高能量利用率的冷填丝焊接机构及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及高能量利用率的低碳熔化极气体保护焊接技术。

背景技术

当前，熔化极气体保护焊接是各种工程结构建造领域最主流的焊接方法，包括船舶制造、压力容器与管道、机械装备、交通运输等，其操作便捷、整体效率高、综合成本低，通过不同种类焊接材料匹配，能够满足多种服役场合对接头性能与结构完整性的要求，包括常规静态力学性能、动载疲劳性能、耐腐蚀性能、抗高温性能等。在熔化极气体保护焊接时，由电能转化成的焊接电弧热量熔化焊丝和部分母材金属，发生熔池反应与冷却过程的固态相变后，形成完整的焊接接头。这里，焊接电弧热量除了用来熔化焊丝和母材以外，还通过母材金属热传导或以热辐射的形式散失。所以，焊接电弧能量的利用率不仅影响到整体焊接效率，还影响到电能的消耗量以及产生电能过程中间接的碳排放量。鉴于此，研究高能量利用率高效焊接相关技术，对降低上游电能产生过程的碳排放与制造端绿色发展具有重要意义。

已经公开的专利文献中，涉及到高效焊接的很多，比如：申请号为201310567567.2的专利公开了一种中厚板对接单道单面焊双面成型高效焊接方法，采用熔化极和非熔化极双电弧复合焊接打底，紧随其后采用双丝熔化极气体保护焊接辅以冷丝填充盖面，通过改变电源极性、干伸长度、混合气体比例等，实现大焊接参数条件下无飞溅、大熔敷量高效填充焊接。然而，作为重要的质量影响变量，没有量化冷丝送丝参数，焊接质量存在不确定性，适用范围受到一定的限制。申请号为201611144535.1的专利公开了一种金属粉芯药芯焊丝高效焊接方法，通过采用薄钢带包裹特定成分药粉的金属粉芯焊丝的应用，提高了焊丝熔敷速度，从而实现高效焊接的目的。然而，其不具有高能量利用率的特点。申请号为201710554829.X的专利公开了一种钢结构建筑用超厚钢板高效焊接方法，尽管其基于多层埋弧焊，但在每层之间先预铺设一层碎焊丝，能够平衡焊接热量分布，降低焊接应力与变形，提高能量利用率与焊接效率，但是，这种相当于冷丝填充效果的方法无法实现定量，从而不能实现焊接质量的精确控制与重现。申请号为201010249754.2公开了一种超厚度高强水电用钢的焊接方法，基于手工焊打底、熔化极气体保护焊接填充盖面，采用不对称双面U型坡口，实现窄间隙焊接，其实质为窄间隙坡口设计提高焊接效率。申请号为2017106199523.X的专利公开了一种E690高强度钢筒体的高效焊接方法、申请号为201710750258.7的专利公开了一种S460NL高强钢法兰的高效焊接方法、申请号为201810927796.3的专利公开了一种大热输入双丝埋弧焊高效焊接方法，均为针对大厚度钢板采用的基于埋弧焊接的工艺方法，与手工焊、半自动焊相比，焊接效率确实得到大幅度提升，但也不具备提高能量利用率、减少碳排放的特点。

发明内容

本发明揭示了一种高能量利用率的冷填丝焊接机构，包括熔化极气体保护焊接装置和冷填丝机构，沿焊接路径，冷填丝机构位于热丝焊接机构的后方，冷填丝机构将冷填丝送入热焊丝形成的熔池中，由熔池热量熔化冷填丝。

根据本发明的一个实施例，冷填丝机构与热丝焊接机构间隔设置，两者的间距使得冷填丝进入热焊丝形成的熔池但不触及熔池上方的等离子体。

根据本发明的一个实施例，热丝焊接机构与焊接路径的夹角为90±10°，热焊丝的干伸长度为热焊丝直径的8～16倍，冷填丝机构与焊接路径的夹角为30～60°，冷填丝的干伸长度为冷填丝直径的10～30倍。

