CN110087811A

CN110087811A - 热接合处理之后的采用阴极清洁的清洁工件的方法、清洁装置和处理气体

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Publication number: CN110087811A
Application number: CN201780071748.2A
Authority: CN
Inventors: E·米克洛斯; E·西维尔特; F·萨弗古
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: US20190299314A1; AU2017362454B2; CA3043479A1; EP3541558B1; EP3541558A1; MX2019005612A; EP3323544A1; AU2017362454A1; CN110087811B; WO2018091147A1

Abstract

提供一种在焊接处理之后清洁工件(6、8、9)的方法，其中，通过从工件(6、8、9)的表面去除氧化物来进行清洁，氧化物在在先的焊接处理期间形成在工件(6)的焊缝(8)上或焊接热影响区(9)上，其中，电弧产生在工件(6、8、9)与非自耗电极(2)之间以去除工件(6、8、9)上的氧化物，其中，电源(7)设置成电连接工件(6、8、9)和非自耗电极(2)；其中，非自耗电极(2)是阳极连接的，且工件(6、8、9)是阴极连接的。

Description

热接合处理之后的采用阴极清洁的清洁工件的方法、清洁装置和处理气体

技术领域

本发明涉及一种在热接合处理之后清洁工件表面的方法，其中，通过从工件表面去除氧化物来进行清洁，该氧化物于在先接合处理期间形成在工件的焊缝上或焊接热影响区上。

背景技术

焊接是众所周知的通过引起熔融的接合处理之一。焊接过程以适当的方式使用能量源来熔化待焊接的工件。除了熔化工件之外，通常还将填充材料添加到焊接接头中以形成会冷却成接头的熔融材料池，该接头可以很牢固，或甚至比工件本身更牢固。一些最常见的焊接处理包括屏蔽金属电弧焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、气体保护金属电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)、电渣焊(ESW)等。除了这些电弧焊接变型之外，其它熔焊技术使用包括气体火焰、电弧、激光、电子束、超声波、摩擦的许多不同的能量源，以适于接合材料的不同要求。

与焊接相比，在钎焊或软钎焊期间，仅填充物熔化，并且待接合的部件仅以固体状态加热。然而，即使在此，接合处理也在表面上产生热氧化层，其可以通过本发明去除。在本文档中，我们使用术语“焊接”作为可比较的热接合技术。

待焊接的工件通常由在氧气和热量二者都存在的情况下金属制成，而金属将在其表面上形成氧化层。这种现象因工件的高温和其与气氛的接触而在焊接过程中特别显著。这种不均匀的氧化层在焊缝或热影响区中执行成为彩虹色纹，然而这是不希望的，因为其会引起工件结构的变化并降低工件的耐腐蚀性。因此，需要去除该氧化层以实现更好的焊接质量。

存在各种方法来去除这种氧化层，就像是刷洗或研磨工件的变色表面之类的一些机械处理。这些处理具有的缺点是：不能做够完全地或均匀地去除氧化层，且在使用被污染的刷子或砂轮的情况下，工件的耐腐蚀性也将降低。另外，使用将工件浸入含酸溶液中的湿化学酸洗来去除表面氧化物。这个方法具有很好的性能，但是因腐蚀性化学品而需要非常复杂的处理以确保操作者的安全性，并且需要后处理以清除工件上的酸。因此它非常昂贵并且耗能。已知的另一种变型是湿式电化学酸洗，其也使用湿化学品(酸)与电流相结合，具有所有提到的缺点。

因此，本发明的目的是改进克服了现有技术中的缺点的清洁方法，并以更经济和有效的方式提供了应用。

发明内容

本发明提供根据权利要求1的清洁方法和根据权利要求10的装置，以实现上述目的。

根据本发明，电弧产生在所接合的工件与非自耗电极之间以去除工件上的氧化物，其中，电源设置成电连接工件和非自耗电极，并且其中，非自耗电极实质是阳极极化的，且工件实质是阴极极化的。

