CN110560842B - 一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接领域，具体涉及一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置及方法。包括旁送丝机构，送丝管，送丝机，混气装置，焊枪；所述送丝机通过送丝管连接焊枪，为焊枪送丝，所述混气装置通过送气管为焊枪提供保护气体，所述旁送丝机构设置在焊枪的一侧，在焊接过程中，为焊接输送氮化物丝材。本发明将保护气体通过混气装置混合均匀，通过附加了气罩的焊枪实现丝气同轴传送，同时采用旁侧氮化物丝材输送，采用氮化物和氮弧联合固氮技术，可以通过调节氮化物丝材送丝速率、焊丝送丝速率和焊接速度调节焊缝含氮量，实现了多元活化固氮。

Description

一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置及方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置及方法。

背景技术

高氮钢因为具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能而得到工业界广泛的应用。但是高氮钢的氮含量高于大气压时氮在钢液中的溶解度，使得氮元素逸出并在焊缝中形成气孔，因此在高氮钢的焊接过程中，如果没有附加措施，焊缝中的氮含量将减少，考虑到高氮钢通常应用在特定使用要求的场合，氮含量即使损失很小，也会导致性能恶化。焊接中的氮损失主要表现为氮气孔和氮损失两个方面。常用的焊缝固氮方法有保护气体固氮和氮化物固氮。

保护气体固氮可以通过增大焊接保护气体中氮气含量，减小氮气从钢液中溢出的倾向，固定钢液中的氮含量。但是保护气体中的氮气含量不能高于一定比例。为了改善焊接的工艺性能，通常还需要加入一定量的氧气，氧气可以提高电弧气氛的氧化性，改善电弧的穿透能力，提高熔池液态金属温度，增大焊缝熔宽，但同时氧气的加入也会导致焊缝氮含量下降。

氮化物固氮是利用冶金反应进行的。与一般的保护气体固氮相比，氮化物固氮其特点是：①氮含量可以通过加入的氮化物粉末数量精确控制；②除了稳定氮含量，还能加入其它合金元素；③对电弧稳定性影响小。

此外，熔池的凝固方式也会影响焊缝的氮含量，焊缝中合金系统的组分和焊接过程中焊缝冷却速度决定了凝固方式，若焊缝金属以FA或F凝固模式凝固，则焊缝中极易形成气孔及氮化物而导致焊缝中有效氮含量明显降低。因为长时间焊接和电弧增材过程，焊缝冷却速度较难控制，所以通过控制焊缝凝固方式来控制焊缝氮含量的过程比较复杂。

中国专利(201610008871.7)公开了一种使用氮弧原位冶金预铺设氮化物实现钢表面增氮的方法。将氮化物合金粉末提前铺设在钢表面，粉末不能完全被电弧熔化分解，会有少量残余的氮化物粉末，在晶界处产生偏析现象。中国专利(201410092256.X)涉及一种高氮奥氏体不锈钢中厚板的焊接方法及装置。将高压氮气保护拖罩通过夹持装置与熔化极氮气保护焊枪相连，氮气通常不用于电弧焊接，因为氮气的解离能较高，会恶化焊接工艺性能，只采用氮弧对焊缝进行固氮易导致气孔出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置，包括旁送丝机构，送丝管，送丝机，混气装置，焊枪；

所述送丝机通过送丝管连接焊枪，为焊枪送丝，所述混气装置通过送气管为焊枪提供保护气体，所述旁送丝机构设置在焊枪的一侧，在焊接过程中，为焊接输送氮化物丝材。

进一步的，所述焊枪外周设有螺旋气罩，所述螺旋气罩内周壁设有螺旋型的气槽。

进一步的，所述气槽的槽直径为4mm～7mm，气槽从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气槽螺纹升角为0°～60°，气槽在螺旋气罩出口的螺纹升角为0°～5°，螺旋气罩采用SiC陶瓷制造，螺旋气罩的输气出口呈缩颈状。

进一步的，所述旁送丝机构通过位置调节机构调节旁送丝机构的位置。

进一步的，所述旁送丝机构包括变速马达，送丝速度调节旋钮和送丝速度显示液晶屏。

进一步的，所述位置调节机构包括一个设置在焊枪固定板上的横杆，和旁送丝机构竖直设置的两个竖杆，所述横杆和竖杆上均设有条形槽，两个竖杆和横杆通过螺栓穿过条形槽实现竖杆和横杆的连接，所述竖杆条形槽的不同部位与横杆条形槽的不同部分连接实现旁送丝机构位置的可调。

