CN101417363B - 钨极防氧化双层气流保护焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工工程的焊接领域，具体地说就是一种钨极防氧化双层气流保护焊接方法，解决含微量活性气体的氩弧焊接过程中电极氧化烧损现象，同时增加钨极氩弧焊(TIG焊)焊接熔深，提高焊接效率。该工艺将原先单一惰性气体或含微量活性气体(氧气或二氧化碳)的混合保护气体氩弧焊，改为内层保护气体采用纯惰性气体保护电极，产生电弧，外层采用含活性气体的双层气流保护焊接技术。内外层保护气体之间由陶瓷嘴分开，通过内层纯惰性气体(Ar或He)保护钨极，隔离外层含活性气体的保护气与钨极直接接触，通过外层保护气体中的活性气体在电弧中分解来调整液态熔池活性组元含量，改变熔池对流和热传播方向，适用于不锈钢和碳钢材料的焊接。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程的焊接领域，具体地说就是一种钨极防氧化双层气流保护焊接方法，它适用于不锈钢和碳钢的焊接。
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。
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。随后又提出了在惰性气体中(Ar或He)添加微量活性气体O2或CO2，使得熔池的深宽比达到了0.4以上。向惰性气体中加入微量活性气体的混合气体联合保护焊工艺，有效的避免了活性剂焊接工艺对活性剂涂覆量的敏感性和焊缝表面清渣工序，但在不锈钢零部件焊接及大型铸件补焊过程中，发现电极存在氧化现象。提高钨极氩弧焊(TIG焊)的焊接效率，防止钨极氧化烧损，开发焊接新技术是一个既有理论意义，又有应用背景的研究方向。
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。
焊接过程中，有效隔离活性气体与钨极直接接触是防止电极氧化烧损的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钨极防氧化双层气流保护焊接方法，解决含活性气体的单层保护TIG焊接过程中电极被氧化烧损现象，同时增加TIG焊接熔深，提高焊接效率。该技术操作简单，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，同时有效抑制了含活性气体的单层保护TIG焊接过程中电极被氧化烧损现象。
本发明的技术方案是：
一种钨极防氧化双层气流保护焊接方法，将纯惰性气体与含活性气体的保护气体分开，变为双层气流保护焊接，内层保护气体为纯惰性气体：氩气(Ar)或氦气(He)，产生电弧，保护电极。外层保护气体为含活性气体(O2或CO2)的保护气体：Ar-O2、Ar-CO2或He-O2，其中活性气体氧气或二氧化碳的体积含量为(1％-100％)，优选含量范围为：Ar-(20％-60％)O2、Ar-(50％-100％)CO2、He-(1％-10％)O2。
所述的内层保护气体和外层保护气体之间由陶瓷嘴分开，采用含氧气或二氧化碳的混合气体作为外层保护气体，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，增加熔深，提高焊接效率。内层纯惰性气体保护钨极，产生电弧，外层保护气体调整熔池活性组元含量，改变熔池对流运动和热传播方向，增加熔深，提高焊接效率。
所述的钨极防氧化双层气流保护焊接方法，整个焊接过程分如下五个步骤：第一步，焊前调整内外气体成分合流量，内层保护气体为纯惰性气体，Ar或He，流量为(3-10)L/Min；外层为含活性气体的混合气体：Ar-O2、Ar-CO2或He-O2，流量为(10-20)L/Min。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-5mm之间，电极伸出长度为0-3mm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。第五步：取下电极，观察电极表面氧化烧损现象。
本发明通过内层纯惰性气体来产生电弧，隔离外层活性气体与电极的直接接触，防止电极在焊接过程中被氧化烧损。通过外层保护气体中的活性气体：O2或CO2，实现焊接过程中活性组元氧向液态熔池的溶解，调整熔池中活性组元含量，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外层保护气体成分调整范围，稳定焊接工艺。
本发明抑制了电极氧化烧损现象，熔池深宽比达0.4以上，深宽比范围为0.4-0.7。
本发明中所述的Marangoni对流，是由液态熔池表面不同位置处表面张力大小不同所引起的对流。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过内层纯惰性气体产生电弧，隔离外层保护气体中活性气体与电极的直接接触，防止电极氧化烧损，延长了电极使用寿命，避免了单层混合气体保护时，电极氧化烧损现象。
2、本发明通过外层保护气体中活性气体O2(或CO2)，在焊接点弧中分解并向熔池的溶解，实现了液态熔池中活性组元氧的调整，获得内向Marangoni对流和大深宽比焊缝，提高TIG焊接效率。
