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CN118357557A - 用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用 - Google Patents

用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用 Download PDF

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CN118357557A
CN118357557A CN202410632425.8A CN202410632425A CN118357557A CN 118357557 A CN118357557 A CN 118357557A CN 202410632425 A CN202410632425 A CN 202410632425A CN 118357557 A CN118357557 A CN 118357557A
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CN
China
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tungsten arc
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CN202410632425.8A
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张丽芳
王燕
何春玲
于祥强
唐威
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Daya Sreal Heat Exchanger Co ltd
Original Assignee
Daya Sreal Heat Exchanger Co ltd
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Abstract

本发明公开了用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用，按照质量比计算，所述正面保护气体包括含有质量分数为10‑20%氢气的惰性气体，所述背面保护气体包括含有质量分数为1‑5%的氧气的惰性气体；所述惰性气体为氩气或者氦气中的一种；应用时，包括如下步骤：（1）使用夹具和机床使待焊接钢板的表面与焊接喷枪垂直；（2）调节焊接喷枪中焊接喷头中的正面保护气体及背面保护气体的流量和焊接电流，焊接喷枪以适当的速度对待焊接钢板的表面进行焊接即可。采用本发明的焊接保护气体可以有效防止焊接部分、焊接电极与外部空气接触导致焊接缺陷以及焊接电极消耗的作用，在不影响加工性的条件下，能显著提高焊接速度。

