① 脉冲氩弧焊的特点。钨极脉冲氩弧焊是在普通钨极氩弧焊基础上发展起来的一种新的焊接工艺,它通过控制电弧能量周期性脉冲变化来控制焊接熔池过程,也可以以钨极为电极。其原理是以一个较小基值电流来维持一个电弧的电离通道,在此基础上周期性地加以脉冲电流产生脉冲主电弧,以熔化金属并控制熔滴过渡。
在焊接厚度小于1mm奥氏体不锈钢箔片和金属软管管胚时,若采用均匀电流施焊,所需要的焊接电流只是几安培或几十安培。虽然所选用的钨丝电极直径可以相应减少,但是电流密度仍然会变得太小,导致钨丝局部的极斑漂移,造成电弧不稳;如果焊接电流调的大些,又会使被焊件过热而烧穿。为了克服上述缺点且又要保证连续焊接,在20世纪60年代出现了气体保护脉冲电弧焊。它的优越性在于:
a.它可以精确地控制焊接线能量,克服了因熔敷金属表面张力不足以支持熔池。而造成的焊缝的下榻,从而提高了焊缝抗烧穿的能力,特别适用于薄板(薄至0.1mm)对接焊缝。它可以在不加垫板的情况下,实现单面焊双面成形。且焊接变形量小。
b.在保证焊透的前提下,可以调节焊接线能量及焊缝的高温停留时间,因而适合各种焊接性较差材料的焊接,可减少淬硬、热裂纹和冷裂纹的倾向,对于奥氏体不锈钢还能提高焊接接头耐腐蚀性能。它可以在同样焊接线能量条件下,得到较大熔深及焊件较少的过热和较窄的热影响区。
c.它对工艺参数的波动不够敏感,对各种焊接位置有较强的适应性,适用于全位置的焊接。
d.焊缝成形美观,质量稳定,焊接接头力学性能均高于普通钨极氩弧焊。
根据脉冲频率的不同,可分为低频和高频脉冲氩弧焊。钨极脉冲氩弧焊可根据焊件的厚薄来选择是否添加焊丝,也可以用氦气做为保护气体。
② 低频脉冲氩弧焊。它的基本原理是:焊接电流呈周期性变化,脉冲的频率,从每秒接近于一次至几次,至多不过十几次,即以低频脉冲的方法供给电流脉冲。图3-28所示为常见的脉冲电流波形,从图中可以看出脉冲焊时的电流由两部分组成:脉冲电流和基值电流;焊接时间也是由脉冲电流持续时间和基值电流持续时间两部分组成。它们是用来调整和控制焊接线能量的主要参数。在一个脉冲电流期间,基本金属融化到一定的熔深;随之,马上转变为一个小电流(基值电流),它的主要作用是维持电弧不致熄灭,也提供一个熔池冷却凝固条件,使焊件不致烧穿。其实,脉冲氩弧焊所完成的连续焊缝是由许多焊点搭接而成的。焊接电流周期性变化,不仅能保证得到一定熔深又不至于焊穿的焊缝,而且随着频率节奏可以得到美观鳞波的焊缝。通过电弧脉冲变化,使焊接接头金相组织变得均匀,还细化了晶粒,从未提高了焊接接头的力学性能和耐腐蚀能力。所以用脉冲氩弧焊焊接奥氏体不锈钢薄件和中厚件都是非常有益的。
自动脉冲钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈干薄板对接焊缝的焊接参数,见表3-45和表3-46(为不加填充焊丝钨极脉冲氩弧焊)。焊接时采用直流正极性电源。
③ 高频脉冲钨极氩弧焊。高频脉冲钨极氩弧焊与低频脉冲钨极氩弧焊不同之处,是焊接电流以每秒钟几千次甚至几万次的极高频率变化着。这样的高频脉冲电流使电弧的磁收缩效应比较强烈,电弧横截面受到的压缩更为激烈,提高了电弧的热流密度,增强了电弧的挺度。比起低频脉冲氩弧焊来,在同等焊接线能量条件下,可以有更大熔深及更窄的热影响区。同时使熔池能很好地搅拌,改善了焊缝的冶金性能,特别适合铝及铝合金的焊接。高频脉冲电弧产生的压力还导致超声振动,它可以增强溶化金属的流动性。这些都有利于细化晶粒,减少焊缝气孔,还使焊缝成形美观。在焊接电流平均值相等的情况下,高频脉冲钨极氩弧焊的焊接速度可比普通钨极氩弧焊提高1倍,这就必然缩短焊缝金属在高温的停留时间,对改善奥氏体型不锈钢耐腐蚀性是有益的。但是,这种焊接方法在施焊过程中有刺耳的噪声。
