中心气流含氩气和氢气,外层气流含氩气和二氧化碳/氧气的双气流弧焊方法

摘要

本发明涉及使用装备有电极的电弧焊炬来进行电弧焊接方法，其中提供中心气流以与电极接触，在所述第一气流的外围提供环状气流。中心气流只包括氩气和氢气(H

说明书

技术领域

本发明涉及使用弧焊炬来进行电弧焊的方法，该弧焊炬具有电极和双气流，该双气流具有使得能够防止或者至少使“驼峰(humping)”现象减至最少的组成。

背景技术

B.J.Bradstreet的《表面张力和金属流对焊缝成形的影响》(“Effect of surfacetension and metal flow on weld bead formation”，Welding Journal，1968第47卷第7期第314-322页)一文中提及了在熔化极惰性气体保护焊(MIG welding)中称为“驼峰”的现象，而U.Gratzke等人的《焊接工艺中驼峰现象的理论方法》(“Theoretical approach to the humping phenomenon in welding processes”，J.Phys.D.Appl.Phys.，1992，第25卷，第1640-1647页)一文中论证了在钨极惰性气体保护焊(TIG welding)、埋弧焊接、激光焊接以及电子束焊接中这种现象的存在。

具有“驼峰”的焊缝初看起来似乎具有无规则的形态。但是，详细的观察却表明具有两种类型的形态，即：

-表面切割区形态(GRM)，

-以及殊状柱体形态(BCM)。

存在同时具有这两种形态的特征的焊缝，尽管这是极罕见的。

存在有试图解释驼峰的出现的四种理论。在这些理论中，某些是具体地针对一种形态的缺陷进行解释。因此，涡流模型和电弧效应是以GRM类型的形态为对象，毛细不稳定性模型是以BCM类型的形态为对象，“Marangoni”方法未限定所应用的形态。

更具体地，K.C.Mills等人的《影响可变焊缝熔深的因素》(Factors affectingvariable weld penetration)(“International Materials Reviews”，1990，第45卷第4期第185-216页)一文中描述的Marangoni模型，其中评论了影响焊缝熔深的因素，指出“驼峰”和咬边可能是由于在焊池中形成的Marangoni力。

而且，M.L.Lin等人的《电弧压力对焊缝熔池几何形状的影响》(“Influenceor arc pressure on weld pool geometry”，Welding Journal，1985，第64卷第6期第163-169页)中描述的涡流模型是基于涡弧模型，目的在于解释在高电流TIG焊接过程中观察到的熔深的增加。

根据毛细不稳定性模型，“驼峰”现象是基于Lord Rayleigh的小直径柱体状自由液体的毛细作用不稳定性理论，当该小直径柱体状的自由液体悬浮在真空中时，其是不稳定的并且分成多个小液滴。

最后，根据电弧影响模型，在MIG或TIG类型的弧焊装置的正常操作过程中，在电弧与熔池之间存在有压力平衡。在高电流时，等离子体的曳力足够大以至使电弧后方熔融金属的绝大部分移位。P.F.Mendez等人的《高电流电弧焊中熔深和缺陷成形》(“Penetration and defect formation in high current arcwelding”，Welding Journal，2003，第82卷第10期第296-306页)中记载的力平衡形成转移线——其标志从表面切割区到后缘区的转变。

为了在TIG焊接中，尤其是在自动TIG焊接中防止这种“驼峰”现象并因而改善焊接方法的性能，提出了一些解决方案。

事实上，在自动TIG焊接中的行进速度，也就是焊接速度，通常因缺陷的出现而受到限制。如图1中所示出的由于“驼峰”而导致的生产能力极限。

图1，来自于W.Savage等人的《GTA焊接中电弧力对缺陷成形的影响》，(“Effect of arc force on defect formation in GTA Welding”，Welding Journal，1979，第58卷第7期第212-224页)的文章，描绘了焊接速度(在Y轴上，用cm/min来表示)随焊接电流(在X轴上，用A来表示)的变化。如所见，它示出了从焊接速度方面来讲可接受的焊缝限度，该焊接速度能够在给定电流的情况下得到。连续的线将其中出现“驼峰”现象的各操作点连接起来。虚线对应另一缺陷即“咬边”出现的边界。在这两条线之间的是其中焊缝没有这些缺陷的产出区。为了提高焊接方法的生产率，因此建议移动“驼峰”出现边界来增大产出区。

为了实现这个目的，已提出通过电磁振荡或电弧偏移改进对经受TIG电弧热流的部件上的能量传输的控制以及增加经受TIG电弧热流的部件的表面积。当然，根据拉普拉斯(Laplace)定律，位于线圈磁路的两极之间的电弧受到力F的作用，该力F具有偏移电弧的倾向性。如果线圈中的电流I反向，其产生的电磁感应就改变了方向，这使电弧的移位方向逆转。

