CN103517781A

CN103517781A - 使用旋转电弧和Ar/He/CO2气体混合物对不锈钢的MIG/MAG焊接

Info

Publication number: CN103517781A
Application number: CN201280022710.3A
Authority: CN
Inventors: L·比斯库普; J-P·普朗卡尔特
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2014-01-15
Also published as: US20140097158A1; WO2013001182A1; CA2828929A1; JP2014516794A; BR112013025207A2; FR2975029A1; FR2975029B1; EP2707169A1

Abstract

本发明涉及一种MIG/MAG型电弧焊接方法，该方法使用可消耗填充焊丝和由三元气体混合物形成的保护气体焊接一个或多个不锈钢部件，所述三元气体混合物包含19%至21%的氦气、0.8%至1.2%的CO₂和剩余体积的氩气（按体积百分含量计）。根据本发明，电弧是旋转的，可消耗填充焊丝通过电弧熔化，以便借助旋转液流进行金属熔滴过渡，并且被焊接的部件包括搭叠的端部。

Description

使用旋转电弧和Ar/He/CO2气体混合物对不锈钢的MIG/MAG焊接

技术领域

本发明涉及利用可消耗填充焊丝和由三元气体混合物形成的保护气体焊接一个或多个由不锈钢制成的部件、特别是具有彼此重叠/搭叠的端部的部件的MIG/MAG型电弧焊接方法，其中所述三元混合气体由氩气、氦气和二氧化碳（CO₂）组成。

背景技术

搭接接头将两个板或区段接合在一起，所述板或区段的端部彼此搭接，或换言之，彼此相靠，就如特别是在“常规搭接”接头或啮合搭接型构型（configuration de type bords soyés，平面搭接型构型，错折搭接型构型）中的接头中的情况那样。

特别其是在如下类型的压力容器的组成构件中存在处于啮合搭接类型构型的金属部件接头（通常称为啮合搭接接头）：热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备、LPG气瓶等。

如图3所示，这种接头通常包括具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接头的中性纤维对齐、表面对齐、圆度偏差、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，如图3所示，此类搭接接头、特别是啮合搭接接头（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。

还应该牢记，根据焊接方法，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焊接方法对啮合搭接接头的焊接，该焊接使用由如下的气体组成的气体混合物：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）。

但是，这种方法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。

此外，EP-A-2078580提出的混合物使得有必要采用略高的电压，以100%地避免产生极短暂但强烈的短路现象。

事实上，为了焊接不锈钢，特别是具有彼此重叠的端部的部件存在一定数量的特定问题。

因此，对于包含10%至20%的He、2%至3%的O₂以及剩余体积的氩气的气体，喷射熔滴过渡和旋转液体脉路熔滴过渡之间的过渡区域更宽。这是因为已经证实，在相同的能量水平下，焊丝的熔化部分在由不锈钢制成的情况下比在由碳钢制成的情况下长。因此，需要更高的电压以防止成品中由大量飞溅反映的短暂而强烈的短路。

此外，对于包含由10%至20%的He、3%的O₂以及剩余体积的氩气的气体，不锈钢上得到的焊道的表面外观呈现过高而与工业使用不兼容的氧化。

最后，实现不存在短路的旋转液体脉路熔滴过渡模式所需的高电压水平导致熔融焊丝的节段与焊接熔池分离。这样焊接的部件因而呈现附随的飞溅——这在此同样与期望品质不兼容。

文件US-A-4749841提出了一种利用保护气体对由不锈钢制成的部件进行MIG/MAG型焊接的方法，所述保护气体由16%至25%的氦气、1%至4%的CO₂以及剩余体积的氩气组成。

但是，该方法使用脉冲型金属熔滴过渡模式，该金属熔滴过渡模式不适合焊接具有彼此重叠的端部的部件，特别是由于过圆的焊道形态以及得到的熔深轮廓。

由此，所面对的一个问题是提供一种用于不锈钢的有效电弧焊接的方法，该方法使得可以获得如下的效果：好的熔深以及好的焊接质量，特别是好的焊道形态；在焊接特别是重叠的由不锈钢制成的接头、尤其是啮合搭接型接头或常规搭接型接头期间不产生飞溅或者尽可能地减少飞溅，这在低能量水平下实现。

