CN108907414B - 一种高熔敷效率高焊接速度双钨极tig窄间隙焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，属于TIG焊接技术领域，采用两个不同的焊枪，轴对称的静止钨极焊枪和非轴对称的旋转钨极焊枪，先对工件开U型坡口，对坡口进行预处理；沿着焊接方向使两把焊枪一前一后排列，调节两把焊枪姿态；使两把焊枪距离工件距离相等；对焊机设置为提前送气，进行焊枪对中，设置延时送丝，提前抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，进行焊接，可以实现焊缝正面成型良好、没有咬边等缺陷，焊接熔敷效率和焊接速度明显提高，可以进行双TIG窄间隙焊接且侧壁熔合好的高速焊接。

Description

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，具体针对厚板、中厚板件的一非轴对称尖端旋转钨极、另一普通轴对称常规钨极的双钨极焊接系统的窄间隙高熔敷效率高焊接速度焊接方法，属于TIG焊接技术领域。

背景技术

非熔化极钨极氩弧焊(TIG)在现代焊接方法中得到广泛的应用，它的优点是焊缝质量高，飞溅少，一般用于精密仪器和高质量焊接。其主要缺点是焊接效率低、钨极载流能力有限，电弧功率受到限制、熔敷率低；窄间隙焊接在大厚板焊接中具有得天独厚的优势，大幅度降低电能损耗和焊材消耗，减少焊接残余变形和残余应力，相比常规焊接方法降低了焊接热输入。但是窄间隙在TIG焊接技术中应用较少，主要因为TIG的熔敷效率低和熔宽小易造成焊接层数增加和侧壁不熔合的缺陷。

现有的焊接系统中有采用双焊枪的操作，比如中国专利文件(公开号CN103273177A)公开了一种针对厚板件的双TIG焊接系统及其焊接方法，但该技术解决的熔深问题前后两把焊枪距离工件高度不同，即前钨极对金属进行一次熔化后钨极深入到熔化金属中进行起弧，使得熔深增大。第一钨极距离工件距离远大于第二钨极距离工件的距离，因而第二钨极距离工件距离很低，且该方案的焊接速度不能过快，该方案焊接时候减少了厚板开坡口的程序，并不涉及窄间隙问题。而窄间隙非轴对称旋转钨极焊接工艺采用一种特殊钨极，基于其钨极非轴对称形状和无限回转的特征，能够有效解决窄间隙焊接中容易出现的侧壁未熔合、侧壁熔深不足等问题。但是，由于钨极氩弧焊的特点，其总体熔敷效率较低，单层熔敷层厚度有限，难以满足高效率焊接的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，目的在于解决窄间隙非轴对称旋转钨极焊接工艺熔敷效率较低、焊接速度慢的问题，提出一种一个非轴对称尖端旋转钨极与另一常规钨极组成双钨极TIG高熔敷效率、高焊接速度的新方法。

本发明的技术方案如下：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，所用焊接系统包括两个焊机、两个焊枪、焊接电源、送丝装置，两台焊机上分别各自连接旋转钨极焊枪和静止钨极焊枪，两台焊机独立控制焊接参数，两个焊枪均分别连接设有姿态调节设备，姿态调节设备用以调节焊枪在水平方向的相互距离、焊枪在竖直方向与工件的距离、焊枪和竖直方向的角度；两个焊枪各自分别连接设有保护气体装置；

旋转钨极焊枪包括中心旋转轴、电机系统、导电系统和外置的电机控制箱，由外置的电机控制箱控制电机的开关和中心旋转轴的转动；

静止钨极焊枪的钨极两端均为轴对称尖端；旋转钨极焊枪的钨极一端为非轴对称尖端、另一端与中心旋转轴夹紧连接；钨极随中心旋转轴转动而转动；由于其旋转的非对称性，根据最小电压原理电弧总是能够周期性加热两基体侧壁金属；

焊接方法包括步骤如下：

(1)厚板9％Ni钢开U型坡口，对坡口进行表面油污和灰尘的清理的预处理；

(2)沿着焊接方向使两把焊枪一前一后排列，第一焊枪为静止钨极焊枪，第二焊枪为旋转钨极焊枪，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态；

(3)焊接前，调节姿态调节设备使两把焊枪距离工件距离相等；对焊机设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，使两把焊枪在坡口正中心；设置送丝机构延时送丝，提前抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；

(4)两个焊枪连接一个送丝装置，实行双焊枪单送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为200～300A，保护气体的流量为20～30L/min，第二焊枪的电流为150～200A，保护气体的流量为30～50L/min，焊接速度为450～600mm/min，送丝速度为1000～1500mm/min。

