專利名稱：用于電弧焊的氣體組合物的制作方法
背景技術(shù)：
氣體保護金屬極電弧點焊(GMAW)通常用于在大批量生產(chǎn)環(huán)境、特別是采用自動化或機器人焊接設(shè)備的裝配線中連接金屬件。這種工藝的一個富有挑戰(zhàn)性的用途是將比較薄的金屬件焊接在一起，特別是鋁或鋁合金。一個關(guān)鍵問題是每個工件都能通過該液態(tài)金屬獲得足夠的熔透度，而不發(fā)生過度熔透(over-penetration)或“燒透(bnrn-through)”。第二個關(guān)鍵問題是形成的焊縫可以跨越工件之間成直線排列的間隙或接縫(joint“fit-up”)的變化。由于高電壓通常會導(dǎo)致跨越較大間隙的焊縫，而高電壓又會反過來導(dǎo)致較為嚴重的燒透，因而上述問題相互關(guān)聯(lián)。第三個問題是在解決這些問題的同時要保持或提高焊接速度以及焊縫的機械性能。第四個問題是提供一種能解決上述問題、適合于直流(DC)焊接和交流(AC)焊接的方法。
為解決這些相互關(guān)聯(lián)的問題，已經(jīng)進行了許多嘗試。一種方法是利用替代的保護氣組合物。根據(jù)定義，GMAW是采用某種氣體來控制焊縫周圍的氣氛，隔絕能與液態(tài)金屬反應(yīng)的物質(zhì)。例如，保護氣可以為高純氬氣(99.997％純度，＜5ppm水)。最近，在保護氣組合物中添加少量其它物質(zhì)，如氮氣、氧氣、一氧化二氮和二氧化碳與惰性氣體混合。所述非惰性氣體的用量為約200ppm-約1200ppm。這些嘗試提高了直流GMAW的電弧穩(wěn)定性，但仍未解決燒透問題，特別是關(guān)于接縫的變化問題。
解決該問題的另一嘗試是采用交流電和采用能使電弧電流的變化最小化的方法。結(jié)果使得燒透最小化，但是沒有解決承受接縫變化的問題。
解決這些問題的一種嘗試涉及采用由惰性氣體和其它反應(yīng)氣體組成的保護氣，所述其它反應(yīng)氣體的用量是每百萬份中占數(shù)百份(ppm)。
另一種技術(shù)采用交流電產(chǎn)生電弧，控制交流電來控制熔透深度。這種方法雖然可以減少燒透，但本領(lǐng)域的經(jīng)驗表明，采用這些系統(tǒng)的裝配線必須以較低的速度運行。
另一種嘗試采用少量氧氣與約10％-約98％氦氣混合，余量為氬氣。但是，氦氣和氬氣對焊縫性能的影響有本質(zhì)區(qū)別。例如，所得焊縫中的焊珠大小隨氦氣的濃度而變化。這會影響燒透、跨越不同接縫間隙的能力、從而影響在給定焊接質(zhì)量下可獲得的最大焊接速度。但該方法并未提及這些作為氦氣濃度的函數(shù)的量之間的關(guān)系。而且，該方法僅教導(dǎo)了采用有限頻率范圍的交流電。因而并未提出對該問題的理解或解決方法。
因此，需要有一種能在較薄工件上焊接多種接縫間隙的高速焊接工藝，同時能使燒透最小化、并保持或提高焊縫的機械性能。
發(fā)明概述本發(fā)明公開了一種新穎的用于GMAW工藝的保護氣組合物。見實施例中的實施例1、2和3。
本發(fā)明的一個實施方案是一種用于電孤焊接的保護氣組合物，包括氧氣(O2)約0.6-約1.9％，氦氣約10％-約24％，其余基本上由氬氣組成。另一實施方案是一種氣體保護金屬極電弧點焊的方法，包括采用所述組合物的步驟。
本發(fā)明的優(yōu)點眾多而顯著。將兩種惰性氣體與一種極大量的反應(yīng)氣體混合，采用本發(fā)明的裝配線可以以高速運行。本發(fā)明允許GMAW工藝承受接縫廣泛范圍的變化，同時避免發(fā)生燒透。本發(fā)明還允許運行速度高于現(xiàn)有工藝。進一步地，本發(fā)明適用于直流電和交流電工藝，可以更靈活地選擇焊接設(shè)備、工件規(guī)格和操作條件。本發(fā)明為焊縫提供優(yōu)良機械性能的同時，也解決了前述問題。所述組合物也可以采用較低純度，即較廉價的氣體。
發(fā)明詳述通過下文對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行詳細描述，前述內(nèi)容及本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點將更為明確。除非有特別說明，關(guān)于氣體的所有百分比和份數(shù)都是以體積計。除非有特別說明，關(guān)于液體和固體的所有百分比和份數(shù)都是以重量計。
本發(fā)明主要涉及GMAW工藝。具體來說，本發(fā)明涉及在高產(chǎn)量裝配線中，焊接薄工件特別是鋁和鋁合金時使用的保護氣組合物。
電弧焊工藝要保持一個或多個工件與一個熔化電焊條之間的電弧。電弧將焊條轉(zhuǎn)變成液態(tài)金屬滴，隨后該金屬滴轉(zhuǎn)移到工件上。液態(tài)金屬凝固之前滲透該工件的金屬，同時形成堅固的焊縫，但不過度滲透而導(dǎo)致燒透。
根據(jù)定義，GMAW工藝采用氣體。所述氣體也稱為保護氣，用于控制焊縫附近的氣氛。該氣體提供一層隔離周圍環(huán)境的屏障，隔絕或控制能與該焊縫的液態(tài)金屬發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，如水或氧氣。在焊接所采用的高溫下，即使典型的非反應(yīng)氣體如氮氣和二氧化碳，也會與該液態(tài)金屬反應(yīng)。因此，保護氣的典型實例是惰性氣體如氬氣或氦氣，或二者的混合物。
保護氣的組成、和被焊接金屬共同決定了所形成焊縫的許多特性。液滴大小、金屬轉(zhuǎn)移速度、焊縫的孔隙率等都受這些參數(shù)影響。但焊接工藝條件之間的關(guān)系、以及所得焊縫的性能并不能通過預(yù)期或從理論上充分獲知。因此，新工藝條件的發(fā)展一般需要廣泛的試驗努力和實踐經(jīng)驗。
所述組合物是在氬氣載氣中加入氦氣和氧氣。加入氦氣需要弧柱具有更高的電壓，即電弧的混合傳導(dǎo)路徑和液態(tài)金屬從熔化電焊條轉(zhuǎn)移至工件的路徑。這導(dǎo)致焊縫上的焊珠較大，這意味著能成功焊接更大變化的接縫。加入氧氣會提高焊接熔池的流動性，減小弧柱中的金屬液滴尺寸。這使得金屬的轉(zhuǎn)移速度更高，工藝進行得更快。
實現(xiàn)上述結(jié)果的所述組合物中，氧氣的含量驚人地高，原因有兩點。首先，惰性保護氣體的傳統(tǒng)理論認為大量的反應(yīng)氣會導(dǎo)致其與液態(tài)金屬反應(yīng)，這是不可接受的。而且，使用反應(yīng)氣時其含量也較小，相對非反應(yīng)氣在1200ppm數(shù)量級，如氮氣和二氧化碳，更具活性的物質(zhì)的量更少，在200ppm數(shù)量級，如一氧化二氮。與相對非活性氣體相比，本發(fā)明中氧氣的用量提高了約4-約16倍；與反應(yīng)氣相比，本發(fā)明中氧氣的用量提高了約25-約100倍。
在另一個實施方案中，氧氣的量為約1％。在又一個實施方案中，氦氣的量為約20％。或者，氧氣的量為約1％、氦氣的量為約20％。
在初步試驗中，測試兩種不同純度的氬氣載氣，99.997％純度(＜5ppm水)和99.995％純度(＜10ppm水)，其結(jié)果基本一致。因此，本發(fā)明的另一實施方案是一種組合物，其中氬氣組分的純度至少約99.995％。
在本發(fā)明所述方法的一個實施方案中，使用直流電產(chǎn)生電弧。在另一個實施方案中，使用交流電產(chǎn)生電弧。另一個實施方案中，采用該方法焊接包括鋁和鋁合金的金屬。鋁合金包括如AA5052-H34和AA6063-T5，或4000、5000和6000系列的任何其它焊條。
實施例通過下述實施例解釋本發(fā)明，但這些實施例在任何方面都并非限制性的。
在這些實施例中，采用下述條件。試驗工件為3mm厚，400mm長，150mm寬。在兩個相鄰工件的3mm×400mm面之間的對接接頭上進行焊接。兩個面之間的距離構(gòu)成了接縫間隙，經(jīng)測量為約0-約2mm。測試了兩種不同的鋁合金AA5052-H34和AA6063-T5。采用下述數(shù)據(jù)表中的電流和電壓參數(shù)，利用機器人焊接設(shè)備(SK6型，Motoman，Inc.，West Carrolton，OH)進行焊接。使用的熔化電焊條為0.045″(1.14mm)直徑AA5183充填焊絲(Natweld/InweldIndianapolis IN制造；組成Mn-0.74％；Cr-0.07％；Zn-0.01％；Fe-0.13％；Cu-0.01％；Si-0.38％；Mg-5.09％；余量為A1。根據(jù)關(guān)于冶金特性的規(guī)格對所得的焊縫進行檢測，包括宏觀和微觀結(jié)構(gòu)分析、測定鋁結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)(Aluminum Structural Welding Code)(#AISI/AWSDI.2-97 American Welding Society，Miami，F(xiàn)L出版)所述的顯微硬度分布，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。所述氣體組合物包括注明百分比的氦氣和氧氣，余量是純度至少為99.995％的氬氣(＜10ppm水)。
實施例1脈沖直流電GMAW試驗速度結(jié)果

