CN106132618A

CN106132618A - 用于钨极惰性气体焊接的方法

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Publication number: CN106132618A
Application number: CN201580014025.XA
Authority: CN
Inventors: E·西韦特
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: WO2015135655A1; AU2015230383B2; DE102014003634A1; EP2918366A1; AU2015230383A1; US20170008116A1; EP3116675A1; CN106132618B; US10583512B2

Abstract

本发明涉及一种用于钨极惰性气体焊接的方法和焊炬，其中电弧在非自耗型电极(110)和工件(151)之间燃烧。所述电极(110)内部具有空腔(200)，沿所述工件(151)的方向(230a)将导电填料(210)进料通过所述空腔，所述填料(210)是通电的。

Description

用于钨极惰性气体焊接的方法

技术领域

本发明涉及用于钨极惰性气体焊接的方法及用于钨极惰性气体焊接的焊炬，其中电弧在非自耗型电极(non-consumable electrode)和工件之间燃烧，所述电极在其内部包含空腔且沿所述工件的方向将导电填料进料通过所述电极的空腔。

背景技术

钨极惰性气体焊接(TIG-焊接)为电弧焊接方法，其用于例如熔敷焊接，焊接或钎焊一种、两种或更多种由金属材料制成的工件。工件和用于钨极惰性气体焊接的适合的焊炬的钨极与焊接电流源电连接。电弧在所述钨极和工件之间燃烧。在此，所述工件至少部分熔融且形成熔池。钨极通常用作阴极而工件作为阳极，同时电子从钨极迁移至材料内。

相比于金属惰性气体焊接(MIG-焊接)，钨极在钨极惰性气体焊接中不熔融。对于金属惰性气体焊接，电极丝在焊炬中的熔融可导致所述电极丝的过热和蒸发，从而释放大量焊接烟雾形式的有害排放物。焊接烟雾由颗粒污染物(主要是金属氧化物)组成，其是可吸入或可呼吸的，并且是有毒和/或致癌的。这样的排放物颗粒对焊工是特别有害的。

在金属惰性气体焊接中，电极丝的熔滴进入到熔池中。在金属惰性气体焊接中的熔融电极丝同时充当填料或填料材料以及电弧载体。相反，在钨极惰性气体焊接中，填料需要另外提供。这种(例如线状)填料从侧面引入电弧内。由此使得填料熔融。所述填料的熔融液滴分离并进入到熔池中。所述填料的熔融、熔滴的形成、熔滴的分离以及熔滴与工件的相互作用的这个过程被称为熔滴过渡(material transfer)。

在金属惰性气体焊接中，大部分用于熔融电极丝的能量由电子引入，所述电子从电极丝流入工件。由电子引入的所述能量称为凝结(condensation)。该能量经由相对小的区域(即经由电弧装置)引入，并且大部分贡献于电极丝的过热和挥发以及因此颗粒排放物的释放。

由于在钨极惰性气体焊接中填料在没有电流下引入电弧中，所述填料仅通过热传导和热对流而加热。凝结，即由电子引入的能量，在钨极惰性气体焊接中没有起作用。因此，在钨极惰性气体焊接中没有或几乎没有填料的过热或挥发。

因此，相比于金属惰性气体焊接，钨极惰性气体焊接具有的优势是仅释放非常少量的排放物且尤其是，即使当填料从外部引入的时候也几乎没有产生任何焊接烟雾。另一方面，相比于金属惰性气体焊接，钨极惰性气体焊接具有的缺点为填料的熔融以低效率进行或相比于金属惰性气体焊接具有更低的熔融速率。而且，由于没有电流通过填料，也没有电磁力如洛伦兹力可以产生。所述电磁力有助于熔滴在电流流经填料时的分离，这被称为“夹断(pinching off)”。由于特别是线状填料主要从侧面进料至电弧，额外失去了焊炬的旋转对称性。

在钨极惰性气体焊接中钨极可例如以中空电极或中空阴极的形式形成。所述中空电极在其内部具有空腔。特别地，所述空腔延伸至电极的整个轴向。

所述中空电极在例如EP 2457681A1中是已知。其中，据描述填料可经由中空电极的空腔进料至钨极惰性气体焊接。因此，可纠正缺少旋转对称性的缺点，但填料熔融效率低的缺点仍存在。

