CN202963753U

CN202963753U - 一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置

Info

Publication number: CN202963753U
Application number: CN 201220506668
Authority: CN
Inventors: 李晓泉
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-09-29

Abstract

本实用新型公开了一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置，属于埋弧焊接领域。本实用新型的装置包括焊炬和焊接主电路，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路；所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的一端接母材金属，另一端接所述的金属导电电极。该装置在焊接过程中随焊施加渣-金间辅助外电场，可有效地降低离子相互结合形成氧化物夹杂的机率，控制焊缝中夹杂物的尺寸及分布。

Description

一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置

技术领域

本实用新型属于埋弧焊接领域，更具体地说，涉及一种可控制减少埋弧自动焊形成的焊缝金属内部氧化夹杂物的焊接装置。

背景技术

现有的埋弧焊是先把焊剂堆在焊接件上面，然后埋入连续供给的焊丝，引弧后进行焊接，并不断产生焊渣，此时电弧被焊剂埋上，形成的熔池金属不便于直接观察，焊剂起保护作用。埋弧焊因使用的焊丝直径较粗、电流大及熔池深，故大多用于厚钢板的高效率焊接加工。

埋弧自动焊，其利用大电流在焊剂层下产生电弧，在熔融焊剂的保护下形成一较大体积的液态熔池金属区域，随后经凝固获得焊缝金属。埋弧自动焊具有高效、高质量的特点，在压力容器、石油机械、造船、钢结构件等生产行业发挥着不可替代的作用。

通常埋弧焊效率是手工焊条电弧焊的4～5倍，加之焊接过程可实现机械自动化操作，因而已成为大厚件金属结构的主要焊接加工方法。埋弧焊接过程伴随有强烈的熔渣与液态金属的交互作用，其结果使焊缝金属在较大程度上存在增氧现象。同时由于焊接冶金过程的动力学特点，焊缝金属的洁净度通常难以达到母材金属的高洁净水平，因而容易形成过量的氧化夹杂物。一般情况下，氧化夹杂物易诱发微裂纹而显著降低焊缝金属的低温韧性。此外，目前在锅炉、压力容器等重要金属结构制造中对焊接质量也提出了越来越高的要求，国家技术标准GB3323-87《钢焊缝射线照相及底片等级分类法》也对焊缝中夹杂物尺寸大小作了明确的等级要求。与此同时在关于焊缝金属中夹杂物研究方面，近年来的氧化物冶金形核理论认为，在适当的氧含量下形成尺寸细小而均匀分布的氧化物可诱导奥氏体晶内针状铁素体的形核，促使焊缝形成高比例的针状铁素体组织，又可极大地改善低温冲击韧性。为此若能有效地控制焊缝中氧含量及其夹杂物尺寸和分布，即可使氧化物夹杂由有害转化为有利，发挥氧化物冶金形核效果以改善焊缝金属低温冲击韧性。但目前关于钢中夹杂物尺寸大小及分布的有效控制技术尚未见有报道。

由于液态熔渣是一种具有离子导电特性的电解质，且液态熔渣更易于离子的迁移，目前在炼钢领域用外加电场的方法来脱除金属中的氧是一颇为新颖的思路。《渣金间外加电场无污染脱氧方法的研究》（鲁雄刚、梁小伟、袁威、孙铭山、丁伟中、周国治；金属学报，2005年，第二期）公开了在铜液与Na₃AlF₆-Al₂O₃渣系间施加稳定的直流电场，进行铜液的无污染脱氧，有效地将铜液中溶解氧脱除到10×10^-6左右。该方法避免了氧化物夹杂对金属液的污染以及固体电解质脱氧方法的高成本和二次氧化等问题。《熔渣无污染短路电化学还原分析》（高运明、郭兴敏、周国治；中国有色金属学报，2006年第三期）公开了利用碳饱和的铁液作还原剂，组成两种电池，从CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeO系熔渣中分别得到了纯铁和无碳铁合金。其基本思路是在冶炼后期利用渣金间的电化学还原对金属液进行无污染深度脱氧。焊接过程不可能像炼钢那样进行深度脱氧，但可以利用这种原理进行氧含量及夹杂物尺寸控制。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的埋弧自动焊熔敷金属中氧化夹杂物及氧含量无法得到有效控制的技术问题，本实用新型提供了一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置，该装置在焊接过程中实现随焊施加渣-金间辅助外电场，可有效地降低离子间相互结合形成氧化物夹杂的机率，控制焊缝中夹杂物的尺寸及分布。