表3-45所示为自动脉冲钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢薄板对接焊缝的焊接参数。表3-46给出了自动脉冲钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢导管全位置的焊接参数。
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(2)A-TIG焊接A-TIG焊接是在TIG焊接中采用活化剂来增加焊缝熔深的一种新型高效的焊接方法。与TIG焊相比,A-TIG焊接具有焊接效率高、焊缝金属质量好、操作方便、成本低廉等显著优点。
A-TIG焊接前需在待焊区域涂敷专用的活化剂,不开坡口,进行直边对接,焊接时不加焊丝。对于中厚板(3~10mm)如果满足装配精度要求时,可实现单面焊一次双面成形。A-TIG焊接技术研究最早始于20世纪60年代的前苏联(今乌克兰)巴顿焊接研究所。
1)A-TIG法简介。进行各项性能对比的试板,分别采用常规的开坡口填加焊丝的多层TIG焊以及不开坡口涂敷活化剂的A-TIG焊。进行TIG焊多层焊时层间温度不超过100℃。进行A-TIG对接焊时,试板不开坡口。焊前首先将活化剂用丙酮调成糊状,试板定位焊固定后,将糊状的活化剂用小刷子涂敷在待焊焊道表面,涂层宽度约10~20mm。待丙酮溶剂挥发后,活化剂将附着在待焊焊道表面形成涂层,涂层厚度以掩盖住金属色为宜。装配时不留间隙,焊接过程中无需填丝,对于10mm的试板一道焊成,实现单面焊一次双面成形。
所采用的焊接参数见表3-47。
2)A-TIG焊接增加焊接熔池熔深的机构。与TIG焊相比,A-TIG焊接电弧明显收缩,焊缝熔深明显增加,熔宽减小。观察焊缝表面成形,TIG焊由于没有添加焊丝及活化剂,焊缝表面呈金属氧化色,焊接鱼鳞纹清晰均匀,几乎没有多少堆高;而A-TIG焊焊缝表面留有活化剂残渣,并有较大堆高,焊缝表面不平滑,鱼鳞纹不清晰。
在焊接过程中,由于活化剂(主要为Fe的表面活性物质)的作用,改变了焊接液态熔池中的表面张力大小及熔池表面形态,使得电弧更深地潜入焊接熔池,起到收缩电弧极性斑点的作用,促进焊接电弧收缩,能流密度增加,电弧挺度及电弧力增强,导致电弧对焊缝金属熔透能力增强,从而增加了焊缝熔深。
4)焊接效果比较
① 焊接效率比较。进行A-TIG焊时,由于焊前不开坡口,并可一次焊透,实现单面焊一次双面成形,焊接效率比TIG提高4~5倍。
② 焊缝金属化学成分。焊缝金属的化学成分,分析结果如表3-48所示。由测试结果可以看出,A-TIG焊时活化剂的成分并未进入焊缝中,而是以熔渣的形式滞留在焊缝表面,A-TIG焊缝的化学成分与母材没有太大区别。TIG焊时因为采用的焊丝H0Cr22Ni10中Cr、Ni含量高,所以焊缝中Cr、Ni含量明显高于基材。
③ 焊接接头的力学性能。两种焊接方法18-8奥氏体不锈钢焊接接头的力学性能见表3-49。