本发明还揭示了一种高能量利用率的冷填丝焊接方法，在熔化极气体保护焊接装置上加装冷填丝机构，沿焊接路径，冷填丝机构位于热丝焊接机构的后方，该冷填丝焊接方法包括：

坡口加工步骤，加工并形成焊接坡口；

冷填丝步骤，在热丝焊接机构送入热焊丝进行焊接的同时，冷填丝机构将冷填丝送入热焊丝形成的熔池中，由熔池热量熔化冷填丝；

冷填丝送丝速度调节步骤，监测热丝焊接热输入并根据实时的热丝焊接热输入调节冷填丝送丝速度；

冷填丝保护气体流量调节步骤，根据热丝焊接的保护气体流量确定冷填丝保护气体流量，冷填丝保护气体的种类与热丝焊接的保护气体相同；

焊接质量评估步骤，对采用冷填丝焊接的区域进行超声波无损检测以评估焊接质量。

根据本发明的一个实施例，坡口加工步骤中，根据板材厚度、结构件构造和焊接操作空间位置的可达性，选择单面或双面的V型、U型、J型坡口进行加工，根据组对精度测量组对间隙和错边量，对焊接坡口面及其两侧50mm范围内进行清理，去除水分、油污或其它污染物。

根据本发明的一个实施例，冷填丝机构与热丝焊接机构间隔设置，两者的间距使得冷填丝进入热焊丝形成的熔池但不触及熔池上方的等离子体。

根据本发明的一个实施例，热丝焊接机构与焊接路径的夹角为90±10°，热焊丝的干伸长度为热焊丝直径的8～16倍，冷填丝机构与焊接路径的夹角为30～60°，冷填丝的干伸长度为冷填丝直径的10～30倍。

根据本发明的一个实施例，热焊丝直径d

冷填丝直径为1.6mm时，WFS

冷填丝直径为1.4mm时，WFS

冷填丝直径为1.2mm时，WFS

其中，WFS

根据本发明的一个实施例，对于不同直径的冷填丝，热丝焊接的保护气体流量与冷填丝保护气体流量满足如下的关系：

冷填丝直径为1.6mm时，FR

冷填丝直径为1.4mm时，FR

冷填丝直径为1.2mm时，FR

其中，FR

本发明的高能量利用率的冷填丝焊接机构及焊接方法是绿色低碳焊接技术，基于工业领域结构件制造常用的大电流熔化极气体保护焊接方法，通过后置式定量冷填丝，实现高能量利用率高效焊接，其有益效果在于：

充分利用了当前工业领域结构件制造主流焊接工艺方法，无需进行颠覆式工艺方法改变，仅通过后置式定量冷填丝即可实现，操作方便、实施周期短、综合成本低，具有直接的工程应用价值；

后置式定量冷填丝大幅度提高了熔化极气体保护热丝熔池能量利用率，在提高熔敷效率和整体焊接效率的同时，节约了用于前道热丝熔化的电能，从而降低了当前主流的化石能源发电过程的碳排放，具有明显的绿色低碳特征；

后置式冷填丝技术能够在大热输入气体保护焊接条件下均衡熔池能量分布，增加焊后冷却速度，不仅有利于接头组织转变与综合力学性能，还在一定程度上降低了焊接残余应力和焊后结构变形，对提高结构件的整体焊接质量非常有利。

