本实用新型属于焊接冶金设备技术领域，具体涉及一种适合于高氮钢的加压焊接装置。
背景技术：
高氮钢是指钢中的实际氮含量超过了在常压下(0.1Mpa)制备材料所能达到的极限值的钢，它是近些年来随着冶金技术进步而发展起来的新型工程材料。根据氮在奥氏体不锈钢中的含量，可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型([N]=0.05%～0.10%)、中氮型([N]=0.10%～0.40%)和高氮型([N]＞0.40%)，而铁素体和马氏体不锈钢中的氮含量只要大于0.08%便可称之为高氮钢。高氮钢中[N]作为间隙原子，通过与其它合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ti)的协同作用，使得高氮奥氏体不锈钢具有优异的综合力学性能，如高强度、高韧性、高的蠕变抗力、高的耐磨性和良好的耐腐蚀性能。
高氮钢的广泛应用在很大程度上取决于其焊接特性，在高氮钢的研制和应用中焊接技术的研究具有较重要的意义。尽管有研究结果表明合适的激光焊接条件可以避免高氮钢焊缝区氮的损失以及氮气孔，但其在激光焊接条件下焊缝区组织、性能特性仍是一个重要的问题，需要进一步进行研究。对于其它熔焊工艺而言，焊缝区氮元素损失问题仍然难以克服，同时还需要考虑焊接裂纹等质量缺陷及氮化物析出等问题。目前，适合于高氮钢的常规焊接过程均在常压条件下进行，通过增加焊接保护气体中氮气比率，在一定程度上可以起到熔池固氮作用，但是其效果并不明显，特别是将焊缝氮含量提高至母材氮含量90%以上十分困难。现有技术公开了一种方法，将熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝一侧，非熔化极氮气保护焊枪放置于焊缝另一侧，焊接时熔化极氮气保护焊枪与背侧焊枪同时移动，且在靠近熔化极氮气保护焊枪一侧通入氮气，以此实现熔池固氮目的；该方法仍然是在常压条件下实施焊接，而且焊缝氮含量低。因此需要研发新的装置用于高氮钢焊接，实现提高高氮钢焊缝强度的目标，使焊缝各项力学性能与母材持平。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种适合于高氮钢的加压焊接的焊接装置，能够有效阻止高氮钢焊接过程中焊接熔池中的氮损失，确保高氮钢焊缝综合力学性能与母材相当；可应用于高氮钢及其他气体元素含量较高的金属材料的焊接过程，适用TIG焊、MIG焊、激光焊等各类型熔化焊接过程；并且本实用新型提出的加压焊接方式可以为其他行业借鉴使用。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高氮钢加压焊接用装置，包括密闭焊接室、气体混合室、真空泵；密闭焊接室分别通过气体管道与气体混合室、真空泵连通；所述密闭焊接室内设有支架、焊接电源、焊丝架、走丝机构、焊枪；所述支架上方设有冷却板；所述走丝机构下方接有焊丝套筒；所述焊丝套筒端部接有焊枪；所述焊接电源通过电极线分别与焊丝套筒、支架连接；所述冷却板中设置冷源。
本实用新型中，连通是指两部件之间存在气体或者液体输送，一般通过管道连通，比如气体混合室与密闭焊接室连通，气体混合室的气体可以输送至密闭焊接室；连接不存在气液物质输送，主要通过电极线提供电能；气体管道、水路管道、电极线的连接方式不受限制，可以焊接也可以法兰连接。
上述技术方案中，焊丝存放在焊丝架上，通过走丝机构穿出，至焊丝套筒中，从焊丝套筒伸出进入焊枪，至高氮钢焊接位，进行焊接操作；可以通过在支架上设置小车，将焊丝架与走丝机构安装在小车上，对焊丝位置进行调控，也可以设置直线驱动器替代小车实现焊丝走位，还可以通过轨道运行实现焊丝走位，优选小车，一是制备方便，二是成本低，三是维修容易，更主要是小车通过万向轮能实现多方位位移，满足不同位置焊接需求。
