專利名稱:用于熔敷耐磨表層材料的焊接設(shè)備及其方法和其上具有焊道的基底的制作方法
本發(fā)明涉及一種焊接設(shè)備和在一種金屬基底上熔敷一層耐磨表面材料的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于熔敷在金屬基底的狹窄表面上的一個焊道的方法和設(shè)備。
迄今，人們已經(jīng)知道為在金屬基底上焊敷耐磨表面材料的各類焊接技術(shù)。例如，美國專利文獻3.803.380和4，122，327描述了為在一基底上熔敷一層金屬粉末流而采用等離子火焰燃燒器的有關(guān)技術(shù)。又如，在某些專利，如美國專利4，142，089中所描述的，人們也知道，采用脈沖式的等離子噴槍電弧加熱以在基底上涂敷一層粉末材料。在另外一些專利例如美國專利文獻3，781，508中所述，人們也知道系用具有可轉(zhuǎn)移弧的脈沖焊接電流，以便將可消耗的電極熔化形成涂層。
人們還從美國專利4，125，754和4，472，619中得知采用等離子轉(zhuǎn)移弧在基底上形成堅硬表層的技術(shù)。在這些情況中，復(fù)蓋材料的熔化與熔合是利用將一相對穩(wěn)定的電流施加到基底來完成的，這樣是為了產(chǎn)生一融熔區(qū)，而且復(fù)蓋粉末能夠進入此熔化區(qū)。該粉末，或者說至少該粉末的一部分會被熔化而構(gòu)成熔融區(qū)的組成部分，增大了在先產(chǎn)生了的熔化物的體積。就這樣，熱源繼續(xù)從基底的這頭移到那頭而這個過程也在繼續(xù)進行著直到達到所需焊接長度為止。然而，一般焊接電流的變化限制在焊接電流是逐漸的增加，從某個初始電平起始，逐漸到主焊接電平，然后到終了電平。
人們也注意到受控弧焊技術(shù)是采用脈沖弧焊電流，將電極融成溶敷金屬，例如美國專利3，449，544;3，521，027;3，622，744;3，666，906和3，683，149中所述。
在基底或工件具有相當(dāng)窄的邊緣情況下，就很難獲得適宜的焊道熔敷層了。例如，已獲得的復(fù)蓋層一般具有的厚度對于一次焊過的熔敷層范圍為0.020英寸到0.250英寸，寬度少至0.0625英寸。通常，已知的工藝方法在基底沒有有效的熔化或不用精細的致冷設(shè)備情況下，已不能在0.100英寸或更窄寬度的基底上熔敷金屬。對于熔敷金屬寬度小于0.125英寸的情況來說，基底寬度對熔敷金屬寬度之比一般保持在2.5比1，為的是對加焊硬面材料提供適宜的基底和提供令人滿意的熱潭，以防止加焊硬面材料過量地攙入基底材料和防止溢出邊緣。鑒此，對于這些工藝過程，熔敷寬度小于0.075英寸是不合適的。
因此，本發(fā)明的一個目的是對整個熔敷的焊道的焊敷層的幾何尺寸獲得非常精確的控制。
本發(fā)明的另一個目的是為在一個寬度很窄的基底上敷設(shè)一焊道的敷層。
本發(fā)明的另一目的是為在基底上敷設(shè)焊道的敷層而攙入的基底最少。
本發(fā)明的另一目的是為提供具有大的高與寬之比的焊道敷層的基底。
本發(fā)明的又一目的是為提供一種在基底材料上加工焊道的方法，此法減少了基底材料的熔融和流動。
本發(fā)明的又一目的是為確立一種方法，采用此方法，復(fù)蓋層可以適用于窄寬度的基底而采用粉末金屬，合金，高熔點硬質(zhì)合金等諸如此類的材料或這些材料的混合物作為焊復(fù)層材料。
本發(fā)明的另一目的是為提供這樣一種方法，采用此方法，在窄截面基底上的熔敷層能具有大的熔敷的高與寬之比。