附图说明

图1揭示了本发明的高能量利用率的冷填丝焊接机构的布置示意图。

图2揭示了本发明的高能量利用率的冷填丝焊接方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于高能量利用率的冷填丝绿色低碳焊接技术，在大电流熔化极气体保护焊接条件下，根据不同直径热丝焊接工艺规范，建立气体保护热丝焊接热输入与冷填丝送丝速度定量化关系，形成熔池热量能够精确控制的冷填丝工艺技术方案，保证热丝和冷丝的耦合效果，从而充分利用热丝熔池能量熔化冷丝，提高了熔敷效率和热丝能量利用率，从根本上减少了制造焊接过程的碳排放，实现制造过程的绿色低碳焊接。本发明的基于高能量利用率的冷填丝绿色低碳焊接技术以及工业领域结构件制造常用的大电流熔化极气体保护焊接方法，针对不同直径热丝最优的焊接工艺规范，本着充分利用热丝熔池能量熔化冷丝、实现热丝和冷丝最佳耦合效果的原则，建立气体保护热丝焊接热输入与冷填丝送丝速度定量化关系，形成熔池热量能够精确控制的冷填丝工艺技术方案，保证焊缝成型质量。同时，冷丝的定量添加均衡了熔池热量分布，提高了大热输入焊接时的焊接接头焊后冷却速度，有利于保证焊后接头组织和性能。这种热丝熔化极气体保护焊与定量冷填丝的焊接技术，提高了熔敷效率和热丝能量利用率，从根本上减少了结构件制造焊接过程的碳排放，达到了绿色低碳焊接的目的。

参考图1所示，图1揭示了本发明的高能量利用率的冷填丝焊接机构的布置示意图。该高能量利用率的冷填丝焊接机构包括熔化极气体保护焊接装置和冷填丝机构4，沿焊接路径，冷填丝机构4位于热丝焊接机构2的后方。热丝焊接机构2中的热焊丝1的一部分伸出热丝焊接机构2形成干伸部分，同样的，冷填丝机构4中的冷填丝3的一部分伸出冷填丝机构4形成干伸部分。参考图1所示，待焊接件6完成组对，焊接路径沿着坡口5进行，图1中的箭头所示为焊接路径，沿着焊接路径方向，冷填丝机构4位于热丝焊接机构2的后方。热丝焊接机构2中的热焊丝1熔化后填入坡口5中，在热丝焊接机构2正对的位置，刚刚熔化的热焊丝形成熔池。冷填丝机构4将冷填丝3送入热焊丝形成的熔池中，由熔池热量熔化冷填丝。利用熔池热量熔化冷填丝，并加快熔池的凝固速度，以提升能量利用率。冷填丝机构4与热丝焊接机构2间隔设置，两者的间距使得冷填丝进入热焊丝形成的熔池但不触及熔池上方的等离子体。冷填丝机构4与热丝焊接机构2二者的间距以冷填丝直接送进热丝熔池并连续均匀熔化为准，而不能送入熔池上方高度电离的等离子体，避免破坏等离子体的连续性并影响热丝的熔滴过渡形式和稳定性。继续参考图1所示，为了保证热丝电弧稳定燃烧与焊接熔滴稳定过渡，热焊丝1的干伸长度为热焊丝直径的8～16倍。为了保证冷填丝顺利送进热丝熔池以及两个保护气体喷嘴之间不相互干扰，冷填丝3的干伸长度为冷填丝直径的10～30倍，且热丝焊接机构2与焊接路径的夹角α为90±10°，而冷填丝机构4与焊接路径的夹角β为30～60°。

图2揭示了本发明的高能量利用率的冷填丝焊接方法的流程图。该高能量利用率的冷填丝焊接方法在熔化极气体保护焊接装置上加装冷填丝机构，沿焊接路径，冷填丝机构位于热丝焊接机构的后方，该冷填丝焊接方法包括：

坡口加工步骤，加工并形成焊接坡口。坡口加工步骤中，根据板材厚度、结构件构造和焊接操作空间位置的可达性，选择单面或双面的V型、U型、J型坡口进行加工，并保证加工的尺寸精度和表面质量。根据组对精度测量组对间隙和错边量，保证焊前组对精度。对焊接坡口面及其两侧50mm范围内进行清理，去除可能影响焊接质量的水分、油污或其它污染物。

冷填丝步骤，在热丝焊接机构送入热焊丝进行焊接的同时，冷填丝机构将冷填丝送入热焊丝形成的熔池中，由熔池热量熔化冷填丝。冷填丝机构和热丝焊接机构的布置情况可参考图1以及前面的描述。冷填丝机构与热丝焊接机构间隔设置，两者的间距使得冷填丝进入热焊丝形成的熔池但不触及熔池上方的等离子体。热丝焊接机构与焊接路径的夹角为90±10°，热焊丝的干伸长度为热焊丝直径的8～16倍，冷填丝机构与焊接路径的夹角为30～60°，冷填丝的干伸长度为冷填丝直径的10～30倍。