Description

用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体是用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用。
背景技术
由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性和加工性，主要用于汽车、船、机械、建材等管道材料，主要通过焊接工艺制造。不锈钢的管道焊接技术有GTA(Gas TungstenArc)焊接、高频感应焊接(HighFrequency induction)、激光焊接灯等。而低价流程GTA焊接工程的最大缺点是，与高频感应焊接、激光焊接灯相比，由于其焊接速度慢，生产效率低导致应用受限。因此，如何提高GTA焊接时的连接度是提高生产效率的优先解决的问题。
目前，为了提高GTA焊接时的焊接速度，必须通过增加焊接电流来提高焊接输入热量。但是，由于决定焊接线能量的主要参数就是焊接速度，因此为了提高焊接速度，需要大幅提高焊接电流，但大部分因输入热量不足而发生焊接不成功的现象(未焊接)。另外，当增加焊接电流时，由于电磁力引起的电弧力(Arc Force)很高，物理力施加到熔融池中，从而焊盘形状变得非常不稳定，从而产生死型焊盘断或焊盘断开的现象。此外，在质量和工艺方面，由于焊接金属的晶粒粗大化，可能会发生加工性下降及电极磨损现象，因此大幅提高焊接电流并不是有效的方法。
为了提高焊接速度，开发出了利用在Ar上混合活性气体CO2、O2等作为焊接电极保护气体的混合气体的方法，以及在焊丝上施加氧化物，提高焊接特性来提高焊接速度的A-TIG(Active TIG)等焊接方法等。使用这种混合保护气体的现有技术有日本专利2-75471，该技术是在Ar气体中添加微量SO2的保护气体的方法。但是上述方法存在电极磨损严重，为了防止这种情况的发生，需要使用特殊的Hf电极，随着SO2添加量的增加，导致焊接金属中S的含量增加，加工性降低等问题。
除此之外，日本专利11-141446及7-310913中公开了使用GTA焊接用溶剂材料的方法，在这种情况下，需要供应溶剂材料的装置和溶剂材料，从而导致费用增加。另外，为了提高焊接速度，已经报道了将Zr添加到钢材中以提高焊接性的技术，但是由于Zr是昂贵的合金，考虑到制造成本，存在现实中难以应用的问题。
另外，现有技术中作为保护气体，有利用包括氧气和氢气在内的惰性气体进行GTA焊接的技术，但上述技术有可能降低电极寿命，引发焊接部分的加工性及耐腐蚀性问题，因而焊接速度增加的效果不大。
如上所述，现有技术中公开了利用惰性气体进行GTA焊接的技术，但对于焊接速度的提高仍存在继续改进和研究的必要，这也正是本发明得以完成的动力所在和基础所倚。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前为了提高GTA焊接时的焊接速度，添加SO2的保护气体导致电极磨损严重和加工性降低，而添加Zr到钢材中导致成本增加等问题，提供了一种用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体及其应用。通过在待焊接钢材的正面和反面均提供保护气体，可以有效防止焊接部分、焊接电极与外部空气接触导致焊接缺陷以及焊接电极消耗的作用，同时能提高焊接速度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体，按照质量比计算，所述焊接正面保护气体包括含有质量分数为10-20％氢气的惰性气体，所述焊接背面的保护气体包括含有质量分数为1-5％的氧气的惰性气体。
本发明中所述惰性气体为氩气或者氦气中的一种。
本发明中所述焊接正面保护气体包括含有质量分数为20％氢气的惰性气体，所述焊接背面的保护气体包括含有5％的氧气的惰性气体。
本发明还提供了用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，包括以下步骤：
(1)使用夹具和机床使待焊接钢板的表面与焊接喷枪垂直；
(2)调节焊接喷枪中焊接喷头中的正面保护气体及背面保护气体的流量和焊接电流，焊接喷枪以适当的速度对待焊接钢板的表面进行焊接即可。
本发明中所述钢板为热轧钢板、冷轧钢板和不锈钢板中的任何一种。
本发明中所述钢板中的Cr的质量分数为11-18％且C与N的总量≦150ppm。本发明之所以选择钢板中Cr的质量分数为11-18％，这是因为当钢板中Cr的质量分数低于11％时，钢板的耐腐蚀性较差；当钢板中Cr的质量分数超过18％时，钢板中碳或氮的固溶效果会降低，导致加工性下降。而当C+N的含量超过150ppm时，上述两种元素不能被焊接到钢板中，从而降低了加工性。另一方面，虽然C+N的含量越少越好，但由于工艺上的困难，其含量很难控制在120ppm以下。本发明的保护气体薄板(6-25mm)或厚板(＞25mm)都可以适用，当本发明的焊接应用于厚板时，可以显著缩短焊接时间。
本发明中所述正面保护气体的流量为15-20L/min，背面保护气体的流量为10-15L/min。当正面保护气体的流量小于15L/min时，保护气体量小降低了焊接单元和焊接电极的保护效果；当超过20L/min时，成本会过度增加，并且焊接单元的珠子形状会变得不良。因此，正面保护气体的流量选择在15-20L/min的范围内，更优选为15-17L/min。当背面保护气体流量大于10L/min时，则作为活性气体的氧进入熔池的数量增加，从而改善熔池的流动现象。但缺点是流量过度增加时，焊接部分冷却严重，可能会产生急冷组织，因此背面保护气体的流量最好在15L/min以下，更优选在10-12L/min。
本发明中所述焊接电流为50-200A。
当采用纯惰性气体作为焊接保护气体时，参见附图2，从图中可以看出，纯惰性气体焊接时产生的电弧面积较大，造成热量扩散，因而形成浪费。
参见附图3，本发明的正面保护气体中的氢气通过缩小焊接时产生的电弧的面积，起到提高热密度的作用，即其发挥增加施加到焊接部分的焊接热量的效果而提高焊接速度。但是，当上述氢气含量低于10％时，焊接热密度的提高不够充分，几乎没有改善溶入性的效果，无法提高焊接速度；当氢气含量超过20％时，氢气过度渗透到焊接金属的晶粒内，使焊接金属脆化，难以保证焊接部分的加工性。因此，正面保护气体中所含氢气的质量分数为10-20％为宜。在提高焊接速度和确保产品加工性方面，上述氢气的质量分数最佳为13-17％。此外，在本发明中正面保护气体中不能含氧气，如果含有氧气，钨电极被氧化，电极的使用寿命将减少。
参见附图3，本发明的背面保护气体中的氧气起到活跃熔池流动现象的作用，从而使焊接更加顺畅，即可以显著增加焊接速度。为了达到更好的效果，优选包含质量分数为1％以上的氧气，但如果包含过多的氧气，焊接部分的氧化材料量会迅速增加，从而对焊接部分的加工性和耐腐蚀性产生不利影响，因此氧的质量分数最好包含在5％以下。因此，背面保护气体中含有的氧气质量分数为1-5％。从提高焊接速度和确保产品加工性方面来看，背面保护气体中氢气的质量分数最佳为2-4％。
本发明的焊接保护气体的惰性气体在焊接过程中可以防止焊接部分和焊接电极与外部空气接触，导致焊接缺陷和焊接电极消耗的作用。其中的正面保护气体中的氢气通过缩小焊接时产生的电弧的面积，起到提高热密度的作用，即其发挥增加施加到焊接部分的焊接热量的效果而提高焊接速度。背面保护气体中的氧气起到活跃熔池流动现象的作用，从而使焊接更加顺畅，即可以显著增加焊接速度。
本发明提供的焊接方法根据可以钢材的合金成分及组成范围、钢板的厚度等，可以改变相应的焊接电流，因此焊接速度也会有所不同，因此不具体限制上述焊接电流或焊接速度。
附图说明
图1是本发明焊接的示意图；
其中：1-钢板，2-焊炬，3-钨电极，4-屏蔽盒。
图2是采用100％的惰性气体作为保护气体焊接示意图；
图3是采用本发明的焊接保护气体焊接示意图；
图4是焊接电流为50-200A采用不同的正面保护气体和背面保护气体的焊接速度图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体，在应用时的示意图参见图1，使用夹具和机床使待焊接钢板1的表面与焊炬200末端的钨电极210保持垂直；调节焊接喷头4中的正面保护气体及背面保护气体的流量和焊接电流，以适当的速度对待焊接钢板1的表面进行焊接即可。按照质量比计算，本实施例中所述焊接正面保护气体包括含有质量分数为10-20％氢的惰性气体，所述焊接背面的保护气体包括含有质量分数为1-5％的氧的惰性气体。
实施例2
本实施例的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体的应用，以Fe-18Cr(单位重量％)为基本组成的板厚为1.5mm的铁氧体不锈钢板为例，分别采用不同的正面保护气体和背面保护气体的组成和焊接电流进行钨极弧焊。
图4是表示将正面保护气体及背面保护气体中的焊接电流设为50-200A范围进行焊接时，实现完全焊接的最小电流及最大速度的图表。
从图4中可以看出，采用100％的纯氩气作为正面保护气体和背面保护气体进行焊接时，在50A的电流下焊接速度为0.2mpm(m/min)，在200A的情况下焊接速度可以提高到0.9mpm(m/min)。但是，采用Ar+10％H2作为正面保护气体，Ar+1％O2作为保护气体时，在50A的电流下可以适用0.4mpm(m/min)的焊接速度，比采用纯氩气时的焊接速度提高了1倍；在200A的情况下可以适用1.0mpm(m/min)的焊接速度，与仅将Ar作为保护气体时相比，提高了焊接速度。我们还采用Ar+15％H2作为正面保护气体，Ar+3％O2作为背面保护气体时，在50A的电流下焊接速度提高到0.5mpm(m/min)，比采用纯氩气时焊接速度提高了2.5倍；在200A的情况下焊接速度提高到1.9mpm(m/min)，与仅使用氩气作为保护气体的情况相比，焊接速度可以提高2倍以上。我们还采用了Ar+20％H2作为正面保护气体，Ar+5％O2作为背面保护气体时，在50A的电流下焊接速度提高到0.6mpm(m/min)，比采用纯氩气时焊接速度提高了2倍；在200A的情况下焊接速度提高到3.0mpm(m/min)，与仅使用氩气作为保护气体的情况相比，焊接速度可以提高3倍以上。
除此之外，当焊接电流为100A时，从图4可以看出，采用纯氩气作为正面保护气体和背面保护气体时，焊接速度为0.5mpm；采用Ar+10％H2作为正面保护气体时，Ar+1％O2作为背面保护气体使用时，焊接速度为0.7mpm；采用Ar+15％H2作为正面保护气体，Ar+3％O2作为背面保护气体使用时，焊接速度为0.8mpm；采用Ar+20％H2作为正面保护气体，Ar+15％H2作为背面保护气体使用时，焊接速度为1.5mpm。由此可见，采用本发明实施例的正面保护气体和背面保护气体均能提高焊接速度。

