CN102764930B - 一种高氮钢的双层气流保护tig焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域，具体为一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，它适用于高氮奥氏体不锈钢（高氮钢）的焊接过程，解决高氮钢在钨极惰性气体保护焊接时熔池深度较浅和焊缝氮元素溢出的问题。该焊接方法在钨电极的外侧设置双层保护气体通道：内层气体通道和外层气体通道，内层使用纯惰性气体，外层使用惰性气体和活性气体的混合气体，通过电极产生电弧，对高氮钢母材进行钨极惰性气体保护焊。该焊接方法通过向熔池过渡活性组元，改变熔池传热对流模式，增加熔池深度；通过降低熔池表面宽度，减少焊缝氮元素的溢出。本发明可使高氮钢焊接熔池深度较普通弧焊深度增加2~3倍，同时有效减少焊缝氮元素的溢出。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体为一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，适用于高氮奥氏体不锈钢（高氮钢）的焊接过程。
背景技术
高氮奥氏体不锈钢（高氮钢）是近年来受到广泛关注的一种工程材料，其氮含量一般超过0.4％，主要利用氮元素部分或完全替代合金元素镍以获得全奥氏体组织。高氮钢具有较高的强度和韧性，同时具有良好的耐蚀性，这是由于：1）氮是有效的晶界强化、基体固溶强化元素，同时还可以细化晶粒；2）氮是强烈的奥氏体化元素，降低铁素体和马氏体的形成能力，提高材料的韧性；3）氮元素固溶于奥氏体中，起到稳定奥氏体的作用，并使得奥氏体层错能降低，加工硬化能力加强，进而提高了高氮钢的抗空蚀能力；4）高氮钢中大量的锰元素（大于15wt%）增加氮在奥氏体中的溶解度，防止析出铬的氮化物，避免强度和耐蚀性受损。
高氮钢优异的性能，使其成为工程结构件中的重要材料，因而其焊接性受到极大关注。钨极惰性气体保护焊（TIG）具有焊接过程稳定，保护效果好的优点，已得到广泛应用，特别适用于不锈钢、钛合金和有色金属的焊接。它存在的不足是钨极载流有限，焊缝深度（熔深）浅，通常焊缝深度和宽度之比（深宽比）仅为0.2左右，单道可焊厚度只有3mm左右。高氮钢的普通TIG焊接过程中，存在两点不足：一是焊缝深度较浅，二是焊缝氮元素流失严重。这两点都直接影响了高氮钢的TIG焊接效率和焊缝质量，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，解决高氮钢在钨极惰性气体保护焊接时熔池深度较浅和焊缝氮元素溢出的问题，它是增加高氮钢TIG焊缝深度和防止焊缝氮元素溢出的新方法。
本发明的技术方案是：
一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，该焊接方法在钨电极的外侧设置双层保护气体通道：内层气体通道和外层气体通道，内层使用纯惰性气体，外层使用惰性气体和活性气体的混合气体，通过电极产生电弧，对高氮钢母材进行钨极惰性气体保护焊。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，内层气体为纯惰性气体Ar或He。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，外层气体为含惰性气体和微量活性气体的混合气体，惰性气体为Ar或He，微量活性气体为O2或CO2，微量活性气体的体积比例在5%~40%范围内。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，微量活性气体的体积比例优选在5%~20%范围内。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，外层气体流量大于或等于内层气体流量。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，内层气体的流量在5~10L/min范围内，外层气体的流量在10~20L/min范围内。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，采用内层纯He或Ar气体产生电弧，通过外层He-O2、He-CO2、Ar-O2或Ar-CO2混合气体实现焊接过程中活性组元向液态熔池的溶解过渡，调整熔池的氧含量，改变液态熔池传热对流模式，促进熔池表面热量向熔池底部传输，最终获取大深宽比的焊缝，深宽比为0.5~0.9。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，焊接速度1~5mm/s，焊接电流160A～250A，焊接弧长1~5mm，钨电极伸出喷嘴的长度为0~5mm。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，优选范围为：焊接速度2~3mm/s，焊接电流190A～250A，焊接弧长3~5mm，钨电极伸出喷嘴的长度为0~2mm。