“实质阳极极化”意味着非自耗电极在阳极上被电源供给的总电能超过75％，优选地超过85％，更优选地为100％，并且因此，工件实质是阴极极化的。

电源优选地设置有直流电流(DC)电路，通过该电路，非自耗电极被完全阳极极化并且工件被完全阴极极化。

电源也可以是交流电流(AC)电路，其在待清洁工件上具有非常少的阳极部分(最多25％)，这意味着当工件被阳极极化时，AC电路设定为最多以总体的25％的电能以用于焊接穿透动作，并且当工件被阴极极化时，最少75％的能量用于工件上的清洁作用。该百分比由AC电路中的平衡控制器调节。这样布置的AC电路有利于能够控制氧化层的清洁深度，并且还能够控制电极与待处理工件之间的热分布。电源优选地提供5A至100A的小电流，优选为10A至50A的小电流，更优选为10A至30A的小电流。

极性在工件上提供去除焊缝上和邻接的热影响区表面上所形成的氧化层的清洁效果。金属工件及其氧化层形成电介质。在氧化层的边缘到工件上发生电场线的集中，以导致在阴极上产生最高的能量密度。这导致包括氧化层和少量下面的工件的材料局部蒸发，然后这使得工件表面而不含氧化物。此外，文献中还提出了另外两个假设以解释阴极清除氧化物、即离子轰击和电子发射。

在焊接处理中，特别是在采用就像GTAW之类的非自耗电极的焊接处理中，工件通常是的阳极极化的，这比电极产生更多的热量，并且因而在工件上形成高热量集中以利于工件熔化并实现深度穿透。

清洁方法的非自耗电极优选是钨电极并且具有伴有逐渐减小的端部的传统形状，优选的朝向工件的尖端状端部。电极的直径优选为1mm至10mm，更优选为1mm至5mm。电极优选地由至少一个同轴的处理气体喷嘴围绕，该处理气体喷嘴沿着电极朝向工件引入处理气体以增强清洁效果以及防止电弧和工件的加热区域接触气氛。

处理气体可以是就像氩气或氦气之类的惰性气体，也可以是氩气和氦气的混合物，该混合物中氦气的体积百分数为1％-50％，优选的氦气的体积百分数为10％-40％，更优选的氦气的体积百分数为20％-30％，且其余为氩气。在这种惰性气体作为处理气体的混合物中，通过氦气混合物，氦气有助于实现更好的散热并控制清洁区的宽度，因为它比氩气更难以电离。处理气体还可以包含体积百分数为0.01％-5％的氮气，优选的体积百分数为1％至4％的氮气，具体为2％或3％的氮气，其余为氦气或氩气。该处理气体与诸如10A、30A的5A至50A的相对低的电流结合得特别好，以实现良好的清洁性能。

处理气体可以是包含选自H₂、CO、NO、N₂O、CnHm的气体的轻微还原气体，其具有的体积百分数为0.01至10％，优选的体积百分数为0.1％-5％，更优选的体积百分数为0.1％-2％，其由选自Ar、He、Xe、Kr的惰性气体或者由包含就像氩气和氮气之类的惰性气体的气体混合物来平衡，该气体混合物所包含的氮气的体积百分数的0.5％-5％，具体为2％、3％或4％。优选地，处理气体包括H₂和Ar，其中H₂的浓度体积百分数为0.1％-10％，优选的H₂的体积百分数为0.1％-5％，更优选的H₂的体积百分数为0.1％-2％。作为处理气体的一部分的氢气可以在清洁期间中在电弧中部分地溶解并且部分地电离，这改变了电弧中和阴极上的温度分布。这些变化通过热电子发射、隧道电子发射、离子轰击等方式影响氧化物的去除。另外，氢气是非常“氧气亲合的”的，并且因而可以容易地与存在于加热区中的或者在阴极清洁期间从工件的氧化层释放的原子O₂结合。施加氢气作为处理气体的一部分会防止工件在高温下氧化，并且因此实现了更好的工件质量和更可靠的清洁处理性能。处理气体还可包含浓度最高为体积百分数为0.1％的选自CO₂、O₂的次要活性气体。其可以是100ppm、200ppm、300ppm，其余的是就像氩气之类的惰性气体。

