CN101977721A - 等离子焊接法以及用于该等离子焊接法的外部气体 - Google Patents

等离子焊接法以及用于该等离子焊接法的外部气体 Download PDF

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Abstract

本发明的等离子焊接用外部气体使用等离子焊炬，所述等离子焊炬在钨电极(1)的周围配置嵌入片(2)，在该嵌入片的周围配置防护罩(3)，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，焊接不锈钢时，使用二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为惰性气体的混合气体，进行碳素钢的等离子小孔焊接时，使用氧气为0.5～6vol％或二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为氩气的混合气体。

Description

等离子焊接法以及用于该等离子焊接法的外部气体
技术领域
本发明涉及等离子焊接法以及用于该等离子焊接法的外部气体，详细涉及即使是厚的被焊接材也能够形成稳定的背面焊道的等离子焊接法以及外部气体。
本申请基于2008年3月26日于日本申请的特愿2008-080650号以及2009年2月6日于日本申请的特愿2009-026121号主张优先权，这里援用其内容。
背景技术
等离子焊接法与TIG焊接法一起被分类为非消耗电极式焊接法。等离子焊接法与TIG焊接法相比，由于热集中性优异，因此能够缩小焊道宽度，高速地进行焊接，并且能够进行变形少的焊接。
另外，等离子焊接法能够利用能量密度高的等离子电弧进行单面熔透焊接法即小孔焊接。
TIG焊接法的例子记载在专利文献1～3中。
小孔焊接中，等离子电弧推开熔融金属并贯通母材从而形成小孔。该小孔随着焊接的进行，熔融金属穿过其壁面向后方移动并形成熔池，从而形成焊接焊道。
因此，可进行I形坡口(square groove)对接的单道单面焊接的板厚，碳素钢板约为0.6到6mm，不锈钢板约为0.1到8mm。
图1示意性地表示用于这种等离子焊接法的焊炬的一例。
图1中符号1表示钨电极。该钨电极1是由钨或含有少量氧化镧等稀土类元素氧化物的钨构成的棒状电极。
该钨电极1被嵌入片(インサ一トチツプ)2包围。该嵌入片2为管状，相对于钨电极1配置间隔，且设置在同轴上。另外，虽未图示，但冷却水在其内部循环，嵌入片2得以冷却。
嵌入片2进一步被防护罩3包围。该防护罩3为管状，相对于嵌入片2配置间隔，且设置在同轴上。
在钨电极1与嵌入片2的间隙中流通包含氩气、氦气等惰性气体的中心气体，在嵌入片2与防护罩3的间隙中流通包含在氩气、氦气等惰性气体中添加有3～7vol％的氢气的混合气体的外部气体。
中心气体作为等离子气体发挥作用，外部气体作为保护气体发挥作用。
另外，来自维弧电源4的电流被施加到钨电极1与嵌入片2并点火预备等离子，接着来自主弧电源5的电流被施加到钨电极1与被焊接材6，等离子电弧从钨电极1流到被焊接材6。
进而，钨电极1的前端部与嵌入片2的前端部相比配置在更内侧的位置，处于未比嵌入片2的前端部分更向外侧突出的状态。
据此，钨电极1被包含惰性气体的中心气体包围，处于不暴露于氧化性气体的状态，即使在焊接时也不会氧化、消耗。另外，不会产生溅射，能够实现长时间高品质的焊接，并且能够降低运转成本。
因此，等离子焊接法主要广泛应用于压力容器、配管和接头制作的焊接施工中。
但是，现有的等离子焊接法在板厚8mm以上的不锈钢和板厚6mm以上的碳素钢的焊接中，难以稳定地形成背面焊道，因重力的影响造成无法耐受熔融金属的自身重量，导致存在背面焊道的形状不稳定的问题。因此，在焊接部的背侧加垫板进行焊接。
另外，背面焊道不稳定会影响表面焊道的完成，存在需要调整等不良问题。
专利文献1：日本特开2003-311414号公报
专利文献2：日本特开2006-26644号公报
专利文献3：日本特开2004-298963号公报
发明内容