然而，这个解决方案并不完全令人满意，因为它不能够使得自动TIG焊接的生产能力得到提高。当然，为了在高速也就是约2m/min时，保持恰当的熔透深度，需要使用高的焊接电流，也就是250-300安培，以维持单位表面积上的能量。但是，焊接电流增加的越多，通过由电流产生的磁场B作用在电弧上的洛伦茨(Lorentz)力的轴向分量增加就越大，然后就会得到据说更加刚性的电弧。因此由于线圈产生的应力使得电弧锥体移位变得更加困难。

另外，由B.Keene等人的《表面活性元素之间的相互作用对铁表面张力的影响》(“Effects of interaction between surface active elements on the surfacetension of iron”，Canadian Metallurgical Quarterly，1982；第21卷第4期第393-403页)；C.Heiple等人的《辅助元素对GTA熔区形态的影响机制》(“Mechanism for minor element effects on GTA fusion zone geometry”，WeldingJournal，1982年四月，第97-102页)；以及《微量元素对TIG焊缝熔深的影响》(“The effect of trace element on TIG weld penetration”)；TWI国际会议论文集：《剩余杂质和微量合金元素对焊接性和焊缝性能的影响》(“The effects of residual，impurity and micro-alloying elements on weldability and weld properties”；伦敦，英国；1983年11月15-17日)所描述，在许多情况下，熔融金属的流动、热传递以及焊缝形状及其性质都受到Marangoni对流的显著影响。在焊池中，表面活性元素比如S或O的存在改变了溶剂的表面张力。确实，表面活性元素将表面张力与温度的依从关系(dγ/dT)从针对纯溶剂的负值变到针对二元系统的正值。(dγ/dT)的这种变化对该系统具有影响。

因此，可以利用注入熔池中的表面活性元素的特性和数量(采用含有这些表面活性元素的可熔焊丝)来影响焊缝的形状，以使焊缝熔池中的熔融金属循环方向发生逆转，已知在钢制品中当其中存在少量表面活性物质时这就会发生。

已经考虑用这个解决方案来克服被称为“A-TIG”的利用焊剂的方法的缺陷。使用焊剂来获得活性效果是无可争辩的，它的缺点是其必须要有额外的准备操作，即焊剂的熔敷。而且，因为准备的区域具有比焊缝的表面积大的表面积，所以焊剂产品的消耗量大于实际的需要量。使用药芯焊丝，通过在焊接同时利用这种焊丝连续注入活性成分，能够克服这些缺陷。不需要准备操作——用刷子来熔敷焊剂——是有益的。然而，实验表明了使用焊丝导致了很多的操作约束，特别是很慢的焊丝速度导致了拆卷问题。如同在表面上熔敷焊剂一样，活性焊丝的使用需要低电压因此电弧很短。其后的困难是焊丝在熔池中正确的定位。因此使用这个方法是不容易的而且在相同参数下结果的再现性没有被证实，因为焊丝相对于电极以及熔池的位置对用于获得焊透深度所需的参数有影响。

在单气流TIG焊接中，焊接物理参数，比如电极研磨角、保护气体性质或者焊炬倾角的最优化，在某些情况下，使得可以实现“驼峰”出现速度的微小变化，但是获得的效果是极小的。

因此，在单气流TIG焊接中，使用氢气或者氦气替代氩气作为保护气体，不可能增加在熔合线构型中“驼峰”出现的最大速度。由于这些气体高的热导率，它们仅使得能够扩展热影响区域从而获得更多的液体熔池。

然而，作用在熔池上的磁压也增加，这是因为由于相比于氩气这些气体的电离电势更高，所以电流线分布很紧密。然后这导致在电弧下焊缝熔池更加显著的凹陷。这对应于更加明显的熔池向后位移，并导致针对“驼峰”出现的条件被转移至在电弧电磁压力与熔池流体静压之间的另一个平衡点。

另外，W.Savage等人的《在GTA焊接中电弧力对缺陷形成的影响》(“Effectof arc force on defect formation in GTA Welding”，Welding Journal，1979，第58卷第7期第212-224页)描述了为了获得更佳的焊透深度，在双流TIG焊接中使用氩气/O₂混合物作为外围气体。

可是，这个解决方案也并不理想，因为电弧的由双气流造成的气压收缩作用使得能够增加焊透深度并因而在相同的焊缝宽度时增加熔融金属的量，这伴随有所观测的最大速度的增加不是很大。

