一种交替供气式钛合金窄间隙GTAW用焊接装置及方法与流程

本发明涉及钛合金件的gtaw焊接技术领域，具体的说是一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法。

背景技术：

钛及钛合金以其高比强度、优质抗腐蚀性能以及无磁性等一系列优点，在海洋工程、船舶建造、石油化工、航空航天、交通运输和核电设备等工业领域广泛应用。钛及钛合金最常用的焊接方法是非熔化极惰性气体保护焊（gtaw）。对于厚度≥3mm的母材，采用gtaw焊接时，需要加工v型坡口（通常45°~60°），对于厚度大于10~15mm的大厚度结构，还需要加工x型坡口焊接。随着母材厚度的增加，坡口填充量不断加大，不但焊丝耗费增加，且由于钛合金刚度低，易造成更大的焊接变形量，焊接质量难以保证。

为了降低中大厚度钛合金gtaw的焊丝填充量，钛合金窄间隙gtaw应运而生，窄间隙gtaw焊接时，采用更窄的坡口设计，通常≤15°，为了增加焊缝根部的可达性，通常采用加长钨极的方式。窄间隙gtaw既可采用手工，也可采用机动，可大大降低中厚板焊接的焊材填充量和焊后产品的变形，受到行业的重视，发展迅速。

但是，对于厚度较大，或者坡口角度较小的钛合金窄间隙gtaw，当采用手工焊接时，由于焊枪的视线干扰，且运枪姿态受到坡口侧壁位置限制，会造成填丝和电弧对熔池加热的不匹配，极易产生未熔合缺陷。如附图1所示，为现有技术中窄间隙gtaw的焊接过程原理图，对于母材厚度h为30mm的钛合金板材gtaw时可以看出，在侧壁及熔池边缘往往是电弧边缘，电弧能量不够集中，极易造成能量不足，产生未熔合缺陷；当采用自动gtaw窄间隙时，由于最小电压原理，电弧总是优先指向距钨极尖端最近的母材，电弧指向性变弱，同样容易产生层间未熔合。这也是钛及钛合金窄间隙gtaw推广应用受到制约的原因。

技术实现要素：

为了解决现有技术中钛合金窄间隙gtaw焊接易出现侧壁及层间未熔合，焊接质量不稳定的问题。本发明提供了一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法，其从焊接保护气的角度出发，利用ar和he的电弧压力差，针对性地设计了氩（ar）-氦（he）交替供气对熔池进行保护的工艺，以实现焊接过程中熔池内液态金属的主动流动性，避免未熔合现象的发生。整个焊接装置操作简单，焊接效率高，降低了焊接处的气孔率，并可根据不同的板厚和坡口角度对气体配比和交替频率进行调整，以达到最佳的焊接效果，实用效果较好。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置，该焊接装置包括he供气组件、ar供气组件、gtaw焊枪、待焊工件、供电电源、控制机构和供气管路，其中，he供气组件和ar供气组件分别通过一段供气管路与gtaw焊枪连接，为gtaw焊枪提供焊接时的保护气流，在两段供气管路上分别设置有用于调节氦气气流的高频阀a和用于调节氩气气流的高频阀b，所述的控制机构包括相互之间电连接的供电单元、a路供电电路、b路供电电路、a路驱动电路、b路驱动电路、显示模块和人机交互模块，供电单元与供电电源连接，为整个控制机构提供电力支持，a路供电电路和a路驱动电路均与高频阀a连接，以分别为高频阀a提供电力和驱动信号，b路供电电路和b路驱动电路与高频阀b连接，以分别为高频阀b提供电力和驱动信号，显示模块用于显示整个控制机构的工作信息，人机交互模块用于人工控制和输入信息，所述的gtaw焊枪也与供电电源连接，并能够在供电电源的电力供给下，经由高频阀a和高频阀b的气体调控，为待焊工件的焊接提供ar-he交替供气式气流保护。

优选的，所述的he供气组件包括氦气瓶以及设置在氦气瓶上的压力表和气体输出调节阀；所述的ar供气组件包括氩气瓶以及设置在氩气瓶上的压力表和气体输出调节阀。

一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、开启供电电源、he供气组件和ar供气组件，将gtaw焊枪置于待焊工件的焊接坡口处；

步骤二、当焊接坡口处待焊工件的母材厚度＜30mm时，通过调控控制机构中的人机交互模块，设定ar-he交替供气时氩气的单次供气时间tar和氦气的单次供气时间the之间的比值为3~5：1，交替频率为1~3hz，进行待焊工件的交替供气式焊接；

步骤三、当焊接坡口处待焊工件的母材厚度≥30mm，且坡口入口处的宽度小于20mm时，通过调控控制机构中的人机交互模块，设定ar-he交替供气时氩气的单次供气时间tar和氦气的单次供气时间the之间的比值为0.5~2：1，交替频率为2~5hz，进行待焊工件的交替供气式焊接；

