專利名稱：焊接方法
A.背景1.領(lǐng)域本發(fā)明涉及焊接方法，尤其是保護(hù)氣鎢極電弧焊(GTAW)方法。
2.相關(guān)技術(shù)在1997年11月11日簽發(fā)的美國專利5686002中公開了沿坡口處理的接頭對焊鋼工件的改進(jìn)焊接方法，該方法使用具有填充絲的GTAW設(shè)備和在第一或根部焊道中使用氫-氬(或其它惰性氣體)保護(hù)氣混合物然后在隨后的填充焊道中使用無氫的惰性氣體，該專利與本文描述和要求的發(fā)明都為自有。
根據(jù)US5686002描述的方法，通過對要被接合的邊開坡口以便它們具有小間隙(“開口根部”)地彼此相連來預(yù)加工中至厚板或管形鋼金屬工件。然后使用常規(guī)自動(包括半自動)或非自動GTAW設(shè)備、填充絲和優(yōu)選由95/5氬-氫混合物組成的保護(hù)氣產(chǎn)生根部焊接通道。
由于對允許氫進(jìn)入到碳鋼焊件的限制，這類工件尤其是碳鋼制工件的成功焊接最初是令人懷疑的，因為當(dāng)氫污染發(fā)生時，在與這種金屬一起使用的現(xiàn)有技術(shù)焊接工藝中會遇到脆化和孔隙率問題。
另一方面，理論上認(rèn)為，根部焊道中氫的存在能解決正接合碳鋼工件的焊接工面臨的焊透、熔池穩(wěn)定性、潔凈度和其它問題，碳鋼工件如大直徑管和使用具有開口根部的斜坡邊預(yù)加工的管道，因為利用保護(hù)氣混合物中的氫能得到增強(qiáng)的加熱效應(yīng)。
美國專利5686002中描述的解決方案只對根部焊道使用氬/氫混合物，然后對隨后的焊道使用無氫的惰性氣體混合物，這在理論上能從焊件中清除任何游離氫和產(chǎn)生不會發(fā)生氫脆化的完美無孔焊縫。事實上，涉及碳鋼以及高強(qiáng)度鋼如鉻-鉬鋼的測試已表明，使用這種新方法能得到?jīng)]有保護(hù)氣中氫負(fù)面影響的這種焊縫。對于其中所述焊接方法的更詳細(xì)描述，可參見美國專利5686002，本文全文引入其作為參考。
盡管使用美國專利5686002中描述的方法產(chǎn)生的焊縫是完美的并具有良好質(zhì)量，但當(dāng)執(zhí)行方法焊接最初反面說明的碳鋼時觀察到意外的現(xiàn)象。
具體地說，當(dāng)在根部焊道上產(chǎn)生第二焊接通道時，發(fā)生具有足夠頻率和強(qiáng)度的熔池區(qū)域中熔化金屬的突然實際上爆炸性噴濺，以至于因污染GTAW炬設(shè)備的電極和氣體透鏡而中斷焊接過程。觀察到噴濺實際上在電極和氣體透鏡上沉積焊接金屬至在可繼續(xù)焊接前它們需要修補(bǔ)或替換的程度。甚至在正形成第二焊道“干河床”(沒有焊料的熔焊)過程中也能觀察到這種現(xiàn)象。
解釋不能容易地得到，因為按照所有可接受GTAW標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可嚴(yán)格地形成根部焊道焊縫和堆焊或填充焊縫，包括在焊接過程中避免了焊接區(qū)中任何種類的污染，尤其是水分和氧污染。檢查GTAW裝置的所有設(shè)備以及保護(hù)氣供應(yīng)。開始懷疑電極，但證實其沒有成為誘發(fā)因素?？焖倥懦赡艿谋ㄐ曰瘜W(xué)污染物，以及在焊接過程中產(chǎn)生的元素的可能組合，其可導(dǎo)致根部焊道中凝固焊接金屬中潛在爆炸性材料或氣體的存在。改變填充焊接保護(hù)氣的混合物沒有表明供應(yīng)的保護(hù)氣為任何問題的根源。通過涉及預(yù)熱工件的實驗還排除了焊接區(qū)中的水分。
最終理論上認(rèn)為，在初次填充或堆焊焊道中涉及熔化焊接金屬的噴濺現(xiàn)象起因于可能在根部焊道凝固焊接金屬中的小凹穴或孔穴中捕集的一些種類的過熱氣體，當(dāng)池的前沿接近凹穴或孔穴并加熱包圍凹穴或孔穴的金屬區(qū)域時，其被強(qiáng)烈加壓，直到發(fā)生周圍金屬的熔化時，過熱和加壓的氣體在熔化焊接金屬的強(qiáng)烈噴濺中猛烈膨脹。理論上認(rèn)為，在根部焊道中使用氫最初會導(dǎo)致一定的孔隙率，它們在接下來的堆焊或填充焊接通道中被除去。然而，主要為氬和少量游離氫的小凹穴的存在難以造成在根部焊件上第一填充焊道中觀察到的噴濺的猛烈特征。
