CN100484688C - 钨极惰性气体保护焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接领域，具体为高效大深宽比钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接工艺和方法，解决TIG焊接的浅熔深、工艺复杂、焊接效率低等问题。该工艺通过向氦基惰性保护气体中加入微量活性气体(氧气或二氧化碳)，在焊接过程中微量活性气体分解并向液态焊接熔池溶解，调整熔池中活性组元氧的含量，改变熔池表面张力温度梯度系数和熔池对流方向，从而控制熔池内热对流和热传播方向，获得高深宽比熔池形貌，提高焊接效率。本发明焊接方法在不同焊接规范(焊接电流，焊接速度和电弧长度)下，对不锈钢试板进行了焊接实验，得到了验证。本发明焊接工艺适用于不锈钢和碳钢材料的焊接。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域，具体地说就是获得高效率大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，它适用于不锈钢和碳钢的钨极惰性气体保护焊。
背景技术
焊接技术是现代制造工业中不可缺少的重要组成部分，已经渗透到现代机械制造业的各个生产领域。优质、高效高可靠、低成本成为衡量一种焊接方法和焊接工艺是否优良的标志。
作为一种主要的焊接方法，钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接过程稳定，保护效果好，已在工业生产中得到较广应用，特别是对于不锈钢、钛合金和有色金属的焊接应用更为广泛。但由于钨极载流有限，电弧功率受到限制，焊缝熔深浅，制约了这种焊接方法焊接效率的提高。即便在允许加大焊接规范的条件下，熔池宽度的增加远大于熔池深度的增加，所以单纯增大焊接规范也不能从本质上解决钨极惰性气体保护焊得浅熔深问题。开发新的焊接工艺，增加单道TIG焊熔深，提高焊接效率是本领域的一个重要研究方向。
常规的钨极惰性气体保护焊的深宽比(熔池深度和熔池宽度之比)仅为0.2左右，单道可焊厚度只有3mm左右。对于厚度超过3mm及中厚板的焊接必须开坡口，添加填充材料，进行多层多道焊，工艺复杂，焊接效率低。为了解决TIG焊接的浅熔深问题，一些焊接工作者提出了活性剂焊接技术，即焊前先在待焊试板的表面涂覆一层活性剂，再进行焊接。这种工艺虽然能使TIG焊接熔深得到增加，但焊前涂覆焊剂增加一道焊接工序，也不利于实现焊接过程自动化。同时，焊缝形貌对活性剂的涂覆量较敏感，而手工涂覆很难控制涂覆层的厚度，使得焊接工艺不稳定，焊后焊缝表面会留有焊渣，需要清理。所以这种工艺目前还没有被广泛采用。
对于熔化焊来说，焊缝的最终形貌决定于液态熔池的热运动，包括热传导和热对流，两者的相对重要性由材料的Peclet指数(普克雷特指数，是材料的一个热物理参数，表示热对流与热传导之间的相对重要性)来决定。对于不锈钢等铁系合金和镍基合金，熔池的热对流运动是主要的，由电弧力、电磁力、浮力和表面张力来共同决定。而电弧力、浮力和电磁力诱导的液态熔池对流运动方向是固定的，只有表面张力所导致的Marangoni对流(马兰哥尼对流，是由液体表面张力梯度所引起的一种表面对流方式)运动在特定的条件下，可发生对流方向的改变。材料物性工作者发现，对于铁系合金来说，O、S是活性组元，在一定温度下，当其含量越过某一临界值时，液态金属的表面张力温度系数符号将发生改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，解决TIG焊接的浅熔深、工艺复杂、焊接效率低等问题。该工艺操作简单，能够获得大深宽比焊缝，焊缝成形好，焊接效率高，避免了活性剂焊接技术对活性剂涂覆量的敏感性，有利于实现焊接过程自动化，对于10mm厚的不锈钢试板无需开坡口，一次焊透。
本发明的技术方案是：
高效大深宽比钨极惰性气体保护焊是通过向氦基惰性保护气体中加入微量活性气(氧气或二氧化碳)，调整焊接熔池内活性组元氧的含量，实现液态熔池内向Marangoni对流，获得大深宽比，提高焊接效率。
