本发明涉及一种镍基合金堆焊，具体涉及一种采用冷金属过渡熔化极气体保护焊方法，对核岛主设备进行镍基合金堆焊的新工艺。
背景技术：
mig/mag焊是目前世界上应用最广泛、最经济的焊接工艺。但由于存在热输入量大、变形严重、飞溅无法避免等缺陷,限制了它在某些领域的应用，尤其1mm以下的薄板更是其应用的“禁区”。
镍基合金的堆焊常见于压力容器及换热器制造、核电设备制造中。一般采用带极埋弧焊、焊条电弧焊和机械tig焊。其中带极埋弧焊，热输入较大且焊接位置仅为平焊。采用焊条电弧焊和机械tig焊的焊接效率又较低。
因此，亟需一种焊接效率高、热输入小、对焊接位置要求低并且焊接过程稳定、焊接质量高的镍基合金堆焊的设备及工艺。
技术实现要素：
为了克服上述问题，本发明人做了锐意研究，设计出一种堆焊镍基合金的焊接设备及工艺，具体采用冷金属过渡与脉冲过渡交替混合模式以及摆动工艺，对母材低合金钢锻件进行镍基690合金的堆焊，调整摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间，与焊接速度、送丝速度等匹配，使得焊接过程稳定、焊缝成形均匀，保证了焊接质量，提高了焊接效率，从而完成了本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
第一方面，提供一种堆焊镍基合金的焊接设备，所述焊接设备包括电源1，以及与电源相连接的水箱2和送丝机3，所述送丝机3通过焊丝缓冲器4与焊枪5连接。
其中，送丝机3与保护气体容器6连接。
其中，所述焊枪5连接焊接操作机7，所述焊接操作机7用于控制焊枪5的运动。
其中，所述焊接操作机7包括立柱71、设置于立柱71上并能上下调节高度的横梁72、能够带动立柱71转动的回转机构73。
其中，在所述横梁72的前端端面上设置有横向滑板8，所述横向滑板8上固定连接所述焊枪5；
所述横向滑板8能够左右滑动，使得焊接时能够带动焊枪5进行摆动焊接；
优选地，所述横向滑板8包括滑座81、可在滑座81上左右滑动的滑块82，通过滑块82滑动带动焊枪5摆动。
其中，所述滑座81上下两侧设置有滑道811，可供滑块滑动；
优选地，所述滑座81滑道之间的面板上沿长度方向设置有凹槽812；
所述滑块82上设置有安装孔，可用于固定连接焊枪5。
第二方面，提供一种堆焊镍基合金的工艺，该工艺包括冷金属过渡与脉冲过渡交替混合工艺以及摆动焊接工艺，包括以下步骤：
步骤1：堆焊前，打磨待焊工件表面，并进行预热；
步骤2：准备前面所述的焊接设备，设置焊接参数；
步骤3：开启焊接设备，并进行镍基合金堆焊焊接。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)根据本发明提供的堆焊镍基合金的焊接设备使用方便，能够实现摆动焊接，有利于焊缝成形；
(2)根据本发明提供的镍基合金堆焊工艺焊接过程稳定且焊缝成形均匀；
(3)根据本发明提供的镍基合金堆焊工艺无飞溅、变形小、热输入少，可用于薄板即超薄板(0.3～3.0mm)的焊接；
(4)根据本发明提供的镍基合金堆焊工艺焊接效率高，效率约是传统的焊条电弧焊工艺的4倍，是机械tig焊的2倍有余。
附图说明
图1示出本发明中堆焊镍基合金的焊接设备的模块示意图；
图2示出本发明中焊接设备的示意图；
图3示出本发明中焊枪和焊接操作机横梁连接的放大图；
图4示出本发明中横向滑板的结构示意图。
附图标号说明：
1-电源
2-水箱
3-送丝机
4-焊丝缓冲器
5-焊枪
6-保护气体容器
7-焊接操作机
71-立柱
72-横梁
73-回转机构
8-横向滑板
81-滑座
811-滑道
812-凹槽
82-滑块
10-遥控器
11-机器人控制箱
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