除了由至少一个同轴的处理气体喷嘴供给的处理气体之外，还可以有多个围绕电极的同轴气体喷嘴，以提供具有与所述处理气体相同或不同的气体组分或流速的封围气体。

根据本发明的清洁方法用于处理由在先焊接处理所产生的焊缝。清洁方法是独立的控制氧化层处理的清理深度，其独立于在先焊接处理。就像电弧长度、电流、处理气体的组分和流速、电极速度之类的清洁方法的参数可以因此与焊接处理分开设定，这能使得清洁处理更加灵活和有效地清洁氧化物。通过施加该方法，操作者可以根据诸如氧化层的厚度之类的焊接特征来调节清洁处理性能，以实现最佳清洁性能。优选地，当焊缝冷却到低于200℃，优选的低于100℃，更优选的冷却到通常的室温时，在焊缝上施加该清洁方法。在特定的温度敏感的材料上，可以在额外冷却的焊接件表面上执行清洁，以进一步减少来自阴极清洁的热影响。

工件由钢合金制成，并且优选地由高合金不锈钢制成。钢是Fe-C合金，其中C含量低于2％。高合金钢具有总计超过5％的总共合金元素。在不锈钢中，主要的合金元素是铬。不锈钢通过表面上均匀的Cr氧化层获得其抗腐蚀性能。

工件也可以由除钢之外的高合金材料制成。非钢的高合金材料通过具有浓度高于Fe的一种合金元素来定义。优选地，这将是Ni基合金。Ni基合金具有Ni作为主要的合金元素，并且这超过Fe的含量。

热接合部和邻接的表面区域上的该氧化层具有最厚为300nm的不均匀厚度。该氧化层的特征是不同地偏离的，这取决于工件、焊接类型、时间、温度和其它相关参数。该氧化层执行成为彩色条纹，该彩色条纹具有不规则的边缘，并且形成为平行于焊缝且形成在焊缝上或焊接热影响区中。如上所述，由于处理期间的高温以及与氧化剂、特别是气氛中的氧气的接触而形成氧化层。焊接件上的热氧化层可能显著降低工件的耐腐蚀性，特别是对于高合金金属，并且因而影响部件的质量。这是氧化表面下的某种程度上降低的铬浓度的结果。因此，在焊接处理之后需要去除该氧化层，包括具有低的铬含量的材料。

电极与工件之间传递的电弧在工件及其氧化层的边界处产生集中的、聚集的、强烈的热量。带负电的阴极端部发射电子。加热该表面的能量源是由电流和撞击的等离子体颗粒所产生的焦耳热效应。电弧以所谓的“传递”电弧模式传递到工件。电弧可以像传统的钨极惰性气体焊接一样形成为集中电弧，并且也可以形成为等离子焊接中的收缩电弧。电弧的优选长度为0.5mm至8mm并且优选为2mm至4mm。由于电弧端部有最高能量密度，工件表面上的电弧端部可以自动地将其自身与氧化层的边缘对准，从而通过阴极清洁可以有效地去除氧化层。

有利地，通过调节就像电流、电压、脉冲频率、AC平衡、处理气体组分、电极直径或几何形状、电弧长度、行进速度等的电气参数，阴极清洁可以适应于其性质(诸如厚度、湿度)取决在先焊接处理的变量的氧化层。本领域技术人员应该理解，可以调节这些参数以提供利于从工件上去除氧化层的期望的电弧。在手动和自动两种操作模式下，清洁强度和清洁区域也可以通过焊炬相对于待清洁焊件的额外相对运动来控制。这可以是例如焊炬的穿行、旋转运动。