簡言之，本發(fā)明為在金屬襯底上焊敷耐磨表面材料而提供一種焊接裝置的方法，特別是利用等離子轉(zhuǎn)移弧技術(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)移弧的脈沖化在一塊狹窄襯底的表面上敷設(shè)粉末金屬的焊道敷層。
該裝置包括一個焊槍，一個不熔化電極，一個引弧焊接電源，一個主弧電源和一個脈沖控制裝置。
焊槍結(jié)構(gòu)帶有一個中央通道，用以容納不熔化極和一定流量的惰性氣體，一個圍繞中央通道并與之同心的第二通道，用以容納一定流量的粉末金屬和一個圍繞第二通道并與之同心的第三通道用以容納一定流量的防護氣體。
引弧焊接電源接在所述電極和焊槍之間以便在它們之間產(chǎn)生電弧。主弧電源接在電極和基底之間，以使電極和基底間產(chǎn)生電弧以及一惰性氣體等離子流。
脈沖控制裝置被連接到主弧電源，這是為了給主電源施以脈沖，從而控制來自主弧電源供電電流的大小和持續(xù)時間。該控制裝置提供使電流周期性地在主電流電平和一個較低的輔助電流電平之間脈動。主電流電平或說主電流的大小是用來在基底上產(chǎn)生焊接的熔潭和熔化粉末金屬。輔助電流電平即其幅度是用來使先前產(chǎn)生的熔潭固化，從而產(chǎn)生一連續(xù)層疊的焊接敷層。電流幅度的變化及幅度的周期的變化對焊接敷層的幾何尺寸以及減少進入基底材料的熱量方面提供了非常精確的控制。這使得在具有狹窄截面尺寸的基底上可加工出有用的加焊硬面焊敷層。
由本發(fā)明提供的方法包括以下步驟在不熔化電極和工件的一個狹窄表面之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧，在該弧中形成一惰性氣體等離子霧，當(dāng)沿著工件移動電極時，把粉末金屬流送到等離子體中，以便在電極移動時沿著該工件的狹窄表面熔敷粉末金屬，及對加到電極和工件的焊接電流在一個主電流電平和一個較低的輔助電流電平之間施以脈動，以實現(xiàn)沿工件的狹窄表面連續(xù)堆焊熔敷層。
對通過堆焊熔敷形成的焊道敷層，其厚度對單程可從0.010英寸到0.125英寸，而其寬度可從0.020英寸到0.125英寸。再者，對單程焊接來說，焊道高度與其寬度之比可在0.5∶1到2∶1的范圍。還有，基底寬度對敷層寬度之比可從0.5到1.0間變化。
本發(fā)明還提供一個具有狹窄表面的金屬基底和在該狹窄表面上的焊道敷層，特征在于該焊道是由一連續(xù)堆焊沉積而成。
由于采用脈沖弧焊電流，基底上所形成的熔合區(qū)是連續(xù)不斷地被產(chǎn)生、逐漸增大、逐漸縮小到完全固化。通過在適當(dāng)時刻添加涂層材料，使由焊槍提供的熱轉(zhuǎn)入的主要部分能被利用于熔化粉末，僅有極少量的熱直接加至基底材料上。這就減少了基底材料的熔化和流失。
在要求多層焊敷層情況下，在先的表屋變成了基底?；字怀霈F(xiàn)最少量的熔化，敷層材料能一層又一層地形成直達到所需高度。
這一技術(shù)的一個附加的好外是由于非常有效的利用了焊接的熱輸入，焊敷層固化得很快。還有，人們已觀測到將這一技術(shù)應(yīng)用于許多被鑒定的合金比采用典型的PTA方法所沉積的這些合金中的顆粒結(jié)構(gòu)更細。
本發(fā)明的這些和其它目的以及優(yōu)點，將從結(jié)合附圖所作的詳細說明中更清楚地看到圖1 顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個焊接設(shè)備的原理圖;
圖2 表示已知焊接技術(shù)的電流與時間關(guān)系圖;
圖3 表示根據(jù)本發(fā)明一種方法的電流與時間關(guān)系圖。
