CN107570845A - 一种自动活性钨极氩弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种自动活性钨极氩弧焊接方法。为了进一步提高当前活性钨极氩弧焊的焊接效率和焊接质量，本发明提出了一种全新的自动活性钨极氩弧焊接方法。该自动活性钨极氩弧焊接方法，采用双层保护气体焊枪进行钨极氩弧焊，其中内层气体通道输送惰性气体，外层气体通道输送活性剂粉末和外层气体。本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法，通过改变活性剂的成分或者外层气体的种类，不但可以改变熔池内的金属流动行为，成倍增加焊缝的熔深和深宽比，控制焊缝的成分和组织，改善焊缝的力学性能，从而获得高质量、深熔深的焊缝，而且可以在焊接过程中进行活性剂的自动添加，实现焊接操作的自动化，提高焊接效率。

Description

一种自动活性钨极氩弧焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种自动活性钨极氩弧焊接方法。

背景技术

近些年来，活性钨极氩弧焊接法引起了世界范围内的广泛关注，它通过在焊接过程中引入活性元素可使熔深显著增加，实现高质量的焊接。目前，在活性钨极氩弧焊接过程中，活性元素的引入方式主要分为三大类，第一类是通过活性气体，第二类是通过在母材表面涂覆活性剂，第三类是通过活性气体原位生成活性剂。

其中，第一类方式是通过将含活性元素氧的单一气体或混合气体引入焊接区域。这样，在焊接过程中含氧气体在电弧的作用下分解出单原子氧并吸附到熔池表面，以此引入活性元素氧，使熔池金属的表面张力温度梯度由负值变正值，熔池金属由外向内流动，从而使电弧输入的热量更加有效地向熔池底部传输，达到显著增加熔深的目的。然而，这种活性元素引入方式虽然易于实现自动化焊接，但由于不能在焊接过程中引入合金元素，所以难以通过调节焊缝金属的成分改善其组织和性能。

其中，第二类方式是在正常钨极氩弧焊之前在打磨好的工件表面涂覆一层很薄的表面活性剂，或者通过粉末输送装置，将活性剂同步输送到钨极氩弧焊电弧区域。活性剂一般采用卤化物、氧化物、单质或者它们的混合物。这样，在焊接过程中可以使正常的钨极氩弧焊电弧收缩，熔池金属的流动方向改变，焊缝熔深显著增加。这种活性元素引入方式可以通过改变活性剂成分，调节焊缝的组织和成分，改善焊缝的力学性能。但涂敷活性剂时不易精确控制活性剂涂敷厚度，难于实现焊接过程全自动化，而且当同步输送活性剂到焊接区域时，活性剂将污染烧损钨电极，影响焊接过程的稳定性。

其中，第三类方式是在正常钨极氩弧焊之前，以含氧活性气体O₂或CO₂作为氛围气体，利用电弧或激光等热源表面熔敷待焊工件表面，从而在工件表面原位生成一薄层氧化皮。这样，氧化皮可以起到活性剂的作用使得随后的钨极氩弧焊熔深显著增加。这种活性元素引入方式虽然可以实现焊接过程全自动化，但与第一类方式相似，不易利用合金元素调节焊缝性能，而且需要增加一种热源或者增加一道工件表面预处理工序。

发明内容

为了解决在当前的活性钨极氩弧焊接过程中，存在焊接效果差的问题，进一步提高当前活性钨极氩弧焊的焊接效率和焊接质量，本发明提出了一种全新的自动活性钨极氩弧焊接方法。该自动活性钨极氩弧焊接方法，采用双层保护气体焊枪进行钨极氩弧焊，其中所述双层保护气体焊枪包括外层气体通道和内层气体通道，分别用于输送外层气体和内层气体；该焊接方法具体包括以下步骤：

步骤S1，对活性剂进行烘干处理，获得干燥的活性剂粉末；

步骤S2，将活性剂粉末置于送粉器中，并将所述送粉器的出口与所述双层保护气体焊枪的外层气体通道入口连接；

步骤S3，开启内层气体通道和外层气体通道，在内层气体、外层气体以及活性剂粉末的共同作用下进行焊接，焊接结束后，关闭内层气体通道和外层气体通道，获得粉末熔池耦合活性钨极氩弧焊焊缝；其中，在焊接过程中，所述活性剂粉末在外层气体的输送下进入电弧与熔池的耦合系统中。

