專利名稱：氣體熔池耦合活性焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活性焊接方法。
背景技術(shù)：
鎢極氬弧焊，即TIG焊(Tungsten Inert Gas welding)，是現(xiàn)代工業(yè)制造中廣泛采用的一種惰性氣體保護焊，是常規(guī)焊接方法中高質(zhì)量焊接的代表，但常規(guī)鎢極氬弧焊完成單道焊一次成形的板厚小，一般在3mm以下。活性化焊接技術(shù)可顯著增加焊接熔深，提高焊接效率，克服傳統(tǒng)鎢極氬弧焊的缺點，因而引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，包括烏克蘭PWI、 美國EWI、英國TWI和日本的JWRI在內(nèi)的四大焊接研究機構(gòu)都展開了相關(guān)研究?；钚訲IG 焊接技術(shù)中以A-TIG焊(Activating flux TIG welding)為代表，通過在常規(guī)TIG焊前在待焊試板的表面涂敷一層很薄的活性劑，使得熔深顯著增加，對于板厚IOmm的不銹鋼板， 可不開坡口一次焊接完成，而常規(guī)TIG焊需焊接6道才能完成，焊接效率成倍增加。對于活性TIG焊接方法熔深增加機理，人們先后提出過很多理論，但迄今為止還沒有形成統(tǒng)一的認識，其中影響最大的是電弧收縮理論和熔池金屬表面張力溫度系數(shù)改變理論。根據(jù)活性元素的引入方式不同，現(xiàn)有的活性TIG焊接方法主要分為三種類型第一類采用在常規(guī)TIG焊前在待焊焊道表面涂敷活性劑的方法引入活性元素，如A-TIG焊和 FB-TIG焊等；第二類是通過活性氣體(0)2或02)引入活性元素，活性氣體的引入方式可分為兩種，第一是采用惰性氣體與A或者ω2的混合氣體保護進行鎢極電弧焊，它須將混合保護氣體中活性氣體CO2或O2的含量控制在0. 1-0. 3%之間，另一種是采用日本學(xué)者H. Fujii 提出的AA-TIG焊(Advanced A-TIG welding)方法，即利用雙層保護氣體進行TIG焊，內(nèi)層為純He，外層為He+A或He+C02，外層混合氣體中仏或者(X)2的含量只須控制在0. 2-2. 0% 之間；第三種類是蘭州理工大學(xué)提出的電弧輔助活性TIG焊方法(AA-TIG焊，Arc Assisted activating TIG welding)，通過在常規(guī)TIG焊前以活性混合氣體作為保護氣，采用小電流鎢極電弧預(yù)熔待焊焊道表面，生成一層氧化層，起到活性劑的作用，也可顯著增加熔深，實現(xiàn)自動化焊接。但是在實際應(yīng)用中，第一類活性TIG焊接方法需要針對不同的母材金屬研發(fā)專用的活性劑材料，并且生產(chǎn)過程中增加了一道手工涂敷活性劑的工序，影響了焊接工藝的穩(wěn)定性和焊接生產(chǎn)效率；第二類活性TIG焊接方法中，采用活性混合氣體焊接須嚴格控制活性氣體中活性元素0的含量，需要高精度氣體配比器，設(shè)備成本高，而采用雙層氣體焊接， 需要采用He氣作為內(nèi)層保護氣體，焊接成本高，實用性較差；第三類活性TIG焊接方法由于需要兩個電弧，這樣會導(dǎo)致設(shè)備投入成本增高和熱量輸入增大，或者焊接效率低于第二類方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氣體熔池耦合活性焊(GPCA焊，Gas PoolCoupled Activating welding)的方法。
3
