双电弧与冷丝脉冲复合焊接的三丝焊枪及焊接系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接工程技术领域，更具体地说涉及一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接 三丝焊枪及焊接系统及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的迅猛发展极大地推动了焊接技术 的进步。产品、材料、使用条件的多样性，对焊接效率和质量的要求越来越高，如何用优质、 高效的焊接技术来满足当前工业发展的需要是焊接工作者面临的重要任务。因此提高焊接 生产效率和焊接质量、实现焊接自动化生产、减少焊接缺陷成为实际生产的迫切要求。
[0003] 国外主要以德国、日本、奥地利、瑞士等公司为首已经在多根焊丝配以单个或多个 电源方面开展了大量的研宄工作，主要开发Tandem、Twin Arc焊接工艺、T. I. M. E焊接工 艺、Rapid-Melt焊接工艺、Consumable double-electrode GMAW焊接工艺等，在提高焊接生 产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用性的成果。国内也先后由山东大学、兰州理工大 学、天津大学等开展了各种双丝焊高效焊接技术，并先后研发了双丝间接电弧氩弧焊、双丝 旁路耦合电弧高效MIG焊、高效双丝MIG/MAG脉冲焊等技术。
[0004] 目前开展的有关双丝MIG/MAG焊的研宄已经日趋成熟，众所周知，稳定的双丝焊 可以在一定程度上提高焊接效率，改善焊接质量，那么如何在双丝焊的基础上进一步实现 焊接效率的提高是我们最为关心的问题。考虑到双丝焊是基于两电弧耦合的方式，是一种 多电弧焊接方法。多电弧焊接方法的基本出发点是在保持焊接热输入基本不变的情况下， 通过多路电弧的耦合作用提高焊接效率。
[0005] 目前针对三丝焊的研宄主要集中在焊接工艺研宄和数值模拟研宄，其中有关焊接 工艺方面的研宄总结如下。
[0006] (1)三熔化极MAG高速焊
[0007] 在造船及桥梁建造上，角焊缝扮演了重要的角色。尤其在造船业，水平角焊缝的长 度占总体焊缝长度约70%，因此如何同时保证焊接效率和焊接质量显得尤为重要。目前共 恪池的双丝焊工艺被广泛应用于角焊缝的焊接中，其最大焊接速度可达I. 5m/min。两对电 极并列安置在腹板两侧，且每对电极形成共同的熔池，目前当焊速达I. 2-1. 3m/min时可获 得满意的角焊缝成形。为了进一步提高最大焊接速度，因此必须相应地增加焊接电流，但 当焊接电流达到500A时，电弧干扰严重，降低了熔池的稳定性，导致焊缝成形变差，飞溅增 加。
[0008] 为了解决上述工艺难点，日本的神户制钢造船厂在传统的双丝焊接工艺基础上， 采用双明弧加热填丝的三丝焊接工艺。通过降低由焊接电流增加引起的电弧干扰以及电弧 偏吹，进而保证焊缝成形。三丝MAG焊的系统示意图如图2所示，填充焊丝作为第三根电极 添加在引导焊丝和跟随焊丝之间，引导弧与跟随弧设计成一直线，可以作相对的偏移微调， 并各有转动轴。引导和跟随焊丝极性为DCEP，而中间的填充焊丝采用DEEN，填充焊丝上电 流产生的磁场降低了引导焊丝和跟随焊丝之间的电弧干扰，此外，填充焊丝起到冷却熔池 的作用，增加了熔池内流体的粘度，进而提高了熔池的稳定性。焊后气孔较少，焊缝成形良 好。三丝MAG焊时，即使焊接速度达2. Om/min，所形成的熔池比双丝焊时更为稳定，因此可 以获取好的焊缝成形及抗气孔能力。
[0009] 但是焊接时三根焊丝由三台独立的焊接电源控制，独立处在三个焊枪中，实际上 是三个熔化极电弧的简单叠加，电弧与电弧之间无法实现通信，存在电弧可控性差，难以精 确控制三根焊丝的熔化及熔滴过渡的问题，此外由于采用电流相位控制，当焊丝距离较近 时，三根焊丝独立供电会因电磁力形成相互干扰。
[0010] (2)辅助冷丝埋弧焊（ICEtm)
