弧的穩定性，最大限度地控制焊縫形成過程的波動，可以有效地減少焊后返修工作量從而提高生產效率。根據熔渣的離子特性，熔渣在熔融狀態本身具有一定的導電性能，充分利用熔渣的這種性能目前在煉鋼冶金領域已成為頗為新穎的研究熱點。《渣金間外加直流電場無污染脫氧》(李建朝，張捷宇，魯雄剛，等，過程工程學報，2006增刊)，公開了在鋼液與Al2O3-CaO-MgO熔渣間施加穩定的直流電場，進行鋼液的脫氧方法。該方法通過外電場誘導鋼液和熔渣中離子的遷移，對鋼液中溶解氧具有良好的脫除效果。《可控氧流冶金》(高運明、姜英、張華，等，武漢科技大學學報(自然科學版)，2007，第五期)公開了利用電化學原理控制鋼液中氧流的方法。此外《渣金間外電場無污染脫氧法的研究》(魯雄剛，梁小偉，袁威，等，金屬學報2005年第二期)也公開了利用渣金間施加直流電場誘導熔體內帶電離子有序運動的方法。由于焊接冶金過程與煉鋼冶金過程在本質上具有相似之處，在焊接過程中渣金間實施外電場的作用也必然會引發熔渣及液態金屬內部電導載流體的某些有序運動。但熔渣的導電性能相比金屬而言又差得多，為此若能設法改善焊接過程中熔渣的導電性能，也就能對這種外電場作用下熔體內部的有序運動加以有效地利用，這將有可能從一個全新的角度開辟焊接冶金質量控制的新途徑。筆者在對焊接過程渣金間施加外電場控制氧化夾雜物研究的基礎上，通過試驗研究發現，在一定條件下外電場對焊接工藝還存在一些有益作用，這對解決焊接過程的穩定性具有良好的應用價值。

發明內容
要解決的技術問題針對現有技術中存在的壓力容器等重要鋼結構制造中焊縫咬邊及成形缺陷帶來的焊后返修工作等問題，本發明提供了一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置及其使用方法，它可以對渣金電導載流進行導流，進而實現穩弧效應。技術方案
本發明的目的通過以下技術方案實現。本發明的一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置，它包括焊炬和焊接主電路，它還包括可形成焊接輔助電場的輔助電路，所述的輔助電路包括直流電源和金屬導電電極，所述直流電源的負極接金屬導電電極，正極接母材金屬；所述的金屬導電電極為鶴棒。優選地，所述的鎢棒用絕緣樹脂夾頭固定在焊接機頭上且與導電嘴絕緣，此處必須注意鎢棒與導電嘴保持絕緣，否則焊接主電路電流將流經鎢棒，則起不到輔助電場的作 用。所述鎢棒的尖端距離焊絲末端5-8mm，焊接過程中鎢棒作為電極與焊接機頭作同步運動，該絕緣樹脂夾頭上設置有夾緊、松開旋鈕，用于將鎢棒夾緊，鎢棒位置固定后即將旋鈕夾緊，如需調節所述鎢棒的上下高度則可松開旋鈕，對鎢棒進行上下調整；所述的鎢棒與導線連接處用銅制夾片將導線芯線與所述鎢棒纏繞后夾緊。優選地，所述的直流電源為30V/50A的直流穩壓電源。由于交流電不能構成穩定的電場，因此必須采用直流電源，同時熔渣的導電率是有限的，渣金間流經的電流一般不能超過15A，因此選擇過大的電源電壓是沒有意義的。優選地，所述的鎢棒直徑為3. 2mm。一種所述的利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置的使用方法，使用時，所述的輔助電路中作為金屬導電電極的鎢棒的下端伸入液態焊渣內部。有益效果
相比于現有技術，本發明的優點在于
(1)基于鎢電極可發射大量電子，本發明的輔助電路以鎢電極作陰極向液態熔渣內部輸入大量自由電子，可極大地改善熔渣導電性能，并引導電子直接進入熔池以增強電弧陰極的電子發射能力，使焊接電弧更集中于熔池的中心部位；同時，輔助電場既可以使渣金內部的離子電導形成有序運動并在界面結合成低表面能的活性氧化物，又可改善液態熔渣在焊縫金屬表面的潤濕鋪展性能；