該秘密保持未解開，直到進(jìn)一步的研究指向在根部焊道焊縫的孔穴或凹穴中可能包含由于某種原因被捕集的水分的可能性。無論游離的水分如何被存放到孔穴或凹穴中，都不能在最初觀察時被察覺到，因為采取了全部的預(yù)防措施避免保護(hù)氣和焊接區(qū)中的水分污染。另一方面，如果在孔穴中包含捕集的水分，至少這可能歸因于孔穴中捕集蒸汽的多少，在第二焊道中被過熱成蒸汽，可能造成觀察到的噴濺。
但是水分如何到達(dá)焊接區(qū)域仍是要回答的問題。
在關(guān)于焊接金屬噴濺問題的研究中，發(fā)明人回顧的1959年簽發(fā)的美國專利2905805揭示了在使用包含35％氫的氬-氫保護(hù)氣混合物的不銹鋼的GTAW焊接中形成的水分凹穴所遇到的困難。根據(jù)該專利，焊接中氫和氧的化合被認(rèn)為形成存放在焊件孔中的水分，專利中提出的解決方案是限制保護(hù)氣中在焊接區(qū)處存在的氫數(shù)量，并調(diào)整焊接工具前進(jìn)的速度。
在利用GTAW設(shè)備和95/5氬-氫保護(hù)氣混合物的碳、鉻-鉬和其它非不銹鋼焊接方面，該理論似乎是不可信的。首先，認(rèn)為在焊接區(qū)中不存在氧污染，因為保持焊接區(qū)時刻無氧的保護(hù)氣系統(tǒng)非常純。僅僅是不足的氧與焊接中未消耗的保護(hù)氣中的少量氫結(jié)合在焊接金屬中形成水分，與焊接金屬中由于其它原因可能出現(xiàn)的孔穴或凹穴無關(guān)。已知碳鋼焊縫比不銹鋼焊縫經(jīng)受程度大得多的孔隙率，但根據(jù)美國專利5686002的方法形成的碳鋼焊縫的孔的孔穴中如何存在水分并不容易解釋。
于是注意力集中到作為水分和或者氧氣的可能來源的保護(hù)氣輸送系統(tǒng)上。理論上認(rèn)為，盡管有全面的預(yù)防措施，但或許正是用于保持焊接區(qū)無水分和氧污染的物質(zhì)即保護(hù)氣本身傳送了有害污染物。
針對污染水分和氧的可能來源，全面檢查了用于保護(hù)氣混合物供應(yīng)和輸送的保護(hù)氣儲罐、配件、輸送軟管和焊接頭。但仍未發(fā)現(xiàn)這些要素的來源。
然后在根據(jù)美國專利5686002進(jìn)行的GTAW焊接過程中檢查了作為污染焊接區(qū)的氫和氧的可能來源的彈性體保護(hù)氣輸送軟管。盡管使用的軟管滿足GTAW焊接的全部規(guī)范，但知曉用于焊接氣體供應(yīng)應(yīng)用的各種塑料、橡膠和其它彈性體軟管材料面臨不同程度的通過軟管壁的氣體滲透或擴(kuò)散，這取決于構(gòu)成軟管的材料和其它因素。于是實驗導(dǎo)致了這種發(fā)現(xiàn)，即按上述方式反應(yīng)的焊縫的孔穴或凹穴中水分的可能來源為彈性體保護(hù)氣輸送軟管，其允許水分蒸汽通過軟管壁從大氣中滲透或擴(kuò)散到足以在根部焊道焊縫的孔穴或凹穴中被俘獲的程度。當(dāng)在隨后的焊接通道中加熱時，水分過熱并形成觀察到的劇烈噴濺效應(yīng)。需要焊接金屬噴濺現(xiàn)象的解決方案以避免由這種噴濺造成的缺陷。
作為次要因素，在根據(jù)美國專利5686002的焊接方法中，觀察到在GTAW設(shè)備中常用的鎢電極在使用中嚴(yán)重降級，美國專利5686002使用95/5氬-氫氣體混合物。與使用95/5氬-氫保護(hù)氣的不銹鋼焊接工藝不同，其中電極壽命是正常的，或“潔凈室”環(huán)境焊縫涉及高度保護(hù)環(huán)境，而根據(jù)所述專利的方法涉及在不必有意產(chǎn)生“潔凈”或貧瘠焊縫的環(huán)境中焊接。這在進(jìn)行不銹鋼“潔凈室”焊接時一般很少關(guān)注，因為這類焊接使用相對低的安培數(shù)和熱輸入，并且焊縫比涉及例如碳鋼板和厚壁管或其它鋼如鉻-鉬的一般焊接工藝具有更短的持續(xù)時間。在“潔凈室”方法中，所用鎢電極中的摻雜劑可能不能完全蒸發(fā)，從而在使用中可能減少了氧化和氧化物冷凝到電極上。另一方面，對于碳、鉻-鉬和其它非不銹鋼，在根據(jù)5686002專利的焊接方法中使用的鎢電極表現(xiàn)出或被預(yù)料到表現(xiàn)出較短的壽命，并需要頻繁更換，可能是由于較長的焊接時間、因保護(hù)氣中氫引起的較高熱輸入、電極上氧化物冷凝、在電極位置處的焊接區(qū)污染和其它不確定的原因。
