CN100513042C - 搭接-穿透接头的气体保护金属极埋弧焊 - Google Patents

Abstract

一种利用气体保护金属极埋弧(GMBA)焊接工艺焊接连续或间歇的搭接-穿透接头的方法。通过在自耗金属电极(26)和第一构件(22)的表面之间形成电弧(28)，将来自电极(26)的金属沉积到第一构件(22)上，并生成延伸通过第一构件(22)并进入第二构件(24)的熔融金属池(10)，从而将第一构件(22)GMBA焊在下层的第二金属构件(24)上。所述熔池金属凝固成伸入第二构件(24)的焊缝(30)，其中，在所述构件之间的界面处的焊缝宽度至少等于第一构件(22)和第二构件(24)中的较薄者的厚度。所述电弧(28)至少部分地埋入第一构件的厚度中并且在所要求的接头位置的方向上移动以产生接头。

Description

搭接-穿透接头的气体保护金属极埋弧焊

技术领域

本发明涉及搭接-穿透接头的焊接，尤其涉及搭接-穿透接头的气体保护金属极埋弧焊(gas metal buried arc welding)。

发明背景

金属构件的气体保护金属极电弧(GMA)焊包括将电流施加到呈焊炬的自耗金属电极上从而在电极头和所述构件的表面之间形成电弧。电极的金属作为填充材料沉积在构件上，金属熔池形成包括电极的金属和构件的金属的混合物。从而当熔融金属凝固时形成焊接接头。GMA焊通常用于连接诸如搭接-钎角、T形-钎角和平头对接形式布置的相对较薄的(1mm-4.5mm)构件。图1是在两构件2，4之间进行平头对接的GMA焊的示意图，其中电弧6由金属电极8产生。在电极8与元件2，4之间形成熔融金属池10，以生成在电弧6的移动焊接区域和熔池10之后凝固的焊缝12。这些接头(搭接-钎角，T形-钎角和平头对接)要求电极头14和电弧横向地布置在将被焊接的接头边缘的±0.5mm之内。同时可以使用机器人和夹具来控制所述焊接操作，一些技术已经可以用于确保电极电弧相对于所述接头的正确横向布置。

一个解决方案是使用尺寸精确的构件和焊接夹具，这对工艺的最终成本增加了显著的成本。可选择地或此外，焊炬和电弧可以相对于接头边缘振动以补偿所述边缘的变化或由于部件、焊接夹具和/或定位器的尺寸公差的变化而导致的边缘定位的变化以及电极头和电弧相对于所述接头的横向布置的变化。虽然焊炬振动克服了在接头边缘处的大的变化，但是一主要缺点是明显减少了生产率，即，通过减少焊接速度来允许振动的发生。改进接头/电极相互关系的另一方法是采用影象型接缝-跟踪系统，但是其大部分都是昂贵的、由于具有铝构件而不稳定的、并且需要精心维护。触觉裂缝跟踪系统是有效的，但是在焊接诸如锐角转角的三维组件或适应方向的改变或产生若干短接头时具有适用上的局限性。

此外，通常的做法教导出，搭接-穿透接头不适合于GMA焊，因为焊接(自熔融金属池10)没有到达构件叠层中的足够深度以在焊接凝固时融化和熔焊下部构件，即，不能穿透入下部构件。尽管，在多年以前就已知利用GMA焊的搭接-穿透接头的点焊，但是由于一些原因而仅局限于在非关键性接头结构上的使用。较短的焊接时间、在点焊期间所施加的不充分的电流密度以及不能通过阴极清洁重叠部分之间的结合面上的表面氧化物这些因素的综合导致了＂葡萄酒杯＂异型钢材的点焊不能焊透入下部构件并且没有足够的界面焊合宽度。这使得GMA焊点的焊合相对较弱并在疲劳型负载下具有有限的耐久性。

利用如图2中所示的平头对接完成了称为气体保护金属极埋弧(GMBA)焊的更深GMA焊。GMBA焊接工艺不同于常规的GMA焊，因为在GMBA焊接工艺中经过焊极的焊接电流显著地高于常规的GMA焊。这使得在GMBA焊接工艺中的电流密度较高，导致生成能更深地穿透构件2，4的强穿透准直电弧。然而，此前还没有实现过搭接-穿透接头的深GMBA焊。

