气体熔池耦合活性焊接方法技术

气体熔池耦合活性焊接方法，属于活性焊接领域，在焊接过程中采用内外两层不同的气体，内层为惰性气体(Ar或He)，外层为单一的含元素N或活性元素O的气体或者为二者的混合气体。外层气体穿过电弧后分解产生O元素和N元素，并与熔池耦合，从而改变熔池金属的流动状态，使其从熔池表面流向熔池底部，达到增加熔深的目的，同时提高焊缝的冲击韧性。O元素或者N元素的引入量，可通过调节外层气体的气流量或者混合气体的配比来进行粗调，并可通过调节外层气体与熔池金属的耦合面积(即耦合量)来进行微调，从而起到精确控制焊缝成形和质量的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及活性焊接方法。
技术介绍
钨极氩弧焊，即TIG焊(Tungsten Inert Gas welding)，是现代工业制造中广泛采用的一种惰性气体保护焊，是常规焊接方法中高质量焊接的代表，但常规钨极氩弧焊完成单道焊一次成形的板厚小，一般在3mm以下。活性化焊接技术可显著增加焊接熔深，提高焊接效率，克服传统钨极氩弧焊的缺点，因而引起了世界范围内的广泛关注，包括乌克兰PWI、 美国EWI、英国TWI和日本的JWRI在内的四大焊接研究机构都展开了相关研究。活性TIG 焊接技术中以A-TIG焊(Activating flux TIG welding)为代表，通过在常规TIG焊前在待焊试板的表面涂敷一层很薄的活性剂，使得熔深显著增加，对于板厚IOmm的不锈钢板， 可不开坡口一次焊接完成，而常规TIG焊需焊接6道才能完成，焊接效率成倍增加。对于活性TIG焊接方法熔深增加机理，人们先后提出过很多理论，但迄今为止还没有形成统一的认识，其中影响最大的是电弧收缩理论和熔池金属表面张力温度系数改变理论。根据活性元素的引入方式不同，现有的活性TIG焊接方法主要分为三种类型第一类采用在常规TIG焊前在待焊焊道表面涂敷活性剂的方法引入活性元素，如A-TIG焊和 FB-TIG焊等；第二类是通过活性气体(0)2或02)引入活性元素，活性气体的引入方式可分为两种，第一是采用惰性气体与A或者ω2的混合气体保护进行钨极电弧焊，它须将混合保护气体中活性气体CO2或O2的含量控制在0. 1-0. 3%之间，另一种是采用日本学者H. Fujii 提出的AA-TIG焊(Advanced A-TIG welding)方法，即利用双层保护气体进行TIG焊，内层为纯He，外层为He+A或He+C02，外层混合气体中仏或者(X)2的含量只须控制在0. 2-2. 0% 之间；第三种类是兰州理工大学提出的电弧辅助活性TIG焊方法(AA-TIG焊，Arc Assisted activating TIG welding)，通过在常规TIG焊前以活性混合气体作为保护气，采用小电流钨极电弧预熔待焊焊道表面，生成一层氧化层，起到活性剂的作用，也可显著增加熔深，实现自动化焊接。但是在实际应用中，第一类活性TIG焊接方法需要针对不同的母材金属研发专用的活性剂材料，并且生产过程中增加了一道手工涂敷活性剂的工序，影响了焊接工艺的稳定性和焊接生产效率；第二类活性TIG焊接方法中，采用活性混合气体焊接须严格控制活性气体中活性元素0的含量，需要高精度气体配比器，设备成本高，而采用双层气体焊接， 需要采用He气作为内层保护气体，焊接成本高，实用性较差；第三类活性TIG焊接方法由于需要两个电弧，这样会导致设备投入成本增高和热量输入增大，或者焊接效率低于第二类方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种气体熔池耦合活性焊(GPCA焊，Gas PoolCoupled Activating welding)的方法。3本专利技术是，采用专用于气体熔池耦合活性焊接的焊枪，该焊枪的内喷嘴7与导电嘴4的下端相连，并将内外两层气体分开，内层气体由螺套1 上的进气管路导入后进入导电嘴4，通过导电嘴4的下部均布的出气孔进入内喷嘴7，外喷嘴8通过螺纹与枪体5的外部相连，外层进气管11安装在枪体5的侧壁上，采用内外两层气体进行钨极电弧焊，通过调节内喷嘴7与外喷嘴8之间的间隙，微调外层气体与熔池表面的耦合面积，控制活性元素0或者N的引入量，改变熔池Marangoni对流，细化晶粒，增加焊缝熔深。外层气体与熔池的耦合示意图如图2所示，通过外层气体中的化或者CO2引入活性元素0的作用在于改变熔池金属表面张力温度系数，控制熔池金属流动形态，增加熔深。 