发明内容

本发明的方案因而是一种利用可消耗填充焊丝和由三元气体混合物形成的保护气体焊接一个或多个由不锈钢制成的部件的MIG/MAG型电弧焊接方法，所述三元气体由19%至21%的氦气、0.8%至1.2%的CO₂以及剩余体积的氩气（按体积百分含量计）组成，所述方法的特征在于，所述电弧为旋转电弧，所述可消耗填充焊丝通过所述电弧熔化，以便通过旋转液体脉路得到金属的熔滴过渡，并且被焊接的部件包括特别是以常规搭接或啮合搭接方式彼此重叠的端部。

更具体地，利用旋转运动驱动液体金属即熔融金属的脉路。通过使可消耗填充焊丝在电弧内熔化来形成液体金属的脉路。

根据情况，本发明的焊接方法可以包括一个或多个下列特征（按体积百分含量计）：

-所述气体混合物包含至少19.5%的氦气，优选至少19.8%的氦气，更优选至少19.9%的氦气，

-所述气体混合物包含至多20.5%的氦气，优选至多20.3%的氦气，更有利地至多20.1%的氦气，

-所述气体混合物包含至少0.9%的CO₂，优选至少0.95%的CO₂，

-所述气体混合物包含至多1.10%的CO₂，优选至多1.05%的CO₂，

-所述气体混合物包含19.95%至20.05%的氦气，0.98%至1.02%的CO₂，以及剩余体积的氩气，

-所述气体混合物由20%的氦气、1%的CO₂和79%的氩气组成，

-所述气体混合物预先分装在气罐中，特别是预先分装在气瓶中。

-利用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，就地生产所述气体混合物，

-所述被焊接的部件包括彼此重叠的柱形端部，

-所述被焊接的部件是下列类型的压力容器的组成构件：热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备或LPG气瓶，

-焊接电压在29.5V与35V之间，

-焊接强度在245A与300A之间，

-焊丝为ER308L Si型，

-送丝速率（V焊丝）为至多30m/min，典型地在16m/min与20m/min之间，

-焊接速率为至多5m/min，典型地在0.8m/min与2m/min之间。

附图说明

在以下参照附图做出的描述中将更详细地说明本发明，在附图中：

-图1给出了熔滴过渡类型对焊道形态的影响的图形表示，

-图2给出了旋转液体脉路的图形表示，及

-图3给出了啮合搭接接头的图形表示。

具体实施方式

通常，在MIG-MAG电弧焊接中，存在三个主要的或传统的熔滴过渡模式，即：

-短路过渡模式。针对低电弧能量（典型地，电流从50A至200A，电压从15V至20V），获得该熔滴过渡模式。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——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。这种模式被认为是“冷的”并且具有短的电弧。这种熔滴过渡模式适用于小厚度（也就是小于3mm的厚度）的焊接，并且使得可以在定位焊接期间控制熔池。

-轴向喷射过渡模式。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。电弧长4mm至6mm。这种金属过渡提供了稳定的电弧以及很少的飞溅。这种熔滴过渡模式允许大的熔深，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。这种熔滴过渡模式适宜于焊接厚度为5mm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。

-粒状熔滴过渡模式。对于位于提供短路熔滴过渡模式的能量和提供轴向喷射熔滴过渡模式的能量之间的焊接能量（也就是说典型地处于电流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。由于电流强度不足以产生促使熔滴脱离的缩颈效应，故熔滴变大，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，熔滴遵循并不总是在电弧的轴线上的轨迹行进。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模式基础上加入三种需要非传统焊接参数的熔滴过渡模式，也就是：

-强制短弧熔滴过渡模式。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附随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模式。该强制短弧熔滴过渡模式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。

-脉冲熔滴过渡模式。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。在脉冲熔滴过渡模式中，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模式是强制的，也就是说，通过仔细地选择脉冲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。这种熔滴过渡模式需要发生器、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模式：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，熔滴过渡模式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模式来获得。因此，在图1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1中可以看出，每种熔滴过渡模式导致特定的焊道形状。因此：

-由带有大的附随飞溅的透镜状熔深来表示粒状熔滴过渡模式。

-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的调整范围，所以脉冲熔滴过渡模式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，使得这种熔滴过渡模式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且在焊道的根部处由更明显的熔深体现。

