专利名称：用于电弧焊的气体组合物的制作方法
背景技术：
气体保护金属极电弧点焊(GMAW)通常用于在大批量生产环境、特别是采用自动化或机器人焊接设备的装配线中连接金属件。这种工艺的一个富有挑战性的用途是将比较薄的金属件焊接在一起，特别是铝或铝合金。一个关键问题是每个工件都能通过该液态金属获得足够的熔透度，而不发生过度熔透(over-penetration)或“烧透(bnrn-through)”。第二个关键问题是形成的焊缝可以跨越工件之间成直线排列的间隙或接缝(joint“fit-up”)的变化。由于高电压通常会导致跨越较大间隙的焊缝，而高电压又会反过来导致较为严重的烧透，因而上述问题相互关联。第三个问题是在解决这些问题的同时要保持或提高焊接速度以及焊缝的机械性能。第四个问题是提供一种能解决上述问题、适合于直流(DC)焊接和交流(AC)焊接的方法。
为解决这些相互关联的问题，已经进行了许多尝试。一种方法是利用替代的保护气组合物。根据定义，GMAW是采用某种气体来控制焊缝周围的气氛，隔绝能与液态金属反应的物质。例如，保护气可以为高纯氩气(99.997％纯度，＜5ppm水)。最近，在保护气组合物中添加少量其它物质，如氮气、氧气、一氧化二氮和二氧化碳与惰性气体混合。所述非惰性气体的用量为约200ppm-约1200ppm。这些尝试提高了直流GMAW的电弧稳定性，但仍未解决烧透问题，特别是关于接缝的变化问题。
解决该问题的另一尝试是采用交流电和采用能使电弧电流的变化最小化的方法。结果使得烧透最小化，但是没有解决承受接缝变化的问题。
解决这些问题的一种尝试涉及采用由惰性气体和其它反应气体组成的保护气，所述其它反应气体的用量是每百万份中占数百份(ppm)。
另一种技术采用交流电产生电弧，控制交流电来控制熔透深度。这种方法虽然可以减少烧透，但本领域的经验表明，采用这些系统的装配线必须以较低的速度运行。
另一种尝试采用少量氧气与约10％-约98％氦气混合，余量为氩气。但是，氦气和氩气对焊缝性能的影响有本质区别。例如，所得焊缝中的焊珠大小随氦气的浓度而变化。这会影响烧透、跨越不同接缝间隙的能力、从而影响在给定焊接质量下可获得的最大焊接速度。但该方法并未提及这些作为氦气浓度的函数的量之间的关系。而且，该方法仅教导了采用有限频率范围的交流电。因而并未提出对该问题的理解或解决方法。
因此，需要有一种能在较薄工件上焊接多种接缝间隙的高速焊接工艺，同时能使烧透最小化、并保持或提高焊缝的机械性能。
发明概述本发明公开了一种新颖的用于GMAW工艺的保护气组合物。见实施例中的实施例1、2和3。
本发明的一个实施方案是一种用于电孤焊接的保护气组合物，包括氧气(O2)约0.6-约1.9％，氦气约10％-约24％，其余基本上由氩气组成。另一实施方案是一种气体保护金属极电弧点焊的方法，包括采用所述组合物的步骤。
本发明的优点众多而显著。将两种惰性气体与一种极大量的反应气体混合，采用本发明的装配线可以以高速运行。本发明允许GMAW工艺承受接缝广泛范围的变化，同时避免发生烧透。本发明还允许运行速度高于现有工艺。进一步地，本发明适用于直流电和交流电工艺，可以更灵活地选择焊接设备、工件规格和操作条件。本发明为焊缝提供优良机械性能的同时，也解决了前述问题。所述组合物也可以采用较低纯度，即较廉价的气体。
发明详述通过下文对本发明的优选实施方案进行详细描述，前述内容及本发明的目的、特征和优点将更为明确。除非有特别说明，关于气体的所有百分比和份数都是以体积计。除非有特别说明，关于液体和固体的所有百分比和份数都是以重量计。
本发明主要涉及GMAW工艺。具体来说，本发明涉及在高产量装配线中，焊接薄工件特别是铝和铝合金时使用的保护气组合物。
电弧焊工艺要保持一个或多个工件与一个熔化电焊条之间的电弧。电弧将焊条转变成液态金属滴，随后该金属滴转移到工件上。液态金属凝固之前渗透该工件的金属，同时形成坚固的焊缝，但不过度渗透而导致烧透。
根据定义，GMAW工艺采用气体。所述气体也称为保护气，用于控制焊缝附近的气氛。该气体提供一层隔离周围环境的屏障，隔绝或控制能与该焊缝的液态金属发生反应的物质，如水或氧气。在焊接所采用的高温下，即使典型的非反应气体如氮气和二氧化碳，也会与该液态金属反应。因此，保护气的典型实例是惰性气体如氩气或氦气，或二者的混合物。
保护气的组成、和被焊接金属共同决定了所形成焊缝的许多特性。液滴大小、金属转移速度、焊缝的孔隙率等都受这些参数影响。但焊接工艺条件之间的关系、以及所得焊缝的性能并不能通过预期或从理论上充分获知。因此，新工艺条件的发展一般需要广泛的试验努力和实践经验。