进一步的，所述焊枪的送气口设有气体流量计。

一种利用上述的装置进行固氮的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：通过高氮钢焊缝的目标合金成分，确定Fe元素含量W_Fe％，选择高氮钢焊丝；

步骤(2)：确定Mn元素含量W_Mn％和Cr元素含量W_Cr％；氮化物合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到氮化物合金元素i含量的修正值Wif_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；确定送入熔池的MnN质量m_MnN、CrN质量m_CrN与高氮钢焊丝的质量m_丝比为α：β：γ，确定加入的各氮化物的质量比，将各氮化物粉末混合均匀，制成丝材；制成丝材中氮化锰和氮化铬送入熔池的质量与焊丝的质量比m_MnN：m_CrN：m_丝＝(V_氮化物丝×Δt×A_MnN×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_氮化物丝×Δt×A_CrN×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_焊丝×Δt×S_焊丝×ρ_焊丝)，确定氮化物丝材的送丝速度，；

步骤(3)：选取焊接电流大小I；通过公式V_N化物：V_焊丝＝(xα+yβ)：γ，确定送丝速率V_N化物和V_焊丝；保护气体按照计算后得到的质量比在混气装置(5)中混合均匀，随后输送到焊枪(7)的螺旋气槽(9)中；

步骤(4)：将Ar、O₂与N₂的保护气瓶分别与混气装置(5)相连，调节各气体含量占比，混合好的保护气体通过送气口进入螺旋气粉罩；

步骤(5)：启动焊接装置，调节参数，进行焊接，对焊缝进行固氮处理。

进一步的，所述步骤(2)中确定氮化物丝材的送丝速度具体为：送丝速率与焊丝的送丝速率满足关系式V_N化物：V_焊丝＝(xα+yβ)：γ，其中x、y满足MnN、CrN摩尔质量换算比；旁侧氮化物送丝速率单位为m/min；焊丝送丝速率单位为m/min；S_氮化物丝是氮化物丝的横截面面积，单位是m²；ρ_氮化物丝是氮化物丝的密度，单位是g/m³；S_焊丝是焊丝的横截面面积，单位是m²；ρ_焊丝是焊丝的密度，单位是g/m³；Δt是时间，单位是min；其中V_氮化物丝、V_焊丝选取范围是1.5m/min～20m/min。

进一步的，所述步骤(4)中调节各气体含量占比具体为N₂的比例不超过20％，O₂的比例不超过2％；所述步骤(5)中的调节参数具体为：调整焊枪距离焊接位置上方10-14mm处，同时调整旁侧送丝机构至距离焊缝12-15mm处，调节通入N₂、Ar和O₂的混合气的混气装置送气口的送气速率V_气，焊接速率v为5～15mm/min

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明将保护气体通过混气装置混合均匀，通过附加了气罩的焊枪实现丝气同轴传送，同时采用旁侧氮化物丝材输送，构造简单，成本低，便于控制。采用氮化物和氮弧联合固氮技术，氮弧里添加了一定量的氧气，改善电弧稳定性，固氮效果明显且耗时短；本发明的方法结合了保护气体固氮与氮化物原位冶金固氮技术，可以通过调节氮化物丝材送丝速率、焊丝送丝速率和焊接速度调节焊缝含氮量，实现了多元活化固氮。

(2)本发明提供的旁侧送丝机构，相较于同轴送粉复杂的焊枪头、导电嘴装置，构造简单，成本较低，可快速装夹，提高生产效率；可避免粉末补氮焊接时产生的粉末残留，提高良品率；可以克服粉末固氮的方向不确定性。

(3)本发明提供的方法采用混气装置对保护气体进行均匀混合，保护气体成分可通过设备进行调节，在混气装置上设置有调节按钮和气体成分显示屏，根据生产需要，可通过调节按钮调节气体成分。在保护气体中添加O2，有助于改善焊接工艺性能。