优选的，所述内层气体选用惰性气体，所述外层气体选用惰性气体、含氧活性气体、氮气或者它们的混合气体。

优选的，所述活性剂粉末选用氧化物、卤化物、单质或者它们的混合物，并且所述活性剂粉末的颗粒达到100～400目。

进一步优选的，所述活性剂粉末随所述外层气体的输送量控制在0.1～5g/min。

优选的，所述双层保护气体焊枪包括钨电极、内喷嘴和外喷嘴；所述钨电极位于所述内喷嘴的内部，并且在所述钨电极与所述内喷嘴之间形成所述内层气体通道；所述外喷嘴套设在所述内喷嘴的外部，并且在所述内喷嘴和所述外喷嘴之间形成所述外层气体通道；所述内喷嘴与所述外喷嘴之间同轴设置。

进一步优选的，所述外层气体通道与所述内层气体通道之间为平行设置。

进一步优选的，所述外层气体通道与所述内层气体通道之间为夹角设置，并且所述外层气体通道沿气体流动方向逐渐收缩。

优选的，该自动活性钨极氩弧焊接方法采用直流电焊接或采用交流电焊接。

采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法进行焊接操作时，具有以下有益效果：

1、在本发明中，采用双层气体保护焊枪进行焊接操作，其中钨电极位于内侧气体通道的内部，内层气体通道用于输送惰性气体，外层气体通道中用于输送活性剂粉末。通过外层气体直接将活性剂粉末输送至钨电极与工件之间产生的焊接电弧中，这样不仅可以借助活性剂和外层气体成倍增加焊缝的熔深和深宽比，同时在焊缝中加入有益元素，控制焊缝的成分和组织，改善焊缝的力学性能，从而获得高质量和深熔深的焊缝，而且可以在焊接过程中进行活性剂的自动添加，实现焊接操作的自动化，提高焊接效率。

2、在本发明中，采用内层气体通道输送惰性气体，外层气体通道输送活性剂的焊接方法。此时，在内侧气体通道中惰性气体对钨电极的保护作用下，可以避免活性剂粉末对钨电极的污染和烧损破坏。这样，不仅可以保证焊接过程中，钨电极产生电弧的稳定性以及避免夹钨缺陷的产生，从而提高焊接质量，而且可以延长钨电极的使用寿命，实现长时间的连续焊接，提高焊接效率。

3、本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法具有更广的焊接使用工况，既可以适用于直流电焊接，例如对不锈钢、碳钢、钛合金等金属进行焊接，也可以适用于交流电焊接，例如对铝及其合金以及镁及其合金等金属进行焊接。

4、在本发明中，通过调整内喷嘴和外喷嘴之间的位置关系以及两者自身的形状，可以实现对活性剂输送位置的精准控制，从而提高焊接过程中对活性剂的使用效率，进而提高焊接效率和焊接质量。

附图说明

图1为采用本发明自动活性钨极氩弧焊接方法进行板材焊接时的示意图；

图2为进行焊接操作前，钨电极的形貌示意图；

图3为实施例1中，焊接过程中电弧的形貌示意图；

图4为实施例1中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图5为实施例1中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图6为实施例1中，焊接完成后钨电极的形貌示意图；

图7为实施例2中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图8为实施例2中，焊接完成后焊缝的背面示意图；

图9为实施例2中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图10为实施例3中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图11为实施例3中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图12为实施例4中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图13为实施例4中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图14为实施例5中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图15为实施例5中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图16为对比例1中，焊接过程中电弧的形貌示意图；

图17为对比例1中，焊接完成后焊缝的正面示意图；

图18为对比例1中，焊接完成后焊缝的横截面示意图；

图19为对比例1中，焊接完成后钨电极的形貌示意图；

图20为对比例2中，焊接完成后钨电极的形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

结合图1所示，在本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法中，采用双层保护气体焊枪1进行钨极氩弧焊，双层保护气体焊枪1包括钨电极11、内喷嘴12以及外喷嘴13。其中，钨电极11位于内喷嘴12的内部，外喷嘴13套设在内喷嘴12的外部。这样，在钨电极11和内喷嘴12之间形成内层气体通道14，用于输送内层气体；在内喷嘴12和外喷嘴13之间形成外层气体通道15，用于输送外层气体，并且钨电极11和外层气体通道15之间在内喷嘴12的作用下相互隔离，即钨电极11与外层气体之间处于非接触状态。