技术方案

实用新型原理：本实用新型利用外电源向焊接回路提供一辅助外电场，并用耐高温导电的金属作辅助电场的导电电极，焊接前将该导电电极固定在焊炬上与焊接机头作同步运动，并使金属电极正好插入熔化焊剂内部，这样就可以在熔渣-熔池间施加一辅助外电场作用，利用辅助电场促使液态熔池及熔渣中离子进一步电离，并在电场作用下形成定向电荷迁移，使带正荷的离子和带负电荷的离子相互逆向运动，从而有效地减少离子相互结合形成氧化物夹杂的机率，同时在电场力的作用下诱导熔池内部与氧亲和力大的金属离子迁移至渣金界面优先与熔渣中活性氧结合成氧化物进入熔渣中，最终达到控制焊缝中夹杂物尺寸及分布的目的。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

本实用新型的一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置，它包括焊炬和焊接主电路，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路；所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的一端接母材金属，另一端接所述的金属导电电极。

优选地，所述的直流电源为30V/50A的直流稳压电源。由于交流电不能构成稳定的电场，因此必须采用直流电源，同时熔渣的导电率是有限的，渣金间流经的电流一般不能超过15A，因此选择过大的电源电压是没有意义的。

优选地，在母材金属上设置有2-4个多触头接点用于与所述的直流电源的一端连接。设置2-4个多触头接点是为了保证电流的均匀流布。

优选地，所述的金属导电电极采用钨棒。所述的钨棒直径为3.2mm。

所述的钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊接机头上且与导电嘴绝缘。此处必须注意钨棒与导电嘴保持绝缘，否则焊接主电路电流将流经钨棒，则起不到辅助电场的作用。所述钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm，焊接过程中钨棒作为电极与焊接机头作同步运动，该树脂夹头上设置有夹紧、松开旋钮，用于将钨棒夹紧，钨棒位置固定后即将旋钮夹紧，如需调节所述钨棒的上下高度则可松开旋钮，对钨棒进行上下调整；所述的钨棒与导线连接处用铜制夹片将导线芯线与所述钨棒缠绕后夹紧。

辅助电源的极性可以是钨棒接负极、母材金属接正极或是钨棒接正极、母材金属接负极。操作时可利用直流电源两输出极的引线进行两种极性连接，也可利用具有极性转换控制开关的直流电源转换旋钮直接进行两种极性设置。

所述的金属导电电极也可采用金属铂或者固体氧化锆。

有益效果

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

（1）现有埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的去除主要依赖于形成的氧化物熔点高、密度较熔池金属小，因而只有在浮力作用下上浮外逸而进入熔渣中。当焊缝金属处于液态的时间不足以保证氧化物充分逸出时便被冻结凝固在焊缝金属内部形成夹杂。本实用新型除了具有上述去除氧化夹杂物的机制外，还引入了在渣金间施加的外电场，利用电场力使尚未结合成氧化物的阴离子和氧离子相互分离，并在界面结合从而进入熔渣中的新机制，因此在去除机制方面有了新的拓展，去除方法由被动变为主动，结果也更为有效；

（2）现有埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的控制主要取决于熔渣的组成，而熔渣的组成又由焊剂成分设计来决定。对使用者而言，一旦购买商品焊剂则不能通过调整焊剂成分对焊接过程夹杂物进行有效控制。本实用新型提供了一种利用外加辅助电场的方法进行控制，通过调节辅助电场电压、电流即可在一定程度上对夹杂物进行有效地控制，因而更具有可操作性；

（3）渣金间施加外电场后，熔渣的导电性能得到较大的改善，此时与现有的埋弧焊相比，更有利于焊接电弧的稳定燃烧，焊接工艺更稳定，焊缝成形也更为良好。

附图说明

图1为施加外电场的焊接原理示意图；

图2为外电场与焊缝金属氧含量的关系图；

图3为外电场电压随电流变化曲线。

图中标号说明：1、液态焊渣；2、焊剂；3、电弧；4、熔池金属；5、母材金属；6、凝固焊渣；7、焊缝金属。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的焊接装置原理示意图如图1所示，焊接设备采用MZ-1000型埋弧自动焊机，配备行走小车实现自动焊接。用直径为4mm的 H10Mn2焊丝，配合SJ101型烧结焊剂2为焊接材料，以厚度δ8 mm的Q235板材作焊接用母材金属5，在平焊位置进行表面熔敷堆焊。焊接规范：焊接电流I=560-565A，电弧电压U=33-34v，焊接速度V=30cm/min。

