CN101426609A - 用于焊接的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧焊炬和一种从焊接处抽取烟气的方法。所述焊炬包括金属电极和至少一个用于将保护气体屏引导围绕所述金属电极和焊接处的保护气体口。至少一个护罩气体口与所述保护气体口沿径向向外分隔，并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。烟气优选从径向地定位在所述保护气体屏与所述护罩气体屏中间的位置抽取。

Description

用于焊接的装置和方法

技术领域

本发明涉及焊接，特别涉及能够提供提高的烟气抽取效率的焊接方法和装置。

背景技术

整个说明书中对于现有技术的任何讨论绝非应认为是承认这样的现有技术为广为公知或者构成本领域公知常识的一部分。

焊接在工业的很多分支中是关键的实现技术。例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)，有时称为惰性气体金属电弧焊(MIG)或者活化气体金属电弧焊(MAG)占据澳大利亚所有金属沉积焊接中的约45％(Kuebler.R.，优化焊接质量和生产率的焊接可耗物和过程的选择，第35届WTIA年度会议文集，达尔文，2005年10月11-13日)。

在GMAW，熔化金属所需的强热由在可耗电极与工件之间点燃的电弧提供。焊接“枪”引导电极、传导电流并将保护性保护气体引导至焊点。由GMAW产生的强热熔化电极末端，熔化的金属移动至工件。一些熔化的金属会蒸发，且蒸汽会被氧化而形成包含蒸汽、金属氧化物、气体和其它更为复杂的化合物的混合物的烟气流。近来的国际机构强调了暴露于这种焊接烟气中的一些潜在危险(麦克米兰，G.，焊接健康与安全的国际机构——焊接国际协会，焊接及同类过程健康与安全国际会议，哥本哈根，2005年5月9-11日)，并且大致认可应该减小呼吸区的暴露。

GMAW-感应流动场的分析表明其结构是由涉及到下述内容的复杂的相互影响而导致：

-电弧柱中的高温、高速等离子体喷射流；

-熔化的金属的传递、蒸发和再凝结；

-在电弧的直接的临近区域中有害气体/烟气的形成；

-被强制对流驱动的保护气体流的流体动力学；以及

-由于热气体造成的自然(浮力驱动)对流过程。

已经认知的是，减小焊接操作者的烟气暴露的最佳方法之一是抽取接近烟气源头的烟气(Wright，等，生产技术中的焊接开发国际会议，焊接协会，产品工程师协会，伦敦，1975年4月22-24日)。这通常意味着在焊炬上结合抽取设备。例如，见美国专利US2,768,278，其中环形排气罩直接设置在焊炬上。然而，该设备难以使用，因为罩的尺寸限制了焊接操作者到焊接处的视线。又如美国专利US5,079,404，其中可定位的鹅颈抽取口设置在焊炬的手柄上。该设备也相对难以使用，因为焊接操作者必须持续地重定位电弧上方的抽取口以便随着焊炬在工件上方移动而有效地捕获烟气。

然而，抽取设备最普遍的形式描述在例如美国专利US3,798,409，美国专利US4,016,398和WO91/07249中，其中外同心套筒设置在焊炬上来抽取焊接烟气。这些设备被发现是不足的，因为为了移除任何烟气，是需要过量吸取的。强劲的吸取往往吸走了焊点周围必要的保护气体层，从而不利地影响了焊接质量、混入了空气和潜在地增大了烟气的产生。而且，抽取口的位置使外围空气可能先于烟气被抽取。这种围绕保护气体层的外烟气抽取套筒不足的根本原因在于，由于与焊炬的轴线垂直的工件的定位所产生的流场导致了沿工件的表面径向向外的气流的形成(这里由术语“壁面喷射(wall jet)”表示)，且该壁面喷射并没有被外部吸取明显影响。即使采用这种非常强劲的吸取，仍然发现壁面喷射中的气流保持了定向的径向向外。该气流携带大量烟气，导致操作者的呼吸区仍然可能包含不可接受的高浓度烟气。

