專(zhuān)利名稱(chēng)：大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝的制作方法
大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊:i :藝
駄領(lǐng)域
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體地說(shuō)就是獲得高效率大深寬比鎢極隋性氣體保護(hù) 焊工藝，它適用于不銹鋼和碳鋼的鎢極惰性氣體保護(hù)焊。 背景駄
焊接技術(shù)是現(xiàn)代制造工業(yè)中不可缺少的重要組成部分，己經(jīng)滲透到現(xiàn)代機(jī)械 制造業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。優(yōu)質(zhì)、高效高可靠、低成本成為衡量一種焊接方法和焊 接工藝是否優(yōu)良的標(biāo)志。
作為一種主要的焊接方法，鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)焊接過(guò)程穩(wěn)定，保 護(hù)效果好，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到較廣應(yīng)用，特別是對(duì)于不銹鋼、鈦合金和有色金 屬的焊接應(yīng)用更為廣泛。但由于鎢極載流有限，電弧功率受到限制，焊縫熔深淺， 制約了這種焊接方法焊接效率的提高。即便在允許加大焊接規(guī)范的條件下，熔池 寬度的增加遠(yuǎn)大于熔池深度的增加，所以單純?cè)龃蠛附右?guī)范也不能從本質(zhì)上解決 鴇極惰性氣體保護(hù)焊得淺熔深問(wèn)題。開(kāi)發(fā)新的焊接工藝，增加單道TIG焊熔深， 提高焊接效率是本領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。
常規(guī)的鎢極惰性氣體保護(hù)焊的深寬比(熔池深度和熔池寬度之比)僅為0.2 左右，單道可焊厚度只有3mm左右。對(duì)于厚度超過(guò)3mm及中厚板的焊接必須開(kāi)
坡口，添加填充材料，進(jìn)行多層多道焊，工藝復(fù)雜，焊接效率低。為了解決TIG 焊接的離深問(wèn)題， 一些焊接工作者提出了活性劑焊接技術(shù)，即焊前先在待烀試 板的表面涂覆一層活性劑，再進(jìn)行焊接。這種工藝雖然能使TIG焊接熔深得到增 加，但焊前涂覆焊劑增加一道焊接工序，也不利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化。同時(shí)， 輝縫形f兒對(duì)活性劑的涂覆量較敏感，而手工涂覆很難控制涂覆層的厚度，使得焊 接工藝不穩(wěn)定，焊后焊縫表面會(huì)留有焊渣，需要清理。所以這種:T:藝冃前還沒(méi)有
^ 對(duì)于熔化焊來(lái)說(shuō)，焊縫的最終形貌決定于液態(tài)熔池的熱運(yùn)動(dòng)，包括熱傳導(dǎo)和 熱對(duì)流，兩者的相對(duì)重要性由材料的Pedet指數(shù)(普克雷特指數(shù)，是材料的一個(gè) 熱物理參數(shù)，表示熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)之間的相對(duì)重要性)來(lái)決定。對(duì)于不銹鋼等鐵
系合金和鎳基合金，熔池的熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)是主要的，山電弧力、電磁力、浮力和表 面張力來(lái)共同決定。而電弧力、浮力和電磁力誘導(dǎo)的液態(tài)熔')似寸流運(yùn)動(dòng)方向是同
定的，只有表面張力所導(dǎo)致的Marangoni對(duì)流(馬蘭哥尼對(duì)流，是由液體表面張 力梯度所引起的- -種表面對(duì)流方式)運(yùn)動(dòng)在特定的條件下，可發(fā)生對(duì)流方向的改 變。材料物性工作者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鐵系合金來(lái)說(shuō)，O、 S是活性組元，在一定溫度 下，當(dāng)其含量越過(guò)某一臨界值時(shí)，液態(tài)金屬的表面張力溫度系數(shù)符號(hào)將發(fā)生改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)悍工藝，解決