因此，本发明的课题在于利用等离子焊接法，焊接板厚8mm以上的不锈钢材或板厚6mm以上的碳素钢材以稳定且良好地形成背面焊道。
为了解决上述课题：
本发明的第一方式为等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行不锈钢的等离子焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为惰性气体的混合气体。
本发明的第二方式为等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬进行不锈钢的等离子焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为惰性气体的混合气体。
本发明中优选在等离子焊接时，不对被焊接材加垫板(backing metal)。
本发明的第三方式为等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
本发明的第四方式为等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是氧气为0.5～6vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
本发明的第五方式为等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬，进行碳素钢的等离子小孔焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子小孔焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
本发明的第六方式为等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子小孔焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用氧气为0.5～6vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
本发明中优选在等离子小孔焊接时，不对被焊接材加垫板。
根据本发明的第一和第二方式，通过在焊炬中流通包含惰性气体的中心气体，且流通惰性气体中混合有0.5～2vol％的二氧化碳的混合气体作为外部气体并进行不锈钢的等离子焊接，能够获得深的熔深，并使背面焊道稳定。因此，无需加垫板，就能够对板厚8mm～12mm的不锈钢材进行焊接加工。结果是垫板(铜制)的制作、设置不需要成本。另外，即使在配管、容器等无法使用垫板的被焊接物中也能够容易地进行良好的焊接。
根据本发明的第三～第六方式，通过在焊炬中流通包含惰性气体的中心气体，且流通氩气中混合有0.5～2vol％的二氧化碳的混合气体或者氩气中混合有0.5～6vol％的氧气的混合气体作为外部气体并进行碳素钢的等离子焊接，能够获得深的熔深，能够进行小孔焊接，并使背面焊道稳定。因此，无需加垫板，就能够对板厚6mm～10mm的碳素钢材进行焊接加工。结果是垫板(铜制)的制作、设置不需要成本。另外，即使在配管、容器等无法使用垫板的被焊接物中也能够容易地进行良好的焊接。
附图说明
图1是表示本发明中的等离子焊接用焊炬的概略结构图。
图2是表示试验例1的结果的照片。
图3是表示试验例3的结果的照片。
图4是表示试验例3的结果的照片。
符号说明
1...钨电极、2...嵌入片、3...防护罩
具体实施方式
[本发明的第一和第二实施方式]
在本发明的第一和第二实施方式中，例如使用图1所示的等离子焊炬进行等离子焊接时，在钨电极1与嵌入片2的间隙中流通包含氩气、氦气等惰性气体或者它们的混合气体的中心气体，在嵌入片2与防护罩3的间隙中流通包含0.5～2vol％、优选0.6～2vol％的二氧化碳和98～99.5vol％、优选98～99.4vol％的氩气、氦气或氩气与氦气的混合气体等惰性气体的混合气体的外部气体。
此外，第一和第二实施方式与上述第一和第二方式对应。
