CN111730177A - 一种低稀释率的双填丝tig堆焊工艺及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及TIG表面堆焊技术领域，具体涉及一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺及其应用，所述方法包括：(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。(3)施焊：采用喷嘴侧壁双送丝TIG焊枪，按照两焊丝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，两焊丝分别从钨极前后侧穿过电弧进入熔池的前部和尾部，进行堆焊。本发明的堆焊工艺根据焊接电流大小适当匹配两焊丝的送丝速度，在焊丝和工件间合理分配电弧热量，最大限度地提高焊丝熔化量并降低工件熔化量，实现低至10～14％的稀释率，且熔敷速度、焊接速度快、电弧能量的利用率高。

Description

一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺及其应用
技术领域
本发明涉及TIG表面堆焊技术领域，具体涉及一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺及其应用。
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。
堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，广泛应用于各个工业部门的零件制造及再制造中。常用堆焊方法有钨极氩弧(TIG)焊、埋弧焊(SAW)、带极电渣焊、熔化极气体保护焊(GMAW)、激光焊或电子束焊。SAW堆焊、带极电渣堆焊和GMAW堆焊具有堆焊速度快、效率高的优点，但由于热输入大、成型精度差，不适用于小型部件的堆焊，仅适合尺寸较大的工件。激光熔敷和电子束熔敷虽然能够保障良好的成型精度，但是焊接设备昂贵，成本高，工业中的应用也有限。
TIG堆焊是小型精密零部件的首选堆焊方法。目前常用的TIG堆焊工艺为冷丝TIG堆焊和热丝TIG堆焊，冷丝TIG堆焊的熔敷速度和焊接速度低、电弧能量利用率小，而且稀释率很高，通常需要堆焊多层才能满足使用要求，导致这种堆焊方法效率低、成本高。在2kW～4kW的电弧功率下，热丝TIG焊熔敷速度可达20～50g/min，焊接速度可达0.2～0.6m/min，熔敷速度和焊接速度均比冷丝TIG堆焊提高1倍以上。然而这种方法需要利用一个附加的热源来加热焊丝，这显著增加了焊接设备成本；而且焊枪上需要安装一个加热焊丝的导电嘴，导致焊枪结构复杂、体积大，这限制了其灵活性和可达性，不适合机器人操作。另外，热丝电流产生的磁场还易导致磁偏吹，影响了工艺的稳定性。更重要的是，本发明人研究发现：热丝TIG焊中熔敷速度和焊接速度的增大依靠的是外加热丝电源的能量，电弧的能量大部分用来加热工件，导致工件的熔深大，进而导致堆焊层的稀释率大，工件表面通常也需要堆焊2～3层才能满足使用要求，这使这种工艺的成本显著提高、效率显著降低。
发明内容
基于上述的研究，开发既能保证焊接速度快、熔敷速度高、电弧能量利用率大，又能保证稀释率低的新型TIG堆焊工艺是必要的。为此，本发明提供一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺及其应用。本发明的堆焊工艺能够通过合适匹配前后两根焊丝的送丝速度与焊接电流之间的关系，有效控制焊丝和工件的熔化量，实现低至10～14％的稀释率，且焊接速度大，在不采用附加热丝电源的条件下达到热丝TIG堆焊的熔敷速度。
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，提供了一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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。
(3)施焊：采用喷嘴侧壁双送丝TIG焊枪，焊丝由前焊丝和后焊丝组成，按照两焊丝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，前焊丝和后焊丝分别从焊枪喷嘴的前、后侧壁进入钨极两侧，然后穿过电弧进入熔池的前部和尾部，进行堆焊。
在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述工件之厚度为4～6mm，所述预处理范围包括整个堆焊区域及其周围20mm宽的区域，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0.1～3.0m/min。随着工作台的移动，焊枪相对于工件向前运动，完成工件的堆焊。
在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述喷嘴与工件之间的垂直距离(L)为7～9mm。
在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述前焊丝、后焊丝与钨极尖端锥面的间距ld均控制在1.2～1.6mm。
在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述钨极直径为3.2mm，焊丝直径为1.2mm。