TiG焊接的、 姚深、工藝復(fù)雜、焊接效率低等問(wèn)題。該」:藝操作簡(jiǎn)單，育g夠獲得
大深寬比焊縫，焊縫成形好，焊接效率高，避免了活性劑焊接技術(shù)對(duì)活性劑涂覆
量的敏感性，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化，對(duì)于10mm厚的不銹鋼試板無(wú)需開(kāi)坡 口， 一次焊透。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
高效大深寬比鴇極惰性氣體保護(hù)焊是通過(guò)向氦基惰性保護(hù)氣體中加入微量活 性氣(氧氣或二氧化碳)，調(diào)整焊接熔池內(nèi)活性組元氧的含量，實(shí)現(xiàn)液態(tài)熔池內(nèi)向 MarangoniX寸流，獲得大深寬比，提高焊接效率。
所述保護(hù)氣體中微量活性氣體氧的體積含量為0.1%—10%。 所述保護(hù)氣體中微量活性氣體二氧化碳的體積含量為0.1%—4%。 高效大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝，整個(gè)焊接過(guò)程分如下四個(gè)步驟第 一步，焊前調(diào)整保護(hù)氣體成分，將純氦惰性氣體和氧或二氧化碳?xì)怏w混合，使混 合后的氣體流量為(10-20) L/Min，混合氣體的成分位于He— (0.1-10) %02或 He— (0.1-4) 。/。C02范圍。第二步設(shè)定焊接工藝規(guī)范，焊接電流范圍為60A— 300A，焊接速度為0.5mm/s—5.0mm/s，電弧長(zhǎng)度為lmm—7mm之間，并引弧起
焊。第三步將焊縫沿垂直于焊接方向切開(kāi)，經(jīng)腐蝕后測(cè)定焊縫深寬比，表征熔 池形貌。第四步切出焊縫金屬，采用氧氮分析儀測(cè)定焊縫金屬氧含量。
本發(fā)明采用純He和02或C02相混合，調(diào)整保護(hù)氣體中微量活性氣體02與 C02的含量，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中活性組元氧向液態(tài)熔池的溶解，控制液態(tài)熔池 Marangoni對(duì)流方向，提高熔池深寬比。
本發(fā)明通過(guò)氧-氮分析儀，精確測(cè)定了焊縫金屬氧含量，從而得到具有最佳深 寬比的氧含量控制范圍和相應(yīng)的保護(hù)氣體調(diào)整范圍，穩(wěn)定焊接工藝。
本發(fā)明所獲得的焊縫深寬比在0.8到1.8之間。
本發(fā)明的有^Cm是
1、 本發(fā)明通過(guò)焊前調(diào)整He和02 (或C02)兩路氣體的流量，實(shí)現(xiàn)了活性組 元氧在焊接過(guò)程中向液態(tài)熔池溶解，獲得內(nèi)向Marangoni對(duì)流和大深寬比焊縫。
2、 本發(fā)明工藝便于通過(guò)控制焊接保護(hù)氣體中活性氣體的含量(精確度達(dá) 0.1%)，使焊接過(guò)程穩(wěn)定，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化，避免了在試板表面人工 涂覆活性劑焊接技術(shù)中，焊縫形貌對(duì)活性劑涂敷量的敏感性及活性劑涂敷量難于 控制的缺點(diǎn)。
3、 采用本發(fā)明工藝，焊縫表面干凈、光滑，成型好，避免了活性劑焊接焊后 清渣處理工序。
4、 本發(fā)明在焊接電流為160A下，單道焊縫深度達(dá)10mm，烙池深寬比可達(dá) 1.0。與純氬保護(hù)鎢極隋性氣體保護(hù)焊相比，焊接效率提高了2倍。與純氦保護(hù)轉(zhuǎn) 極隋性氣體保護(hù)焊相比，焊接效率提高了一倍。
5、 本發(fā)明不僅為解決TIG焊淺熔深問(wèn)題提出了一個(gè)實(shí)用新工藝，同時(shí)通過(guò) 對(duì)焊縫金屬氧含量分析，探討了 Marangoni對(duì)流運(yùn)動(dòng)X寸熔池內(nèi)熱傳播和熔池形貌 的作用機(jī)理，為澄清目前尚有爭(zhēng)議的活性劑焊接機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也為其它 烙焊方法開(kāi)發(fā)高效率焊接新工藝提供了理論指導(dǎo)。


圖1為焊接裝置示意圖。
圖2a-f為He-02混仏體保護(hù)下熔池形貌圖；圖2a為純He f斜戶(hù)下熔池形貌 圖2b-f為保護(hù)氣體中氧含量分別在0.5G/0、 1.0%、 2.0%、 4.0%和8.0%時(shí)的熔池形貌。
