CN101386101A - 一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，在所述焊接方法中，根据坡口的大小、焊接材料选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴是摇摆滚动的支撑点；高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。本发明提供一种能够提高焊接质量的手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法。

Description

一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法

技术领域

本发明涉及手工钨极氩弧焊焊接工艺。

背景技术

核电站、火力发电厂、石油化工、管道、不锈钢管道多数直径小，无法进行双面焊接，如何确保根层焊缝的质量，是我们必须解决的难题。

利用氩气作保护气体，用钨极作电极和加热热源，来焊接黑色金属和有色金属，从而获得高质量的焊接接头，我们通常称之为手工钨极氩弧焊(TIG焊)；焊接时，钨极不熔化，无电极金属的过渡问题，电弧现象比较简单，焊接工艺过程的再现性强，易操作，适用于薄工件焊接及厚工件氩弧焊封底，其余电焊盖面工作。

现有常规的手工钨极氩弧焊工艺，采用连续电流，并直接焊接，加工质量难以保证。

发明内容

为了克服已有的手工钨极氩弧焊工艺的焊接质量难以保证的不足，本发明提供一种能够提高焊接质量的手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，在所述焊接方法中，根据坡口的大小、焊接材料选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴是摇摆滚动的支撑点；高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

作为优选的一种方案：在操作者的手腕不断摆动磁嘴时，电源系统提供高频方波电源。

进一步，所述摇摆滚动焊接方法包括以下步骤：

(1)准备工作：根据坡口的大小和焊接材料理选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴与工件的距离为零，磁嘴是摇摆滚动的支撑点，磁嘴尺寸的选择要求：不影响操作者的视线和滚动；

(2)对口间隙比低碳钢耐热钢焊接时要大；

(3)管子内必须充氩，管子内的氩气流量大于焊枪处的流量，焊接前提前充氩，将管内空气排除，用高温密封胶带把焊缝坡口间隙处全部封闭；

(4)焊接时把高温胶带逐步起封，每次起封长度不超过100mm，高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

进一步，在所述步骤(2)中，对于管壁较薄和直径较小的不锈钢对接，采用钢板过桥法对口。

再进一步，在所述步骤(3)中，管子内的氩气流量控制在10～15L/min，充氩过程中应在低部位向上充氩气，排气孔在上方；氩弧焊枪的氩气流量为7～9L/min。

更进一步，在所述步骤(4)中，每次起封长度不超过100mm。

在所述步骤(4)中，封底焊采用连丝法，即有连续地向熔池中添加焊丝。

在所述步骤(4)中，灭弧后焊缝仍处于高温状态，焊嘴不能立即离开，利用焊机供气系统的氩气滞后保护功能，对熔池进行气保护，冷至400℃时焊枪离开熔池，结束焊接。

本发明的技术构思为：用摇摆滚动的焊接方法对焊接熔池温度进行控制，使之熔池温度的最高点的位置不断改变，并使熔池不断向前移动，焊缝背面及表面成形良好。手工钨极氩弧焊始终处于氩气保护之中，氩气不参加冶金反应。因此，可以获得良好的焊接质量。在手工钨极氩弧焊的焊接温度场中，I为氩气保护区，II为熔滴反应区，III为熔池反应区，t1为焊丝端熔滴表面最高温度，t2为弧柱间熔滴表面峰值温度，t3为熔池峰值温度，t4为熔池凝固温度。

摇摆滚动氩弧焊，是用氩气作保护气体的一种焊接方法。氩气是最稳定的惰性气体之一，比空气重。焊接时能在电弧周围形成一圈稳定的气流层，防止空气进入焊接区，使熔融金属、钨极端头和焊丝不与空气接触。熔池中氮、氧含量极微，同时，氩气不溶解于金属，不与金属发生化学反应，故在正常情况下，不会产生气孔和合金元素烧损，由于以上特点，氩弧焊极易得到高质量的焊缝。