另外，当外围或者环状气体含有O₂时，就最大速度的改善而言获得非常不同的结果。这些性能差异或许可以由所焊接钢板的不同成分来做出解释。确实，钢板中存在的S和O元素具有表面活化作用，并且O的最佳值必然是由S的含量决定。如果S含量使得(dγ/dT)已经是正值，那么O只有增加温度T₀的效果。因此，对流的反转点接近中央。然而，该有益效果与利用从(dγ/dT)的负值到正值的转变具有的有益效果不相同。

而且，S和O结合了他们各自的作用，但是实际上，S和O的“可溶性”是个问题，也就是说，他们彼此之间未以化合物的形式相结合，因为如果是这样，它们不再会影响表面张力。因此可取的是要分清表面活化元素(硫、氧、硒和碲)、活性元素以及中性元素，所述活性元素将以化合物形式捕捉一种或其他表面活化元素并因此减少这个元素在可溶状态下的含量(例如铝与氧；钙、铈或镧与硫)。

在氧存在的情况下，要特别注意铝，因为铝在钢铁生产过程中作为还原剂，而根据铸造法和钢铁生产者的实际操作的不同，残留铝的量可能大不相同。

这使得该方法不可能产业化，因为在实际操作中根据以自由形态传送至熔池的总量控制所用气体中的氧气含量是不可能的。

发明内容

由此，所面对的问题是如何能够消除与“驼峰”相关联的缺陷，并使得能够在钢板的自动TIG焊接中实现更高的行进速度，尤其是至少2m/min的速度。

解决方案是使用装有电极/焊条的电弧焊炬来进行电弧焊接方法，其中，喷送的中心气流与电极接触，在所述第一气流的外围的环状气流也就是环状地被喷送，其特征在于：

-中心气流只包括氩气和氢气(H₂)，氢气体积含量在2％至8％之间，以及

-外层气流只包括氩气和体积含量1.8％至3％的二氧化碳(CO₂)或者体积含量0.9％至1.5％的氧气(O₂)。

根据所述实施例，本发明的方法可包含一个或多个下面的特征：

-电弧焊炬装有由钨制成的不可熔的电极；因而该焊炬是TIG焊炬；

-中心气流包括体积含量至少3％的H₂；

-中心气流包括体积含量至多7％的H₂；

-一个或多个部件被焊接，所述部件由钢，特别是不锈钢或碳钢，特别是表面涂覆有锌、铝或者其它能够防止该钢腐蚀的材料的钢所制成；

-所述待被焊接的部件选自已裁切过的坯件；

-焊接在至少2m/min的速度下被执行；

-焊炬被安装在自动焊接装置上；以及

-气体混合物含有不可避免的杂质。

附图说明

本发明将通过下面由附图示出的比较实施例以使其更加容易理解。

图1描绘了焊接速度(在Y轴上，用cm/min来表示)随焊接电流(在X轴上，用A来表示)的变化；

图2显示了保护性气体混合物的组分的热导率(在Y轴上)作为温度(在X轴上)的函数。

具体实施方式

实施例

在本发明的内容中，为了解决“驼峰”问题，在研究自动双流TIG焊接中在存在几种不同气体或气体混合物的情况下，已经对金属流动和焊缝成形进行了研究。

特别是，测试了由Ar/H₂混合物形成的中心气流以及由Ar/CO₂混合物形成的环状气流联合的用于提高焊接速度的作用。这种联合形式是精心挑选出来的，以受益于每个组分的特性，用以获得所需效果。

因此，由于相对于氦气需要24.6eV，氩气仅需15.8eV的低电离能，所以氩气有助于激发电弧并且能使电弧稳定。

氢气被加入以增加电弧的能量。因为H₂是双原子分子，它在气体混合物中的存在将增加施加给钢板的热量供应，这是因其在重组过程中释放的能量(每个分子4.5eV)之故。此外，氢气较高的热导率也增加了熔池的温度。

在高温度，也就是超过5000K的温度时，环状气体流中97摩尔％的CO₂在电弧中按照等式：CO₂→CO+1/2O₂分解，这导致氧气的形成。氧气是表面活化元素，它在熔融金属中的存在降低了金属的表面张力。因此，在B.Keene的《铁和其二元合金的表面张力的数据分析》(“Review of data for the surface tension ofiron and its binary alloys”，International Materials Reviews，1998，第33卷第1期第1-37页)一文中针对二元Fe-O混合物，给出了等式：γ_Fe-O＝γ_Fe-7490[at.-％O]。所形成的氧气因此使得熔池流体化。

在CO₂的一替代方法中，可以在环状气流中使用氧气，但是如下面所述其含量是原CO₂的一半。

图2显示了保护性气体混合物的组分的热导率(在Y轴上)作为温度(在X轴上)的函数。热导率的定义是垂直于热流方向，热传导穿过单位表面积每单位长度每单位温度差下的传播速度。因此，其通过传导控制热传递，从而对焊缝的形态、焊缝熔池的温度以及润湿具有影响。