圖3為He-02混合氣體保護(hù)下，焊縫金屬氧含量和熔池深寬比變化圖。 圖4 a-f為He-C02混^^體保護(hù)下熔池形貌圖；圖4a為純He保護(hù)下熔池形 貌，圖4b-f為保護(hù)氣體中二氧化碳含量分別在0.50/。、 1.0%、 2.0%、 2.8%和4.0%
時(shí)的熔池形貌。
圖5為He-C02混合氣體保護(hù)下，焊縫金屬氧含量和熔池深寬比變化圖。 圖6a-b為液態(tài)熔ifeX寸流模型圖；圖6a為外對(duì)流表面張力與溫度之間的曲線 及模型圖，圖6b為內(nèi)對(duì)流表面張力與溫度之間的曲線及模型圖。
圖7a-i為不同悍接電流下，烙池形貌變化圖；圖7a-c為純He保護(hù)下，焊接 電流分別為80A、 140A和250A時(shí)的熔池形貌；圖7d-f為他-0.4%02保護(hù)下， 焊接電流分別為80A、 140A和250A時(shí)的熔池形貌；圖7g-i為He-0.6%CO2保護(hù)
下，焊接電流分別為80A、 140A和250A時(shí)的熔池形貌。
圖8a-i為不同焊接速度下，熔池形貌變化圖；圖8a-c為純He保護(hù)下，焊接 速度分別為0.75mm/s、 2.5mm/s和5.0mm/s時(shí)的熔池形貌；圖8d-f為He-O.4%02 保護(hù)下，焊接速度分別為0.75mm/s、 2.5mm/s禾卩5.0mm/s時(shí)的烙池形貌；圖8g-i 為He-0.60/。CO2保護(hù)下，焊接速度分別為0.75mm/s、 2.5mm/s禾卩5.0mm/s時(shí)的熔 池形貌。
圖9a-f為不同電弧長(zhǎng)度下，熔池形貌變化圖；圖9a-c為純He保護(hù)下，電弧 長(zhǎng)度分別為l薩、3醒和5.0醒時(shí)的熔池形貌；圖9d-f為He-0.4Q/。O2保護(hù)下， 電弧長(zhǎng)度分別為lmm、 3mm和5mm時(shí)的熔池形貌；
圖10a-d為160A下，純Ar、純He、 1&-0.6%02和&-0.6%032保護(hù)下的熔 池形貌比較圖；圖10a為純Ar保護(hù)，圖10b為純He保護(hù)，圖10c為He-O.6%02 保護(hù)，圖10d為He-0.6%CO2保護(hù)。
圖lla-c為活性劑焊接與混合氣體保護(hù)焊焊縫表面狀態(tài)比較圖，圖lla為活 性劑焊接下焊縫表面形貌，圖lib為他-0.6%02{斜戶(hù)下焊縫表面形貌，圖lie為 He-0.6%CO2保護(hù)下焊縫表面形貌圖。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明，本發(fā)明中的&-02、 He-C(V混合氣體中 的02、 CCb按體積百分含量計(jì)。
焊接前，首先將惰性氣體He與He-02或He-CCV混合(參見(jiàn)圖l)，使混合 后的氣體流量為10-20L/Min，混合氣體lfflil鴇電極2與陶瓷電極套5之間，在 電極2與基體3之間產(chǎn)生電弧6，作為熱源熔化基體，形成熔池7。焊接過(guò)程中電 極接電源4負(fù)極，基體材料接正極。
選擇SUS304不f辯剛乍為焊接基體材料，保護(hù)氣體為He- (0-10%) 02混合氣 體(體積比)，在焊接電流為160A下，進(jìn)行了焊接試驗(yàn)(參見(jiàn)圖2)。在純He氣 體保護(hù)下，焊接熔池較淺(圖2a)。當(dāng)He基保護(hù)氣體中加入少量02后，熔池形 貌變得深而窄(圖2b-f)。焊后對(duì)熔池的深寬比進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)分析了焊縫金屬 的氧含量(參見(jiàn)圖3)。隨著保護(hù)氣體中氧氣含量的增加，焊縫金屬中氧含量也增 力U，同時(shí)熔池的深寬比由純He焊接時(shí)的0.48升高到0.97。保護(hù)氣體中氧含量為 8%時(shí)，熔池深寬比達(dá)到了 1.48，與純He保護(hù)下熔池深寬比相比，提高了2倍。
保護(hù)氣體為He-C02，焊接電流為160A時(shí)，焊接熔池形貌參見(jiàn)圖4。純He