该焊接方法是一种低氢焊接方法，用这种方法来焊接马氏体钢、热强钢、低合金钢等，其接头的冷裂缝倾向明显低于手工电焊及气焊。

摇摆滚动氩弧焊的电弧受到氩气流的压缩和冷却作用，使电弧的能量比较集中，所以热影响区比气焊、电焊小得多。采用这种方法焊接薄钢板，变形相对比电焊等小。

焊缝区无熔渣、明弧焊接。焊工在操作时可以清楚地观察到熔池和焊缝的成形过程，便于操作。

氩气是单元子气体，热容量小，导热率低，无飞溅，热消耗小，对电弧稳定燃烧十分有利。即使在较小电流及长弧的情况下，电弧仍然稳定燃烧，操作方便，质量易控制，操作时不受空间位置的限制，适应小口径薄壁管困难位置的焊接，易于全位置焊接。

本发明的有益效果主要表现在：能够提高焊接质量。

附图说明

图1是摇摆滚动氩弧焊的示意图。

图2是本发明的手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊设备系统图

图3是小径薄壁管对接组合示意图。

图4是摇摆滚动氩弧焊焊接方法的焊枪的角度。

图5是摇摆法的焊接次序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1—图5，一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，在所述焊接方法中，根据坡口的大小、焊接材料选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴是摇摆滚动的支撑点；高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

在操作者的手腕不断摆动磁嘴时，电源系统提供高频方波电源。

所述摇摆滚动焊接方法包括以下步骤：(1)、准备工作：根据坡口的大小和焊接材料理选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴与工件的距离为零，磁嘴是摇摆滚动的支撑点，磁嘴尺寸的选择要求：不影响操作者的视线和滚动；(2)、对口间隙比低碳钢耐热钢焊接时要大；(3)、管子内必须充氩，管子内的氩气流量大于焊枪处的流量，焊接前提前充氩，将管内空气排除，用高温密封胶带把焊缝坡口间隙处全部封闭；(4)、焊接时把高温胶带逐步起封，每次起封长度不超过100mm，高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

在所述步骤(2)中，对于管壁较薄和直径较小的不锈钢对接，采用钢板过桥法对口。在所述步骤(3)中，管子内的氩气流量控制在10～15L/min，充氩过程中应在低部位向上充氩气，排气孔在上方；氩弧焊枪的氩气流量为7～9L/min。在所述步骤(4)中，每次起封长度不超过100mm；封底焊采用连丝法，即有规则的向熔池中添加焊丝；灭弧后焊缝仍处于高温状态，焊嘴不能立即离开，利用焊机供气系统的氩气滞后保护功能，对熔池进行气保护，冷至400℃时焊枪离开熔池，结束焊接。

本实施例的摇摆滚动焊接法(GTAW工艺)的主要特点：

对口间隙与常规的手工钨极氩弧焊不同，采用的是大间隙，一般控制在4～5mm，而常规的手工钨极氩弧焊对口间隙仅为2.5～3mm。

采用较细直径的氩弧焊丝，小径管焊接时易选用1.2～1.6mm直径的细实芯焊丝，而常规手工钨极氩弧焊焊丝直径较粗为2.4～2.5，而细直径焊丝的优点是焊枪在摇摆滚动焊接时，其热源主要对准二侧的坡口，坡口熔化了，就可克服未熔合缺陷。氩弧焊热源的中心具有极高的峰值温度，焊枪摇摆、滚动即可立即熔化焊丝；而不象常规手工钨极氩弧焊的焊丝直径较粗，需要刻意用焊枪热源去熔化焊丝，热源约有1/3以上的功率是用来熔化焊丝的，从而极易产生未熔合或层间未熔合，造成较危险的隐藏缺陷，而且这些缺陷是通常X光、γ射线是无法检验测出来的。

细直径焊丝还有一个好处是成形比粗直径焊丝美观，在脉冲电源的反复作用下，细直径焊丝的焊缝成形易出现有规则的鱼鳞状，而粗直径焊丝不可能出现这一美观的成形。

由于选用较大的对口间隙，而且实行细直径脉冲电流操作，焊缝中径常出现的未焊透缺陷就可消失。未焊透在手工钨极氩弧焊中是危险缺陷之一，压力容器或压力管道手工钨极氩弧焊不允许有未焊透缺陷，常规手工钨极氩弧焊工艺，由于选用较小的坡口间隙，较粗的焊丝直径，热源又处于坡口和焊丝的中间，通常会出现未焊透缺陷，而造成根部返修。