(4)本发明提供的装置采用螺旋气罩，变螺旋升角有助于气流的均匀混合；螺旋气罩也有助于减少气流流出时散射造成的损失。

附图说明

图1本申请固氮装置的示意图。

图2本申请同轴螺旋气罩的纵向剖视图。

图3本申请旁送丝机构装置的示意图。

附图标记说明：

1-旁送丝机构，2-位置调节装置，3-送丝管，4-送丝机，5-混气装置，6-送气管，7-焊枪，8-螺旋气罩，9-气槽，10-变速马达，11-送丝速度调节旋钮，12-送丝速度显示液晶屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种采用多元活化氮弧焊接过程的固氮方法及装置进一步描述。

如图1-3所示，本发明采用氮化物原位冶金和多元保护气体实现高氮钢焊缝固氮的装置，包括：

一个旁侧送丝装置1，该装置为自主设计制造的设备，其配备一个变速马达，一个送丝速度调节旋钮和一个送丝速度显示液晶屏，可根据实际生产需要调节送丝速度；一个熔化极气体保护焊枪7，其内设置有一个气槽9，由螺旋气罩8的内壁与焊枪导电嘴保护罩外壁构成；一个机构位置调节装置2，该装置可使旁侧送丝机构1实现0-45°角度调节；一个混气装置5，混合好的气体经由送气管6输送到气槽9中；一个智能化送丝机4，该装置可根据实际电流电压、焊接丝材种类、保护气种类自动调节送丝速度。旁侧送丝装置1通过机构位置调节装置2与熔化极气体保护焊枪7固定于同一基板平面上，混气装置5通过送气管6与熔化极气体保护焊枪7相连，送丝机4通过送丝管3与熔化极气体保护焊枪7相连。

气槽9采用小截面单螺旋槽，通过混气装置5混合均匀的保护气体通过输气通道进入小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm。

螺旋气槽9从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气槽螺纹升角为0°～60°；螺旋气槽在螺旋气罩8出口的螺纹升角为0°～5°。

螺旋气罩8采用耐热材料SiC陶瓷制造。

如上所述的送气口上装有气体流量计。

如上所述的螺旋气罩的输气出口呈缩颈状。

整体装置的工作过程为：1.电源通电。2.混气装置5将N2、Ar和O2等保护气体混合好后通过送气管6输送至熔化极气体保护焊枪7处。3.根据当前电源电流、电压，以及保护气体成分、浓度，送丝机4自动设置焊丝送丝速度，焊丝通过送丝管3输送至熔化极气体保护焊枪7处。4.在送丝机4输送焊丝的同时，旁侧送丝装置1开始输送氮化物丝材，通过速度调节旋钮，可以根据实际补氮需求设置氮化物丝材的送丝速度。5.在母材焊缝处进行焊接。

本发明还提供一种多元活化氮弧焊接过程的固氮方法，包括步骤如下：

步骤1，通过高氮钢焊缝的目标合金成分，确定Fe元素含量W_Fe％，选择合适的高氮钢焊丝；

步骤2，确定Mn元素含量W_Mn％和Cr元素含量W_Cr％；氮化物合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到氮化物合金元素i含量的修正值Wif_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；确定送入熔池的MnN质量m_MnN、CrN质量m_CrN与高氮钢焊丝的质量m_丝比为α：β：γ，确定加入的各氮化物的质量比，将各氮化物粉末混合均匀，通过相关丝材制备装置制成丝材。制成丝材中氮化锰和氮化铬送入熔池的的质量与焊丝的质量比m_MnN：m_CrN：m_丝＝(V_氮化物丝×Δt×A_MnN×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_氮化物丝×Δt×A_CrN×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_焊丝×Δt×S_焊丝×ρ_焊丝)，确定氮化物丝材的送丝速度，该送丝速率与焊丝的送丝速率满足关系式V_N化物：V_焊丝＝(xα+yβ)：γ，其中x、y满足MnN、CrN摩尔质量换算比；旁侧氮化物送丝速率单位为m/min；焊丝送丝速率单位为m/min；S_氮化物丝是氮化物丝的横截面面积，单位是m²；ρ_氮化物丝是氮化物丝的密度，单位是g/m³；S_焊丝是焊丝的横截面面积，单位是m²；ρ_焊丝是焊丝的密度，单位是g/m³；Δt是时间，单位是min；其中V_氮化物丝、V_焊丝选取范围是1.5m/min～12m/min；