此外，特别是在中空电极的情况下，由于在中空电极内的空腔也导致电弧中更低的轴向能量密度，使得填料的熔融更困难。此外，对于这样进料的填料也没有产生电磁力且没有由电子引入能量。

因此本发明是基于改善在钨极惰性气体焊接中填料的进料且以更高效率完成进料的目的。

发明内容

本发明的目的通过一种钨极惰性气体焊接的方法以及用于钨极惰性气体焊接的焊炬得以解决，它们具有独立权利要求的特征。各自的从属权利要求和下述描述为本发明主题的优选配置。

利用本发明的钨极惰性气体焊接的方法，电弧在非自耗型电极和工件之间燃烧。在电极的内部具有空腔，其中沿所述工件的方向将导电填料进料通过所述电极的空腔。所述填料是通电的。

在下面的描述中，在内部具有空腔的电极称为中空电极。填料特别地为线状的形式。特别地，填料与中空电极是电绝缘的。

在此，所述电极可用作阴极，所述工件用作阳极。也可考虑使用所述电极作为阳极以及使用所述工件作为阴极。当所述电极由钨、铪或掺杂(例如CER、钍、镧和/或其它稀土元素)的钨形成时，该电极特别地用作阴极。当所述电极由铜或具有这样的掺杂物或内含物(insert)的铜形成时，该电极特别地用作阳极。

通过对填料的通电，对填料加热或预热，特别是至约600℃或更高(至1,000℃)的温度。采用常规的中空电极，填料基本上在室温或环境温度下进料至焊接过程。这里，填料必须首先通过电弧或通过电弧的热效应(热传导和热对流)加热直至填料熔融。与此相反，本发明的填料进料至焊接过程时已经预热了。通过电流或通过电子，大部分能量已引入填料(凝结)。通过电弧，仅少量能量需引入填料以使填料熔融。

通过流入填料的电流以及由于填料的电阻，对填料进行加热。对填料的该加热称为焦耳热。焦耳热对填料熔滴的形成以及这些熔滴的温度具有显著的影响。通过本发明，可有意地利用填料的焦耳热。

通过本发明，填料经由中空电极空腔进料的方式得到改善使得填料的熔融高效率进行。相应地，填料的熔滴可以以简单的方式形成且以高效分离并进入熔池中。因此，可以高效地进行全部的熔滴过渡。熔融速率增加，此外，焊缝熔深，即引入工件的能量的量也能得到增加。

通过本发明，金属惰性气体焊接和钨极惰性气体焊接的优点得以结合。由于本发明，金属惰性气体焊接的优点，即高效率的熔滴过渡、高熔融速率以及高焊缝熔深也可用于钨极惰性气体焊接。然而，依据本发明，采用钨极惰性气体焊接没有发生填料的挥发。因此，没有或几乎没有以焊接烟雾形式的有害排放物的释放。此外，通过将填料进料至中空电极内，采用依据本发明的钨极惰性气体焊接或依据本发明的焊炬使得旋转对称性成为可能。

此外，钨极惰性气体焊接的优点得以保留，即熔融速率与工件中的能量输入分离，并且可变化地调整。特别地，这可通过可变化的进料装置或焊丝进料以及可调整的填料通电实现。

有利地，电极使用焊接电流通电。将填料用独立于焊接电流或除焊接电流之外的加热电流通电。对加热电流和焊接电流的电流强度相互独立地进行调整。填料尤其与中空电极是电绝缘的。通过焊接电流，电弧受到影响，通过加热电流，预热填料。因此，填料的预科可得以调整或独立于电弧进行。因此，填料的预热可灵活调整和适应。特别地，加热电流适应于进料或焊丝进料，适应于直径和/或填料的材料。

优选地，加热电流或加热电流的电流强度根据填料温度被调节或控制。特别是通过例如用传感器例如热电偶或高温计测量，来检测填料的温度。另一种选择或额外地，也可通过施加于填料的加热电流源的加热电压来测定填料的温度。因此将填料的通电以这样的方式调节或控制使得填料预期的温度得以实现且填料由此持续预热。

