技术领域
[0001] 本
发明涉及
不锈钢薄壁管焊接工程领域，特别是一种不锈钢薄壁管环
焊缝接头的焊接方法及装置。
背景技术
[0002] 不锈钢薄壁管在
冶金、化工、食品、航天、航空、核工业等领域中应用广泛，其厚度一般小于3mm。由于不锈钢线膨胀系数大、热导率小，加上薄壁管的壁厚较薄，不锈钢薄壁管特别是奥氏体不锈钢薄壁管，在采用普通非
熔化极惰性气体保护焊接时，常常会出现焊接
变形、焊接裂纹、气孔、夹杂、未焊透等
缺陷，特别是在一些性能要求很高的航空航天、核工业领域是不允许出现这些缺陷的，因此必须花费大量的人
力、物力和时间对每一条焊缝进行检测，反复根据原材料品质和焊接结构进行焊接工艺规范的调整，所以需要寻找一种简单实用可靠的方法或设备解决该问题，以提高生产效率。
[0003] 中国
专利ZL200510069264.3公开了“一种不锈钢复合钢管的焊接方法”，它主要用于解决复合钢管在使用通常的
熔焊方法时容易产生气孔、裂纹等缺陷，同时提高焊接效率，降低焊接成本；其主要步骤依次包括：连接面加工清洗、
涂装中间材料、组装夹紧、
感应加热，使中间材料溶化，实现连接面液相
扩散焊接；该方法是一种钎焊技术，两连接件不熔化，而是通过钎料熔化的液相扩散实现连接，其焊接接头性能有限，其工程应用范围受到局限。中国专利ZL00123310.6公开的“薄壁不锈钢焊接管的连接方法及实施该方法的连接部件”，该方法是在两根被粘接管的
接口外设一个外
套管，通过它与胶粘剂一起，将管子连接起来。为了施工和临时新开管线的需要，该发明中还设计了不等径连体管箍和T型异径箍式
管接头，该方法是一种涂胶连接的方法，不是金属熔化焊接的技术，其胶接接头的强度与机械性能受到影响，其工程应用受到限制。
发明内容
[0004] 针对现有焊接技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种减少焊接缺陷、特别是减少接头焊接裂纹的敏感性，降低成本，突破普通焊接技术不能满足接头性能要求，提高焊接
质量的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法。
[0005] 本发明的另一目的是提供一种结构简单、使用方便的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，使用外加纵向电
磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接技术，实现对不锈钢薄壁管环缝接头焊接；包括如下步骤：
[0007] 1)清理焊接接头，去除
氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；
[0008] 2)采用
工件夹持及
旋转机构对不锈钢薄壁管工件接头进行夹持，不锈钢薄壁管工件接头的两连接端面位于充满惰性气体的气室内，焊接接头匀速旋转；
[0009] 3)采用外加纵向
电磁场控制焊接
电弧旋转，并
对焊接熔池熔体进行
电磁搅拌，改变焊接
温度场分布，控制焊接接头的
凝固过程，从而促成焊缝组织细化，减少偏析，降低焊接裂纹的敏感性，对不锈钢薄壁管工件接头进行环缝焊接。
[0010] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，采用外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接方式，实现不锈钢薄壁管环缝接头熔深精确控制、无焊接裂纹的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接。
[0011] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，采用外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接方式，实现不锈钢薄壁管环缝接头、镐及其
合金薄壁管环缝接头、镁及其合金薄壁管环缝接头、
铝及其合金薄壁管环缝接头、
钛及其合金熔薄壁管环缝接头的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接。
[0012] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，所述外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接工艺中，脉冲峰值焊接
电流：20～120A，脉冲基值焊接电流：1～20A，脉冲
频率：1～50Hz，
脉冲持续时间：0.02～0.8s，；励磁电流：1～15A，励磁频率：
4～20Hz；钨极直径：0.8～4.0mm，薄壁件厚度：0.1～3mm，保护气体流量：5～40L/min，焊接速度：2～20cm/min。
[0013] 实现所述焊接方法的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，其特征在于，包括工件夹持及旋转机构、顶尖、焊炬系统、气室、