參照圖1，焊接設(shè)備包括一個焊槍10，一個不熔化極11，引弧焊接電源12，主弧電源13，脈沖控制裝置14和系統(tǒng)控制器15。
焊槍10具有一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它包括用于容納電極11的第一中央通道16，用以容納粉末金屬流18，圍繞第一通道16并與其同心的第二通道17，和用以容納防護氣體流的圍繞第二通道并與其同心的第三通道19。此外，焊槍10在中心腔16的端部有一個節(jié)流小孔20，惰性氣體流通過此孔直接流向工件或基底21。
正如圖1所指出的，氣體管道22被連接到焊槍的中央腔16，以便傳送惰性氣體，諸如氬氣。氣體管道22被依次連到氣體流量控制和計量裝置23，該裝置有一條進氣管道連接到適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w源(未示出)，裝置23用于控制和計量送入焊槍10的中央腔16的惰性氣體量。
以同樣地方式，流量控制和計量裝置24通過氣體管道25被連到焊槍10的外腔19，以便從相應(yīng)的防護氣體源(未示出)傳輸諸如氬氣等類保護氣體到外腔去。
此外，包含粉末金屬材料庫27的粉末金屬傳送裝置26，通過進料管28被連接到焊槍10的腔17，以便將粉末金屬送到那里。再者，流量控制和計量裝置29通過氣體管道30被連到粉末金屬傳送裝置26，以便將惰性氣體從相應(yīng)的源(未示出)傳送入進料管28去幫助粉末金屬的輸送。輸送到傳送裝置26的氣體是用來協(xié)助重力輸送粉末金屬至焊槍和通過焊槍10，同時也保護了粉末金屬免受大氣污染。這種氣體也增加了焊接區(qū)的總的氣體量和成分。
引弧焊接電源12分別通過相應(yīng)的電纜31，32連接到電極11和節(jié)流孔20之間，并在焊炬10里作內(nèi)部連接(未示出)。引弧焊接電源12為在電極11和節(jié)流小孔20之間建立電弧而提供必要的焊接電流。正如已指出的，電極11被連到電源12的負端，而焊槍10的節(jié)流小孔20被連到電源12的正端。
主弧電源12被連接在電極11和基底21之間以便在電極11和基底21間建立電弧而提供焊接電流。正如已指出的，主電弧電源13分別通過合適的電纜33，34而接到電極11和基底21。正如已指出的，電極被連到電源13的負端，而基底21被連到電源13的正端。
脈沖控制裝置14通過相應(yīng)電纜35連接到主弧電源13，以便控制主弧電源13給電極11和基底21所提供的電力的大小和持續(xù)時間。就此而論，脈沖控制裝置14工作，是使所傳送的電流以如圖3所示的形式在一個主電流電平和一個較低的付電平之間脈動而每個這樣的脈沖持續(xù)一個程序化了的持續(xù)時間。
系統(tǒng)控制器15被分別連接到電源12，13，粉末金屬傳送裝置26和各種流量控制及計量裝置23，24，29，以使這些部件同步工作。
工作時，隨著粉末金屬材料從傳送裝置26送至焊槍10，隨著氣體被送到通道16，19，電源12、13開啟，因而在電極11和基底21之間建立起轉(zhuǎn)移弧。與此同時，通過通道16提供的惰性氣體等離子體霧36在電極11和基底21之間形成。傳送的粉末金屬被送至此等離子體霧中并在基底21上轉(zhuǎn)變成熔融狀以形成焊道。粉末金屬的供給量由裝置26精確計量，同時由外通道19傳送的氣體屏蔽了焊接區(qū)免遭大氣污染，而增加了焊接區(qū)的總的氣體量和成分。當(dāng)焊槍10和電極11沿著基底21的長度方向移動時，脈沖控制裝置14通過控制器15而被觸發(fā)，以使加到電極11和基底21的焊接電流在主電流電平和較低付電平之間脈沖化如圖3所示。在較高的主電流電平期間，在焊槍上形成一個焊接熔池，被投入熔池的可消耗的粉末材料在應(yīng)有位置被熔合。由于接著出現(xiàn)的付電流電平，使前述產(chǎn)生的熔池能固化為焊接敷層。當(dāng)焊槍10和電極11沿著基底21移動時，出現(xiàn)一連續(xù)堆焊敷層，由此生成以形成一連續(xù)堆焊敷層為特征的焊道敷層。
