CN111347133B - 一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄板不锈钢高速焊接技术领域，具体涉及一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺及其应用。所述工艺包括如下步骤：1)对工件待焊区域进行清理；2)将两块处理后工件装夹在工作台上，工件不开坡口，两块工件对接面之间不留间隙；3)采用双钨极焊枪，按照两钨极沿焊接方向纵列的方式将焊枪布置在工件待焊区域上部，进行高速平板对接焊。本发明利用一把焊枪中的两个钨极调配焊接电弧的热‑力分布，有效控制熔池金属的流动，防止大电流高速下常规TIG焊易产生的驼峰和咬边缺陷；在2.5m/min下实现不锈钢薄板的高效优质焊接。采用高频脉冲调制电弧，焊接速度进一步提高到3.0m/min，且可提高接头力学性能。

Description

一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺及 其应用

技术领域

本发明涉及薄板不锈钢的高速焊接技术领域，具体涉及一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

钨极氩弧焊具有焊接电弧稳定、焊缝成形良好、接头力学性能好、焊接位置适应面广等优点，是不锈钢的主要焊接方法之一。但是，钨极氩弧的热效率系数低、钨极载流能力小，致使钨极氩弧焊熔深小、焊接的速度较慢、生产效率低。因此，如何做到既能够拥有钨极氩弧焊的焊接质量好等优点，又可以消除其缺点提高焊接速度，成为了一个亟待解决的难题，对我国的制造业的高速发展具有重要意义。

焊接速度提高熔深能力减小，为了保证焊透，高速焊接时就必须增大焊接电流，即采用高速大电流焊接。而焊接速度大于0.8m/min的高速大电流钨极氩弧焊(TIG焊)易导致驼峰、咬边等缺陷。尽管厚度较大的不锈钢可利用效率较高的熔化极氩弧焊进行焊接，而厚度不大于3mm的薄板不锈钢则主要通过TIG焊来焊接，但这种工艺在高速下焊接不锈钢时容易出现驼峰及咬边等缺陷。最近，有研究者采用两把焊枪沿焊接方向纵向排列的方式来调控熔池，抑制后向液体流，有效提高了可防止驼峰和咬边缺陷的极限焊接速度。但本发明人发现：采用两把焊枪限制了操作灵活性和电弧的可达性，而且两个电弧之间的电磁交互作用也易于受到外界因素的影响，焊接过程稳定性和可重复性较差。另外，焊接过程中，空气易通过两个焊枪之间的空间卷入焊接区域，影响保护效果，致使焊缝及热影响区变黑，严重影响焊接质量。

发明内容

基于上述的研究，开发能够抑制后向液体流速度、可靠抑制驼峰及咬边等缺陷并保证焊接质量的技术是实现薄板不锈钢高质量焊接关键技术。本发明提供一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺及其应用。本发明的焊接工艺不仅能够实现不锈钢薄板的高速优质焊接，而且不会限制焊枪操作灵活性和电弧的可达性，不存在两个电弧之间的电磁交互作用易于受到外界因素的影响导致焊接过程稳定性和可重复性较差的问题，而且由于熔池和电弧笼罩在一个喷嘴喷出的保护气体之下，易于保证保护效果。

具体地，为实现上述目的，本发明的技术方案如下所示：

本发明的第一方面，提供了一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：对工件待焊区域进行油污清理、除锈。

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够匀速移动的工作台上，工件不开坡口，两块工件的对接面之间不留间隙。

(3)施焊：采用双钨极焊枪，按照两钨极沿着焊接方向纵列的方式将焊枪布置在工件待焊区域上部，进行高速平板对接焊，且两个钨极相对于焊接方向相向倾斜，即前钨极向焊接方向反方向倾斜，称为后倾，后钨极向焊接方向倾斜，称为前倾。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述工件的厚度为1.0～3.0mm。TIG焊是这类薄板最常用的焊接方法，但这种工艺在高速下焊接薄板不锈钢时容易出现驼峰及咬边等缺陷，形成驼峰及咬边的主要原因是大电流高速焊时，很大的电弧压力使得电弧下面发生严重凹陷现象，液态金属被排挤到凹陷焊道的两侧，并沿着两侧向后高速流动。高速后向液体流使得电弧下方和熔池尾部之间产生极薄的液态金属层，该金属薄层迅速凝固，使得电弧下方新产生的液态金属不能再流到该部位，因此在该位置形成波谷；而沿着两侧高速向后流动的液态金属在某一部位向焊道中线汇聚后凝固形成波峰，而在焊缝的两侧部位形成咬边。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述预处理的宽度不低于20mm，以防止含氢物质进入电弧和熔池。

