CN86101470A - 用于熔敷耐磨表层材料的焊接设备及其方法和其上具有焊道的基底 - Google Patents

用于熔敷耐磨表层材料的焊接设备及其方法和其上具有焊道的基底 Download PDF

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Abstract

本焊接方法可用于在具有0.125英寸和更窄宽度金属基底上焊敷焊道。本法应用等离子转移弧并使送到该弧的电流如此脉动，以致提供具有至少一个主幅度和一个副幅度的电流波形。被传送的粉末金属以连续堆焊敷层的方式被焊敷，这些焊敷层很快地固化并产生一种细密的颗粒结构。

Description

本发明涉及一种焊接设备和在一种金属基底上熔敷一层耐磨表面材料的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于熔敷在金属基底的狭窄表面上的一个焊道的方法和设备。
迄今，人们已经知道为在金属基底上焊敷耐磨表面材料的各类焊接技术。例如，美国专利文献3.803.380和4，122，327描述了为在一基底上熔敷一层金属粉末流而采用等离子火焰燃烧器的有关技术。又如，在某些专利，如美国专利4，142，089中所描述的，人们也知道，采用脉冲式的等离子喷枪电弧加热以在基底上涂敷一层粉末材料。在另外一些专利例如美国专利文献3，781，508中所述，人们也知道系用具有可转移弧的脉冲焊接电流，以便将可消耗的电极熔化形成涂层。
人们还从美国专利4，125，754和4，472，619中得知采用等离子转移弧在基底上形成坚硬表层的技术。在这些情况中，复盖材料的熔化与熔合是利用将一相对稳定的电流施加到基底来完成的，这样是为了产生一融熔区，而且复盖粉末能够进入此熔化区。该粉末，或者说至少该粉末的一部分会被熔化而构成熔融区的组成部分，增大了在先产生了的熔化物的体积。就这样，热源继续从基底的这头移到那头而这个过程也在继续进行着直到达到所需焊接长度为止。然而，一般焊接电流的变化限制在焊接电流是逐渐的增加，从某个初始电平起始，逐渐到主焊接电平，然后到终了电平。
人们也注意到受控弧焊技术是采用脉冲弧焊电流，将电极融成溶敷金属，例如美国专利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当窄的边缘情况下，就很难获得适宜的焊道熔敷层了。例如，已获得的复盖层一般具有的厚度对于一次焊过的熔敷层范围为0.020英寸到0.250英寸，宽度少至0.0625英寸。通常，已知的工艺方法在基底没有有效的熔化或不用精细的致冷设备情况下，已不能在0.100英寸或更窄宽度的基底上熔敷金属。对于熔敷金属宽度小于0.125英寸的情况来说，基底宽度对熔敷金属宽度之比一般保持在2.5比1，为的是对加焊硬面材料提供适宜的基底和提供令人满意的热潭，以防止加焊硬面材料过量地搀入基底材料和防止溢出边缘。鉴此，对于这些工艺过程，熔敷宽度小于0.075英寸是不合适的。
因此，本发明的一个目的是对整个熔敷的焊道的焊敷层的几何尺寸获得非常精确的控制。
本发明的另一个目的是为在一个宽度很窄的基底上敷设一焊道的敷层。
本发明的另一目的是为在基底上敷设焊道的敷层而搀入的基底最少。
本发明的另一目的是为提供具有大的高与宽之比的焊道敷层的基底。
本发明的又一目的是为提供一种在基底材料上加工焊道的方法，此法减少了基底材料的熔融和流动。
本发明的又一目的是为确立一种方法，采用此方法，复盖层可以适用于窄宽度的基底而采用粉末金属，合金，高熔点硬质合金等诸如此类的材料或这些材料的混合物作为焊复层材料。
本发明的另一目的是为提供这样一种方法，采用此方法，在窄截面基底上的熔敷层能具有大的熔敷的高与宽之比。
简言之，本发明为在金属衬底上焊敷耐磨表面材料而提供一种焊接装置的方法，特别是利用等离子转移弧技术结合转移弧的脉冲化在一块狭窄衬底的表面上敷设粉末金属的焊道敷层。