更为近期的改变公开在美国专利US6,380,515中，其中具有围绕焊接电极的烟气抽取口以及围绕该抽取口的同心惰性气体供应口。该结构帮助将大量烟气限制在接近电弧的区域，从而使抽取烟气的任务比现有技术的设备相对简单，但同时，该结构也使电弧和焊池附近的外围空气将惰性气体浓度稀释到了不可接受的低水平。这是没有考虑保护气体的流速与烟气抽取速率的关系。

其它致力于烟气抽取的设备被设计用于大范围烟气排出，其中抽取点长距离地远离污染物源。例如，见美国专利US4,043,257，其中用于工件的排出管道被设置为具有围绕其入口的圆周的径向突出的孔，以产生沿径向向外的气流。然而，用于GMAW焊炬的小尺寸的该设备不能在提供烟气抽取的同时足够将电弧和焊池从大气污染物屏蔽。并且，这种孔严重地限制了焊接操作者到焊接处的视线。

GMAW中使用的焊接电极为连续的焊丝，典型地为高纯度。该焊丝可被镀铜，作为辅助平稳进给、辅助导电性和保护电极表面防止生锈的工具。到目前为止有关自保护焊剂芯电弧焊(SSFCAW)的操作和涉及到的设备类似于GMAW。然而，这些焊接过程之间的主要差异在于电极。顾名思义，SSFCAW使用包括容纳焊剂芯的管的电极，其中电极采用连续焊丝的形式。焊剂芯在电弧中产生所需要的保护，而不需要外部保护气体。自保护焊剂芯焊丝确保了良好的焊接灵活性，但没有考虑到不利的焊接位置，例如垂直和架高位置。这种电极有时也称为“自保护”焊剂芯电极或者“暴露于空气的(in-air)”焊接电极。

除了自保护，自保护焊剂芯电极也典型地设计为用于产生熔渣覆层，用于当焊接金属冷却时进一步保护焊接金属。熔渣随后通过敲渣锤或者类似过程而手动去除。自保护方法的主要优点在于其操作稍微简单，因为没有外部保护设备。

除了通过芯中的气体形成组分获得保护能力，自保护电极典型地还在芯中包含高水平的脱氧和脱氮合金。焊剂芯的成分可以改变以提供适用于具体应用的电极，并且典型的焊剂组分包括：

-脱氧剂，例如铝、镁、钛、锆、锂和钙。

-熔渣形成剂，例如钙、钾、硅或钠的氧化物被添加以保护熔化的焊池远离大气。

-电弧稳定剂，例如基础元素的钾和钠帮助产生平稳电弧和减少飞溅。

-合金元素，例如钼、铬、碳、锰、镍和钒，用于增加强度、延展性、硬度和刚性。

-气化剂，例如氟石和石灰石，通常用于形成保护气体。

一种典型的可耗自保护电极公开在美国专利US3,805,016中，其中焊剂包括碳酸盐。碳酸盐在焊接过程中热分解为氧化物和CO₂气体；该CO₂气体用作电弧保护气体。类似的电极公开在美国专利US3,539,765中。

另一典型的电极公开在美国专利US4,833,296中，其中金属特性的铝被加入焊剂中，并用于通过针对电弧和焊池中的氮气和氧气提供净化剂而提高自保护特征。类似的电极公开在美国专利US5,365,036、美国专利US4,072,845和美国专利US4,804,818中。

更多的电极公开在GB 1,123,926中，其中电极包含一种或多种碱金属的氟化物或氯化物、碱性土金属、镁或铝、或者一种或多种混合的氟化物或氯化物。这些电极被高度脱氧，这表明这些电极旨在没有外部供应的保护气体的情况下使用。类似的电极公开在美国专利US3,566,073中。

不论自保护焊接电极的类型如何，使用中均产生焊接烟气，尽管存在传统的烟气抽出系统，但是烟气仍会污染焊接物周围的大气。在所有情况下，认为自保护FCAW比GMAW过程产生更多的烟气。