[0011] 在2012年第十七届北京埃森焊接与切割展览会上，伊萨公司提出了全新的辅助 冷丝埋弧焊工艺（ICE?)。它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 来熔化冷丝。它是伊萨焊接与切割设备有限公司在埋弧焊领域的最新突破性技术发展，能 够大幅度提高生产效率，增加焊接速度，降低焊剂消耗，降低热输入量和变形，节能，更高效 率打底，更平滑盖面。
[0012] ICE焊枪中间的冷丝电气上绝缘，从两根导电的热丝中间平行穿入。冷丝由一个独 立的送丝机送丝，冷丝送丝速度可以独立控制。而两根热丝由一个直流电机驱动以相同速 度送丝。冷丝送丝速度由PEK控制和调节，并按照热丝送丝速度的百分比来设定。当设定 焊接参数时，只有一个额外的参数需设置，即冷丝送丝速度百分比。ICE?具有以下7个最 突出的优点：
[0013] 1.增加熔敷率。ICE?相对于单丝埋弧焊可以增加 100%的熔敷率，相对于单弧双 丝埋弧焊可以增加 50 %的熔敷率。
[0014] 2.增加焊接速度。更高的熔敷率和更好的焊接稳定性意味着可以使用更高的焊接 速度。
[0015] 3.降低热输入量和变形。在同样的熔敷率或者同样的焊接速度的前提下，ICE?可 以降低热输入量。对于容易变形的薄板和对热输入量敏感的材料，这是一个非常重要的优 点。ICE?特别适合船厂的板拼接生产线以降低焊接变形。
[0016] 4.高效率打底。使用前置单丝与ICE?复合焊可以实现高效率打底。一般前丝使 用4mm焊丝直流反接，ICE?焊枪使用交流进行焊接。
[0017] 5.平滑盖面。使用ICE?比传统埋弧焊更容易实现平滑盖面。因为可以只调节冷 丝送丝速度来调节余高，它不会改变热输入量，熔深以及机械性能。
[0018] 6.节能。ICE?使用额外的热量来熔化更多的焊丝，减少了能量消耗和能源费用。 与单丝埋弧焊相比，ICE?可节约能源约50%。与单弧双丝埋弧焊相比，ICE ?可节约能源约 33%〇
[0019] 该项技术被金属加工杂志社评为2012年焊接与切割行业十大创新技术。但是该 焊接方法不适用较小焊接参数。因中间焊丝不导电，在较小焊接参数下，另两条焊丝产热量 较小，则冷丝不易熔化，导致形成焊缝缺陷。
【发明内容】
[0020] 本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊 枪，在双电弧中加入冷丝，既提高焊接效率（焊接熔敷率），又能通过冷丝的加入起到镇定 熔池（增加熔池粘度），降低热输入的作用，且将两根焊丝以及一根冷丝集成在一把焊枪 中，实际焊接时仅用一把焊枪，操作简单便捷。
[0021] 本发明克服了现有技术中的不足，还提供了一种双电弧与冷丝脉冲复合焊接系统 及方法，采用脉冲电流进行焊接，其加热方式不同于普通直流焊接，周期性的脉冲电流可以 对熔池金属产生震荡作用，增强对熔池的搅拌作用，从而细化晶粒，提高焊缝韧性，改善焊 缝性能。
[0022] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0023] 双电弧与冷丝脉冲复合焊接三丝焊枪，包括焊枪主体、第一引导焊丝导电管、第一 引导焊丝导电嘴、第二引导焊丝导电管、第二引导焊丝导电嘴、冷丝导电管、冷丝导电嘴、第 一引导焊丝（即附图中的引导焊丝1)、第二引导焊丝（即附图中的引导焊丝2)以及冷丝， 所述焊枪主体内设置有所述第一引导焊丝导电管、所述第二引导焊丝导电管以及所述冷丝 导电管，所述第一引导焊丝导电管与所述第一引导焊丝导电嘴相连，所述第二引导焊丝导 电管与所述第二引导焊丝导电嘴相连，所述导电管内设置有焊丝，所述冷丝导电管与所述 冷丝导电嘴相连，所述第一引导焊丝设置在所述第一引导焊丝导电管内，所述第二引导焊 丝设置在所述第二引导焊丝导电管内，所述冷丝设置在所述冷丝导电管内，所述冷丝导电 管与所述第一引导焊丝以及所述第二引导焊丝在工件表面的投影点为等边三角形的三个 顶点，所述第一引导焊丝与所述第二引导焊丝在工件表面的投影点之间的距离为l〇_15mm， 所述冷丝导电管、所