减少焊缝金属中扩散氢的系统和方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201180028727.5	申请日：	2011.04.05
公开号：	CN102939180A	公开日：	2013.02.20
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):B23K 9/16申请日:20110405\|\|\|公开
IPC分类号：	B23K9/16; B23K9/173; B23K35/38	主分类号：	B23K9/16
申请人：	伊利诺斯工具制品有限公司
发明人：	史蒂芬·巴霍斯特; 马里奥·阿马塔; 约瑟夫·C·邦迪
地址：	美国伊利诺伊州
优先权：	2010.04.09 US 61/322,604; 2011.04.04 US 13/079,521
专利代理机构：	上海脱颖律师事务所 31259	代理人：	脱颖
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内容摘要

本发明大体上涉及电弧焊。在一个实施方式中，焊接系统带焊接气体供应系统，供气系统经配置向焊池提供包括保护气和含氟气的气流。另外，保护气经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池中的扩散氢，含氟气基本不含硫。

权利要求书

权利要求书一种焊接气体组分，包括：
保护气，经配置控制焊池周围的环境；及
含氟气，经配置减少焊池中的扩散氢含量，其特征在于含氟气基本不含硫。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为0.1％‑10％左右的含氟气。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为约5％以下的含氟气。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为约2％以下的含氟气。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气包括碳基含氟气。
权利要求5所述的焊接气体组分，其特征在于碳基含氟气包括四氟化碳。
权利要求5所述的焊接气体组分，其特征在于碳基含氟气包括分子式为CmFnXp的任何气体，其中X可以是氢原子或氯原子，m可以是1‑5之间的任意值，n可以是1‑18之间的任意值，p可以是0‑18之间的任意值。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气是氟气。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气是氮基气、硅基气、钨基气中的任何气体或其组合。
权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于保护气包括氩气、氦气、二氧化碳、氧气或其组合。
一种方法，包括：
控制流向焊池的第一含氟气流，减少焊池中的扩散氢，其特征在于含氟气是碳基含氟气。
权利要求11所述的方法，其特征在于碳基含氟气包括分子式为CmFnXp的任何气体，其中X可以是氢原子或氯原子，m可以是1‑5之间的任意值，n可以是1‑18之间的任意值，p可以是0‑18之间的任意值。
权利要求11所述的方法，其特征在于碳基含氟气包括四氟化碳。
权利要求11所述的方法，包括控制流向焊池的第二保护气流，从而控制焊池周围的环境。
权利要求14所述的方法，包括控制第一气流和第二气流的比例。
权利要求15所述的方法，包括混合第一气流和第二气流，在焊池上游生成气体混合物。
权利要求16所述的方法，其特征在于气体混合物包括约10％(体积百分比)以下的含氟气。
一种焊接系统，包括：
焊接气体供应系统，经配置向焊池提供包含保护气和含氟气的气流，其特征在于保护气经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池中的扩散氢，含氟气基本不含硫。
权利要求18所述的焊接系统，其特征在于含氟气包括四氟化碳，气流包括体积百分比为约10％以下的四氟化碳。
权利要求18所述的焊接系统，其特征在于焊接气体供应系统包括气体预混器，预混器经配置混合第一保护气流和第二含氟气流。

