本發(fā)明涉及用于鎢極惰性氣體焊接的方法及用于鎢極惰性氣體焊接的焊炬，其中電弧在非自耗型電極(non-consumable electrode)和工件之間燃燒，所述電極在其內(nèi)部包含空腔且沿所述工件的方向?qū)?dǎo)電填料進(jìn)料通過所述電極的空腔。
背景技術(shù)：
鎢極惰性氣體焊接(TIG-焊接)為電弧焊接方法，其用于例如熔敷焊接，焊接或釬焊一種、兩種或更多種由金屬材料制成的工件。工件和用于鎢極惰性氣體焊接的適合的焊炬的鎢極與焊接電流源電連接。電弧在所述鎢極和工件之間燃燒。在此，所述工件至少部分熔融且形成熔池。鎢極通常用作陰極而工件作為陽極，同時電子從鎢極遷移至材料內(nèi)。
相比于金屬惰性氣體焊接(MIG-焊接)，鎢極在鎢極惰性氣體焊接中不熔融。對于金屬惰性氣體焊接，電極絲在焊炬中的熔融可導(dǎo)致所述電極絲的過熱和蒸發(fā)，從而釋放大量焊接煙霧形式的有害排放物。焊接煙霧由顆粒污染物(主要是金屬氧化物)組成，其是可吸入或可呼吸的，并且是有毒和/或致癌的。這樣的排放物顆粒對焊工是特別有害的。
在金屬惰性氣體焊接中，電極絲的熔滴進(jìn)入到熔池中。在金屬惰性氣體焊接中的熔融電極絲同時充當(dāng)填料或填料材料以及電弧載體。相反，在鎢極惰性氣體焊接中，填料需要另外提供。這種(例如線狀)填料從側(cè)面引入電弧內(nèi)。由此使得填料熔融。所述填料的熔融液滴分離并進(jìn)入到熔池中。所述填料的熔融、熔滴的形成、熔滴的分離以及熔滴與工件的相互作用的這個過程被稱為熔滴過渡(material transfer)。
在金屬惰性氣體焊接中，大部分用于熔融電極絲的能量由電子引入，所述電子從電極絲流入工件。由電子引入的所述能量稱為凝結(jié)(condensation)。該能量經(jīng)由相對小的區(qū)域(即經(jīng)由電弧裝置)引入，并且大部分貢獻(xiàn)于電極絲的過熱和揮發(fā)以及因此顆粒排放物的釋放。
由于在鎢極惰性氣體焊接中填料在沒有電流下引入電弧中，所述填料僅通過熱傳導(dǎo)和熱對流而加熱。凝結(jié)，即由電子引入的能量，在鎢極惰性氣體焊接中沒有起作用。因此，在鎢極惰性氣體焊接中沒有或幾乎沒有填料的過熱或揮發(fā)。
因此，相比于金屬惰性氣體焊接，鎢極惰性氣體焊接具有的優(yōu)勢是僅釋放非常少量的排放物且尤其是，即使當(dāng)填料從外部引入的時候也幾乎沒有產(chǎn)生任何焊接煙霧。另一方面，相比于金屬惰性氣體焊接，鎢極惰性氣體焊接具有的缺點為填料的熔融以低效率進(jìn)行或相比于金屬惰性氣體焊接具有更低的熔融速率。而且，由于沒有電流通過填料，也沒有電磁力如洛倫茲力可以產(chǎn)生。所述電磁力有助于熔滴在電流流經(jīng)填料時的分離，這被稱為“夾斷(pinching off)”。由于特別是線狀填料主要從側(cè)面進(jìn)料至電弧，額外失去了焊炬的旋轉(zhuǎn)對稱性。
在鎢極惰性氣體焊接中鎢極可例如以中空電極或中空陰極的形式形成。所述中空電極在其內(nèi)部具有空腔。特別地，所述空腔延伸至電極的整個軸向。
所述中空電極在例如EP 2457681A1中是已知。其中，據(jù)描述填料可經(jīng)由中空電極的空腔進(jìn)料至鎢極惰性氣體焊接。因此，可糾正缺少旋轉(zhuǎn)對稱性的缺點，但填料熔融效率低的缺點仍存在。
此外，特別是在中空電極的情況下，由于在中空電極內(nèi)的空腔也導(dǎo)致電弧中更低的軸向能量密度，使得填料的熔融更困難。此外，對于這樣進(jìn)料的填料也沒有產(chǎn)生電磁力且沒有由電子引入能量。
因此本發(fā)明是基于改善在鎢極惰性氣體焊接中填料的進(jìn)料且以更高效率完成進(jìn)料的目的。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的通過一種鎢極惰性氣體焊接的方法以及用于鎢極惰性氣體焊接的焊炬得以解決，它們具有獨立權(quán)利要求的特征。各自的從屬權(quán)利要求和下述描述為本發(fā)明主題的優(yōu)選配置。