依据本发明的一个优选配置，填料与加热电流源的电流接触点电连接且随后引入电极的空腔。在这些电流接触点处，加热电流传导至电极丝上。特别地，填料首先通过加热电流通电直到填料具有预期的温度。只有当填料达到所述预期温度且由此充分预热时，填料才引入中空电极中。

优选地，电流接触点相对于彼此的距离为变化的。特别地，设置电流接触点使得它们在填料上的位置可相对于彼此变化。例如，所述电流接触点设计为滚筒(rollers)或滑动接触点。另一种选择或额外地，填料通电的电流强度，特别是加热电流的电流强度，为变化的。通过电流接触点的该距离或通过该电流强度，填料的预热或温度可灵活调整。特别地，调整距离和/或电流强度使得填料不会过热且不会发生填料的挥发。

优选地，影响或调整填料的焦耳热。依据焦耳定律，电阻上产生的热量与该电阻下转化的电输出以及相应的持续时间成比例。作为焦耳热，在此描述为单位时间的热量，其由于电流强度和电阻层(导体基于其长度的电阻)通过电能在导体中连续的损耗而产生。

通过电流接触点，自由焊丝长度l可调整，该自由焊丝长度l特别地为电流点彼此间的距离。凭借该自由焊丝长度l，由加热电流(电流强度为I)转化的电功率P可在填料上依据下式调整：

P = I^{2} R = I^{2} ρ \frac{&Integral;}{A}

在此，A为填料的横截面积。在此，特别适合的是使用线状填料，p为填料的比电阻。

从该电功率获得在一段时间ΔT内的焦耳热ΔW：

Σ W = P Δ t = I^{2} ρ \frac{&Integral;}{A}

优选地，取决于填料的进料或焊丝进料，对填料通电。由于填料的熔融，所述填料需要进料或推进。特别地，在此情况下线状填料为适合的，其采用(特别地为可变化的)进料速度进料。因此填料的预热或加热与进料分离。特别地对于手工焊接，加热电流或填料的通电以自动化的方式适应于焊丝进料。由此焊工仅需要调整焊丝进料，通电得以自动地调整。

此外，可调整焊丝进料至工件的间隙尺寸或间隙宽度，特别是根据焊接速度。在此情况下，工件的间隙尺寸或间隙宽度描述了待填充的体积，所述体积将用熔融填料填充。因此，待熔融的填料的体积匹配待填充的体积。

特别地，当进料增加，填料的通电的电流强度可增加。填料的加热可保持恒定且熔滴与填料高效分离。因此，填料可以更高的进料速度进料。当进料减慢时，电流强度可相应减小。

依据本发明的优选配置，填料的进料以如下方式变化：在进料方向上的振荡运动叠加于进料。通过进料这样的变化，导致填料的振荡。因此进料不是连续进行，而是振荡式进行。通过该叠加的振荡运动，填料以一定频率沿工件方向和远离工件的相反方向运动。特别是通过填料远离工件方向的运动，熔滴和剩余的尚未熔融的填料之间的区域逐渐变小。因此，有利于熔滴的分离。通过叠加的振荡运动，诱导或积极推动了熔滴的分离。在说明性术语中，熔滴为通过填料的叠加振荡运动而“抖落”。

进一步优选地，填料叠加的振荡运动的振荡频率基本上对应于从填料熔融脱落的熔滴的自然频率或共振频率。通过填料叠加的振荡运动，导致熔滴在其自然频率的范围内振荡。相应地，进一步促进和诱导熔滴的分离。优选地，填料的(叠加)振荡运动的振荡频率为350Hz-450Hz，特别为400Hz。

额外的气体供给至填料是切实可行的。特别地，额外的气体可通过空腔进料。在此情况下，额外的气体经由空腔沿工件的方向流动，特别地在填料周围或沿着填料流动。通过所述额外的气体，将压力施加于填料熔滴上，进一步特别是熔滴的表面张力下降。相应地，可诱导或积极促进熔滴的分离。此外，通过特别是惰性或还原性的额外气体，可避免加热的填料的氧化。

但是，额外的气体也可为活性气体。气体的组成和量可以变化，特别是在焊接过程中也可变化。特别地，使用氧气或其中氧气部分作为额外气体的气体混合物。通过氧气，特别是表面张力得以降低。

