CN104827168B - 大面积金属壁面现场修补堆焊方法 - Google Patents

大面积金属壁面现场修补堆焊方法 Download PDF

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Abstract

一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，在堆焊装置中的焊枪上安装同步移动机构，堆焊过程中，同步移动机构上的石墨滑块始终处于熔池的后方，并被同步移动机构上的弹性压紧机构压紧在堆焊层上，随焊枪一起移动，焊接电流从焊枪焊丝经过电弧进入工件，然后从石墨滑块返回焊机电源负极。堆焊装置包括焊枪、焊机电源及同步移动机构。同步移动机构包括弹性压紧机构及绝缘连接板。弹性压紧机构包括外壳、推板、弹簧、端盖、石墨滑块及凹盘，堆焊时由弹簧对石墨滑块产生压紧力。本发明利用石墨滑块实现焊机地线与工件的移动式连接，增强熔池中的后向电流分布，结合外加横向或纵向磁场，解决了金属壁面现场修补堆焊的重力致熔池失稳问题和组织调控问题。

Description

大面积金属壁面现场修补堆焊方法
技术领域
本发明涉及焊接技术，特别涉及大面积金属壁面现场修补堆焊方法及堆焊装置。
背景技术
大面积金属壁面常见于工厂和大型机械设备中，例如：核电设备和船体。随着服役年龄增长，这些金属壁面可能会产生环境腐蚀、疲劳裂纹或外力损伤等问题。此时，利用熔化极电弧等方式进行现场修复成为必要。
目前大面积金属壁面的现场修复焊接面临的难题有：1、焊机地线与金属壁面的连接问题：大多数金属壁面呈竖直状态，且表面光整，需要特制装置将焊机地线压在墙面上；2、属于全位置焊接工况，焊接熔池易在重力作用下向下流淌，导致堆积成形失败；3、没有适用于该工况的焊缝或堆焊层组织控制的方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处，而提供一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法及堆焊装置，以解决目前大面积金属壁面的现场修复焊接过程中熔池易在重力作用下向下流淌导致堆积成形失败及焊机地线不能方便的压紧在墙面上的问题。
本发明的技术方案是：一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，在堆焊装置中的焊枪上安装同步移动机构，堆焊过程中，同步移动机构上的石墨滑块始终处于熔池的后方，并被同步移动机构上的弹性压紧机构压紧在堆焊层上，随焊枪一起移动，焊接电流从焊枪焊丝经过电弧进入工件，然后从石墨滑块返回焊机电源负极；
具体堆焊步骤如下：
S01，对堆焊工件的焊接平面进行简单的机械抛光，并清除铁锈、水份和油污；
S02，焊枪向待堆焊的工件靠近，当焊枪的焊嘴与焊接平面距离≤12mm时，石墨滑块被弹性压紧机构压紧在焊接平面上并位于焊枪的后方；
S03，操控焊枪按照预设轨迹在焊接平面上堆焊，石墨滑块随着焊枪同步移动并被压紧在堆焊层上。
所述堆焊装置包括焊枪、焊机电源及同步移动机构。
所述同步移动机构包括弹性压紧机构及绝缘连接板。
绝缘连接板一端设有条形槽，另一端设有与焊枪固接的安装孔。
所述的弹性压紧机构包括外壳、推板、弹簧、带螺杆的端盖、石墨滑块及凹盘。外壳上端设有螺纹口，推板安装在外壳内，其下端从外壳底部穿出并与凹盘螺纹连接，石墨滑块通过螺钉安装在凹盘下端，带螺杆的端盖与外壳上端开口处螺纹连接，弹簧安装在外壳中并位于带螺杆的端盖与推板之间。
弹性压紧机构通过螺母固定在绝缘连接板上。
工作时，焊机电源正极与焊枪电连接，负极与石墨滑块电连接。
本发明进一步的技术方案是:在焊枪上安装纵向磁场线圈，纵向磁场线圈与纵向磁场交流电源连接，交流电源的频率7～15Hz。