根据本发明的阴极清洁方法能够进行可靠和有效的清洁，以在焊接之后从工件上去除氧化物，特别是铬氧化物，而无需昂贵且危险的湿化学品。阴极清洁的施加有利于去除具有取决于在先焊接的相对小的面积、不均匀的厚度以及不稳定的性质的氧化物。可以相对于焊接处理独立地调节阴极清洁，以更有效和灵活地去除工件的氧化层。这对于手动焊接者来说尤其有利，他们可以首先在部件上结束大量焊接，然后将设备参数设定改变为清洁并使用相同的设备清洁焊缝。对于要求更高的应用，优选使用与用于焊接的设备分离的专用阴极清洁设备。

特别是对于自动化制造，清洁方法和在先焊接处理可以连接成使得在焊接处理之后以预定的时间间隔执行清洁。焊接处理由焊接单元实现，焊接单元包括电极和围绕电极的气体喷嘴并且还可包括填充焊丝，其中，该焊接单元相对沿着接合缝行进。“相对”意味着焊接单元沿固定的接合缝移动或者工件移动而焊接单元保持静止。清洁电极或电极阵列可以沿焊接方向以预定距离布置在焊接单元后面，从而以紧凑和简单的方式连续完成工件的清洁和焊接。焊缝和热影响区上的氧化层通过以下清洁处理直接去除，并且焊接质量有效地提高。

根据上述方法的用于去除工件上的氧化物的清洁装置设置有非自耗电极、至少一个气体喷嘴以及电源，至少一个气体喷嘴用于朝向工件引入处理气体，电源与非自耗电极和工件电连接。

清洁装置优选地具有控制单元，该控制单元分析来自在先焊接处理的输入数据并对其进行评估，然后将评估的输出数据递送到清洁装置，以便能够调节诸如处理气体组分或流速等的参数，以适应于所焊接的工件上的可变氧化层。

如果需要或优选用于特定材料，则在焊接单元与清洁装置之间布置冷却单元，以在清洁过程开始之前冷却焊缝。冷却单元使用气体介质或流体介质来冷却焊缝，并且因而为随后的清洁处理做好准备。替代地，可以使用例如铜固定件和铜板之类的直接接触热传导件来提取焊接后热量。

优选地，轨迹沿焊接方向跟随清洁装置以清洁工件。因此，工件可以在连续流水线中焊接、清洁和处置以实现快速和简单的效果。

应当注意，在先提到的特征和以下待进一步描述的特征不仅可以在各自指出的组合中，而且在可以在另外的组合中或单独使用是有用的，只要不脱离本发明的范围即可。

附图说明

现在将参考以下非限制性实施例和所附示意图描述本发明，其中：

图1：根据本发明的用于去除氧化物的清洁装置；

图2：在焊接处理中形成的氧化层；

图3：处于竖直位置的根据本发明的清洁装置；

图4：装备有焊接装置、清洁装置以及轨道的连续流水线

具体实施方式

图1示意性地示出了用于去除在工件的热影响区和焊缝上的在先焊接处理期间形成的氧化物的清洁装置。在该实施例中，工件6是由两个基底材料构造的T形件，该两个基底材料是垂直焊接的，也称为角焊缝焊接。焊缝8位于两个基板通过焊接连接的位置。焊接热影响区9从凝固的焊接界面延伸到基板中的敏化温度的终止位置。存在热和氧的情况下下，在该区域中形成氧化物。氧化物在焊缝或热影响区上表现为变色现象。不同的颜色(例如黄色、红色、蓝色以及灰色、无色)指示氧化层的不同厚度。这是金属表面相对温度、时间以及氧化剂的暴露条件不同的结果。所有这些都是不期望的，因为所有的热氧化物会引起冶金结构和工件的特性的变化，这会对工件的耐腐蚀性产生不利影响。

清洁装置包括钨电极2、围绕电极2的气体喷嘴3、电连接电极2的电源7以及工件6。钨电极2是阳极连接的，且工件6是阴极连接的。在电极2与工件6之间产生电弧。电弧的末端在待去除的氧化物上行进。气体喷嘴3布置成沿着电极2朝向工件6引入处理气体1。工件由钢制成，并且优选地由不锈钢制成。待去除的氧化物主要是铬氧化物。电源7形成DC电路并提供5A至100A的电流，优选为10A至50A的电流。