在此情况下氧化性气体或氧化性气体混合物作为额外气体通过加热的填料进料。特别地，氧化性气体或气体混合物与电极分离以避免电极的(直接)损毁。优选地，将氩气和氧气的气体混合物(特别是氧气的最大比例为10％)或氩气和二氧化碳的气体混合物(特别是二氧化碳最大比例为20％)作为额外气体进料。

进一步优选，使用氩气，或者氩气和氢气的气体混合物(特别是氢气最大比例为10％)，氩气和氮气的气体混合物(特别是氮气最大比例为10％)，或氩气和氦气的气体混合物(特别是氦气最大比例为90％)作为额外气体。

特别地，将保护气体进料至焊接过程。为此目的，焊炬包含实用的保护气体喷嘴。在此情况下除保护气体之外，额外气体独立地进料至填料。

本发明还涉及用于钨极惰性气体焊接的焊炬。类似地，依据本发明的该焊炬的配置由依据本发明的上述方法获得。

本发明的进一步优势和配置从具体实施方式和附图中获得。

要理解的是上述提到的和在下文中仍需解释的特征不仅可以各自组合使用，而且可在不脱离本发明的范围内以其它组合的方式使用或单独使用。

本发明示意性地在附图中通过示例性实施方案的方式示出并在以下参照附图详尽描述。

附图说明

图1示出了依据本发明的用于钨极惰性气体焊接的焊炬的优选配置。

具体实施方式

在图1中，示出了依据本发明的用于钨极惰性气体焊接的焊炬的优选配置且用100标记。配置焊炬100用于实施依据本发明的方法的优选实施方案。通过焊炬100，第一工件151经由连接操作焊接到第二工件152。

焊炬100包含电极110，所述电极朝着面对工件的一侧逐渐变细。电极110形成为中空电极且其内部具有圆柱形空腔200，所述空腔在电极110的整个轴向范围上延伸。

第一工件151和中空电极110与焊接电流源140电连接。中空电极110从而采用焊接电流通电。

在此具体实施例中，中空电极110由钨形成且用作阴极。在此具体实施例中第一工件151用作阳极。需提及的是中空电极110也可用作阴极而第一工件151用作阳极，例如当中空电极110由铜形成时。

电弧120在中空电极110和第一工件151之间燃烧。通过电弧120，第一和第二工件151和152至少部分熔融，从而产生熔池160。

焊炬100进一步包含保护气体喷嘴130，以采用保护气体流的形式将保护气体进料至焊接过程或沿电弧120的方向进料或沿熔池160的方向进料，这由参考标号131表示。

此外，导电填料210，特别地通过进料设备230进料至焊接过程。填料210设计为线状且沿第一和第二工件151和152的方向230a进料通过空腔200。空腔200包含电绝缘体210，以使填料210与中空电极110电绝缘。

在填料210引入中空电极110之前，填料210与加热电流源220的两个电流接触点221电连接。在此情况下电流接触点221特别地以滑动接触的形式形成。通过电流接触点221和加热电流源220，填料210采用加热电流通电。

通过用加热电流给填料210通电，填料210加热升温。当填料210，在此情况下为焊丝，达到预设温度例如600C时，则开始进料。在此，填料210引入空腔200的程度使得填料210的尖端212在工件151的方向上从空腔200中突出。

通过电弧120，填料210的该尖端212进一步加热。通过此加热，填料210在尖端212处熔融。从而形成填料210的熔滴211。

最后，熔滴211与填料210分离，进入熔池160且形成焊缝(在工件151和152之间连接)。熔滴211的形成和熔滴211与填料210的分离以及转移进入至熔池160被描述为熔滴过渡。

焊接过程中电流接触点221相对彼此的距离为可变的。电流接触点也可在空腔前放置以改善可达性。在此情况下两个电流接触点221可相互独立地沿填料210移动，这由双箭头221a示出。通过调整电流接触点221的距离和通过调整加热电流的电流强度，特别地调整填料210的焦耳热。

在此情况下焦耳热为加热填料210时由于电阻以及加热电流在单位时间产生的热量。

通过进料装置230，填料210可进一步进料或推进或引入至空腔200中。相应发生进料的进料方向，在此情况下对应于方向230a，其朝向工件151和152的方向。填料210可例如以缠绕于卷轴上存在，通过进料装置230解开。