气体-钨电弧焊(GTAW)(有时称为钨-惰性气体(TIG)焊)和等离子体电弧焊(PAW)是这样的焊接过程，即，通过用非可耗钨电极与金属之间形成的电弧加热金属来融化和结合金属。在GTAW中，具有钨电极的焊炬被水冷却以防止过热，并连接至电源的一端，同时工件连接至电源的另一端。焊炬还连接至保护气体源，保护气体被通过焊炬上的喷嘴引导朝向焊池以保护焊池远离空气。

除了保护气体之外，PAW类似于GTAW，焊炬包括形成开孔的附加的喷气嘴，附加的成形气流(有时称为“开孔气流”)被引导通过所述开孔。成形气体与等离子体一样穿过喷嘴中的同一开孔，并作用为由于喷嘴的会聚作用而限制等离子体电弧。尽管在GTAW中钨电极从保护气体喷嘴中突出，但是在PAW中其被凹进和向内分隔在喷气嘴中的开孔中。

本发明的目的在于解决或改善上述现有技术的缺点中的至少一个，或者提供有用的改进。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种电弧焊炬，具有焊接电极，至少一个保护气体口用于将保护气体屏引导在所述焊接电极和焊接处的周围，以及至少一个护罩气体口与所述保护气体口沿径向向外分隔并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。

根据本发明的第二方面，提供一种用于自保护电弧焊过程的电弧焊炬，包括：自保护焊接电极，用于在使用时产生围绕所述电弧和所述焊点的电弧保护气体屏；以及至少一个护罩气体口，与所述焊接电极沿径向向外分隔，并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。

申请人发现根据本发明的焊炬对焊接处提供了意想不到的改进的烟气抽取。对于GMAW应用，焊接电极为优选采用可耗焊接电极形式的金属电极。对于GTAW和PAW应用，焊接电极为采用(非可耗)钨电极形式的金属电极。然而，对于SSFCAW应用，焊接电极为采用可耗自保护焊接电极形式的金属电极，其用于在使用中产生围绕电弧和焊点的电弧保护气体屏。

护罩气体口优选用于将出射的护罩气体引导朝向基本径向向外的方向，即与焊炬主体成约90度的方向。然而，可以理解的是，出射的护罩气体也可以被引导为相对于焊炬主体大致在约30度至约90度之间。焊炬优选包括内套筒和外套筒，用于限定位于内套筒和外套筒之间的护罩气体的通道，护罩气体口定位在通道的远端，或者定位为接近通道的远端。优选地，内套筒和外套筒均环绕焊炬。

焊炬典型地包括烟气抽取口用于接收来自焊接处周围区域的烟气。该烟气抽取口理想上径向地定位在(a)保护气体口(如果存在)或者焊接电极与(b)护罩气体口中间。内套筒和焊炬的主体或桶限定了位于其之间的用于烟气抽取的抽取通道。优选地，烟气抽取口设置在抽取通道的远端。在一个实施例中，护罩气体口和保护气体口同心同轴并分隔定位在焊接电极周围。

护罩气体口和保护气体口的横截面均优选为圆形或环形。然而，并不必要是整个的圆形或环形，例如，可在圆上设置一系列离散的开口。

然而，在不存在护罩气体和保护气体的情况下，该气流(‘壁面喷射’)继续沿径向向外的方向，令人惊喜的是，申请人已经发现，通过对护罩气体引入沿径向向外的速度分量，当烟气被从焊炬抽取时，得到的壁面喷射流基本容纳和位于被护罩气体覆盖的焊池的周围空间内，沿被焊接工件表面的气流的方向是径向向内的。换言之，护罩气体屏倾向于形成围绕焊接处的层，从而将烟气产生区域与周围隔离，并使烟气能够在层内被抽出。出射的护罩气体可被认为是“径向气体喷射”，该“径向气体喷射”在焊炬和焊接处周围形成“气动凸缘”。因此，通过烟气抽取口可获得提高的烟气抽出效率。在优选实施例中，护罩气体口被改进为，使出射的护罩气体形成为沿径向远离焊炬的相对薄的“屏”。然而，在可选实施例中，护罩气体口被改进为，使出射的护罩气体形成为沿径向远离焊炬的延伸的气体“楔”。