-轴向喷射熔滴过渡模式导致顶针形状的熔深，当焊丝速率高时，这种形状变得更明显。润湿性良好。

-旋转液体脉路或者RLV熔滴过渡模式形成盘状平底焊道熔深。

在本发明的上下文中，优选的熔滴过渡模式是旋转液体脉路或RLV型熔滴过渡模式。

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熔滴过渡模式需要使用高的电压-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，所述发电机的功率包络线应覆盖该能量范围），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与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模式下，在传统的送丝速率下确保启动和关闭阶段的平稳运行，并且在第二种模式下，允许转变到需要高送丝速率的高沉积速率模式。

此外，必须通过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重要，因为其决定了更好或更坏质量的焊道的获得，特别是在所述部件由不锈钢制成时。

示例

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气体混合物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在低能量水平的情况下（也就是说电流小于325A和电压小于40V）完成的熔滴过渡来改进MIG/MAG焊接的工艺。

发明人对于氦气、氧气、CO₂和氩气特别感兴趣，并且进行了记录于下的对比试验。

事实上，由于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≈ρ_Ah_Av_AA

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，

-ρ_A是等离子体的平均密度，

-v_A是等离子体的平均速率，以及

-A是电弧的表面积。

能量流密度因而由ρ_Ah_Av_A表示，因此等离子体的一个必要的材料特性是乘积ρh或ρc_p，因为c_p=dh/dT。

根据上述的等式，对于相同的I和V的值而言，值c_p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v_A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，氩气的作用是其自身促使电弧的点燃，因为氩气容易电离。

此外，氧气和CO₂对电弧有稳定作用，而且具有表面活性方面，该表面活性方面将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，所针对的目的是顺利地在特别是具有啮合搭接构型（图3）的不锈钢部件的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。

为了实现这个目的，如在下列试验中所述，对不同三元气体组合物、特别是三元Ar/He/O₂和Ar/He/CO₂混合物执行试验。

试验A（对比试验）

利用具有以下组分（按体积百分含量计）的氧化气体混合物对不锈钢执行第一次电弧焊接试验以观察电弧的表现：87%Ar+10%He+3%O₂。

所采用的工艺为利用可消耗焊丝的自动化MAG焊接工艺，该自动化MAG焊接工艺使用来自FANUC的Arcmate120i型机器人、Digiwave500型发电机、DVR500型送丝器和来自Air Liquide Welding的Promig441W型焊炬。

对厚度为4mm、由X2CrNi189不锈钢制成的部件以全板方式执行焊接。

充当填充金属的焊丝的组合物属于G199L Si（ER308L Si）不锈钢类型且直径为1mm。

其它焊接参数如下：

-焊接电压：31V

-强度：275A

-接触末端/部件距离：24mm

-气体流速：25l/min

-焊接速率（WeR）：160cm/min

-送丝速率（WiR）：20m/min

-焊炬的轴线与部件的表面形成大约45°角。

利用该氧化混合物（3%O₂）得到的结果表明，尽管建立了旋转电弧，也就是说旋转液体脉路（RLV），但电弧高度太高并导致粘附于焊接熔池的周边的大量飞溅。此外，观察到焊道的强氧化。

所测试的第一混合物因此提供了在工业上不能接受的结果。

试验B（对比试验）

根据在试验A期间获得的结果，利用包括更多氦气的第二气体混合物（也即，具有下列组分的气体混合物）对不锈钢执行其它焊接试验：Ar+20%He+3%O₂。

在试验B期间，除采用下列参数外，参数总体上与试验A中相同：

-接触末端/部件距离：25mm

-WeR：60cm/min

-焊接电压：33.8V

-强度：278A

所得到的结果与上面一样表面大量的飞溅和焊道的强氧化。RLV熔滴过渡稳定但电弧高度依然太高。焊道呈现相对良好的紧凑性但过低的熔深。

在焊接熔池后面使用惰性气体（氩气）的射流，也就是氩气“拉杆（trainard，拖尾流）”，不会产生明显差别。

所测试的第二混合物因此本身也提供了工业上不能接受的结果，有无氩气拉杆都是这种情况。

试验C（对比试验）

试验C除使用了略微地不同的焊接参数外类似于试验B，也即：

-焊接电压：32.2V

-强度：249A

-WiR：18m/min

所得到的结果表明：与上面一样，由于在电弧旋转期间施加的离心力和焊道的强氧化而引起大量飞溅。未建立RLV熔滴过渡，并且电弧完全不稳定。

试验D（本发明）

试验A至C的结果确认，基于氧的气体混合物的使用并不适合于不锈钢的焊接。

为了确认焊道的高度氧化的外观由所测试的气体混合物的过度氧化性质（即，O₂的体积百分含量为3%）导致，在降低所采用的气体的氧化效力的同时产生其它焊道，以试图改善焊道的表面外观并降低液体脉路的流动性。