在本发明的第一和第二实施方式中，通过这种中心气体与外部气体的组合，能够获得深的熔深，并能够获得可使背面焊道稳定的效果。
外部气体中的二氧化碳浓度小于0.5vol％时以及超过2vol％时，背面焊道的宽度都不整齐，焊道产生弯曲、凹凸，导致焊道变得不稳定。
另外，作为外部气体使用惰性气体与氧气的混合气体时，或者使用惰性气体与氢气的混合气体时，背面焊道的宽度也不整齐，焊道产生弯曲、凹凸，导致焊道变得不稳定。
等离子焊接中的中心气体使用惰性气体这点是公知的，但是外部气体使用0.5～2vol％的二氧化碳与98～99.5vol％的惰性气体的混合气体这点是并未公知。
虽然在TIG焊接中提出了将这种混合气体用作保护气体，但是由于焊接原理不同，焊炬的构造也不同，因此作用效果也不同。
在TIG焊接中，作为保护气体有时使用氩气中混合有0.5vol％以下的二氧化碳的混合气体，但是此时的二氧化碳的功能是将熔池的对流设为内向对流从而加深熔深。
另一方面，在本发明的第一和第二实施方式中，作为外部气体使用上述混合气体时的二氧化碳的功能并未充分弄清，但可以推测是使熔池的表面张力下降，据此熔池整体的熔融金属的粘性下降，顺利地形成小孔，对背面焊道给予良好的影响。
上述中心气体的流量根据焊接条件、被焊接材的种类等而不同，通常优选为0.1～5升/分钟左右。另外，外部气体的流量也根据焊接条件、被焊接材的种类等而不同，通常优选为5～20升/分钟左右。
焊接电流可以使用直流，但优选为脉冲电流。作为脉冲电流，优选电流波形为矩形波，脉冲频率20～100Hz，基极电流30～80A，峰值电流30～200A，峰值期间与基极期间的比率(脉冲宽度)为1∶0.5～1∶5，但并不限定于上述范围。
若提高峰值电流，则产生的等离子电弧的扩散缩小，易于生成小孔，适合于板厚厚的不锈钢材的焊接。
焊接速度的适合范围根据被焊接材的种类、厚度等而不同，通常为3～10cm/分钟左右。
焊接位置可以为平焊、仰焊、立焊(vertical position)中的任意一种。在仰焊和立焊位置中，若降低脉冲电流的频率，则有利于防止熔融金属的下垂、形成背面焊道。
焊炬的倾斜角优选为0～30度左右。
焊炬的嵌入片2的前端部的内径由于会对生成的等离子电弧的扩散造成影响因此是重要的，5mm以下、优选2mm左右是合适的。
另外，被焊接材并不特别限定，可以使用通常的不锈钢材。由于良好地形成小孔，因此能够适用于板厚厚的不锈钢材、例如厚度8～12mm的不锈钢材。
另外，在本发明的第一和第二实施方式的焊接中，焊接时在被焊接材的背侧不一定需要加垫板。这是由于能稳定地形成背面焊道。因此，即使对于配管、容器等无法加垫板的被焊接材也能够进行良好的焊接。
[本发明的第三～第六实施方式]
在本发明的第三～第六实施方式中，例如使用图1所示的等离子焊炬，将碳素钢作为被焊接材进行等离子焊接时，在钨电极1与嵌入片2的间隙中流通包含氩气、氦气等惰性气体或它们的混合气体的中心气体，作为在嵌入片2与防护罩3的间隙中流通的外部气体使用以下两种混合气体。
1)二氧化碳为0.5～2vol％、优选为0.5～1vol％，剩余部分为氩气的混合气体，
2)氧气为0.5～6vol％、优选为0.5～3vol％，剩余部分为氩气的混合气体。
而且，第三～第六实施方式与上述的第三～第六方式对应。
在本发明的第三～第六实施方式中，通过这种中心气体与外部气体的组合，能够获得深的熔深，能够实现小孔焊接，并能够获得可使背面焊道稳定的效果。
外部气体中的二氧化碳浓度小于0.5vol％时以及超过2vol％时，或者氧气浓度小于0.5vol％时以及超过6vol％时，背面焊道的宽度都不整齐，焊道产生弯曲、凹凸，导致焊道变得不稳定。
另外，作为外部气体使用惰性气体与氢气的混合气体时，背面焊道的宽度也会不整齐，焊道产生弯曲、凹凸，导致焊道变得不稳定。
碳素钢的等离子焊接中的中心气体使用惰性气体这点是公知的，但是外部气体使用上述两种混合气体这点并未公知。
虽然在TIG焊接中提出了将这种混合气体用作保护气体，但是由于焊接原理不同，焊炬的构造也不同，因此作用效果也不同。