所述保护气体中微量活性气体氧的体积含量为0.1％—10％。
所述保护气体中微量活性气体二氧化碳的体积含量为0.1％—4％。
高效大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，整个焊接过程分如下四个步骤：第一步，焊前调整保护气体成分，将纯氦惰性气体和氧或二氧化碳气体混合，使混合后的气体流量为(10-20)L/Min，混合气体的成分位于He—(0.1-10)％O2或He—(0.1-4)％CO2范围。第二步：设定焊接工艺规范，焊接电流范围为60A—300A，焊接速度为0.5mm/s—5.0mm/s，电弧长度为1mm—7mm之间，并引弧起焊。第三步：将焊缝沿垂直于焊接方向切开，经腐蚀后测定焊缝深宽比，表征熔池形貌。第四步：切出焊缝金属，采用氧氮分析仪测定焊缝金属氧含量。
本发明采用纯He和O2或CO2相混合，调整保护气体中微量活性气体O2与CO2的含量，实现焊接过程中活性组元氧向液态熔池的溶解，控制液态熔池Marangoni对流方向，提高熔池深宽比。
本发明通过氧-氮分析仪，精确测定了焊缝金属氧含量，从而得到具有最佳深宽比的氧含量控制范围和相应的保护气体调整范围，稳定焊接工艺。
本发明所获得的焊缝深宽比在0.8到1.8之间。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过焊前调整He和O2(或CO2)两路气体的流量，实现了活性组元氧在焊接过程中向液态熔池溶解，获得内向Marangoni对流和大深宽比焊缝。
2、本发明工艺便于通过控制焊接保护气体中活性气体的含量(精确度达0.1％)，使焊接过程稳定，有利于实现焊接过程自动化，避免了在试板表面人工涂覆活性剂焊接技术中，焊缝形貌对活性剂涂敷量的敏感性及活性剂涂敷量难于控制的缺点。
3、采用本发明工艺，焊缝表面干净、光滑，成型好，避免了活性剂焊接焊后清渣处理工序。
4、本发明在焊接电流为160A下，单道焊缝深度达10mm，熔池深宽比可达1.0。与纯氩保护钨极惰性气体保护焊相比，焊接效率提高了2倍。与纯氦保护钨极惰性气体保护焊相比，焊接效率提高了一倍。
5、本发明不仅为解决TIG焊浅熔深问题提出了一个实用新工艺，同时通过对焊缝金属氧含量分析，探讨了Marangoni对流运动对熔池内热传播和熔池形貌的作用机理，为澄清目前尚有争议的活性剂焊接机理提供了实验结果，也为其它熔焊方法开发高效率焊接新工艺提供了理论指导。
附图说明
图1为焊接装置示意图。
图2a-f为He-O2混合气体保护下熔池形貌图；图2a为纯He保护下熔池形貌图2b-f为保护气体中氧含量分别在0.5％、1.0％、2.0％、4.0％和8.0％时的熔池形貌。
图3为He-O2混合气体保护下，焊缝金属氧含量和熔池深宽比变化图。
图4a-f为He-CO2混合气体保护下熔池形貌图；图4a为纯He保护下熔池形貌，图4b-f为保护气体中二氧化碳含量分别在0.5％、1.0％、2.0％、2.8％和4.0％时的熔池形貌。
图5为He-CO2混合气体保护下，焊缝金属氧含量和熔池深宽比变化图。
图6a-b为液态熔池对流模型图；图6a为外对流表面张力与温度之间的曲线及模型图，图6b为内对流表面张力与温度之间的曲线及模型图。
图7a-i为不同焊接电流下，熔池形貌变化图；图7a-c为纯He保护下，焊接电流分别为80A、140A和250A时的熔池形貌；图7d-f为He-0.4％O2保护下，焊接电流分别为80A、140A和250A时的熔池形貌；图7g-i为He-0.6％CO2保护下，焊接电流分别为80A、140A和250A时的熔池形貌。
图8a-i为不同焊接速度下，熔池形貌变化图；图8a-c为纯He保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌；图8d-f为He-0.4％O2保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌；图8g-i为He-0.6％CO2保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌。