(2)本發明的技術方案在渣金間施加外電場后，不僅熔渣的導電性能得到較大的改善，也進一步改善了埋弧焊縫成形，使焊縫邊緣平直度增加、寬窄更為均勻，焊縫形狀更為光潔圓滑，能較好地克服咬邊等外觀缺陷，此時與現有的埋弧焊相比，更有利于焊接電弧的穩定燃燒，焊接工藝更穩定，焊縫成形也更為良好。


圖I為施加外電場的焊接原理示意 圖2為實施例I中的焊接電信號分析儀的電路結構示意 圖3為施加外電場和未施加外電場作用的焊縫成形及焊接形成的渣殼對比試驗照片；圖4為焊接電弧電壓概率密度分布，其中，圖4 (a)中外電源輸出電壓為30V，圖4 (b)中外電源輸出電壓為25V ；圖5為焊接電信號分析儀的系統軟件總體結構框圖。圖中標號說明1、液態焊渣；2、焊劑；3、電弧；4、熔池金屬；5、母材金屬；6、凝固
焊渣；7、焊縫金屬。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和具體的實施例，對本發明作詳細描述。如圖1，本發明的一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置，它包括焊炬和焊接主電路，還包括可形成焊接輔助電場的輔助電路，所述的輔助電路包括直流電源和金屬導電電極，所述直流電源的的負極接鎢棒，正極接母材金屬5。鎢棒用絕緣樹脂夾頭固定在焊接機頭上且與導電嘴絕緣，所述鎢棒的尖端距離焊絲末端5-8mm，該絕緣樹脂夾頭上設置有夾緊、松開旋鈕，用于將鎢棒夾緊；所述的鎢棒與導線連接處用銅制夾片將導線芯線與所述鎢棒纏繞后夾緊。 實施例I
本實施例I的焊接設備選用MZ-1000型埋弧焊機，電源極性采用直流反接法，以行走小車進行自動焊接。焊接材料為SJlOl燒結焊劑配合直徑4mm的H10Mn2焊絲。焊接時在厚度為14mm的Q235鋼板上進行表面堆焊，焊接規范焊接電流600-610A，電弧電壓30-34V，焊接速度33cm/min。本實施例的裝置的原理示意圖見圖1，以30V/50A的直流穩壓電源提供輔助外電場。穩壓電源的一輸出極接直徑為3. 2_的鎢棒，而另一輸出極與母材金屬5接通。如圖I中，變換Kl可改變輔助電源的輸出極性。將鎢棒用絕緣樹脂夾具固定在送絲機頭上，鎢棒與焊絲導電嘴相互絕緣。鎢棒的尖端距離焊絲末端5-8mm。試驗前通過試焊觀察穩壓電源的電流信號調整鎢棒上下高度，使其正好插入電弧3外圍的液態焊渣I內部，但又未進入熔池造成短路。焊接時接通輔助電路的直流電源，鎢棒隨同機頭作同步運動，這樣即在熔渣與熔池之間施加了一輔助外電場。在其它工藝完全相同的條件下進行施加外電場和不施加外電場焊接試驗。為探討外電場作用對焊接電弧3的影響，應用自行研制的焊接電信號分析儀對焊接過程電弧3電壓進行數據采集及分析。該焊接電信號分析儀的系統硬件結構如圖2所示，具備焊接電信號采集、實時顯示與回放、焊接電信號統計圖形和統計參數的自動獲取等功能。該分析儀由焊接電流與電壓傳感器、信號調理電路、數據采集卡和計算機組成。其中焊接電流與電壓傳感器采用閉環(補償)式霍爾傳感器，該傳感器輸入輸出高度隔離，可實現測量回路與焊接主回路高度絕緣，非常適合焊接測試過程中的強烈電磁干擾環境。數據采集卡選用的是美國NI公司的USB-6210。USB-6210為USB總線供電多功能數據采集卡，即插即用，使用非常方便。該卡的主要性能指標為16路16位模擬輸入，單通道最高采樣頻率為250 kHz，滿足焊接電信號的數據采集頻率與精度要求。采集的焊接電流與電壓信號經計算機處理后由顯示器實時顯示電流與電壓波形，同時將采集的原始數據存盤，用于焊后波形回放和數據分析。系統軟件設計如下