利用本發(fā)明的鎢極惰性氣體焊接的方法，電弧在非自耗型電極和工件之間燃燒。在電極的內(nèi)部具有空腔，其中沿所述工件的方向?qū)?dǎo)電填料進(jìn)料通過所述電極的空腔。所述填料是通電的。
在下面的描述中，在內(nèi)部具有空腔的電極稱為中空電極。填料特別地為線狀的形式。特別地，填料與中空電極是電絕緣的。
在此，所述電極可用作陰極，所述工件用作陽極。也可考慮使用所述電極作為陽極以及使用所述工件作為陰極。當(dāng)所述電極由鎢、鉿或摻雜(例如CER、釷、鑭和/或其它稀土元素)的鎢形成時，該電極特別地用作陰極。當(dāng)所述電極由銅或具有這樣的摻雜物或內(nèi)含物(insert)的銅形成時，該電極特別地用作陽極。
通過對填料的通電，對填料加熱或預(yù)熱，特別是至約600℃或更高(至1,000℃)的溫度。采用常規(guī)的中空電極，填料基本上在室溫或環(huán)境溫度下進(jìn)料至焊接過程。這里，填料必須首先通過電弧或通過電弧的熱效應(yīng)(熱傳導(dǎo)和熱對流)加熱直至填料熔融。與此相反，本發(fā)明的填料進(jìn)料至焊接過程時已經(jīng)預(yù)熱了。通過電流或通過電子，大部分能量已引入填料(凝結(jié))。通過電弧，僅少量能量需引入填料以使填料熔融。
通過流入填料的電流以及由于填料的電阻，對填料進(jìn)行加熱。對填料的該加熱稱為焦耳熱。焦耳熱對填料熔滴的形成以及這些熔滴的溫度具有顯著的影響。通過本發(fā)明，可有意地利用填料的焦耳熱。
通過本發(fā)明，填料經(jīng)由中空電極空腔進(jìn)料的方式得到改善使得填料的熔融高效率進(jìn)行。相應(yīng)地，填料的熔滴可以以簡單的方式形成且以高效分離并進(jìn)入熔池中。因此，可以高效地進(jìn)行全部的熔滴過渡。熔融速率增加，此外，焊縫熔深，即引入工件的能量的量也能得到增加。
通過本發(fā)明，金屬惰性氣體焊接和鎢極惰性氣體焊接的優(yōu)點得以結(jié)合。由于本發(fā)明，金屬惰性氣體焊接的優(yōu)點，即高效率的熔滴過渡、高熔融速率以及高焊縫熔深也可用于鎢極惰性氣體焊接。然而，依據(jù)本發(fā)明，采用鎢極惰性氣體焊接沒有發(fā)生填料的揮發(fā)。因此，沒有或幾乎沒有以焊接煙霧形式的有害排放物的釋放。此外，通過將填料進(jìn)料至中空電極內(nèi)，采用依據(jù)本發(fā)明的鎢極惰性氣體焊接或依據(jù)本發(fā)明的焊炬使得旋轉(zhuǎn)對稱性成為可能。
此外，鎢極惰性氣體焊接的優(yōu)點得以保留，即熔融速率與工件中的能量輸入分離，并且可變化地調(diào)整。特別地，這可通過可變化的進(jìn)料裝置或焊絲進(jìn)料以及可調(diào)整的填料通電實現(xiàn)。
有利地，電極使用焊接電流通電。將填料用獨立于焊接電流或除焊接電流之外的加熱電流通電。對加熱電流和焊接電流的電流強度相互獨立地進(jìn)行調(diào)整。填料尤其與中空電極是電絕緣的。通過焊接電流，電弧受到影響，通過加熱電流，預(yù)熱填料。因此，填料的預(yù)科可得以調(diào)整或獨立于電弧進(jìn)行。因此，填料的預(yù)熱可靈活調(diào)整和適應(yīng)。特別地，加熱電流適應(yīng)于進(jìn)料或焊絲進(jìn)料，適應(yīng)于直徑和/或填料的材料。
優(yōu)選地，加熱電流或加熱電流的電流強度根據(jù)填料溫度被調(diào)節(jié)或控制。特別是通過例如用傳感器例如熱電偶或高溫計測量，來檢測填料的溫度。另一種選擇或額外地，也可通過施加于填料的加熱電流源的加熱電壓來測定填料的溫度。因此將填料的通電以這樣的方式調(diào)節(jié)或控制使得填料預(yù)期的溫度得以實現(xiàn)且填料由此持續(xù)預(yù)熱。
