CN110587078A

CN110587078A - 一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置及方法

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Publication number: CN110587078A
Application number: CN201910751171.0A
Authority: CN
Inventors: 王克鸿; 朱科宇; 张明朗; 钱旭升; 熊涵英
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明属于焊接领域，具体涉及一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置及方法。该方法通过一种多元活化氮弧焊接过程的固氮装置实现，该装置包括一个丝粉同步传送装置，一个熔化极气体保护焊枪，一个混气装置和一个转盘刮板式送粉器。将铁粉和氮化物合金粉末通过转盘刮板式送粉器混合均匀，将保护气体通过混气装置混合均匀，合金粉末和焊缝处的部分母材被电弧加热熔化形成熔池。熔池中的合金元素与母材充分混合，熔池冷却凝固即可获得高质量的高氮钢焊缝。本发明处理后的高氮钢焊缝的氮含量高，远远大于常规高氮钢焊缝所能获得的最大含氮量；并通过送粉速度，送丝速度和保护气体成分的实时调节，可获得不同成分及性能的高氮钢焊缝。

Description

一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置及方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种多元活化氮弧焊接过程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。因此在含氮钢的焊接过程中，如何避免氮的流失，稳定焊缝中氮含量成为了极为关键的问题。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。但是保护气体中的氮气含量不能高于一定比例，因为氮气在高温作用下分解需要吸收大量的热量，为了保持弧柱电场强度将导致电弧发生收缩。另一方面，氮气的热导率较高，散热能力较强，加剧了电弧收缩现象。焊接工艺性能恶化会导致焊缝中气孔数量增加，变相使氮含量下降。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，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。

在高氮钢的冶炼当中，为了将氮溶解于钢液中，通常采用加高压的方法，而对于高氮钢的焊接，由于焊接在常压下进行的，因而在焊接过程中，母材中处于过饱和的氮会向外溢出。考虑到此种情况，我们可以选择合适的填充材料通过焊缝的合金化来提升焊缝中氮的平衡溶解度以提高焊缝氮含量。高氮钢焊接固氮常用的填充材料是氮化物颗粒。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。因为在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。

目前焊接领域中利用氮化物原位冶金固氮的送粉方式主要为旁轴送粉，送粉易受运动方向影响，熔覆质量相对较差；送入混合粉末时没有考虑到异种材料粉末的均匀性问题，最终得到的焊缝内部合金元素分布不均匀；只采用保护气体进行固氮，焊缝成分和性能会因为保护气体成分改变产生较大的波动；此外，焊接过程中部分合金元素会烧损，只采用保护气体进行固氮，无法对烧损掉的合金元素进行补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置，包括：熔化极气体保护焊枪、混气装置、转盘刮板式送粉器和气粉同轴传送装置；

所述气粉同轴传送机构包括与熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，螺旋气粉罩内壁开设有螺旋气粉槽，所述螺旋气粉槽环绕焊枪，所述螺旋气粉罩上部一侧设有送粉口；

所述混气装置分别与转盘刮板式送粉器和熔化极气体保护焊枪连接，转盘刮板式送粉器与同轴气粉传送装置的送粉口连接。

进一步的，所述螺旋气粉槽从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0°～60°，螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°～5°。

进一步的，所述螺旋气粉罩的材质为SiC陶瓷，熔化极气体保护焊枪外侧用SiC陶瓷制造的隔热材料包裹。

进一步的，所述螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向焊枪产生的电弧的中心。

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)：根据目标焊缝的合金成分，氮化物粉末选择氮化锰和氮化铬，得到Mn元素、Cr元素与Fe元素的成分比α：β：γ，确定加入的各粉末的质量比；

步骤(2)：根据送入熔池的各种粉末的质量与焊丝的质量比，确定各种粉末的送粉速率；

步骤(3)：启动装置，设定焊接速度，调整焊枪距离，调节送粉器送气口的送气速率V_气1，与送粉口的合金粉末送粉速率V_H，在熔化极气体保护焊枪通入N₂、Ar和O₂的混合气，调节其送气速率V_气2，对目标焊道进行焊接。

进一步的，所述步骤(2)中氮化锰与氮化铬的送粉速率与焊丝的送丝速率满足关系式V_MnN：V_CrN：V_丝＝α：β：γ。

进一步的，所述V_丝范围为1.5m/min～12m/min。

进一步的，所述步骤(3)中的焊接速度为5～50cm/min，调整焊枪距离焊接位置上方10-14mm处，焊接电流为60A～200A，所述送气速率V_气1和送气速率V_气2，满足V_气1≈V_气2＝15～40L/min。

