搭接－穿透接頭的氣體保護金屬極埋弧焊的製作方法

2023-09-15 14:17:30

專利名稱：搭接－穿透接頭的氣體保護金屬極埋弧焊的製作方法
技術領域：
本發明涉及搭接-穿透接頭的焊接，尤其涉及搭接-穿透接頭的氣體保護金屬極埋弧焊(gas metal buried arc welding)。
背景技術：
金屬構件的氣體保護金屬極電弧(GMA)焊包括將電流施加到呈焊炬的自耗金屬電極上從而在電極頭和所述構件的表面之間形成電弧。電極的金屬作為填充材料沉積在構件上，金屬熔池形成包括電極的金屬和構件的金屬的混合物。從而當熔融金屬凝固時形成焊接接頭。GMA焊通常用於連接諸如搭接-釺角、T形-釺角和平頭對接形式布置的相對較薄的(1mm-4.5mm)構件。圖1是在兩構件2，4之間進行平頭對接的GMA焊的示意圖，其中電弧6由金屬電極8產生。在電極8與元件2，4之間形成熔融金屬池10，以生成在電弧6的移動焊接區域和熔池10之後凝固的焊縫12。這些接頭(搭接-釺角，T形-釺角和平頭對接)要求電極頭14和電弧橫向地布置在將被焊接的接頭邊緣的±0.5mm之內。同時可以使用機器人和夾具來控制所述焊接操作，一些技術已經可以用於確保電極電弧相對於所述接頭的正確橫向布置。
一個解決方案是使用尺寸精確的構件和焊接夾具，這對工藝的最終成本增加了顯著的成本。可選擇地或此外，焊炬和電弧可以相對於接頭邊緣振動以補償所述邊緣的變化或由於部件、焊接夾具和/或定位器的尺寸公差的變化而導致的邊緣定位的變化以及電極頭和電弧相對於所述接頭的橫向布置的變化。雖然焊炬振動克服了在接頭邊緣處的大的變化，但是一主要缺點是明顯減少了生產率，即，通過減少焊接速度來允許振動的發生。改進接頭/電極相互關係的另一方法是採用影象型接縫-跟蹤系統，但是其大部分都是昂貴的、由於具有鋁構件而不穩定的、並且需要精心維護。觸覺裂縫跟蹤系統是有效的，但是在焊接諸如銳角轉角的三維組件或適應方向的改變或產生若干短接頭時具有適用上的局限性。
此外，通常的做法教導出，搭接-穿透接頭不適合於GMA焊，因為焊接(自熔融金屬池10)沒有到達構件疊層中的足夠深度以在焊接凝固時融化和熔焊下部構件，即，不能穿透入下部構件。儘管，在多年以前就已知利用GMA焊的搭接-穿透接頭的點焊，但是由於一些原因而僅局限於在非關鍵性接頭結構上的使用。較短的焊接時間、在點焊期間所施加的不充分的電流密度以及不能通過陰極清潔重疊部分之間的結合面上的表面氧化物這些因素的綜合導致了″葡萄酒杯″異型鋼材的點焊不能焊透入下部構件並且沒有足夠的界面焊合寬度。這使得GMA焊點的焊合相對較弱並在疲勞型負載下具有有限的耐久性。
利用如圖2中所示的平頭對接完成了稱為氣體保護金屬極埋弧(GMBA)焊的更深GMA焊。GMBA焊接工藝不同於常規的GMA焊，因為在GMBA焊接工藝中經過焊極的焊接電流顯著地高於常規的GMA焊。這使得在GMBA焊接工藝中的電流密度較高，導致生成能更深地穿透構件2，4的強穿透準直電弧。然而，此前還沒有實現過搭接-穿透接頭的深GMBA焊。

發明內容
本發明包括形成搭接-穿透接頭的方法，包括通過在自耗金屬電極和第一構件的表面之間形成電弧，將來自所述電極的金屬沉積到第一構件上以及生成延伸通過第一構件並進入第二構件的熔融金屬池，從而將第一金屬構件氣體保護金屬極電弧焊到下層的第二金屬構件上。當熔池金屬固化成焊縫時，在兩個構件之間的界面處的所述焊縫的寬度至少等於第一構件和第二構件中的較薄者的厚度。在焊接過程中，所述電弧至少部分地埋入第一構件的厚度中並且在所要求的接頭定位的方向上移動以產生接頭。


圖1是現有技術的平頭對接的氣體保護金屬極電弧焊的示意圖；
圖2是現有技術的平頭對接的氣體保護金屬極埋弧焊的示意圖；圖3是根據本發明的方法的搭接-穿透接頭的焊接的側視圖；圖4是在圖3中產生的接頭的側視圖；和圖5是為實際應用本發明而建議的同步的電極進給速度、焊接電流和前進速度的圖表。