从图2能够看出氦气和氢气比氩气具有更高的热导率，因而它们能够获得更高能量的电弧。

下面的表1给出了各种气体G1到G9的组成(体积％)，它们在双流TIG焊接中进行测试。

表1

  体积％  Ar  H₂  He  CO₂  O₂  G1  100  /  /  /  /  G2  98  2  /  /  /  G3  95  5  /  /  /  G4  99  /  /  1  /  G5  98  /  /  2  /  G6  95  /  /  8  /  G7  99  /  /  /  1  G8  98.5  /  /  /  1.5  G9  80  /  20  /  /

下面的表2记录了在厚度为1.5mm的A42钢制部件上，在“驼峰”现象出现之前就最大焊接速度(Vs)而言所得到的结果，使用装备有尖角不熔电极的传统自动双流TIG焊炬，该电极的直径为3.2mm，由含有W-2％CeO₂的铈钨制成，电弧高度大约为2mm并且焊接电流大约为200A，同时使用气体G1到G9的各种组合。

表2

从表2可以看出，根据本发明，G3/G5配对(实验11)和G3/G7配对(实验13)在速度增加以及表面上氧化物的限制两方面都表现出了最好的性能。实际上，使用这些特定的气体组合，就会有表面活化效应，伴随发生熔融金属量的增加以及熔池温度的升高，这趋向于加强Marangoni对流——因为该效应接着朝向焊缝的中心。因此，在转变区形成压力平衡——该转变区由于焊缝熔池的压力增大而改变。熔池更趋向于润湿，因此干燥区域更快速地被覆盖。末了，较热的熔池凝固更慢。

因此实验11和13证实了使用含量远少于约3％的CO₂和含量远少于约1.5％的O₂(剩余为氩气)的优点，优选是CO₂的含量少于2.5％或者O₂的含量少于1.2％，有利的是CO₂的含量为2％或者O₂的含量为1％，其与氩气和氢气的中心气流配合，氢气含量在2％到8％之间，优选氢气的含量在4％至7％之间，有利的是氢气的含量大约为5％。

当然，如实验12和14所示，含有大量氧化剂的环状气流的使用，导致因被焊接部件上出现氧化膜而使得性能降低。这个氧化膜通过增大粘性而阻碍了表面活化效应，或者甚至使得在焊缝上出现较大或较小的黑点。

为了防止这些破坏性的现象出现，要避免使用非常高度氧化的气体混合物作为环状气体。

因此，根据本发明，CO₂的含量被限制到3％，并且O₂的含量被限制到1.5％，或者甚至CO₂的含量低于2.5％并且O₂的含量低于1.3％。

同样，精心选择含有氢气和氩气的用作中央气体的气体混合物的组成是很重要的。

当然，氢气是引起冷裂纹(铁素体等级)的一个因素并且或许也是多孔性的原因。因此，需要建立所使用的气体混合物的冶金适合性，因而要严格控制所述混合物中存在H₂的含量。

为了实现这个目的，在如以前的相同操作条件下执行了额外的比较实验，但是使用了不同的气体配对(比较下面的表3)，特别是，为了确定H₂的最佳使用含量并确认在环状气体中氧气是否具有与CO₂相同的效果，比较表3中G3/G4配对所获得的结果。

表3

(体积％)

所得到的结果表明：

-中心气流的氩气中仅含有2体积％的H₂(替代G3中5％的H₂)获得的最大速度低于G3/G4配对所获得的最大速度。通过限制氢气的含量，对供给到钢板的热供应的作用受到限制并且熔池体积和温度梯度也都损失了。因此，使用H₂的体积含量最好至少是2％，更优选地大于3％，或者甚至大于3.5％，有利的是在4％到8％之间。

-当中心气流是G3(Ar+5％H₂)时并且当外围环状气流被氩气和氧气的混合物替换时，1％体积含量的O₂导致这样的结果：速度基本上等于根据G4(Ar+1％CO₂)所获得的速度，然而当分布在外围的环状气体中的O₂含量增加至1.5％时，导致了速度性能的降低并且焊缝外观也变差。事实上，所有可用的位置都已经被可溶氧原子所占据，从而多余的可溶原子只能用于形成氧化物。因此，这对Marangoni对流没有积极效果，相反，观察到有破坏性的片状氧化物出现，该片状氧化物进而增加表面张力并且对焊缝外观是有害的。在电弧外围所具有的温度下，CO₂完全分解，使用含有1％O₂的气体等同于使用含有2％CO₂的气体。因此，环状气流中的O₂含量必须不超过1.5体积％，优选O₂含量小于或等于1.3％，或者甚至低于或等于1.2％。氧气的含量为1％是特别适合的。

本发明的方法特别适合于焊接汽车板材，比如已经裁切好的坯件。