保護(hù)下，熔池淺而寬(圖4a)，加入0.5% (體積比)二氧化碳后，熔池形貌變得 深而窄(圖4b)。保護(hù)氣體中二氧化碳含量為1%到4% (體積比)時(shí)，熔池形貌 同樣是深而窄(圖4c-f)。焊縫金屬的氧含量隨著保護(hù)氣體屮的二氧化碳含量的增 加而升高，加入二氧化碳?xì)怏w后，熔池的深寬比由純He時(shí)的0.48提高到0.95 (參 見(jiàn)圖5)，焊接效率提高一倍。在He基惰性氣體中加入少量氧氣或者二氧化碳后， 焊接過(guò)程中，氧氣或二氧化碳分解，并部分溶入液態(tài)熔池，使得焊縫金屬的氧含 量升高。當(dāng)液態(tài)熔池中的氧含量超過(guò)臨界值時(shí)，熔池表面的Marangoni對(duì)流將由 '熔池外側(cè)向'熔^!l中心進(jìn)行，形成內(nèi)對(duì)流(參見(jiàn)圖6b右側(cè)圖)，有利于陽(yáng)極斑點(diǎn)熱 向熔池底部傳播，熔池形貌深而窄;圖6b左側(cè)為表面張力與溫度之間關(guān)系的曲線， 隨溫度增加表面張力也逐漸增加。當(dāng)液態(tài)熔池Marangoni對(duì)流為外對(duì)流時(shí)(參見(jiàn) 圖6a右側(cè)圖)，陽(yáng)極斑點(diǎn)熱向熔池兩側(cè)傳播，熔池形貌寬而淺；圖6a左側(cè)為表面 張力與溫度之間關(guān)系的曲線，隨溫度增加表面張力逐漸減小。
本發(fā)明開(kāi)發(fā)了高效大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝，其主要內(nèi)容包括
(1) 通過(guò)向He基惰性氣體中加入微量活性氣體氧，利用焊接過(guò)程中氧氣分 解并向液態(tài)熔池溶解來(lái)調(diào)整液態(tài)熔池內(nèi)活性組元氧的含量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)向Marangoni 對(duì)流，陽(yáng)極斑點(diǎn)熱向熔池底部傳播，獲得深而窄的焊縫，提高焊接效率。采用本 焊接工藝，不僅獲得了大深寬比的焊縫。焊接過(guò)程只需調(diào)整保護(hù)氣體的成分，操 作簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化。避免了活性齊鵬接技術(shù)屮，焊縫形豸敘寸活 性劑涂敷量的敏感性及活性劑涂敷量難于控制的缺點(diǎn)。悍縫表面干凈，成型好。 避免了活性劑焊接焊后清渣處理工序。
(2) 通過(guò)向He基惰性氣體中加入微量二氧化碳?xì)怏w，調(diào)整焊接熔池中的活 性組元氧的含量，使得液態(tài)熔池Marangoni對(duì)流由外對(duì)流改為內(nèi)對(duì)流，獲得深而 窄的焊縫。避免了純惰性氣體保護(hù)下，熔池形貌淺而寬以及大焊接規(guī)范下，熔池 寬度的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深度的增加的缺點(diǎn)，使得焊接效率提高了-倍。
鄉(xiāng)伊J
本實(shí)施例是以SUS304不銹鋼為基體材料，在不同的焊接規(guī)范下(焊接電流， 焊接速度和電弧長(zhǎng)度)，進(jìn)行了He-02及He-C(V混合氣體保護(hù)下的焊接實(shí)驗(yàn)，本 實(shí)施例的氣體流量為10L/Min。焊接實(shí)驗(yàn)是在交直流兩用數(shù)字式TIG焊機(jī)上進(jìn)行， 采用直流反接方式。焊接電流變化范圍為80A 250A，熔池形貌變化參見(jiàn)圖7a-i。 在純He保護(hù)下，焊接電流為80A， 140A和250A吋，熔池形貌淺而寬(參見(jiàn)圖 7a-c)。在&-0.4%02保護(hù)下，熔池形貌變得深而窄(參見(jiàn)圖7d-f，焊接電流分別
為80A、 140A、 250A )。在He-0.6。/。CO2保護(hù)下，焊接電流為80A、 140A和250A 時(shí)的熔池形貌參見(jiàn)圖7g-i。
焊接電流為160A，焊接速度為0.75mm/s 5.0mm/s時(shí)，熔池形貌變化參見(jiàn)圖 8a-i。圖8a-c為純He保護(hù)下，焊接速度分別為0.75mm/s、 2.5mm/s禾n 5.0mm/s 時(shí)的熔池形貌；圖8d-f為他-0.4%02保護(hù)下，焯接速度分別為0.75mm/s、 2.5mm/s 和5.0mm/s時(shí)的熔池形貌；圖8g-i為He-0.6%CO2保護(hù)下，焊接速度分別為 0.75mm/s、 2.5mm/s和5.0mm/s時(shí)的熔池形貌。焊接速度為0.75mm/s，保護(hù)氣體 為He-02和He-C02時(shí)，單道熔池深寬比達(dá)1.8和1.6 (參見(jiàn)圖8d和8g)。
不同電弧長(zhǎng)度下，焊接熔池形貌參見(jiàn)9a-f。純He保護(hù)下，電弧長(zhǎng)度為lmm、 3mm和5mm時(shí)，熔池淺而寬(參見(jiàn)圖9a-c)。他-02保護(hù)下，電弧長(zhǎng)度為lmm、 3mm和5mm時(shí)，熔池深而窄(參見(jiàn)圖9d-f)。