實施例2脈沖交流電GMAW試驗速度結(jié)果

實施例3AC和DC GMAW試驗的機械試驗結(jié)果

雖然本發(fā)明特別說明和描述了其優(yōu)選實施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)上作出多種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于電弧焊的保護氣，包括a)約0.6-約1.9％的氧氣；b)約10％-約24％的氦氣；c)其余基本上由氬氣組成。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中氦氣的含量為約20％，氧氣的含量為約1％。
3.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中氬氣的純度至少為約99.995％。
4.一種氣體保護金屬極電弧點焊的方法，包括采用保護氣的步驟，其中所述保護氣包括a)約0.6-約1.9％的氧氣；b)約10％-約24％的氦氣；c)其余基本上由氬氣組成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中氦氣的含量為約20％，氧氣的含量為約1％。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中氬氣的純度至少為約99.995％。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中焊接的金屬是鋁和鋁合金中的一種。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，進一步包括采用直流電或交流電產(chǎn)生電弧的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種組合物和采用保護氣進行電弧焊的工藝。所述組合物包括約0.6－約1.9％的氧氣，約10％－約24％的氦氣，其余基本上由氬氣組成。本發(fā)明可以用于高速自動焊接，在保持優(yōu)良機械特性的同時，能顯著提高焊接速度、接縫承受性和燒透最小化。
文檔編號B23K35/38GK1758982SQ200480006236
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者W·德阿布羅伊馬賽多, J·V·德奧利維拉科雷亞 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司