所述组合物是在氩气载气中加入氦气和氧气。加入氦气需要弧柱具有更高的电压，即电弧的混合传导路径和液态金属从熔化电焊条转移至工件的路径。这导致焊缝上的焊珠较大，这意味着能成功焊接更大变化的接缝。加入氧气会提高焊接熔池的流动性，减小弧柱中的金属液滴尺寸。这使得金属的转移速度更高，工艺进行得更快。
实现上述结果的所述组合物中，氧气的含量惊人地高，原因有两点。首先，惰性保护气体的传统理论认为大量的反应气会导致其与液态金属反应，这是不可接受的。而且，使用反应气时其含量也较小，相对非反应气在1200ppm数量级，如氮气和二氧化碳，更具活性的物质的量更少，在200ppm数量级，如一氧化二氮。与相对非活性气体相比，本发明中氧气的用量提高了约4-约16倍；与反应气相比，本发明中氧气的用量提高了约25-约100倍。
在另一个实施方案中，氧气的量为约1％。在又一个实施方案中，氦气的量为约20％。或者，氧气的量为约1％、氦气的量为约20％。
在初步试验中，测试两种不同纯度的氩气载气，99.997％纯度(＜5ppm水)和99.995％纯度(＜10ppm水)，其结果基本一致。因此，本发明的另一实施方案是一种组合物，其中氩气组分的纯度至少约99.995％。
在本发明所述方法的一个实施方案中，使用直流电产生电弧。在另一个实施方案中，使用交流电产生电弧。另一个实施方案中，采用该方法焊接包括铝和铝合金的金属。铝合金包括如AA5052-H34和AA6063-T5，或4000、5000和6000系列的任何其它焊条。
实施例通过下述实施例解释本发明，但这些实施例在任何方面都并非限制性的。
在这些实施例中，采用下述条件。试验工件为3mm厚，400mm长，150mm宽。在两个相邻工件的3mm×400mm面之间的对接接头上进行焊接。两个面之间的距离构成了接缝间隙，经测量为约0-约2mm。测试了两种不同的铝合金AA5052-H34和AA6063-T5。采用下述数据表中的电流和电压参数，利用机器人焊接设备(SK6型，Motoman，Inc.，West Carrolton，OH)进行焊接。使用的熔化电焊条为0.045″(1.14mm)直径AA5183充填焊丝(Natweld/InweldIndianapolis IN制造；组成Mn-0.74％；Cr-0.07％；Zn-0.01％；Fe-0.13％；Cu-0.01％；Si-0.38％；Mg-5.09％；余量为A1。根据关于冶金特性的规格对所得的焊缝进行检测，包括宏观和微观结构分析、测定铝结构焊接标准(Aluminum Structural Welding Code)(#AISI/AWSDI.2-97 American Welding Society，Miami，FL出版)所述的显微硬度分布，在此引入其全部内容作为参考。所述气体组合物包括注明百分比的氦气和氧气，余量是纯度至少为99.995％的氩气(＜10ppm水)。
实施例1脉冲直流电GMAW试验速度结果
实施例2脉冲交流电GMAW试验速度结果
实施例3AC和DC GMAW试验的机械试验结果
虽然本发明特别说明和描述了其优选实施方案，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以在形式和细节上作出多种改变。
权利要求
1.一种用于电弧焊的保护气，包括a)约0.6-约1.9％的氧气；b)约10％-约24％的氦气；c)其余基本上由氩气组成。
2.如权利要求1所述的组合物，其中氦气的含量为约20％，氧气的含量为约1％。
3.如权利要求1所述的组合物，其中氩气的纯度至少为约99.995％。
4.一种气体保护金属极电弧点焊的方法，包括采用保护气的步骤，其中所述保护气包括a)约0.6-约1.9％的氧气；b)约10％-约24％的氦气；c)其余基本上由氩气组成。
5.如权利要求4所述的方法，其中氦气的含量为约20％，氧气的含量为约1％。
6.如权利要求4所述的方法，其中氩气的纯度至少为约99.995％。
7.如权利要求4所述的方法，其中焊接的金属是铝和铝合金中的一种。
8.如权利要求4所述的方法，进一步包括采用直流电或交流电产生电弧的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种组合物和采用保护气进行电弧焊的工艺。所述组合物包括约0.6－约1.9％的氧气，约10％－约24％的氦气，其余基本上由氩气组成。本发明可以用于高速自动焊接，在保持优良机械特性的同时，能显著提高焊接速度、接缝承受性和烧透最小化。
文档编号B23K35/38GK1758982SQ200480006236
公开日2006年4月12日 申请日期2004年3月4日 优先权日2003年3月7日
发明者W·德阿布罗伊马赛多, J·V·德奥利维拉科雷亚 申请人:普莱克斯技术有限公司