图9a-f为不同电弧长度下，熔池形貌变化图；图9a-c为纯He保护下，电弧长度分别为1mm、3mm和5.0mm时的熔池形貌；图9d-f为He-0.4％O2保护下，电弧长度分别为1mm、3mm和5mm时的熔池形貌；
图10a-d为160A下，纯Ar、纯He、He-0.6％O2和He-0.6％CO2保护下的熔池形貌比较图；图10a为纯Ar保护，图10b为纯He保护，图10c为He-0.6％O2保护，图10d为He-0.6％CO2保护。
图11a-c为活性剂焊接与混合气体保护焊焊缝表面状态比较图，图11a为活性剂焊接下焊缝表面形貌，图11b为He-0.6％O2保护下焊缝表面形貌，图11c为He-0.6％CO2保护下焊缝表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明，本发明中的He-O2、He-CO2混合气体中的O2、CO2按体积百分含量计。
焊接前，首先将惰性气体He与He-O2或He-CO2混合(参见图1)，使混合后的气体流量为10-20L/Min，混合气体1通过钨电极2与陶瓷电极套5之间，在电极2与基体3之间产生电弧6，作为热源熔化基体，形成熔池7。焊接过程中电极接电源4负极，基体材料接正极。
选择SUS304不锈钢作为焊接基体材料，保护气体为He-(0-10％)O2混合气体(体积比)，在焊接电流为160A下，进行了焊接试验(参见图2)。在纯He气体保护下，焊接熔池较浅(图2a)。当He基保护气体中加入少量O2后，熔池形貌变得深而窄(图2b-f)。焊后对熔池的深宽比进行了测定，同时分析了焊缝金属的氧含量(参见图3)。随着保护气体中氧气含量的增加，焊缝金属中氧含量也增加，同时熔池的深宽比由纯He焊接时的0.48升高到0.97。保护气体中氧含量为8％时，熔池深宽比达到了1.48，与纯He保护下熔池深宽比相比，提高了2倍。
保护气体为He-CO2，焊接电流为160A时，焊接熔池形貌参见图4。纯He保护下，熔池浅而宽(图4a)，加入0.5％(体积比)二氧化碳后，熔池形貌变得深而窄(图4b)。保护气体中二氧化碳含量为1％到4％(体积比)时，熔池形貌同样是深而窄(图4c-f)。焊缝金属的氧含量随着保护气体中的二氧化碳含量的增加而升高，加入二氧化碳气体后，熔池的深宽比由纯He时的0.48提高到0.95(参见图5)，焊接效率提高一倍。在He基惰性气体中加入少量氧气或者二氧化碳后，焊接过程中，氧气或二氧化碳分解，并部分溶入液态熔池，使得焊缝金属的氧含量升高。当液态熔池中的氧含量超过临界值时，熔池表面的Marangoni对流将由熔池外侧向熔池中心进行，形成内对流(参见图6b右侧图)，有利于阳极斑点热向熔池底部传播，熔池形貌深而窄；图6b左侧为表面张力与温度之间关系的曲线，随温度增加表面张力也逐渐增加。当液态熔池Marangoni对流为外对流时(参见图6a右侧图)，阳极斑点热向熔池两侧传播，熔池形貌宽而浅；图6a左侧为表面张力与温度之间关系的曲线，随温度增加表面张力逐渐减小。
本发明开发了高效大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，其主要内容包括：
(1)通过向He基惰性气体中加入微量活性气体氧，利用焊接过程中氧气分解并向液态熔池溶解来调整液态熔池内活性组元氧的含量，实现内向Marangoni对流，阳极斑点热向熔池底部传播，获得深而窄的焊缝，提高焊接效率。采用本焊接工艺，不仅获得了大深宽比的焊缝。焊接过程只需调整保护气体的成分，操作简单，有利于实现焊接过程自动化。避免了活性剂焊接技术中，焊缝形貌对活性剂涂敷量的敏感性及活性剂涂敷量难于控制的缺点。焊缝表面干净，成型好。避免了活性剂焊接焊后清渣处理工序。
(2)通过向He基惰性气体中加入微量二氧化碳气体，调整焊接熔池中的活性组元氧的含量，使得液态熔池Marangoni对流由外对流改为内对流，获得深而窄的焊缝。避免了纯惰性气体保护下，熔池形貌浅而宽以及大焊接规范下，熔池宽度的增加远远大于深度的增加的缺点，使得焊接效率提高了一倍。