第一方面，本发明提供一种堆焊镍基合金的焊接设备，所述焊接设备包括电源1，以及与电源相连接的水箱2和送丝机3，所述送丝机3通过焊丝缓冲器4与焊枪5连接；所述送丝机3与保护气体容器6连接，所述焊枪5连接焊接操作机7，所述焊接操作机7用于控制焊枪5的运动方向和运动速度，参照图1和图2所示。
本发明提供的焊接设备可以调整焊枪的摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间，与焊接速度、送丝速度等匹配，使得焊接过程稳定且焊缝成形均匀，保证了焊接质量，提高了焊接效率。
在一个优选的实施方式中，如图2所示，所述焊接操作机7包括立柱71、设置于立柱71上并能上下调节高度的横梁72、能够带动立柱71转动的回转机构73。
更优选地，为了操作方便或者实现控制焊枪的焊接速度和焊接方向，焊接操作机还设置有控制装置，可以输入参数，如设置焊接速度、摆动速度、摆动宽度、边缘停留时间参数，从而可以控制焊枪5的焊接速度、摆动速度、摆动宽度、边缘停留时间。
在一个优选的实施方式中，如图2和图3所示，在焊接操作机7横梁72前端端面上设置有横向滑板8，所述横向滑板8与所述焊枪5固定连接，所述横向滑板8能够左右滑动，使得焊接时能够实现焊枪5摆动焊接；
在进一步优选的实施方式中，如图4所示，所述横向滑板8包括滑座81、可在滑座81上左右滑动的滑块82，通过滑块82滑动带动焊枪5的摆动焊接。
在更进一步优选的实施方式中，可在滑座81端部设置驱动滑块82滑动的电机，通过电机驱动丝杠运动从而带动滑块82滑动。
本发明中，焊接操作机设置有控制装置，所述控制装置与横向滑板的电机连接；控制装置中输入摆动参数，电机就可以驱动横向滑板按照设置的摆动参数滑动或摆动。
在一种优选的实施方式中，参照图4所示，所述滑座81上下两侧设置有滑道811，可供滑块滑动；
更优选地，所述滑座81滑道之间的面板上沿长度方向设置有凹槽812；以减小滑块与滑座之间产生的摩擦力，从而有利于滑块的左右滑动；
所述滑块82背面上下两侧设置有与滑道相匹配的卡扣状凸起；从而保证滑块在滑道内左右滑动；
所述滑块82上设置有安装孔，可用于固定连接焊枪5。
本发明中，横向滑板8垂直于焊接方向，优选地，横向滑板8是依靠横向滑板8端部布置的电机驱动着而运动。横向滑板8的运动方向和距离在焊接过程中用于调节控制焊枪的摆动宽度、摆动速度等。
另一方面，本发明还提供一种根据前述的焊接设备进行堆焊镍基合金的工艺，该工艺为采用冷金属过渡与脉冲过渡交替混合工艺以及摆动焊接工艺，该工艺的熔滴过渡形式为冷金属过渡与脉冲过渡交替混合，包括以下步骤：
步骤1：堆焊前，打磨待焊工件表面，并进行预热；
步骤2：准备前面所述的焊接设备，设置焊接参数；
步骤3：开启焊接设备，并进行镍基合金堆焊焊接。
冷金属过渡熔化极气体保护焊方法(cmt，coldmetaltransfer)是fronius公司在短路过渡基础上开发的，同普通的熔化极气体保护焊mig/mag焊对比，其具有送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调、低热输入量、在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离实现无飞溅过渡的优势。在焊接过程中实现冷-热交替焊接，大幅度降低了焊接热输入。cmt被推出后一直用于无飞溅的mig钎焊，薄板焊接，尤其是用于铝合金焊接中。焊接的接头类型多为搭接、对接、法兰接和角接。
然而，现有技术的cmt焊接系统在对母材为低合金钢进行镍基合金的堆焊时，焊缝成形不均匀，焊接效率低，焊接质量不达标。
为此，本发明人经过深入探索并设计了改进的焊接设备，本发明人针对低合金钢以及镍基合金690的特点，研究设计出带有焊接操作机7以及在焊接操作机横梁72前端的设置有横向滑板8的焊接设备，并且经过大量实验摸索出合适的焊接参数，从而在焊接时实现焊枪的摆动焊接，使得焊缝成形均匀、美观，保证了焊接质量，提高了焊接效率。