上述技术方案中，冷却板是母材固定场所，实现对母材的高效冷却，是主要部件，实现焊缝熔池的快速冷却，抑制氮元素从熔池中的逸出量，进而起到固氮作用；可以在冷却板中设置冷源，从而起到冷却作用，可以在冷却板内部设置循环水路，侧壁设置水体进出口，利用水冷作为冷源实现母材焊接时高效冷却，优选水体进口在水体出口下方，确保冷却板空腔内充满冷却水，实现对母材的高效冷却；为了提高热交换效果，优选金属材质的冷却板，比如铜板；同时焊接室开设对应的水管孔。
上述技术方案中，密闭焊接室可以由钢板比如10毫米厚钢板焊接而成，空间具体尺寸取决于焊机系统的尺寸；在密闭焊接室与气体混合室连通的气体管道上以及密闭焊接室与真空泵连通的气体管道上分别设置阀门，通过两个阀门的流量差调节密闭空间内混合气体的体系总压力；可以设置压力检测器和观察窗口，一方面实现精确控制压力，另一方面实时观察焊接室情况。
上述技术方案中，气体混合室为多路气体的混合场所，其出气口设有流量控制器，对混合后输出的混合气体进行调节；可以在气体混合室内部设置气体干燥块，保证混合气体的干燥性，利于焊接效果提升，干燥块可以由脱脂棉和硅胶透水颗粒，实现混合气体的均匀混合与干燥。
优选的，在密闭焊接室内设置气体搅拌器，比如风扇，增加混合气体的均混度。
本实用新型公开的高氮钢加压焊接用装置组成合理，用于焊接高氮钢时，得到的焊缝中氮含量高，机械性能好，因此本实用新型还公开了上述高氮钢加压焊接用装置在焊接高氮钢中的应用。
比如，本实用新型的高氮钢加压焊接用装置包括一个由10毫米厚钢板焊接而成的密闭空间作焊接室，空间具体尺寸取决于焊机系统的尺寸；密闭空间设置进气孔、出气孔、压力监测孔和观测窗口；出气孔与真空泵相连；进气孔通过不锈钢钢管连接气体流量控制器，然后再与气体混合室相连，气体混合室内铺设脱脂棉和硅胶透水颗粒，实现混合气体的均匀混合与干燥；气体混合室底部与原料气体供气瓶相连接，比如三路气体，分别为氮气、氩气和二氧化碳或氧气；密闭空间内混合气体的体系总压力通过入口和出口的流量差来手动调节；焊接过程在密闭空间内实施，分别包括焊接母材、焊枪、焊丝、自动走丝机构、焊机电源和设备支架；焊接过程中，焊接母材固定在一块水冷铜板表面，铜板内部设置循环水路，内部通冷却水实现对母材的冷却，水冷铜板冷却水从下部进水，上部口出水，确保铜板空腔内充满冷却水，实现对母材的高效冷却。
采用上述高氮钢加压焊接用装置焊接高氮钢的方法，包括以下步骤：
（1）焊接母材置于冷却板上；
（2）原料气体在气体混合室混合后输入密闭焊接室内；
（3）调节焊丝与焊枪位置，开启焊接电源，进行焊接。
上述技术方案中，步骤（1）中，在冷却板内部设置循环水冷却，循环水进口在出口下方，确保冷却板空腔内充满冷却水，实现对母材的高效冷却；优选循环水进出水温差控制在10℃以内，循环水流量为5L/min，实现焊缝熔池的快速冷却，抑制氮元素从熔池中的逸出量，进而起到固氮作用。
上述技术方案中，步骤（2）中，原料气体为氮气、氩气和氧化性气体，氧化性气体为氧气或者二氧化碳；混合后的气体中，氧化性气体体积分数为2%～5%，氮气体积分数为5～15%，其余为氩气；优选原料气体在气体混合室混合后再经干燥后输入密闭焊接室内，避免气体中含有水分而造成焊接过程不可控，减少杂质，首次实现焊缝氮含量达到母材氮含量95%以上；而且避免杂质产生，防止焊缝性能的下降，取得了意想不到的技术效果。
上述技术方案中，步骤（2）中，密闭焊接室内气体压力为1atm～5atm，增加体系总压力对于焊接熔池固氮效果显著；特别是本实用新型通过压力检测器限定氮分压，利于氮元素在熔池中的溶解，通过限定体系总体压力，可以有效提高熔池中的平衡氮含量，为焊缝固氮夯实基础。
上述技术方案中，步骤（3）中，焊接电流180～280A，焊接速度130～220mm/min；本实用新型适用的焊接工艺参数范围广，适合于传统的TIG和MIG焊接过程，利于工业化推广。
