使用旋转电弧和Ar/He/O₂气体混合物对碳钢的MIG/MAG焊接的制作方法

专利名称：使用旋转电弧和Ar/He/O₂气体混合物对碳钢的MIG/MAG焊接的制作方法
技术领域：
本发明涉及三元混合气体作为保护气体在具有旋转电弧的电弧焊接工艺特别是熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊工艺(MIG/MAG焊接工艺)中的应用，其中三元混合气体由氩气、氦气和氧气组成，使用可消耗焊丝焊接碳钢部件特别是处于搭接类型构型的碳钢部件，尤其是啮合搭接接头。
背景技术：
尤其是在如下类型的压力容器的组成构件中可以看见处于搭接类型构型的金属部件接头(由术语“搭接接头”表示)热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备、LPG气瓶等。特别是，最广泛使用的接头是被认为具有啮合边缘的接头，通常称为啮合搭接接头。如图3所示，此种接头通常包括带有中空柱形端部的两个部件，两个部件的其中之一套在另一个上，使得在两个部件的圆形端部处两个部件其中之一的内表面与另一部件的外表面在若干毫米的范围上搭接。EN13445-4:2002标准精确限定了与这种搭接接头(特别是啮合搭接接头)的中性纤维对齐、表面对齐、圆形偏差、直度偏差、轮廓不规则以及局部变薄相关的制造公差。示意性地，如特别是在图3中示出的，此类接头(也就是说边缘彼此局部地搭接或覆盖的接头)上得到的焊缝必须具有较宽的轮廓以全部覆盖接头的外侧，并且具有足够的熔深以熔化上边缘的下肩部。此外，根据所使用的焊接工艺，在每个焊道之后，必须清除在先前焊道期间形成的焊渣，清洁表面并且去除表面缺陷以获得期望的焊接质量。文件EP-A-2078580提出了一种通过带有旋转电弧的MIG/MAG焊接工艺对啮合搭接接头的焊接，该焊接使用由如下的气体组成的混合气体8%至12%的氦气，2. 5%至3. 5%的氧气，以及剩余体积的氩气(按体积百分含量计算)。然而，这种工艺具有导致不充分的电弧收缩的缺陷——这将导致焊缝的熔深轮廓并不总是所期望的轮廓。在目标应用中，使用者将会寻求一种其中火花飞溅最少的(熔滴)过渡。然而，在文件EP-A-2078580中提出的混合气体使得有必要使用较高的电压，以100%地避免产生极短时间但强烈的短路现象。此外，文件EP-A-857534教导使用如下的用于焊接铁磁性钢材的混合气体10%至40%的氦气、1%至8%的氧气、以及剩余体积的氩气。有利地，在旋转电弧焊接的情况下，所推荐的氧气含量应该至少是5%，以获得有效的焊接。但是，在此情况下，接头都处于传统的构型，也就是说是直边对接接头/平头对接接头。该文件没有教导任何关于搭接接头的知识，也没有教导关于由此种接头获得的焊缝质量的知识。不过，搭接接头是很难焊接的，并且存在有特定的问题——因为如果焊接能量很高的话，会发生严重的熔融金属飞溅，这将损害生产质量，或者如果焊接部件的厚度小(即大概小于1_)，甚至可能熔穿焊接部件。此外，基于此类型接头生产的焊接点或焊缝必须不仅在熔深方面是高质量的以确保搭接部件的牢固附接，而且在焊道形态方面，特别是在焊料润湿性方面，是高质量的，以使得获得的焊道不太圆整或者相反地具有咬边。然而，从工业角度来看，获得好的焊道外观并不容易。

发明内容