进一步的，所述步骤(3)的N₂、Ar和O₂混合气中N₂的比例不超过20％，O₂的比例不超过2％。

进一步的，高氮钢焊丝或者低碳钢焊丝作为送丝原料

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明提供的装置采用螺旋气粉罩和气粉槽实现同轴送粉，克服了旁轴送粉带来的方向性；

(2)本发明提供的方法采用转盘刮板式送粉器混合合金粉末，有助于合金粉末的混合的更加均匀；

(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)本发明提供的方法结合了保护气体固氮与氮化物原位冶金固氮技术，操作简单，可以通过调节送粉速率、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。

附图说明

图1本申请固氮装置示意图。

图2本申请同轴螺旋气粉罩的纵向剖视图。

附图标记说明：

1-送粉口，2-螺旋气粉罩，3-气粉槽，4-焊枪，5-混气装置，6-转盘刮板式送粉器。

具体实施方式

一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置，包括：一转盘刮板式送粉器6；一多元气体混气装置5；一熔化极气体保护焊枪4；一同轴气粉传送装置，其内设有与熔化极气体保护焊枪4同轴的螺旋气粉罩2和螺旋气粉槽3；气粉同轴传送装置内设有一个送粉口1；

混气装置5与转盘刮板式送粉器6通过气管连接，为送粉器输入载流气体；混气装置5与熔化极气体保护焊枪4通过气管连接，为焊枪提供焊接保护气体；转盘刮板式送粉器6与同轴气粉传送装置的送粉口1连接，将混合好的合金粉末与载流气体送入同轴气粉传送装置内部。

所述的同轴气粉传送装置由螺旋气粉罩2和螺旋气粉槽3组成，螺旋气粉槽环绕焊枪4，螺旋气粉罩2将螺旋气粉槽3包裹住。

螺旋气粉槽3采用小截面单螺旋槽，通过转盘刮板式送粉器混合均匀的合金粉末通过气粉通道进入小截面单螺旋槽，槽直径为4mm～7mm；螺旋气粉槽3内开有与熔化极气体保护焊枪4紧固连接的螺纹。

螺旋气粉槽3从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽螺纹升角为0°～60°；螺旋气粉槽在螺旋气粉罩出口的螺纹升角为0°～5°。

螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。

熔化极气体保护焊枪4外侧用SiC陶瓷制造隔热材料包裹。

熔化极气体保护焊枪4在焊接过程中会产生电弧。

螺旋气粉罩2的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

混气装置采用支持三元及更多气体混合的气体混配器，气体配比可以通过手动实时进行调节。

转盘刮板式送粉器是根据机械力学原理工作的。工作时粉末由料斗经漏粉孔流到转盘上，形成一个自然堆积角为α的圆台，α角的大小与合金粉末的材质、颗粒度和固态流动性有关。当转盘转动一周时，转盘上堆积一圈粉末，刮板就会将粉末不断刮下流人接粉斗，在重力和压缩气体的共同作用下，通过输送管将粉末送出。本装置采用有两个粉桶的转盘刮板式送粉器，两个粉桶的参数可以独立设置，送粉率最小支持0.4g/min，气流速度最小为1L/min，送粉量误差≤±1％。

本发明还提供一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮方法，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WFe％，选择高氮钢焊丝；

步骤2，确定Mn元素含量WMn％和Cr元素含量WCr％；合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素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粉末质量mMnN、CrN粉末的质量mCrN与高氮钢焊丝的质量m丝比为α：β：γ，设进入熔池中的MnN粉末质量mMnN＝VMnN×Δt，设进入熔池的CrN质量mCrN＝VCrN×Δt，设进入熔池的的高氮钢焊丝的质量m丝＝V丝×Δt×S×ρ，其中VMnN为MnN粉末送粉速率，单位为g/min；VCrN为添加CrN粉末速率，单位为g/min；V丝为焊丝送丝速率，单位为m/min；S是焊丝横截面面积，单位是m2；ρ是焊丝密度，单位是g/m3；Δt为时间，单位为min；确定送粉速率VMnN、VCrN与送丝速率V丝参数匹配关系，VMnN：VCrN：V丝＝α：β：γ；

