[发明专利]大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，具体地说就是获得高效率大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，它适用于不锈钢和碳钢的钨极惰性气体保护焊。

背景技术

焊接技术是现代制造工业中不可缺少的重要组成部分，已经渗透到现代机械制造业的各个生产领域。优质、高效高可靠、低成本成为衡量一种焊接方法和焊接工艺是否优良的标志。

作为一种主要的焊接方法，钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接过程稳定，保护效果好，已在工业生产中得到较广应用，特别是对于不锈钢、钛合金和有色金属的焊接应用更为广泛。但由于钨极载流有限，电弧功率受到限制，焊缝熔深浅，制约了这种焊接方法焊接效率的提高。即便在允许加大焊接规范的条件下，熔池宽度的增加远大于熔池深度的增加，所以单纯增大焊接规范也不能从本质上解决钨极惰性气体保护焊得浅熔深问题。开发新的焊接工艺，增加单道TIG焊熔深，提高焊接效率是本领域的一个重要研究方向。

常规的钨极惰性气体保护焊的深宽比(熔池深度和熔池宽度之比)仅为0.2左右，单道可焊厚度只有3mm左右。对于厚度超过3mm及中厚板的焊接必须开坡口，添加填充材料，进行多层多道焊，工艺复杂，焊接效率低。为了解决TIG焊接的浅熔深问题，一些焊接工作者提出了活性剂焊接技术，即焊前先在待焊试板的表面涂覆一层活性剂，再进行焊接。这种工艺虽然能使TIG焊接熔深得到增加，但焊前涂覆焊剂增加一道焊接工序，也不利于实现焊接过程自动化。同时，焊缝形貌对活性剂的涂覆量较敏感，而手工涂覆很难控制涂覆层的厚度，使得焊接工艺不稳定，焊后焊缝表面会留有焊渣，需要清理。所以这种工艺目前还没有被广泛采用。

对于熔化焊来说，焊缝的最终形貌决定于液态熔池的热运动，包括热传导和热对流，两者的相对重要性由材料的Peclet指数(普克雷特指数，是材料的一个热物理参数，表示热对流与热传导之间的相对重要性)来决定。对于不锈钢等铁系合金和镍基合金，熔池的热对流运动是主要的，由电弧力、电磁力、浮力和表面张力来共同决定。而电弧力、浮力和电磁力诱导的液态熔池对流运动方向是固定的，只有表面张力所导致的Marangoni对流(马兰哥尼对流，是由液体表面张力梯度所引起的一种表面对流方式)运动在特定的条件下，可发生对流方向的改变。材料物性工作者发现，对于铁系合金来说，O、S是活性组元，在一定温度下，当其含量越过某一临界值时，液态金属的表面张力温度系数符号将发生改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，解决TIG焊接的浅熔深、工艺复杂、焊接效率低等问题。该工艺操作简单，能够获得大深宽比焊缝，焊缝成形好，焊接效率高，避免了活性剂焊接技术对活性剂涂覆量的敏感性，有利于实现焊接过程自动化，对于10mm厚的不锈钢试板无需开坡口，一次焊透。

本发明的技术方案是：

高效大深宽比钨极惰性气体保护焊是通过向氦基惰性保护气体中加入微量活性气(氧气或二氧化碳)，调整焊接熔池内活性组元氧的含量，实现液态熔池内向Marangoni对流，获得大深宽比，提高焊接效率。

所述保护气体中微量活性气体氧的体积含量为0.1％-10％。

所述保护气体中微量活性气体二氧化碳的体积含量为0.1％-4％。

高效大深宽比钨极惰性气体保护焊工艺，整个焊接过程分如下四个步骤：第一步，焊前调整保护气体成分，将纯氦惰性气体和氧或二氧化碳气体混合，使混合后的气体流量为(10-20)L/Min，混合气体的成分位于He-(0.1-10)％O₂或He-(0.1-4)％CO₂范围。第二步：设定焊接工艺规范，焊接电流范围为60A-300A，焊接速度为0.5mm/s-5.0mm/s，电弧长度为1mm-7mm之间，并引弧起焊。第三步：将焊缝沿垂直于焊接方向切开，经腐蚀后测定焊缝深宽比，表征熔池形貌。第四步：切出焊缝金属，采用氧氮分析仪测定焊缝金属氧含量。

本发明采用纯He和O₂或CO₂相混合，调整保护气体中微量活性气体O₂与CO₂的含量，实现焊接过程中活性组元氧向液态熔池的溶解，控制液态熔池Marangoni对流方向，提高熔池深宽比。

本发明通过氧-氮分析仪，精确测定了焊缝金属氧含量，从而得到具有最佳深宽比的氧含量控制范围和相应的保护气体调整范围，稳定焊接工艺。

本发明所获得的焊缝深宽比在0.8到1.8之间。

本发明的有益效果是：