焊接电源和励磁设备，所述励磁设备包括励磁线圈和励磁电源，励磁线圈在气室内，位于被焊接工件接头焊接部位的上方，励磁线圈固定于焊炬系统上；励磁线圈与焊炬系统相连且同轴；励磁线圈产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场；
[0014] 或者励磁线圈在气室内，位于被焊接工件接头焊接部位的下方，励磁线圈固定于气室的下底面；励磁线圈与焊炬系统同轴；电磁搅拌励磁线圈产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场；
[0015] 或者两个励磁线圈在气室内，同时位于被焊接工件接头焊接部位的上方和下方，励磁线圈分别被固定于气室的下底面和焊炬系统上，产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场。
[0016] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，所述励磁电源为IGBT逆变式励磁电源，向励磁线圈提供电源，能够产生双向交变脉冲励磁电流、或直流励磁电流、或单向脉冲励磁电流、或交流励磁电流；励磁电流的脉冲持续时间、频率、强度和占空比可调节，励磁电源电流1～50A，励磁电源脉冲频率1～100Hz。
[0017] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，所述励磁线圈带有导磁
铁芯；所述导
磁铁芯活动安装在励磁线圈中，可以自由调节其在励磁线圈中的
位置直至全部从线圈中去除；所述导磁铁芯端部的形状可设计为漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型，导磁铁芯的下端面形状收缩，以便于
磁力线更集中作用于焊缝；导磁铁芯内建有
水冷系统，使焊矩、导磁铁芯和励磁线圈均处于良好的工作状态。
[0018] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，焊炬系统包括一体式的气室塞、绝缘材料棒、
喷嘴、导电嘴和钨极，当励磁线圈位于位于被焊接工件接头焊接部位的上方时，直接与焊炬系统集成为一体，通过绝缘材料使焊炬与励磁线圈保持绝缘状态。
[0019] 所述的不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，惰性气体充满于气室中，同时气室的下部分装有改善惰性保护气体流态、形成
层流态良好气体保护流态的气筛，气室的底部有排气孔。
[0020] 本发明利用该外加磁场进行电磁搅拌作用，以控制焊接电弧的旋转，使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性及裂纹的敏感性；减少了焊接缺陷，形成优质焊缝。
[0022] 1、本发明使用的外加电磁场控制非熔化极惰性气体保护脉冲焊接方法，通过相应的励磁电源提供励磁电流，产生外加纵向双向交变脉冲电磁场，实现对不锈钢薄壁管接头熔深精确控制的、无焊接缺陷的高质量焊接。
[0023] 2、本发明采用外加电磁场控制非熔化极惰性气体保护脉冲焊接工艺，控制焊接电弧旋转，对焊接熔池中的液体金属熔体进行电磁搅拌，改变焊接温度场的分布状况，控制了焊接接头的凝固过程，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性及裂纹的敏感性，最终减少了焊接缺陷，降低了成本，提高了焊缝质量。
[0024] 3、本发明能够降低接头的焊接变形、焊接裂纹、气孔、夹杂、未焊透等焊接缺陷，特别使用于对焊接接头性能要求很高的航空航天、核工业领域，降低了对原材料品质的苛刻要求和对焊接工艺的严格限制，是一种简单、实用、可靠的焊接方法和焊接设备，生产效率提高。
[0025] 4、本发明可实现不锈钢薄壁管环缝接头、镐及其合金薄壁管环缝接头、镁及其合金薄壁管环缝接头、铝及其合金薄壁管环缝接头、钛及其合金熔薄壁管环缝接头的多种材料的高效、低成本、高
稳定性和优质焊接；能够满足两个薄壁管件、一个薄壁管件与一个实心端塞、一个薄壁管件与一个厚壁端头的薄壁管环焊缝接头的焊接，焊接质量高，节约了资源，降低了生产成本，突破了传统焊接技术不能满足焊接质量的严格要求，是一种高效、优质、低成本、高适用性、无缺陷的焊接技术与装置。
附图说明
[0026] 图1是本发明的焊接方法和装置示意图；
[0027] 图2、图3和图4分别是三种接头形式的剖面图。
[0028] 图中，1.焊接工件接头；2.工件夹持及旋转机构；3.励磁电源；4.焊炬系统；5.励磁线圈；6.气室塞；7.钨极；8.顶尖；9.气室；10.焊接电源；11.导磁铁芯；12.气筛；13.环缝；14.薄壁管件；15.薄壁管件；16.薄壁管件；17.实心端塞；18.薄壁管件；19.厚壁端头。
具体实施方式
[0029] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，使用外加纵向电磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接技术，实现对不锈钢薄壁管环缝接头的焊接。通过优化外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接工艺参数，改善焊缝质量，消除焊接微裂纹、气孔、夹杂、未焊透等焊接缺陷，控制焊接变形，实现对不锈钢薄壁管环缝接头高质量的焊接。