采用高频引弧，杜绝了夹钨缺陷的产生，而且引弧十分方便、快捷。

提前1～2秒送气，使焊接区提前受到氩气的保护。

GTAW摇摆滚动焊时，焊枪磁嘴与工件间的距离为零，而常规手工钨极氩弧焊时，焊枪的磁嘴与工件距离为8～10mm。

GTAW摇摆滚动焊接法的主要特点是在坡口内实行左右摆动，这一滚动以焊枪的磁嘴为基点，左右成a角(见图1-2)，使热源有规律地在坡口内滚动、加热、熔化两侧坡口或首层焊缝，而常规手工钨极氩弧焊焊枪为左右略作摆动或无摆动。

摇摆滚动法的最大特点是移动控制热源及加热重点区，实现滚动前进，并分别控制送丝；对焊枪沿焊缝向前运动进行控制；并对磁嘴的摆动角度进行有效控制。而常规手工钨极氩弧焊工艺的移动控制分为：送丝控制，焊枪沿工件坡口或焊缝前进方向的控制，左右摆动的控制，磁嘴与工件距离的控制，这一控制特别困难，并且要求焊工有一定的操作技能，否则影响气体保护，电压高低、熔深大小及成形，因此，摇摆滚动法GTAW工艺明显比常规手工钨极氩弧焊容易控制。

a.焊枪紧靠工件，距离为零，焊工的操作稳定性增加。特别在预热温度较高的情况下，不致于影响焊工操作。常规焊法往往用手去靠工件，造成焊工烫手，手法不稳定，而且因工件高温不能连续焊接，使之厚壁管预热温度在250℃甚至更高的情况下，焊接封底层质量差，而且劳动强度高。

b.摇摆滚动法GTAW焊接工艺它的电弧长度可保持基本不变，其焊枪角度同样可始终保护在最佳状态，相比之下，常规焊接的电弧长度和焊枪角度不可能保持在特定的状态，电弧长度时长时短。

c.由于采用磁嘴作支撑点，角度的摆动和焊缝宽度的控制比常规焊接容易控制，焊缝的高度、高低差、宽度始终在一条直线上，易焊接出成形美观的焊缝。

由于采用较大的间隙，使封底焊缝的背部成形，高低、宽窄一致，特别是水平固定仰焊位置的内凹问题得到解决，由于摇摆滚动作用，热源不断移动这一原理，使焊接热源及时加热坡口两侧，熔池几何尺寸及温度得到控制，不出现内凹缺陷。水平固定焊接位置按钟点：5点至7点位置的凹陷缺陷在常规氩弧焊焊接方法中是不易解决的。

焊接熔池左右滚动向前推进可控制焊接层间温度减少温度剧烈变化使熔池的温度越来越高，最终造成金属中合金元素烧损、过热等危险摇摆滚动可有效防止各类焊接缺陷的产生。

采用焊接电流的衰减，可避免常见的弧坑缺陷。

熄弧时氩气实行延迟关闭功能一般为5～10秒后断气，有效地保护了未冷却的熔敷金属。

本实施例的焊接方法特别适用于压力容器、压力管道、石油化工特别是不锈钢管道的焊接；各类合金钢管道的手工钨极氩弧焊封底，以及簿壁管全氩弧焊，能确保焊接质量，并使成形美观。

本实施例的摇摆滚动焊接的具体过程为：

(1)、准备工作

焊机功能键或有关使用焊机的使用说明书的熟悉。焊机各类功能键的调节，这一点十分重要，在使用氩弧焊机时，首先应能使用并成功地调节每一个功能键至最佳位置，每一种功能并不相同，应先行熟悉功能，再使用。

磁嘴的选用：根据坡口的大小，焊接材料的不同来合理选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴与工件的距离为零，而磁嘴又是摇摆滚动的唯一支撑点，磁嘴尺寸要选择大一点，但以不影响视线和滚动为好。