本發(fā)明是氣體熔池耦合活性焊接方法，采用專用于氣體熔池耦合活性焊接的焊槍，該焊槍的內(nèi)噴嘴7與導(dǎo)電嘴4的下端相連，并將內(nèi)外兩層氣體分開，內(nèi)層氣體由螺套1 上的進氣管路導(dǎo)入后進入導(dǎo)電嘴4，通過導(dǎo)電嘴4的下部均布的出氣孔進入內(nèi)噴嘴7，外噴嘴8通過螺紋與槍體5的外部相連，外層進氣管11安裝在槍體5的側(cè)壁上，采用內(nèi)外兩層氣體進行鎢極電弧焊，通過調(diào)節(jié)內(nèi)噴嘴7與外噴嘴8之間的間隙，微調(diào)外層氣體與熔池表面的耦合面積，控制活性元素0或者N的引入量，改變?nèi)鄢豈arangoni對流，細化晶粒，增加焊縫熔深。外層氣體與熔池的耦合示意圖如圖2所示，通過外層氣體中的化或者CO2引入活性元素0的作用在于改變?nèi)鄢亟饘俦砻鎻埩囟认禂?shù)，控制熔池金屬流動形態(tài)，增加熔深。 通過外層氣體中的隊弓丨入元素N，一則利用隊在電弧中的熱解理收縮電弧，達到進一步增加熔深的目的；再則N元素為強固溶強化元素，可促進晶粒細化，增加焊縫沖擊韌性，提高焊縫性能。0元素或者N元素的引入量，可通過調(diào)節(jié)外層氣體的氣流量或者混合氣體的配比來進行粗調(diào)，并可通過調(diào)節(jié)外層氣體與熔池金屬的耦合面積(也即耦合量)來進行微調(diào)，從而達到精確控制焊縫成形和質(zhì)量的目的。該方法可用于TIG焊、MIG/MAG焊、等離子弧焊等。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、與傳統(tǒng)的活性焊相比，不需要涂敷活性劑，避免了手工涂刷活性劑的工序，提高了焊接效率；2、不需要添加額外的焊接裝置，便可精確控制N元素或0元素的引入量，生產(chǎn)成本更低，應(yīng)用性更強；3、可同時引入元素0和N，既增加熔深，又提高焊縫性能；4、工藝穩(wěn)定性強，可操作性好，方便實現(xiàn)全自動化焊接生產(chǎn)。


圖1為實施本發(fā)明所用焊槍的整體結(jié)構(gòu)示意圖，附圖標記及對應(yīng)名稱為螺套1， 墊圈2，鎢極夾頭3，導(dǎo)電嘴4，槍體5，鎢極6，內(nèi)噴嘴7，外噴嘴8，第一氣篩9，第二氣篩10， 外層進氣管11，水電系統(tǒng)12，絕緣套13。圖2為氣體熔池耦合活性焊外層氣體與熔池耦合的示意圖。圖中A為含元素N或活性元素0的外氣體與熔池的耦合區(qū)域，通過該區(qū)域的耦合作用，改變液態(tài)金屬的流動方式，提高焊縫的性能，B為熔池，C為工件；內(nèi)層氣體為惰性氣體，如Ar氣或He氣，外層氣體為單一的含N元素的氣體(N2)或含活性元素0的氣體( 或CO2)，或者兩者的混合氣體 (N2+O2 或 N2+CO2)。圖3a是外層噴嘴輸送的氣體為(X)2時，氣體熔池耦合活性焊的焊縫形貌，圖北則為外層噴嘴輸送與圖3a中(X)2氣體等量的Ar氣時的焊縫形貌，圖3c則為不添加外層氣體時的焊縫形貌。圖3a、圖3b、圖3c中的內(nèi)層氣體均為等量的Ar氣。圖4中的內(nèi)層氣體均為Ar氣，外層氣體為N2+0)2混合氣體時，氣體熔池耦合活性 TIG焊的焊縫形貌；其中圖如中，外層氣體中的N2氣含量為0%，圖4b中，外層氣體的N2氣含量為10 %，圖如中，外層氣體的N2氣含量為30 %，圖4d中，外層氣體的N2氣含量為50 %。圖5是內(nèi)層氣體為Ar氣，外層氣體為N2+0)2混合氣體時，氣體熔池耦合活性TIG 焊的焊縫金屬沖擊韌性變化圖。