本实用新型中，密闭空间内充满了由按一定比例混合的氮气、氩气和氧化性气体（如氧气或二氧化碳）组成的混合气体，其中氧气或二氧化碳体积分数为2%～5%，氮气体积分数为5～15%，其余为氩气。通过控制密闭空间入口和出口的阀门开口度，系统内混合气体进出流量形成差异，进而改变密闭空间内的系统总压力，密闭空间内可以形成正压或负压，压力变化范围1atm～5atm。为了促使空间内混合气体的均匀分布，在空间上方增加气体搅拌装置，增加混合气体的均混度，同时通过压力表检测系统总压变化情况。混合气体进入密闭空间之前，三路气体分别从专用气瓶中供入气体混合塔，混合塔内铺设脱脂棉和硅胶脱水剂，实现混合气体的均匀混合和干燥，在混合塔出口连接质量流量控制器，精确控制混合气体流量。
根据本实用新型，比如，在焊接过程中，焊接母材固定在一块铜板表面，铜板内部设置水槽，冷却水从下方入口进入，从上方出口排出，形成循环水冷，冷却水进出水温差控制在10℃以内，实现焊缝熔池的快速冷却，抑制氮元素从熔池中的逸出量，进而起到固氮作用。
本实用新型首次公开了一种高氮钢加压焊接用装置，通过设置气体混合室混合原料气体，实现混合气体的均匀混合和干燥，在混合塔出口连接质量流量控制器，精确控制混合气体流量，用于焊接保护；通过冷却板实现焊缝熔池的快速冷却，抑制氮元素从熔池中的逸出量，进而起到固氮作用，焊缝氮含量可以达到母材的95%以上；取得了意想不到的技术效果。
本实用新型通过控制焊接保护气体混合、总压力以及冷却参数可以达到固定高氮钢焊缝中氮含量，提高高氮钢焊缝机械性能。经过系统检验，采用本实用新型方法进行高氮钢焊接，焊缝氮含量可以达到母材的95%以上，焊缝综合力学性能与母材持平，应用效果显著。
本实用新型公开的高氮钢加压焊接用装置组成合理，设有压力表、观察窗，利于操作可控性提升；焊接室内设置支架利于各部件安放与拿取，设置小车利于焊丝走位，设置循环水路大幅提升焊缝冷却效果，实现固氮作用；并且采用该装置进行高氮钢焊接后，焊缝质量好，含氮量高，机械性能优异。
附图说明
图1 为实施例一高氮钢加压焊接用装置的结构示意图；
其中：密闭焊接室1、气体混合室2、真空泵3、阀门4、阀门5、支架6、焊接电源7、焊丝架8、走丝机构9、小车10、冷却板11、焊丝套筒12、焊枪13、电极线14、水体进口15、水体出口16、气体搅拌器17、压力检测器18、气体干燥块19、流量控制器20、焊丝21、母材22。
具体实施方式
本实用新型通过混合气体，显著增加焊液熔池中的溶解氮含量，夯实焊接高氮钢的基础，实现加压冶金技术与焊接工艺的有机结合，从而提高高氮钢焊缝强度的目标；采用本实用新型方法实施高氮钢焊接，焊缝氮含量可以达到母材的95%以上，各项力学性能与母材持平，取得了意想不到的技术效果。
实施例一
参见附图1，一种高氮钢加压焊接用装置，包括密闭焊接室1、气体混合室2、真空泵3；密闭焊接室分别通过气体管道与气体混合室、真空泵连通，密闭焊接室与气体混合室连通的气体管道上以及密闭焊接室与真空泵连通的气体管道上分别设置阀门4、5；密闭焊接室内设有支架6、焊接电源7、焊丝架8、走丝机构9；支架上设置小车10；焊丝架与走丝机构安装在小车上；支架上方设有冷却板11；走丝机构下方接有焊丝套筒12；焊丝套筒端部接有焊枪13；焊接电源通过电极线14分别与焊丝套筒、支架连接；冷却板为水冷铜板，内部设置循环水路为冷源，侧壁设置水体进出口，水体进口15在水体出口16下方；密闭焊接室设有气体搅拌器17，为风扇、压力检测器18，为压力表；气体混合室内设有气体干燥块19，由脱脂棉和硅胶透水颗粒组成，实现混合气体的均匀混合与干燥；气体混合室出口设有流量控制器20，箭头表示三路气体进入气体混合室；使用时，焊丝21从焊丝架抽出，穿过走丝机构进入焊丝套筒，再从焊枪冒出，焊接放置在水冷铜板上的母材22。
实施例二