顯然，需要針對涉及碳鋼尤其但不是任何非不銹鋼且通常使用部分氫保護(hù)氣的焊接方法中鎢電極壽命短的解決方案。
發(fā)明簡述本發(fā)明為使用美國專利5686002的GTAW焊接裝置和技術(shù)對焊具有斜接頭預(yù)制件(bevel joint preparation)的非不銹鋼金屬工件的方法，其中使用保護(hù)氣彈性體軟管輸送系統(tǒng)進(jìn)行根部焊道的焊接，軟管輸送系統(tǒng)能防止水分和優(yōu)選氧氣滲透到焊接裝置作為整體的保護(hù)氣輸送軟管或輸送系統(tǒng)內(nèi)。
優(yōu)選地，選擇水分?jǐn)U散或滲透系數(shù)(在下面的說明書中定義)為0-275、優(yōu)選小于100的彈性體保護(hù)氣輸送軟管。彈性體輸送軟管的氧滲透系數(shù)可更寬，但優(yōu)選也在與水分的優(yōu)選滲透系數(shù)相同的范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括使用以重量計包括以下的電極作為GTAW方法的焊接電極鎢98.5％La2O31.3+/-0.1％Y2O 0.1％ZrO20.1％任選地，可使用包括98.5％的鎢和1.5％的氧化鑭的電極。
當(dāng)進(jìn)行根據(jù)美國專利5686002的基本焊接方法時，為了增加電極壽命，可使用上述電極組合物而不使用上述保護(hù)氣輸送軟管材料。


參考附圖圖1示意地圖示了要被對焊的一對非不銹鋼管狀工件，其具有準(zhǔn)備進(jìn)行現(xiàn)有技術(shù)焊接工藝的坡口端接頭預(yù)制件和開口的根部間隙；圖2為圖1中圖示的管狀工件之間的斜接頭區(qū)域的放大圖；圖3為顯示了常用于GTAW設(shè)備對焊的“J-型”接頭預(yù)制件；和圖4示意地顯示了使用供有填充絲和氬氣-氫氣保護(hù)氣混合物和單獨氬氣的軌道GTAW設(shè)備進(jìn)行的現(xiàn)有技術(shù)的焊接工藝。
發(fā)明優(yōu)選實施方案詳述根據(jù)美國專利5686002所述的現(xiàn)有技術(shù)方法并參考附圖，預(yù)加工要被對焊到一起的非不銹鋼(例如碳鋼)金屬工件10、12，使得要被焊接的工件的端成斜角，以便提供總的坡口斜角B，工件10、12的每一端段都成角度為B/2的斜角。所示的工件10、12為管狀金屬段，但本發(fā)明的原理也可用于板工件，在這種情況下，工件10、12的對接段將被預(yù)加工以便在工件之間具有適宜的總斜角B。
還是根據(jù)US5686002的方法，使工件10、12的端段成斜角，以便留出焊接區(qū)厚度L(圖2)，其在尺寸上提供工件根部末端之間的均勻間隙G，并優(yōu)選具有最小的厚度以確保工件之間良好質(zhì)量的焊透，對于焊接工藝中涉及的焊縫結(jié)構(gòu)和工件金屬，使用來自GTAW焊機(jī)的適宜熱輸入(安培數(shù))。典型地，需要最小焊接區(qū)厚度，以能使用GTAW設(shè)備的最小要求安培數(shù)設(shè)置在接頭的根部區(qū)域中在工件之間進(jìn)行第一或根部焊道焊接，以減小焊接操作中對基體金屬合金的有害熱影響。
在預(yù)加工工件接頭后，然后使工件10、12靠近，以便留出開口的根部間隙G(圖2)，設(shè)計它使得在至少工件之間的根部焊道焊縫完成時能防止凝固焊接金屬不合需要的熱壓縮應(yīng)力。另外，避免比填充絲直徑大的間隙G以防止填充料在焊接過程中穿過開口的間隙。間隙G的尺寸依賴于冶金考慮因素基體金屬和填充絲、工件的壁厚度和焊接中工件末端之間的收縮潛力。
根據(jù)US5686002的焊接方法被描述為使用供有填充絲和保護(hù)氣的常規(guī)氣體鎢電弧焊接設(shè)備或“GTAW”焊機(jī)。另一方面，根據(jù)當(dāng)時的現(xiàn)有技術(shù)方法，不建議使用這種GTAW焊機(jī)用于焊接開口的根部斜接頭，而是當(dāng)要使用GTAW焊接設(shè)備時，建議的方法是使用如圖3中所示的“J”型端預(yù)制件。當(dāng)在工件的這種“J”預(yù)加工(prepped)端部分的根部區(qū)域處在工件之間形成第一焊縫或“根部”焊道時，認(rèn)為利用GTAW焊接設(shè)備的根部焊道應(yīng)使用具有規(guī)定的焊接區(qū)厚度L’的閉合根部或“擠滿接頭”焊口形成，臨近工件之間的焊接區(qū)厚度L’如圖3所示，以確保均勻的良好焊透和補(bǔ)強(qiáng)。