在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，焊接速度为0.5～0.8m/min。
在本发明的一些实施方式中，步骤(3)中，所述前焊丝、后焊丝与钨极轴线间的夹角均为20°，钨极端部磨制成40°的锥形，以使钨极锥面与焊丝平行，调整钨极伸出长度，使钨极锥面与焊丝之间保持1.2～1.6mm的间距，在保证吸收钨极下方电弧热量的同时，有效防止焊丝在焊接过程中与钨极接触，导致相互污染。
优选地，步骤(3)中，焊接电流(I)为190～250A，电弧弧长(钨极端部到工件的距离)为4～5mm。
优选地，步骤(3)中，所述前焊丝送丝速度(νL)为νL＝55+k1×Icm/min，所述k1＝0.5～0.7；后焊丝送丝速度(νT)为νT＝1.3νLcm/min(最大值)，所述I为步骤(3)中的焊接电流，其单位为A。
由于后焊丝的下面有更多的高温液态金属，焊接过程中接受的热量多于前焊丝，熔滴的过渡频率和熔化速度要快于前焊丝，因此，在本发明中，为了有效提高焊丝送丝速度、减低堆焊层稀释率，设定后焊丝送丝速度要高于前焊丝。通过按照上述送丝速度的关系式确定前焊丝送丝速度并匹配后焊丝送丝速度，既能够有效控制熔滴过渡过程，获得良好焊缝成形；又可适当控制焊丝和母材熔化量，将母材对焊缝的稀释率控制在很低的水平。如果送丝速度小于该范围，熔化的母材量增大，稀释率增大；而送丝速度过大，母材得到的热量过小，熔池金属在工件表面铺展不均匀，焊道易出现驼峰缺陷，甚至导致熔断的固体焊丝夹杂在焊道中的现象。
本发明的第二方面，公开所述低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺在低碳钢和低合金钢管道、容器、阀门及类似结构件等的堆焊中的应用。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：通过控制前后焊丝的送丝速度与焊接电流之间的特定关系，调配电弧热在焊丝和母材上的分配，最大限度地增大焊丝的熔化量并降低母材熔化量，在有效控制熔池和熔滴过渡行为、获得良好焊缝成形的基础上，降低母材对堆焊层的稀释率，在高达0.8m/min的焊接速度下获得稀释率低至10～14％的优质TIG堆焊焊缝。另外，与目前普遍采用的热丝TIG堆焊相比，焊接过程中，熔化焊丝的热量完全来自于电弧自身，而不必利用外加热丝电源。焊丝被高温喷嘴、钨极极区及弧柱的热量预热，在到达熔池之前就被加热到很高的温度，电弧能量的利用率显著提高。
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是本发明一些实施例中采用的侧壁双送丝TIG焊枪及其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单层多道堆焊焊缝形貌图(左图)和对应的多道堆焊焊缝横截面图(右图)。
图3为本发明第一对比例得到的单道焊缝形貌图。
图4为本发明第二对比例得到的单道焊缝形貌图。
图5为本发明第三对比例得到的单道焊缝形貌图。
图6为本发明第四对比例得到的单道焊缝形貌图(左图)及焊缝横截面图(右图)。
图7为本发明第五对比例得到的单道焊缝形貌图(左图)和焊缝横截面图(右图)。
图8为本发明第五对比例得到的单层多道堆焊焊缝形貌(左图)和单层多道堆焊焊缝横截面形貌(右图)。
图9为本发明第二实施例得到的焊缝形貌图及焊接过程中熔滴及熔池图像。
图10为本发明第六对比例得到的焊缝形貌图以及焊接过程中熔滴及熔池图像。
图11为本发明第七对比例得到的焊缝形貌图以及焊接过程中熔滴及熔池图像。
图12为本发明第三实施例单道堆焊焊缝形貌(左图)和单道堆焊焊缝横截面形貌图(右图)。
图13为本发明第四实施例单层多道堆焊焊缝形貌(左图)和单层多道堆焊焊缝横截面形貌(右图)。
图14为本发明第四实施例和第八对比例测得的堆焊层双环极化曲线。
附图中标记分别代表：1-焊枪喷嘴、2-工件、3-前焊丝、4-后焊丝、5-后导丝管、6-前导丝管、L-焊枪喷嘴与工件之间的垂直距离、ld-焊丝与钨极端部锥面之间的距离、la-钨极端部与工件之间的距离(弧长)。
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，热丝TIG焊中熔敷速度和焊接速度的增大依靠外加热丝电源的能量，电弧的能量大部分用来加热工件，导致工件的熔深大，进而导致堆焊层的稀释率大，工件表面通常需要堆焊2～3层才能满足使用要求，这使这种工艺的生产效率显著降低、成本提高。为此，本发明提出了一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，包括步骤：
(1)焊前预处理：以4mm厚的低碳钢板为焊接工件2，对待堆焊的区域及附近不低于20mm宽的周边区域进行清理，去除油污和氧化膜。
(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.1～3.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上。