为了实现这个目的，用二氧化碳（CO₂）代替氧气。所测试的气体于是具有下列组分：81%Ar+18%He+1%CO₂。

焊接条件除采用了在下表A中给出的参数外与前面的试验（不锈钢焊丝、金属板等）相似。

表A

*焊炬关于竖向的倾角；在焊接时，参照“5°push”位置。

所得到的焊道呈现以下特性：

-焊道宽度：15.3mm

-熔深：1.9mm

-超厚：2.1mm

-总表面积：42.1mm²

-熔透表面积：31.5mm²

-润湿角度：155.3°

这些结果表明，所测试的气体优选与对于使用RLV焊接不锈钢而言期望的标准兼容。

这是因为，焊道的外观良好，飞溅程度低，并且表面氧化已显著减少。

试验E（本发明）

鉴于试验D的结果，在与试验D相同的条件下但以不同的CO₂含量执行补充试验。

所测试的气体包括0.5%至3%的CO₂、20%的氦气以及剩余体积的氩气，如下表B中给出的。

表B

在检查所得到的宏观图之后，发现在2%的CO₂之上，喷射熔滴过渡模式出现，从而产生不能接受的结果。

飞溅（金属板上和附近）在大约1.5%的CO₂之前非常有限，但从2.5%的CO₂开始变得非常大并且完全不能接受。

焊道的外观随着CO₂含量的增加而渐渐地恶化。对于小于1.5%、优选1%的数量级的CO₂含量，获得最佳结果。

在所有情况下，给出最佳结果的混合物为具有下列组分的混合物：20%He+1%CO₂+79%Ar，特别是由于由其带来的优良润湿和焊道的比用氧气代替CO₂、其他相同的混合物低得多的氧化。

应该注意的是，这些结果已在对啮合搭接接头（也即，彼此焊接的由不锈钢制成的两个金属圈，如图3所示）执行的补充试验期间验证。

最后，这些测试允许作出如下结论：由大约20%的氦气、大约1%的CO₂和剩余体积的氩气形成的混合物完全适合于利用旋转液体脉路对不锈钢（特别是搭接接头，例如啮合搭接接头和常规搭接接头）的MAG焊接，也就是说旋转电弧MAG焊接。

根据本发明的MIG/MAG焊接工艺非常适合于由不锈钢制成的部件特别是水加热器箱体、灭火器的主体、容器等的啮合搭接接头的焊接，而且非常适合于基于厚度典型地小于5mm的薄梁的由不锈钢制成的任何结构（例如仅疲劳工作且根部熔透深度不是主要标准的卡车拖挂器）的填角焊。

但是，所考虑的气体混合物明显允许有效的喷射熔滴过渡。因此使得在希望根部熔透的情况下可以通用。

Claims

1.一种利用可消耗填充焊丝和由三元气体混合物形成的保护气体来焊接一个或多个由不锈钢制成的部件的MIG/MAG型电弧焊接方法，所述三元气体按体积百分含量计由19%至21%的氦气、0.8%至1.2%的CO₂以及剩余体积的氩气组成，所述方法的特征在于，所述电弧为旋转电弧，所述可消耗填充焊丝通过所述电弧熔化，以便通过旋转液体脉路获得金属的熔滴过渡，并且所述被焊接的部件包括彼此搭接的端部。

2.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含至少19.5%的氦气，优选至少19.8%的氦气，且更优选至少19.9%的氦气。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含至多20.5%的氦气，优选至多20.3%的氦气。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含至少0.9%的CO₂，优选至少0.95%的CO₂。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含至多1.10%的CO₂，优选至多1.05%的CO₂。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含17.95%至18.05%的氦气、0.98%至1.02%的CO₂以及剩余体积的氩气。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物由20%的氦气、1%的CO₂和79%的氩气组成。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述被焊接的部件包括彼此搭接的柱形端部。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述被焊接的部件是下列类型的压力容器的组成构件：热水箱、灭火器、压缩机、制冷设备或气瓶。