结合图1所示，采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法，进行焊接操作的具体步骤为：

步骤S1，选取活性剂并且对活性剂进行加热烘干，除去活性剂中吸附的水分以及活性剂本身所含的结晶水，获得干燥的活性剂粉末2。

优选的，根据焊接材质和工况的不同，活性剂可以选用氧化物、卤化物、单质或者它们的混合物，从而满足不同焊接要求。此外，将活性剂粉末2的颗粒控制在100～400目之间。

步骤S2，将活性剂粉末2置于送粉器中，并将送粉器的出口与外层气体通道15的入口连接。同时，将内层气体与内层气体通道14的入口连接，将外层气体与外层气体通道15的入口连接。其中，在本实施例中，送粉器采用立式螺旋送粉器，以提高对活性剂粉末2输出流量控制的稳定性和精准度。

步骤S3，设定好焊接参数后，开启内层气体通道14和外层气体通道15，开始进行焊接。在焊接过程中，活性剂粉末2通过送粉器进入外层气体通道15内部，进而在外层气体的输送下，通过外层气体通道15进入电弧3与熔池4的耦合系统中，即将活性剂粉末2输送到钨电极11与工件5之间产生的焊接电弧3中。当活性剂粉末2进入电弧3和熔池4后，将收缩电弧和改变熔池表面张力温度梯度，使熔池4内的高温金属流动形态发生改变，使得电弧热量更加有效地向熔池4的底部进行传输，达到成倍增加焊接熔深的目的，实现焊接质量的提升。焊接结束后，关闭内层气体通道14和外层气体通道15，获得粉末熔池耦合活性钨极氩弧焊焊缝。

其中，在焊接过程中，根据焊缝的尺寸要求，通过控制送粉器的电机转速，将活性剂粉末随外层气体的输送量控制在0.1～5g/min，从而达到最佳的焊接效果，获得高质量的焊缝。

优选的，内层气体选用惰性气体，例如氩气或氦气，以便于焊接过程中对钨电极进行保护，避免活性剂粉末对钨电极造成污染，以及造成烧损破坏，从而保证焊接过程中电弧的稳定，防止夹钨等焊接缺陷的产生，提高焊接质量和钨电极的使用寿命。

优选的，根据焊接工况的不同，外层气体可以选用惰性气体、含氧活性气体、氮气或者它们的混合气体。其中，当外层气体选用惰性气体时，例如氩气或氦气，则单纯用于对活性粉末的输送；当外层气体选用含氧活性气体时，例如氧气或二氧化碳，则在焊接过程中含氧活性气体在电弧的作用下可以分解出单原子氧并吸附到熔池表面，从而引入活性元素氧，进一步增加焊接的熔深；当外层气体选用氮气时，则在焊接过程中可以利用氮元素改善焊接的韧性，进一步提高焊缝的质量。

此外，结合图1所示，在本实施例中，双层保护气体焊枪1中的内喷嘴12和外喷嘴13之间采用同轴设置并且外喷嘴13的内表面为锥形结构，即内层气体通道14和外层气体通道15之间存在夹角，并且外层气体通道15沿气体流动方向逐渐收缩。这样，可以使伴随外层气体输出的活性剂粉末2集中至电弧3的核心区域，从而获得深宽比更大的焊缝。同样，也可以根据焊接的要求，将外喷嘴13的内表面设计为竖直形结构，即内层气体通道14和外层气体通道15之间采用平行设置，以及选用不同外径尺寸的内喷嘴12和不同内径尺寸的外喷嘴13，从而对外层气体通道15的横截面积进行调整，进而控制外层气体和活性剂粉末进入电弧与焊接熔池表面的耦合区域和面积，获得不同熔深和熔宽尺寸的焊缝。