參照圖2，作為比較，先前已知的用轉(zhuǎn)移弧去涂敷基底的技術(shù)采用了基本恒定的焊接電流，以使材料的焊接連續(xù)地在基底上形成。典型地，焊接電流的變化是被限制為焊接開始時從某起始電平電流逐漸增加到至焊接電平，此后從主焊接電平又逐漸減小到如圖所示的最終電平。
在基底上所獲得的焊道敷層可具有非常窄的寬度。再者，在其上沉積焊道的基底也可具有相當(dāng)窄的寬度。例如，焊道敷層厚度范圍對單程焊可從0.010英寸到0.125英寸，而其寬度范圍0.020英寸到0.125英寸。
值得注意的是，本焊接方法允許粉末金屬材料沉積在非常窄的基底上而該基底沒有顯著熔化。這樣，作為基底的精密致冷裝置特別對于焊道敷層寬從0.125英寸到0.035英寸的基底已不是必需的了。
典型地，基底寬度與焊敷層的寬度之比要保持1∶1。對焊敷層寬度從0.035英寸到0.070英寸來說，該比值可增加到1∶2。焊接敷層的高與寬度之比對單程焊可精確地控制，例如從0.5∶1至2∶1的范圍內(nèi)。
這樣，本發(fā)明提供了一種技術(shù)，該技術(shù)可用于熔敷種類廣泛的金屬、金屬合金或金屬的混合物和金屬合金添加難熔的硬質(zhì)材料的例如炭化物。也要注意鐵-、鎳-、和鈷-基的合金已被熔敷。例如，這些合金已包括不銹鋼，高鉻鐵，工具鋼，鈷-鉻-鎢合金和鎳-鉻-硅-硼合金。此外，這些材料中的具有硬質(zhì)合金添加劑的幾種混合物，例如碳化鎢，碳化鈦和釩-鎢硬質(zhì)合金也已被熔敷。選擇材料方面的這種靈活性是脈沖轉(zhuǎn)移弧技術(shù)的一個主要特征，而這點正是采用先前的已知工藝即采用不是消耗粉末的方法所不具有的。
本發(fā)明還提供了一種技術(shù)，通過這一技術(shù)可對硬面焊敷層的焊道幾何尺寸能保持非常精確的控制。
再者，本發(fā)明提供一種具有最小稀度和最小熱量的相當(dāng)窄的基底上形成焊敷層的技術(shù)。
下表指出在金屬基底上敷設(shè)焊道過程中所遵循的典型焊接參數(shù)的各種例子。
典型焊接參數(shù)設(shè)備帶有Hobart CYBER-TIG-300 AC/DC弧焊機(電源并具有300系列編程器的PSM-2型堆焊機。
例1 例2 例3敷層材料 S-6 M-2 VWC430不銹鋼，基體基底幾何尺寸 0.062英寸 直徑0.50 邊寬0.059英寸邊寬 英寸棒基底合金 AISI304 SAE4130 AISI301不銹鋼 (敷層寬 不銹鋼0.1875英寸)電流(安培) 20 40 12電壓(伏特) 20 20 20粉末供給率 8.4克/分鐘 4.5克/分鐘 5.8克/分鐘粉末粒度篩號 60/325 140/325 140/325轉(zhuǎn)送速度 8.3英寸/分鐘 5.5分鐘/分鐘 7.8英寸/分鐘粉末吹氣率 7scth＊7scth 7scth保護氣體 50scth 50scth 50scth中心氣體 3scth 3scth 3scth程序機構(gòu)閘門設(shè)定(除非另有說明)高電流起弧 0 0 0上升坡度 1 1 1起始電流 0.5 0.5 0.5多脈沖起弧延遲 0 0 0高脈沖時間(秒) 0.4 0.4 0.4焊接電流 170 170 170焊接電流(%) 0 0 0低脈沖時間(秒) 1.2 1.2 1.2下降坡率 2 2 2