依據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選配置，填料與加熱電流源的電流接觸點電連接且隨后引入電極的空腔。在這些電流接觸點處，加熱電流傳導(dǎo)至電極絲上。特別地，填料首先通過加熱電流通電直到填料具有預(yù)期的溫度。只有當(dāng)填料達(dá)到所述預(yù)期溫度且由此充分預(yù)熱時，填料才引入中空電極中。
優(yōu)選地，電流接觸點相對于彼此的距離為變化的。特別地，設(shè)置電流接觸點使得它們在填料上的位置可相對于彼此變化。例如，所述電流接觸點設(shè)計為滾筒(rollers)或滑動接觸點。另一種選擇或額外地，填料通電的電流強度，特別是加熱電流的電流強度，為變化的。通過電流接觸點的該距離或通過該電流強度，填料的預(yù)熱或溫度可靈活調(diào)整。特別地，調(diào)整距離和/或電流強度使得填料不會過熱且不會發(fā)生填料的揮發(fā)。
優(yōu)選地，影響或調(diào)整填料的焦耳熱。依據(jù)焦耳定律，電阻上產(chǎn)生的熱量與該電阻下轉(zhuǎn)化的電輸出以及相應(yīng)的持續(xù)時間成比例。作為焦耳熱，在此描述為單位時間的熱量，其由于電流強度和電阻層(導(dǎo)體基于其長度的電阻)通過電能在導(dǎo)體中連續(xù)的損耗而產(chǎn)生。
通過電流接觸點，自由焊絲長度l可調(diào)整，該自由焊絲長度l特別地為電流點彼此間的距離。憑借該自由焊絲長度l，由加熱電流(電流強度為I)轉(zhuǎn)化的電功率P可在填料上依據(jù)下式調(diào)整：
在此，A為填料的橫截面積。在此，特別適合的是使用線狀填料，p為填料的比電阻。
從該電功率獲得在一段時間ΔT內(nèi)的焦耳熱ΔW：
優(yōu)選地，取決于填料的進(jìn)料或焊絲進(jìn)料，對填料通電。由于填料的熔融，所述填料需要進(jìn)料或推進(jìn)。特別地，在此情況下線狀填料為適合的，其采用(特別地為可變化的)進(jìn)料速度進(jìn)料。因此填料的預(yù)熱或加熱與進(jìn)料分離。特別地對于手工焊接，加熱電流或填料的通電以自動化的方式適應(yīng)于焊絲進(jìn)料。由此焊工僅需要調(diào)整焊絲進(jìn)料，通電得以自動地調(diào)整。
此外，可調(diào)整焊絲進(jìn)料至工件的間隙尺寸或間隙寬度，特別是根據(jù)焊接速度。在此情況下，工件的間隙尺寸或間隙寬度描述了待填充的體積，所述體積將用熔融填料填充。因此，待熔融的填料的體積匹配待填充的體積。
特別地，當(dāng)進(jìn)料增加，填料的通電的電流強度可增加。填料的加熱可保持恒定且熔滴與填料高效分離。因此，填料可以更高的進(jìn)料速度進(jìn)料。當(dāng)進(jìn)料減慢時，電流強度可相應(yīng)減小。
依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選配置，填料的進(jìn)料以如下方式變化：在進(jìn)料方向上的振蕩運動疊加于進(jìn)料。通過進(jìn)料這樣的變化，導(dǎo)致填料的振蕩。因此進(jìn)料不是連續(xù)進(jìn)行，而是振蕩式進(jìn)行。通過該疊加的振蕩運動，填料以一定頻率沿工件方向和遠(yuǎn)離工件的相反方向運動。特別是通過填料遠(yuǎn)離工件方向的運動，熔滴和剩余的尚未熔融的填料之間的區(qū)域逐漸變小。因此，有利于熔滴的分離。通過疊加的振蕩運動，誘導(dǎo)或積極推動了熔滴的分離。在說明性術(shù)語中，熔滴為通過填料的疊加振蕩運動而“抖落”。