该辅助电场包括直流电源和金属导电电极，该直流电源采用30V/50A的直流稳压电源，该直流电源输出阳极接母材金属5，阴极接到Φ3.2mm的钨棒。将钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊炬上与焊接主电路绝缘，焊接时随同机头与熔池作同步运动，钨棒插入焊接电弧3区域的深度有两种调节方法，一是焊接前试焊时松开钨棒绝缘树脂固定夹头，使钨棒可上下自由调节至适当位置后再拧紧固定夹头；二是在焊接过程中还需适当调节时可连同机头整体调节焊炬高度，使钨电极始终保持插入液态熔池内部，这样就可以在熔渣-熔池间施加一辅助外电场。

施加外电场作用，当钨棒作外电场的阳极施加于熔渣时，辅助电流稳定性欠佳，而作阴极施加于熔渣时则具有十分良好的稳定性。图3为辅助电源设定初始电压分别为10V、15V、20V、25V时作用于埋弧焊准稳态过程中的外加电压与辅助电流关系曲线。实施实践表明，焊接过程施加的辅助电场完全可借助电源输出信号，通过调节电极接触位置进行有效控制。由于液态焊渣1的电阻远大于液态熔池的电阻，且仅当焊剂2熔化后形成液态焊渣1才具有导电能力。当外加辅助电场的直流电源的输出电流显示为零时，表明钨棒电极尚未插入液态焊渣1内部，辅助电路尚未构成回路；而当外加辅助电场的电源的输出电流达到20A左右，输出电压降至1V左右时，则表明钨棒电极已插入熔池金属4，此时辅助电路处于短路状态。只有当外加电源的电流显示为4-6A，输出电压显示为5-12V时，钨电极刚好插入电弧3外围的液态焊渣1内部，此时即在熔渣-熔池间施加了一辅助外电场。流经液态熔渣-熔池金属界面的电流可在其界面发生电化学作用并在熔体内部形成稳定的带电离子流向。因此应控制外电场工作在图3中a-b区间。实施实践同时表明，当外加辅助电场为零时辅助电流显示也为零，可证实未加外电场时熔渣-熔池间并不存在稳定的离子流向。

焊接时在平板上以相同焊接规范进行施加外电场和不施加外电场对比试验。焊后可截取垂直焊缝长度方向的横截面试样，在DM4000M金相显微镜上用日本RAIMS AIM 夹杂物分析软件进行多视场网格法焊缝夹杂物统计分析。用JSM-6360LV扫描电镜配合附带能谱仪进行夹杂物形貌及微区成分分析。然后沿焊缝长度方向用线切割方法截取Φ5×6mm的圆棒在LECO氧氮联测仪上作氧含量分析。

本实施例1中施加外电场对焊缝中夹杂物的影响可作如下两方面的分析：

（1）外电场对焊缝夹杂物尺寸及分布的影响

从统计数据来看，焊缝中夹杂物大都在1-3μm尺寸范围。施加外电场和未施加外电场相比，夹杂物数量变化不显著，但前者呈现尺寸更细小且分布较均匀的趋势，后者夹杂物尺寸明显较前者更粗大。

观察发现，未施加外电场时夹杂物呈团絮状，夹杂物内部伴随有少量的微裂纹。这种夹杂物对焊缝金属7的韧性往往具有不利的影响。但施加外电场作用的焊缝夹杂物较为接近于圆球状，颗粒尺寸明显更为细小。夹杂物微区能谱分析表明夹杂物均具有较高的氧含量（表1所示），可以判定主要应是氧化物引起的夹杂物。

表1 夹杂物能谱分析结果

熔渣和熔池金属4两者在导电机制方面存在有明显的区别，熔渣的导电主要决定于高温下电离出的带电离子数目，而熔池金属4的导电则主要由金属内部的自由电子来决定。前者导电率随温度的升高而增大，而后者导电率随温度的降低而增大。当熔渣-熔池金属间施加一外电场时，外电场作用加剧了熔渣及熔池金属4内部复杂离子的解体及电离；同时在外电场作用下，带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子形成互为逆向的定向运动，使得正负离子在熔池内可以充分分离，结合成氧化物的机会也就相应减少。由于钨电极向熔渣内部提供了源源不断地自由电子流，大量自由电子的补入使得熔池中Si4⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Ti⁴⁺氧化物形成元素只得加速向熔渣方向迁移，才能维持熔体的电荷平衡。这些正离子迁移至熔渣-熔池界面即被还原或进入熔渣内部继续迁移至电极被还原。这种定向迁移一直持续到熔池尾部直至形成凝固焊渣6，因而熔池凝固前形成的夹杂物得到有效地分散。考虑到熔池尾部凝固结晶前沿由于温度急剧下降而导电率进一步提高，因而离子的定向运动效应更为显著。这显然有利于焊缝金属7形成细小而分散的夹杂物。