在一个实施例中，至少护罩气体口相对于保护气体口是轴向可调节，从而允许焊接操作者细微调节烟气抽出效率。焊炬也可包括控制工具，以控制保护气体和护罩气体的流速以及烟气抽出速率。

对于SSFCAW应用，自保护焊接电极优选为可耗焊剂芯型电极。在优选实施例中，焊剂包括碳酸盐，电弧保护气体屏包括CO₂。碳酸盐可从包括CaCO₃、BaCO₃、MnCO₃、MgCO₃、SrCO₃及其混合物的组中选取。焊剂可包括至少一种碱性土氟化物，例如CaF。焊剂可进一步包括至少一种以下元素：铝、镁、钛、锆、锂和钙。

根据本发明的第三方面，提供一种用于从焊接处抽取烟的方法，其中，电弧从焊接电极释放至所述焊接处，所述方法包括：产生环绕所述焊接电极和所述焊接处的保护气体屏，产生与所述焊接电极沿径向向外分隔的护罩气体屏；以及从位于所述护罩气体屏径向向内的位置抽取烟气，其中，所述护罩气体屏包括沿径向向外的速度分量。

在一个实施例中，烟气从沿径向位于所述保护气体屏和所述护罩气体屏中间的位置抽出。然而，在可替换实施例中，特别是PAW应用中，烟气从沿径向位于所述保护气体屏和所述焊接电极中间的位置抽出。

如上所述，对于GMAW应用，焊接电极为优选采用可耗焊接电极形式的金属电极，而对于GTAW和PAW应用，焊接电极为采用(非可耗)钨电极形式的金属电极。对于SSFCAW应用，焊接电极为采用可耗自保护焊接电极形式的金属电极，其用于在使用中产生围绕电弧和焊点的电弧保护气体屏。保护气体和/或护罩气体优选从包括氮、氦、氩、二氧化碳及其混合物的组中选取。任何商业可用的保护气体如果其适用于所选的焊接过程都可作为护罩气体或保护气体。由于保护气体提供足够的焊池保护以远离大气污染物，所以压缩空气在一些情况下可用作护罩气体。

保护气体流速可为约5至50l/min，而护罩气体流速约1至50l/min。烟气优选从热源或保护气体屏(或自保护焊接电极)与护罩气体屏中间的位置以约5至50l/min之间的流速抽出。典型地，烟气抽出速率近似于保护气体流速，申请人也已经令人惊奇地发现烟气抽出速率小于为了提供相同程度的烟气抽取的传统烟气抽出系统的烟气抽出速率。优选地，护罩气体流速与保护气体流速之比选择为约2:1至约3:1。优选地，烟气抽出速率与保护气体流速之比约为1:1。

护罩气体和保护气体典型地在室温下供给，但是该温度并不重要。然而，在一个实施例中，护罩气体和/或保护气体被充分冷却以促进烟气凝结。冷却可通过护罩/保护气体的制冷或射出护罩/保护气体口的护罩/保护气体的隔热的膨胀来实现。然而，可以理解任何气体冷却方法将是合适的。可以理解的是，冷却帮助金属蒸汽凝结成细小颗粒物质，从而能够提高抽取效率。而且，对护罩/保护气体的冷却有利地减小了排出气体的温度。在其它实施例中，护罩气体和/或保护气体的至少一部分包括与焊接烟气产生反应的组分和/或UV光吸收组分。

本发明提供了对一种电弧焊炬的改进，该电弧焊炬具有焊接电极和至少一个保护气体口，用于将保护气体屏引导在所述焊接电极和焊接处的周围，所述改进包括：提供至少一个护罩气体开口，其从所述保护气体开口沿径向向外分隔，并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。