在本发明的一些实施方式中，步骤(2)中，所述工作台的移动速度为0.1～4.0m/min。随着工作台的移动，两个钨极相对于两块工件的对接缝的长度方向向前推进，完成工件的焊接。本发明的工艺可以在3.0m/min的焊接速率下实现薄板的高速优质焊接。

在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述焊枪的喷嘴与工件的垂直距离(h)为6～9mm。

在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述焊接采用高频脉冲电源，利用高频脉冲信号调制电弧，增大电弧刚直性，进一步提高焊接速度，并减小热影响区，提高接头强度。

在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述焊枪的两个钨极端部间距(d)为2～3mm。

在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述两个钨极由前钨极和后钨极组成，其中，前钨极的后倾角(α)为20～30°，后钨极的前倾角(β)为30～40°。两个钨极相向倾斜，便于调整钨极端部的间距，有效加强电弧的耦合作用，倾斜角度过小，效果不明显，倾斜角度过大，电弧易发生飘逸。

优选地，步骤(3)中，所述前钨极采用直流电流或经高频脉冲调制的脉冲直流电流，等效电流(I_L)为100～160A，电弧弧长为3～4mm。脉冲频率10～40kHz，占空比为30～50％，脉冲幅值电流0～120A，脉冲基值电流0A。焊接速度为1.0～3.0m/min(优选为2.0～2.5m/min)。利用高频脉冲信号调制电弧，增大电弧刚直性，进一步提高了焊接速度，并有助于减小热影响区，提高接头强度。

优选地，步骤(3)中，后钨极采用直流电流，后钨极电流(I_R)为I_R＝(0.80～1.00)×I_L，电弧弧长为3～4mm。后钨极电流在该范围内可有效抑制后向液体流的速度，如果过小，不能有效抑制后向液体流，如果过大，后钨极电流本身就产生较大的电弧压力，加速后向液体流。优选地，所述采用前钨极电流大于后钨极电流，有利于进一步增大焊接速度。

本发明的第二方面，公开所述消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺在不锈钢钢管、不锈钢容器及类似不锈钢结构等制造中的应用。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用布置在一把焊枪中的两个钨极来调配焊接电弧的热-力分布，有效控制熔池金属的后向液体流流动，防止大电流高速下单钨极氩弧焊易产生的驼峰和咬边缺陷，在高达2.5m/min下实现不锈钢薄板的高效优质焊接。

(2)本发明利用高频脉冲信号调制电弧，增大了电弧刚直性，进一步将焊接速度提高到3m/min，并减小热影响区，提高了接头强度。

(3)本发明的这种工艺非常适用于焊接不锈钢，因为相对于双焊枪焊接方法，本发明采用的双钨极焊接工艺，前者是两把焊枪简单安装在一起，后者是一把焊枪装两个钨极，其只有一个喷嘴，保护效果和焊接稳定性都有本质区别。双焊枪焊接无论如何都无法保护好焊缝，因为空气容易从两焊枪直接进入焊接电弧，导致焊缝发黑，这对不锈钢来说是个致命问题。而本发明提出的双钨极氩弧焊接工艺焊出来是金色或蓝色或银灰，完全符合质量要求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是本发明实施例中双钨极及焊枪在工件上方的布置示意图。

图2为本发明第一实施例得到的焊缝形貌图。

图3为本发明第一对比例得到的焊缝形貌图。

图4为本发明第二对比例得到的焊缝形貌图。

图5为本发明第二实施例中焊接熔池流动情况。

图6为本发明第三对比例中焊接熔池流动情况。

图7为本发明第三实施例2.1m/min焊速下焊缝的正面和背面的形貌图。

图8为本发明第三实施例2.0m/min焊速下焊缝的正面和背面的形貌图。

图9为本发明第四实施例得到的焊缝的正面和背面的形貌图。

图10为本发明第五实施例得到的焊缝的正面和背面的形貌图。

图11为本发明第八实施例得到的焊缝的正面和背面的形貌图。

附图中标记分别代表：1-焊枪喷嘴、2-工件、3-前钨极、4-后钨极、α-前钨极后倾角、β-后钨极前倾角、h-焊枪喷嘴与工件之间的垂直距离、d-两钨极端部的间距。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