另一方面，如果如圖1和2中所示的斜接頭被閉合以消除開口根部，則由斜邊工件的端之間的焊接金屬收縮引起的應(yīng)力在根部區(qū)域尤其是碳鋼工件之間的根部區(qū)域中導(dǎo)致質(zhì)量差的焊縫。如上所述，對于如圖3中所示的焊接接頭區(qū)域，這些問題可通過使用“J-預(yù)制件(preps)”來解決，圖3中所示的焊接接頭區(qū)域在具有傾斜表面的工件16、18之間提供閉合的根部接頭14，傾斜表面之間的夾角為a，并具有滿足對焊接接頭區(qū)域中任何變化敏感的自動焊機(jī)要求的精確根部端焊接區(qū)厚度和構(gòu)造。
但是，在金屬管道和配件工業(yè)的一些段中，通常使管道和配件部分具有已經(jīng)為用37.5度斜坡切口的焊接預(yù)加工的預(yù)先成斜角的端部分。在管道和配件的端部分16和18上通常不提供如圖3所示的J-預(yù)制件14。這種J-預(yù)制件通常在焊接前在野外完成，工藝要求既嚴(yán)格又昂貴。事實上，通常重新處理直的斜端部分成J-預(yù)制件以能在大量生產(chǎn)情況下使用自動焊機(jī)。
如美國專利5686002中所述，發(fā)現(xiàn)如果利用下面的工藝，使用被供應(yīng)填充絲和保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)，能成功地焊接開口根部斜接頭。預(yù)加工工件具有切割至圖2所示B/2角度的直斜端接頭，以在工件的端之間提供總的夾角B，如圖1所示。預(yù)加工坡口使得坡口具有所需的預(yù)定端焊接區(qū)L，如圖2所示和上面說明。目的是形成盡可能均勻和小的端焊接區(qū)，以能適當(dāng)?shù)鼐幣抛詣雍笝C(jī)在接頭的根部區(qū)域中在工件之間形成根部焊道焊縫，同時能使熱輸入(焊機(jī)的安培數(shù)設(shè)置)保持在能確?；w金屬良好穿透的水平，而對焊接區(qū)中的基體和填充金屬沒有有害的冶金學(xué)影響。
然后使工件合到一起，以便在工件的臨近根部末端之間提供開口的間隙G，選擇G值以防止由于焊接金屬的熱收縮引起的工件端之間的應(yīng)力或應(yīng)變，這決定了G的最小值，和避免自動焊接過程中填充絲穿過工件之間的間隙，這決定了間隙G的最大值。
在預(yù)加工圖2所示的接頭區(qū)域后，使用如圖4所示的GTAW焊接設(shè)備進(jìn)行焊接。在圖4中，軌道GTAW焊機(jī)20被示意地圖示為在工件10和12之間的坡口端接頭區(qū)域中進(jìn)行焊接工藝(在圖4中只有工件12可見)。GTAW焊機(jī)20為常規(guī)的，并包括非自耗鎢電極22，用來自電源24的電力經(jīng)由線路23為鎢電極22供電以在工件10、12和電極之間建立和保持焊弧。電源包括各種控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按照符合常規(guī)GTAW應(yīng)用的特定工件之間每個焊道的計算機(jī)程序來操作。
在這個例子中，GTAW焊機(jī)20包括在電源單元24控制下經(jīng)由保護(hù)氣源或輸送管線30通過進(jìn)口管道28接受保護(hù)氣的殼26。保護(hù)氣一般為惰性氬氣，其被儲存在圖4中A處所示的適當(dāng)容器或“瓶”中。按照已知的原理，可在焊接過程中使用其它保護(hù)氣，通過圖4所示的電源24可直接控制其它氣源或通過在電源系統(tǒng)外的裝置獨立控制其它氣源。
按照專利5686002中描述的方法，氬氣和氫氣保護(hù)氣的商業(yè)混合物經(jīng)過電源24從混合物供應(yīng)容器M被供應(yīng)到GTAW焊機(jī)20，電源還控制來自供應(yīng)源A的單獨氬氣保護(hù)氣的供應(yīng)。
在電源24的控制下，填充絲32從供帶盤34被自動供應(yīng)到焊接區(qū)，電源24按照焊接程序的要求調(diào)節(jié)驅(qū)動供帶盤34的電機(jī)36的操作。