纵向磁场线圈在熔池区域产生纵向磁场，纵向磁场对熔池形成旋转电磁搅拌，搅拌流冲击结晶前沿，熔断枝晶，细化晶粒。
本发明再进一步的技术方案是:在同步移动机构的连接板上安装有横向磁场发生装置，横向磁场发生装置的线圈与直流电源连接，在熔池区域产生恒定横向磁场。
磁场强度在100～200高斯之间，方向指向焊接行进方向右侧的横向磁场会促进熔体后向输运，提高熔池对熔滴的接纳能力，从而大幅度减少焊接飞溅。
采用横向磁场发生装置辅助竖直金属壁面堆焊时，外加磁场对熔池的电磁力中存在与重力方向相反的分量，能抑制因重力导致的熔池失稳问题，从而获得良好的堆焊层堆积形貌。
所述横向磁场发生装置包括直流电源、第一铁芯、第二铁芯、横向磁场线圈及带螺杆的线圈套筒。线圈套筒套装在横向磁场线圈外圈，第一铁芯穿过横向磁场线圈，第二铁芯通过螺母安装在第一铁芯上，直流电源与横向磁场线圈连接，第一铁芯及第二铁芯的末端端面与焊接平面所成夹角a为40～45度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用石墨滑块辅助堆焊，堆焊过程中，石墨滑块始终处于熔池的后方，并被弹性压紧机构压紧在堆焊层上，随焊枪一起移动，它作为焊接电流返回焊机的唯一通路，构成了焊机地线与工件的移动式连接。
2、石墨质地柔软，该特性可保证石墨滑块被压紧在堆焊层上时，其与工件之间能形成较大的接触面积，有效避免因接触面积过小、焊接电流过大而烧损。再就是石墨具有良好的耐高温性、润滑性和导电性，可保证石墨滑块不易烧损并能顺畅滑动。且石墨烧损后不与金属粘接，进一步保证了焊接过程的稳定性。
3、石墨滑块是焊接电流必经通路，则焊接电流会更多地从熔池中通过，向后流向石墨滑块，从而熔池中形成较强的后向电流分布，这有利于外加磁场对熔池流动施加电磁力影响以获得良好的微观组织和堆焊层形貌。
4、采用纵向磁场发生装置辅助堆焊，可在熔池区域产生纵向磁场。纵向磁场对熔池形成旋转电磁搅拌，搅拌流冲击结晶前沿，熔断枝晶，细化晶粒。石墨滑块增强了熔池中的后向电流分布，再结合外加纵向磁场可对熔池形成较强的搅拌作用，所得堆焊层晶粒组织细化程度更好。
5、采用横向磁场发生装置辅助堆焊，可在熔池区域产生横向磁场。磁场强度在100～200高斯之间，方向指向焊接行进方向右侧的横向磁场会促进熔体后向输运，提高熔池对熔滴的接纳能力，从而大幅度减少焊接飞溅。
6、石墨滑块增强了熔池中的后向电流分布，采用横向磁场发生装置辅助竖直金属壁面堆焊时，外加磁场对熔池的电磁力中存在与重力方向相反的分量，能抑制因重力导致的熔池失稳问题，从而获得良好的堆焊层堆积形貌。
7、横向磁场发生装置中第一铁芯和第二铁芯的两臂端部均向与其相对的另一臂的方向弯折，两臂间的距离缩短，且两臂端部的端面与焊接平面所成夹角a为40～45度。更好的保证了熔池中磁场方向沿横向，在同等电源参数下，该结构可使熔池中磁场强度更大。
8、本发明所提供的大面积金属壁面现场修补堆焊装置和堆焊方法，有效地解决了大面积金属墙修复焊的熔池失稳问题，提高了焊接效率，且具有细化焊缝组织、提高焊缝力学性能的优点。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
附图1用于说明本发明的实施例1；
附图2为本发明中同步移动机构的结构示意图；
附图3用于说明本发明的实施例2；
附图4用于说明本发明的实施例3；
附图5为实施例3、4中横向磁场发生装置的结构示意图；
附图6为附图5的A-A剖视图；
附图7用于说明本发明的实施例4；
附图8用于说明现有竖直金属壁面的修补堆焊中常见的堆焊层截面形貌；
附图9用于说明采用横向磁场发生装置辅助竖直金属壁面堆焊时所得的堆焊层截面形貌。
具体实施方式