该装置包括一个焊枪，一个不熔化电极，一个引弧焊接电源，一个主弧电源和一个脉冲控制装置。
焊枪结构带有一个中央通道，用以容纳不熔化极和一定流量的惰性气体，一个围绕中央通道并与之同心的第二通道，用以容纳一定流量的粉末金属和一个围绕第二通道并与之同心的第三通道用以容纳一定流量的防护气体。
引弧焊接电源接在所述电极和焊枪之间以便在它们之间产生电弧。主弧电源接在电极和基底之间，以使电极和基底间产生电弧以及一惰性气体等离子流。
脉冲控制装置被连接到主弧电源，这是为了给主电源施以脉冲，从而控制来自主弧电源供电电流的大小和持续时间。该控制装置提供使电流周期性地在主电流电平和一个较低的辅助电流电平之间脉动。主电流电平或说主电流的大小是用来在基底上产生焊接的熔潭和熔化粉末金属。辅助电流电平即其幅度是用来使先前产生的熔潭固化，从而产生一连续层叠的焊接敷层。电流幅度的变化及幅度的周期的变化对焊接敷层的几何尺寸以及减少进入基底材料的热量方面提供了非常精确的控制。这使得在具有狭窄截面尺寸的基底上可加工出有用的加焊硬面焊敷层。
由本发明提供的方法包括以下步骤：在不熔化电极和工件的一个狭窄表面之间产生转移弧，在该弧中形成一惰性气体等离子雾，当沿着工件移动电极时，把粉末金属流送到等离子体中，以便在电极移动时沿着该工件的狭窄表面熔敷粉末金属，及对加到电极和工件的焊接电流在一个主电流电平和一个较低的辅助电流电平之间施以脉动，以实现沿工件的狭窄表面连续堆焊熔敷层。
对通过堆焊熔敷形成的焊道敷层，其厚度对单程可从0.010英寸到0.125英寸，而其宽度可从0.020英寸到0.125英寸。再者，对单程焊接来说，焊道高度与其宽度之比可在0.5∶1到2∶1的范围。还有，基底宽度对敷层宽度之比可从0.5到1.0间变化。
本发明还提供一个具有狭窄表面的金属基底和在该狭窄表面上的焊道敷层，特征在于：该焊道是由一连续堆焊沉积而成。
由于采用脉冲弧焊电流，基底上所形成的熔合区是连续不断地被产生、逐渐增大、逐渐缩小到完全固化。通过在适当时刻添加涂层材料，使由焊枪提供的热转入的主要部分能被利用于熔化粉末，仅有极少量的热直接加至基底材料上。这就减少了基底材料的熔化和流失。
在要求多层焊敷层情况下，在先的表屋变成了基底。基底只出现最少量的熔化，敷层材料能一层又一层地形成直达到所需高度。
这一技术的一个附加的好外是：由于非常有效的利用了焊接的热输入，焊敷层固化得很快。还有，人们已观测到将这一技术应用于许多被鉴定的合金比采用典型的PTA方法所沉积的这些合金中的颗粒结构更细。
本发明的这些和其它目的以及优点，将从结合附图所作的详细说明中更清楚地看到：
图1    显示了根据本发明的一个焊接设备的原理图;
图2    表示已知焊接技术的电流与时间关系图;
图3    表示根据本发明一种方法的电流与时间关系图。
参照图1，焊接设备包括一个焊枪10，一个不熔化极11，引弧焊接电源12，主弧电源13，脉冲控制装置14和***控制器15。
焊枪10具有一般传统结构，它包括用于容纳电极11的第一中央通道16，用以容纳粉末金属流18，围绕第一通道16并与其同心的第二通道17，和用以容纳防护气体流的围绕第二通道并与其同心的第三通道19。此外，焊枪10在中心腔16的端部有一个节流小孔20，惰性气体流通过此孔直接流向工件或基底21。
正如图1所指出的，气体管道22被连接到焊枪的中央腔16，以便传送惰性气体，诸如氩气。气体管道22被依次连到气体流量控制和计量装置23，该装置有一条进气管道连接到适当的惰性气体源（未示出），装置23用于控制和计量送入焊枪10的中央腔16的惰性气体量。
以同样地方式，流量控制和计量装置24通过气体管道25被连到焊枪10的外腔19，以便从相应的防护气体源（未示出）传输诸如氩气等类保护气体到外腔去。