步骤3，选取合适的焊接电流大小I；选取送丝速率V_焊丝为1.5m/min～20m/min；通过公式V_N化物：V_焊丝＝(xα+yβ)：γ，确定送丝速率V_N化物和V_焊丝；保护气体按照计算后得到的质量比在混气装置中混合均匀，随后输送到熔化极气体保护焊枪的螺旋气槽中；

步骤4，将Ar、O₂与N₂的保护气瓶分别与混气设备相连，调节各种气体含量占比，N₂的比例不超过20％，O₂的比例不超过2％，混合好的保护气体通过送气口进入螺旋气粉罩；

步骤5，启动焊接装置，调整焊枪距离焊接位置上方10-14mm处，同时调整旁侧送丝机构至距离焊缝12-15mm处，调节通入N₂、Ar和O₂的混合气的混气装置送气口的送气速率V_气，焊接速率v为5～15mm/min，进行焊接，对焊缝进行固氮处理。

本发明将氮化物合金粉末混合均匀后制成丝材，通过旁送丝机构输送至焊缝处。将多种保护气体通过混气装置按照设定的比例混合均匀，经由送气管输送至焊枪中的气槽中。氮化物丝材、焊丝以及一部分母材在焊缝处融化形成熔池，焊枪中的导电极通电后产生电弧，其对熔池产生电磁搅拌作用，另外，对焊枪设置机械摆动，从而对熔池进行机械搅拌，熔池冷却凝固即可形成氮含量固定的焊缝。焊缝的氮含量可以通过控制氮化物丝材送丝速率、焊丝送丝速率和保护气体中氮气含量等参数进行调整。

采用的固氮原理，氮化物合金粉末被电弧熔化，生成富氮气氛，氮元素通过熔滴的传质作用进入熔池，提高了熔池中的氮含量，同时，氮弧中氮分压较高，可以控制熔池中已熔入氮的逸出。此外，氮化物合金粉末中还含有Cr元素和Mn元素，Mn元素是奥氏体化元素，能扩大奥氏体范围。Mn元素和Cr元素能提高N元素在熔池中的溶解度，都是对固氮有益的合金元素。

实施例1

在10mm厚高氮不锈钢上开有V型坡口，坡口角度为90°，高氮钢板材尺寸为400mm×120mm×10mm，利用如图1所示的装置，采用一种多元活化氮弧焊接过程的固氮方法，形成一道氮含量满足需求的焊缝。采用的高氮钢焊丝为自制焊丝HNS6T2，化学成分如表1所示，高氮钢层的目标成分如表2所示。

表1HNS6T2焊丝化学成分(％)

表2目标高氮钢焊缝的化学成分要求(％)

采用本发明所述的多元活化氮弧焊接过程的固氮方法，其具体步骤为：

步骤1，通过高氮钢焊缝的目标合金成分，确定Fe元素含量WFe％，选择合适的焊丝，既可以是普通不锈钢焊丝，也可以是高氮钢焊丝；

步骤2，确定Mn元素含量WMn％和Cr元素含量WCr％；氮化物中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到氮化物中合金元素i含量的修正值Wif修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；确定送入熔池的MnN质量mMnN、CrN质量mCrN与高氮钢焊丝的质量m丝比为0.45：0.46：0.62，将各氮化物粉末混合均匀，通过相关丝材制备装置制成丝材。

步骤3，选取送丝速率与焊丝的送丝速率满足关系式VN化物：V焊丝＝(0.45x+0.46y)：0.62，其中x、y满足MnN、CrN摩尔质量换算比；K＝S×ρ，高氮钢焊丝密度ρ＝7.85g/cm3，焊丝直径d＝1mm，带入计算得K＝6.17g/m；由V焊丝和K确定氮化物丝材送丝速率VN化物；氮化物丝材通过旁送丝机构送至焊缝处；

步骤4，将Ar、O2与N2的保护气瓶分别与混气设备相连，调节各种气体含量占比，N2的比例为9.8％，O2的比例为1.2％，混合好的保护气体通过送气口进入螺旋气罩；

步骤5，启动焊接装置，调整焊枪距离焊接位置上方12mm处，同时调整旁侧送丝机构至距离焊缝14mm处，调节通入N2、Ar和O2的混合气的混气装置送气口的送气速率V气＝15L/min，焊接速率v为40cm/min，进行焊接，对焊缝进行固氮处理。