后熱處理時間 2 2 2最終電流 0 0 0焊道外形焊道高(單程) 0.031英寸 0.025英寸 0.025英寸高與寬之比 1∶2 1∶7 0.5∶1(單程)＊scth標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時著名的PSM-2型堆焊機是由聯(lián)合碳化物公司蘭德區(qū)出售的一種機器。在上例中，CE 501標(biāo)準(zhǔn)電源已換成俄亥俄州，托依(Troy)豪巴特(Hobart)兄弟公司出售的豪巴特CT-300AC/DC弧焊機電源。此外，這個豪巴特弧焊機的300系列編程器被用作脈沖控制裝置。
已試驗過的表面耐磨(wearsurfacing)材料包括S-6(CO-cr-W-c)F-90(Fe-Cr-c)Metco 31-c(Wc/co+鎳基合金)GS131(W C+鎳基合金)N-50(Ni-Cr-Si-B)W-516(W C+鈷基合金)M-2(工具鋼)WC/Co(V，W)C
已在下列基底材料上作過焊敷1020鋼鑄鐵304不銹鋼高速鋼301不銹鋼4130鋼值得注意，電流可能變化的范圍從作為低脈沖電流的1～2安培到作為高脈沖電流的好幾百安培不等。時間也可能變化對高脈沖時間從0.1秒或更短，變到對低脈沖時間3秒或更長。對焊接條件的這些調(diào)節(jié)是為使焊道尺寸和形狀常規(guī)化的一些基本控制。到目前為止的試驗中，作為低脈沖電流的電流值已從4安培到15安培，而高脈沖電流為20～70安培。高脈沖和低脈沖持續(xù)時間分別為0.3～0.6和1～1.4秒。
此外“SCFH”這一詞是每小時標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的縮寫詞。該標(biāo)準(zhǔn)涉及一組測量量條件，即70°F，29.92英寸水銀柱大氣壓和被測氣體外于干燥狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.在金屬基底(21)上焊敷表面耐磨材料的焊接設(shè)備，所述設(shè)備包括一個焊槍(10)，它具有為容納第一惰性氣體流的第一通道(16)，為接納粉末金屬流而圍繞所述第一通道并與其同心的第二通道(17)，接納防護氣體流而圍繞第二通道(17)并與其同心的一第三通道(19)，該設(shè)備還包括在所述第一通道內(nèi)的一個不熔化極(11)，一連到所述電極(11)和所述焊槍(10)引弧焊接電源(12)，以在其間產(chǎn)生電弧，和一連到所述電極(11)和基底(21)之間的主弧電源(13)，以在其間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電弧和在所述電極和基底之間的第一惰性氣體流的等離子體霧(36)，本發(fā)明的特征在于具的有一脈沖控制裝置(14)，它連接到所述主弧電源(13)，為使所述主弧電源脈動，以便控制由所述主弧電源(13)所供電力的幅度和持續(xù)時間。
2.如權(quán)利要求
1所述的焊接設(shè)備，進一步的特征在于還有粉末金屬傳送裝置(26)用以將粉末金屬供給所述焊槍的第二通道(17)和控制器(15)，控制器(15)連到所述傳逆裝置(26)，引弧焊接電源(12)和主弧電源(13)，由此實現(xiàn)同步操作。
3.在金屬工件上形成耐磨表層的方法，所述方法包括下列步驟在電弧中產(chǎn)生惰性氣體的等離子體霧，當(dāng)電極為沿著工件窄面熔敷粉末金屬而沿著工件移動時，將粉末金屬流投入等離子體霧，其特征在于，向工作于電極和工件的焊接電流施以脈動，當(dāng)電極沿著工件移動時，焊接電流在一個主電流電平和一個較低的付電流電平之間脈動，以實現(xiàn)沿著工件窄面的連續(xù)堆焊敷層。