步骤四、焊接完成后，关闭供电电源、he供气组件和ar供气组件，即完成钛合金窄间隙的gtaw焊接。

有益效果：

1、本发明的一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法，采用ar-he交替供气方式来进行焊接时，由于ar电弧压力大于he，而he电弧电压大于ar，焊接过程会形成电弧压力的周期性变化和电弧能量的周期性变化，进而引起在ar气保护阶段熔池内液体由中心向周边流动，而在he气保护阶段熔池内液体由四周向中心流动，这就使得熔池的主动流动性大大增加，进而增加了熔池内液态金属的铺展性和润湿性，可有效避免传统窄间隙焊接时未熔合缺陷的发生。

2、本发明的一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法，由于交替供气时熔池流动性得到了提升，焊接操作难度降低，尤其是非平焊位置，由于焊接时视线受到影响，采用交替供气后，大大提升了熔池流动性，降低了焊接操作难度，焊接速度也得到了提升。

3、本发明的一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法，采用ar-he交替供气保护焊接时，熔池周期性的流动，大大增加了氢原子在凝固过程中变为气体逸出熔池的条件，大大降低气孔产生的概率，提升了焊接质量。

附图说明

图1为现有技术中窄间隙gtaw的焊接过程原理图；

图2为本发明中焊接装置的结构示意图；

图3为本发明中ar-he交替供气的气体时序图；

图4为采用本发明的焊接装置进行焊接时熔池内金属液体的流动方向图；

图5为实施例1在进行ar-he交替供气焊接时的电弧外观照片；

图6为实施例1焊接后的焊缝外观照片；

图7为实施例2在进行焊接时的过程照片和焊后焊缝的外观照片；

图8为实施例2焊接后的焊缝金相照片；

附图标记：1、he供气组件，2、ar供气组件，3、gtaw焊枪，4、待焊工件，5、供电电源，6、控制机构，601、供电单元，602、a路供电电路，603、b路供电电路，604、a路驱动电路，605、b路驱动电路，606、显示模块，607、人机交互模块，7、供气管路，8、高频阀a，9、高频阀b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。

如图所示，一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置，该焊接装置包括he供气组件1、ar供气组件2、gtaw焊枪3、待焊工件4、供电电源5、控制机构6和供气管路7，其中，所述的he供气组件1包括氦气瓶以及设置在氦气瓶上的压力表和气体输出调节阀；所述的ar供气组件2包括氩气瓶以及设置在氩气瓶上的压力表和气体输出调节阀，he供气组件1和ar供气组件2分别通过一段供气管路7与gtaw焊枪3连接，为gtaw焊枪3提供焊接时的保护气流，在两段供气管路7上分别设置有用于调节氦气气流的高频阀a8和用于调节氩气气流的高频阀b9，所述的控制机构6包括相互之间电连接的供电单元601、a路供电电路602、b路供电电路603、a路驱动电路604、b路驱动电路605、显示模块606和人机交互模块607，供电单元601与供电电源5连接，为整个控制机构6提供电力支持，a路供电电路602和a路驱动电路604均与高频阀a8连接，以分别为高频阀a8提供电力和驱动信号，b路供电电路603和b路驱动电路605与高频阀b9连接，以分别为高频阀b9提供电力和驱动信号，显示模块606用于显示整个控制机构6的工作信息，人机交互模块607用于人工控制和输入信息，所述的gtaw焊枪3也与供电电源5连接，并能够在供电电源5的电力供给下，经由高频阀a8和高频阀b9的气体调控，为待焊工件4的焊接提供ar-he交替供气式气流保护。

一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、开启供电电源5、he供气组件1和ar供气组件2，将gtaw焊枪3置于待焊工件4的焊接坡口处；

步骤二、当焊接坡口处待焊工件4的母材厚度＜30mm时，通过调控控制机构6中的人机交互模块607，设定ar-he交替供气时氩气的单次供气时间tar和氦气的单次供气时间the之间的比值为3~5：1，交替频率为1~3hz，进行待焊工件4的交替供气式焊接；

步骤三、当焊接坡口处待焊工件4的母材厚度≥30mm，且坡口入口处的宽度小于20mm时，通过调控控制机构6中的人机交互模块607，设定ar-he交替供气时氩气的单次供气时间tar和氦气的单次供气时间the之间的比值为0.5~2：1，交替频率为2~5hz，进行待焊工件4的交替供气式焊接；