此外，本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法，既可以适用于直流电焊接，例如对不锈钢、碳钢、钛合金等金属进行焊接，也可以适用于交流电焊接，例如对铝及其合金以及镁及其合金等金属进行焊接。

接下来，通过实施例和对比例对本发明提供的自动活性钨极氩弧焊接方法进行效果对比分析。

实施例1，采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。

其中，活性剂粉末选用SiO₂,粒度为100目，送粉器的电机转速为30r/min，即活性剂粉末随外层气体的输送量为0.62g/min。内层气体选用氩气，外层气体选用氩气。焊接工艺参数为：焊接电流为180A，焊接速度为80mm/min，弧长为3mm，内层气体流量为10L/min，外层气体流量为6L/min。

焊接操作前，钨电极的形貌如图2所示；焊接过程中，电弧的形貌如图3所示；焊接完成后，获得焊缝的正面如图4所示，获得焊缝的横截面如图5所示，钨电极的形貌如图6所示。

实施例2，采用与实施例1相同的方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别仅在于，焊接电流为200A，内层气体流量为12L/min，外层气体流量为8L/min。

焊接完成后，获得焊缝的正面如图7所示，获得焊缝的背面如图8所示，获得焊缝的横截面如图9所示。

实施例3，采用与实施例1相同的方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别仅在于，活性剂粉末选用TiO₂。

焊接完成后，获得焊缝的正面如图10所示，获得焊缝的横截面如图11所示。

实施例4，采用与实施例1相同的方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别仅在于，活性剂粉末选用MnCl₂。

焊接完成后，获得焊缝的正面如图12所示，获得焊缝的横截面如图13所示。

实施例5，采用与实施例1相同的方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别仅在于，活性剂粉末选用Te。

焊接完成后，获得焊缝的正面如图14所示，获得焊缝的横截面如图15所示。

对比例1，采用与实施例1相同的焊接方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别在于，在焊接过程中外层气体中不添加任何活性剂，只是单纯的惰性气体—氩气，即采用惰性气体钨极保护焊，对8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。

在焊接过程中，电弧的形貌如图16所示；焊接完成后，获得焊缝的正面如图17所示，获得焊缝的横截面如图18所示，钨电极的形貌如图19所示。

对比例2，采用与实施例1相同的焊接方法，对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板SUS304进行直流正接的表面熔焊焊接。其区别在于，送粉器的出口与内层气体通道的入口连接，使活性剂粉末伴随内层气体输出。其中，在完成焊接后，钨电极的形貌如图20所示。

根据实施例1和对比例1，通过对比图3和图16所示，相比于对比例1中的常规惰性气体钨极保护焊接，实施例1中本发明自动活性钨极氩弧焊接产生的电弧略有收缩，焊接电压增加了1V。通过对比图4和图17所示，实施例1采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接获得的焊缝表面质量与对比例1中常规惰性气体钨极保护焊接获得的焊缝表面质量相当。通过对比图5和图18所示，实施例1中本发明自动活性钨极氩弧焊接获得焊缝的熔深为7.02mm，熔宽为8.42mm，焊缝深宽比为0.83；对比例1中的惰性气体钨极保护焊接获得焊缝的熔深为2.06mm，熔宽为11.98mm，焊缝深宽比为0.17。其中，本发明自动活性钨极氩弧焊接获得焊缝的熔深和深宽比分别是常规惰性气体钨极保护焊接获得焊缝的3.41倍和4.88倍。

根据实施例1和实施例2，通过对比图4和图7所示，采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法对厚度为8mm的奥氏体不锈钢板进行焊接时，通过适当增加焊接电流和气体流量，同样可以获得质量好的焊缝。此外，结合图8以及对比图5和图9所示，通过适当增加焊接电流和气体流量，对于8mm厚度的奥氏体不锈钢板可以不开坡口一次性焊透，而且熔透均匀，达到了单面焊双面成形的效果。

根据实施例3、实施例4和实施例5，通过对比图10、图12和图14所示，采用本发明的自动活性钨极氩弧焊接方法对奥氏体不锈钢板进行焊接时，通过选用三种不同成分的活性剂粉末，均可以获得了质量较好的焊缝。其中，尤其选用MnCl₂活性剂粉末时，形成的焊缝表面成形最好，表面光滑平整，鱼鳞纹均匀，无驼峰焊道及咬边等缺陷。