焊接材料的选用和要求与常规相同。

坡口的制备及清洁，除油垢要求与常规要求相同。

(2)对口

摇摆法焊接其特点是填充金属较厚，考虑到不锈钢焊接时导热性差、电阻大、收缩率较大，对口间隙比低碳钢耐热钢焊接时要大，例管子不锈钢对接5G位置即水平固定焊时仰焊部位先焊，对口间隙为4.5±0.5mm平焊部位的间隙要求为3.5±0.5mm，对口间隙比普通钨极氩弧焊时大1～2mm。

采用钢板过桥法对口，一般用于管壁较薄和直径较小的不锈钢对接，见图3，a.焊接方向：1→2→3→4；b.坡口角度：68°～70°；C.对口间隙：3.5～4.5；d.反变形预留θ：3°；e.钝边：1～1.5mm。

(3)氩气保护

不锈钢摇摆滚动焊法TIG焊时管子内必须充氩，氩气流量应略大于焊枪处的流量，一般控制在10～15L/min，焊接前3～5分钟即应提前充氩，将管内空气排除。充氩过程中应在低部位向上充氩气，排气孔在上方，满足氩气比空气重这一物理性能。

氩弧焊枪的氩气流量为7～9L/min，值的注意的是摇摆法TIG焊接内外氩气保护的流量不同，应采用二路不同的氩气作为保护气体，一只气瓶是不能满足上述要求的。

预先在待焊处充氩3～5分钟，管内空气得以排除后，用高温密封胶带把焊缝坡口间隙处全部封闭；

(4)、焊接

焊接时把高温胶带逐步起封，每次起封长度不超过100mm，确保内充氩效果，并以不影响摇摆滚动的焊接操作为宜。摇摆法TIG焊操作时的主要参数见(表1)

表1

摇摆法手工钨极氩弧焊打底时选用瓷嘴的尺寸为14mm，为保证盖面时的氩气保护效果则选用较大瓷嘴，其尺寸为18mm。

选用不锈钢焊丝的直径为1.2～2.0mm的细丝，焊接前坡口及焊丝用丙酮擦洗，防油污。

摇摆法手工钨极氩弧焊选用的焊机最好为IGBT型，具有提前充氩，高频引弧，脉冲调节，衰减灭弧及氩气滞后保护功能。

高频引弧后用电弧预热点焊处或接头起弧处，防止未焊透及层间未熔合等缺陷的产生。

氩弧焊枪的角度宜控制在30°～40°之间，见图4。

摇摆法TIG焊是手腕不断的摆动(滚动)焊嘴紧贴坡口表面，沿焊缝中心从左侧A滚动到B侧，左右摆动向前有规律的运动。

摇摆法时，封底焊采用连丝法，即不断向熔池中加丝或点丝法即有规则的向熔池中添加焊丝，在全氩弧焊的盖面时一般用连丝法。无论连丝或点丝法，均要求焊工在送丝时要求有熟练的指法，并使焊丝始终处于焊嘴的保护之下，确保高温状态的焊丝不受氧化和空气的侵入。

摇摆法TIG焊的另一个特点是灭弧前利用焊枪上的电气开关与焊机上的氩气控制系统和电源控制系统，灭弧时衰减电流直至熔池收缩后灭弧，灭弧后焊缝仍处于高温状态，焊嘴不能立即离开，利用焊机供气系统的氩气滞后保护功能，对熔池进行气保护，冷至400℃左右时焊枪方能离开熔池结束焊接。

本实施例的各个设备的选择要求，主要有：

焊机的准备：与常规的简易接触引弧法焊接设备不同，GTAW摇摆滚动法焊接工艺的目的是为了获得高质量的焊缝，并且外观质量接近半自动焊水平，故必须选用高性能的焊机，功能应满足使用和操作的要求，我们推荐使用美国林肯(LINCOLN)V-300-1型焊机。

氩弧焊枪的准备：必须有高性能的优质焊机作为保证，有可调的脉冲电源，高频引弧装置，衰减装置和滞后的氩气保护功能，常规的钨极氩弧焊机可能也有这一装置，但简易手工钨极氩弧焊设备无法实现高质量的焊缝，它采用的是接触引弧，当然这一工艺是可以在任何手工钨极氩弧焊设备中实现，成形及内部质量将和普通手工氩弧焊会有明显的差别。