除非上下文明确需要，否则，整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”之类为限制在与除外或排除相反的包括含义中；也就是说，在“包括，但不限于”的含义中。

除了在操作示例中或者其它指出的情况下，本文所使用的所有表达成分数量或反应条件的数字应理解为在所有情况下通过术语“约”来修改。任何示例并不试图限制本发明。在以下阐述中或者其它指出的情况下，“％”表示“重量％”，“比率”表示“重量比率”，且“部分”表示“重量部分”。

附图说明

现在将仅通过示例参照附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1为现有技术焊接装置的局部剖视侧视图；

图2为用于GMAW的根据本发明的装置的截面侧视图；

图3为用于SSFCAW的根据本发明的装置的截面侧视图；

图4为用于GTAW的根据本发明的装置的截面侧视图；

图5为用于PAW的根据本发明的装置的截面侧视图；以及

图6为用于GMAW应用的抽取效率与护罩气体流速和抽取流速比率的曲线图。

具体实施方式

定义

在描述和要求本发明权利时，以下术语将按照下文给出的定义使用。还应理解的是，这里所使用的术语仅出于描述本发明特定实施例的目的，并不试图限制本发明。除非有另外的定义，这里所使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的含义相同。

术语“焊接处”和“焊接区域”在这里可相互替代使用，而术语“烟”和“烟气”在这里也可相互替代使用。烟气意味着不仅指焊接过程散发出的气体产物，而且也指产生的细小颗粒物，例如金属灰尘。这里所讨论的术语“焊接”还包括“表面淬火(hard surfacing)”，这是焊接金属被沉积以修复表面缺陷而不是将两块金属结合在一起的过程。

本发明的优选实施方式

在本文所示的所有附图中相同的特征具有相同的附图标记。另外，可以理解的是表示气体流动的附图中的箭头代表气体流动模式的简化版。

首先参照图1，所示的传统GMAW焊炬1包括来自可耗焊接电极3的用于将热量提供给焊接处2的热源。在GMAW过程中，焊接电极3为通常由接触管5引导的连续焊丝4。保护气体口6也被提供为用于保护气体的通道。保护气体口6用于引导保护气体屏7环绕电极3和焊接处，使得焊接气体屏7紧密围绕电极3。焊丝4可包括焊剂芯(未示出)，并可以与保护气体屏7一同使用或者不与保护气体屏7一同使用。保护气体口6包括上游保护气体入口8，其连接至合适的保护气体源。GMAW焊炬1还包括电流导体9。

使用时，焊接电弧10在焊接电极3的末端11与被焊接件12之间点燃。因此，熔化的焊接金属从焊接电极3移动至形成在被焊接件12上的焊池13。由于高温环境，产生对流气流。在传统的气体保护焊接过程中，最佳地如图1所示，申请人发现强制对流产生了沿被焊接件12的水平表面的悬浮“壁面喷射”，该喷射从焊炬1向外辐射，并且浮力驱动，即自然对流引发了载烟热流14的形成。

图1所示的传统的GMAW焊炬已经根据本发明被改进，如图2所示。为了阐释，外套筒15被径向地从焊接电极3向外隔开，并设置为用于护罩气体16的通过。外套筒15终止于护罩气体口17(典型地为圆形)，该护罩气体口17用于向出射的护罩气体16施加以径向向外的速度分量。优选地，护罩气体口17径向地朝向远离焊炬18的纵轴线的一面，以将出射的护罩气体屏16沿基本径向向外的方向引导，从而形成围绕焊接处2的“气动凸缘”。然而，在其它实施例中护罩气体口17朝向与焊炬18的纵轴线成约45度与90度之间的角度。外套筒15优选地围绕焊炬18。提供一上游护罩气体入口19，与合适的护罩气体源相连用于向护罩气体口17供应。护罩气体口17轴向地定位在接触管5的远端的上方大约1cm的距离，以使焊接操作者的“视线”能够通过。