焊接電信號分析儀采用LabVIEW 8. 2作為開發平臺，分析儀的系統軟件總體結構如圖5所示。軟件采用模塊化設計，分為數據采集、波形回放、數據分析和數據庫四個模塊，往下再細分若干模塊。由于LabVIEW程序具有完全模塊化特點，可以隨時添加/刪除功能模塊，不影響其它模塊的功能，這對于系統維護和更新是非常有利的。數據采集模塊主要完成焊接電流與電壓信號采集與波形實時顯示，同時實現原始數據保存。數據以LabVIEW最新的TDMS文件格式進行保存，具有保存、讀取速度快，便于把測試相關信息隨同數據文件進行保存的優點。數據回放模塊設計對于本系統是相當重要的。分析焊接電信號時，往往不可以對整個數據文件進行分析，因為焊接過程充滿很多不確定性因素，如焊接操作者操作不穩時的信號特點和穩定燃弧過程中的信號特點就很不一樣，而后面的數據分析如果要求分析穩定燃弧過程的信號特征，就需從整個數據文件中提取穩定燃弧過程的數據段重新進行保存。為此，數據回放模塊既要提供豐富的數據回放操作功能，以方便使用者從很長的波形中選擇自己需要重點分析的波形段，又要保證使用者能對感興趣的數據段重新保存。本系統在回放功能設計時，充分考慮到這兩點，對于第一方面的要求，模塊提供手動和自動回放兩
種模式，每次回放的數據量能自由選擇，這樣便于操作者在信號特征的清晰度和回放速度找到一個平衡點。對于自動回放功能，系統還能無極調節回放速度。對于第二方面的要求，系統利用游標捕捉需重新保存數據段的開始點和結束點，然后程序保存開始點和結束點之間的數據，從而實現感興趣數據段的選擇與保存。由于保存的數據為未經濾波的原始數據，在回放模塊中還提供了是否濾波的功能選項。數據分析模塊主要包括的功能有繪制焊接電流與電壓概率密度分布圖，短路時間、燃弧時間等主要參數的頻數圖，U-I (焊接電壓一焊接電流)圖；提取平均短路時間、短路時間標準差等二十幾個反映熔滴過渡信息的統計參數。在該模塊中，除了概率密度圖和U-I圖的繪制比較簡單外，其它功能的實現涉及到比較復雜的算法，用LabVIEW圖形化編程實現起來很復雜，實踐表明，當LabVIEW圖形化編程遇到限制時，可以采用以LabVIEW為主，LabVIEW和C語言混合編程的方法來解決。本系統通過LabVIEW中的CLF (Call LibraryFunction Node)節點調用動態鏈接庫(DLL文件)來進行LabVIEW和C語言混合編程，進而順利實現焊接電流與電壓數據的分析功能。其方法是，首先用C語言實現分析算法，然后把這些功能構建在DLL文件中，再在LabVIEW程序中使用CLF節點來調用編寫保存好的DLL文件實現數據分析功能。數據庫模塊主要是實現記錄查詢和報表打印。由于埋弧焊過程熔滴過渡具有周期性特征，焊接電弧3電壓信號呈現鋸齒狀的波形，直接根據該波形很難區分比較施加外電場前后兩者的不同之處。為此，利用上述的焊接電信號分析儀，本次試驗對采集的電弧3電壓信號作概率密度分布統計分析，以比較施加外電場和不施加外電場信號的變化情況。將焊接電信號分析儀接到焊接電弧3的陰極和陽極，即可進行電弧3的數據采集。下面對本實施例I中施加的外電場的穩弧效應做如下分析