所述的高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，该焊接方法适用于氮含量超过0.5wt%的高氮钢材料，焊后焊缝氮元素损失小于15%。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，通过内层纯惰性气体（Ar或He）气体产生电弧，通过外层惰性气体和活性气体的混合气体（Ar-O2或Ar-CO2、He-O2、He-CO2混合气体）实现焊接过程中活性组元向高氮钢液态熔池的溶解过渡，调整液态熔池中的氧含量，改变液态熔池传热对流模式，促进阳极斑点热向熔池底部传输，最终获取大深宽比的焊缝。
2、本发明提出的双层气流钨极惰性气体保护焊接工艺，具体规范了内外双层气体流量和成分比例，即内层气体的流量应在5~10L/min，外层气体流量应在10~20L/min，外层气体流量应大于或等于内层气体流量，外层混合气体中，活性气体的体积比例应在5%~40%范围内。在此焊接规范下使用，可以避免外层活性气体接触钨电极，造成电极氧化烧损，同时向液态熔池过度活性组元。
3、本发明提出的双层气流钨极惰性气体保护焊接工艺，具体规范了钨极伸出喷嘴的长度，即钨极伸出喷嘴的距离应在0~5mm的范围内，在此规范下使用，使得外层气体中的活性组元可以较容易地过渡进入液态熔池。
4、本发明通过焊接过程中降低高氮钢液态熔池表面宽度，减少氮元素在焊接过程中的溢出，有效地保留焊缝中的氮元素。
附图说明
图1为本发明高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法示意图。图中，1电极；2内层气体通道；3外层气体通道；4电弧；5高氮钢母材。
图2为高氮钢焊后焊缝形貌。其中，（a）图为普通TIG焊接方法，电流160A；（b）图为双层TIG焊接方法，电流160A；（c）图为双层TIG焊接方法，电流190A；（d）图为双层TIG焊接方法，电流220A；（e）图为双层TIG焊接方法，电流250A。
图3为双层TIG焊接方法下，不同焊接电流时，高氮钢焊缝宽度和深宽比。
图4为不同工艺下，焊接电流为160A时，高氮钢焊缝氧、氮含量。
图5为不同焊接电流时，高氮钢焊缝氧、氮含量。
具体实施方式
如图1所示，本发明高氮钢的双层气流保护TIG焊接结构包括：电极1、内层气体通道2、外层气体通道3，在电极1的外侧设置双层保护气体通道：内层气体通道2和外层气体通道3，通过电极1产生电弧（焊接弧）4，对高氮钢母材5进行钨极惰性气体保护焊。其特点为利用双层保护气体通道，即内层气体为纯惰性气体（Ar，He等），外层气体为含惰性气体和微量活性气体（O2，CO2等）的混合气体。本发明采用内层纯He或Ar气体产生电弧，通过外层He-O2、He-CO2、Ar-O2或Ar-CO2混合气体实现焊接过程中活性组元向液态熔池的溶解过渡，调整熔池的氧含量，改变液态熔池传热对流模式，促进熔池表面热量向熔池底部传输，最终获取大深宽比的焊缝。
以高氮奥氏体不锈钢（高氮钢）为焊接母材，成分为（质量分数）0.13%C，0.28%Si，15.72%Mn，1.85％Ni，22.17%Cr，0.026%P，0.74％N，0.0026%O，其余为Fe。试板尺寸100mm×50mm×9mm，在进行焊接之前用150号砂纸打磨待焊表面，并用酒精进行清洗，吹干。在焊接试板中间采用自熔焊的方法进行TIG焊接，双层气流保护TIG焊接方法内层采用纯He，流量5~10L/min（本实施例为10L/min）；外层采用He-O2混合气体，外层气体流量10~20L/min（本实施例为10L/min），氧气体积比例在5%~40%（本实施例为6%）。焊接速度2mm/s，焊接电流从160A增加至250A，焊接弧长3mm，电极伸出长度0~5mm（本实施例为0mm）。以传统单通道的TIG焊作为对比实验，保护气体选用纯He，流量10L/min.焊接参数为，焊接速度2mm/s，焊接电流160A，焊接弧长3mm。焊后在焊缝前后各三分之一处取两个焊接接头试样，各长约10mm，经过打磨、抛光，用10wt%草酸电解液电解腐蚀出焊缝，在熔合线内用线切割方法切割焊缝金属，利用氮/氧分析仪TC-436测定焊缝氧、氮含量。