Claims (2)

1.一种基于旁轴送丝的焊接中的固氮装置，其特征在于，包括旁送丝机构（1），送丝管（3），送丝机（4），混气装置（5），焊枪（7）；

所述送丝机（4）通过送丝管（3）连接焊枪（7），为焊枪送丝，所述混气装置（5）通过送气管（6）为焊枪（7）提供保护气体，所述旁送丝机构（1）设置在焊枪（7）的一侧，在焊接过程中，为焊接输送氮化物丝材；

所述焊枪（7）外周设有螺旋气罩（8），所述螺旋气罩（8）内周壁设有螺旋型的气槽（9）；

所述气槽（9）的槽直径为4mm～7mm，气槽（9）从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气槽螺纹升角为0°～60°，气槽（9）在螺旋气罩（8）出口的螺纹升角为0°～5°，螺旋气罩（8）采用SiC陶瓷制造，螺旋气罩（8）的输气出口呈缩颈状；

所述旁送丝机构（1）通过位置调节机构（2）调节旁送丝机构（1）的位置；

所述旁送丝机构（1）包括变速马达（10），送丝速度调节旋钮（11）和送丝速度显示液晶屏（12）；

所述位置调节机构（2）包括一个设置在焊枪（7）固定板上的横杆，和旁送丝机构（1）竖直设置的两个竖杆，所述横杆和竖杆上均设有条形槽，两个竖杆和横杆通过螺栓穿过条形槽实现竖杆和横杆的连接，竖杆条形槽的不同部位与横杆条形槽的不同部分连接实现旁送丝机构（1）位置的可调；

所述焊枪（7）的送气口设有气体流量计。

2.一种利用权利要求1上述的装置进行固氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1）：通过高氮钢焊缝的目标合金成分，确定Fe元素含量W_Fe%，选择高氮钢焊丝；

步骤（2）：确定Mn元素含量W_Mn％和Cr元素含量W_Cr％；氮化物合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％ ≈ Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到氮化物合金元素i含量的修正值Wif_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0 .2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；确定送入熔池的MnN质量m_MnN、CrN质量m_CrN与高氮钢焊丝的质量m_丝比为α：β：γ，确定加入的各氮化物的质量比，将各氮化物粉末混合均匀，制成丝材；制成丝材中氮化锰和氮化铬送入熔池的质量与焊丝的质量比m_MnN：m_CrN：m_丝=(V_氮化物丝×Δt×A_MnN×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_氮化物丝×Δt×A_CrN ×S_氮化物丝×ρ_氮化物丝):(V_焊丝×Δt×S_焊丝×ρ_焊丝)，确定氮化物丝材的送丝速度，确定氮化物丝材的送丝速度具体为：送丝速率与焊丝的送丝速率满足关系式V_N化物：V_焊丝=(xα+yβ)：γ，其中x、y满足MnN、CrN摩尔质量换算比；旁侧氮化物送丝速率单位为m/min；焊丝送丝速率单位为m/min；S_氮化物丝是氮化物丝的横截面面积，单位是m²；ρ_氮化物丝是氮化物丝的密度，单位是g/m³；S_焊丝是焊丝的横截面面积，单位是m²；ρ_焊丝是焊丝的密度，单位是g/m³；Δt是时间，单位是min；其中V_氮化物丝、V_焊丝选取范围是1.5m/min~20m/min；

步骤（3）：选取焊接电流大小I；通过公式V_N化物：V_焊丝=(xα+yβ)：γ，确定送丝速率V_N化物和V_焊丝；保护气体按照计算后得到的质量比在混气装置（5）中混合均匀，随后输送到焊枪（7）的螺旋气槽（9）中；

步骤（4）：将Ar、O₂与N₂的保护气瓶分别与混气装置（5）相连，调节各气体含量占比，调节各气体含量占比具体为N₂的比例不超过20%，O₂的比例不超过2%，混合好的保护气体通过送气口进入螺旋气粉罩；

步骤（5）：启动焊接装置，调节参数，进行焊接，对焊缝进行固氮处理；调节参数具体为：调整焊枪距离焊接位置上方10-14mm处，同时调整旁侧送丝机构至距离焊缝12-15mm处，调节通入N₂、Ar和O₂的混合气的混气装置送气口的送气速率V_气，焊接速率v为5～15mm/min。

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