进料，即焊丝的进料速度，可通过进料装置230特别变化。特别地，进料变化的方式使得填料210在进料方向上的振荡运动叠加于所述进料上。在此情况下填料210朝进料方向230a和朝进料相反方向振荡。该振荡的频率对应于熔滴211的自然频率，尤其是为400Hz。由此更加密集地导致熔滴211的分离。

此外，焊炬100包含额外气体进料240(仅图示示出)。通过额外气体进料240，以额外气流的形式将额外气体进料至填料210，这由参考标号241表示。在此情况下，额外气流241在进料方向230a上沿填料210轴向流动。通过额外气流241，气体流入熔滴211上，由此使得熔滴211的表面张力减小且更进一步诱导熔滴211的分离。

例如，氧气比例为10％的氩气和氧气的气体混合物作为额外气体以额外气流241的形式进料。通过填料210和中空电极110之间的电绝缘201，额外气流同样与中空电极110分离，使得可通过额外气体避免中空电极的损毁。

参考列表

100 焊炬

110 电极，中空电极

120 电弧

130 保护气体喷嘴

131 保护气体流

140 焊接电流源

151 第一工件

152 第二工件

160 熔池

200 空腔

201 电绝缘

210 线状填料

211 熔滴

212 尖端

220 加热电流源

221 电流接触点，滑动接触

221a 双箭头

230 进料装置

230a 方向，进料方向

240 额外气体进料

241 额外气体流

Claims

1.一种用于钨极惰性气体焊接的方法，

其中电弧(120)在非自耗型电极(110)和工件(151)之间燃烧，

其中所述电极(110)在其内部包含空腔(200)，

其中沿所述工件(151)的方向(230a)将导电填料(210)进料通过所述电极(110)的空腔(200)，

其特征在于，所述填料(210)是通电的。

2.如权利要求1所述的方法，其中取决于进料、温度和/或所述填料(210)的材料，对所述填料(210)进行通电。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述电极(110)由焊接电流通电，以及所述填料(210)由独立于所述焊接电流的加热电流通电。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述加热电流根据所述填料(210)的温度进行调节或控制。

5.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述填料(210)与加热电流源(220)的电流接触点(221)电连接，且此后被引入所述电极(110)的空腔(200)。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述电流接触点(221)彼此之间的距离是变化的。

7.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述填料(210)的焦耳热被调整。

8.如前述权利要求之一所述的方法，其中根据焊接速度和/或所述工件(151)的间隙尺寸，对所述填料(210)的进料进行调整。

9.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述填料(210)的进料以如下方式变化：在进料方向(230a)上的振荡运动叠加于所述进料。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述填料(210)的振荡运动的振荡频率基本上对应于从所述填料(210)脱落的熔滴(211)的自然频率。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述填料(210)的振荡运动的振荡频率为350Hz-450Hz，特别是400Hz。

12.如前述权利要求之一所述的方法，其中将额外气体(240)进料至所述填料(210)。

13.一种用于钨极惰性气体焊接的焊炬(100)，

所述焊炬具有非自耗型电极(110)，其中所述电极(110)在其内部包含空腔(200)，

其中配置所述焊炬(100)以沿工件(151)的方向(230a)将导电填料(210)进料通过所述电极(110)的空腔(200)，

其特征在于，配置所述焊炬(100)以对所述填料(210)通电。

14.如权利要求13所述的焊炬(100)，其中所述填料(210)与所述电极(110)是电绝缘的。

15.如权利要求13或14所述的焊炬(100)，其中配置所述电极(110)以用焊接电流通电，以及其中配置所述填料(210)以用独立于所述焊接电流的加热电流通电。

16.如权利要求13-15之一所述的焊炬(100)，其配置为使所述填料(210)与加热电流源(220)的电流接触点(221)电连接，且此后将所述填料引入所述电极(110)的空腔(200)。

17.如权利要求13-16之一所述的焊炬(100)，其具有额外气体进料(240)，所述额外气体进料(240)配置为将额外气体(241)进料至所述填料(210)。

18.如权利要求13-17之一所述的焊炬(100)，其具有进料装置(230)，所述进料装置(230)配置为按照以下方式改变所述填料(210)的进料：使进料方向(230a)上的振荡运动叠加于所述进料。