此外，包含粉末金属材料库27的粉末金属传送装置26，通过进料管28被连接到焊枪10的腔17，以便将粉末金属送到那里。再者，流量控制和计量装置29通过气体管道30被连到粉末金属传送装置26，以便将惰性气体从相应的源（未示出）传送入进料管28去帮助粉末金属的输送。输送到传送装置26的气体是用来协助重力输送粉末金属至焊枪和通过焊枪10，同时也保护了粉末金属免受大气污染。这种气体也增加了焊接区的总的气体量和成分。
引弧焊接电源12分别通过相应的电缆31，32连接到电极11和节流孔20之间，并在焊炬10里作内部连接（未示出）。引弧焊接电源12为在电极11和节流小孔20之间建立电弧而提供必要的焊接电流。正如已指出的，电极11被连到电源12的负端，而焊枪10的节流小孔20被连到电源12的正端。
主弧电源12被连接在电极11和基底21之间以便在电极11和基底21间建立电弧而提供焊接电流。正如已指出的，主电弧电源13分别通过合适的电缆33，34而接到电极11和基底21。正如已指出的，电极被连到电源13的负端，而基底21被连到电源13的正端。
脉冲控制装置14通过相应电缆35连接到主弧电源13，以便控制主弧电源13给电极11和基底21所提供的电力的大小和持续时间。就此而论，脉冲控制装置14工作，是使所传送的电流以如图3所示的形式在一个主电流电平和一个较低的付电平之间脉动而每个这样的脉冲持续一个程序化了的持续时间。
***控制器15被分别连接到电源12，13，粉末金属传送装置26和各种流量控制及计量装置23，24，29，以使这些部件同步工作。
工作时，随着粉末金属材料从传送装置26送至焊枪10，随着气体被送到通道16，19，电源12、13开启，因而在电极11和基底21之间建立起转移弧。与此同时，通过通道16提供的惰性气体等离子体雾36在电极11和基底21之间形成。传送的粉末金属被送至此等离子体雾中并在基底21上转变成熔融状以形成焊道。粉末金属的供给量由装置26精确计量，同时由外通道19传送的气体屏蔽了焊接区免遭大气污染，而增加了焊接区的总的气体量和成分。当焊枪10和电极11沿着基底21的长度方向移动时，脉冲控制装置14通过控制器15而被触发，以使加到电极11和基底21的焊接电流在主电流电平和较低付电平之间脉冲化如图3所示。在较高的主电流电平期间，在焊枪上形成一个焊接熔池，被投入熔池的可消耗的粉末材料在应有位置被熔合。由于接着出现的付电流电平，使前述产生的熔池能固化为焊接敷层。当焊枪10和电极11沿着基底21移动时，出现一连续堆焊敷层，由此生成以形成一连续堆焊敷层为特征的焊道敷层。
参照图2，作为比较，先前已知的用转移弧去涂敷基底的技术采用了基本恒定的焊接电流，以使材料的焊接连续地在基底上形成。典型地，焊接电流的变化是被限制为焊接开始时从某起始电平电流逐渐增加到至焊接电平，此后从主焊接电平又逐渐减小到如图所示的最终电平。
在基底上所获得的焊道敷层可具有非常窄的宽度。再者，在其上沉积焊道的基底也可具有相当窄的宽度。例如，焊道敷层厚度范围对单程焊可从0.010英寸到0.125英寸，而其宽度范围0.020英寸到0.125英寸。
值得注意的是，本焊接方法允许粉末金属材料沉积在非常窄的基底上而该基底没有显著熔化。这样，作为基底的精密致冷装置特别对于焊道敷层宽从0.125英寸到0.035英寸的基底已不是必需的了。
典型地，基底宽度与焊敷层的宽度之比要保持1∶1。对焊敷层宽度从0.035英寸到0.070英寸来说，该比值可增加到1∶2。焊接敷层的高与宽度之比对单程焊可精确地控制，例如从0.5∶1至2∶1的范围内。
这样，本发明提供了一种技术，该技术可用于熔敷种类广泛的金属、金属合金或金属的混合物和金属合金添加难熔的硬质材料的例如炭化物。也要注意铁-、镍-、和钴-基的合金已被熔敷。例如，这些合金已包括不锈钢，高铬铁，工具钢，钴-铬-钨合金和镍-铬-硅-硼合金。此外，这些材料中的具有硬质合金添加剂的几种混合物，例如碳化钨，碳化钛和钒-钨硬质合金也已被熔敷。选择材料方面的这种灵活性是脉冲转移弧技术的一个主要特征，而这点正是采用先前的已知工艺即采用不是消耗粉末的方法所不具有的。