正如前文所述，薄板不锈钢一般只能通过TIG焊来焊接，但这种工艺在高速下焊接薄板不锈钢时容易出现驼峰及咬边等缺陷。为此，本发明提出了一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例

参考图1，一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：以3mm厚的304不锈钢为焊接工件2，工件不开坡口，对工件的待焊区域清理油污，清理宽度不低于20mm。

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.1-4.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上，无需使用衬垫；两块工件的对接面之间不留间隙(间隙为0.0mm)；不用进行定位焊接，用压板压紧工件，防止焊接过程中因工件变形而致使装配间隙发生变化；

(3)施焊准备：按照两钨极沿着焊接方向前后纵列布置的方式将焊枪固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，焊枪喷嘴1与工件2的垂直距离h为6mm，前钨极端部和后钨极端部之间的间距d为2mm，钨极直径为3.2mm，端部锥角为60°。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，焊接速度为1.0m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为20°，等效电流(I_L)为100A(直流电流为100A、高频脉冲峰值电流为0A)、两个钨极的端部到工件的距离l均为3mm；后钨极前倾角β为40°，等效电流(I_R)为80A，弧长为3mm。如图2所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷。

第一对比例

一种利用传统的单钨极TIG焊工艺焊接不锈钢的工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：同第一实施例。

(2)工件装夹：同第一实施例。

(3)施焊：采用普通单钨极TIG焊就行焊接，焊接速度为1.0m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流等效电流等于第一实施例中两个钨极电流之和，即180A，单钨极直径为3.2mm，其尖锥角为60°，钨极与工件垂直。如图3所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝有明显的驼峰和咬边缺陷。

第二对比例

一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：同第一实施例。

(2)工件装夹：同第一实施例。

(3)施焊准备：同第一实施例。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，焊接速度为1.0m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为20°，等效电流(I_L)为100A(直流电流为100A、高频脉冲峰值电流为0A)、两个钨极的端部到工件的距离l均为3mm；后钨极前倾角β为40°，等效电流(I_R)为70A，弧长为3mm。如图4所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝尽管没有形成明显的驼峰，但有焊道高度和宽度不均匀且有咬边缺陷。

第二实施例

采用与第一实施例相同的工艺进行工件的焊接，本实施例的目的是测试工件焊接过程中熔池的流动情况，结果如图5所示。可以看出：整个焊接过程中，电弧下方未见到显著凹陷，熔池流动比较稳定，焊缝的熔宽有所增加，无焊缝缺陷，焊缝成形好。

第三对比例

采用与第一对比例相同的工艺进行工件的焊接，本实施例的目的是测试工件焊接过程中熔池的流动情况，结果如图6所示。可以看出：单钨极电弧使焊缝熔池产生严重凹陷现象，液态金属被排挤到凹陷焊道的两侧，并沿着两侧向后高速流动，高速后向液体流使得电弧下方和熔池尾部之间产生极薄的液态金属层，该金属薄层迅速凝固，使得电弧下方新产生的液态金属不能再流到该部位，因此在该位置形成波谷；而沿着两侧高速向后流动的液态金属在某一部位向焊道中线汇聚后凝固形成波峰，而在焊缝的两侧部位形成咬边。

第三实施例

参考图1，一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：以1mm厚的304不锈钢为焊接工件2，工件不开坡口，对工件的待焊区域清理油污，清理宽度不低于20mm。

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.1-4.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上，无需使用衬垫；两块工件的对接面之间不留间隙(间隙为0.0mm)；不用进行定位焊接，用压板压紧工件，防止焊接过程中因工件变形而致使装配间隙发生变化。

(3)施焊准备：按照两钨极沿着焊接方向前后纵列布置的方式将焊枪固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，焊枪喷嘴1与工件2的垂直距离h为8mm，前钨极端部和后钨极端部之间的间距d为3mm，钨极直径为3.2mm，端部锥角为60°。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，进行焊接速度为2.0m/min和2.1m/min的两组试验；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为30°，等效电流(I_L)为140A(直流电流为140A、高频脉冲峰值电流为0A)、两个钨极的端部到工件的距离l均为3mm；后钨极前倾角β为30°，等效电流(I_R)为140A，弧长为3mm。

如图7和8中的正面图所示利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷，但在2.1m/min的焊接速度下没有完全熔透(图7背面图)，而在2.0m/min的焊接速度下完全熔透(图8背面图)。可以看出，不采用高频脉冲电流时，焊接速度为2.0m/min时达到了上限，但仍然远远高于前述的传统焊接方法的焊速。

