CN100496850C - 锆的穿透型等离子弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

锆的穿透型等离子弧焊接方法，利用等离子弧穿透工件厚度，形成贯穿工件的小孔；在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝，其特征是相关技术参数的设置包括焊接电流为240-290A；焊接速度为14-18cm/min；喷嘴离工件的距离为3-5mm；以及等离子气流量为7-10L/min；保护气流量为15-20L/min；保护气流量与等离子气流量的比例为2-3。本发明对于锆金属的焊接可以减少加工坡口的工作量、减少焊材和保护气用量、减小焊接变形、提高焊缝质量。

Description

锆的穿透型等离子弧焊接方法

技术领域

本发明涉及锆金属的焊接方法，更具体地说是穿透型等离子弧焊接方法在锆金属焊接中的应用方法。

背景技术

穿透型等离子弧焊又称为小孔型、锁孔型、穿孔型等离子弧焊。它是利用等离子弧能量集中(能量密度可达10⁵—10⁶w/cm²)、温度高(弧柱中心可达1800—24000K以上)、离子流冲力大(可达300m/s以上)、刚直性好的特点，将工件完全熔透，并将工件穿一小孔，离子流从背面小孔穿出。熔化金属在电弧吹力、液体金属重力、表面张力互相作用下保持平衡。当小孔随焊接速度向前移动时，在电弧的后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。

等离子弧能否实现一次穿透工件，实现穿孔型焊接，这与等离子弧的能量密度、工件的装配尺寸及各种焊接参数有关。

随着工件厚度增加，所需能量密度增大，而等离子弧的能量密度是有限的，所以这种方法适用的板厚受到限制。表1列出了等离子弧焊接一次焊透的板材厚度。

表1：

 

材料	不锈钢	镍及镍合金	钛及钛合金	锆(Zr702)
					焊接厚度(mm)	≤10	≤6	≤15	≤12

穿透型等离子弧焊接对装配尺寸的要求主要是装配间隙和错边量。装配间隙太大(如大于0.5mm)，焊接时因形成的小孔直径太大或形不成小孔而导致焊穿。错边量过大(如大于1mm)，则高位置一侧母材出现咬边。

穿透型等离子弧焊接的工艺参数主要有等离子气种类和流量，保护气种类及流量、焊接电流、电弧电压、焊接速度等。焊接时总是根据板厚或熔透要求首先选定焊接电流。为了形成稳定的穿孔效应，等离子气应有足够的流量，并且要与焊接电流、焊接速度适当匹配。选择调试各工艺参数时，应注意它们之间的匹配关系，才能获得最佳效果。

等离子弧焊是一种先进实用的焊接方法，目前在不锈钢、镍及镍合金、钛及钛合金焊接中得到广泛应用。但在国内外文献中，对锆(Zr702)的焊接方法仅限于电子束焊、激光焊、氩弧焊。对锆的穿透型等离子弧焊接目前还没见相关报道。

锆(Zr702)的化学性质特别活泼，尤其是在焊接过程中熔融锆的吸气性比较强，在200℃与氢可生成ZrH₂，在300℃可生成ZrO₃。焊接时需用高纯氩(99.999％)进行保护，气体保护稍有不慎，容易导致焊接部位变硬、变脆。还由于锆的熔点高(1852℃)，故焊接时需用较大的能量来熔化临近焊缝的母材及焊材；熔池的流动性差，容易粘丝而导致产生层间及坡口未熔合的焊接缺陷。

然而电子束焊、激光焊设备昂贵，目前仅用在核设备的制造上，且因焊接时需形成真空条件或在焊接屏蔽室内进行，对于大中型装备的焊接很难实现。氩弧焊虽然焊机便宜，操作简单易行，但存在以下问题：

1、生产效率太低，每条焊道焊缝金属厚度仅为2-3mm；

2、浪费人力，焊工每焊一段约250mm的焊道需等焊缝温度降到约200℃以下才能进行下一段的焊接(约需等待2分钟)；

3、焊材消耗量大，因锆的流动性差，为保证能焊透，焊接坡口的钝边应小(为0-1mm)，坡口角度要稍大(为65-70°)，这样将消耗大量的焊材。

4、浪费大量保护气体，焊接时需要背保护、侧保护和主保护，三个保护的气体流量之和约为100L/min。

5、容易产生夹钨缺陷，因焊接时钨极伸出喷嘴(一般伸出长度为4-6mm)，且距离熔池较近(一般钨极距离熔池仅1-3mm)，焊接过程中钨极容易熔化到熔池中去。

6、需要进行大量的焊道间清理工作，因锆焊接容易被氧化，故每个焊道之间对焊接区域均要进行严格的清理。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种锆的穿透型等离子弧焊接方法。以期减少加工坡口的工作量、减少焊材和保护气用量、减小焊接变形、提高焊缝质量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明锆的穿透型等离子弧焊接方法，是利用等离子弧穿透工件厚度，形成贯穿工件的小孔；小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡，焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝。