也可提供内套筒20用于在焊炬18的主体或桶21与内套筒20之间限定烟气抽取通道。抽取通道在其远端终止于烟气抽取口22，该烟气抽取口22用于接收来自围绕焊接处2的区域的烟气。抽取口22沿径向定位在保护气体口6与护罩气体口17中间。通过将所述抽取口22经由下游烟气抽取口23连接至任何合适的抽取源(通常为吸取源，例如泵)可抽取烟气。

从焊接处2抽取烟的方法包括首先产生围绕电极3和焊接处2的保护气体屏7的步骤。接着，护罩气体屏16被产生在从保护气体屏7沿径向向外的位置处，并被引导为沿基本径向向外的方向。然后，烟气被从沿径向位于保护气体屏7和护罩气体屏16的中间的位置处抽取。接着，典型地采用流量控制阀形式的控制工具(未示出)被用于控制护罩气体口和保护气体口中的一个或者二者的流速，并控制烟气抽取口的抽取速率。烟气抽取速率可以很容易地被选择使得对焊接电弧的破坏最小，并且不会有过量的外围空气吸入到焊点附近的焊接电弧10中。此外，电弧焊炬18与被焊接件12之间的精确轴向距离可被调节，从而优化烟的抽取。然后电弧焊炬18可用于焊接操作。

现在参照图3，示出了根据本发明所改进的使用连续、可耗、自保护焊剂芯型(self-shielding flux-cored type)的焊接电极25的焊炬24。在操作中，焊接电极3的末端11的焊剂芯产生气体，该气体形成围绕焊接电极3和焊接区域2的电弧保护气体屏26。焊接电极焊剂包括金属碳化物，从而向电弧保护气体屏26中提供CO₂。该碳化物可从包括CaCO₃、BaCO₃、MnCO₃、MgCO₃、SrCO₃及其混合物的组中选取。该焊接电极焊剂还包括至少一种碱性土氟化物，其可为CaF(氟石)，还可包括至少一种以下元素：铝、镁、钛、锆、锂和钙，用于焊点的脱氧和/或脱氮。在该附图中，由于焊接电极3提供电弧保护气体屏26，所以先前附图的保护气体口被“去除”。然而，可以理解的是，仍然可使用保护气体口以提供对焊接处2的附加的保护。焊炬24包括位于其远端的烟气抽取口22以及烟气出口23。类似于图2所示的焊炬，护罩气体流被供应至入口19并从位于焊炬24的远端的护罩气体口17流出。护罩气体口17的结构以及提供具有径向向外的速度分量的护罩气体流的操作与图2所示的焊炬18基本相同。

图4示出包括非可耗的钨焊接电极28的用于GTAW的焊炬27，而图5示出PAW焊炬30。在操作中，焊炬27在钨电极28的末端11与待焊接件12之间释放出电弧10以加热焊接13。而焊炬30向待焊接件12释放出等离子体31以加热焊接13。如图5所示的焊炬30包括喷气嘴32，其限定用于供应成形(shaping)气体或孔口气体(orifice gas)34的孔口33，该孔口33用于将等离子体31限制为细小喷射。喷气嘴32包括上游气体入口35，该上游气体入口35用于连接至合适的成形或孔口气体源(这里也称为保护气体)。图4所示的焊炬27包括用于保护气体7通过的保护气体口6。焊炬30包括类似于图2所示焊炬的对应的烟气抽取口和烟气出口的烟气抽取口22和烟气出口23。大体上，使用护罩气体口17的烟抽取操作和气体流动模式类似于图2所示的焊炬的对应操作和气流模式。

再次参照图2，在气体金属电弧焊过程中，电极4的末端11通常保持在被焊接件12的表面上方的适当距离处。因此，在护罩气体屏16与沿被焊接件12表面传播的“壁面喷射”之间有可感知的距离。护罩气体屏16自身并非焊接烟源，而是，申请人发现其降低了焊接操作的将烟排入远离焊接电弧10的周围环境的区域中的趋势。没有试图从理论中发现，申请人猜想护罩气体屏16实质上改变了“壁面喷射”中的流动结构，其中与现有技术设备相比，壁面喷射流动方向现在被反向，并被引导为沿径向向内朝向焊炬轴线。因此，所示电弧焊炬成功地将烟气限制在焊接处2的直接邻近的相对较小的区域，从该处烟气可有效被烟气抽取口22抽取。另外，可以理解的是，由于“壁面喷射”中的气流反向，保护气体7的保护效率可被提高。

