[发明专利]一种深熔K-TIG焊接熔池搅拌与平衡震荡的控制方法

说明书

本发明涉及一种深熔K‑TIG焊接熔池搅拌与平衡震荡的控制方法，在钨针沿焊接方向运动的同时，控制钨针做轴向运动以调节钨针与焊件之间距离，调整钨针在轴向运动中最低位置与最高位置之间的运动状态，并同步调整焊接电源系统输出的焊接电流，使焊接熔池的受力状态和热传输状态不断发生变化，进而改变焊接熔池中液态金属在径向上和轴向上的运动状态，从而在焊接熔池形成搅拌与震荡效果。本发明方法无需添加外围辅助焊接设备，而是在原有的深熔K‑TIG焊接设备的基础上，通过耦合钨针高度变化和焊接电流变化，使得熔池状态发生改变，实现熔池搅拌震荡的效果，以更低的热输入能量实现单面焊双面成形的焊接过程，熔池的熔透性好，程序移植性好。

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种深熔K-TIG焊接熔池搅拌与平衡震荡的控制方法。

背景技术

TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding)，又称为非熔化极惰性气体保护电弧焊。焊机的连接方式是工件连结电源的正极，焊枪中的钨针作为负极。在锁孔效应TIG(KeyholeTungsten Inert Gas，K-TIG)焊接过程中，在大电流(大于500A)的作用下焊接接头迅速产生液态金属，从而形成焊接熔池。焊接时瞬时加热熔化和瞬时冷却凝固的不均匀传热过程，使得焊接接头容易产生较大的焊接残余应力与应变，影响焊接接头的力学性能与使用寿命，同时在不均匀传热凝固过程中容易形成粗大的方向性强的柱状晶组织，而这些柱状晶组织不仅要降低焊接接头的强度，还降低了焊缝的塑性和韧性，对焊接接头的质量产生极其不利影响。

通过控制焊接熔池的动态行为或者传热过程来改善焊缝金属凝固结晶组织是提高焊接接头质量最重要的方法之一。在焊接生产上用来改善焊缝金属结晶组织的方法常用的有两种：合金化和振动法。合金化就是向焊接熔池中添加某些合金元素，通过焊接冶金作用来改变结晶状态，改善焊缝组织，然而在某些情况下，向焊缝中添加元素是很困难的，或是改变焊缝金属成分的含量是不允许的，因而这种方法受到一定程度的限制。振动法是指通过对焊接熔池熔化的液态金属施加外力作用，使熔池在振动状态下结晶，破坏正在成长的枝晶，从而获得细小晶粒，改善焊缝金属组织，常用的振动方法包括机械振动、超声波振动和外加电磁场等形式。低频机械振动采用机械的方式实现，振幅在2mm以下，振动所产生的能量可使熔池中正在成长的枝晶被打碎，同时也可使熔池金属发生强烈的搅拌作用，不仅使成分均匀，也可使气体和杂质等快速上浮，从而改善了焊缝性能。高频超声振动则是利用专业发生器产生数千赫兹频率的超声波，使焊接熔池中正在凝固的金属承受拉压交替的应力状态，破坏成长的枝晶，改变结晶形态，细化晶粒。电磁搅拌方法利用外加磁场使熔池中的液态金属产生强烈的揽拌运动，打乱枝晶的生长方向，改变结晶形态，使晶粒细化，还能降低接头的残余应力，改善焊接接头的性能。振动法对于改变结晶形态、细化晶粒，消除气孔、杂质等缺陷，改善焊接接头的性能等方面，确实行之有效，但是它们均需要较为复杂的设备，成本较高，效率较低，使得这种方法在焊接生产中广泛使用有一定的困难。

近年来，一些学者采取电流波形控制方法来产生焊接熔池搅拌效果，例如采用MIG焊接和脉冲型TIG焊接的双电源结构，利用直流反接的电弧与直流正接的脉冲电弧之间的电磁排斥效应，形成前端电弧偏移振动及后端电弧脉冲波动的双电弧振动形式。另有采用主从双电源一体化的焊接方法，主电源输出低频脉冲电流，从机电源输出直流电流，通过高频斩波调制技术对低频脉冲电流进行斩波调制，完成高频脉冲电流叠加，实现快频脉冲深熔锁孔焊接并在锁孔过程同步进行熔池的平衡震荡。然而采用复合电源容易产生相互干扰，影响焊接过程的稳定性，同时也增加电源设备的复杂度，在实际焊接中给设备安装、测试调试带来极大的不便，特别是大型焊接工件的应用中。

综上，对控制焊接熔池产生搅拌作用的现有技术有如下的限制性：

(1)现有技术采用在原有焊接设备的基础上增加辅助设备的方法，耦合两者的功能从而实现对焊接熔池的搅拌效果，而这种方法增加了设备的复杂性及设备成本、给安装、测试调试带来极大的不便，效率较低，难以在焊接生产中推广及广泛应用。