步骤3，选取焊接电流大小I；选取送丝速率V丝为1.5m/min～20m/min；通过公式VMnN：VCrN：V丝＝α：β：γ，确定送粉速率VMnN和VCrN；合金粉末通过转盘刮板式送粉器按照计算后得到的质量比混合均匀；混合好的合金粉末通过送粉口进入螺旋气粉罩；

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，调节送粉器送气口的送气速率V气1，与送粉口的合金粉末送粉速率VH，在熔化极气体保护焊枪通入混合保护气，调节其送气速率V气2，焊接速率v为5～15mm/min，进行焊接，对焊缝进行固氮处理；

实施例1

在高氮奥氏体不锈钢上开有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中的固氮方法，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W_Fe％，既可以选择普通不锈钢焊丝，也可以选择高氮钢焊丝；

步骤2，确定Mn元素含量W_Mn％和Cr元素含量W_Cr％；合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素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粉末质量m_MnN、CrN粉末的质量m_CrN与高氮钢焊丝的质量m_丝比为0.5：0.5：57；

步骤3，选取送丝速率V_丝为9m/min；V_MnN：V_CrN：(V_丝×S×ρ)＝0.5：0.5：57；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_丝和K确定送粉速率V_MnN和V_CrN；合金粉末通过转盘刮板式送粉器按照计算后得到的质量比混合均匀；混合好的合金粉末通过送粉口进入螺旋气粉罩；

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10％，O₂的比例为1％，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14mm处，调节送粉器送气口的送气速率为V_气1＝15L/min，与送粉器的合金粉末送粉速率V_H，在熔化极气体保护焊枪通入混合保护气，调节其送气速率为V_气2＝15L/min，焊接速率v为42cm/min，最终获得目标成分的高氮钢焊缝。

本发明将氮化物合金粉末通过转盘刮板式送粉器6混合均匀，混气装置5通过气管向转盘刮板式送粉器6输送载流气体，载流气体携带着合金粉末通过送粉送气口1进入螺旋气粉罩2，经过螺旋气粉槽3抵达焊枪4底部位置，混气装置5通过气管向熔化极气体保护焊枪4输入按照设定的比例混合均匀的保护气体，焊枪进入工作状态后会产生电弧并向熔池送进焊丝，氮化物合金粉末经电弧加热后送至熔池，通过电弧的电磁搅拌和焊枪4的摆动对熔池进行搅拌，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送粉速率、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。

Claims

1.一种多元活化氮弧焊接过程中的固氮装置，其特征在于，包括：熔化极气体保护焊枪(4)、混气装置(5)、转盘刮板式送粉器(6)和气粉同轴传送装置；

所述气粉同轴传送机构包括与熔化极气体保护焊枪(4)同轴的螺旋气粉罩(2)，螺旋气粉罩(2)内壁开设有螺旋气粉槽(3)，所述螺旋气粉槽(3)环绕焊枪(4)，所述螺旋气粉罩(2)上部一侧设有送粉口(1)；

所述混气装置(5)分别与转盘刮板式送粉器(6)和熔化极气体保护焊枪(4)连接，转盘刮板式送粉器(6)与同轴气粉传送装置的送粉口(1)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋气粉槽(3)从顶部到底部，其螺纹升角逐渐趋于平角，螺旋气粉槽(3)螺纹升角为0°～60°，螺旋气粉槽(3)在螺旋气粉罩(2)出口的螺纹升角为0°～5°。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述螺旋气粉罩(2)的材质为SiC陶瓷，熔化极气体保护焊枪(4)外侧用SiC陶瓷制造的隔热材料包裹。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋气粉罩(2)的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向焊枪产生的电弧的中心。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的装置进行固氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中氮化锰与氮化铬的送粉速率与焊丝的送丝速率满足关系式V_MnN：V_CrN：V_丝＝α：β：γ。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述V_丝范围为1.5m/min～12m/min。

8.根据千里要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的焊接速度为5～50cm/min，调整焊枪距离焊接位置上方10-14mm处，焊接电流为60A～200A，所述送气速率V_气1和送气速率V_气2，满足V_气1≈V_气2＝15～40L/min。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)的N₂、Ar和O₂混合气中N₂的比例不超过20％，O₂的比例不超过2％。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，高氮钢焊丝或者低碳钢焊丝作为送丝原料。