比糊
圖10a-d為在純Ar、純He、他-02及他《02保護(hù)下，焊接熔池形貌圖。在 純惰性氣體保護(hù)下，熔池淺而寬(參見(jiàn)圖10a-b)。 He-02及He-C02保護(hù)下熔池形 貌較深(參見(jiàn)圖10c-d)。
圖lla-c為活性劑焊接，He^02及He-C02保護(hù)下的焊縫表面形貌。活性劑焊 接時(shí)，焊縫形i瞎，焊縫表面留有' ，需要焊后清渣處理(參見(jiàn)圖lla)。 He-02 及He-CO"呆護(hù)下，悍縫表面千凈，形貌好，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化(參見(jiàn) 圖llb-c)。
O、 S元素的特殊性能加上焊接熔池表面固有的溫度梯度為改變液態(tài)熔池的 Marangoni對(duì)流方向提供了基礎(chǔ)。為此，本發(fā)明中提出了向惰性保護(hù)氣體中加入 微量活性氣體工藝，通過(guò)焊接過(guò)程中活性氣體在弧柱中分解、電離，并向液態(tài)烙 池溶解來(lái)調(diào)整熔池內(nèi)活性組元含量，控制熔池Marangoni對(duì)箭返動(dòng)，獲得窄而深 的焊接熔池，提高焊接效率。與活性劑焊接技術(shù)相比，本工藝形成的焊縫表面成 性好，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程全自動(dòng)化，解決了活性劑焊接過(guò)程屮，活性劑涂覆量 難于控制的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝，其特征在于在氦基惰性氣體中加入微量活性氣體氧氣或二氧化碳，氧的體積含量為0.1％～10％，二氧化碳的體積含量為0.1％～4％。
2、 按照權(quán)利要求1所述的大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝，其特征在于其焊接電流范圍是60A 300A，焊接速度是0.5mm/s 5.0mm/s，電弧長(zhǎng)度為 1 7mrn。
3、 按照權(quán)利要求1所述的大深寬比鎢極隋性氣體保護(hù)焊工藝，其特征在于整 個(gè)焊接過(guò)程分包括如下步驟第一步焊接前，首先調(diào)整保護(hù)氣體成分，將純氦惰性氣體和氧或二氧化碳 氣體混合，使混合后的氣體流量為10-20L/Min，混合氣體的成分位于He—(0.1-10) y。02或He— (0.1-4) 。/。C02范圍；第二步設(shè)定焊接工藝規(guī)范，焊接電流位于60A—300A，焊接速度為0.5mm/s 一5.0mm/s，電弧長(zhǎng)度為lmm—7mm之間，并引弧起焊。
4、 按照權(quán)禾腰求3所述的大深寬比鎢極情性氣體保護(hù)焊工藝，其特征在于還包括第三步將焊縫沿垂直于焊接方向切開(kāi)，經(jīng)腐蝕后測(cè)定焊縫深寬比，表祖-:熔池形貌。
5、 按照權(quán)禾腰求4所述的大深寬比鎢極隋性氣體保護(hù)焊工藝，其特征在于還 包括第四步切出焊縫金屬，分析焊縫金屬氧含量。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體為高效大深寬比鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)焊接工藝和方法，解決TIG焊接的淺熔深、工藝復(fù)雜、焊接效率低等問(wèn)題。該工藝通過(guò)向氦基惰性保護(hù)氣體中加入微量活性氣體(氧氣或二氧化碳)，在焊接過(guò)程中微量活性氣體分解并向液態(tài)焊接熔池溶解，調(diào)整熔池中活性組元氧的含量，改變?nèi)鄢乇砻鎻埩囟忍荻认禂?shù)和熔池對(duì)流方向，從而控制熔池內(nèi)熱對(duì)流和熱傳播方向，獲得高深寬比熔池形貌，提高焊接效率。本發(fā)明焊接方法在不同焊接規(guī)范(焊接電流，焊接速度和電弧長(zhǎng)度)下，對(duì)不銹鋼試板進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，得到了驗(yàn)證。本發(fā)明焊接工藝適用于不銹鋼和碳鋼材料的焊接。
文檔編號(hào)B23K35/38GK101190484SQ20061013440
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者李殿中, 陸善平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所