使用環(huán)40作為焊機(jī)20的導(dǎo)軌在電源24控制下利用適宜的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)38在圍繞要焊接接頭區(qū)域的軌道上驅(qū)動迄今所述的例子中的GTAW焊機(jī)20。
當(dāng)形成開口間隙根部焊道時，該方法的關(guān)鍵要素是使用氫氣作為保護(hù)氣的組分。焊接過程中，對于工件10、12之間的開口間隙根部焊道，在電源24的控制下為GTAW焊機(jī)20供應(yīng)含氫的保護(hù)氣混合物，同時填充絲32被供應(yīng)到焊接區(qū)。填充絲32的組成在冶金學(xué)上與工件的組成一致。另外根據(jù)GTAW焊接的已知原理和標(biāo)準(zhǔn)，通過進(jìn)口28供應(yīng)并利用護(hù)罩26輸送到焊接區(qū)的保護(hù)氣應(yīng)在焊接區(qū)中提供保護(hù)氣氛，以保護(hù)熔融的焊接金屬不與空氣中的氧或周圍氣氛中包含的其它雜質(zhì)或污染物包括水分反應(yīng)。
優(yōu)選地，在具有37.5度坡口端預(yù)制件、0.000-0.010英寸(0.000-0.254mm)的焊接區(qū)厚度和0.035英寸(0.889mm)的根部區(qū)域管端部之間的間隙G的4”直徑中厚壁碳鋼管上，發(fā)現(xiàn)使用軌道GTAW焊機(jī)時，95％氬氣-5％氫氣(“95/5”)的混合物能有效工作。盡管95/5混合物是優(yōu)選的，但可有效地使用范圍在大約99％氬氣-1％氫氣到90％氬氣-10％氫氣(“99/1到90/10”)的混合物，只是對于偏離優(yōu)選的95/5混合物的混合物范圍，在焊透/補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量方面具有降低的效果。認(rèn)為類似的焊接過程在直徑2英寸(0.5mm)的中至厚不銹鋼管上也能產(chǎn)生良好質(zhì)量的根部焊道焊縫。對于95/5氣體混合物，利用適當(dāng)?shù)碾娏?電壓調(diào)整而不用電極振動就形成根部焊道。
與沒有含氫的保護(hù)氣的類似GTAW焊接過程相比，觀察到弧區(qū)域中氫的存在往往能使焊接熔池穩(wěn)定并使它位于開口間隙區(qū)域內(nèi)部中心以在焊接的根部區(qū)域中提供良好的透過和填充。
在完成根部焊道焊縫后，利用電機(jī)38使GTAW焊機(jī)回到起始位置，按照已知的軌道GTAW焊接工藝，優(yōu)選同時根部焊道焊縫仍熱時，使用無氫的保護(hù)氣如單獨氬氣快速形成至少一個隨后的“填充”焊道。
按照已知的焊接標(biāo)準(zhǔn)，在常規(guī)焊接實踐中，至少在美國，還是通常避免碳鋼焊接工藝使用含氫的保護(hù)氣，以避免焊接接頭中可能的氫俘獲，其會由于稱為“氫脆化”的現(xiàn)象而在焊縫中導(dǎo)致弱化。但是，如前所述，發(fā)現(xiàn)含氫保護(hù)氣優(yōu)選95％氬氣-5％氫氣混合物的使用在開口間隙斜坡預(yù)加工(prepped)工件上由于氫在焊接區(qū)中的有益效果而產(chǎn)生良好質(zhì)量的根部焊道焊縫。美國專利5686002所述的氫脆化問題的解決方案是使用單獨的氬氣在根部焊道上形成隨后的焊道，以充分加熱根部焊道焊縫來消除可能保留在焊縫中的任何殘余氫氣。
盡管氬氣對于堆焊或填充焊道是優(yōu)選的，但只需要填充保護(hù)氣無氫。
如上面本發(fā)明討論的背景中所述，在根部焊道上焊接第二焊道的過程中的熔化焊接金屬的猛烈噴濺后來被發(fā)現(xiàn)對根據(jù)美國專利5686002的方法是一個障礙。盡管采取了全面的預(yù)防措施來避免焊接區(qū)處的污染，但觀察到的噴濺現(xiàn)象只能通過在根部焊道中在焊件中形成的孔穴或凹穴中可能存在水分來解釋。