与此同时，通过对比图11、图13和图15所示，选用TiO₂活性剂粉末时，焊接形成焊缝的熔深为6.84mm，熔宽为8.86mm，焊缝深宽比为0.77；选用MnCl₂活性剂粉末时，焊接形成焊缝的熔深为5.20mm，熔宽为10.58mm，焊缝深宽比为0.49；选用Te活性剂粉末时，焊接形成焊缝的熔深为4.62mm，熔宽为10.64mm，焊缝深宽比为0.43。通过选用不同成分的活性剂粉末，可以获得不同熔深的焊缝，其中针对8mm厚度的奥氏体不锈钢，选用TiO₂活性剂粉末时可以获得最大的熔深效果。

根据实施例1、对比例1和对比例2，通过对比图2、图6、图19和图20所示，在经过同等时间的焊接操作后，由于在本发明焊接操作和常规惰性气体钨极保护焊接操作中，钨电极是直接与惰性气体接触，因此钨电极在惰性气体的保护下，均未发生与活性剂粉末的接触，从而没有发生污染和烧损的问题。然而，在对比例2中，由于活性剂粉末是伴随内层气体输出，与钨电极发生直接接触，因此图20所示钨电极的表面受到活性剂粉末的污染，其端部发生了一定的烧损破坏，进而造成后续焊接过程中电弧的不稳定，影响焊缝质量，甚至产生夹钨缺陷。

接下来，依据GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》分别对8mm厚度的奥氏体不锈钢母材、对比例1中采用常规惰性气体钨极保护焊获得焊缝金属以及实施例1中采用本发明自动活性钨极氩弧焊获得焊缝金属进行室温拉伸试验和-40℃低温冲击试验。其中，测试结果如表1所示。

表1

与奥氏体不锈钢母材和对比例1中采用常规惰性气体钨极保护焊获得焊缝金属相比较，在实施例1中采用本发明自动活性钨极氩弧焊获得焊缝金属的低温冲击韧性略有下降，但并不明显，并且其保持了良好的室温拉伸性能。

Claims (8)

1.一种自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，采用双层保护气体焊枪进行钨极氩弧焊，其中所述双层保护气体焊枪包括外层气体通道和内层气体通道，分别用于输送外层气体和内层气体；该焊接方法具体包括以下步骤：

步骤S1，对活性剂进行烘干处理，获得干燥的活性剂粉末；

步骤S2，将活性剂粉末置于送粉器中，并将所述送粉器的出口与所述双层保护气体焊枪的外层气体通道入口连接；

步骤S3，开启内层气体通道和外层气体通道，在内层气体、外层气体以及活性剂粉末的共同作用下进行焊接，焊接结束后，关闭内层气体通道和外层气体通道，获得粉末熔池耦合活性钨极氩弧焊焊缝；其中，在焊接过程中，所述活性剂粉末在外层气体的输送下进入电弧与熔池的耦合系统中。

2.根据权利要求1所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述内层气体选用惰性气体，所述外层气体选用惰性气体、含氧活性气体、氮气或者它们的混合气体。

3.根据权利要求1所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述活性剂粉末选用氧化物、卤化物、单质或者它们的混合物，并且所述活性剂粉末的颗粒达到100～400目。

4.根据权利要求3所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述活性剂粉末随所述外层气体的输送量控制在0.1～5g/min。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述双层保护气体焊枪包括钨电极、内喷嘴和外喷嘴；所述钨电极位于所述内喷嘴的内部，并且在所述钨电极与所述内喷嘴之间形成所述内层气体通道；所述外喷嘴套设在所述内喷嘴的外部，并且在所述内喷嘴和所述外喷嘴之间形成所述外层气体通道；所述内喷嘴与所述外喷嘴之间同轴设置。

6.根据权利要求5所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述外层气体通道与所述内层气体通道之间为平行设置。

7.根据权利要求5所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，所述外层气体通道与所述内层气体通道之间为夹角设置，并且所述外层气体通道沿气体流动方向逐渐收缩。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的自动活性钨极氩弧焊接方法，其特征在于，该自动活性钨极氩弧焊接方法采用直流电焊接或采用交流电焊接。