CN1109810A - 通过电弧熔化焊连接金属零件的方法 - Google Patents

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Abstract

在通过一种小容积焊缝的电弧熔化焊将金属零 件(1，2)连接起来的方法中，由窄间隙(4)形成的工作 侧面(5，6)通过DE2633829中所述的埋弧焊接过程 由交替支承在两个侧面(5，6)上的焊珠(7，8)连接起 来，要连接的金属零件(1，2)有一个在窄间隙(4)下面 的特别窄间隙(9)和一个中心的补偿(10)。金属零件 (1，2)首先通过中心的补偿(10)而相互定位。在焊接 时形成一个预定的熔穿点(12)，从而在焊接底部形成 一个凸起加厚(11)。

Description

本发明涉及一种通过由小容积焊缝的电弧熔化焊连接金属零件的方法（窄间隙焊）。
DE 2633829已经揭示了一种通过由小容积焊缝的电弧熔化焊连接金属零件的方法。这里，要连接的并形成一个窄间隙的工件部份首先通过一种由电子束焊、等离子体弧焊，激光束焊或氩弧焊方法而产生的底焊，在它们的焊接坡口中在有或无填充金属的情况下而被焊接起来。然后由窄间隙所形成的工件侧面通过埋弧焊方法连接起来，在此方法中，焊珠交替支承在一个或另一个侧面，每一个埋弧焊的焊珠是以这种方式设置的，即焊珠在位于下面的窄间隙的三分之一的中心部位重叠，并且每一次焊珠只焊化一个工件的侧面，窄间隙的宽度是所用焊丝直径的四倍，当埋弧焊时焊丝的电流密度是50安/毫米2，焊接速度是这样配合的，即在直径2.5毫米的焊丝中每单位长度的能量为8.5千焦尔/厘米，直径为3毫米时能量为12.5千焦尔/厘米和直径为4.0毫米时能量为22千焦尔/厘米。
此方法可以特别有效地应用在重型机械结构中旋转对称体的连接。只能从一侧接近因而不能在根部侧重新焊接的厚壁部件也能根据DE    2633829的方法有效地连接起来。此方法最佳的应用范围是连接圆盘形和空心圆柱形锻件，这类锻件用在蒸汽和燃气轮机，压缩机以及涡轮发电机的转子结构中。
本发明的优点在于，一个无夹杂的细颗粒的组织在工件之间的连接处形成。在焊接熔敷区或者热影响区中不再有原始组织。因此后来的正火或淬冷和回火不需要了。
但在另一方面这个方法也有不足，它只能用于半自动化。另外，底部焊接在根部区域必须要垂直进行，并且有一定的厚度，只有这样，例如当利用埋弧窄间隙焊进行最后水平焊接时，被焊的转子才能不弯曲。
因此，与在焊接过程中完全自动的现有技术相比较，本发明的目的是提供一个获得高效率的新颖方法，以产生最高质量小容积的焊缝，利用该焊接方法也能焊接复杂的和体积大的工件，特别是焊接过程中只能从一侧接近的工件。
根据本发明，实现上述目的的技术解决方案是，在利用电弧熔化焊由小容积的焊缝连接金属零件的方法中，要连接的金属零件除了一窄间隙之外，还有一个特别的窄间隙和一个中心补偿，这些金属零件首先通过中心补偿相互定位，在焊接底部区域形成一个凸起加厚，在焊接过程中形成一个预先设定的的熔穿点，在埋弧窄间隙焊接过程之前，由特别窄间隙形成的工件侧面利用全自动的钨极隋性气体焊接（GTAW）或气体金属电弧焊接方法（GMAW）并通过多层焊珠而焊接，该多层焊珠在每一种情况下都扩展到特别窄间隙的整个宽度上。然后由窄间隙形成的工件的侧面由众所周知的埋弧焊接过程的方法连接在一起。
本发明的优点尤其可以从这个事实中看到，即特别窄的间隙能自动地焊接，因此获得一个高效率的方法。最高质量焊缝的产生使得被连接的工件的后续热处理不再需要了。特别是在焊接过程中那些只能从一侧接近的单个零件可以连接在一起。
当使用的凸起加厚的宽度约为其高度的三倍时是特别方便的。它能够保证在焊接中咬边在熔穿焊道的两侧形成，并且仅仅在支承截面的外侧。
另外，当应用一个特别窄间隙时是有优越性的，它的高度是它宽度的6到10倍，但至少为40毫米。因为热量输入随焊缝高度的增加而连续增加，所以在这些尺寸下，最后的焊珠能够仅仅在一个焊层中，从而使得全自动成为可能。
最后，在钨极隋性气体焊接（GTAW）或气体金属焊接（GMAW）过程中，有利的是，所应用的焊丝其直径是特别窄间隙的宽度的五分之一到四分之一，但是最细为0.8毫米和最粗为1.6毫米。因此可以获得可靠的焊丝导向和一个优良的焊接结果。
另外，在钨极隋性气体焊接（GTAW）或气体金属焊接（GMAW）的焊接过程中，随着预热温度的变化焊接有利地加以实现，此温度最好大于200℃，电流密度范围在200-300安培，并以每分钟50-200毫米的速度给进。
最后，当保护气体应用氩或最多含有8%的氢的氩或具有30-70%，最好为50%的氩，其余为氦的氩氦混合物是有利的。这样可以产生优质的焊缝。
结合附图并参阅以下的详细说明，将容易地得到对本发明和其许多优点的更完全的评价，以及能更好地理解本发明。
在附图中示出了本发明一个实施例。这个唯一的附图示出了通过在焊接区域内要连接的工件部份的横截面示意图。其中，只示出了对理解本发明关键的部份。