步骤四、焊接完成后，关闭供电电源5、he供气组件1和ar供气组件2，即完成钛合金窄间隙的gtaw焊接。

本发明的一种交替供气式钛合金窄间隙gtaw用焊接装置及方法，主要应用于钛合金窄间隙gtaw焊接工艺，焊接材质覆盖纯钛及钛合金，尤其适合≥10mm的窄间隙坡口，焊缝类型涵盖拼版焊缝、纵焊缝、环焊缝等，可有效提高焊接质量。

如图2所示，本发明的焊接装置中，控制机构由供电单元、a路供电电路、b路供电电路、显示模块、人机交互模块、a路驱动电路、b路驱动电路组成，其中，供电单元为将公频电转换为控制机构用电的电路，a路供电电路和b路供电电路分别给高频阀a（v-a）及高频阀b（v-b）提供电力，a路驱动电路和b路驱动电路分别给高频阀a（v-a）及高频阀b（v-b）提供驱动信号，显示模块可显示设定参数和工作状态，人机交互模块负责参数输入和过程控制。控制机构和气路共同组成钛合金交替供气窄间隙gtaw供气装置，可实现钛合金交替供气窄间隙gtaw供气工艺。

本发明的焊接工艺与传统的钛合金窄间隙gtaw工艺不同在于其保护气的供气采用的是ar-he交替供气。焊接工艺针对不同厚度和坡口形式设计了不同的交替供气频率及不同的气体比例，在降低窄间隙gtaw侧壁及层间未熔效果明显。焊接装置的整体结构示意图如图2所示，其采用ar/he双供气单元，通过本装置可进行交替供气参数设置，以输出交替供给的ar和he，供给焊枪使用。

焊接装置在具体工作时，当ar供气组件和he供气组件中的氩气瓶和氦气瓶中气体充足时，可在控制机构中的人机交互模块进行交替供气参数的输入，经过供气管路上高频阀a和高频阀b的调节，可实现如图3所示的保护气体时序，其中氩气保护时间tar和氦气保护时间the、以及交替周期t均可独立调节，使用便利，能够满足不同工况需求。

具体焊接时，对于母材厚度＜30mm，坡口深度较浅，有一定运枪裕度的窄间隙焊缝，tar和the时间比推荐采用（3~5）：1，交替频率推荐1~3hz；此时，不但节约气体成本，同时，交替频率较低，便于操作；对于母材厚度≥30mm，坡口深度较深，坡口上端宽度小于20mm的窄间隙焊缝，tar和the时间比推荐采用（0.5~2）：1，交替频率推荐2~5hz；此时，交替频率较高，熔池搅动作用明显，消除缺陷能力更强。

附图4为本发明的焊接装置在焊接时熔池内金属液体的流动方向图，其中，待焊工件的材质为钛合金板材，母材厚度h为30mm，（a）为在ar气保护阶段熔池由中心向周边流动，（b）图为he气保护阶段熔池由四周向中心流动。熔池的交替性流动，避免了未熔合倾向，同时有利于气体逸出。

以下通过两个具体的实施例来更好、更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例。

实施例1

如附图5所示，本实施例中待焊工件的厚度为20mm，材质为ta2板材，单面窄间隙坡口，采用平焊位置窄间隙焊接。焊接时设定tar和the的时间比为3:1，交替频率为1hz；附图5中（a）为ar气保护阶段的电弧外观，该阶段电弧呈橙色，电弧轮廓较小，而（b）为he气保护阶段的电弧外观，该阶段电弧呈白色，电弧轮廓较大。

焊接完成后焊缝的外观如附图6所示，其波纹清晰，表观较均一。经过测算，采用本实施例的焊接工艺进行焊接后，每300mm长度焊缝的焊接时间由2分40秒，缩短为2分20秒，焊接效率提升10~15%，焊后按照nb/t47013射线检测工件，其检测结果为ⅰ级，未发现未熔合和气孔等缺陷。

实施例2

如附图7所示，本实施例中待焊工件的厚度为40mm，材质为ta2板材，双面窄间隙坡口，采用横焊位置焊接。焊接时设定tar和the的时间比为1:1，交替频率为5hz；附图7中（a）为焊接过程的照片，图（b）为焊后试板外观。焊接过程操作性明显改良，熔池流动性大大增加，焊接后对试板按照标准进行测试，拉伸性能、工艺性能均满足相关标准。其金相如附图8所示，同时按照nb/t47013进行射线检测和超声检测，均达到ⅰ级，未发现未熔合和气孔等缺陷。

石油化工、航空航天、船舶及海洋工程和核电工程中对钛合金中厚板焊接需求较大，因此，gtaw窄间隙焊接技术大量使用，采用本发明的焊接装置和工艺后，不但能够提升焊接过程质量的稳定性，降低层间和侧壁未熔合和气孔出现的概率，同时能够降低操作难度，提升焊接效率10%左右，进一步扩大了钛合金gtaw窄间隙焊接应用场合，实用效果较好。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。