Claims (8)

1.用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体，其特征在于：按照质量比计算，所述焊接正面保护气体包括含有质量分数为10-20 %氢气的惰性气体，所述焊接背面保护气体包括含有质量分数为1-5 %的氧气的惰性气体。
2.根据权利要求1所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体，其特征在于：所述惰性气体为氩气或者氦气中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体，其特征在于：所述焊接正面保护气体包括含有质量分数为20 %氢气的惰性气体，所述焊接背面保护气体包括含有5 %的氧气的惰性气体。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
（1）使用夹具和机床使待焊接钢板的表面与焊接喷枪垂直；
（2）调节焊接喷枪中焊接喷头中的正面保护气体及背面保护气体的流量和焊接电流，焊接喷枪以适当的速度对待焊接钢板的表面进行焊接即可。
5.根据权利要求4所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，其特征在于：所述钢板为热轧钢板、冷轧钢板和不锈钢板中的任何一种。
6. 根据权利要求4所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，其特征在于：所述钢板中的Cr的质量分数为11-18%且C与N的总量≤150 ppm。
7. 根据权利要求4所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，其特征在于：所述正面保护气体的流量为15-20 L/min，背面保护气体的流量为10-15L/min。
8. 根据权利要求4所述的用于提高钨极弧焊焊接速度的保护气体在钨极弧焊中的应用，其特征在于：所述焊接电流为50-200 A。
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