护罩气体16和/或保护气体7优选从包括氮、氦、氩、二氧化碳及其混合物(该混合物还包括例如小比例的氧气)的组中选取。然而，护罩气体16可为压缩空气，原因在于其不进入焊点的直接邻近的区域。护罩气体16和保护气体7的流速典型地在约1与50l/min之间，且烟气典型地以约5与50l/min之间的速率被抽取。

理想而言，所示焊炬被用于焊炬垂直且工件水平的焊接操作，即，焊炬垂直于工件的焊接操作。然而，可以理解的是，当焊炬被保持为不与工件垂直而与工件成其他角度时，所示的焊炬也将充分地抽取烟。

护罩气体口17可轴向调节，以方便焊接操作者细微调整焊炬而最大化烟的抽取。在其它实施例中，保护气体口6、护罩气体口17和烟气抽取口22中一个或者多个可包括多个子开口(未示出)。

可以理解的是，所示装置提供了相对提高的烟抽取效率。

示例

在一个示例中，根据本发明改进的商用GMAW焊炬使用1.2mm的Autocraft LW1焊丝/电极和

通用气体。测试条件被选择为提供“高烟”，即，在32伏特下250安培。焊炬被构造为提供“远离(stand off)”距离：工件至焊炬喷嘴＝22mm；工件至护罩气体屏(径向喷射)＝22mm和32mm(22mm时最大效率和32mm时最大焊池可见度)；以及焊丝/电极至护罩气体屏(径向喷射)出口的径向距离＝40mm。在径向喷射远离距离为22mm时实现85％以上的烟气去除。

在其它示例中，焊接测试在抽取流速保持恒定在10l/min以及护罩气体流速以3种不同的护罩气体流速，即25、30和35l/min变化的情况下执行。由图6可见，抽取效率被绘出为护罩气体流速与抽取流速之比的函数。抽取效率通过使用本发明装置进行焊接和不使用本发明装置进行焊接时在标准烟箱中测量。比较了过滤器上收集的烟的重量，并以如下比率来表示效率：(不使用本发明装置时烟的总重量-使用本发明装置时烟的总重量)/(不使用本发明装置时烟的总重量)。因为在没有护罩气体流时也可以抽取一部分烟，因此很明显，通过同时使用护罩气体可以显著提高抽取效率。

从这些实验数据、焊接过程的模拟以及观察资料看出，最佳护罩气体流速看来是护罩气体流速的函数，其优选约为2:1至约3:1。另外，烟气被抽取的速率优选与保护气体的增加的速率相等。换言之，保护气体的极大部分(承载有烟气)被烟气抽取口抽取，而护罩气体大部分流于大气中。例如，本发明装置的一种典型设置包括30l/min的护罩气体流速，15l/min的保护气体流速以及15l/min的烟气抽取速率。然而，可以理解的是其它流动/抽取速率设置也是适合的。

尽管参照具体示例对本发明进行了描述，但本领域技术人员可以理解的是，本发明可实施为很多其它形式。

Claims (28)

1、一种电弧焊炬，包括：

焊接电极；

至少一个保护气体口，用于将保护气体屏引导在所述焊接电极和焊接处的周围；以及

至少一个护罩气体口，与所述保护气体口沿径向向外分隔，并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。