以下实施例均采用熔化极电弧焊堆焊方式，工件和焊丝均为不锈钢材料，丝径1.2mm，送丝速度3.8m/min，弧压22V，焊接电流150A，焊接速度400mm/min，氩气保护，单层堆积厚度约1.6mm。为避免堆焊层气孔、夹渣等缺陷，堆焊前需要利用机械法或化学清洗法去除油漆、氧化皮、油迹、铁锈等表面污染。堆焊后，采用光学金相显微镜观察堆积层微观组织。
实施例一：
如图1、2所示，一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，在堆焊装置中的焊枪1上安装同步移动机构3，堆焊过程中，同步移动机构3上的石墨滑块3-6始终处于熔池的后方，并被同步移动机构上的弹性压紧机构压紧在堆焊层上，随焊枪1一起移动，焊接电流从焊枪焊丝经过电弧进入工件，然后从石墨滑块3-6返回焊机电源2负极；
具体堆焊步骤如下：
S01，对堆焊工件的焊接平面进行简单的机械抛光，并清除铁锈、水份和油污；
S02，焊枪1向待堆焊的工件4靠近，当焊枪1的焊嘴与焊接平面距离≤12mm时，石墨滑块3-6被弹性压紧机构压紧在焊接平面上并位于焊枪后方；
S03，操控焊枪1按照预设轨迹在焊接平面上堆焊，石墨滑块3-6随着焊枪1同步移动并被压紧在堆焊层上。
所述堆焊装置包括焊枪1、焊机电源2及同步移动机构3；
所述同步移动机构3包括弹性压紧机构及绝缘连接板3-5。
绝缘连接板3-5一端设有条形槽3-5-1，另一端设有与焊枪1固接的安装孔3-5-2。
所述的弹性压紧机构包括外壳3-1、推板3-2、弹簧3-3、带螺杆的端盖3-4、石墨滑块3-6及凹盘3-7。外壳3-1上端设有螺纹口，推板3-2安装在外壳3-1内，其下端从外壳3-1底部穿出并与凹盘3-7螺纹连接，石墨滑块3-6通过螺钉安装在凹盘3-7下端，带螺杆的端盖3-4与外壳3-1上端开口处螺纹连接，弹簧3-3安装在外壳3-1中并位于带螺杆的端盖3-4与推板3-2之间。
弹性压紧机构通过螺母固定在绝缘连接板3-5上。
工作时，焊机电源2正极与焊枪1电连接，负极与石墨滑块3-6电连接。
实施例二：
如图3所示，本实施例与实施例1相比区别仅在于，在焊枪1上安装纵向磁场线圈5，纵向磁场线圈5与纵向磁场交流电源6连接，交流电源的频率7～15Hz。纵向磁场线圈5在熔池区域产生纵向磁场，纵向磁场对熔池形成旋转电磁搅拌，搅拌流冲击结晶前沿，熔断枝晶，细化晶粒。
实施例三：
如图4～6所示，本实施例与实施例1相比区别仅在于，在同步移动机构3的连接板3-5上安装有横向磁场发生装置，横向磁场发生装置的线圈8-2与直流电源7连接，使堆焊过程中产生方向指向焊接行进方向右侧的恒定横向磁场，横向磁场强度在100～200高斯之间。横向磁场促进了熔体后向输运，提高了熔池对熔滴的接纳能力，使得电弧向与焊枪移动方向相反的方向偏转，所得堆焊层组织有一定程度细化，且焊接过程中飞溅大幅度减少。
所述横向磁场发生装置包括直流电源7、第一铁芯8-1、第二铁芯8-4、横向磁场线圈8-2及带螺杆的线圈套筒8-3。线圈套筒8-3套装在横向磁场线圈8-2外圈，第一铁芯8-1穿过横向磁场线圈8-2，第二铁芯8-4通过螺母安装在第一铁芯8-1上，直流电源7与横向磁场线圈8-2连接，第一铁芯8-1及第二铁芯8-4的末端端面与焊接平面所成夹角a为40～45度。
实施例四：
如图7所示，本实施例的结构与实施例3相同，区别仅在于将实施例3中的装置应用于竖直金属壁面的修复。竖直壁面的修复常见于大型设备和设施的现场修复中，其堆焊过程一般采用横焊或立焊形式，堆焊熔池常在重力作用下向下流淌，导致堆积成形失败,堆焊层形貌如图8中4-1所示。采用横向磁场发生装置辅助竖直金属壁面堆焊时，外加磁场对熔池的电磁力中存在与重力方向相反的分量，能抑制因重力导致的熔池失稳问题，堆焊层形貌如图9中4-2所示。对比图8、9可以看出，本实施例所得工件4的堆焊层4-2具有更好的截面形貌。