通过外层气体中的队弓丨入元素N，一则利用队在电弧中的热解理收缩电弧，达到进一步增加熔深的目的；再则N元素为强固溶强化元素，可促进晶粒细化，增加焊缝冲击韧性，提高焊缝性能。0元素或者N元素的引入量，可通过调节外层气体的气流量或者混合气体的配比来进行粗调，并可通过调节外层气体与熔池金属的耦合面积(也即耦合量)来进行微调，从而达到精确控制焊缝成形和质量的目的。该方法可用于TIG焊、MIG/MAG焊、等离子弧焊等。本专利技术具有以下优点1、与传统的活性焊相比，不需要涂敷活性剂，避免了手工涂刷活性剂的工序，提高了焊接效率；2、不需要添加额外的焊接装置，便可精确控制N元素或0元素的引入量，生产成本更低，应用性更强；3、可同时引入元素0和N，既增加熔深，又提高焊缝性能；4、工艺稳定性强，可操作性好，方便实现全自动化焊接生产。附图说明图1为实施本专利技术所用焊枪的整体结构示意图，附图标记及对应名称为螺套1， 垫圈2，钨极夹头3，导电嘴4，枪体5，钨极6，内喷嘴7，外喷嘴8，第一气筛9，第二气筛10， 外层进气管11，水电系统12，绝缘套13。图2为气体熔池耦合活性焊外层气体与熔池耦合的示意图。图中A为含元素N或活性元素0的外气体与熔池的耦合区域，通过该区域的耦合作用，改变液态金属的流动方式，提高焊缝的性能，B为熔池，C为工件；内层气体为惰性气体，如Ar气或He气，外层气体为单一的含N元素的气体(N2)或含活性元素0的气体( 或CO2)，或者两者的混合气体 (N2+O2 或 N2+CO2)。图3a是外层喷嘴输送的气体为(X)2时，气体熔池耦合活性焊的焊缝形貌，图北则为外层喷嘴输送与图3a中(X)2气体等量的Ar气时的焊缝形貌，图3c则为不添加外层气体时的焊缝形貌。图3a、图3b、图3c中的内层气体均为等量的Ar气。图4中的内层气体均为Ar气，外层气体为N2+0)2混合气体时，气体熔池耦合活性 TIG焊的焊缝形貌；其中图如中，外层气体中的N2气含量为0%，图4b中，外层气体的N2气含量为10 %，图如中，外层气体的N2气含量为30 %，图4d中，外层气体的N2气含量为50 %。图5是内层气体为Ar气，外层气体为N2+0)2混合气体时，气体熔池耦合活性TIG 焊的焊缝金属冲击韧性变化图。图6是内层气体均为Ar气，而外层气体分别为(X)2和N2时，气体熔池耦合活性TIG 焊焊缝金属的冲击功与母材金属的冲击功的对比图，其中1是外层气体为(X)2时，气体熔池耦合活性焊TIG焊焊缝金属的冲击功，2为外层气体为队时，气体熔池耦合活性焊TIG焊焊缝金属的冲击功，3为母材金属的冲击功。具体实施例方式本专利技术是，采用如图1所示的专用于气体熔池耦合活性焊接的焊枪，该焊枪的内喷嘴7与导电嘴4的下端相连，并将内外两层气体分开，内层气体由螺套1上的进气管路导入后进入导电嘴4，通过导电嘴4的下部均布的出气孔进入内喷嘴7，外喷嘴8通过螺纹与枪体5的外部相连，外层进气管11安装在枪体5的侧壁上，其特征在于采用内外两层气体进行钨极电弧焊，通过调节内喷嘴7与外喷嘴8之间的间隙，微调外层气体与熔池表面的耦合面积，控制活性元素0或者N的引入量，改变熔池Marangoni对流，细化晶粒，增加焊缝熔深。以上所述的，内层气体为惰性气体Ar或者He，外层气体为单一的含N元素的气体(N2)或含活性元素0的气体( 或CO2)，或者两者的混合气体 (N2+O2 或 N2+CO2)。0元素或者N元素的引入量，可通过调节外层气体的气流量或本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．气体熔池耦合活性焊接方法，采用专用于气体熔池耦合活性焊接的焊枪，该焊枪的内喷嘴（７）与导电嘴（４）的下端相连，并将内外两层气体分开，内层气体由螺套（１）上的进气管路导入后进入导电嘴（４），通过导电嘴（４）的下部均布的出气孔进入内喷嘴（７），外喷嘴（８）通过螺纹与枪体（５）的外部相连，外层进气管（１１）安装在枪体（５）的侧壁上，其特征在于采用内外两层气体进行钨极电弧焊，通过调节内喷嘴（７）与外喷嘴（８）之间的间隙，微调外层气体与熔池表面的耦合面积，控制活性元素Ｏ或者Ｎ的引入量，改变熔池Ｍａｒａｎｇｏｎｉ对流，细化晶粒，增加焊缝熔深。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，刘瑞琳，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：62