在進(jìn)行所述的焊接方法時，使用標(biāo)準(zhǔn)氬氣彈性體供應(yīng)軟管如由Parker Hannifin Corp.制造的Dayco 7121 Welding。研究和實驗表明，這種軟管可能會由于分壓效應(yīng)而發(fā)生大氣水分和氧的擴(kuò)散，這種擴(kuò)散會導(dǎo)致這類氣體滲入到軟管內(nèi)，盡管在軟管內(nèi)部有相對于大氣壓的較高總體或總壓力。進(jìn)一步實驗揭示，透過使用滲透系數(shù)為0-275、優(yōu)選100以下的彈性體保護(hù)氣供應(yīng)軟管可獲得上述噴濺效應(yīng)的大大改善和實質(zhì)消除。材料的滲透系數(shù)就是指示材料對氣體的滲透性的數(shù)值，它的推導(dǎo)是眾所周知的。在P為滲透系數(shù)時，在一種來源中它被定義為P＝(滲透量)(薄膜厚度/表面積)(時間)(跨膜壓降)對于滲透系數(shù)的更充分描述，可參考AWS Welding Journal，1999年7月，37和38頁。
盡管現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)識到即使在管內(nèi)部的總壓高于大氣包括焊接氣體時，氣體滲透也能污染流過可滲透材料制成的供應(yīng)管的氣體，但沒有認(rèn)識到，當(dāng)在根據(jù)美國專利5686002的焊接方法中進(jìn)行第二焊道焊接時觀察到的焊接金屬噴濺現(xiàn)象可歸因于含氫保護(hù)氣中實際的水分滲透，含氫保護(hù)氣被捕集在金屬工件之間開口根部焊接接頭的根部焊道中的孔穴或凹穴中。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)資料，污染滲透或擴(kuò)散只與“潔凈室環(huán)境”焊接要求情況有關(guān)，如焊接飲食服務(wù)設(shè)備和用于可注射醫(yī)學(xué)材料的高純管和微處理器制造應(yīng)用等。在鋼如碳鋼上的開口根部預(yù)加工(prepped)的根部焊道中使用含氫保護(hù)氣的水分污染在第二焊道堆焊或填充焊接中不是已知的關(guān)注問題，即使在通常水分污染為已知的關(guān)注問題的水下焊接應(yīng)用中。
因此，本發(fā)明為使用根據(jù)美國專利5686002的GTAW焊接裝置和技術(shù)對焊具有斜接頭預(yù)制件的非不銹鋼金屬工件的方法，其中使用保護(hù)氣輸送系統(tǒng)進(jìn)行根部焊道的焊接，該保護(hù)氣輸送系統(tǒng)能防止水分和優(yōu)選氧氣滲入到焊接裝置的保護(hù)氣彈性體輸送軟管系統(tǒng)內(nèi)。
優(yōu)選地，選擇水分滲透系數(shù)為0-275、優(yōu)選小于100的彈性體保護(hù)氣輸送軟管。彈性體輸送軟管的氧滲透系數(shù)可更寬，但優(yōu)選也在與水分的優(yōu)選滲透系數(shù)相同的范圍內(nèi)。
發(fā)現(xiàn)能克服基于水分的焊接金屬噴濺問題的保護(hù)氣輸送軟管材料的例子有可從各制造商和批發(fā)商得到的High Extreme-Purity TeflonPFA 450(全氟烷氧基)，和可從各制造商和批發(fā)商得到的ThvFluropolymer(四氟乙烯六氟丙烯亞乙烯基)等。
另外，發(fā)現(xiàn)可從各制造商和批發(fā)商得到的編織物增強(qiáng)的PVC軟管材料能大大減少第二焊道焊接步驟中觀察到的焊接金屬噴濺現(xiàn)象。
通常，認(rèn)為由包括鹵化單體的共聚物彈性體制成的表現(xiàn)出上述優(yōu)選滲透系數(shù)的保護(hù)氣軟管或管能消除或基本消除焊接金屬噴濺現(xiàn)象，這些現(xiàn)象起因于透過具有較高滲透系數(shù)的保護(hù)氣輸送軟管的水分和可能與水分結(jié)合的氧。典型地，水分通過彈性體材料滲透到比氧大得多的程度。
已知滲透系數(shù)小于100的示例性塑料材料包括Teflon(聚四氟乙烯)、Teflone FEP(四氟乙烯共聚物)、LDPE(低密度聚乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯，密度0.907gm/cm3)、Saran(聚亞乙烯基氯化物)和Kel-F81(聚三氟氯乙烯)。
不是所有上述示例性材料目前都可用于焊接氣體供應(yīng)軟管應(yīng)用。