(O下面進行外加電場施加效果試驗。試驗顯示，輔助電場的直流電源的輸出極性在一定程度上影響到外電場的施加效果。當外加輔助電源的正極與鎢電極相接時，渣金間作用的電壓不穩定，相應的電流波動較大。但當改變輔助電源的極性，使其負極與鎢電極連通，此時設置輔助電場的直流電源輸出電壓為20-30V時，渣金間即可形成十分穩定的5-8A的輔助電流，與此同時，渣金間的電壓也下降并穩定在10-12V間。當外加輔助電場的直流電源的初始輸出電壓設置為零時，測試出洛金間的電流仍為零，表明未施加外電場時洛金間并未形成穩定的離子流向。在通常情況下，熔渣的導電性能主要取決于熔融的氧化物在高溫條件下電離出的離子電導，而液態金屬的導電性能則取決于內部的電子電導。相比之下，熔渣的導電性能遠不如熔池金屬4。當渣金間施加一外電場且鎢電極作陰極時，金屬鎢在高溫下發射出大量的電子，這些電子在電場作用下進入液態焊渣I內部極大地增強了熔渣的導電能力，促使渣金間形成十分穩定的電流。而當外電源極性改變為鎢電極作陽極時，由于鎢電極此時充當接受外來電子的作用，且發射的電子在電場作用下逆著電場方向而與流向熔池金屬4的方向相反，熔渣的導電性能并未得到很好地改善，因而渣金間不易形成穩定的電流。此外，鎢電極的插入位置也對輔助電流的形成構成較大的影響。由于焊劑2僅在熔融狀態才具有導電性能，當輔助電源的電流顯示為零，而電壓顯示為初始設置電壓時，表明此時鎢電極尚為插入熔渣內部。當輔助電源電流顯示為22-25A，電壓顯示接近于零時，則表明電極已插入熔池金屬4造成了短路。因此，根據渣金間流經的電流及相應的電壓信號，可以對鎢電極的插入位置進行有效控制。
(2)下面分析外電場對焊縫成形的影響。圖3示出了在外電源初始輸出電壓設置為30V、鎢電極接負極條件下，渣金間流經7-8A的穩定電流時，施加外電場和未施加外電場作用的焊縫成形及焊接形成的渣殼對比試驗照片。試驗結果顯示，施加外電場作用后，焊縫邊緣明顯變得更為平直，焊址部位焊縫與母材的齒合鑲嵌現象得到較好的改善，焊道寬窄均勻性顯著提高；同時焊縫表面光潔度也得到改觀，焊縫橫截面呈現更為明顯的圓弧形狀，有效地消除了未施加外電場時焊縫中心部位因枝晶交遇導致的壓跡缺陷。上述焊縫成形十分有利于咬邊缺陷的防止，是一種高穩定性焊接工藝的焊縫成形。焊縫成形的改善主要得益于施加外電場對焊接主電路有導流穩弧效應。由于施加外電場使鎢電極向液態焊渣I補充了大量的電子電導，并且在外電場作用下這些電子電導直接流向熔池金屬4。對于直流反極性的埋弧焊接而言，作為陰極的熔池金屬4相當于輸入了額外的自由電子流。然而熔池金屬4又處于焊接主回路中，在電弧3電壓的作用下陰極向電弧3發射電子的能力得到進一步加強。由于增加的陰極電子發射主要集中在接受了電子電導的熔池內部，而焊接電弧3又具有自動尋找陰極發射電子部位的特性。這樣焊接電弧3將更加集中在熔池部位。同時熔池發射的自由電子又促使熔池上方電子碰撞中性粒子發生電離以增強電弧3的穩定性，由此作用于熔池上方的電弧3將更加趨于穩定，這顯然有利于熔池幾何尺寸維持動態恒定。因而形成的焊縫邊緣平直度顯著增加，大大消除了焊道與母材的齒合鑲嵌現象，十分有利于防止咬邊缺陷。與此同時，渣金間外電場作用又有利于熔渣中陰離子及熔池中陽離子向渣金界面遷移。由于鎢電極向熔渣內部提供了源源不斷地自由電子流，大量自由電子的補入使得熔池中Si4+、Al3+、Ca2+、Ti4+氧化物形成元素只得加速向熔渣方向遷移，才能維持熔體的電荷平衡。這些正離子遷移至熔渣-熔池界面即被還原或進入熔渣內部繼續遷移至電極被還原。這種定向遷移一直持續到熔池尾部直至形成凝固焊渣6，因而熔池凝固前形成的夾雜物得到有效地分散。這顯然有利于焊縫金屬7形成細小而分散的夾雜物。在這過程中，與氧親和力強的Ti、Al、Si等元素易于在界面優先形成Ti02、A1203、SiO2等低表面能活性物質，這些低表面能活性物質在焊縫凝固過程中又能較好地改善液態熔渣在焊縫表面的潤濕鋪展性能，因此在一定程度上有利于焊縫表面光潔度的提聞。(3)下面對弧壓信號進行統計分析