焊接实例
图2为焊后焊缝形貌，具体为高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法和普通TIG焊接方法效果的对比。传统TIG焊接方法的焊缝呈宽浅型（图2a），焊缝宽度为13.5mm，深宽比为0.15，双层气流保护TIG焊的焊缝呈窄深型（图2b至图2e）。随焊接电流增加，双层气流保护TIG焊的焊缝深度增加，当焊接电流增加到250A，焊板焊透（图2e）。图3为双层气流保护TIG焊接方法下焊缝宽度和深宽比随电流的变化曲线。随着焊接电流的增加，熔池宽度略有增加，焊缝深宽比增加明显，焊接电流为250A时，焊缝深宽比达到了0.86，焊接效率明显提高。
双层气流保护TIG焊接条件下，焊缝深度增加明显，且焊缝宽度窄于传统TIG焊。图4所示为两种焊接方法下，电流都为160A时，高氮钢焊缝中氧、氮含量。由图4可以看出，双层气流保护TIG焊接条件下，焊缝中氧、氮元素含量均高于传统TIG焊接方法，氧含量为55ppm，高于母材中的氧含量（26ppm），氮元素含量为0.6％，略低于母材中的氮含量（0.74%）。传统TIG焊接方法下，焊缝氧含量为10ppm，氮含量为0.37%。焊缝氮含量与焊接过程中液态熔池表面积和保护气体中氮分压有关。实验中保护气体中不含氮气，会造成焊接过程中液态熔池中氮溢出而得不到补偿，焊缝氮含量较母材有所减少。但双层气流保护TIG焊接条件下，较小的液态熔池表面积，可以有效减少焊接过程中氮元素的溢出，焊后焊缝氮含量明显高于传统TIG焊。
图5为不同焊接电流时，高氮钢焊缝氧、氮含量，焊缝氧、氮含量随电流增加变化不大，说明该方法对焊接电流不敏感，有利于在工业生产中推广应用。
实验中，焊缝呈现窄深型时，焊缝中的氧含量也相对较高。液态纯金属或液态熔池中活性组元含量较低时，熔池表面张力温度系数一般为负值熔池中心表面张力小于熔池边缘表面张力，形成外向Marangaoni对流，阳极斑点热由熔池中心向熔池边缘传递，形成宽且浅的熔池形貌，如图2a。当液态金属内活性组元氧超过一定含量，表面张力温度系数将由负变正，熔池表面的Marangoni对流由外向对流转为内向对流，阳极斑点热由熔池表面边缘向中心传递，进而向熔池底部传递，熔池形貌变得窄且深，如图2b-2e。
实施例结果表明，本发明焊接方法通过向熔池过渡活性组元，改变熔池传热对流模式，增加熔池深度；通过降低熔池表面宽度，减少焊缝氮元素的溢出。本发明可使高氮钢焊接熔池深度较普通弧焊深度增加2~3倍，同时有效减少焊缝氮元素的溢出。
Claims (1)
1.一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，其特征在于，高氮钢的双层气流保护TIG焊接结构包括：电极、内层气体通道、外层气体通道，在电极的外侧设置双层保护气体通道：内层气体通道和外层气体通道，通过电极产生电弧，对高氮钢母材进行钨极惰性气体保护焊；
以高氮奥氏体不锈钢为焊接母材，按质量分数计，其成分为0.13%C，0.28%Si，15.72%Mn，1.85%Ni，22.17%Cr，0.026%P，0.74%N，0.0026%O，其余为Fe；试板尺寸100 mm×50 mm×9 mm，在进行焊接之前用150号砂纸打磨待焊表面，并用酒精进行清洗，吹干；在焊接试板中间采用自熔焊的方法进行TIG焊接，双层气流保护TIG焊接方法内层采用纯He，流量10L/min；外层采用He-O2混合气体，外层气体流量10L/min，氧气体积比例在6%；焊接速度2 mm/s，焊接电流250 A，焊接弧长3 mm，电极伸出长度0mm；焊后在焊缝前后各三分之一处取两个焊接接头试样，各长约10 mm，经过打磨、抛光，用10wt%草酸电解液电解腐蚀出焊缝，在熔合线内用线切割方法切割焊缝金属，利用氮/氧分析仪TC-436测定焊缝氧、氮含量；随着焊接电流的增加，熔池宽度略有增加，焊缝深宽比增加明显，焊接电流为250 A时，焊缝深宽比达到0.86。
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