由此，所面对的一个问题是提出一种改进的旋转电弧焊接方法，该旋转电弧焊接方法使得可以有效地焊接钢制的搭接接头以便获得如下的效果好的熔深；好的焊接质量，特别是优良的焊道形态，尤其是在润湿性方面；在焊接期间不产生飞溅或者飞溅尽可能地少；使用低的焊接能量，一般地焊接电压小于35V并且焊接电流小于300A。另一个相关的问题是此外提出一种特定的混合气体，该混合气体特别适合于这种焊接钢制的搭接接头(特别是啮合搭接接头)的工艺，这些接头适于以低能量水平焊接，也就是说焊接电压小于35V并且焊接电流小于300A。本发明的技术方案涉及由氩气、氦气和氧气形成的三元混合气体，其特征在于，所述三元混合气体包括19. 5%至20. 5%的氦气、2. 7%至3. 3%氧气以及剩余体积的氩气(按体积百分含量计)。根据情况，本发明的混合气体可包括一个或多个下列特征(按体积百分含量计)-所述混合气体包含19.8%至20. 2%的氦气。-所述混合气体包含2.8%至3. 2%的氧气。-所述混合气体包含2. 9%至3. 1%的氧气。-所述混合气体包含20%的氦气，3%的氧气以及剩余体积的氩气。-该混合气体预先分装在气体存储器中，特别是预先分装在气瓶中。-借助于用于以期望的体积比例混合氩气、氦气和氧气的气体混合器，就地生产该混合气体。此外，本发明还涉及一种用于对至少一个碳钢部件进行电弧焊的工艺，所述工艺使用可消耗填充焊丝和保护气体，其特征在于，所述保护气体由根据本发明的三元混合气体形成。根据情况，本发明的焊接工艺可包括一个或多个下列特征-所述焊接工艺是熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊类型(MIG/MAG类型)。-所述可消耗填充焊丝被所述电弧熔化，以通过旋转液体脉路(veineliquidtournante)来获得金属熔滴过渡。-被焊接的一个或多个部件彼此搭接或覆盖，所述旋转电弧焊接发生在搭接处或
覆盖处。-被焊接的部件处于啮合类的构型，优选地，所述被焊接的部件是热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备或者气瓶类型的压力容器的组成构件。-被焊接的部件包含彼此搭接的柱形端部。
-使用29.5V和35V之间的优选地小于34V的电弧电压。-焊接具有小于或等于3mm的优选地小于或等于2mm的厚度的一个或多个部件。-所述焊丝具有O.8mm至1_的直径。-电弧是旋转电弧或者液态金属的脉路是旋转的，也就是说由转动运动(转动机构)驱动。-由液态金属(即熔融金属)的脉路来进行金属熔滴过渡。该液态金属的脉路通过在电弧中熔化可消耗填充焊丝来形成。-被焊接的部件由碳钢制成。术语“碳钢”是指铁碳合金，其中按重量计算碳含量小于2%。这种合金可包括Mn、Cr、Si、Mo、Ti、Ni和Nb类型的其他元素。在金属的化学分析中可出现杂质诸如S、P、O、N、H。-焊接电压小于36V，典型地，大致处于29.5V和35V之间。-焊接强度处于245A和300A之间。-焊丝是NERTALIC70S 型号。-送丝速率(V焊丝)是至多30m/min，典型地位于16m/min和20m/min之间。-焊接速度是至多5m/min，典型地位于O.8m/min和2m/min之间。


在参考附图给出的描述中对本发明进行更详细地说明，在附图中-图I示意性地示出过渡类型对焊道形态的影响；-图2示意性地示出旋转的液体脉路；以及-图3示意性地示出啮合搭接接头。
具体实施例方式一般地，在MIG-MAG电弧焊接中，存在三个主要的或传统的熔滴过渡状态，即-短路过渡。针对低电弧能量(典型地，电流从50A至200A，电压从15V至20V)，获得此种熔滴过渡状态。在填充焊丝的端部形成熔融金属滴，并且该熔融金属滴渐渐地变大直到与熔融金属池接触一该接触导致短路。电流然后快速增加，使得熔滴出现缩颈现象——这将促使熔滴脱离，然后再次点燃电弧。这种现象以大约50Hz至200Hz的频率重复。这种状态被认为是“冷的”并且具有短的电弧。这种熔滴过渡状态适用于小厚度(也就是小于3_的厚度)的焊接，并且使得能够在定位焊接期间控制熔池。-轴向喷射。对于高焊接能量(也就是说，针对280A电流至少为28V的电压和高于特定的电流密度(根据焊丝和保护气体的特性，典型地高于250A/mm2))，填充焊丝的端部呈细长锥形形状。熔融金属从焊丝到焊接熔池的过渡以细小的熔融金属熔滴的形式发生，熔滴的直径比焊丝的直径小，并且熔滴在焊丝的轴向上以高速喷射。