本发明的特点是所述方法中相关技术参数的设置包括：

a、焊接电流：240-290A；

b、焊接速度：14-18cm/min；

c、喷嘴离工件的距离：3-5mm；

d、等离子气流量：7-10L/min；保护气流量：15-20L/min。

本发明方法的特点也在于按如下方式进行引弧和收弧：

对直缝，采用引弧板及熄弧板，首先在引弧板上形成小孔，然后过渡到工件，最后将小孔闭合在熄弧板上；

对于环缝，采取焊接电流和离子气递增的方式在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量递减的方法收弧闭合小孔；电流或离子气在0和工作值之间递增或递减所用的时间为3-5秒。

本发明方法的特点还在于采用如下接头形式，并符合如下装配要求：

对锆的厚度小于或等于12mm，开出“I”型坡口，以穿透法单面焊双面成型一次焊透；

对锆的厚度大于12mm，开出“Y”型坡口，钝边为10mm，坡口角度为40°-60°，以穿透法单面焊双面成型打底，在完成离子弧打底后，其余的部分采用氩弧焊进行焊接；

接头的装配要求：

坡口型式：“I”型、对接间隙≤0.5mm、错边量≤1mm；

坡口型式：“Y”型、对接间隙≤0.5mm、错边量≤1mm。

与已有技术中氩弧焊相比，本发明的有益效果体现在：

1、穿透型等离子弧能量密度高，线能量大，效率高，适于高熔点锆焊接时需用较大能量的电弧，以便形成焊接熔池的要求。厚度为6.35～12.7的锆板材开直坡口(坡口间隙小于等于0.5mm)可一次焊透，因电弧是将母材穿透的，焊接时母材正反面的温度差异很小，故焊接变形很小，且不会出现层间或坡口未熔合等焊接缺陷。

2、锆的密度较小(为6.51g/cm³)，表面张力较大，利用等离子弧的小孔效应可以单道焊接厚度较大的锆，熔池不易发生坍塌，焊缝成形良好。

3、等离子弧的电极是安装在喷嘴内的(一般内伸1.5～2mm)，不会接触到熔池，焊接时不可能产生夹钨等焊接缺陷。

4、锆材很昂贵，使用等离子焊接可节省大量的焊材，大大减少了焊接工作量，并减少焊接坡口的加工量(加工带角度的坡口也需先加工成I型坡口)。

以下通过具体实施方式，结合附表对本发明作进一步描述：

具体实施方式

在对一定厚度范围内的金属进行焊接时，适当地配合电流、焊接速度及离子气流三个工艺参数，等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔。小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡。焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝。

锆在开始和结束焊接时，因要填满小孔，形成良好的焊缝，要采用引弧板和收弧板或采取焊接电流及离子气流量增减的措施。在焊接过程中为得到稳定的穿孔效应，等离子气应有足够的流量，并且要与焊接电流、焊接速度适当匹配，具体按如下要求进行参数设置：

1、焊接电流

焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。焊接电流过小，难于形成小孔效应；焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大，但电流过大会造成熔池金属因小孔直径过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳定性。因此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。锆的等离子弧焊焊接电流一般取240-290A。

2、焊接速度

焊接速度根据等离子气流量及焊接电流来选择。其他条件一定时，如果焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应，焊缝易产生未焊透、气孔等缺陷。如果焊接速度太低，母材过热，小孔扩大，熔池金属容易坠落，甚至造成焊缝凹陷、熔池泄漏现象。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相互匹配。锆的等离子弧焊焊接速度一般取14-18cm/min

3、喷嘴离工件的距离

喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低；距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作。喷嘴离工件的距离一般取3-5mm。与钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。

4、等离子气及保护气流量

等离子气及保护气体通常采取相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。等离子气流量决定了等离子流力和熔透能力。等离子气的流量越大，熔透能力越大。但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成型；较小的等离子气流量焊接时，电弧的等离子流力减小，电弧的穿透能力降低，只能熔化工件，形不成小孔，这将导致产生未焊透、气孔等焊接缺陷。因此，应根据喷嘴直径，焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。