[0030] 下面结合
实施例及附图对本发明作进一步说明。
[0031] 一、不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法
[0032] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，使用外加纵向电磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接技术，实现对不锈钢薄壁管环缝接头焊接；包括如下步骤：
[0033] 1)仔细清理不锈钢焊接接头，去除氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；
[0034] 2)采用工件夹持及旋转机构2对不锈钢薄壁管工件接头1进行夹持，将不锈钢薄壁管焊接工件接头1的两连接端面位于充满惰性气体的气室9内，焊接接头在工件夹持及旋转机构2的作用下匀速旋转；
[0035] 3)采用外加纵向电磁场控制焊接电弧旋转，并对焊接熔池熔体进行电磁搅拌，改变焊接温度场分布，控制焊接接头的凝固过程，从而促成焊缝组织细化，减少偏析，降低焊接裂纹的敏感性，对不锈钢薄壁管焊接工件接头1进行环缝焊接。
[0036] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，采用外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接方式，实现不锈钢薄壁管环缝接头熔深精确控制、无焊接裂纹的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接。
[0037] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，采用外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接方式，实现不锈钢薄壁管环缝接头、镐及其合金薄壁管环缝接头、镁及其合金薄壁管环缝接头、铝及其合金薄壁管环缝接头、钛及其合金熔薄壁管环缝接头的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接。
[0038] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法，外加纵向双向交变脉冲磁场的非熔化极脉冲惰性气体保护焊接工艺中，脉冲峰值焊接电流：20～120A，脉冲基值焊接电流：1～20A，脉冲频率：1～50Hz，脉冲持续时间：0.02～0.8s，；励磁电流：1～15A，励磁频率：4～20Hz；钨极直径：0.8～4.0mm，薄壁件厚度：0.1～3mm，保护气体流量：5～40L/min，焊接速度：
2～20cm/min。
[0039] 二、不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置
[0040] 如图1所示，不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，包括工件夹持及旋转机构2、顶尖8、焊炬系统4、气室9、焊接电源10和励磁设备，所述励磁设备包括励磁线圈5和励磁电源3；励磁线圈5在气室9内，励磁线圈5可以有三种安装方式；
[0041] 励磁线圈5的三种安装方式如下：
[0042] 1)励磁线圈5在气室9内，位于被焊接工件接头1焊接部位的上方，励磁线圈5固定于焊炬系统4上；励磁线圈5与焊炬系统4相连且同轴；励磁线圈5产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场；
[0043] 在电磁搅拌励磁线圈5的端部设有与焊炬喷嘴相连的夹持
锁紧机构，其将励磁线圈5固定在焊炬系统4上，使励磁线圈5与焊接工件接头1有一定距离的自由调节度。实现不同焊接速度、间隙和大小合理的电磁控制脉冲焊接施加方式；
[0044] 或者，将电磁搅拌励磁线圈5直接与焊炬系统4集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴4的外壁与线圈的线
匝保持绝缘状态。
[0045] 2)励磁线圈5在气室9内，位于被焊接工件接头1焊接部位的下方，励磁线圈5固定于气室9的下底面；励磁线圈5与焊炬系统4同轴；电磁搅拌励磁线圈5产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场；
[0046] 3)两个励磁线圈5在气室9内，同时位于被焊接工件接头1焊接部位的上方和下方，励磁线圈5分别被固定于气室9的下底面和焊炬系统4上，产生与焊炬同轴的外加纵向电磁搅拌磁场。
[0047] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，励磁电源3为IGBT逆变式励磁电源，励磁电源3能够产生双向交变脉冲励磁电流、或直流励磁电流、或单向脉冲励磁电流、或交流励磁电流；励磁电流的脉冲持续时间、频率、强度和占空比可调节，励磁电源电流1～50A，励磁电源脉冲频率1～100Hz。