下面借助于附图进一步说明本发明在图中示意地表示出在焊接区域要连接的工件部份的横截面。要连接的金属零件为1和2，它们位于窄间隙4内的相对的平行的工作侧面为5和6以及位于特别窄间隙9内的侧面为13和14。在焊接不能接近的那一侧（如空心体的内侧），要连接的金属零件1和2在中心补偿10处彼此对接并且彼此对应地设置。在焊接底部区域这样地形成凸起加厚11，在焊接时形成一个预制的熔穿点12，从而在焊接过程中强制形成中心补偿10的熔化。然后咬边只在熔穿珠的两边产生，而支承截面没有咬边，这样在材料的应力特性上具有非常有利的作用。
在此实施例中，中心补偿10高度h为5毫米，凸起加厚11的宽度C总共为40毫米，高度d为15毫米。水平面和凸起加厚的夹角α为15度。由于这些几何尺寸，在利用接近允许的焊接数据范围内可以获得中心补偿10的熔化。
在此实施例中，宽度b为5毫米和高度e约40毫米的特别窄间隙9的平行工件侧面13和14通过全自动钨极隋性气体焊接（GTAW）连接起来。在此过程中，焊珠15从一个工件侧面13延伸到相对的工件侧面14，所以在任何情况下两个工件侧面都能熔化。一旦电弧定位，就不需要任何变化，因而焊接的操作过程可以自动化。在这种钨极隋性气体焊接（GTAW）的焊接过程中，应用一个直径为1.2毫米的焊丝。根据预热温度，在电流密度范围为200-300安，并以每分钟50-200毫米的给进速度实现操作。氩作为隋性气体。当然，在别的实施例中也可用氩和最多8%的氢的混合气或氩和30-70%的氦的混合气，用同样比例的氩和氦将产生最佳结果。利用钨极隋性气体焊接（GTAW）产生优异焊缝质量。
相反，如果在焊接特别窄间隙9的另一个实施例中应用气体金属焊接（GMAW）方法，可以预料到焊丝给进管，隋性气体喷嘴和焊接坡口的工件侧面以及焊接珠表面的焊渣层中的某种污染，这是由于众所周知的在电弧/隋性气体/熔池空间中的金属颗粒的飞溅造成的，因此特别窄间隙9的焊缝质量由于未熔透而不如气体金属焊接（GMAW）过程优异。
在底部焊接以后，由工件侧面5和6形成的窄间隙4的宽度a小于16毫米，通过DE    2633829所揭示的方法，由埋弧焊接过程以这样方式进行，即焊珠7和焊珠8分别交替地设置在工作侧面6和5上。这些焊珠7和8在每种情况下都在中心部位重叠窄间隙4的三分之一。焊丝的各自的轴向位置保证在焊接操作时在同一时间内工件侧面5或6中只有一个被熔化。因此获得一个具有优越性的组织，熔化的金属成份在整个焊缝横截面上保持恒定，在冷却时应用在允许的限度内变化。
在实际焊接条件下，特别窄间隙9的焊接宽度随着钨极惰性气体焊接（GTAW）或气体金属焊接（GMAW）过程中焊珠15数目的增加而变得越来越大。这是由于钨极隋性气体焊接（GTAW）和气体金属焊接（GMAW）过程中的低熔敷效率以及总是增加的热输入而引起的。这就意味着窄间隙9只允许有某一个最大的高度e，因为，否则特别窄间隙9的桥接就不再可以仅由一个焊层获得。因此，就不再可能实现自动焊接过程。
根据本发明的方法不仅能够应用到旋转对称构件上而且能用在其它厚壁金属零件上，特别是那些只能从一个侧面接近和不能在根侧重焊的部件，例如，低或高合金金属板、管、圆盘和中空圆柱体。
一个最佳应用领域是能量转换机械的转子的制造，这些机械由具有空腔的或在端面上具有凹陷的各转动体建成，例如同样长度或同样厚度的圆盘形或中空圆柱形锻件。这些锻件首先在根部区域垂直连接，也就是利用上述的钨极隋性气体焊接（GTAM）或气体金属焊接（GMAW）方法在特别窄间隙9的区域上连接起来。然后转子通过埋弧焊在窄间隙4的区域上水平地最终焊接。为了使转子在此过程中不弯曲，首次焊接必须有一定的深度，即特别窄间隙9必须有一定的高度e，根据本发明，这里的特别窄间隙9的高度e的范围是它的宽度b的6至10倍并且至少是40毫米。
特别窄间隙9的气体金属焊接（GMAW）过程特别适用于以镍基合金的金属零件的连接，因为在该焊接过程中仅仅出现非常小的热影响区，并且这些材料对在热影响区的缺陷特别地敏感。这样就能得到优异的焊接质量。
显然，根据上面的内容，本发明可能有许多改进和变化，应当理解，在附加的权利要求范围内，本发明可以采用与这里说明的技术条件不同的方式实现。
标号表
1.要连接的金属零件
2.要连接的金属零件
3.焊缝
4.窄间隙
5.在窄间隙中的工件侧面
6.在窄间隙中的工件侧面
7.由埋弧焊接过程产生的焊珠
8.由埋弧焊接过程产生的焊珠
9.特别窄间隙
10.中心的补偿
11.凸起加厚
12.预定的熔穿点
13.在特别窄间隙中的工件侧面
14.在特别窄间隙中的工件侧面
15.由钨极隋性气体焊接（GTAW）/气体金属焊接（GMAW）过程产生的焊珠。
a.窄间隙的宽度
b.特别窄间隙的宽度
c.凸起加厚的宽度
d.凸起加厚的高度
e.特别窄间隙的高度
h.中心的补偿的高度
α.凸起加厚与水平方向的夹角