具體實施例方式
為了在下文中的描述，本發明所涉及的術語″上″，″下″，″右″，″左″，″豎直″，″水平″，″頂″，″底″及其派生詞按照附圖中的定向。然而，應當理解的是，除了與明確列舉的相反的之外，本發明可以採用不同的變化形式和步驟順序。同樣可以理解的是，在附圖中所圖解的以及在下列說明書中所描述的特定裝置和過程僅僅是本發明的示例性實施方案。因此，在這裡所公開的與實施方案相關的特定尺寸以及其它物理特徵並不認為是對本發明的限制。
本發明包括搭接-穿透接頭的GMBA焊的方法。為了克服上述搭接-穿透接頭GMA焊的局限(即，不能通過陰極清潔來自結合面上的表面氧化物，有限的穿透以及不充分的界面寬度)，利用大功率密度的工藝(例如，雷射束，電子束或等離子焊)焊接搭接-穿透接頭。參見圖3，第一金屬構件22抵靠第二金屬構件24定位。第一和第二構件22，24可以是如圖所示的豎直層疊或處於其它布置方式。將高強度電流(例如與用於常規的GMA焊的150安培相比的350安培)輸送給具有金屬自耗電極26的焊矩來生成熔化第一和第二構件22，24的高穿透準直電弧28。電極26的金屬也與構件22，24一起融化組合，來生成凝固時會形成焊縫30的熔池10。電弧28穿透第一構件22以及第二構件24的上部並融化所穿透部分，從而在兩構件22，24之間形成焊縫30。由電弧28支撐的高電流密度具有若干效應，包括提供足夠的電磁力和熱來刺入、打碎並融化構件22和24之間的結合面處的氧化層；穿透重疊的部分；以及當熔池凝固時有力地攪拌該熔池。採用這種方式，(通過打碎、溶解以及浮選焊道頂部的焊渣)搭接-穿透接頭的GMBA焊補償了對界面表面氧化物的陰極電弧的清潔作用，同時獲得理想的焊縫幾何結構(即穿透度和界面寬度)。
參見圖4，在工藝條件下生成焊縫30以確保焊縫30的寬度和深度足夠成功的產生搭接-穿透接頭。為此，焊入第二構件24的穿透深度D應該足夠熔化第二構件24並在凝固時與焊縫熔合和/或結合。對於相對薄(1-5mm)的構件時，進入第二構件24的5-10％的穿透度就足夠了。此外，在第一和第二構件22，24之間的界面處的焊縫寬度W應該至少和相應構件22，24中的較薄者的厚度厚度T或t一樣大。在圖4中，構件24被描繪成了較厚的構件，但這並不是限制性的，因為構件22，24的厚度可以相等或構件24比構件222薄。電極和電弧在第一和第二構件22，24之間的接頭的所需位置的方向上在移動。可以連續地進行焊接，或間斷地進行焊接以形成跳焊。
用於根據本發明的搭接-穿透焊的合適材料是將AA合金用作電極的鋁協會(Aluminum Association)(AA)的鋁合金構件。兩個構件可以是板件、鑄件或壓延件以及其組合產品。舉例來說，本發明已經成功的利用AA 5356電極在300安培將兩2mm厚的AA 5754-O板焊接在一起，以及將一2mm厚的AA 6022-T4板焊接到一4mm厚AA7005-T6壓延件上。本發明的GMBA焊也適合於在由其它材料諸如鋼、不鏽鋼、鈦和鈦合金、以及銅和銅合金等製造的構件之間生成搭接-穿透接頭。
根據本發明生成的搭接-穿透接頭比諸如搭接-釺角接頭之類的其它接頭的GMA焊的生產效率更高，其中後者需要減慢前進的焊接速度和/或焊炬振動來調整電極頭/電弧相對於接頭邊緣的位置的橫向變化。用於焊2.5mm厚的部件時，搭接-釺角接頭的GMA焊的一般前進速度範圍為大約0.6至1.2米/分鐘，而本發明的同等厚度的搭接-穿透接頭的GMBA焊大約為1.5至2米/分鐘。此外，因為電極頭/電弧的橫向布局相對於具有搭接-穿透接頭的部件邊緣不像其它接頭那樣嚴格，所以本發明避免了需要嚴格的部件尺寸公差以及簡化了裝配程序(即，固定和焊接順序)。搭接-穿透接頭的GMBA焊的另一個優點是同樣的焊接設備可以用於GMBA和GMA焊，這最大化的利用了此類焊接系統並避免了以前用於雷射束、電子束和等離子焊的搭接-穿透接頭的昂貴的焊接系統。這些可以通過在相同或不同的組件上焊接不同接頭(即，搭接-穿透與搭接-釺角，T形釺角，等等)時在兩種焊接模式之間轉換而獲得。此外，採用搭接-穿透接頭的GMBA焊的高焊接速度減小了在搭接-釺角接頭的GMA焊期間、在同類厚度的部件之間產生的由焊接引起的整體扭曲。