[0048] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，励磁线圈5还可带有导磁铁芯11；所述导磁铁芯11活动安装在励磁线圈5中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；所述导磁铁芯11端部的形状可设计为漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型，导磁铁芯11的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于焊缝；导磁铁芯11内建有水冷系统，使焊矩、导磁铁芯和励磁线圈均处于良好的工作状态。
[0049] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，焊炬系统4包括一体式的气室塞6、绝缘材料棒、喷嘴、导电嘴和钨极7，当励磁线圈5位于被焊接工件接头1焊接部位的上方时，直接与焊炬系统4集成为一体，通过绝缘材料使焊炬与励磁线圈5保持绝缘状态。
[0050] 不锈钢薄壁管环缝接头的焊接装置，惰性气体充满于气室9中，同时气室9的下部分装有改善惰性保护气体流态、形成层流态良好气体保护流态的气筛12，气室9的底部有排气孔。
[0051] 励磁线圈5由励磁电源3提供电源，励磁线圈5最常用的结构为轴对称圆柱线圈结构。焊接电源10采用能够产生多种
波形的数字逆变式或普通焊接电源。
[0052] 在焊接过程中，气室9内的充满惰性保护气体成分，顶尖8与焊接工件接头1一端紧密
接触，并与焊接工件接头1一起旋转。工件夹持及旋转机构2采用
气动自动夹紧及步进
电机带动旋转，并可自由调节夹紧力和转速。
[0053] 三、本发明不锈钢薄壁管环缝接头的焊接方法及装置的应用包括：
[0054] 用于两个薄壁管件14、15的薄壁管环焊缝接头的焊接，如图2；
[0055] 用于一个薄壁管件16与一个实心端塞17的薄壁管环焊缝接头的焊接，如图3；
[0056] 用于一个薄壁管件18与一个厚壁端头19的薄壁管环焊缝接头的焊接，如图4；
[0057] 用于以下材质的焊接：
[0058] 低
碳钢，
合金钢，特种钢，不锈钢或管线钢等其它黑色金属；
[0059] 镐及其合金接头，镁及其合金接头，铝及其合金接头或钛及其合金接头。
[0060] 本发明可改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性及裂纹的敏感性；减少了焊接缺陷，形成优质焊缝。
[0061] 采用外加纵向双向交变脉冲磁场控制的非熔化极脉冲惰性气体保护电弧新热源，利用该弧源所具有的高效、优质、与温度精确可控性的特性，实现多种材料的高效、低成本、高稳定性、无焊接缺陷和优质接头的焊接过程。
[0062] 四、具体实施例：
[0063] 实施例1：
[0064] 参见图3或图4，壁厚为0.4～0.8mm，外径为8～12mm的奥氏体不锈钢0Cr18Ni10Ti的薄壁管件与实心端塞或厚壁端头的环缝接头的焊接，清理焊接接头，去除氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；其焊接工艺参数是：脉冲峰值焊接电流：45～75A，脉冲基值焊接电流：5～12A，焊接脉冲频率：15～25Hz，氩气流量：8～121/min，钨极直径：1.2～2.4mm，励磁电流：2～10A，励磁频率：3～20Hz，焊接速度：2～10s/周。
[0065] 实施例2：
[0066] 参见图3，壁厚为0.6～0.9mm，外径为6～15mm的Zr-4镐合金的薄壁管件与实心端塞的环缝接头的焊接，清理焊接接头，去除氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；其焊接工艺参数是：脉冲峰值焊接电流：50～80A，脉冲基值焊接电流：8～20A，焊接脉冲频率：10～30Hz，氩气流量：12～20l/min，钨极直径：2.0～3.2mm，励磁电流：4～15A，励磁频率：5～20Hz，焊接速度：4～15s/周。
[0067] 实施例3：
[0068] 参见图2，壁厚为0.7～1.0mm，外径为6～10mm的镁合金AZ61的两个薄壁管件间的环缝接头的焊接，清理焊接接头，去除氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；其焊接工艺参数是：方波交流焊接电流：60～100A，氩气流量：8～20l/min，钨极直径：1.2～3.2mm，励磁电流：3～12A，励磁频率：4～16Hz，焊接速度：3～12s/周。
[0069] 实施例4：
[0070] 参见图2，壁厚为0.6～1.2mm，外径为10～15mm的
铝合金LF6的两个薄壁管件间的环缝接头的焊接，清理焊接接头，去除氧化物、飞尘、油污和其他杂质，保持接头干净与干燥；其焊接工艺参数是：交流脉冲峰值焊接电流：70～100A，脉冲基值焊接电流：40～50A，氩气流量：8～15l/min，钨极直径：1.0～3.2mm，励磁电流：3～18A，励磁频率：5～10Hz，焊接速度：2～18s/周。
[0071] 根据实际焊接对象和材料成分，综合考虑接头形式与焊接工艺参数的合理匹配，并对焊接工艺进行系统优化，保证获得高质量的薄壁环缝焊接接头。