在焊缝冷却至低于200℃、优选为达到通常室温之后，将清洁装置施加到该工件6上以去除铬氧化物。产生的电弧长度约为3mm。清洁装置以0.1m/min至6m/min的速度相对于焊缝8移动，以去除焊缝上和焊缝8附近形成的氧化物。

由气体喷嘴3馈送的处理气体包围电弧和清洁区域。处理气体的组分影响位于金属表面和金属氧化物表面上的电弧放电、等离子体行为、阴极点移动以及等离子体化学反应。处理气体的流速为约5l/min至20l/min，优选为10l/min至15l/min。处理气体的组分可以是：

-选自氩气、氦气的惰性气体，

-由氩气平衡的体积百分数为1％-50％的氦气，优选的体积百分数为10％-40％的氦气。

-由氩气平衡的体积百分数为0.1％-10％的氢气，优选的体积百分数为0.1％-5％的氢气，极为优选的体积百分数为0.1％-2％的氢气。

-包含选自CO、NO、N₂O、CnHm的还原气体的氩气

-包含具有含量为100ppm至500ppm的、选自O₂和CO₂的活性气体的氩气。

-由氩气平衡的体积百分数为0.01％-5％的氮气

-由氩气平衡的体积百分数为0.1％-5％的氢气和体积百分数为0.5％-5％的氮气。

通过在工件的焊接处理之后在工件上运行单独的清洁装置，可以根据所形成的氧化物的特征单独调节清洁装置的参数。这些参数包括处理气体组分、流速、电弧长度、电流、行进速度等。因此，清洁装置能够以灵活且有效的方式去除氧化物并处理工件。

图2示意性地示出了穿过铬氧化层5的剖面，在焊接过程中，该铬氧化层5焊缝8上及焊缝8附近形成在工件6上。氧化层5因焊接处理、不同的温度和暴露于氧化剂的时间而具有不均匀的厚度。离焊缝8越近，氧化层5越厚，并且离焊缝8越远，氧化层5越薄。氧化层5的最厚区域位于焊缝8上，可以具有约175nm至275nm的厚度。该厚度从焊缝8向外逐渐减小。氧化层5的最薄区域具有约5nm的厚度。在清洁处理期间，因电弧的阴极足点的最高的电场能量密度，该阴极足点可以将其自身与工件6的钢表面的氧化层的边缘自动地对准。

由于铬氧化层5的不均匀厚度，使用阴极清洁方法以及根据本发明的清洁装置而不使用任何化学的、机械的去除工具或污染工具来将铬氧化层5去除是特别有利的。与现有技术相比，在不进行昂贵的准备和后处理的情况下，可以更快、更安全和更有效地去除氧化物，而不会在清洁处理期间产生灰尘。

图3示意性地示出了根据本发明的清洁装置。清洁装置用于处理工件6，该工件6由彼此邻接的两种基底材料焊接，也称为对接焊缝。类似于图1中的实施例，电源7将钨电极2电连接到工件6以在它们之间产生电弧4，其中，电极2是阳极且工件6是阴极。电源6提供具有电流为10A至50A的电路。围绕电极2布置有气体喷嘴3，以朝向工件6引入处理气体1来封围电弧4，以控制清洁并保护待处置区域免受周围气氛的影响。

图4以自动连续流水线示出了阴极清洁装置14的应用。在该实施例中，工件6从焊接单元13朝向处理单元15移动，在生产线中待连续处理。焊接界面首先行进到焊接单元13下面以进行焊接，然后所产生的焊缝8行进到清洁装置14下方，以去除在焊接单元13中的焊接期间所形成的氧化物。焊接单元具有电源12，电源12电连接电极10和工件6。优选地，电极是阴极连接的且工件6是阳极连接的，这在工件上建立高热量集中以利于其熔化并实现深度穿透。焊接单元13具有与清洁装置14的极性相反的正极性。焊接单元13之后可以将清洁装置设定有预定的时间间隔，以确保氧化物可以有效地去除。