电弧是4mm至6mm长。这种金属过渡提供了稳定的电弧以及不产生飞溅。这种熔滴过渡状态允许大的熔深，即至少5mm，同时也允许大量的堆焊金属/沉积金属，也就是说至少15m/min的送丝速率。这种熔滴过渡状态适宜于焊接厚度为5_及以上的数量级的部件。但是，熔池的体积和流动性意味着这种熔滴过渡类型主要用于平焊/俯焊。-粒状熔滴过渡状态。对于位于提供短路熔滴过渡状态的能量和提供轴向喷射熔滴过渡状态的能量之间的焊接能量(即典型地处于电流200A、电压22V和电流280A、电压28V之间的焊接能量)，在填充焊丝的端部形成的金属熔滴具有慢速的增长过程。因为电流强度不足以产生促使熔滴脱离的缩颈效应，所以熔滴变大，也就是说熔滴具有比所述焊丝的直径大的尺寸。该过渡或者通过在熔滴接触熔池时产生的短路来进行，或者通过在重力的作用下使熔滴脱离来进行。然后，熔滴遵循一并不总是在电弧的轴向上的轨迹行进。这种过渡模式不稳定，使得可以仅获得小的焊接熔深并且产生大量金属熔滴飞溅。有必要在这三种主要熔滴过渡状态基础上加入三种需要非传统焊接参数的熔滴过渡状态，也就是-强制短弧熔滴过渡状态。短路熔滴过渡模式并未使得能够在高电流下进行焊接，而焊接强度的增加将导致粒状熔滴过渡形态，该粒状熔滴过渡形态将产生相当多的粘着飞溅和同样相当长的修整时间。强制短路或强制短弧熔滴过渡使得可使用一般位于粒状熔滴过渡范围内的电弧能量来维持短路熔滴过渡状态。该强制短弧熔滴过渡状态使得可以增加焊接速度并且仅产生细小的飞溅，从而限制修整时间。利用晶体管化的焊接机器获得强制短路，该晶体管化的焊接机器的波形使得可以维持有规律的短路。-脉冲熔滴过渡状态。最初，研发脉冲熔滴过渡模式是为了克服粒状熔滴过渡形态的缺陷——粒状熔滴过渡由于其不稳定的过渡模式和飞溅特性并不能使得能够在可接受的焊接条件下提高生产率。在脉冲熔滴过渡状态中，利用脉冲电流来执行焊接——通过选择脉冲参数使得在每一次脉冲产生一个熔滴的情况下，对于各个脉冲而言都存在一次轴向喷射类型的过渡。这里的这种熔滴过渡状态是强制的，也就是说，通过仔细地选择喷射参数可以强加电流的形式，使得结果是确凿的。典型地，根据送丝速率，脉冲频率范围在50Hz至300Hz之间。这种熔滴过渡状态需要发生器、例如晶体管式发生器，对于该发生器而言能够根据时间来强加上述电流形式。-通过旋转液体脉路(或者RLV)实现的熔滴过渡。在很高的焊接能量(也就是说电流450A、电压大致40V)下，轴向喷射熔滴过渡受到大电磁力的影响。在这些力的作用下,正被过渡的液态金属开始旋转，形成旋转液体脉路。为了获得高的生产率，在如下数量级的强度下出现这种熔滴过渡状态500A电流、45V至50V电压。圆整的熔深形状对于槽填充而言是有利的，并且使得能够获得好的密实度。但是，一般地，熔滴过渡状态取决于送丝速率和电压。如果送丝速率足够大，通过增加电压，熔滴过渡从不稳定转变到轴向喷射，然后转变为旋转液体脉路。焊道形状因而由所施加的熔滴过渡状态来获得。在图I中示出了使用上述的多种熔滴过渡模式所获得的焊道的形态。从图I中可以看出，每种熔滴过渡模式导致一种特定的焊道形状。因此-由带有大的粘着飞溅的透镜状熔深来表示粒状熔滴过渡状态。-不稳定的熔滴过渡形态的特征在于具有弯曲的、未润湿的焊道，对于低焊丝速率具有略微尖的熔深形状。这种尖的形状随着焊丝速率的增加变得更加明显。-由于脉冲的波形提供很大范围内的调整，所以脉冲熔滴过渡状态使得可以具有多种类型的焊道形态。在高的焊丝速率下，被迫大幅度地增加电流脉冲的频率以及峰值强度，使得这种熔滴过渡状态的行为与喷射熔滴过渡非常相近。这种熔滴过渡在焊道处由与平稳的电流喷射熔滴过渡提供的形状特别相近的几何形状体现。-轴向喷射熔滴过渡状态导致顶针形状的熔深，当焊丝速率高时，这种形状甚至更明显。润湿性良好。-旋转液体脉路或者RLV熔滴过渡状态形成盘状平底焊道熔深。在本发明的上下文中，所选择的过渡模式是旋转液体脉路或RLV熔滴过渡模式。但是，传统意义上，在RLV熔滴过渡模式下，对于非常高的焊接能量(也就是说450A电流、至少40V电压)，在存在的电磁力的影响下观察到具有旋转运动的液体脉路的形成。