本发明中采用的焊接设备可以是完全自动控制的焊接系统，也可以是人工控制的焊接系统。
在一个优选的实施方式中，本发明采用的焊接设备可以实现自动控制，所述焊接设备包括电源1，以及与电源相连接的水箱2和送丝机3，还包括与送丝机3相连接的焊丝缓冲器4和保护气体容器6，所述焊丝缓冲器4还与焊枪5连接，包括与电源1连接的遥控器10以及机器人控制箱11，所述焊接设备还包括与焊枪5相连接的焊接操作机7，所述焊接操作机7用于控制焊枪5的运动方向和运动速度，参照图2所示；
其中，遥控器10可以输入焊接参数，如送丝速度、焊接电流、焊接电压，方便操作。
步骤1中，
所述堆焊的母材为低合金钢锻件，优选为sa-508gr.3cl.2低合金钢；
所述堆焊的焊接材料为镍基690合金。
合金钢是在碳钢的基础上，添加一些合金元素，以提高材料的性能。合金元素含量小于5％的钢称为低合金钢。如本发明使用的sa-508gr.3cl.2低合金钢添加了mn,mo,ni等元素，材料具有较高的室温及高温强度，低温韧性。由于添加合金元素较多，淬硬倾向较高，同时材料的碳当量较大，焊接时易产生裂纹。
本发明中，所述堆焊的焊接材料为镍基690合金，所述堆焊的焊接材料型号为ernicrfe-7a镍基合金，优选地，其直径为1.0mm。
镍基合金690具有较好的抗应力腐蚀性能，具有较好的耐热性和抗氧化性，目前被广泛用于核岛主设备中。但是该焊接材料镍基合金690的热裂纹敏感性高，熔池流动性差，容易出现焊接裂纹、夹渣或气孔等焊接缺陷。
正是由于堆焊母材sa-508gr.3cl.2低合金钢以及焊接材料镍基合金690的特殊性，所以，现有技术的cmt焊接系统在用镍基合金690对低合金钢母材进行堆焊时，焊接质量不能让人满意。
但采用本发明的设备及工艺进行的堆焊结果令人惊喜。
本发明中，所用镍基合金690材料的直径为1.0mm，当然，镍基合金材料的直径也可以有其他选择，可以粗点或者细一点，比如1.2mm的，对应微调整焊接参数即可，以使得焊接效果更好。
在一个优选的实施方式中，步骤1中，打磨待焊工件表面呈金属光泽；并进行预热；预热温度根据母材型号设定，首层及第二层堆焊预热温度应高于121℃。
步骤2中，
所述焊接参数包括送丝速度、焊接电流、焊接电压、焊接速度、摆动宽度、摆动速度和边缘停留时间等；
步骤3中，
开启焊接设备前，将焊接设备接入保护气体(优选100％氩气)，优选气体流量为22～25l/min，
堆焊时焊枪喷嘴距离工件13～14mm，
所述堆焊采用摆动焊接工艺，优选通过横向滑板8的滑动或摆动来带动焊枪的摆动。
在一种优选的实施方式中，所述堆焊工艺采用摆动焊接，通过横向滑板的滑动或摆动来带动焊枪的摆动来实现摆动焊接，调整横向滑板的(或者说是焊枪的)摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间，与焊接速度、送丝速度等匹配。
优选地，所述焊接工艺参数如下：送丝速度为10～11m/min，焊接电流为155～170a，焊接电压为17～20v，焊接速度为220～250mm/min，摆动宽度为12～14mm，摆动速度为3000～3400mm/min，使用100％ar作为保护气体，气体流量为22～25l/min。
步骤3中，堆焊过程中，采用砂轮打磨压道位置；并注意清洁。
在一种优选的实施方式中，堆焊时道间温度应控制小于180℃。
堆焊两层后，在工件温度降至最低预热温度之前，将工件进行消氢处理，消氢处理结束后，温度可降至室温下进行焊接。
步骤2设置的和/或步骤3实施采用的焊接(优选堆焊)参数包括：
送丝速度为10～11m/min，焊接电流为155～170a，焊接电压为17～20v，焊接速度为220～250mm/min；
调整横向滑板的摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间，与焊接速度、送丝速度匹配；