(3)施焊准备：按照两焊丝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之间的垂直距离L为7mm，焊丝直径为1.2mm，钨极直径为3.2mm，其端部锥角为40°，两焊丝与钨极轴线间的夹角均为20°，以使钨极锥面与焊丝平行，调整钨极伸出长度，使焊丝与钨极端部锥面之间的间距ld为1.6mm，在保证吸收钨极下方电弧热量的同时，有效防止焊丝在焊接过程中与钨极接触，导致相互污染。
(4)施焊：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝190A，弧长la为4mm；前焊丝送丝速度νL＝150cm/min(即55+0.5×190)，后焊丝送丝速度为195m/min。
如图2所示，利用本实施例工艺堆焊的多道焊焊缝成形良好，母材的熔深小于0.7mm，稀释率为14％。
第一对比例
参考图1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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)施焊：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝190A，弧长la为4mm；前焊丝送丝速度为200cm/min，后焊丝送丝速度为190m/min。
如图3所示，由于前焊丝的送丝速度超过了按照νL＝55+k1·Icm/min(k1＝0.5～0.7)计算的数值(188cm/min)，即使后丝送丝速度保持为较小的数值，电弧的热输入也不能有效地熔化前焊丝和工件，因此，利用本实施例的不当工艺堆焊出的焊缝形成了驼峰缺陷。
第二对比例
参考图1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝190A，弧长la为4mm；前焊丝送丝速度为150cm/min，后焊丝送丝速度为210cm/min。
如图4所示，尽管前丝的送丝速度选择得合适，但由于后丝送丝速度超过了前丝的1.3倍，在本实施例工艺下堆焊出的焊缝形成了驼峰缺陷。
第三对比例
参考图1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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)施焊：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流(I)为190A，弧长la为4mm；前焊丝送丝速度为100cm/min，后焊丝送丝速度为130cm/min。
如图5所示，由于前焊丝的送丝速度过低(低于νL＝55+k1·Icm/min(k1＝0.5～0.7)计算的数值)，利用本实施例的工艺堆焊出的焊缝上形成了周期性的过大焊珠。
第四对比例
参考图1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，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)施焊：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝190A，弧长la为4mm；前焊丝送丝速度为150cm/min，后焊丝送丝速度为150cm/min，即后焊丝送丝速度小于1.3νL。
如图6所示，尽管利用本实施例的工艺堆焊出的焊缝成形良好，但由于后焊丝的送丝速度过低，熔敷的焊丝量较少而工件量熔化量较大，致使熔深较大，稀释率较大，达到了23％。
第五对比例
传统热丝TIG堆焊工艺，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：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.5m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝190A，弧长la为4mm；热丝电流为120A。从熔池前方送丝，单焊丝送丝速度为260cm/min时，堆焊出的焊缝出现了驼峰缺陷。单焊丝送丝速度为250cm/min时，尽管堆焊出的焊缝形成形良好，但熔深达到了1.8mm，而稀释率高达35％，如图7和8所示。
第二实施例
采用与第一实施例相同的工艺进行堆焊，本实施例的目的是测试工件堆焊过程中熔滴过渡及熔池形态，结果如图9所示。可以看出前后焊丝为均为接触过渡，电弧下方熔池持续存在，前后焊丝熔滴尺寸相差较小，交替向熔池中过渡的熔滴金属迅速分散到熔池中，过渡过程和熔池稳定，焊缝成形好。
第六对比例
采用与第一对比例相同的工艺进行堆焊，本实施例的目的是测试工件堆焊过程中熔滴过渡及熔池形态。结果如图10所示。由于前焊丝送丝速度过快，前焊丝伸进熔池金属当中，前焊丝吸收熔池热量而熔化，致使熔池前部温度显著降低，这导致前焊丝不能及时熔化，熔池前方液态金属迅速减少(甚至消失)，前焊丝从熔池露出；同时熔池前部也迅速凝固，后面形成的液态金属不能流到这个部位，致使该部位形成波谷。随后，后焊丝也因热量不足，从熔池中露出，液态金属突然隆起，隆起液态金属无法向后铺展，在此处迅速凝固，因此在该部位形成驼峰。随着焊接过程的持续，露在外面的前焊丝和后焊丝被电弧直接加热，又发生熔化进入到下一个熔化周期。
第七对比例
采用与第三对比例相同的工艺进行堆焊，本实施例的目的是测试工件堆焊过程中熔滴过渡及熔池形态。结果如图11所示。前焊丝送丝速度过慢时，前焊丝尖端会出现体积很大的金属液滴，当较大体积金属液滴在重力作用下滴落掉入熔池后没有进行良好铺展，电弧前行后该熔滴仍保持最初的滴落位置，在该部位凝固后高于其他部位。前焊丝的每个过渡周期形成一个凸起，结果形成了周期性焊珠。