该RLV熔滴过渡模式因此一般地需要使用很高的电压-电流组合，也就是，由一个(或多个)发电机提供的大于40V的电压和大于450A的电流(考虑到通常发电机并不能输送大于400A的电流，所述一个或多个发电机的功率包络线应覆盖所述能量范围)，并且根据所使用的填充焊丝的直径，该RLV熔滴过渡模式需要20m/min至40m/min之间的送丝速率，该焊丝另外必须总是具有至少25mm的自由端部。为了实现这个目的，通常利用双倍速送丝器，即具有可以达到50m/min的速率，这使得可以在第一种状态下，在传统的送丝速率下确保启动和关闭阶段的平稳运行，并且在第二种状态下，允许转变到需要高送丝速率的高沉积速率状态。此外，必须用水循环来特别充分冷却分配焊丝的焊嘴和气体屏蔽装置。最后，在RLV熔滴过渡模式下，在MIG/MAG焊接过程中采用的保护气体特别地重要，因为其决定了更好或更坏质量的焊道的获得。因此，文件EP-A-2078580提出了一种优选的氦气/氩气/氧气的混合气体，该混合气体包括9%至11%的氦气、2. 7%至3. 3%的氧气、以及剩下体积的氩气。然而，在实践中，这种三元混合气体被证明并不是理想气体，因为低含量的氦气力争形成足以增加电流密度并因此增加电磁力幅度的电弧收缩。此外，利用快速采样的示波器记录的观察显示，在图I的旋转液体脉路的底部存在微小的短路。事实上这些是如下的操作点电压不够高到阻止液体脉路与焊接熔池形成物理接触，并且因此造成电弧熄灭，接着是伴随有飞溅的电弧再燃。鉴于此，本发明的发明人探求更好地了解包含在用作保护气体的混合气体组分中的不同气体的优点和影响，以试图利用由旋转液体脉路但是在低能量水平的情况下(也就是说电流小于320A和电压小于32V)完成的熔滴过渡来改进用于钢部件的MIG/MAG焊接的工艺。发明人对于氦气、氧气同时也对于氩气特别感兴趣，并且进行了如下的对比试验。事实上,在这种混合气体中，因为氦气的较大的热传导性而使用氦气。事实上,在焊丝和待焊接的部件之间的沿轴线的任意位置处，由电源提供的电能的大部分包含在等离子体(假定保护气体的一部分被离子化以形成电弧)的焓中，也就是iv ^ P AhAvAA其中-I是焊接电流，-V是电极和沿着焊丝的轴线向待焊接的部件突出的突出部之间的电势差，- P A是等离子体的平均密度，-vA是等离子体的平均速率，以及-A是电弧的表面面积。
能量流密度由P AhAvA表示，因此等离子体的一个必要的材料特性是乘积P h和P cp,因为 cp=dh/dT。根据上述的等式，对于相同的I和V的值而言，值Cp的增加以及因此焓h的增加导致电弧的表面面积A的减小，因此造成收缩的电弧。第二个影响是电弧的减小的表面面积造成较高的电流密度，并且因此形成较大的磁力。也可以注意到，较大的速率vA使得值A较小，因此造成收缩的电弧。这种效应称为热“缩颈”效应。此外，使用氧气是因为氧气对电弧的稳定作用，以及氧气的表面活性方面该表面活性方面使得可以在可消耗焊丝的端部获得具有较大的流动性并且通过磁力更加容易移动的液体脉路。最后，氩气的作用是其自身促使电弧的点燃，因为氩气容易电离。最后，所针对的目的是顺利地在搭接的特别是啮合构型的钢部件的MIG/MAG焊接期间以低能量水平获得与图2所示意的熔滴过渡等同或类似的RLV熔滴过渡。为了实现该目的，进行如下的试验>不同的气体组分，特别是三元Ar/He/02混合气体包括-10%至40%的氦气，以及3%的恒定含量的氧气，以及剩下体积的氩气。-或者，2%至6%的氧气，10%的恒定含量的氦气，以及剩下体积的氩气。-或者其他的对比的混合气体，具有20%的氦气。