圖4為用焊接電信號分析儀對施加外電場和不施加外電場兩種條件下焊接電弧3電壓實時采集，進而統計出的各種電壓值的概率密度分布曲線。結合圖4 (a)、圖4 (b)所示，從弧壓信號統計出的電弧3電壓概率分布密度來看，施加外電場后概率密度分布曲線有向左漂移的趨勢，特別是作為概率取值最大的峰值存在一定的 向低壓方向移動 的現象。表明總體上電弧3空間的電導載流子增多，維持電弧3穩定燃燒所需的電壓自發適當降低。同時施加外電場作用后，高電弧電壓區域的概率也更低，這也說明施加外電場作用后電弧3電壓更易于在低值狀態下維持電弧3的穩定燃燒。一般來講，電弧3電壓呈現低值伴隨著電弧3空間擁有較多的導電載流子，只需較低的電壓就足以維持電弧3的穩定燃燒。反之當電弧3空間的導電載流子不足時，則必需提高電弧3電壓以增強電離及電子發射作用，才能維持電弧3的穩定燃燒。從弧壓信號的統計分析結果也可進一步證實外電場的導流作用使熔池發射電子的能力有所增強從而產生一定的穩弧效應。以上示意性地對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明創造的實施方式之一，實際并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的方案及實施例，均應屬于本發明創造的保護范圍。
權利要求
1.一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置，它包括焊炬和焊接主電路，其特征在于，它還包括可形成焊接輔助電場的輔助電路，所述的輔助電路包括直流電源和金屬導電電極，所述直流電源的負極接金屬導電電極，正極接母材金屬(5);所述的金屬導電電極為鶴棒。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的鎢棒用絕緣樹脂夾頭固定在焊接機頭上且與導電嘴絕緣，所述鎢棒的尖端距離焊絲末端5-8mm，該絕緣樹脂夾頭上設置有夾緊、松開旋鈕，用于將鎢棒夾緊；所述的鎢棒與導線連接處用銅制夾片將導線芯線與所述鎢棒纏繞后夾緊。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的直流電源為30V/50A的直流穩壓電源。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述的鎢棒直徑為3.2mm。
5.一種權利要求I所述的裝置的使用方法，其特征在于，使用時，所述的輔助電路中作為金屬導電電極的鎢棒的下端伸入液態焊渣(I)內部。
全文摘要
本發明公開了一種利用埋弧焊渣金間隨焊施加輔助外電場實現穩弧效應的裝置及其使用方法，屬于埋弧焊接領域。它包括焊炬和焊接主電路，它還包括可形成焊接輔助電場的輔助電路，所述的輔助電路包括直流電源和金屬導電電極，所述直流電源的負極接金屬導電電極，正極接母材金屬；所述的金屬導電電極為鎢棒。本發明的技術方案在渣金間施加外電場后，不僅熔渣的導電性能得到較大的改善，也進一步改善了埋弧焊縫成形，使焊縫邊緣平直度增加、寬窄更為均勻，焊縫形狀更為光潔圓滑，能較好地克服咬邊等外觀缺陷，此時與現有的埋弧焊相比，更有利于焊接電弧的穩定燃燒，焊接工藝更穩定，焊縫成形也更為良好。
文檔編號B23K9/18GK102873432SQ201210372610
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者李曉泉, 楊宗輝 申請人:南京工程學院