Claims (4)

1.一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，其特征是，在堆焊装置中的焊枪上安装同步移动机构，堆焊过程中，同步移动机构上的石墨滑块始终处于熔池的后方，并被同步移动机构上的弹性压紧机构压紧在堆焊层上，随焊枪一起移动，焊接电流从焊枪焊丝经过电弧进入工件，然后从石墨滑块返回焊机电源负极；
具体堆焊步骤如下：
S01，对堆焊工件的焊接平面进行简单的机械抛光，并清除铁锈、水份和油污；
S02，焊枪向待堆焊的工件靠近，当焊枪的焊嘴与焊接平面距离≤12mm时，石墨滑块被弹性压紧机构压紧在焊接平面上并位于焊枪后方；
S03，操控焊枪按照预设轨迹在焊接平面上堆焊，石墨滑块随着焊枪同步移动并被压紧在堆焊层上。
2.如权利要求1所述的一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，其特征是：所述堆焊装置包括焊枪、焊机电源及同步移动机构；
所述同步移动机构包括弹性压紧机构及绝缘连接板；
绝缘连接板一端设有条形槽，另一端设有与焊枪固接的安装孔；
所述的弹性压紧机构包括外壳、推板、弹簧、带螺杆的端盖、石墨滑块及凹盘；外壳上端设有螺纹口，推板安装在外壳内，其下端从外壳底部穿出并与凹盘螺纹连接，石墨滑块通过螺钉安装在凹盘下端，带螺杆的端盖与外壳上端开口处螺纹连接，弹簧安装在外壳中并位于带螺杆的端盖与推板之间；
弹性压紧机构通过螺母固定在绝缘连接板上。
3.如权利要求1或2所述的一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，其特征是：在焊枪上安装纵向磁场线圈，纵向磁场线圈与纵向磁场交流电源连接，交流电源的频率7～15Hz；
纵向磁场线圈在熔池区域产生纵向磁场，纵向磁场对熔池形成旋转电磁搅拌，搅拌流冲击结晶前沿，熔断枝晶，细化晶粒。
4.如权利要求1或2所述的一种大面积金属壁面现场修补堆焊方法，其特征是：在同步移动机构的连接板上安装有横向磁场发生装置，横向磁场发生装置的线圈与直流电源连接，在熔池区域产生恒定横向磁场；
磁场强度在100～200高斯之间，方向指向焊接行进方向右侧的横向磁场会促进熔体后向输运，提高熔池对熔滴的接纳能力，从而大幅度减少焊接飞溅；
采用横向磁场发生装置辅助竖直金属壁面堆焊时，外加磁场对熔池的电磁力中存在与重力方向相反的分量，能抑制因重力导致的熔池失稳问题，从而获得良好的堆焊层堆积形貌；
所述横向磁场发生装置包括直流电源、第一铁芯、第二铁芯、横向磁场线圈及带螺杆的线圈套筒；线圈套筒套装在横向磁场线圈外圈，第一铁芯穿过横向磁场线圈，第二铁芯通过螺母安装在第一铁芯上，直流电源与横向磁场线圈连接，第一铁芯及第二铁芯的末端端面与焊接平面所成夹角a为40～45度。
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