一种粗丝单电源浅熔深高效埋弧自动堆焊工艺方法与流程

本发明属于埋弧堆焊领域，特别是涉及一种粗丝单电源浅熔深高效埋弧自动堆焊工艺方法。

背景技术：

堆焊较热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积等表面改性方法由于具有堆焊层与基材可实现原子间的冶金结合从而具有最佳的结合强度，在工业领域中广泛应用于压力容器制造、船舶制造与防护以及石油管道防护等。堆焊作为材料表面改性的一种经济而方便的工艺方法，特别适用于零部件的大面积表面改性及修复。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法具有母材对堆焊层化学成分的稀释作用小、同时又具有较高的熔敷效率，以发挥大面积零部件表面的改性效果。目前在压力容器和管道行业中主要采用的是埋弧自动堆焊。

专利公开号为CN103273169A的中国专利公开了一种多丝堆焊系统及其工艺，其基于多丝焊接进行堆焊，虽然焊接效率较高，但该工艺方法对设备要求较为复杂，需要多个电源进行独立多丝焊接，同时在控制基材对堆焊层化学成分稀释方面也未作说明。利公开号为CN105014192A的中国专利公开了一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，该工艺方法采用过渡层进行带极或丝极堆焊，虽然也在一定程度上能解决基材对堆焊层化学成分稀释及焊接效率问题，但带极堆焊同样也涉及焊接设备及带极材料的特殊性的，导致其使用普通埋弧焊接设备无法进行堆焊，同时该工艺在控制熔深方面也尚未做出说明。

埋弧堆焊方法能达到较好的堆焊层性能，但是常规埋弧焊丝进行堆焊存在一些不足之处，主要是大电流焊接造成的熔深较大，使得待堆焊的基材熔化量过多，对堆焊层的化学成分稀释作用相应也较大，这直接导致堆焊层的改性效果降低；焊接电流过小，会导致熔敷金属量减少，同时堆焊层熔宽也较小。此外，焊接速度过快，也会导致熔宽减小，甚至焊缝不能连续成形。常规埋弧自动堆焊工艺采用的焊丝直径为4.0mm，提高效率的有效方法是增加焊丝直径，这需要随之增大焊接电流尚可保证堆焊工艺的稳定性。但通常埋弧焊接设备额定电流都控制在1000A以内，而且随着电流的增大，基材对堆焊层的化学稀释作用愈加强烈，焊道成形又受到很大的影响，也严重影响堆焊层的改性效果，因而在零部件表面堆焊改性方面是不宜采用这种方法来提高效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中单丝埋弧焊熔深大，熔宽较窄的问题，提供了一种粗丝单电源浅熔深高效埋弧自动堆焊工艺方法，能够使用普通埋弧焊用单电源进行堆焊，达到浅熔深，宽焊道的焊接效果，并且能很好地满足焊道成形要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种粗丝单电源浅熔深高效埋弧自动堆焊工艺方法，包括如下步骤：

(1)焊丝制备：选多根直径相同的实心焊丝，取一根作为中心焊丝，其余以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围，组成电缆式粗焊丝；

(2)母材预处理：对母材进行打磨除锈处理，再用酒精清洗剂进行除油处理，最后用清水冲洗并吹风干燥；

(3)预热：将母材在90-100℃下进行预热处理；将焊剂在180-220℃下保温烘干2h；

(4)堆焊：将步骤(1)制备的焊丝通过导丝管送入埋弧自动小车的焊接区，连接焊接电源传输焊接电流，使埋弧自动小车沿母材的接缝移动，同时向焊接区辅施焊剂，焊接过程中持续控制层间温度为135-165℃，直至堆焊完成；

(5)焊后检验：焊接24h后对母材焊接处进行渗透探伤，并测量焊接处的熔深与熔宽。

该工艺方法所拥有独特的多丝旋钮成电缆式粗丝在焊接进给时能够产生旋转电弧，实现粗丝单电源浅熔深高效埋弧堆焊特点，且电缆式焊丝不同于现阶段应用的两个或多个独立电源的双丝或多丝埋弧堆焊技术，其区别在于接通焊接电源后所有细焊丝与工件之间均形成多电弧，焊丝熔化向工件过渡。电缆式焊丝的特殊螺旋结构使得每根焊丝放电产生的电弧推力皆在水平方向产生分量，其按照焊丝旋向呈左旋或右旋特征使得电弧进行高速旋转即产生自身旋转电弧，而水平方向的力会大幅增加熔宽，在一定的电流范围内，电缆式焊丝熔化均能产生旋转电弧效应。

本发明进一步解决的技术方案是，所述步骤(1)中的电缆式粗焊丝由7根直径为2.0mm的实心焊丝组成，取1根作为中心焊丝，其余6根以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围形成外围丝，所述电缆式粗焊丝的直径为6.0mm。直径为6.0mm的缆式焊丝能够在300A的电流下起弧，在600A时仍然能够保持较小的熔深。