2、一种用于自保护电弧焊过程的电弧焊炬，包括：

自保护焊接电极，用于在使用时产生围绕所述电弧和所述焊点的电弧保护气体屏；以及

至少一个护罩气体口，与所述焊接电极沿径向向外分隔，并用于对出射的护罩气体施加径向向外的速度分量。

3、如权利要求1所述的电弧焊炬，其中，所述焊接电极为用于GMAW应用的可耗焊接电极。

4、如权利要求1所述的电弧焊炬，其中，所述焊接电极为用于GTAW或PAW应用的钨电极。

5、如权利要求2所述的电弧焊炬，其中，所述自保护焊接电极为可耗焊剂芯电极。

6、如权利要求5所述的电弧焊炬，其中，所述焊剂包括碳化物，所述电弧保护气体屏包括CO₂。

7、如权利要求6所述的电弧焊炬，其中，所述碳化物从包括CaCO₃、BaCO₃、MnCO₃、MgCO₃、SrCO₃及其混合物的组中选取。

8、如权利要求6或7所述的电弧焊炬，其中，所述焊剂包括至少一种碱性土氟化物。

9、如权利要求8所述的电弧焊炬，其中，所述碱性土氟化物为CaF。

10、如权利要求6至9中任一项所述的电弧焊炬，其中，所述焊剂包括至少一种以下元素：铝、镁、钛、锆、锂和钙。

11、如前述任一项权利要求所述的电弧焊炬，其中，所述护罩气体口用于将所述出射的护罩气体引导为沿基本径向向外的方向。

12、如前述任一项权利要求所述的电弧焊炬，其中，所述焊炬包括包围所述焊炬的用于限定护罩气体通路的外套筒，所述护罩气体口被定位在所述外套筒的自由端或定位为接近所述外套筒的自由端。

13、如前述任一项权利要求所述的电弧焊炬，其中，所述焊炬包括烟气抽取口，用于接收来自所述焊接处周围区域的烟气。

14、如权利要求13所述的电弧焊炬，其中，所述烟气抽取口定位在所述护罩气体口的沿径向的内部。

15、如权利要求13或14所述的电弧焊炬，其中，所述烟气抽取口定位在所述保护气体口与所述护罩气体口的沿径向的中间。

16、如权利要求13或14所述的电弧焊炬，其中，所述烟气抽取口定位在所述保护气体口与所述焊接电极的沿径向的中间。

17、如权利要求13至16中任一项所述的电弧焊炬，其中，所述焊炬包括包围所述焊炬的用于限定烟气抽取通道的内套筒，所述烟气抽取口被定位在所述内套筒的自由端或定位为接近所述内套筒的自由端。

18、一种用于从焊接处抽取烟的方法，其中，电弧从焊接电极释放至所述焊接处，所述方法包括：

产生保护气体屏环绕所述焊接电极和所述焊接处，产生与所述焊接电极沿径向向外分隔的护罩气体屏；以及

从位于从所述护罩气体屏沿径向向内的位置抽取烟气，

其中，所述护罩气体屏包括沿径向向外的速度分量。

19、如权利要求18所述的方法，其中，所述烟气从位于所述保护气体屏和所述护罩气体屏的沿径向的中间的位置抽取。

20、如权利要求18所述的方法，其中，所述烟气从位于所述保护气体屏和所述焊接电极的沿径向的中间的位置抽取。

21、如权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，所述焊接电极为用于GMAW应用的可耗金属焊接电极。

22、如权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，所述焊接电极为用于GTAW或PAW应用的钨电极。

23、如权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，所述焊接电极采用可耗自保护焊接电极的形式，用于在SSFCAW应用的使用过程中产生围绕所述电弧和所述焊接处的电弧保护气体屏。

24、如权利要求23所述的方法，其中，所述自保护焊接电极为可耗焊剂芯电极。

25、如权利要求18至24中任一项所述的方法，其中，所述护罩气体被引导为沿基本径向向外的方向。

26、如权利要求18至25中任一项所述的方法，其中，所述烟气被用于接收来自所述焊接处周围区域的烟气的所述烟气抽取口抽取。

27、如权利要求18至26中任一项所述的方法，其中，护罩气体流速与保护气体流速的比率被选择为约2:1至约3:1。

28、如权利要求18至27中任一项所述的方法，其中，烟气抽取速率与保护气体流速的比率为约1:1。

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