（2）外电场对焊缝金属7氧含量的影响

图2为用LECO氧氮联测仪测试得出的施加外电场和未施加外电场时焊缝金属7氧含量对比图。氧含量分析显示施加外电场作用时焊缝金属7氧含量比未施加外电场时焊缝金属7氧含量显著降低，而且随着外电场电压的增大，焊缝金属7氧含量有降低的趋势，表明外电场对焊缝金属7增氧具有抑制效应。对此可作如下分析，由于无论是焊丝金属还是母材金属5其本身的含氧量都不高，焊缝金属7中的氧大多是由于熔渣的氧化而进入焊缝金属7内部造成的。当施加外电场作用时，熔池内部的氧化物形成元素由于带正电将在外加电场作用下形成流向熔渣-熔池界面的定向运动，而在熔渣内部的自由氧离子在外电场作用下也会形成流向熔渣-熔池界面的电迁移。在界面附近，由于带正电荷的Ti⁴⁺、Al³⁺、Si⁴⁺、Mn²⁺等夹杂物形成元素对氧的亲合力大于基体Fe元素对氧的亲和力，结果使得这些氧化物形成元优先在界面通过电化学及热化学作用结合成氧化物而进入熔渣中。这样在一定程度上便削弱了熔渣对熔池金属4的氧化作用，因而焊缝金属7的氧含量比未加外电场时显著降低。根据表1对夹杂物的能谱分析，未施加外电场时焊缝中的夹杂物主要为Al引起的，而施加外电场后则Al的含量大为减少即可证实上述分析。由于Al与O具有极强的亲和力，外电场的作用使熔池中大量的Al向熔渣方向迁移。结果在渣-金界面优先与熔渣中的O结合而被去除掉，因而焊缝中Al引起的氧化物必然减少。

实施例2

基本方法同实施例1，只是将实施例1中平板改为60°的V型坡口并在底部设有5mm厚的垫板作衬垫，控制根部间隙为1-2mm，试板组装好后进行坡口内对接试板焊接，得到对接焊缝，也取得同样的效果。

综上所述，本实用新型的技术方案的实施结论：

（1）辅助外电场通过电场作用使熔池金属4内部的复杂粒子电离，正负离子形成互为逆向的离子流，有效地减少了熔池凝固结晶前氧化物形成的机会，有利于焊缝金属7形成细小而分散的夹杂物；

（2）辅助外电场促使熔池金属4内部氧化物形成元素向熔渣迁移并在熔渣-熔池界面优先被熔渣中的自由氧离子氧化进而进入熔渣，削弱了熔渣对熔池金属4的氧化作用使其氧含量显著降低。

以上示意性地对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型创造的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方案及实施例，均应属于本实用新型创造的保护范围。

Claims

1.一种可控制减少埋弧焊焊缝金属氧化夹杂物的焊接装置，它包括焊炬和焊接主电路，其特征在于，它还包括可形成焊接辅助电场的辅助电路；

所述的辅助电路包括直流电源和金属导电电极，所述直流电源的一端接母材金属（5），另一端接所述的金属导电电极。

2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，所述的直流电源为30V/50A的直流稳压电源。

3.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，在母材金属（5）上设置有2-4个多触头接点用于与所述的直流电源的一端连接。

4.根据权利要求1或2所述的焊接装置，其特征在于，所述的金属导电电极采用钨棒。

5.根据权利要求1或2所述的焊接装置，其特征在于，所述的金属导电电极采用金属铂或者固体氧化锆。

6.根据权利要求4所述的焊接装置，其特征在于，所述的钨棒电极直径为3.2mm。

7.根据权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述的钨棒用绝缘树脂夹头固定在焊接机头上且与导电嘴绝缘，所述钨棒的尖端距离焊丝末端5-8mm，该绝缘树脂夹头上设置有夹紧、松开旋钮，用于将钨棒夹紧；所述的钨棒与导线连接处用铜制夹片将导线芯线与所述钨棒缠绕后夹紧。