冷填丝送丝速度调节步骤，监测热丝焊接热输入并根据实时的热丝焊接热输入调节冷填丝送丝速度。为了充分利用热丝熔池能量，保证冷填丝充分熔化，实现热焊丝和冷填丝的最佳耦合效果，最终保证冷填丝焊接质量，需要严格控制并量化冷填丝关键工艺参数。从提高热焊丝熔池能量利用率以及冷填丝充分熔化的角度考虑，需要建立冷填丝送丝速度与热丝焊接热输入的相关性关系。在一定的热丝焊接热输入条件下，如果冷填丝速度过快，则会造成局部熔化不均匀或层间未熔合缺陷；如果冷填丝速度过慢，则会降低热丝熔池能量利用率，无法发挥冷填丝焊接的技术优势。根据实验数据，热焊丝直径、冷填丝直径和热丝焊接热输入需要满足如下的限制条件：热焊丝直径d

冷填丝直径为1.6mm时，WFS

冷填丝直径为1.4mm时，WFS

冷填丝直径为1.2mm时，WFS

其中，WFS

冷填丝保护气体流量调节步骤，根据热丝焊接的保护气体流量确定冷填丝保护气体流量，冷填丝保护气体的种类与热丝焊接的保护气体相同。在冷填丝的过程中，为了避免高温熔池热传导造成冷填丝提前氧化，需要在冷填丝周围提供一定流量的混合气体进行保护。冷填丝保护气体采用与热丝焊接的保护气体相同的混合气体，且流量与热丝焊接的保护气体流量相关。对于不同直径的冷填丝，热丝焊接的保护气体流量与冷填丝保护气体流量满足如下的关系：

冷填丝直径为1.6mm时，FR

冷填丝直径为1.4mm时，FR

冷填丝直径为1.2mm时，FR

其中，FR

焊接质量评估步骤，对采用冷填丝焊接的区域进行超声波无损检测以评估焊接质量。针对完成冷填丝焊接的焊缝金属，进行手工超声波无损检验(UT)，重点监测可能由冷填丝不当引起的虚焊和层间未熔合缺陷，从而保证具有绿色低碳特征的冷填丝焊接质量。

下面介绍本发明的一个具体实施方式，针对本发明的基于高能量利用率的绿色低碳焊接技术进行实施。选用Q500M结构钢板，壁厚为20mm，加工双面对称V型坡口，坡口角度为70～90°。选用三种不同直径的焊丝作为熔化极气体保护热丝，并匹配相同规格焊丝进行后置式冷填丝。气体保护焊丝型号均为AWS A5.18 ER70S-G。焊接保护气体采用80％Ar与20％CO

表1热丝焊接工艺参数

表2冷填丝关键参数

本发明的高能量利用率的冷填丝焊接机构及焊接方法是绿色低碳焊接技术，基于工业领域结构件制造常用的大电流熔化极气体保护焊接方法，通过后置式定量冷填丝，实现高能量利用率高效焊接，其有益效果在于：

充分利用了当前工业领域结构件制造主流焊接工艺方法，无需进行颠覆式工艺方法改变，仅通过后置式定量冷填丝即可实现，操作方便、实施周期短、综合成本低，具有直接的工程应用价值；

后置式定量冷填丝大幅度提高了熔化极气体保护热丝熔池能量利用率，在提高熔敷效率和整体焊接效率的同时，节约了用于前道热丝熔化的电能，从而降低了当前主流的化石能源发电过程的碳排放，具有明显的绿色低碳特征；

后置式冷填丝技术能够在大热输入气体保护焊接条件下均衡熔池能量分布，增加焊后冷却速度，不仅有利于接头组织转变与综合力学性能，还在一定程度上降低了焊接残余应力和焊后结构变形，对提高结构件的整体焊接质量非常有利。