第四实施例

参考图1，一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：同第三实施例。

(2)工件装夹：同第三实施例。

(3)施焊准备：同第三实施例。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，焊接速度为2.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为30°，等效电流(I_L)为160A(直流电流为160A、高频脉冲峰值电流为0A)、两个钨极的端部到工件的距离l均为3mm；后钨极前倾角β为30°，等效电流(I_R)为122A，弧长为3mm。

如图9所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷，且在2.5m/min的高速焊接下完全熔透，实现了不锈钢薄板的高效优质焊接。另外，对比第三实施例，同样总电流情况下，采用前钨极电流大于后钨极电流的匹配有利于增大焊接速度。

第五实施例

参考图1，一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：同第三实施例。

(2)工件装夹：同第三实施例。

(3)施焊准备：同第三实施例。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，焊接速度为3.0m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为30°，等效电流(I_L)为160A(直流电流为80A、高频脉冲峰值电流为120A、占空比50％，频率为40kHz)、两个钨极的端部到工件的距离l均为3mm；后钨极前倾角β为30°，等效电流(I_R)为122A，弧长为3mm。

如图10所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷，在3.0m/min的焊接速度完全熔透，且同样总电流情况下，前钨极采用高频脉冲电流有利于有效增大焊接速度。

第六实施例

采用与第四实施例相同的工艺进行工件的焊接，本实施例的目的是测试工件的焊接接头横向拉伸实验；测得的横向拉伸强度为650MPa，延伸率为45.6％。

第七实施例

采用与第五实施例相同的工艺进行工件的焊接，本实施例的目的是测试工件的焊接接头横向拉伸实验；测得的横向拉伸强度为683MPa，延伸率为59.8.6％。对比第六实施例的测试结果，可以看出：前钨极采用高频脉冲电流不但提高了有效焊接速度，而且还明显提高了接头横向拉伸强度和延伸率。

第八实施例

参考图1，一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：同第三实施例。

(2)工件装夹：同第三实施例。

(3)施焊准备：同第三实施例。

(4)焊接：采用两台逆变式TIG焊机和一台高频脉冲电源进行高速平板对接焊，焊接速度为2.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。前钨极后倾角α为30°，等效电流(I_L)为160A(直流电流为124A、高频脉冲峰值电流为120A、占空比30％，频率为10kHz)、两个钨极的端部到工件的距离l均为4mm；后钨极前倾角β为30°，等效电流(I_R)为130A，弧长为4mm。

如图11所示，利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷，且在2.5m/min的高速焊接下完全熔透。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：对工件待焊区域进行油污清理、除锈，所述工件的厚度为1.0～3.0mm；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够匀速移动的工作台上，工件不开坡口，两块工件的对接面之间不留间隙；

(3)施焊：采用双钨极焊枪，按照两钨极沿着焊接方向纵列的方式将焊枪布置在工件待焊区域上部，进行高速平板对接焊，且两个钨极相对于焊接方向相向倾斜，即前钨极向焊接方向反方向倾斜，称为后倾，后钨极向焊接方向倾斜，称为前倾，前钨极的后倾角为20～30°，后钨极的前倾角为30～40°；

焊接速度为1.0～3.0m/min；

步骤(3)中，前钨极采用直流电流和经高频脉冲调制的脉冲直流电流，等效电流I_L为100～160A，电弧弧长为3～4mm，脉冲频率10～40kHz，占空比为30～50％，脉冲幅值电流0～120A，脉冲基值电流0A；后钨极采用脉冲电流，后钨极平均电流I_R＝(0.80～1.00) I_L，电弧弧长为3～4mm。

2.根据权利要求1所述的消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述焊接采用高频脉冲电源，叠加高频脉冲信号的方式调制电弧。

3.根据权利要求1所述的消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，其特征在于，

焊接速度为2.0～2.5m/min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述焊枪的喷嘴与工件的垂直距离为6～9mm；

或者，步骤(3)中，所述焊枪的两个钨极端部间距为2～3mm。

5.根据权利要求1所述的消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺，其特征在于，步骤(1)中，采用前钨极电流大于后钨极电流。

6.权利要求1-5任一项所述的消除不锈钢焊缝驼峰缺陷的高速双钨极氩弧焊接工艺在不锈钢钢管、不锈钢容器制造中的应用。

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