如上所述，在TIG焊接中，作为保护气体有时使用氩气中混合有0.5vol％以下的二氧化碳的混合气体，但是此时的二氧化碳的功能是将熔池的对流设为内向对流从而加深熔深。
另一方面，在本发明的第三～第六实施方式中，作为外部气体使用上述混合气体时的二氧化碳的功能并未充分弄清，但可以推测是使熔池的表面张力下降，据此熔池整体的熔融金属的粘性下降，顺利地形成小孔，对背面焊道给予良好的影响。
上述中心气体的流量根据焊接条件、被焊接材的种类等而不同，通常优选为0.1～5升/分钟左右。另外，外部气体的流量也根据焊接条件、被焊接材的种类等而不同，通常优选为5～20升/分钟左右。
焊接电流可以使用直流，但也可以为脉冲电流。电流值由被焊接材的厚度、种类、焊接速度等因素左右，通常为100～300A的范围。
焊接速度根据碳素钢材的种类、厚度等而适合范围不同，通常为3～10cm/分钟左右。
焊接位置可以为平焊、仰焊、立焊中的任意一种。在仰焊和立焊位置中，若降低脉冲电流的频率，则有利于防止熔融金属的下垂、形成背面焊道。
焊炬的倾斜角优选为0～30度左右。
焊炬的嵌入片2的前端部的内径由于会对生成的等离子电弧的扩散造成影响因此是重要的，5mm以下、优选3.2mm左右是合适的。
另外，由于被焊接材可以使用通常的碳素钢材，并良好地形成小孔，因此能够适用于板厚厚的、例如厚度6～10mm的碳素钢。设置V形坡口、U形坡口时，将钝边设为10mm以下时则没有板厚的限制。
另外，在本发明的第三～第六实施方式的焊接中，焊接时在被焊接材的背侧不一定需要加垫板。这是由于能稳定地形成背面焊道。因此，即使对于配管、容器等无法加垫板的被焊接材也能够进行良好的焊接。
实施例
以下，为了确认本发明中的效果，通过以下的试验例进行特性的确认试验。
(试验例1)
在以下焊接条件下，使用板厚8mm的不锈钢板，进行利用堆焊(bead-on-plate)的等离子焊接，调查背面焊道的稳定性。
<焊接条件>
焊接方式：等离子焊接(非消耗式电极焊接)
焊接母材：SUS304(板厚8mm)
焊接方法：等离子焊接法(平焊位置)
电极：加入有2％氧化镧的钨φ4.8mm
中心喷嘴母材间距离：3.5mm
焊炬倾斜角度：前进角20度
焊接电流：峰值电流＝120A 基极电流＝50A
焊接速度：6cm/min
脉冲宽度：50％
脉冲频率：50Hz
喷嘴内径：2mm
垫板：无
使用的中心气体与外部气体的组合如以下的1)～4)记载所示。％均为容积基准。
1)中心气体：100％Ar；外部气体：97～99.5％Ar与0.5～3％CO2的混合气体
2)中心气体：100％Ar；外部气体：100％Ar
3)中心气体：100％Ar；外部气体：99～99.5％Ar与0.5～1％O2的混合气体
4)中心气体：93％Ar与7％H2的混合气体；外部气体：93％Ar与7％H2的混合气体
1)所述的气体组合与本发明的第一和第二方式相当，2)～4)所述的气体组合用于比较。另外，流量均为中心气体1.6升/分钟，外部气体10升/分钟。
图2示出结果。在图2中示出拍摄表面焊道与背面焊道的外观的照片，根据其外观判断是否合格。
○：合格(背面焊道的宽度整齐，没有弯曲和凹凸并且稳定。)
×：不合格(背面焊道的宽度不整齐，存在弯曲和凹凸并且不稳定。)
根据图2的结果可知，作为外部气体使用98～99.5％的氩气与0.5～2％的二氧化碳的混合气体能够形成稳定的背面焊道。
(试验例2)
在以下焊接条件下，使用板厚12mm的不锈钢板，进行利用堆焊的等离子焊接，调查背面焊道的稳定性。其结果是确认了12mm板厚的不锈钢板也能形成稳定的背面焊道。
<焊接条件>
焊接方式：等离子焊接(非消耗式电极焊接)
焊接母材：SUS304(板厚12mm)
焊接方法：等离子焊接法(平焊位置)
电极：加入有2％氧化镧的钨φ4.8mm
中心喷嘴母材间距离：5mm
焊炬倾斜角度：前进角10度
焊接电流：峰值电流＝150A 基极电流＝100A
焊接速度：6cm/min
脉冲宽度：20％
脉冲频率：20Hz
喷嘴内径：2mm
垫板：无
中心气体：100％Ar
外部气体：Ar-1％CO2
中心气体流量：1.7升/分钟
外部气体流量：15升/分钟
(试验例3)
