[发明专利]气体熔池耦合活性焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及活性焊接方法。

背景技术

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10mm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(CO₂或O₂)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O₂或者CO₂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+O₂或He+CO₂，外层混合气体中O₂或者CO₂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O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。

发明内容

本发明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。

本发明是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，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。

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O₂或者CO₂引入活性元素O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N₂引入元素N，一则利用N₂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。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(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。

本发明具有以下优点：