CN1876314A - 使用氩、氦、氢混合物的tig硬钎焊方法 - Google Patents

使用氩、氦、氢混合物的tig硬钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用TIG焊炬、自耗填充丝以及保护气体对一个或多个钢制工件进行TIG硬钎焊的方法，其特征在于，所述保护气体是由氦、氢以及氩形成的三元气体混合物，该气体混合物包含体积百分数小于5％的氦、体积百分数小于1％的氢以及占剩余体积百分数的氩。所述方法用于焊接汽车用的镀锌碳素钢板。

Description

使用氩、氦、氢混合物的TIG硬钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种使用含有氩、氦、氢的混合气体对无涂层的和镀锌的碳素钢进行TIG硬钎焊的方法。
背景技术
气体保护的TIG(钨极惰性气体)硬钎焊或TIG钎焊，以及MAG(金属活性气体)钎焊方法、等离子钎焊方法或激光钎焊方法是用于汽车构造领域的常规方法，尤其用于将某些车体部件例如后备箱元件或车顶元件连接在一起，尤其用在对焊道外观以及密封—特别是对卷边压折连接构型要求严格的场合。
采用填充丝的TIG焊接方法或TIG钎焊方法是指利用TIG焊炬—即具有通电的钨电极的焊炬—熔化自耗填充丝并使用合适的保护气体来将金属工件接合在一起从而在金属工件之间形成焊接接头。
在钎焊中，理论上，由于通过使填充丝扩散到母体金属来提供粘接，所以不熔化母体金属—即不熔化待接合在一起的工件的边缘，因此，尤其可以用来连接由不同金属制成或由同种但不同级别的金属制成的工件。但是，在实践中，在多数电弧钎焊方法中都可以看到母体金属有略微的熔化。
在用于机动车辆的镀锌板的TIG钎焊方面，一直很难提高产量和质量。
为解决该问题，已经提出多种以选择特殊气体为基础的方案，但是，到目前为止，都不能达到完全满意的效果。
因此，由于电弧的不稳定性，用作钎焊气体的纯氩具有不充分润湿和缺乏均匀性的缺点，该问题在钎焊速度较高—即通常高于50cm/min—时非常明显。
为解决该问题，例如文献GB-A-2 038 687已经提出由氩和氢形成的二元混合物，因为氢有助于约束并稳定电弧，并且可使溶池面积减小。但是已观察到，当氢的体积含量高于2.5％时，这种Ar/H2混合物在接头处产生很大的气孔。而为了改进润湿和焊速，希望氢含量更高。
此外，文献EP-A-1 201 345已提出使用氩/氦二元混合物。这是因为氦可使电弧电压更高，从而使焊接能量更高。这样会获得更好的润湿，但是也会导致更大的变形。此外，由于这些混合物大大提高了电弧电压，所以比较难以将薄的板材接合在一起，此外还发现变形更大，并且最重要的是与使用氩/氢二元混合物相比焊速没有提高。
另外，氩/氦混合物使得引弧更困难，从而需要在切换到用于焊接的氩/氦混合物之前，单独在氩气中进行引弧，因此该方法更复杂。
此外，文献EP-A-1 295 669已提出用于TIG焊接的包含氩、氦以及氢的三元混合物。但是，该气体混合物具有由于很高的氦含量和氢含量而产生非常大的焊接能量从而导致在所得的接头处产生过大的变形的缺点。不推荐将该气体用于实施钎焊。
最后，文献US-A-6 237 836涉及一种包含氩、氦以及氢的气体混合物，该气体混合物仅用于热导率低于铝的金属—例如高合金钢或低合金钢—的TIG焊接。同样不推荐将该气体用于实施钎焊。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是消除上述问题和缺点，也就是说，提出一种利用自耗填充丝对无涂层的和/或镀锌的(电镀的)碳素钢进行TIG硬钎焊的方法，从而可以提高这些钢—尤其是用于机动车辆构造部的钢的硬钎焊生产量和质量。
本发明的解决方案是一种采用焊炬、自耗填充丝(焊丝)以及保护气体对一个或多个钢制工件进行TIG硬钎焊的方法，其特征在于，该保护气体是由氦、氢以及氩形成的三元气体混合物，其中氦的体积含量少于5％，氢的体积含量少于1％，其余为氩。
根据示例，本发明的TIG硬钎焊方法可以包括一个或多个下列特征：
—气体混合物包含体积百分数至少为0.1％的氦；
—气体混合物包含体积百分数至少为0.4％，优选地至少为0.5％的氦；
—气体混合物包含体积百分数约为1％的氦；
—气体混合物包含体积百分数少于0.8％的氢；
—气体混合物包含体积百分数至少为0.1％的氢；
—气体混合物包含体积百分数约为0.5％的氢；
—对多个碳素钢工件进行硬钎焊；
—对多个镀锌或包锌的碳素钢工件进行硬钎焊；和
—自耗填充丝由铜硅合金(CuSi3)或铜铝合金制成。
本发明还涉及一种制造汽车车身的方法，其中通过本发明的采用填充丝的TIG硬钎焊方法将碳素钢工件接合在一起，焊炬优选地由机械手把持。
因此，本发明的TIG硬钎焊方法包括通过利用TIG弧焊炬熔化自耗填充丝而将金属工件—特别是带涂层的尤其是镀锌的或电镀锌的碳素钢工件—接合在一起，在所述工件之间产生焊接接头。
具体实施方式
当产生焊接接头时，目的是有意地不熔化待接合在一起的工件的边缘。工件之间的粘接通常仅通过填充丝的熔化和由此堆积的金属的随后的凝固来实现。但是，在某些情况下，可能存在所述边缘的轻微熔化，但是该熔化是不需要的也是不期望的。
在硬钎焊操作期间，采用由氦、氢以及氩形成的三元保护气体混合物来保护硬钎焊区域。
可在根据本发明的硬钎焊方法中使用的优选的三元混合物主要包括添加有1％的氦和0.5％的氢的氩(百分数为体积百分数)。但是，其成分与该三元混合物相近的气体混合物也可以产生令人满意的效果。
因此，已发现约0.5％的最小氦含量可以达到良好结果，但达到此要求的情况有点困难。
同样地，5％的氦含量是可接受的，而10％的氦含量则是不利的，因为它会产生较高的能量，从而导致过度的变形以及覆盖镀锌钢板表面的锌层的大量脱落。