焊缝8在由清洁装置14清洁之前应该优选地冷却到200℃以下，以避免在清洁处理期间产生额外的氧化物。可以在焊接单元13与清洁装置14之间布置冷却单元以冷却焊缝8。在由清洁装置14去除氧化物之后，焊缝进一步行进到后处理单元15下，后处理单元15主要将惰性气体或还原气体引入到表面上以保护其免于接触空气并且二次氧化，而且还进一步冷却该表面。替代地，该处理单元15也可以布置在清洁装置14与焊接单元13之间。通过将冷却单元、清洁装置14以及焊接单元13布置在连续生产线中，其利于以简单且高效的方式自动获得良好的焊接质量。

清洁装置14优选地具有控制单元，该控制单元分析来自焊接单元13的输入数据并对其进行评估，然后将评估的输出数据递送到清洁装置14，以便能够调节诸如处理气体组分、流速、电流、电极速度等的参数，从而能够适于在在先焊接处理中在工件6上形成的氧化层。

Claims

1.一种在热接合处理之后用于清洁工件的方法，其中，通过从所述工件的表面去除氧化物来进行清洁，所述氧化物于在先的所述热接合处理期间形成在所述工件上，其特征在于，电弧产生在所述工件与非自耗电极之间以去除所述工件上的氧化物，其中，电源设置成电连接所述工件和所述非自耗电极，并且其中，所述非自耗电极实质是阳极极化的，且所述工件实质是阴极极化的。

2.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，所述电源产生直流电流电路，通过所述直流电流电路，所述非自耗电极被阳极极化，且所述工件被阴极极化。

3.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，所述电源产生交流电流电路，通过所述交流电流电路，所述工件最多以总体的25％的电能被阳极极化。

4.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，所述热接合处理是焊接处理或钎焊处理。

5.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，以如下方式在所述热接合处理之后清洁所述工件的表面，即，在所述热接合处理之后以预定的时间间隔执行清洁。

6.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，沿所述非自耗电极朝向所述工件引入处理气体。

7.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，所述电源提供5A至100A的电流，优选为10A至50A的电流。

8.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，所述工件由钢合金制成，优选为由不锈钢合金制成。

9.根据前述权利要求中的一项所述的清洁方法，其特征在于，所述工件由高合金材料制成，优选为由Ni基合金制成。

10.一种用于去除工件上的氧化物的清洁装置，所述氧化物由在先的热接合处理形成，所述清洁装置包括：

-非自耗电极；

-至少一个气体喷嘴，所述至少一个气体喷嘴围绕所述非自耗电极以朝向所述工件引入处理气体；

-电源，所述电源电连接所述非自耗电极和所述工件，

其特征在于，所述非自耗电极实质是阳极，且所述工件实质是阴极。

11.根据权利要求10所述的清洁装置，其特征在于，所述非自耗电极是钨电极。

12.根据权利要求1或9中的一项所述的处理气体，其特征在于，所述处理气体包含氩气和/或氦气。

13.根据权利要求12所述的处理气体，其特征在于，所述处理气体包含至少另一种选自H₂、CO、NO、N₂O、CnHm的还原气体。

14.根据权利要求12所述的处理气体，其特征在于，处理气体包含体积百分数为0.5％至5％的氮气，优选的包含体积百分数为1％至4％的氮气，氮气优选的通过氩气平衡。

15.根据权利要求12所述的处理气体，其特征在于，所述处理气体包括H₂和Ar，其中H₂的体积百分数为0.1％至10％，优选的体积百分数为0.1％至5％。

16.根据权利要求12所述的处理气体，其特征在于，所述处理气体包含选自CO₂、O₂的活性气体，并且所述活性气体的体积百分数最多为0.1％。

17.根据权利要求12所述的处理气体，其特征在于，所述处理气体包括氩气和氦气，其中氦气的体积百分数为1％至50％，优选的体积百分数为10％至40％。