根據(jù)美國專利5686002的焊接方法的另一改進(jìn)，使用2％涂釷鎢電極的該專利中所述現(xiàn)有方法中觀察到的較短鎢電極壽命，其滿足典型GTAW應(yīng)用的所有可接受標(biāo)準(zhǔn)，通過使用包括(按重量計)以下的鎢電極來克服鎢 98.5％La2O31.3+/-0.1％Y2O30.1％ZrO20.1％這種電極通常被稱為“Tri-Mix”，并可從德國Wolfram Industrieof Traunstein和焊接產(chǎn)品的各批發(fā)商得到。在根據(jù)美國專利5686002的焊接方法中具有提高壽命的另一鎢電極由98.5％的鎢和1.5％的氧化鑭的組合物制成，以通用名“1.5％鑭酸化鎢”從Stainless Stuff，Willows，California得到。
盡管本文描述了構(gòu)成本發(fā)明主題的方法的示例性實施方案，但必須認(rèn)識到實施方案僅僅是示例性的，并可利用熟練技工、化學(xué)家或焊工已知的常規(guī)變化由本領(lǐng)域那些技術(shù)人員更改，包括為不脫離附加權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍的等價物或與所述實施方案沒有實質(zhì)不同的可選步驟和材料。
權(quán)利要求
1.一種利用使用填充絲的GTAW焊機(jī)對焊具有斜接頭預(yù)制件的非不銹鋼金屬工件的方法，包括預(yù)加工帶坡口的工件，使其具有在它們的根部末端有最小焊接區(qū)厚度的斜接頭區(qū)域；放置預(yù)加工的工件接頭段到一起，開口間隙在它們的鄰近根部末端之間限定出開口根部區(qū)域，該間隙具有避免工件之間由于焊接收縮引起的有害壓縮應(yīng)力的最小尺寸和避免填充絲穿透間隙的最大尺寸；使用供有填充絲和保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)熔焊鄰近工件的開口根部區(qū)域使其具有根部焊道焊縫，該保護(hù)氣包括1-10％的氫氣和余量的惰性氣體；和然后使用供有填充絲和無氫保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)用至少一個附加填充焊道堆焊根部焊道焊縫，改進(jìn)在于使用保護(hù)氣輸送彈性體軟管系統(tǒng)在進(jìn)行焊接的區(qū)域中在基本不存在水分時完成所述開口根部焊道，該保護(hù)氣輸送彈性體軟管系統(tǒng)能防止水分通過輸送彈性體軟管系統(tǒng)滲入到保護(hù)氣內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)對焊方法，包括使用水分滲透系數(shù)為0-275的輸送彈性體軟管作為保護(hù)氣輸送系統(tǒng)的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的改進(jìn)對焊方法，包括使用水分滲透系數(shù)低于100的彈性體輸送軟管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的改進(jìn)對焊方法，包括選擇由鹵化單體制成的共聚物彈性體制成的軟管作為輸送軟管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)對焊方法，包括使用按重量計包含以下的組合物作為焊接電極鎢 98.5％La2O31.3+/-0.1％Y2O30.1％ZrO20.1％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)對焊方法，包括使用包含98.5％的鎢和1.5％的氧化鑭的組合物作為焊接電極。
7.一種利用使用填充絲的GTAW焊機(jī)對焊具有斜接頭預(yù)制件的非不銹鋼工件的方法，包括預(yù)加工帶坡口的工件，使其具有在它們的根部末端有最小焊接區(qū)厚度的斜接頭區(qū)域；放置預(yù)加工的工件接頭段到一起，在它們的鄰近根部末端之間具有開口間隙，該間隙具有避免工件之間由于焊接收縮引起的有害壓縮應(yīng)力的最小尺寸和避免填充絲穿透間隙的最大尺寸；使用供有填充絲和保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)熔焊鄰近工件的開口根部區(qū)域使其具有根部焊道焊縫，保護(hù)氣包括1-10％的氫氣和余量的惰性氣體；和然后使用供有填充絲和無氫保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)用至少一個附加填充焊道堆焊根部焊道焊縫，改進(jìn)包括使用按重量計包括以下的組合物作為焊接電極鎢 98.5％La2O31.3+/-0.1％Y2O30.1％ZrO20.1％。
8.一種利用使用填充絲的GTAW焊機(jī)對焊具有斜接頭預(yù)制件的非不銹鋼金屬工件的方法，包括預(yù)加工帶坡口的工件，使其具有在它們的根部末端有最小焊接區(qū)厚度的斜接頭區(qū)域；放置預(yù)加工的工件接頭段到一起，在它們的鄰近根部末端之間具有開口間隙，該間隙具有避免工件之間由于焊接收縮引起的有害壓縮應(yīng)力的最小尺寸和避免填充絲穿透間隙的最大尺寸；使用供有填充絲和保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)熔焊鄰近工件的開口根部區(qū)域使其具有根部焊道焊縫，保護(hù)氣包括1-10％的氫氣和余量的惰性氣體；和然后使用供有填充絲和無氫保護(hù)氣的GTAW焊機(jī)用至少一個附加填充焊道堆焊根部焊道焊縫，改進(jìn)包括使用包含98.5％的鎢和1.5％的氧化鑭的組合物作為焊接電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中金屬工件包括碳鋼。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每個工件的斜接頭區(qū)域成37.5度斜角，接頭端的端焊接區(qū)厚度在大約0.000-0.010英寸(0.000-0.254mm)的范圍內(nèi)，間隙尺寸為約0.035英寸(0.889mm)，工件為中至厚壁厚度管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中惰性氣體為氬氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)氣體為95％的氬氣和5％的氫氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中工件為管狀，和其中使用供有所述填充絲和保護(hù)氣的軌道GTAW焊機(jī)完成根部焊道和堆焊焊縫。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中使用氬氣保護(hù)氣完成根部焊道后的第二焊道焊縫。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中金屬工件為管狀管和用于這類管的配件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括對焊接通道使用軌道GTAW焊機(jī)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括使用基本上防止氧通過輸送系統(tǒng)滲入到保護(hù)氣內(nèi)的彈性體保護(hù)氣輸送軟管。
18.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，包括使用按重量計包括以下的組合物作為焊接電極鎢 98.5％La2O31.3+/-0.1％Y2O30.1％ZrO20.1％。
全文摘要
通過使用包括由水分滲透系數(shù)小于275、優(yōu)選小于100的彈性材料制成的軟管或管(30)的保護(hù)氣輸送系統(tǒng)和使用包括至少鎢和氧化鑭并優(yōu)選鎢、氧化鑭、氧化釔和氧化鋯的鎢電極(22)組合物來改進(jìn)在第一根部焊道上使用GTAW設(shè)備(20)和含氫保護(hù)氣焊接非不銹鋼工件(12)的方法。防止水分通過輸送含氫保護(hù)氣的彈性軟管(30)滲透消除了在根部焊道焊縫上的第二焊道填充焊接中熔化焊接金屬的噴濺。使用鎢化合物提高了電極壽命。
文檔編號B23K9/32GK1905983SQ200480040742
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者D·A·弗魯?shù)?申請人:特賴器械公司