根据本发明优选的，步骤(2)中，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态，第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为3-5mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为3-5mm；两把焊枪钨极的水平相互距离为10～80mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为0～15°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为0～20°。

根据本发明优选的，步骤(4)中，两个焊枪连接两个送丝装置，实行双焊枪双送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为50～350A，保护气体的流量为10～30L/min；第二焊枪的电流为100～250A，保护气体的流量为20～50L/min，焊接速度为100～500mm/min,第一送丝装置送丝速度为300～1000mm/min，第二送丝装置的送丝速度为200～800mm/min。

原本双焊枪单送丝进行优化，优化为双焊枪双焊丝，根据最小电压原理，此时起弧为侧壁起弧，当非对称钨极周期性旋转时，电弧在两侧壁间周期性旋转，对两侧壁周期性加热，侧壁未熔合很好；对焊机设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，保证两把焊枪在坡口正中心；设置送丝机构延时送丝，先对焊件进行提前加热预熔化。

根据本发明优选的，步骤(4)中，在焊丝送丝之前对焊丝进行预热。不同于冷丝，热丝进一步显著的提高了焊接速度，降低了电弧对焊丝的熔化的热量，这样热量更集中的用于熔化侧壁和工件底部。

本发明通过对原本非轴对称旋转钨极焊枪进行焊接实验，发现非轴对称钨极的角度对侧壁熔合影响较大，角度小电弧的长度过小，不会在侧壁起弧，侧壁熔合不好，而角度过大则电弧过长，进行双焊枪实验时，旋转焊枪的电弧与静止焊枪的电弧发生串弧现象；而非轴对称旋转的钨极的转速影响电弧的饱满程度，转速过快或者过慢都会使电弧过于扁平不够饱满。经过不断试验，发现熔敷效率和焊接速度不足后提出本发明高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法。

窄间隙焊接要考虑钨极的对中问题、侧壁融合问题和焊接层数之间的温度差、结合问题需要对各种参数仔细调节。本发明两把焊枪解决的是在解决侧壁熔合问题的前提下的焊接效率低和熔敷效率低的问题。虽然本领域也有使用双焊枪的操作，但甚少涉及窄间隙焊接，如背景技术中的专利文件中，第一钨极距离工件距离远大于第二钨极距离工件的距离，因而第二钨极距离工件距离很低，贸然替换焊枪钨极也会造成焊接短路，起不了弧，且该方案解决熔深问题就要提高热输入，方法就是增大电流和降低焊接速度，其焊接电流已经增大的足够大了，本来钨极的载流能力就有限，继续增大可能造成钨极损坏或者钨极使用寿命缩短，因此只能尽可能的降低焊接速度。

本发明利用非对称旋转钨极焊枪和对称钨极常规焊枪的结合用在大厚板的单道多层窄间隙焊接，主要解决焊接速度低和熔敷效率低的问题，最终解决了长久存在的窄间隙焊接中侧壁熔合和焊接速度的矛盾问题。

本发明的有益效果在于：

1、在优化了焊件参数时，可以实现焊缝正面成型良好、没有咬边等缺陷；

2、焊缝表面呈密致鱼鳞纹条状形貌特征焊缝，这是由于第二焊枪的非轴对称旋转钨极焊接过程中，因为电弧周期性的旋转，对熔池有一个搅拌作用，使熔池在冷却时可以均匀的铺展开，同时熔池也周期性向前推进，形成此美观的特征焊缝；

3、第一把焊枪进行焊丝的熔化以及形成初步的熔池，第二把焊枪非轴对称钨极的旋转使电弧在窄间隙坡口中周期性偏心旋转对熔池进行搅拌和窄间隙坡口进行侧壁熔化，焊道未出现侧壁不熔合现象；