圖6是內(nèi)層氣體均為Ar氣，而外層氣體分別為(X)2和N2時，氣體熔池耦合活性TIG 焊焊縫金屬的沖擊功與母材金屬的沖擊功的對比圖，其中1是外層氣體為(X)2時，氣體熔池耦合活性焊TIG焊焊縫金屬的沖擊功，2為外層氣體為隊時，氣體熔池耦合活性焊TIG焊焊縫金屬的沖擊功，3為母材金屬的沖擊功。
具體實施例方式本發(fā)明是氣體熔池耦合活性焊接方法，采用如圖1所示的專用于氣體熔池耦合活性焊接的焊槍，該焊槍的內(nèi)噴嘴7與導(dǎo)電嘴4的下端相連，并將內(nèi)外兩層氣體分開，內(nèi)層氣體由螺套1上的進氣管路導(dǎo)入后進入導(dǎo)電嘴4，通過導(dǎo)電嘴4的下部均布的出氣孔進入內(nèi)噴嘴7，外噴嘴8通過螺紋與槍體5的外部相連，外層進氣管11安裝在槍體5的側(cè)壁上，其特征在于采用內(nèi)外兩層氣體進行鎢極電弧焊，通過調(diào)節(jié)內(nèi)噴嘴7與外噴嘴8之間的間隙，微調(diào)外層氣體與熔池表面的耦合面積，控制活性元素0或者N的引入量，改變?nèi)鄢豈arangoni對流，細化晶粒，增加焊縫熔深。以上所述的氣體熔池耦合活性焊接方法，內(nèi)層氣體為惰性氣體Ar或者He，外層氣體為單一的含N元素的氣體(N2)或含活性元素0的氣體( 或CO2)，或者兩者的混合氣體 (N2+O2 或 N2+CO2)。0元素或者N元素的引入量，可通過調(diào)節(jié)外層氣體的氣流量或者混合氣體的配比來進行粗調(diào)，再通過調(diào)節(jié)外層氣體與熔池金屬的耦合面積來進行微調(diào)?？赏瑫r引入元素0和N，既增加熔深，又提高焊縫沖擊韌性。本發(fā)明可用于TIG焊，或者MIG/MAG焊，或者等離子弧焊。以不銹鋼304為例。焊接前先用丙酮擦拭工件表面以除去表面油污，然后用砂輪清理工件表面，直到露出金屬光澤為止。焊接前首先調(diào)整好內(nèi)外層氣體的氣流量及外層氣體的配比，然后調(diào)整氣體與熔池的耦合面積，最后調(diào)節(jié)所需的其他焊接工藝參數(shù)。焊接時， 內(nèi)外噴嘴同時進氣，內(nèi)層為惰性保護氣體，外層為單一的含N元素的氣體(N2)或含活性元素0的氣體(O2或CO2)，或者兩者的混合氣體( + 或N2+C02)，通過在鎢極與工件之間產(chǎn)生電弧，實現(xiàn)焊接。其焊接方法示意圖如圖2所示。實施例1 本實施例中，內(nèi)層氣體為Ar氣，氣流量為4L/min，外層氣體為單一的CO2或Ar，氣流量為8L/min，焊接電流為160A，焊接速度為120mm/min，鎢極伸出長度2mm，電弧長度2mm。圖3a是外層氣體為CO2時，氣體與熔池耦合焊后的焊縫形貌，其中內(nèi)層氣體為Ar 氣；圖北為內(nèi)外層均通Ar氣時的焊縫熔深；圖3c為內(nèi)層只通氣體Ar，沒有外層氣體時的焊縫熔深。將圖3a和圖北相比較，證實含有活性元素0的外層氣體能與熔池金屬耦合，并顯著增加焊縫熔深；圖北和圖3c的熔深幾乎相同，說明外層氣體對熔池的沖擊沒有明顯影響焊縫熔深。實施例2 本實施例中，內(nèi)層氣體為Ar氣，氣流量為4L/min，外層氣體為N2和(X)2的混合氣體，氣流量為lOL/min，焊接電流為160A，焊接速度為80mm/min，鎢極伸出長度3mm，電弧長度 3mm。如圖4所示，圖如中的外層氣體為純CO2，焊縫熔深4. 98mm，熔寬9. 64mm，深寬比為0. 52 ；圖4b中的外層氣體添加了 10 %的N2，焊縫熔深4. 61mm，熔寬8. 42mm，深寬比為0. 55 ； 圖4c中的外層氣體添加了 30%的N2，焊縫熔深7. 19mm，熔寬9. 31mm，深寬比為0. 77 ；圖4d 中的外層氣體添加了 50%的N2，焊縫熔深7. 17mm，熔寬8. 66mm，深寬比為0.83。