一种高氮钢加压焊接用装置，包括密闭焊接室、气体混合室、真空泵；密闭焊接室分别通过气体管道与气体混合室、真空泵连通，密闭焊接室与气体混合室连通的气体管道上以及密闭焊接室与真空泵连通的气体管道上分别设置阀门；密闭焊接室内设有支架、焊接电源、焊丝架、走丝机构；支架上设置小车；焊丝架与走丝机构安装在小车上；支架上方设有冷却板；走丝机构下方接有焊丝套筒；焊丝套筒端部接有焊枪；焊接电源通过电极线分别与焊丝套筒、支架连接；冷却板为水冷铜板，内部设置循环水路为冷源，侧壁设置水体进出口，进口在水体出口下方；密闭焊接室设有气体搅拌器、压力检测器、观察窗口；气体混合室内设有气体干燥块，由脱脂棉和硅胶透水颗粒组成，实现混合气体的均匀混合与干燥；气体混合室出口设有流量控制器。
实施例三
一种高氮钢加压焊接用装置，包括密闭焊接室、气体混合室、真空泵；密闭焊接室分别通过气体管道与气体混合室、真空泵连通，密闭焊接室与气体混合室连通的气体管道上以及密闭焊接室与真空泵连通的气体管道上分别设置阀门；密闭焊接室内设有支架、焊接电源、焊丝架、走丝机构；支架上设置小车；焊丝架与走丝机构安装在小车上；支架上方设有冷却板；走丝机构下方接有焊丝套筒；焊丝套筒端部接有焊枪；焊接电源通过电极线分别与焊丝套筒、支架连接；冷却板为中空铜板，内部设置干冰块为冷源；密闭焊接室设有气体搅拌器、压力检测器、观察窗口；气体混合室内设有气体干燥块，由脱脂棉和硅胶透水颗粒组成，实现混合气体的均匀混合与干燥；气体混合室出口设有流量控制器。
实际应用时，将待焊的高氮钢板材固定在密闭空间的冷却板板表面，焊枪焊丝准备到位；开启真空泵，抽真空，将密闭焊接室内真空度控制在0.01Mpa以下，关闭真空泵；供入高纯氩气，重复此过程3次，达到清洗密闭空间，驱赶空气的目的。随后开启入口阀门，混合气体（氩气+氮气+氧气/二氧化碳）经过干燥除水后，以特定流量供入密闭空间。通过控制密闭空间入口和出口阀门开口度，使密闭空间内保持一定的体系压力（1atm～5atm）。待体系压力稳定后，开始高氮钢焊接，小车带有万向轮，可多方位位移，焊接过程在自动控制下完成。
比如：
采用实施例一的装置，对20mm厚高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn16N平板实施对接焊接，开35度坡口，采用脉冲熔化极保护焊，混合保护气体组成为2%O2+10%N2+88%Ar，气体流量25L/min，密闭空间系统总压力2.5atm；焊接电流250～270A，焊接六层，焊接速度180mm/min，循环水进出水温差控制在10℃以内，水冷铜板冷却水流量5L/min。
焊后对母材和焊缝金属的氮含量采用ONH分析仪进行检测，母材氮含量为0.70%，焊缝氮含量0.655%，为母材氮含量93.6%，显著提高了焊缝氮含量，焊接强度系数达到88%。
采用实施例二的装置，对20mm厚高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn16N平板实施对接焊接，开35度坡口，采用脉冲熔化极保护焊，混合保护气体组成为5%CO2+10%N2+85%Ar，气体流量25L/min，密闭空间系统总压力2atm；焊接电流250～270A，焊接六层，焊接速度180mm/min，循环水进出水温差控制在10℃以内，水冷铜板冷却水流量5L/min。
焊后对母材和焊缝金属的氮含量采用ONH分析仪进行检测，母材氮含量为0.70%，焊缝氮含量0.671%，为母材氮含量95.8%，显著提高了焊缝氮含量。母材强度为1100MPa，检测焊缝强度为980Mpa，焊接强度系数达到89%。
采用实施例二的装置，对20mm厚高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn16N平板实施对接焊接，开35度坡口，采用脉冲熔化极保护焊，混合保护气体组成为2%O2+5%N2+93%Ar，气体流量25L/min，密闭空间系统总压力3atm；焊接电流180～200A，焊接速度155mm/min，循环水进出水温差控制在10℃以内，水冷铜板冷却水流量5L/min。
焊后对母材和焊缝金属的氮含量采用ONH分析仪进行检测，母材氮含量为0.70%，焊缝氮含量0.635%，为母材氮含量90.7%，显著提高了焊缝氮含量，焊接强度系数达到85%以上。