第三实施例
参考图1，一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，包括如下步骤：
(1)焊前预处理：以6mm厚的低碳钢板为焊接工件2，对待堆焊的区域及附近不低于20mm的周边区域进行清理，去除油污和氧化膜。
(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.1-3.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上。
(3)施焊准备：按照两焊丝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L为9mm，焊丝直径为1.2mm，钨极直径为3.2mm，其端部锥角为40°，两焊丝与钨极轴线间的夹角均为20°，以使钨极锥面与焊丝平行，调整钨极伸出长度，使焊丝与钨极端部锥面之间的间距ld为1.2mm，在保证吸收钨极下方电弧热量的同时，有效防止焊丝在焊接过程中与钨极接触，导致相互污染。
(4)施焊：采用逆变式TIG焊机进行表面堆焊，焊接速度为0.8m/min；保护气体为纯度99.999％的氩气，气体流量为15L/min。焊接电流I＝250A，弧长la为5mm；前焊丝送丝速度为230cm/min，后焊丝送丝速度为299cm/min。
如图12和13所示，利用本实施例工艺堆焊的单道焊及多道焊焊缝成形均良好，在大约3kW的电弧功率下熔敷速度就达到了47.5g/min,接近热丝焊4kW电弧功率下的熔敷速度，而稀释率进一步降低到10.61％。
第四实施例
采用与第三实施例相同的工艺进行工件的单层堆焊，本实施例的目的是利用双环极化实验测量堆焊焊缝的耐蚀性。实验测得的堆焊层双环极化曲线如图14中的实线所示，计算出的敏化指数Ir/Ia＝0.005106，远小于未敏化值0.01,表明该堆焊层达到了未敏化的程度，堆焊一层即可达到不锈钢的耐蚀水平。
第八对比例
采用与第六对比例相同的工艺进行工件的单层堆焊，本实施例的目的是利用双环极化实验测量普通热丝TIG堆焊焊缝的耐蚀性。实验测得的堆焊层双环极化曲线如图14中的虚线所示，计算出的敏化指数Ir/Ia＝0.1035，显著大于未敏化值0.01。
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 (10)

1.一种低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，包括步骤：
(1)焊前预处理：对工件待焊区域进行清理；
(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；
(3)施焊：采用喷嘴侧壁双送丝TIG焊枪，焊丝由前焊丝和后焊丝组成，按照两焊丝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，前焊丝和后焊丝分别从焊枪喷嘴的前、后侧进入钨极两侧，然后穿过电弧进入熔池的前部和尾部，进行堆焊。
2.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，焊接电流为190～250A，电弧弧长为4～5mm；
优选地，步骤(3)中，所述前焊丝送丝速度为：νL＝55+k1×I cm/min，所述k1＝0.5～0.7；后焊丝送丝速度为：νT＝1.3νLcm/min，所述I为步骤(3)中的焊接电流，其单位为A。
3.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述工件至厚度为4～6mm，优选地，所述预处理范围包括整个堆焊区域及其周围20mm宽度的区域。
4.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述工作台的移动速度为0.1～3.0m/min。
5.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述喷嘴与工件的垂直距离为7～9mm。
6.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述前焊丝和后焊丝与钨极尖端锥面的间距均控制在1.2～1.6mm。
7.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述钨极直径为3.2mm，焊丝直径1.2mm。
8.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，焊接速度为0.5～0.8m/min。
9.根据权利要求1所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，述前焊丝、后焊丝与钨极轴线间的夹角均为20°；钨极端部磨制成40°的锥形，钨极锥面与焊丝之间保持1.2～1.6mm的间距。
10.根据权利要求1-9任一项所述的低稀释率的双填丝TIG堆焊工艺在低碳钢和低合金钢管道、阀门、容器及类似结构件的堆焊中的应用。
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