Claims (8)

1、一种利用电弧熔化焊由小容积的焊缝(3)连接金属零件(1，2)的方法，在此方法中，由窄间隙(4)形成的工作侧面(5，6)利用DE2633829的埋弧焊接方法，由焊珠(7，8)交替支承在一个和另一个侧面(5，6)而连接起来，其特征在于，要连接的金属零件(1，2)有一个与窄间隙(4)相连的特别窄间隙(9)和一个与特别窄间隙(9)相连的中心补偿(10)，并且零件(1，2)首先通过中心补偿(10)彼此相互定位，一个凸起加厚(11)以这种方式在焊接底部区域形成，即在焊接时形成一个预定的熔穿点(12)，以及在埋弧窄间隙焊接过程之前，特别窄间隙(9)形成的工件侧面(13，14)通过全自动钨极隋性气体焊接(GTAW)或气体金属电弧焊接(GMAW)过程由多层焊珠(15)而连接起来，该多层焊珠(15)在每一种情况下都扩展到特别窄间隙(9)的整个宽度(b)上。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用一个宽度（c）是它高度（d）大约三倍的凸起加厚（11）。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用一个特别窄间隙（9），其高度（e）是它宽度（b）的6-10倍，但至少是40毫米。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在钨极隋性气体焊接（GTAW）或气体金属电弧焊接（GMAW）过程中，应用一种焊丝，它的直径是特别窄间隙（9）宽度（b）的五分之一到四分之一，但最细为0.8毫米，最粗为1.6毫米。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在钨极隋性气体焊接（GTAW）或气体金属电弧焊接（GMAW）过程中，根据预热温度不同而采用电流强度为200-300安培，给进速度为50-200毫米/分钟实现操作。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据合金元素的比例而采用大于200℃的预热温度实现操作。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用氩或最多具有8%的氢的氩或具有30%-70%的氩和剩下的为氦的氩/氦混合物作为隋性气体。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用一种50%氩和50%氦的氩/氦混合物。
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