实施例
本实施例是以SUS304不锈钢为基体材料，在不同的焊接规范下(焊接电流，焊接速度和电弧长度)，进行了He-O2及He-CO2混合气体保护下的焊接实验，本实施例的气体流量为10L/Min。焊接实验是在交直流两用数字式TIG焊机上进行，采用直流反接方式。焊接电流变化范围为80A～250A，熔池形貌变化参见图7a-i。在纯He保护下，焊接电流为80A，140A和250A时，熔池形貌浅而宽(参见图7a-c)。在He-0.4％O2保护下，熔池形貌变得深而窄(参见图7d-f，焊接电流分别为80A、140A、250A)。在He-0.6％CO2保护下，焊接电流为80A、140A和250A时的熔池形貌参见图7g-i。
焊接电流为160A，焊接速度为0.75mm/s～5.0mm/s时，熔池形貌变化参见图8a-i。图8a-c为纯He保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌；图8d-f为He-0.4％O2保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌；图8g-i为He-0.6％CO2保护下，焊接速度分别为0.75mm/s、2.5mm/s和5.0mm/s时的熔池形貌。焊接速度为0.75mm/s，保护气体为He-O2和He-CO2时，单道熔池深宽比达1.8和1.6(参见图8d和8g)。
不同电弧长度下，焊接熔池形貌参见9a-f。纯He保护下，电弧长度为1mm、3mm和5mm时，熔池浅而宽(参见图9a-c)。He-O2保护下，电弧长度为1mm、3mm和5mm时，熔池深而窄(参见图9d-f)。
比较例
图10a-d为在纯Ar、纯He、He-O2及He-CO2保护下，焊接熔池形貌图。在纯惰性气体保护下，熔池浅而宽(参见图10a-b)。He-O2及He-CO2保护下熔池形貌较深(参见图10c-d)。
图11a-c为活性剂焊接，He-O2及He-CO2保护下的焊缝表面形貌。活性剂焊接时，焊缝形貌差，焊缝表面留有焊渣，需要焊后清渣处理(参见图11a)。He-O2及He-CO2保护下，焊缝表面干净，形貌好，有利于实现焊接过程自动化(参见图11b-c)。
O、S元素的特殊性能加上焊接熔池表面固有的温度梯度为改变液态熔池的Marangoni对流方向提供了基础。为此，本发明中提出了向惰性保护气体中加入微量活性气体工艺，通过焊接过程中活性气体在弧柱中分解、电离，并向液态熔池溶解来调整熔池内活性组元含量，控制熔池Marangoni对流运动，获得窄而深的焊接熔池，提高焊接效率。与活性剂焊接技术相比，本工艺形成的焊缝表面成性好，有利于实现焊接过程全自动化，解决了活性剂焊接过程中，活性剂涂覆量难于控制的缺点。
Claims (4)
1、钨极惰性气体保护焊工艺，其特征在于在氦基惰性气体中加入微量活性气体氧气或二氧化碳，氧的体积含量为0.1％～10％，二氧化碳的体积含量为0.1％～4％；其焊接电流范围是60A～300A，焊接速度是0.5mm/s～5.0mm/s，电弧长度为1～7mm。
2、按照权利要求1所述的钨极惰性气体保护焊工艺，其特征在于整个焊接过程分包括如下步骤：
第一步：焊接前，首先调整保护气体成分，将纯氦惰性气体和氧或二氧化碳气体混合，使混合后的气体流量为10-20L/Min，混合气体的成分位于He—(0.1-10)％O2或He—(0.1-4)％CO2范围；
第二步：设定焊接工艺规范，焊接电流位于60A—300A，焊接速度为0.5mm/s—5.0mm/s，电弧长度为1mm—7mm之间，并引弧起焊。
3、按照权利要求2所述的钨极惰性气体保护焊工艺，其特征在于还包括第三步：将焊缝沿垂直于焊接方向切开，经腐蚀后测定焊缝深宽比，表征熔池形貌。
4、按照权利要求3所述的钨极惰性气体保护焊工艺，其特征在于还包括第四步：切出焊缝金属，分析焊缝金属氧含量。
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