本发明还提供了一种技术，通过这一技术可对硬面焊敷层的焊道几何尺寸能保持非常精确的控制。
再者，本发明提供一种具有最小稀度和最小热量的相当窄的基底上形成焊敷层的技术。
下表指出在金属基底上敷设焊道过程中所遵循的典型焊接参数的各种例子。
典型焊接参数
设备：带有Hobart    CYBER-TIG-300    AC/DC弧焊机
（电源并具有300系列编程器的PSM-2型堆焊机。
例1    例2    例3
敷层材料    S-6    M-2    VWC430
不锈钢，基体
基底几何尺寸    0.062英寸    直径0.50    边宽0.059英寸
边宽    英寸棒基底合金    AISI
304    SAE4130    AISI301
不锈钢    （敷层宽    不锈钢
0.1875英寸）
电流（安培）    20    40    12
电压（伏特）    20    20    20
粉末供给率    8.4克/分钟    4.5克/分钟    5.8克/分钟
粉末粒度筛号    60/325    140/325    140/325
转送速度    8.3英寸/分钟    5.5分钟/分钟    7.8英寸/分钟
粉末吹气率 7scth＊7scth 7scth
保护气体    50scth    50scth    50scth
中心气体    3scth    3scth    3scth
程序机构闸门设定（除非另有说明）：
高电流起弧    0    0    0
上升坡度    1    1    1
起始电流    0.5    0.5    0.5
多脉冲起弧延迟    0    0    0
高脉冲时间（秒）    0.4    0.4    0.4
焊接电流    170    170    170
焊接电流（%）    0    0    0
低脉冲时间（秒）    1.2    1.2    1.2
下降坡率    2    2    2
后热处理时间    2    2    2
最终电流    0    0    0
焊道外形：
焊道高（单程）    0.031英寸    0.025英寸    0.025英寸
高与宽之比    1∶2    1∶7    0.5∶1
（单程）
＊scth标准立方英尺/小时
著名的PSM-2型堆焊机是由联合碳化物公司兰德区出售的一种机器。在上例中，CE    501标准电源已换成俄亥俄州，托依（Troy）豪巴特（Hobart）兄弟公司出售的豪巴特CT-300AC/DC弧焊机电源。此外，这个豪巴特弧焊机的300系列编程器被用作脉冲控制装置。
已试验过的表面耐磨（wearsurfacing）材料包括：
S-6（CO-cr-W-c）
F-90（Fe-Cr-c）
Metco    31-c（Wc/co+镍基合金）
GS131（W    C+镍基合金）
N-50（Ni-Cr-Si-B）
W-516（W    C+钴基合金）
M-2（工具钢）
WC/Co
（V，W）C
已在下列基底材料上作过焊敷：
1020钢
铸铁
304不锈钢
高速钢
301不锈钢
4130钢
值得注意，电流可能变化的范围从作为低脉冲电流的1～2安培到作为高脉冲电流的好几百安培不等。时间也可能变化对高脉冲时间从0.1秒或更短，变到对低脉冲时间3秒或更长。对焊接条件的这些调节是为使焊道尺寸和形状常规化的一些基本控制。到目前为止的试验中，作为低脉冲电流的电流值已从4安培到15安培，而高脉冲电流为20～70安培。高脉冲和低脉冲持续时间分别为0.3～0.6和1～1.4秒。
此外“SCFH”这一词是每小时标准立方英尺的缩写词。该标准涉及一组测量量条件，即：70°F，29.92英寸水银柱大气压和被测气体外于干燥状态。

Claims (19)