下面的表1给出实施TIG硬钎焊方法的比较实验中获得的结果，目的在于说明不同组成的气体混合物的不同成分对润湿、焊速、溅射量以及在无涂层的钢制工件和镀锌的钢制工件上得到的焊道的气孔的影响。
表2中给出用于进行这些实验的实验条件。
                                          表1
  气体成分(体积分数％)   无涂层的钢   镀锌的钢
  Ar+0.5％H2+1％He   好   好
  Ar+0.5％H2+5％He   可接受   可接受
  Ar+0.5％H2+10％He   差   /
  Ar+2.5％H2   及格   好
  Ar   差   及格
  Ar+5％H2+20％He   差   差
                                           表2
  填充丝   电流(A)   电压(V)   焊速(m/min)   送丝速度(m/min)   板厚(mm)
  CuSi3Φ1mm   140   13   1   4   1
  CuSi3Φ1mm   170   13   2   5   1
  CuSi3Φ1.2mm   155   10.5   1   3.5   2
焊接接头的构型为扁平的搭接接头。
所使用的填充丝为CuSi3类型并且根据实验情况具有Φ1mm或Φ1.2mm的直径。
上面的表1示出，只有本发明的气体混合物提供了对无涂层的钢和镀锌的钢—即具有锌涂层的钢—都可接受或良好的结果。
特别的，Ar+0.5％H2+1％He的混合物表现最好。具有更高比例的氦的混合物具有太高的—可能导致过度变形的焊接能量。
如果使用扫掠操作以形成接头，则氢含量为2.5％的二元混合物具有在焊道内产生气孔的风险。
此外，采用由下列组成形成的三元气体混合物进行补充实验：
—实验A：0.5％H2+1％He+Ar(剩余百分比)
—实验B：0.5％H2+20％He+Ar(剩余百分比)
在实验A和实验B中焊接条件是相同的，即：120A电流；11.5V电压；送丝速度(Vf)4m/min；焊速(Vs)1m/min；以及气体流量15l/min。所使用的填充丝为CuSi3类型。
对由此(从实验A和B)获得的焊道表面的表观检验示出，当氦为20％时，在焊道的前部堆积较大量的烟尘，并且由于包含较多氦的混合物提供了较高能量而在焊道后面可见一丝烧焦的锌。
此外，采用下列组成的气体混合物进行其它实验：
—实验C：2.5％H2+20％He+Ar(剩余百分比)
—实验D：5％He+Ar(剩余百分比)
采用L’Air Liquide的ARCALTM 31型的气体的实验D并不令人满意，因为焊道中呈现无规律性
所使用的焊接参数为：155A电流；12.5V电压；送丝速度2.9m/min；焊速1m/min；气体流量15l/min。所使用的填充丝为CuSi3类型。
在此，在未采用含量最小的氢的实验—即实验D—中，焊道表面的表观检验显示出无规律性。
用在根据本发明的方法中的三元混合物在焊速尤其是约2m/min的最大焊速—对于电镀锌板甚至为3.5m/min的焊速、润湿以及焊道外观方面获得了有益的效果，使得可以避免CuSi3中的气孔问题，并且气体混合物由于氦含量低(小于5％)而更廉价，并更容易引弧。
本发明的方法可特别用于如EP-A-1459831所述的自动机械焊接装置。

Claims (14)

1.采用TIG焊炬、自耗填充丝以及保护气体对一个或多个钢制工件进行TIG硬钎焊的方法，其特征在于，所述保护气体是由氦、氢以及氩形成的三元气体混合物，该气体混合物包含：
体积百分数小于5％的氦；
体积百分数小于1％的氢；以及
剩余为氩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数至少为0.1％的氦。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数至少为0.4％优选地至少为0.5％的氦。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数约为1％的氦。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数小于0.8％的氢。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数至少为0.1％的氢。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包含体积百分数约为0.5％的氢。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述三元气体混合物包括体积百分数为0.45％-0.55％的氢、体积百分数为0.95％-1.05％的氦、剩余为氩。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述三元气体混合物包括体积百分数为0.5％的氢、体积百分数为1％的氦、剩余为氩。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，对多个碳素钢工件进行硬钎焊。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，对多个镀锌或包锌的碳素钢工件进行硬钎焊。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述自耗填充丝由铜硅合金(CuSi3)或铜铝合金制成。
13.用于制造汽车车身的方法，其中，通过根据权利要求1至12中任一项所述利用填充丝的TIG硬钎焊方法将碳素钢工件接合在一起。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述焊炬由机械手把持。
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