在一个优选的实施方式中，所述摆动宽度为12～14mm，摆动速度为3000～3400mm/min，边缘停留时间为0.1～0.2s。
在一个优选的实施方式中，实施堆焊焊接前，将焊接工艺参数存入焊接设备内(利用遥控器设置送丝速度、焊接电流、焊接电压参数；利用焊接操作机的控制装置中的控制盒，设置焊接速度、摆动速度、摆动宽度、边缘停留时间)，可实现焊接过程通过焊接程序自动控制。
本发明人根据母材低合金钢以及焊接材料镍基合金690的材质、规格、焊接形状，经反复设定和实验，得到最优化的焊接工艺参数，所述焊接工艺参数如下：送丝速度为10～11m/min，焊接电流为155～170a，焊接电压为17～20v，焊接速度为220～250mm/min，摆动宽度为12～14mm，摆动速度为3000～3400mm/min，使用100％ar作为保护气体，气体流量为22～25l/min。
现有技术的冷金属过渡cmt焊接系统中未能实现摆动焊接。对于本发明中所述镍基合金的堆焊来说，如果不能摆动焊接，即直道进行焊接，焊道窄而陡，不利于压道(压道为堆焊时相邻两道之间搭接量；每个焊道要压在前一焊道上，这样堆焊面才能平齐)，不能保证焊接质量。为保证焊缝成形，保证焊接质量，本发明人特别将焊枪5固定在焊接操作机7的前端，利用焊接操作机横梁72上的横向滑板8的滑动或摆动功能，实现焊接过程中对焊枪5的摆动控制。
本发明焊接工艺的一个特性在于：当系统监测到一个短路信号，并将此短路信号反馈给送丝机3，送丝机3将会迅速回抽焊丝，从而使焊丝与熔滴分离。在熔滴过渡时，电流降至非常低，热输入几乎为零，同时避免了飞溅的产生。这种过渡形式为cmt冷金属过渡。采用这种工艺，将降低焊接热输入，变形小，无飞溅。同时电弧不停燃烧、熄灭、每秒70多次的高频率，电弧每次引燃就修整一次电弧，保持了电弧的稳定性，而电弧是否稳定直接影响焊接质量，电弧稳定使得焊接质量更有保证。
本发明焊接工艺的熔滴过渡形式为cmt过渡与脉冲过渡交替混合过渡的模式；即几个cmt熔滴过渡后，过渡方式转为一个或几个脉冲过渡；
本发明中，cmt过渡与脉冲过渡交替混合过渡的模式中，由于引入脉冲，在脉冲周期下，脉冲电流和脉冲电压均高于cmt周期下的电流和电压，而脉冲周期下的送丝速度低于cmt周期的送丝速度；脉冲电流数值、脉冲周期、脉冲上升和下降斜率均可以调整。脉冲周期下，脉冲电流较高，则熔池较宽，因此焊缝宽度增加，边缘平滑，利于压道，有利于焊缝成形均匀。
本发明中，焊丝干伸长(即焊丝伸出长度)的改变，仅仅改变送丝速度，不会导致焊接电流的变化，加上弧长(即前述电弧弧长)高度的稳定性，就能达到非常均匀一致的焊缝外观成形。
本发明中，采用平焊位置进行堆焊；焊接压道位置为焊缝边缘稍靠外1～2mm；
在一个优选的实施方式中，通过调整横向滑板8或焊枪5的摆动宽度、摆动速度、边缘停留时间，与焊接速度、送丝速度等匹配，以获得美观的焊缝成形；
具体地，配合上述焊接工艺参数：送丝速度为10～11m/min，焊接电流为155～170a，焊接电压为17～20v，焊接速度为220～250mm/min；相应调整设定合适的摆动宽度为12～14mm，摆动速度为3000～3400mm/min，边缘停留时间为0.1～0.2s。
采用本发明的焊接工艺，堆焊单道宽度(堆焊的道数，根据实际堆焊要求的宽度来确定)约为20～21mm，压道后每道剩9～10mm宽；每层堆焊厚度达2.5～3mm(堆焊的层数依据堆焊的厚度来确定)，焊缝成形均匀、美观；
而采用机械tig焊达到该堆焊宽度及厚度时，焊接速度仅为90～100mm/min，且焊接电流一般达到接近300a左右，焊接热输入较大且效率比本发明工艺低2倍有余；
如果采用传统的焊条电弧焊工艺，堆焊宽度仅为目前的一半，焊条电弧焊堆焊宽度只有10mm左右，压道后仅剩余5mm左右，焊缝成形不如本申请的好；堆焊厚度一般为1.5mm左右，焊接热输入基本相当，但是焊接速度比本发明工艺低约2倍，因此，总的焊接效率(焊接速度和堆焊厚度的总的效率)比本发明工艺低约4倍有余；
本发明与其它焊接工艺的比较结果见下表1(对于低合金钢进行镍基合金690堆焊时的不同焊接工艺的焊接效率比较)。
表1不同焊接工艺的焊接效率比较
由表1可以看出，本发明的堆焊镍基合金工艺比传统的镍基合金堆焊工艺具有较大的优越性，在相同的堆焊厚度以及堆焊宽度下，本发明工艺焊接电流小，热输入少；焊接速度快，焊接效率高。
采用本发明工艺堆焊的焊接试件的堆焊层进行100％ut及100％pt检测均合格，同时理化检测获得令人满意结果。
采用本发明工艺堆焊试件在进行596～620℃/40～40.5h的热处理后，进行堆焊层的化学分析、拉伸试验、弯曲试验、晶间腐蚀试验、以及宏微观试验。化学分析取自距离熔合线2.5mm和3.5mm位置，其中距离熔合线3.5mm的cr含量为29.66％，ni含量为57.12％，与镍基焊丝化学成分基本相当。室温抗拉强度为614mpa和617mpa，屈服强度为390mpa和387mpa，断后伸长率达51％和53％，端面收缩率为59％和62％，完全满足核岛主设备的设计要求。弯曲试验中的4个侧弯试样和2个面弯试样，结果完好。距离熔合线2.5mm的堆焊层表面经敏化处理(675±5℃/保温1小时)腐蚀弯曲后，无晶间腐蚀倾向。同时放大5倍观察，堆焊层和热影响区无任何裂纹、未焊透、夹渣、气孔、未熔合、咬边等缺陷。放大200倍观察，无微裂纹。
试验例：
如图2所示，为本发明中所使用的焊接设备示意图。焊接工件位于焊枪下端。在焊接方向上，采用焊接操作机的横梁72控制焊接速度。在焊接操作机横梁72前端设有横向滑板8，利用垂直于堆焊方向的横向滑板8的滑动或摆动带动焊枪的摆动，设置横向滑板的摆动宽度、摆动速度及边缘停留时间。
待堆焊的母材为sa-508gr.3cl.2低合金钢锻件；焊接材料镍基合金型号为ernicrfe-7a，直径为1.0mm。
堆焊前，应打磨待焊工件表面呈金属光泽，并采用燃气进行预热，首层及第二层堆焊预热温度应高于121℃；
设备接入100％氩气保护气体，利用遥控器(型号为rcu5000)设置焊接参数，包括送丝速度为10.5m/min、焊接电流为155a、焊接电压为17v；利用焊接操作机的控制装置中的控制盒，输入焊接速度230mm/min、摆动速度为3200mm/min、摆动宽度为13mm、边缘停留时间为0.1s；
参数设置完成后，进行镍基合金堆焊；在堆焊过程中，注意清洁；对压道处或焊缝表面必要时进行打磨。
焊接完成后，利用本发明工艺堆焊的焊接试件的堆焊层进行100％ut(超声检测)及100％pt检测(渗透检测)均合格，同时理化检测获得令人满意结果；
堆焊试件在进行596～620℃/40～40.5h的热处理后，进行堆焊层的化学分析、拉伸试验、弯曲试验、晶间腐蚀试验、以及宏微观检验；
化学分析取自距离熔合线2.5mm和3.5mm位置，其中距离熔合线3.5mm的cr含量为29.66％，ni含量为57.12％，与镍基焊丝化学成分基本相当；
室温抗拉强度为614mpa和617mpa，屈服强度为390mpa和387mpa，断后伸长率达51％和53％，端面收缩率为59％和62％，完全满足核岛主设备的设计要求；
弯曲试验中的4个侧弯试样和2个面弯试样，结果完好；
距离熔合线2.5mm的堆焊层表面经敏化处理(675±5℃/保温1小时)腐蚀弯曲后，无晶间腐蚀倾向；同时放大5倍观察，堆焊层和热影响区无任何裂纹、未焊透、夹渣、气孔、未熔合、咬边等缺陷；放大200倍观察，无微裂纹。
结果显示，本试验例制得的焊接产品达到上述检验标准，满足了核岛主设备的焊接质量要求。
由此可见，本发明提供的一种堆焊镍基合金的焊接设备及工艺使得堆焊时热输入量少、无飞溅，且焊接过程稳定、焊缝成形均匀、焊接效率高。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。