3、本发明工艺便于通过控制内、外层保护气体成分和流量，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。
4、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。
5、本发明在焊接电流为160A下，单道焊缝深宽比可达0.4以上。与纯氩保护钨极惰性气体保护焊相比，焊接效率提高了1倍。
6、本发明不仅为解决电解氧化烧损和TIG焊浅熔深问题提出了一个实用新技术，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为双层气流保护焊枪的结构示意图。图中，1、焊枪保护冒；2、电极；3、陶瓷嘴；4、外层保护气体；5、内层保护气体；6、试板；7、电极伸出长度；8、电弧长度；9电弧。
图2a-f为Ar-(Ar-O2)双层气流保护下熔池形貌图；其中，图2a的外层保护气体中氧气含量为1％；图2b的外层保护气体中氧气含量为3％；图2c的外层保护气体中氧气含量为20％；图2d的外层保护气体中氧气含量为40％；图2e的外层保护气体中氧气含量为60％；图2f的外层保护气体中氧气含量为100％。
图3为Ar-(Ar-O2)双层气流保护下，焊缝金属氧含量和熔池深宽比变化图。
图4a-b为液态熔池对流模型图；其中，图4a为外对流表面张力与温度之间的曲线及模型图；图4b为内对流表面张力与温度之间的曲线及模型图。
图5a-d为焊后电极形貌图。其中，图5a为在Ar-0.7％O2单层混合气体保护下电极形貌；图5b为在Ar-0.9％O2单层混合气体保护下电极形貌；图5c为在Ar-(Ar-20％O2)双层气流保护下电极形貌图；图5d为在Ar-(Ar-60％O2)双层气流保护下电极形貌图。
图6a-b为Ar-(Ar-CO2)双层气流保护下熔池形貌图。其中，图6a为Ar-(Ar)双层气流保护时熔池形貌；图6b为Ar-(100％CO2)双层气流保护时熔池形貌。
图7a-d为焊后电极形貌图。其中，图7a为在Ar-1％CO2单层混合气体保护下电极形貌；图7b为在Ar-3％CO2单层混合气体保护下电极形貌；图7c为在Ar-(Ar-1％CO2)双层气流保护下电极形貌图；图7d为在Ar-(100％CO2)双层气流保护下电极形貌图。
图ga b为He-(He-O2)双层气流保护下熔池形貌图。其中，图8a为He-(He)双层气流保护时熔池形貌；图8b为He-(He-4％O2)双层气流保护时熔池形貌。
图9a-b为焊后电极形貌图。其中，图9a为在He-1％O2单层混合气体保护下电极形貌纯；图9b为He-(He-4％O2)双层气流保护下电极形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明，本发明中的气体含量按体积百分含量计。
焊接前，首先调整好内外层保护气体流量(参见图1)，让内层保护气体5为纯惰性气体Ar或He，从电极2与陶瓷嘴3之间的通道通过；外层保护气体4为Ar-O2、Ar-CO2或He-O2，从焊枪保护冒1与陶瓷嘴3之间的通道通过。引弧起焊，电极2与试板6之间产生电弧9，熔化试板，实现焊接。
选择SUS304不锈钢作为焊接基体材料，外层保护气体流量为(10～20)L/Min，内层保护气体流量为(3～10)L/Min，焊接电流为60～300A，焊接速度为0.5～5.0mm/s，进行了焊接。电极伸出长度7为0～3mm，电弧长度8为(1～5)mm。
实施例1
本实施例中，电极伸出长度为0mm，电弧长度为3mm，外层保护气体流量为10L/Min，内层保护气体流量为10L/Min，焊接电流为160A，焊接速度为2mm/s，进行了焊接。
图2为采用Ar-(Ar-O2)双层气流保护时，焊后熔池形貌图。内层保护气体为纯Ar，外层保护气体为Ar-O2混合气体。图2a的外层保护气体中氧气含量为1％，图2b的外层保护气体中氧气含量为3％，图2c的外层保护气体中氧气含量为20％，图2d的外层保护气体中氧气含量为40％，图2e的外层保护气体中氧气含量为60％，图2f的外层保护气体中氧气含量为100％。当外层保护气体中O2含量低于20％时，熔池形貌宽而浅(图2a-b)。当外层保护气体含量超过20％时，熔池形貌窄而深(图2c-f)。图3为熔池深宽比和焊缝金属氧含量测试结果。当外层保护气体中氧气含量超过20％时，熔池的深宽比由0.3增加到0.45，焊缝金属的氧含量超过70ppm。焊接过程中，外层保护气体中的氧气在高温电弧中分解，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(70ppm)，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4b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4b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。当熔池中活性组元氧的含量低于70ppm时，液态熔池Marangoni对流为外对流(参见图4a右侧图)，阳极斑点热向熔池两侧传播，熔池形貌宽而浅；图4a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。