GTAW摇摆滚动法焊接时的焊枪与常规手工钨极氩弧焊不同，焊枪上必须装有脉冲开关，保证引弧和熄弧开启和关闭的需要，功能要求起弧时有高频装置，能产生足够的高频电压，当焊枪的钨极与工件在一定的距离时能自动引燃电弧。当焊接将要结束时利用该开关衰减电流，减小熔池容积，从而在焊机功能上保证了熄弧后焊接接头的质量。

磁嘴的选用：磁嘴的选用是摇摆滚动焊接技术的一个组成部分，根据坡口的大小，焊接材料的不同来合理选择焊枪的磁嘴尺寸。摇摆滚动焊时磁嘴与工件的距离为零，而磁嘴又是摇摆滚动的唯一支撑点，磁嘴尺寸要选择大一点，不锈钢、钛及钛合金，喷嘴的尺寸一般选用>18MM；焊接碳钢可选用8～14的喷嘴即可，以不影响视线和滚动为好。

焊丝的选用：与氩弧焊时相同不做描述。

高频振荡器：高频振荡器在氩弧焊中被用来引弧。电极不与工件接触，但在一定距离时即可产生电弧，同时还有稳弧作用。高频振荡器，其输出电压为2000～3000V，频率为150～250KHZ。振荡器内还有不少附助零件，以保证稳定电弧及引弧方便。

电磁气阀：是摇摆滚动氩弧焊工艺必备的工具，它以电弧信号按给定的时间控制气体通断的装置。与控制系统的时间继电器相配合，达到始焊时提前送气，停焊时滞后断气，以保护钨极以及引弧方便，熄弧处能填满弧坑，减少焊缝损伤，确保收弧处的美观及成型良好。

控制系统：摇摆滚动钨极氩弧焊控制系统的动作是有焊把上的按钮指令的，它可以在焊接过程中实现下述程序控制。

1)始焊时提前送气，停焊时滞后断气；

2)自动控制引弧器和稳弧器的动作和切除；

3)自动接通和切断电源；

4)停焊时焊接电流自动衰减；

钨极、氩气等：与氩弧焊时相同。

Claims (8)

1、一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述焊接方法中，根据坡口的大小、焊接材料选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴是摇摆滚动的支撑点；高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

2、如权利要求1所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在操作者的手腕不断摆动磁嘴时，电源系统提供高频方波电源。

3、如权利要求1或2所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：所述摇摆滚动焊接方法包括以下步骤：

(1)准备工作：

根据坡口的大小和焊接材料理选择焊枪的磁嘴尺寸，磁嘴与工件的距离为零，磁嘴是摇摆滚动的支撑点，磁嘴尺寸的选择要求：不影响操作者的视线和滚动；

(2)对口间隙比低碳钢耐热钢焊接时要大；

(3)管子内必须充氩，管子内的氩气流量大于焊枪处的流量，焊接前提前充氩，将管内空气排除，用高温密封胶带把焊缝坡口间隙处全部封闭；

(4)焊接时把高温胶带逐步起封，每次起封长度不超过100mm，高频引弧后用电弧预热点焊，通过操作者的手腕不断摆动磁嘴，磁嘴紧贴所述坡口表面，沿着焊缝中心从左侧滚动到右侧，左右摆动向前运动，衰减电流直至熔池收缩后灭弧。

4、如权利要求3所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，对于管壁较薄和直径较小的不锈钢对接，采用钢板过桥法对口。

5、如权利要求3所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，管子内的氩气流量控制在10～15L/min，充氩过程中应在低部位向上充氩气，排气孔在上方；氩弧焊枪的氩气流量为7～9L/min。

6、如权利要求3所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，每次起封长度不超过100mm。

7、如权利要求6所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，封底焊采用连丝法，即有规则的向熔池中添加焊丝。

8、如权利要求7所述的一种手工钨极氩弧焊摇摆滚动焊接方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，灭弧后焊缝仍处于高温状态，焊嘴不能立即离开，利用焊机供气系统的氩气滞后保护功能，对熔池进行气保护，冷至400℃时焊枪离开熔池，结束焊接。

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