在以下焊接条件下，使用板厚9mm的碳素钢板，进行利用堆焊的等离子焊接，调查背面焊道的稳定性。
<焊接条件>
焊接方式：等离子焊接(非消耗式电极焊接)
焊接母材：SS400(板厚9mm)
焊接方法：等离子焊接法(平焊位置)
电极：加入有2％氧化镧的钨φ4.8mm
中心喷嘴母材间距离：5mm
焊炬倾斜角度：前进角4度
焊接电流：220A
焊接速度：15cm/min
喷嘴内径：3.2mm
垫板：无
作为外部气体使用以下1)～10)记载的气体。％均为容积基准。此外，中心气体均为100％Ar。
1)Ar(现有品)
·氧气混合外部气体
2)Ar+0.5％O2
3)Ar+1.0％O2
4)Ar+2.0％O2
5)Ar+3.0％O2
6)Ar+4.0％O2
7)Ar+5.0％O2
8)Ar+6.0％O2
9)Ar+7.0％O2
·二氧化碳混合外部气体
10)Ar+0.5％CO2
11)Ar+1.0％CO2
12)Ar+2.0％CO2
13)Ar+3.0％CO2
流量均为中心气体2.22升/分钟，外部气体15升/分钟。
图3、图4示出结果。在图3、图4中示出拍摄背面焊道的外观的照片，根据其外观判断是否合格。
○：合格(背面焊道的宽度整齐，没有弯曲和凹凸并且稳定。)
×：不合格(背面焊道的宽度不整齐，存在弯曲和凹凸并且不稳定。)
根据图3、图4的结果可知，作为外部气体，氩气中添加有0.5～6vol％的氧气的气体或氩气中添加有0.5～2vol％的二氧化碳的气体能够形成稳定的背面焊道。

Claims (8)

1.一种等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行不锈钢的等离子焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为惰性气体的混合气体。
2.一种等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬进行不锈钢的等离子焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为惰性气体的混合气体。
3.根据权利要求2所述的等离子焊接法，其中，等离子焊接时，不对被焊接材加垫板。
4.一种等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
5.一种等离子焊接用外部气体，其为使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接时所使用的等离子焊接用外部气体，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通包含惰性气体的中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，其中，
该外部气体是氧气为0.5～6vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
6.一种等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子小孔焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用二氧化碳为0.5～2vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
7.一种等离子焊接法，该方法具有使用等离子焊炬进行碳素钢的等离子小孔焊接的工序，该等离子焊炬在钨电极的周围配置嵌入片，在该嵌入片的周围配置防护罩，钨电极的前端部与嵌入片的前端部相比位于更内侧，在钨电极与嵌入片的间隙中流通中心气体，在嵌入片与防护罩的间隙中流通外部气体，
进行所述等离子小孔焊接时，中心气体使用惰性气体，外部气体使用氧气为0.5～6vol％、剩余部分为氩气的混合气体。
8.根据权利要求6或7所述的等离子焊接法，其中，等离子小孔焊接时，不对被焊接材加垫板。
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