图5为焊后电极形貌图。图5a为在Ar-0.7％O2单层混合气体保护下电极形貌，图5b为在Ar-0.9％O2单层混合气体保护下电极形貌，图5c为在Ar-(Ar-20％O2)双层气流保护下电极形貌图，图5d为在Ar-(Ar-60％O2)双层气流保护下电极形貌图。由图可知，在单一混合气体保护下，电极氧化烧损严重(图5a-b)。双层气流保护下，焊后电极形貌完好，有效抑制了电极的氧化烧损，延长了电极使用寿命(图5c-d)。
实施例2
本实施例中，电极伸出长度为1mm，电弧长度为3mm，外层保护气体流量为10L/Min，内层保护气体流量为10L/Min，焊接电流为160A，焊接速度为2mm/s，进行了焊接。
图6为Ar-(Ar-CO2)双层气流保护下熔池形貌图。图6a为Ar-(Ar)双层气流保护时熔池形貌，图6b为Ar-(100％CO2)双层气流保护时熔池形貌。当外层保护气体为纯Ar时，熔池形貌浅而宽，熔池深宽比为0.19，焊缝金属含氧量为27ppm(图6a)。当外层保护气体为纯CO2时，熔池形貌窄而深，熔池深宽比为0.59，焊缝金属中氧含量为104ppm(图6b)。双层气流保护时，外层保护气体中加入活性气体(CO2)能有效地调整熔池中活性组元含量，增大熔池深宽比，提高焊接效率。
图7为焊后电极形貌比较。图7a为在Ar-1％CO2单层混合气体保护下电极形貌，图7b为在Ar-3％CO2单层混合气体保护下电极形貌，图7c为在Ar-(Ar-1％CO2)双层气流保护下电极形貌图，图7d为在Ar-(100％CO2)双层气流保护下电极形貌图。在单层混合气体保护下(Ar-CO2)，电极氧化烧损严重。双层气流保护时，电极形貌完好，有效抑制了电极烧损。
实施例3
本实施例中，电极伸出长度为1mm，电弧长度为3mm，外层保护气体流量为20L/Min，内层保护气体流量为7L/Min，焊接电流为150A，焊接速度为2mm/s，进行了焊接。
图8为He-(He-O2)双层气流保护下熔池形貌图。图8a为He-(He)双层气流保护时熔池形貌，图8b为He-(He-4％O2)双层气流保护时熔池形貌。当外层保护气体为纯He气体时，熔池形貌浅而宽(图8a)，熔池深宽比为0.36，焊缝金属中活性组元含量为33ppm。当外层保护气体中加入4％O2时，熔池形貌窄而深(图8b)，熔池深宽比达0.72，焊缝金属中活性组元氧的含量达160ppm。双层气流保护时，外层保护气体中加入活性气体(O2)能有效地调整熔池中活性组元含量，增大熔池深宽比，提高焊接效率。
图9为焊后电极形貌图。图9a为在He-1％O2单层混合气体保护下电极形貌纯；图9b为He-(He-4％O2)双层气流保护下电极形貌图。在单层混合气体保护下(He-1％O2)，电极氧化烧损严重。双层气流保护时，电极形貌完好，有效抑制了电极烧损。
实施例结果表明，本发明电极防氧化双层气流保护焊接方法，具有如下特点：
(1)通过内层纯惰性气体(Ar或He)产生电弧，隔离外层保护气体中的活性气体与电极直接接触，保护电极，防止电极在焊接过程中氧化烧损，避免了含活性气体的混合气体保护焊时电极氧化烧损现象。
(2)通过外层保护气体中活性气体(O2或CO2)在焊接电弧中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。本发明焊接工艺操作简单，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。
(3)内层保护气体和外层保护气体之间由陶瓷嘴分开，通过内层纯惰性气体(Ar或He)保护钨极，隔离外层含活性气体的保护气与钨极直接接触，通过外层保护气体中的活性气体在电弧中分解来调整液态熔池活性组元含量，改变熔池对流和热传播方向，增加熔深，提高焊接效率。本发明焊接技术对不锈钢试板进行了焊接实验，得到了验证，本发明同样适用于不锈钢和碳钢材料的焊接。
Claims (2)
1.一种钨极防氧化双层气流保护焊接方法，其特征在于，将纯惰性气体与含活性气体的保护气体分开，变为双层气流保护焊接，内层保护气体为纯惰性气体：氩气或氦气；外层保护气体为含活性气体的保护气体：Ar-(20％-60％)O2、Ar-(50％-100％)CO2或He-(1％-10％)O2；
整个焊接过程包括如下步骤：
第一步：焊接前，首先调整外层保护气体中活性气体的含量，成份范围为：Ar-(20％-60％)O2、Ar-(50％-100％)CO2或He-(1％-10％)O2，外层保护气体流量为10-20L/Min；内层保护气体为纯惰性气体，气体流量为(3-10)L/Min；
第二步：设定焊接工艺规范，焊接电流为60A-300A，焊接速度为0.5mm/s-5.0mm/s，电弧长度为1mm-5mm之间，电极伸出长度为0～3mm，并引弧起焊。
2.按照权利要求1所述的钨极防氧化双层气流保护焊接方法，其特征在于，内层保护气体和外层保护气体之间由陶瓷嘴分开，内层纯惰性气体保护钨极，产生电弧，外层保护气体调整熔池活性组元含量，改变熔池对流运动和热传播方向，增加熔深，提高焊接效率。
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