保护气体，即来自焊枪的保护气体，其流量需要根据焊接电流及等离子气流量来选择。在一定的离子气流量下，保护气体如果太大，会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。而保护气体流量太小，不能对焊接区域进行有效的屏蔽，保护效果也不好。因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例，一般为2-3。锆的等离子弧焊等离子气一般为高纯氩，，流量一般取7-10L/min；保护气也为高纯氩，流量一般取15-20L/min。

5、引弧及收弧

利用穿透法焊接锆板时，引弧及收弧处容易产生气孔、下凹等等缺陷。对直缝，可采用引弧板及熄弧板来解决这个问题，先在引弧板上形成小孔，然后再过渡到工件上去，最后将小孔闭合在熄弧板上；对于环缝，不便加引弧板和收弧板时，可采取焊接电流和离子气递增的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量递减法来收弧闭合小孔，一般电流或离子气从0到工作值所用递增或递减的时间为3-5秒，时间太短则小孔效应不能稳定形成或不能添满弧坑，时间太长则起弧点或弧坑太长，没有必要。

6、接头形式及装配要求

锆的厚度小于等于12mm时，采用I形坡口，可用穿透法单面焊双面成型一次焊透；锆的厚度大于12mm时，开Y型坡口，钝边为10mm，坡口角度为40°-60°，可用穿透法单面焊双面成型打底，打底后其余部分的焊接可采用氩弧焊进行，以此可以大大减小焊接工作量。接头的装配要求见表2：

表2：

 

坡口型式	对接间隙(mm)	错边量(mm)
			I	≤0.5	≤1
Y	≤0.5	≤1

具体实施中，各相关参数的设置举例列表见表3：

表3：

 

组别：	1	2	3	4	5
						板厚(mm)	6.35	7.9	9.5	12.7	16
焊接电流(A)	240	250	270	290	290
						焊接速度(cm/min)	18	18	16	14	14
喷嘴离工件的距离(mm)	3	3	3	3	3
						保护气种类	Ar(99.999％)	Ar(99.999％)	Ar(99.999％)	Ar(99.999％)	Ar(99.999％)
等离子气流量(L/min)	8	8	8	8	8
						保护气流量(L/min)	15	15	15	15	15
背保护气流量(L/min)	45	45	45	45	45
						侧保护气流量(L/min)	50	50	50	50	50
喷嘴孔径(mm)	3	3	3	3	3
						坡口形式	I	I	I	I	Y
焊丝直径(mm)	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2
						送丝速度(mm)	50	60	65	80	80

表中焊接电流、焊接速度、喷嘴离工件的距离(电弧电压)与电弧的能量有关，等离子气与电弧的穿透能力有关，为能形成稳定的小孔效应，以上参数应匹配。为保证电弧稳定性，保护气应与等离子气的流量保持适当的比例，一般为2-3。因锆焊接时易氧化，故焊接时对热影响区和熔池的正反面均要进行保护，即背保护和侧保护，且为了达到较好的保护效果，背保护气和侧保护气的流量均要大一些。为保证焊缝不低于母材，等离子焊接时需添加焊丝，焊丝的添加速度以焊缝稍高于母材即可。

Claims (3)

1、锆的穿透型等离子弧焊接方法，利用等离子弧穿透工件厚度，形成贯穿工件的小孔；小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡，焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝，其特征是所述方法中相关技术参数的设置包括：

a、焊接电流：240-290A；

b、焊接速度：14-18cm/min；

c、喷嘴离工件的距离：3-5mm；

d、等离子气流量：7-10L/min；保护气流量：15-20L/min。

2、根据权利要求1所述的锆的穿透型等离子弧焊接方法，其特征是按如下方式进行引弧和收弧：

对直缝，采用引弧板及熄弧板，首先在引弧板上形成小孔，然后过渡到工件，最后将小孔闭合在熄弧板上；

对于环缝，采取焊接电流和离子气递增的方式在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量递减的方法收弧闭合小孔；电流或离子气在0和工作值之间递增或递减所用的时间为3-5秒。

3、根据权利要求1所述的锆的穿透型等离子弧焊接方法，其特征是采用如下接头形式，并符合如下装配要求：

对锆的厚度小于或等于12mm，开出“I”型坡口，以穿透法单面焊双面成型一次焊透；

对锆的厚度大于12mm，开出“Y”型坡口，钝边为10mm，坡口角度为40°-60°，以穿透法单面焊双面成型打底，在完成离子弧打底后，其余的部分采用氩弧焊进行焊接；

接头的装配要求：

坡口型式：“I”型、对接间隙≤0.5mm、错边量≤1mm；

坡口型式：“Y”型、对接间隙≤0.5mm、错边量≤1mm。