发明内容

本发明包括形成搭接-穿透接头的方法，包括通过在自耗金属电极和第一构件的表面之间形成电弧，将来自所述电极的金属沉积到第一构件上以及生成延伸通过第一构件并进入第二构件的熔融金属池，从而将第一金属构件气体保护金属极电弧焊到下层的第二金属构件上。当熔池金属固化成焊缝时，在两个构件之间的界面处的所述焊缝的宽度至少等于第一构件和第二构件中的较薄者的厚度。在焊接过程中，所述电弧至少部分地埋入第一构件的厚度中并且在所要求的接头定位的方向上移动以产生接头。

附图说明

图1是现有技术的平头对接的气体保护金属极电弧焊的示意图；

图2是现有技术的平头对接的气体保护金属极埋弧焊的示意图；

图3是根据本发明的方法的搭接-穿透接头的焊接的侧视图；

图4是在图3中产生的接头的侧视图；和

图5是为实际应用本发明而建议的同步的电极进给速度、焊接电流和前进速度的图表。

具体实施方式

为了在下文中的描述，本发明所涉及的术语＂上＂，＂下＂，＂右＂，＂左＂，＂竖直＂，＂水平＂，＂顶＂，＂底＂及其派生词按照附图中的定向。然而，应当理解的是，除了与明确列举的相反的之外，本发明可以采用不同的变化形式和步骤顺序。同样可以理解的是，在附图中所图解的以及在下列说明书中所描述的特定装置和过程仅仅是本发明的示例性实施方案。因此，在这里所公开的与实施方案相关的特定尺寸以及其它物理特征并不认为是对本发明的限制。

本发明包括搭接-穿透接头的GMBA焊的方法。为了克服上述搭接-穿透接头GMA焊的局限(即，不能通过阴极清洁来自结合面上的表面氧化物，有限的穿透以及不充分的界面宽度)，利用大功率密度的工艺(例如，激光束，电子束或等离子焊)焊接搭接-穿透接头。参见图3，第一金属构件22抵靠第二金属构件24定位。第一和第二构件22，24可以是如图所示的竖直层叠或处于其它布置方式。将高强度电流(例如与用于常规的GMA焊的150安培相比的350安培)输送给具有金属自耗电极26的焊矩来生成熔化第一和第二构件22，24的高穿透准直电弧28。电极26的金属也与构件22，24一起融化组合，来生成凝固时会形成焊缝30的熔池10。电弧28穿透第一构件22以及第二构件24的上部并融化所穿透部分，从而在两构件22，24之间形成焊缝30。由电弧28支撑的高电流密度具有若干效应，包括：提供足够的电磁力和热来刺入、打碎并融化构件22和24之间的结合面处的氧化层；穿透重叠的部分；以及当熔池凝固时有力地搅拌该熔池。采用这种方式，(通过打碎、溶解以及浮选焊道顶部的焊渣)搭接-穿透接头的GMBA焊补偿了对界面表面氧化物的阴极电弧的清洁作用，同时获得理想的焊缝几何结构(即穿透度和界面宽度)。

参见图4，在工艺条件下生成焊缝30以确保焊缝30的宽度和深度足够成功的产生搭接-穿透接头。为此，焊入第二构件24的穿透深度D应该足够熔化第二构件24并在凝固时与焊缝熔合和/或结合。对于相对薄(1-5mm)的构件时，进入第二构件24的5-10％的穿透度就足够了。此外，在第一和第二构件22，24之间的界面处的焊缝宽度W应该至少和相应构件22，24中的较薄者的厚度厚度T或t一样大。在图4中，构件24被描绘成了较厚的构件，但这并不是限制性的，因为构件22，24的厚度可以相等或构件24比构件222薄。电极和电弧在第一和第二构件22，24之间的接头的所需位置的方向上在移动。可以连续地进行焊接，或间断地进行焊接以形成跳焊。