1、在金属基底(21)上焊敷表面耐磨材料的焊接设备，所述设备包括：一个焊枪(10)，它具有为容纳第一惰性气体流的第一通道(16)，为接纳粉末金属流而围绕所述第一通道并与其同心的第二通道(17)，接纳防护气体流而围绕第二通道(17)并与其同心的一第三通道(19)，该设备还包括在所述第一通道内的一个不熔化极(11)，一连到所述电极(11)和所述焊枪(10)引弧焊接电源(12)，以在其间产生电弧，和一连到所述电极(11)和基底(21)之间的主弧电源(13)，以在其间产生转移电弧和在所述电极和基底之间的第一惰性气体流的等离子体雾(36)，本发明的特征在于具的有一脉冲控制装置(14)，它连接到所述主弧电源(13)，为使所述主弧电源脉动，以便控制由所述主弧电源(13)所供电力的幅度和持续时间。
2、如权利要求1所述的焊接设备，进一步的特征在于：还有粉末金属传送装置（26）用以将粉末金属供给所述焊枪的第二通道（17）和控制器（15），控制器（15）连到所述传逆装置（26），引弧焊接电源（12）和主弧电源（13），由此实现同步操作。
3、在金属工件上形成耐磨表层的方法，所述方法包括下列步骤：在电弧中产生惰性气体的等离子体雾，当电极为沿着工件窄面熔敷粉末金属而沿着工件移动时，将粉末金属流投入等离子体雾，其特征在于，向工作于电极和工件的焊接电流施以脉动，当电极沿着工件移动时，焊接电流在一个主电流电平和一个较低的付电流电平之间脉动，以实现沿着工件窄面的连续堆焊敷层。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，连续堆焊敷层形成一个焊道敷层。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，单程通过的焊道敷层具有0.010英寸到0.125英寸的厚度。
6、如权利要求4或5所提出的方法，其特征在于，焊道敷层具有0.020英寸到0.125英寸的宽度。
7、如权利要求4，5或6的任一权利要求中所提出的方法，其特征在于焊道敷层具有的宽度相对于工件窄面宽度为1∶1至1∶2。
8、如权利要求4，5或6的任一权利要求中所提出的方法，其特征在于：对单程焊敷，焊道敷层的高度对其宽度之比为0.5∶1至2∶1。
9、具有一个表面和在所述表面上的一个焊道敷层的金属基底，其特征在于：所述表面是狭窄的以及所述焊道是由纵向连续堆焊敷层所构成。
10、如权利要求9所述的金属基底，其特征在于，所述焊道敷层具有0.020英寸到0.125英寸的宽度。
11、如权利要求10所述的金属基底，其特征在于：所述焊道敷层具有的宽度相对所述基底的宽度从1∶1到1∶2。
12、如权利要求9，10，或11中任一权利要求所述的金属基底，其特征在于，作为单程通过的焊道敷层具有其高度对其宽度之比为0.5∶1至2∶1。
13、如权利要求9至12中的任一权利要求所述的金属基底，其特征在于：所述焊道敷层具有选用的材料成分，这些材料选自包括金属、金属合金、金属和金属合金的混合物及含有高熔点坚硬材料的金属混合物的那类基团。
14、如权利要求9至12中的任一权利要求所述的金属基底，其特征在于：所述焊道敷层的材料选自铁基，镍基和钴基合金。
15、如权利要求9至12中的任一权利要求所述的金属基底，其特征在于：所述焊道敷层的材料选自碳化钨、碳化钛和钒-钨硬质合金。
16、如权利要求9至12中任一权利要求所述的金属基底，其特征在S所述焊道敷层属硬质合金材料。
17、如权利要求9所述的金属基底，其特征在于，其上具有多层焊道敷层。
18、如权利要求9所述的金属基底，其特征在于，所述焊道敷层包含多种材料混合成分，其中一种材料选自含有混有炭化物的铁-，镍-，和钴-基合金的基团。
19、如权利要求18所提出的金属基底，其特征在于，所述炭化物是选自包含了碳化钨，碳化钛和钒-钨硬质合金的那类基团。
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