取決於應用，可利用具有正(反向)電極極性或負(正向)電極極性的DC(直流)電流生成GMBA焊接的搭接-穿透接頭。本發明還可以應用其它脈衝或非脈衝(例如，方波、AC(交流電))電流和/或送絲調製系統。為了在GMBA焊接搭接-穿透接頭期間控制焊接的啟動和停止(即，具有一致的優良質量和幾何屬性)，可以使用具有程序控制的焊接啟動和終止程序的焊接系統。電極進給速率(或送絲速度，WFR)與焊接電流同步，並且可程序化以作為不同厚度和合金組合的函數來如圖5中所示傾斜向上和傾斜向下。在有些情況下，焊接的啟動和終止程序可程序化以使電極進給速率/焊接電流和焊接的前進速度同步。
通過描述當前優選實施方案，應當理解的是，本發明可以在所附的權利要求的範圍內以其它形式實現。
權利要求
1.一種在第一金屬構件和下面的第二金屬構件之間氣體保護金屬極埋弧焊接搭接-穿透接頭的的方法，包括步驟在自耗金屬電極和第一構件的表面之間形成電弧；將來自所述電極的金屬沉積到第一構件上並生成延伸通過第一構件且進入下面的第二構件的金屬熔池；將金屬熔池凝固成焊縫，其中，在第一構件和第二構件之間的界面處的焊縫的寬度大於或等於第一構件和第二構件中的較薄者的厚度；和移動所述電弧和電極越過第一構件的表面以生成接頭。
2.如權利要求1所述的方法，其中，焊縫穿透入第二構件，並且在凝固時與第二構件熔合。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述電弧至少部分地位於第一構件的厚度內。
4.如權利要求1所述的方法，其中，第一構件和第二構件是鋁合金。
5.如權利要求1所述的方法，其中，第一構件和第二構件從由鋼、不鏽鋼、鈦及其合金以及銅及其合金組成的組中選擇出的材料形成。
6.如權利要求4所述的方法，其中，第一構件和第二構件分別從由材、鑄件、壓延件或鍛件構成的組中選擇。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述電弧和電極以至少大約1米每分鐘的速度移動。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述焊接是連續的。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述焊接是間歇的。
全文摘要
一種利用氣體保護金屬極埋弧(GMBA)焊接工藝焊接連續或間歇的搭接－穿透接頭的方法。通過在自耗金屬電極(26)和第一構件(22)的表面之間形成電弧(28)，將來自電極(26)的金屬沉積到第一構件(22)上，並生成延伸通過第一構件(22)並進入第二構件(24)的熔融金屬池(10)，從而將第一構件(22)GMBA焊在下層的第二金屬構件(24)上。所述熔池金屬凝固成伸入第二構件(24)的焊縫(30)，其中，在所述構件之間的界面處的焊縫寬度至少等於第一構件(22)和第二構件(24)中的較薄者的厚度。所述電弧(28)至少部分地埋入第一構件的厚度中並且在所要求的接頭位置的方向上移動以產生接頭。
文檔編號B23K9/173GK1988979SQ200480043572
公開日2007年6月27日 申請日期2004年6月2日 優先權日2004年6月2日
發明者I·斯託爾, K·L·威廉斯 申請人:美鋁公司