4、相比常规钨极窄间隙焊接熔敷效率提高，焊接速度明显提高可以进行双TIG窄间隙焊接且侧壁熔合好的高速焊接。

5、对两把焊枪角度进行自由调节，在合适的角度参数下，可以做到高速窄间隙焊时没有驼峰和咬边；

6、对第二焊枪的送丝机构进行优化后，双送丝机构对焊枪进行送丝，熔敷效率显著提高，减小窄间隙焊接的焊接道数，避免了重复加热使晶粒持续长大，使机械性能恶化。

附图说明

图1本发明的双焊枪系统架构示意图；

图2本发明的双焊枪焊接示意图；

图3本发明的非对称钨极示意图；

图4本发明的焊接晶粒微观组织图；

上述图中，1、送丝装置；2、外置的电机控制箱；3、焊接电源；4、保护气体装置；5、工件；6、第一焊枪；7、第二焊枪；8、姿态调节设备；9、非轴对称钨极，9-1、非轴对称尖端。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，本实施例焊接的厚度为26mm的9％Ni钢开U形坡口的窄间隙焊接，两钨极距离工件距离相同，所用焊接系统包括两个焊机、两个焊枪、焊接电源、送丝装置，两台焊机上分别各自连接旋转钨极焊枪和静止钨极焊枪，两台焊机独立控制焊接参数，两个焊枪分别均连接设有姿态调节设备，姿态调节设备用以调节焊枪在水平方向的相互距离、焊枪在竖直方向与工件的距离、焊枪和竖直方向的角度；两个焊枪各自分别连接设有保护气体装置。旋转钨极焊枪包括中心旋转轴、电机系统、导电系统和外置的电机控制箱，由外置的电机控制箱控制电机的开关和中心旋转轴的转动。静止钨极焊枪的钨极两端均为轴对称尖端；旋转钨极焊枪的钨极一端为非轴对称尖端、另一端与中心旋转轴夹紧连接；钨极随中心旋转轴转动而转动；第二焊枪的旋转钨极由于其钨极旋转的非对称性，根据最小电压原理电弧总是能够周期性加热两基体侧壁金属。

焊接方法包括步骤如下：

(1)厚板9％Ni钢开U型坡口，坡口用线切割机进行切割，切割的尺寸为底部宽度为8mm，上部尺寸为10mm，连接处半径为2mm的圆弧，所留钝边为2mm。对坡口进行表面油污和灰尘的清理的预处理，清理坡口里面油污和灰尘。将待焊件固定于夹具上，并进行预变形。

(2)沿着焊接方向使两把焊枪一前一后排列，第一焊枪为静止钨极焊枪，第二焊枪为旋转钨极焊枪，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态；静止钨极的焊枪位于前端，旋转钨极的焊枪位于后面；第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为3mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为3mm；两把焊枪钨极的水平相互距离为60mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为0°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为14°。

(3)焊接前，调节姿态调节设备使两把焊枪距离工件距离相等；对焊机设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，使两把焊枪在坡口正中心；设置送丝机构延时送丝，提前抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；

(4)两个焊枪连接一个送丝装置，实行双焊枪单送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转。设置送气系统提前送气和送丝机构延时送丝提前抽丝，焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为240A，保护气体的流量为25L/min，第二焊枪的电流为150A，保护气体的流量为50L/min，焊接速度为500mm/min，送丝速度为1200mm/min。

本实施例可以做到第一焊枪进行焊丝的熔化形成初步熔池，第二焊枪的非对称尖端钨极在旋转过程中，电弧与坡口左侧、中心、右侧都可以循环接触燃烧，侧壁能够良好熔合；高速焊接时没有驼峰焊道等缺陷产生。

实施例2：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，两个焊枪连接两个送丝装置，实行双焊枪双送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为320A，保护气体的流量为30L/min，第二焊枪的电流为250A，保护气体的流量为30L/min，焊接速度为400mm/min,第一送丝装置送丝速度为800mm/min，第二送丝装置的送丝速度为600mm/min。

本实施例可以做到第一焊枪进行大量焊丝的熔化形成初步熔池，第二焊枪的进行少量熔池的熔化同时对侧壁进行熔化，电弧的旋转改变了熔池的流动形态利于侧壁未熔合；同时熔敷的金属增多，减少了窄间隙焊接的道数。

实施例3：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(2)中，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态，第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为5mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为5mm；两把焊枪钨极的水平相互距离为50mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为0°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为15°。

实施例4：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态，第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为4mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为4mm；两把焊枪钨极的水平相互距离为10mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为15°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为20°。

实施例5：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，利用姿态调节设备调节两把焊枪姿态，第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为4mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为4mm；两把焊枪钨极的水平相互距离为80mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为0°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为0°。

实施例6：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，两个焊枪连接一个送丝装置，实行双焊枪单送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为200A，保护气体的流量为20L/min，第二焊枪的电流为150A，保护气体的流量为30L/min，焊接速度为450mm/min，送丝速度为1000mm/min。

实施例7：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例6所述，所不同的是，步骤(4)中，两个焊枪连接一个送丝装置，实行双焊枪单送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为300A，保护气体的流量为30L/min，第二焊枪的电流为200A，保护气体的流量为50L/min，焊接速度为600mm/min，送丝速度为1500mm/min。

实施例8：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(4)中，两个焊枪连接两个送丝装置，实行双焊枪双送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为50A，保护气体的流量为10L/min，第二焊枪的电流为100A，保护气体的流量为20L/min，焊接速度为100mm/min,第一送丝装置送丝速度为300mm/min，第二送丝装置的送丝速度为200mm/min。

实施例9：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(4)中，两个焊枪连接两个送丝装置，实行双焊枪双送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的电机控制箱开关使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两把焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为350A，保护气体的流量为30L/min，第二焊枪的电流为250A，保护气体的流量为50L/min，焊接速度为500mm/min,第一送丝装置送丝速度为1000mm/min，第二送丝装置的送丝速度为800mm/min。

实施例10：

一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其设备和步骤如实施例8所述，所不同的是，步骤(4)中，外加热丝电源，在焊丝送丝之前对焊丝进行预热，不同于冷丝，热丝进一步显著的提高了焊接速度，降低了电弧对焊丝的熔化的热量，这样热量更集中的用于熔化侧壁和工件底部。

对比例

利用单焊枪的非对称旋转钨极TIG焊枪进行对厚度为26mm的9％Ni钢进行焊接，采用单道多层的焊接方法。在此实验中，坡口的完全填满需要进行10层单道多层焊接，焊接每完成1层后，控制层间温度，需要进行冷却，所焊接时间较长。

实验例

利用本发明实施例1的设备和步骤进行焊接实验，实验中，对厚度为26mm的9％Ni钢进行焊接，坡口完全填满只需要5层，所需要的层数少、焊接速度快，时间大大减少，实验后的焊道侧壁融合好无明显缺陷，焊缝表面呈密致鱼鳞纹条状形貌特征焊缝。如图4所示，界线下侧为基体晶粒特征图，界线上侧为焊缝区的晶粒特征图，从图中可以看出，基体的晶粒为大量的回火马氏体，是铁素体和马氏体相间隔而形成的形态平行的混合物。而焊缝区的晶粒细小，没有过热造成的明显的晶粒粗大现象，主要是因为焊接速度提高，熔敷效率提高，焊接层数减少，避免了重复加热造成晶粒长大与二次结晶使组织恶化的现象。

Claims (3)

1.一种高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其特征在于，所用焊接系统包括两个焊机、两个焊枪、两个焊接电源、送丝装置，两个焊机分别连接旋转钨极焊枪和静止钨极焊枪，两个焊机独立控制焊接参数，两个焊枪分别连接有姿态调节设备，姿态调节设备用以调节焊枪在水平方向的相互距离、焊枪在竖直方向与工件的距离、焊枪和竖直方向的角度；两个焊枪分别连接有保护气体装置；

旋转钨极焊枪包括中心旋转轴、电机系统、导电系统和外置的电机控制箱，由外置的电机控制箱控制电机的开关和中心旋转轴的转动；

静止钨极焊枪的钨极两端均为轴对称尖端；旋转钨极焊枪的钨极一端为非轴对称尖端、另一端与中心旋转轴夹紧连接；

焊接方法包括如下步骤：

(1)厚钢板开U型坡口，板的厚度为26mm，对坡口进行表面油污和灰尘的清理的预处理；

(2)沿着焊接方向使两个焊枪一前一后排列，第一焊枪为静止钨极焊枪，第二焊枪为旋转钨极焊枪，利用两个姿态调节设备分别调节各自连接的焊枪的姿态；第一焊枪距离工件底边距离为d1，d1为3-5mm，第二焊枪距离工件底边距离为d2，d2为3-5mm；两个焊枪钨极的水平相互距离为60～80mm；第一焊枪与竖直方向的角度为

为0～15°，第二焊枪与竖直方向的角度为β，β为0～20°；

(3)焊接前，调节两个姿态调节设备使两个焊枪距离工件的距离相等；将两个焊机设置为提前送气，保证在焊接前坡口内排空空气；进行焊枪的对中，使两个焊枪在坡口正中心；设置送丝机构延时送丝，提前抽丝，先对焊件进行提前加热预熔化；

(4)两个焊枪连接一个送丝装置，实行双焊枪单送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的外置的电机控制箱使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两个焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为200～300A，保护气体的流量为20～30L/min，第二焊枪的焊接电流为150～200A，保护气体的流量为30～50L/min，焊接速度为450～600mm/min，送丝速度为1000～1500mm/min。

2.根据权利要求1所述的高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，两个焊枪连接两个送丝装置，实行双焊枪双送丝；采用直流焊接，在引弧之前通过第二焊枪的外置的电机控制箱使第二焊枪的钨极进行旋转；焊接时两个焊枪同时引弧，第一焊枪的焊接电流为50～350A，保护气体的流量为10～30L/min；第二焊枪的焊接电流为100～250A，保护气体的流量为20～50L/min；焊接速度为100～500mm/min，第一送丝装置送丝速度为300～1000mm/min，第二送丝装置的送丝速度为200～800mm/min。

3.根据权利要求1所述的高熔敷效率高焊接速度双钨极TIG窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，在焊丝送丝之前对焊丝进行预热。

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