>不同的送丝速率，以及>不同的电参数，特别是不同的电压。对于各个焊道而言，进行快速摄像，同时对焊接电参数以及宏观照片进行记录，以能够观察到在旋转液体脉路区域(图I)的底部熔滴过渡和微小的短路出现的发生方式。这些是如下的操作点电压不够高到阻止液体脉路与焊接熔池形成物理接触，并且因此造成电弧熄灭，接着是伴随有飞溅的电弧再燃。事实上，为了能够防止或减少飞溅并因此提高焊接质量，能够避免液体脉路与焊接熔池形成物理接触是最为重要的。在表I中列出了在试验中所使用的焊接参数。表I :焊接参数
权利要求
1.一种三元混合气体，由氩气、氦气和氧气形成，其特征在于，按体积百分含量计算，所述三元混合气体由19. 5%至20. 5%的氦气、2. 7%至3. 3%的氧气以及剩余体积的氩气组成。
2.如前述权利要求所述的混合气体，其特征在于，所述混合气体包括19.8%至20. 2%的氦气。
3.如前述权利要求之一所述的混合气体，其特征在于，所述混合气体包括2.8%至3. 2%的氧气。
4.如前述权利要求之一所述的混合气体，其特征在于，所述混合气体包括2.9%至3. 1%的氧气。
5.如前述权利要求之一所述的混合气体，其特征在于，所述混合气体包括20%的氦气、3%的氧气以及剩余体积的氩气。
6.一种用于对至少一个碳钢部件进行电弧焊接的方法，所述方法使用可消耗填充焊丝和保护气体，其特征在于，所述保护气体由权利要求I至5之一所述的三元混合气体形成。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法是MIG/MAG类型。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述电弧是旋转电弧。
9.如权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，所述可消耗填充焊丝由所述电弧熔化，以便由旋转液体脉路获得金属熔滴过渡。
10.如权利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，被焊接的部件彼此搭接或覆盖，所述旋转电弧焊接发生在搭接处或覆盖处。
11.如权利要求6至10之一所述的方法，其特征在于，被焊接的部件处于啮合类构型，优选地，所述被焊接的部件是热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备或者气瓶类型的压力容器的组成构件。
12.如权利要求6至11之一所述的方法，其特征在于，被焊接的部件包含彼此搭接的柱形端部。
13.如权利要求6至12之一所述的方法，其特征在于，使用29.5V和35V之间的优选地小于34V的电弧电压。
14.如权利要求6至13之一所述的方法,其特征在于，焊接具有小于或等于3_的优选地小于或等于2mm的厚度的一个或多个部件。
15.如权利要求6至14之一所述的方法,其特征在于，所述焊丝具有0.8mm至Imm的直径。
全文摘要
本发明涉及一种由氩气、氦气和氧气形成的三元混合气体，其特征在于，所述三元混合气体由19.5%至20.5%之间的氦气、2.7%至3.3%之间氧气以及剩余体积的氩气(按体积百分含量计)形成，并且本发明还涉及所述三元混合气体在使用可消耗填充焊丝对至少一个碳钢部件进行电弧焊的方法中作为保护气体的用途，优选地，被焊接的部件彼此搭接或覆盖，所述旋转电弧焊接发生在所述部件搭接或覆盖的地方。
文档编号B23K35/38GK102985208SQ201180033678
公开日2013年3月20日 申请日期2011年7月4日 优先权日2010年7月7日
发明者L·比斯库普, G·布戴, J-P·普朗卡尔特, M·塞兹 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司