在焊接過程中，往熔池中添加一定比例的0元素后，可以改變Marangoni的對流方式，使其從熔池的表面流向熔池的底部，可有效傳輸電弧能量到熔池底部，顯著增加熔深。當隊與(X)2元素混合，同時引入N元素和0元素后，焊縫的深寬比從0. 52增加到0. 83，說明引入N元素有助于電弧的收縮，使得熔深進一步增加。如圖5所示，焊縫的沖擊功隨增氮含量的增加而增加， 表明引入N元素確實能改善焊縫的沖擊韌性。實施例4:本實施例中，內(nèi)層氣體為Ar氣，氣流量為4L/min，外層氣體為單一的N2或0)2，氣流量為lOL/min，焊接電流為160A，焊接速度為80mm/min，鎢極伸出長度3mm，電弧長度3mm。如圖6所示，對比了不同條件下焊縫金屬與母材金屬的沖擊功，比較1和2，證實當引入一定比例的O元素后，與母材金屬相比，焊縫金屬的沖擊韌性明顯下降；2與3的沖擊功接近，明顯高于1，說明添加一定比例的N元素后，可以改善焊縫的沖擊韌性。
權(quán)利要求
1.氣體熔池耦合活性焊接方法，采用專用于氣體熔池耦合活性焊接的焊槍，該焊槍的內(nèi)噴嘴⑵與導(dǎo)電嘴⑷的下端相連，并將內(nèi)外兩層氣體分開，內(nèi)層氣體由螺套⑴上的進氣管路導(dǎo)入后進入導(dǎo)電嘴G)，通過導(dǎo)電嘴的下部均布的出氣孔進入內(nèi)噴嘴(7)，外噴嘴(8)通過螺紋與槍體( 的外部相連，外層進氣管(11)安裝在槍體( 的側(cè)壁上，其特征在于采用內(nèi)外兩層氣體進行鎢極電弧焊，通過調(diào)節(jié)內(nèi)噴嘴(7)與外噴嘴(8)之間的間隙，微調(diào)外層氣體與熔池表面的耦合面積，控制活性元素0或者N的引入量，改變?nèi)鄢豈arangoni 對流，細化晶粒，增加焊縫熔深。
2.按照權(quán)利要求1所述的氣體熔池耦合活性焊接方法，其特征在于內(nèi)層氣體為惰性氣體Ar或者He，外層氣體為單一的含N元素的氣體(N2)或含活性元素0的氣體(O2或CO2)， 或者兩者的混合氣體( + 或N2+C02)。
3.按照權(quán)利要求1和2所述的氣體熔池耦合活性焊接方法，其特征在于0元素或者 N元素的引入量，可通過調(diào)節(jié)外層氣體的氣流量或者混合氣體的配比來進行粗調(diào)，再通過調(diào)節(jié)外層氣體與熔池金屬的耦合面積來進行微調(diào)。
4.按照權(quán)利要求2所述的氣體熔池耦合活性焊接方法，其特征在于可同時引入元素0 和N，既增加熔深，又提高焊縫沖擊韌性。
5.按照權(quán)利要求1所述的氣體熔池耦合活性焊接方法，該方法可用于TIG焊，或者 MIG/MAG焊，或者等離子弧焊。
全文摘要
氣體熔池耦合活性焊接方法，屬于活性焊接領(lǐng)域，在焊接過程中采用內(nèi)外兩層不同的氣體，內(nèi)層為惰性氣體(Ar或He)，外層為單一的含元素N或活性元素O的氣體或者為二者的混合氣體。外層氣體穿過電弧后分解產(chǎn)生O元素和N元素，并與熔池耦合，從而改變?nèi)鄢亟饘俚牧鲃訝顟B(tài)，使其從熔池表面流向熔池底部，達到增加熔深的目的，同時提高焊縫的沖擊韌性。O元素或者N元素的引入量，可通過調(diào)節(jié)外層氣體的氣流量或者混合氣體的配比來進行粗調(diào)，并可通過調(diào)節(jié)外層氣體與熔池金屬的耦合面積(即耦合量)來進行微調(diào)，從而起到精確控制焊縫成形和質(zhì)量的作用。
文檔編號B23K9/16GK102151957SQ20111007484
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者劉瑞琳, 黃勇 申請人:蘭州理工大學(xué)