用于根据本发明的搭接-穿透焊的合适材料是将AA合金用作电极的铝协会(Aluminum Association)(AA)的铝合金构件。两个构件可以是板件、铸件或压延件以及其组合产品。举例来说，本发明已经成功的利用AA 5356电极在300安培将两2mm厚的AA 5754-O板焊接在一起，以及将一2mm厚的AA 6022-T4板焊接到一4mm厚AA7005-T6压延件上。本发明的GMBA焊也适合于在由其它材料诸如钢、不锈钢、钛和钛合金、以及铜和铜合金等制造的构件之间生成搭接-穿透接头。

根据本发明生成的搭接-穿透接头比诸如搭接-钎角接头之类的其它接头的GMA焊的生产效率更高，其中后者需要减慢前进的焊接速度和/或焊炬振动来调整电极头/电弧相对于接头边缘的位置的横向变化。用于焊2.5mm厚的部件时，搭接-钎角接头的GMA焊的一般前进速度范围为大约0.6至1.2米/分钟，而本发明的同等厚度的搭接-穿透接头的GMBA焊大约为1.5至2米/分钟。此外，因为电极头/电弧的横向布局相对于具有搭接-穿透接头的部件边缘不像其它接头那样严格，所以本发明避免了需要严格的部件尺寸公差以及简化了装配程序(即，固定和焊接顺序)。搭接-穿透接头的GMBA焊的另一个优点是同样的焊接设备可以用于GMBA和GMA焊，这最大化的利用了此类焊接系统并避免了以前用于激光束、电子束和等离子焊的搭接-穿透接头的昂贵的焊接系统。这些可以通过在相同或不同的组件上焊接不同接头(即，搭接-穿透与搭接-钎角，T形钎角，等等)时在两种焊接模式之间转换而获得。此外，采用搭接-穿透接头的GMBA焊的高焊接速度减小了在搭接-钎角接头的GMA焊期间、在同类厚度的部件之间产生的由焊接引起的整体扭曲。

取决于应用，可利用具有正(反向)电极极性或负(正向)电极极性的DC(直流)电流生成GMBA焊接的搭接-穿透接头。本发明还可以应用其它脉冲或非脉冲(例如，方波、AC(交流电))电流和/或送丝调制系统。为了在GMBA焊接搭接-穿透接头期间控制焊接的启动和停止(即，具有一致的优良质量和几何属性)，可以使用具有程序控制的焊接启动和终止程序的焊接系统。电极进给速率(或送丝速度，WFR)与焊接电流同步，并且可程序化以作为不同厚度和合金组合的函数来如图5中所示倾斜向上和倾斜向下。在有些情况下，焊接的启动和终止程序可程序化以使电极进给速率/焊接电流和焊接的前进速度同步。

通过描述当前优选实施方案，应当理解的是，本发明可以在所附的权利要求的范围内以其它形式实现。

Claims (9)

1.一种在第一金属构件和下面的第二金属构件之间气体保护金属极埋弧焊接搭接-穿透接头的方法，包括步骤：

在自耗金属电极和第一金属构件的表面之间形成电弧；

将来自所述电极的金属沉积到第一金属构件上并生成延伸通过第一金属构件且进入下面的第二金属构件的金属熔池；

将金属熔池凝固成焊缝，其中，在第一金属构件和第二金属构件之间的界面处的焊缝的宽度大于或等于第一金属构件和第二金属构件中的较薄者的厚度；和

移动所述电弧和电极越过第一金属构件的表面以生成接头。

2.如权利要求1所述的方法，其中，焊缝穿透入第二金属构件，并且在凝固时与第二金属构件熔合。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电弧至少部分地位于第一金属构件的厚度内。

4.如权利要求1所述的方法，其中，第一金属构件和第二金属构件是铝合金。

5.如权利要求1所述的方法，其中，第一金属构件和第二金属构件从由钢、钛及钛合金以及铜及铜合金组成的组中选择出的材料形成。

6.如权利要求4所述的方法，其中，第一金属构件和第二金属构件分别从由板件、铸件、压延件或锻件构成的组中选择。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述电弧和电极以至少1米每分钟的速度移动。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接是连续的。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接是间歇的。

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