進(jìn)一步優(yōu)選地，填料疊加的振蕩運動的振蕩頻率基本上對應(yīng)于從填料熔融脫落的熔滴的自然頻率或共振頻率。通過填料疊加的振蕩運動，導(dǎo)致熔滴在其自然頻率的范圍內(nèi)振蕩。相應(yīng)地，進(jìn)一步促進(jìn)和誘導(dǎo)熔滴的分離。優(yōu)選地，填料的(疊加)振蕩運動的振蕩頻率為350Hz-450Hz，特別為400Hz。
額外的氣體供給至填料是切實可行的。特別地，額外的氣體可通過空腔進(jìn)料。在此情況下，額外的氣體經(jīng)由空腔沿工件的方向流動，特別地在填料周圍或沿著填料流動。通過所述額外的氣體，將壓力施加于填料熔滴上，進(jìn)一步特別是熔滴的表面張力下降。相應(yīng)地，可誘導(dǎo)或積極促進(jìn)熔滴的分離。此外，通過特別是惰性或還原性的額外氣體，可避免加熱的填料的氧化。
但是，額外的氣體也可為活性氣體。氣體的組成和量可以變化，特別是在焊接過程中也可變化。特別地，使用氧氣或其中氧氣部分作為額外氣體的氣體混合物。通過氧氣，特別是表面張力得以降低。
在此情況下氧化性氣體或氧化性氣體混合物作為額外氣體通過加熱的填料進(jìn)料。特別地，氧化性氣體或氣體混合物與電極分離以避免電極的(直接)損毀。優(yōu)選地，將氬氣和氧氣的氣體混合物(特別是氧氣的最大比例為10％)或氬氣和二氧化碳的氣體混合物(特別是二氧化碳最大比例為20％)作為額外氣體進(jìn)料。
進(jìn)一步優(yōu)選，使用氬氣，或者氬氣和氫氣的氣體混合物(特別是氫氣最大比例為10％)，氬氣和氮氣的氣體混合物(特別是氮氣最大比例為10％)，或氬氣和氦氣的氣體混合物(特別是氦氣最大比例為90％)作為額外氣體。
特別地，將保護氣體進(jìn)料至焊接過程。為此目的，焊炬包含實用的保護氣體噴嘴。在此情況下除保護氣體之外，額外氣體獨立地進(jìn)料至填料。
本發(fā)明還涉及用于鎢極惰性氣體焊接的焊炬。類似地，依據(jù)本發(fā)明的該焊炬的配置由依據(jù)本發(fā)明的上述方法獲得。
本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)勢和配置從具體實施方式和附圖中獲得。
要理解的是上述提到的和在下文中仍需解釋的特征不僅可以各自組合使用，而且可在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)以其它組合的方式使用或單獨使用。
本發(fā)明示意性地在附圖中通過示例性實施方案的方式示出并在以下參照附圖詳盡描述。
附圖說明
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的用于鎢極惰性氣體焊接的焊炬的優(yōu)選配置。
具體實施方式
在圖1中，示出了依據(jù)本發(fā)明的用于鎢極惰性氣體焊接的焊炬的優(yōu)選配置且用100標(biāo)記。配置焊炬100用于實施依據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方案。通過焊炬100，第一工件151經(jīng)由連接操作焊接到第二工件152。
焊炬100包含電極110，所述電極朝著面對工件的一側(cè)逐漸變細(xì)。電極110形成為中空電極且其內(nèi)部具有圓柱形空腔200，所述空腔在電極110的整個軸向范圍上延伸。
第一工件151和中空電極110與焊接電流源140電連接。中空電極110從而采用焊接電流通電。
在此具體實施例中，中空電極110由鎢形成且用作陰極。在此具體實施例中第一工件151用作陽極。需提及的是中空電極110也可用作陰極而第一工件151用作陽極，例如當(dāng)中空電極110由銅形成時。
電弧120在中空電極110和第一工件151之間燃燒。通過電弧120，第一和第二工件151和152至少部分熔融，從而產(chǎn)生熔池160。
焊炬100進(jìn)一步包含保護氣體噴嘴130，以采用保護氣體流的形式將保護氣體進(jìn)料至焊接過程或沿電弧120的方向進(jìn)料或沿熔池160的方向進(jìn)料，這由參考標(biāo)號131表示。