4.如權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，連續(xù)堆焊敷層形成一個焊道敷層。
5.如權(quán)利要求
4所述的方法，其特征在于，單程通過的焊道敷層具有0.010英寸到0.125英寸的厚度。
6.如權(quán)利要求
4或5所提出的方法，其特征在于，焊道敷層具有0.020英寸到0.125英寸的寬度。
7.如權(quán)利要求
4，5或6的任一權(quán)利要求
中所提出的方法，其特征在于焊道敷層具有的寬度相對于工件窄面寬度為1∶1至1∶2。
8.如權(quán)利要求
4，5或6的任一權(quán)利要求
中所提出的方法，其特征在于對單程焊敷，焊道敷層的高度對其寬度之比為0.5∶1至2∶1。
9.具有一個表面和在所述表面上的一個焊道敷層的金屬基底，其特征在于所述表面是狹窄的以及所述焊道是由縱向連續(xù)堆焊敷層所構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求
9所述的金屬基底，其特征在于，所述焊道敷層具有0.020英寸到0.125英寸的寬度。
11.如權(quán)利要求
10所述的金屬基底，其特征在于所述焊道敷層具有的寬度相對所述基底的寬度從1∶1到1∶2。
12.如權(quán)利要求
9，10，或11中任一權(quán)利要求
所述的金屬基底，其特征在于，作為單程通過的焊道敷層具有其高度對其寬度之比為0.5∶1至2∶1。
13.如權(quán)利要求
9至12中的任一權(quán)利要求
所述的金屬基底，其特征在于所述焊道敷層具有選用的材料成分，這些材料選自包括金屬、金屬合金、金屬和金屬合金的混合物及含有高熔點堅硬材料的金屬混合物的那類基團。
14.如權(quán)利要求
9至12中的任一權(quán)利要求
所述的金屬基底，其特征在于所述焊道敷層的材料選自鐵基，鎳基和鈷基合金。
15.如權(quán)利要求
9至12中的任一權(quán)利要求
所述的金屬基底，其特征在于所述焊道敷層的材料選自碳化鎢、碳化鈦和釩-鎢硬質(zhì)合金。
16.如權(quán)利要求
9至12中任一權(quán)利要求
所述的金屬基底，其特征在S所述焊道敷層屬硬質(zhì)合金材料。
17.如權(quán)利要求
9所述的金屬基底，其特征在于，其上具有多層焊道敷層。
18.如權(quán)利要求
9所述的金屬基底，其特征在于，所述焊道敷層包含多種材料混合成分，其中一種材料選自含有混有炭化物的鐵-，鎳-，和鈷-基合金的基團。
19.如權(quán)利要求
18所提出的金屬基底，其特征在于，所述炭化物是選自包含了碳化鎢，碳化鈦和釩-鎢硬質(zhì)合金的那類基團。
專利摘要
本焊接方法可用于在具有0.125英寸和更窄寬度金屬基底上焊敷焊道。本法應(yīng)用等離子轉(zhuǎn)移弧并使送到該弧的電流如此脈動，以致提供具有至少一個主幅度和一個副幅度的電流波形。被傳送的粉末金屬以連續(xù)堆焊敷層的方式被焊敷，這些焊敷層很快地固化并產(chǎn)生一種細密的顆粒結(jié)構(gòu)。
文檔編號B23K9/04GK86101470SQ86101470
公開日1986年8月13日 申請日期1986年2月12日
發(fā)明者加里·查爾斯·舒伯特 申請人:冶金工業(yè)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan