CN105916623A - 用由氩/氦气体混合物构成的保护气体的电弧堆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包覆金属部件(8)的至少一部分的方法，所述方法使用非自耗电极(4)、自耗金属填充焊丝(1)、在电极(4)和部件(8)之间形成的电弧(5)以产生熔融金属池(2)，金属填充焊丝(1)的端部通过电弧(5)来熔化以实现熔融金属从填充焊丝(1)到熔融金属池(2)的转移并且使用金属沉积层(6)来包覆部件(8)的至少一部分，所述方法使用含有20％到70％的氦和剩余为氩(体积百分比)的气体混合物对电极(4)、填充焊丝(1)和熔融金属池(2)进行气体保护。

Description

用由氩/氦气体混合物构成的保护气体的电弧堆焊方法

技术领域

本发明涉及一种用于氩弧焊(TIG)包覆(熔覆)金属部件的至少一部分的方法，其具有大大提高的生产率和熔敷特性。

背景技术

包覆是一种方法，包括：使用沉积层涂覆部件、或部件的一部分或基片，取决于所使用材料的性质，包覆沉积层和基片之间的结合以电学的、机械的或热学的方式实现。

通常，在部件的制造或维修期间进行包覆操作。这些操作主要执行为改善部件对各种应力，例如磨损、压力和/或腐蚀的阻抗力，或者以修复受到恶劣磨损条件的部件。避免管子腐蚀或者阀的表面覆层是示例性的应用。

涂覆层和基片通常地由金属制成，取决于情况，包覆材料可以与基片的材料相同或不同。限定和控制包覆沉积层的组成以使得最适合于使用条件。

可以使用最常规的焊接方法来制造包覆沉积层。然后通过熔化金属基片的表面以制造熔融金属池并且熔化转移到该熔融金属池中的金属填充物以将其与基片的基底金属结合并且形成包覆沉积层来完成包覆。例如，电极保护焊接包覆、金属惰性气体/金属活性气体(MIG/MAG)焊接包覆、等离子体焊接包覆和钨极惰性气体保护(TIG)接包覆。

但是，已有的方法没有一个完全令人满意的。

因此，尽管电极焊接相对简单和灵活，其在包覆沉积层的表面形成附着熔渣，在每一焊道后熔渣必须被去除。另外，电极焊接产生低的沉积率(一般在0.5和2Kg/h之间)和填充金属对基片金属的较高稀释度(为约30％到50％)。

需要注意到的是稀释是在焊接期间基片金属和沉积的填充金属的不可避免的混合。目的为使该稀释降至最低以优化包覆沉积层的性能。

一般地，从5％到20％并且优选地小于10％的稀释度被认为是低的，而大于30％或甚至大于50％的稀释度是高的。

关于沉积率，最多约2kg/h的值是低的。高沉积率，表示至少5kg/h并且优选地至少6kg/h的沉积率。

MIG/MAG焊接包覆通常包括通过自耗电极使用药芯焊丝，所希望的包覆沉积层的组成材料不能以固体焊丝的形式得到。这也导致熔渣的形成，在进行后续焊道之前，该熔渣必须去除。所获得沉积率高，一般在5和6.5kg/h之间，但是MIG/MAG焊接导致为约30％到50％的高稀释度。

对于等离子包覆，其导致低的稀释度和少量的基片变形，因为所输送的热量被很好地控制。但是，该方法的实施复杂且昂贵，设备要求用于熔化填充金属的加热系统和用于熔化基底金属的等离子体喷枪的结合。

TIG包覆取决于在非自耗电极和被涂覆的基片之间引入的电弧的使用，自耗金属焊丝的端部通过该电弧熔化以将填充金属输送到熔融池中并且形成沉积层。TIG产生具有低稀释度(一般从5％到20％)和待被包覆的基片微量的变形的沉积，该基片被较少地加热。

但是，TIG包覆产生通常限制在约2到2.5kg/h的沉积率，主要是因为通过电弧传输到基片的少量的热量。这降低了TIG包覆方法的生产率——生产率主要受到沉积率控制。

另外，TIG方法需要分开相继形成的并排的焊道的距离来形成被精确地控制的沉积。如果该控制没有被实现，特别地，如果焊道之间的距离过大，所沉积的焊道显示较差的润湿度并且具有不规则的外观。必须执行的特定预防措施也降低了TIG包覆方法的整体生产率。

发明内容

鉴于此，所要解决的问题是减轻上述缺陷的全部或部分。特别地本发明的一个目的是提供具有改进的生产率的包覆方法，该方法通过以高的沉积率、特别地至少4kg/h的沉积率形成沉积层来实现，而同时就润湿性和熔深轮廓而言改善了所形成的沉积层的形态。

本发明的解决方案因而是用于包覆金属部件的至少一部分的方法，所述方法采用非自耗电极、自耗金属填充焊丝、在电极和所述部件之间引入的电弧来产生金属熔池，金属填充焊丝的端部通过电弧来熔化以实现熔融金属从填充焊丝到金属熔池的转移并将所述部件的至少一部分覆有金属沉积层，其特征在于，使用气体混合物作为保护气体来保护该电极、填充焊丝和金属熔池，所述气体混合物的组成为20％至70％的氦气，其余为氩气(体积百分比)。

另外，取决于所讨论的实施例，本发明可包括下述特征中的一个或多个：

–所述气体混合物包含最多50％的氦气(体积百分比)。

–所述气体混合物包括最多30％的氦气(体积百分比)。

–该保护气体混合物由20％的氦和80％的氩组成(体积百分比)。

–该保护气体混合物由70％的氦和30％的氩组成(体积百分比)。

–熔融金属到金属熔池的转移经由液体桥实现，使得在所述金属熔池和所述填充焊丝的熔融端之间具有恒久的接触。

-填充焊丝的端部被引导以与电极的轴线成包含在5°和50°之间的角度。

–填充焊丝的端部被引导并被恒久地保持在与所述电极的端部距离有小于2mm的距离D处。

–引导填充焊丝的端部以与所述电极的轴线成包含在10°和25°之间的角度。

–非自耗电极由钨制成。

–待被包覆的部件和/或在所述部件上沉积的金属沉积层由碳钢、不锈钢、镍基合金或钴基合金制得。

–所述金属沉积层具有包含在1和20mm之间且优选地在5和15mm之间的厚度。

根据另一方面，本发明还涉及一种配置为实施本发明的方法的包覆机器。有利地，所述机器包括TIG焊枪，该TIG焊枪与至少一个电流产生器电连接并且和至少一个气源流体地连接，该气源适于向焊枪供应保护气体混合物，该保护气体混合物包含至少20％(体积百分比)的氦，其余为氩。优选地，该机器包括：TIG焊枪在其上布置的可移动梁或机械臂，所述焊枪选择性地可移动；数字控制系统，其适于控制且设计为控制可移动梁和/或机械臂相对于待包覆部件的移动。

附图说明

借助于参照单个附图给出的下面的详细描述，将能更好地理解本发明，该单个附图示出了根据本发明的方法的一个示例。

具体实施方式

如在附图中可以看到的，根据本发明的包覆方法使用布置为与待被包覆的至少一个部件8对向的非自耗电极4和自耗金属填充焊丝1。优选地，所述电极4由钨制成并且其端部由具有轴对称锥形形状的尖端形成，所述锥形的顶角一般包含在20°和40°之间。

电极4被供应有电流以在所述电极4和部件8之间引起电弧5。由电弧5产生的热量允许部件8的表面被熔化，一般熔化至约1到3mm的深度，且形成金属熔池2。

除了部件8的组成金属外，电弧5的热量允许填充焊丝1的组成金属被熔化。填充焊丝1以被称作是焊丝速度的速度在电弧5的方向上连续进给。接下来熔融金属从焊丝1的端部转移到金属熔池2中。由部件8的基础金属和熔融自耗焊丝的填充金属形成的液体池固化并且形成包覆沉积层6。

通过由填充焊丝1和电极4构成的组件相对于待包覆的部件8的表面的相对运动，在所述部件8的定位成面向电极2的焊丝1的表面的至少一部分上获得沉积层6。需要注意的是，包覆沉积层6可包括在部件8上相继沉积的一个或多个焊接焊道，所述焊道并排设置或部分重合。包覆沉积层6还可包括一层或彼此叠置的多层。

另外，所述方法使用保护气体来保护电弧5、填充焊丝1和金属熔池2，以将它们与环境空气屏蔽。

主要由于经济原因，传统地设想使用纯氩(Ar)和非自耗电极一起来执行包覆，但是，在很多情况中产生不规则焊道和较差的润湿。

本发明的发明人已经证实在使用非自耗电极的包覆过程中使用由20％至70％氦(He)和其余的氩构成的气体混合物导致工艺生产率大量增加和包覆沉积层外观的改进。

一个可能的解释是氦相对于氩具有较高的电离能。在具有相等的电弧长度和电流的情况中，使用氦所获得的焊接电压因此比使用氩所获得焊接电压高。由于焊接能与电流和电弧电压的乘积直接相关，使用氦输送的能量因此比使用氩输送的能量要高。

但是，推理路线不能预测在氩-氦保护混合物中包含在20％和70％之间的氦的比例在生产率方面的显著影响、或在包覆沉积层的润湿度和规则性方面的改善。特别地，考虑到仅5％至30％的电弧被离子化，可以理解的是，仅仅很少数量的氦(He)原子被离子化，产生仅有限数量的He⁺离子。

出人意料地，事实上氩和氦的热传导性的不同解释了由20％到70％的氦和其余为氩构成的气体混合物的有益效果。特别地，单原子气体例如氦和氩的导热率取决于原子的扩散系数，原子的扩散系数正比于所讨论的原子质量的倒数的平方根。因此，原子质量是氦的原子质量10倍的氩具有约氦的热传导率的30％的热传导率。

但是，热传导率影响电弧柱的中心向其周边的径向热损失。纯氩因而产生具有狭窄热中心区域和急剧降温的周边区域的特征的电弧。在非自耗电极包覆操作中使用氩获得的熔深轮廓(penetration profile)因而具有相对较窄的形状。

Ar-He混合物具有位于氩的导热率和氦的导热率之间的中间值的导热率。与仅仅使用氩相比，Ar-He混合物的使用因而允许在围绕电弧柱的更广的区域中实现更高的温度。由于传递能量的量更多和在焊接池中温度的增加，得到更广的熔深轮廓、形成包覆沉积层的焊道的更好的润湿性、增加的包覆速度。

氦在沉积层形态上和包覆方法的生产率上的有益影响可从含有20％氦的氩中检测。比较而言，当氦高于70％时，引弧困难和电弧中的不稳定性显现。根据本发明，在电弧包覆方法中因此使用保护气体，使用由20％到70％氦(体积百分比)和其余为氩构成的气体混合物来保护非自耗电极4、自耗金属填充焊丝1和金属熔池2。

有利地，所述气体混合物含有最多50％的氦，并且优选最多30％的氦(体积百分比)。在保护气体混合物中的该氦比例允许限制由氦的使用导致的气体成本的增加，同时显著提高包覆性能。

根据本发明的一个优选实施例，在填充焊丝1和待被包覆的部件8的区域之间，熔融金属到金属熔池2的转移经过液体桥3，或液体金属脉络实现，以在所述熔池2和填充焊丝1的熔融端之间具有恒久的接触。换言之，金属不是一滴滴的转移，而是以熔融金属的液体桥3的形式转移。

液体桥转移具有以下特征：

–在电弧下方的冲击点处，从而便于在根据本发明的方法中所采用的电极和填充焊丝的定位；

–金属到熔池的明确定向的不中断的转移；

–有吸引力外观的高质量焊道，有吸引力外观即十分光滑的表面，该表面不含有因为液体金属液滴的相继沉积而导致的条纹；

–表面张力产生恒定存在的转移力，该转移力便于定位焊接；

–便于调节焊丝速度参数，因为焊丝的多余部分可在金属熔池中被吸收；和

–焊丝通过电弧的最热区域；这具有预热焊丝的效果并且意味更高的速度和效率。该效果等同于被称作是“热焊丝”的方法，在该方法中，预热通过在填充金属中的焦耳加热实现，而在我们的例子中，预加热能量通过电弧直接传输。

相对于在一滴滴的转移中使用的焊丝进给速度，液体桥金属转移可以在焊丝进给速度参数的宽和大范围内获得，该焊丝进给速度参数一般为至少3m/min。

如可以在附图中看到的，电极4在第一方向上定向，优选地垂直于部件8的上表面。在保持平坦即水平的部件的包覆的情况中，电极4的第一方向相对于竖向成约0°的角度。可替代地，电极4的所述第一方向相对于竖向所成的角度可以不为0并且在竖向的每一侧采用高达15°的值。

填充焊丝1在第二方向上定向，所述第一和第二方向优选地为基本共面。优选地，包含第一和第二方向的所述平面与部件8的平面垂直。可替代地，所述平面可相对于垂直所述部件8的上表面的方向成高达15°的非零角。

经由液体桥3的转移优选地通过引导填充焊丝1的端部以使得相对于电极4的轴线成包含在5°和50°之间的角度α(如在附图中示出的)来获得。填充焊丝1因此相对于待焊接的部件的表面不平行地或水平地引导并且因此接触熔融熔池而不转移到所述电弧。

优选地，焊丝相对于电极4的轴线以10°到20°范围内的角度α进给，并且优选地以15°到20°范围内的角度进给。

有利地，为了经由液体桥3获得有效的金属转移，填充焊丝1的端部被引导并且恒久地保持在距离电极4的端部小于2mm的距离D处，即，自耗焊丝外表面和电极之间的距离不能超过约2mm，并且优选地约为1mm。特别地，如果焊丝/电极距离D变得过大，即，大于2mm，更难于获得有效和持久的液体-桥转移。

优选地，非自耗电极4的端部在包覆方向中定位在填充焊丝1的进给的正前方并且与其一起同时移动。该位置限制了熔融金属流的扰动/破坏并且允许维持高的电极/焊丝组件的移动速度而不在沉积层中产生缺陷。

可选地，根据本发明的方法可包括在填充焊丝1通过电弧5熔化之前预加热填充焊丝1的步骤，该步骤优选地通过基于焦耳加热的加热装置。使用承受另外的热源的焊丝允许增加最大焊丝进给速度。

本发明的主要应用是用于包覆由各种金属形成的部件8的方法，所述部件特别地由铁合金(优选地不锈钢或碳钢)、镍基合金或钴基合金制成。

金属沉积层6可包括一个或多个叠置的由不锈钢、镍基合金或钴基合金制成的金属层，并且具有包含在1到20mm之间优选在5到15mm之间的厚度。

根据本发明的保护气体混合物的氦含量可以根据所希望的包覆性能水平而可选地调整。目标应用越高地要求沉积层不具有或具有很少的缺陷、完美的润湿性和/或高的沉积率，必须越多地增加在保护气体混合物中氦的比例。如果对于包覆机器的总体生产率而言维持用于保护气体混合物的合理花费是重要的，则在保护气体混合物中将使用最多50％且优选地为最多30％的氦比例。

在焊接操作期间，电弧5通过保护气体混合物流来屏蔽，该混合物流有利地以包含在6和12l/min之间的流速分配。

根据本发明的包覆方法有利地使用TIG焊枪(未示出)来完成。TIG焊枪在其位于与待包覆的所述部件8对向的位置的端部处包括非自耗电极4和适于分配保护气体的喷嘴。TIG焊枪电连接到输送约200至400A平滑或脉冲电流的至少一个电流发生器，该焊枪也流体地连接到至少一个气源。所有这些构件，即，焊接焊枪、电流发生器、气源、供电缆线、气体供应线路、焊枪在其上布置的例如结构框架元件和/或可移动梁和/或机械臂的机械构件包含在被称作是TIG包覆机器的组件中。TIG焊枪可以手动地控制或通过适于或者设计为控制TIG焊枪移动的数字控制系统控制。根据本发明的方法可以为手动的、自动的、或者甚至机械的。

考虑经由液体桥3的转移，本发明的方法优选地使用具有填充焊丝1的TIG焊枪来执行，填充焊丝1穿过用于以小于50°的角α来分配保护气体混合物的喷嘴的壁，该焊枪例如与在文件EP-A-1459831中描述的焊枪类似和相同。

为了展示用于包覆金属部件的根据本发明的方法的效果，在由304L不锈钢形成的60mm厚度的部件上实施包覆试验。

在304L不锈钢制成的部件上使用1.2mm直径的填充焊丝实施第一包覆试验。包覆参数如下：

–与AIR LIQUIDE所销售的ARCAL 32混合物对应，保护气体混合物含有20％的氦和80％的氩(体积百分比)；

–将所述电极与焊丝的端部分离的距离D为1mm；

–在自耗电极的轴线和填充焊丝之间所成的角度α为20°；

–电极的轴线垂直于待包覆部件的表面，即与竖向成0°的角度；

–TIG电极的顶角为40°；

–TIG焊枪供应有400A的平滑电流；

–电弧电压为约16V；

–相对于部件的表面，电极和自耗焊丝的端部的移动速度，即焊枪的移动速度为1m/min；

–在电极2c的端部和待焊接的部件之间的距离为3mm；

–自耗焊丝的进给速度为3.5m/min；和

–沉积率为4.5kg/h。

在这些试验中获得的金属沉积层具有规则的外观、良好的冶金性能、更好的润湿性和约10％的稀释度。被包覆的部件没有变形。

这些结果证实包括至少20％氦的保护混合物的使用允许改进所形成的沉积层的形态和增加通过电弧传输到熔融熔池的热量，因此，特别地允许增加焊丝的进给速度、包覆速度和/或沉积率。特别地，包含至少20％氦的保护气体混合物的使用显著地影响了沉积层的润湿性，因而允许获得包括很少或者甚至没有凹陷或突起的表面几何形态。

使用(对应于AIR LIQUIDE销售的ARCAL 37混合物)含有70％氦和30％氩(体积百分比)的保护气体来实施第二焊接试验，所有其它条件相同。更高的氦含量导致更好的润湿性和更高的前进速度。

使用含有少于20％氦或大于70％氦的气体混合物来实施气体试验。在少于20％氦的情况中，氦在沉积层形态和包覆过程的生产率方面的影响不能探测到。在大于70％氦的情况中，引弧困难和电弧不稳定性出现。

这些试验的结果证实使用He/Ar气体混合物在生产率和所产生的沉积层的形态方面具有改进包覆方法的性能的优点(只要保护混合物中氦的浓度包含在20％和70％之间)。

Claims (10)

1.一种用于包覆金属部件(8)的至少一部分的方法，所述方法使用非自耗电极(4)、自耗金属填充焊丝(1)、在电极(4)和部件(8)之间引入的电弧(5)以产生熔融金属池(2)，金属填充焊丝(1)的端部通过电弧(5)来熔化以实现熔融金属从填充焊丝(1)到熔融金属池(2)的转移并且使用金属沉积层(6)来覆盖部件(8)的至少一部分，其特征在于，使用含有20％到70％的氦和剩余为氩(体积百分比)的气体混合物作为保护气体来保护电极(4)、填充焊丝(1)和熔融金属池(2)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体混合物含有最多50％氦(体积百分比)。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物含有最多30％氦(体积百分比)。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，熔融金属到熔融金属池(2)的转移经由液体桥(3)实现，以使得在所述熔融金属池(2)和填充焊丝(1)的熔融端之间具有恒久的接触。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充焊丝(1)的端部被引导以使得与电极(4)的轴线成包含在5°和50°之间的角度。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充焊丝(1)的端部被引导并持久地被保持在距离所述电极(4)的端部小于2mm距离(D)处。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充焊丝(1)的端部被引导以使得与电极(4)的轴线成包含在10°和25°之间的角度。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，非自耗电极(4)由钨制成。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，待被包覆的部件(8)和/或在所述部件(8)上沉积的金属沉积层(6)由碳钢、不锈钢、镍基合金或钴基合金制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属沉积层(6)具有包含在1和20mm之间且优选地在5和15mm之间的厚度。