此外，導(dǎo)電填料210，特別地通過進(jìn)料設(shè)備230進(jìn)料至焊接過程。填料210設(shè)計為線狀且沿第一和第二工件151和152的方向230a進(jìn)料通過空腔200?？涨?00包含電絕緣體210，以使填料210與中空電極110電絕緣。
在填料210引入中空電極110之前，填料210與加熱電流源220的兩個電流接觸點221電連接。在此情況下電流接觸點221特別地以滑動接觸的形式形成。通過電流接觸點221和加熱電流源220，填料210采用加熱電流通電。
通過用加熱電流給填料210通電，填料210加熱升溫。當(dāng)填料210，在此情況下為焊絲，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度例如600C時，則開始進(jìn)料。在此，填料210引入空腔200的程度使得填料210的尖端212在工件151的方向上從空腔200中突出。
通過電弧120，填料210的該尖端212進(jìn)一步加熱。通過此加熱，填料210在尖端212處熔融。從而形成填料210的熔滴211。
最后，熔滴211與填料210分離，進(jìn)入熔池160且形成焊縫(在工件151和152之間連接)。熔滴211的形成和熔滴211與填料210的分離以及轉(zhuǎn)移進(jìn)入至熔池160被描述為熔滴過渡。
焊接過程中電流接觸點221相對彼此的距離為可變的。電流接觸點也可在空腔前放置以改善可達(dá)性。在此情況下兩個電流接觸點221可相互獨立地沿填料210移動，這由雙箭頭221a示出。通過調(diào)整電流接觸點221的距離和通過調(diào)整加熱電流的電流強度，特別地調(diào)整填料210的焦耳熱。
在此情況下焦耳熱為加熱填料210時由于電阻以及加熱電流在單位時間產(chǎn)生的熱量。
通過進(jìn)料裝置230，填料210可進(jìn)一步進(jìn)料或推進(jìn)或引入至空腔200中。相應(yīng)發(fā)生進(jìn)料的進(jìn)料方向，在此情況下對應(yīng)于方向230a，其朝向工件151和152的方向。填料210可例如以纏繞于卷軸上存在，通過進(jìn)料裝置230解開。
進(jìn)料，即焊絲的進(jìn)料速度，可通過進(jìn)料裝置230特別變化。特別地，進(jìn)料變化的方式使得填料210在進(jìn)料方向上的振蕩運動疊加于所述進(jìn)料上。在此情況下填料210朝進(jìn)料方向230a和朝進(jìn)料相反方向振蕩。該振蕩的頻率對應(yīng)于熔滴211的自然頻率，尤其是為400Hz。由此更加密集地導(dǎo)致熔滴211的分離。
此外，焊炬100包含額外氣體進(jìn)料240(僅圖示示出)。通過額外氣體進(jìn)料240，以額外氣流的形式將額外氣體進(jìn)料至填料210，這由參考標(biāo)號241表示。在此情況下，額外氣流241在進(jìn)料方向230a上沿填料210軸向流動。通過額外氣流241，氣體流入熔滴211上，由此使得熔滴211的表面張力減小且更進(jìn)一步誘導(dǎo)熔滴211的分離。
例如，氧氣比例為10％的氬氣和氧氣的氣體混合物作為額外氣體以額外氣流241的形式進(jìn)料。通過填料210和中空電極110之間的電絕緣201，額外氣流同樣與中空電極110分離，使得可通過額外氣體避免中空電極的損毀。
參考列表
100 焊炬
110 電極，中空電極
120 電弧
130 保護氣體噴嘴
131 保護氣體流
140 焊接電流源
151 第一工件
152 第二工件
160 熔池
200 空腔
201 電絕緣
210 線狀填料
211 熔滴
212 尖端
220 加熱電流源
221 電流接觸點，滑動接觸
221a 雙箭頭
230 進(jìn)料裝置
230a 方向，進(jìn)料方向
240 額外氣體進(jìn)料
241 額外氣體流