本发明进一步解决的技术方案是，所述实心焊丝采用316L不锈钢焊丝、309L不锈钢焊丝和镍基合金焊丝中的任一种。

本发明进一步解决的技术方案是，所述步骤(3)中的焊接电源选用直流单电源，所述电源的脉冲频率为60-100Hz，过低的脉冲频率无法使焊缝达到良好的成形；焊接电源的占空比为50％，过高或者过低的占空比，会导致焊接过程不稳定，出现成型不良，焊缝熔深不一致的情况。

本发明进一步解决的技术方案是，所述步骤(3)中的焊接工艺参数具体为：焊接电流为300-600A；电弧电压为30-31V，电弧电压小于30V会导致熔敷金属不能够完全铺张开，造成驼峰状的焊缝。电弧电压大于31V会导致干伸长变短，熔敷金属熔化不稳定，成形不好；焊接速度为30-60cm/min，焊接速度低于30cm/min时会导致熔敷金属熔化过快，产生生铁水前流的现象，焊缝成形不好，并且伴有表面气孔等缺陷，同时焊剂熔化过多过厚，造成了浪费；焊接速度大于60cm/min时，由于焊丝熔化速度低于焊接速度，会导致熔宽变窄，甚至出现间歇性重新起弧的现象。

本发明进一步解决的技术方案是，所述焊接工艺参数的匹配为：焊接电流为300A，电弧电压为30V，堆焊速度为30cm/min；焊接电流为400A，电弧电压为30V，堆焊速度为40cm/min；焊接电流为500A，电弧电压为30V，堆焊速度为50cm/min；焊接电流为600A，电弧电压为31V，堆焊速度为60cm/min

本发明进一步解决的技术方案是，所述焊剂为SJ101烧结焊剂。

本发明进一步解决的技术方案是，所述步骤(2)预处理后的母材的堆焊时间小于24h，超过24h须重复上述步骤(2)。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1.本发明的工艺方法能达到粗丝焊接实现浅熔深的目的。采用6.0mm的粗丝电缆式焊丝能够在300A的电流下起弧，在600A大电流时仍然能够获得较小熔深的焊道。在一定范围内，相同的焊接参数下，由于旋转电弧的作用，该工艺方法的熔深只有普通单丝的1/3至1/2。能够实现基材对堆焊层化学成分较低地稀释作用，最大限度保证堆焊层的改性效果。

2.本发明的工艺方法能够有效地增大焊道熔宽。在相同电流的情况下，该工艺方法单股焊丝电流密度要比同等规格的普通单丝高约29％，这将导致电缆式焊丝的熔化速度较同等规格的单丝快；同时，旋转电弧对6根外围丝有水平方向的推力作用。以上两种因素使得堆焊的熔宽要大于同等规格的单丝焊接。

3.本发明所述的电缆式粗焊丝堆焊效率高于普通单丝。在相同焊接参数下，由于电缆式粗焊丝电流密度大，这将导致熔敷效率高。电缆式焊丝的熔敷效率可比单丝提高50％。

4.本发明的工艺方法焊接成本低，无需改造或购置新焊接设备。

附图说明

图1是本发明电缆式焊丝焊接过程中旋转及熔池流动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。

实施例1

(1)焊丝制备：选7根直径为2.0mm的实心焊丝，取1根作为中心焊丝，其余6根以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围，组成电缆式粗焊丝；所述电缆式粗焊丝的直径为6.0mm，实心焊丝采用规格为牌号为316L不锈钢的埋弧电缆式焊丝；

(2)母材预处理：对母材进行打磨除锈处理，再用酒精清洗剂进行除油处理，最后用清水冲洗并吹风干燥；预处理24h内进行焊接工作；

(3)预热：将母材在90℃下进行预热处理；将焊剂在200℃下保温烘干2h；所述焊剂选用SJ101烧结焊剂；

(4)堆焊：将步骤(1)制备的焊丝通过导丝管送入埋弧自动小车的焊接区，连接焊接电源传输焊接电流，选择焊接电流为300A，电弧电压为30V，堆焊速度为30cm/min，焊接电源脉冲频率为60Hz，占空比为50％，使埋弧自动小车沿母材的接缝移动，同时向焊接区辅施焊剂，焊接过程中持续控制层间温度为150℃，直至堆焊完成；

(5)焊后检验：焊接24h后对母材焊接处进行渗透探伤，焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

实施例2

(1)焊丝制备：选7根直径为2.0mm的实心焊丝，取1根作为中心焊丝，其余6根以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围，组成电缆式粗焊丝；所述电缆式粗焊丝的直径为6.0mm，实心焊丝采用规格为牌号为316L不锈钢的埋弧电缆式焊丝；

(2)母材预处理：对母材进行打磨除锈处理，再用酒精清洗剂进行除油处理，最后用清水冲洗并吹风干燥；预处理24h内进行焊接工作；

(3)预热：将母材在95℃下进行预热处理；将焊剂在180℃下保温烘干2h；所述焊剂选用SJ101烧结焊剂；

(4)堆焊：将步骤(1)制备的焊丝通过导丝管送入埋弧自动小车的焊接区，连接焊接电源传输焊接电流，选择焊接电流为400A，电弧电压为30V，堆焊速度为40cm/min，焊接电源脉冲频率为60Hz，占空比为50％，使埋弧自动小车沿母材的接缝移动，同时向焊接区辅施焊剂，焊接过程中持续控制层间温度为140℃，直至堆焊完成；

(5)焊后检验：焊接24h后对母材焊接处进行渗透探伤，焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

实施例3

(1)焊丝制备：选7根直径为2.0mm的实心焊丝，取1根作为中心焊丝，其余6根以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围，组成电缆式粗焊丝；所述电缆式粗焊丝的直径为6.0mm，实心焊丝采用规格为牌号为316L不锈钢的埋弧电缆式焊丝；

(2)母材预处理：对母材进行打磨除锈处理，再用酒精清洗剂进行除油处理，最后用清水冲洗并吹风干燥；预处理24h内进行焊接工作；

(3)预热：将母材在90℃下进行预热处理；将焊剂在200℃下保温烘干2h；所述焊剂选用SJ101烧结焊剂；

(4)堆焊：将步骤(1)制备的焊丝通过导丝管送入埋弧自动小车的焊接区，连接焊接电源传输焊接电流，选择焊接电流为300A，电弧电压为30V，堆焊速度为30cm/min，焊接电源脉冲频率为60Hz，占空比为50％，使埋弧自动小车沿母材的接缝移动，同时向焊接区辅施焊剂，焊接过程中持续控制层间温度为150℃，直至堆焊完成；

(5)焊后检验：焊接24h后对母材焊接处进行渗透探伤，焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

实施例4

(1)焊丝制备：选7根直径为2.0mm的实心焊丝，取1根作为中心焊丝，其余6根以螺旋状紧密缠绕于中心焊丝外围，组成电缆式粗焊丝；所述电缆式粗焊丝的直径为6.0mm，实心焊丝采用规格为牌号为316L不锈钢的埋弧电缆式焊丝；

(2)母材预处理：对母材进行打磨除锈处理，再用酒精清洗剂进行除油处理，最后用清水冲洗并吹风干燥；预处理24h内进行焊接工作；

(3)预热：将母材在100℃下进行预热处理；将焊剂在200℃下保温烘干2h；所述焊剂选用SJ101烧结焊剂；

(4)堆焊：将步骤(1)制备的焊丝通过导丝管送入埋弧自动小车的焊接区，连接焊接电源传输焊接电流，选择焊接电流为600A，电弧电压为31V，堆焊速度为60cm/min，焊接电源脉冲频率为100Hz，占空比为50％，使埋弧自动小车沿母材的接缝移动，同时向焊接区辅施焊剂，焊接过程中持续控制层间温度为150℃，直至堆焊完成；

(5)焊后检验：焊接24h后对母材焊接处进行渗透探伤，焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

对比例1

制备方法与焊接工艺参数同实施例1，焊丝的选用和实施例1不同，焊丝采用规格为牌号为316L的埋弧单根焊丝。其焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

对比例2

制备方法与焊接工艺参数同实施例2，焊丝的选用和实施例2不同，焊丝采用规格为牌号为316L的埋弧单根焊丝。其焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

对比例3

制备方法与焊接工艺参数同实施例3，焊丝的选用和实施例3不同，焊丝采用规格为牌号为316L的埋弧单根焊丝。其焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

对比例4

制备方法与焊接工艺参数同实施例4，焊丝的选用和实施例4不同，焊丝采用规格为牌号为316L的埋弧单根焊丝。其焊后测量的熔深、熔宽和换算为1min的熔敷量如表1所示。

表1：

由表1可知，采用本发明所制备的6.0mm的粗丝电缆式焊丝能够在300A的电流下起弧，在600A大电流时仍然能够获得较小熔深的焊道，相同的焊接参数下，本发明所述工艺方法的熔深只有普通单丝的1/3至1/2，本发明的工艺方法能达到粗丝焊接实现浅熔深的目的；在相同电流的情况下，本发明电缆式焊丝达到的熔宽均大于普通单丝达到的熔宽，因此本发明的工艺方法能够有效地增大焊道熔宽；在相同焊接参数下，本发明所述的电缆式粗焊丝1min的熔敷量也均大于普通单丝的熔敷量，电缆式焊丝的熔敷效率比单丝提高50％，因此本发明所述的电缆式粗焊丝堆焊效率高于普通单丝。

如图1所示，焊接过程中利用各螺旋状单丝进给时产生的机械旋转作用进而带动焊接电弧旋转运动，强迫液态熔池垂直于熔深方向进行流体运动以减弱熔池金属向底部的对流运动，由此将熔池内部的热量向焊缝宽度方向传导，从而可以减小熔池根部的熔化量并使焊道沿宽度方向扩展。同时由多根细焊丝构成的复合电缆式粗丝可以由多根焊丝分担焊接电流，由此又可增大各单根焊丝的电流密度。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。