说明书

说明书减少焊缝金属中扩散氢的系统和方法
相关申请的交叉引用
本项申请主张2010年4月9日提出的申请号为61/322604的美国临时专利申请案《减少焊缝扩散氢焊接金属中扩散氢的方法》及2011年4月4日提出的申请号为13/079521的美国专利申请案《减少焊缝扩散氢焊接金属中扩散氢焊接金属中扩散氢的系统和方法》的优先权，上述两项申请案以引用的方式全部并入本文。
背景技术
本发明大体上涉及电弧焊，具体涉及有关保护气体的电弧焊。
焊接已成为各行各业广泛使用的作业工艺，举例来说，焊接常用于造船、飞机维修、建筑等领域。气体保护金属极弧焊(GMAW)、气体保护通量核心弧焊(FCAW‑G)和气体保护钨极电弧焊(GTAW)等焊接技术采用保护气体在焊接过程中在焊弧和焊池内部及周围形成特殊的局部环境。举例来说，常用保护气体包括氩气、二氧化碳、氦气和氧气。可以选择保护气体和保护气体混合物来控制电弧稳定性、金属氧化物的形成及金属表面可润湿能力等。
焊接过程中及焊接结束后焊缝中的扩散氢含量是钢材相关焊接应用的问题之一。在焊接作业过程中，氢可通过各种输入源，包括大气中的水分、金属表面、焊条或保护气体以及油类、润滑油等金属表面涂层或焊丝进入焊缝。在焊接过程中，氢极易溶解于接触高温的钢材；随着焊缝的逐渐冷却，氢在钢材中的可溶性慢慢降低，乃至从溶液中析出，使氢聚集在焊缝金属的间断点和晶界，导致焊缝内部出现局部高压区和高应变区。高压区和高应变区可使焊缝变脆、产生裂纹，最终导致焊缝开裂。
限制焊缝扩散氢的方法之一是对金属进行预加热，举例来说，以限制焊接作业过程中金属表面出现的水分含量，并且/或者通过调节金属的冷却速度更好地控制金属微结构。预热法常用于厚钢板或高强度钢的焊接作业。但是，为了降低氢致开裂的可能性，制造商必须承担与预热钢相关的很高的成本(能源、设备、时间等)。
发明内容
本发明的一个实施方式提供了一种焊接气体，其组分包括配置为控制焊池周围大气的保护气体和配置为减少焊池中扩散氢的氟气(经配置减少焊池内的可扩散氢)。另外，含氟气基本不含硫。
本发明的另一个实施方式提供了一种方法，包括对流向焊池的第一含氟气流量进行控制，以减少焊池中的扩散氢，其中，含氟气是碳基含氟气。
本发明的另一个实施方式提供了一种焊接系统，该焊接系统具有焊接气体供应系统，经配置向焊池提供气流，气流包括保护气和含氟气。另外，保护气体经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池内的扩散氢，含氟气基本不含硫。
附图说明
下面结合附图及详细说明对本发明的上述及其他特征、方面和优势作进一步说明。所有附图均以类似的字符表示类似部分，其中：
图1为本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于预混保护气和含氟气；
图2为本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于单独向焊炬提供保护气和含氟气；
图3为本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于提供并混合保护气和含氟气；
图4为本发明实施方式所述焊接系统的内部电路框架，该焊接系统带气源，用于提供保护气和含氟气；
图5为本发明实施方式所述步骤的流程图，据信这些步骤为从运用含氟气的焊缝金属中消除扩散氢所需的步骤；以及
图6的曲线图显示了焊缝中的扩散氢随着含氟气浓度(与保护气浓度相对)的上升而下降的总体趋势。
具体实施方式
下面介绍本发明的一个或多个具体实施例。为了对实施例进行简明、扼要的说明，本文不一定介绍实际实施例的全部特征。需要理解的是，在工程或设计项目中实际开发实施例时，为了达到开发商的具体目标，比如，满足系统相关及业务相关限制条件，必须做出各种实施性决策，这种决策因实施方式而异。还需要理解的是，开发工作虽然可能复杂且耗时，但对于从本发明中受益的普通技术人员而言也不过是日常的设计、制作和生产任务。
介绍本发明各种实施例的元件时所用的冠词“一”、“这”、“该”及“所述”表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”及“具有”指包括，表示可能还有所列元件以外的附加元件。
本文将介绍用含氟气减少焊缝焊接金属中扩散氢含量的焊接系统之实施例，具体参见下文。需要理解的是，虽然本文具体围绕气体保护金属极弧焊(GMAW)进行了说明，但是本文所述的含氟气的加入可使所有力求减少焊缝中扩散氢的焊接工艺受益。同样地，虽然本文公开的实施例可直接应用于涉及保护气的焊接工艺，但是，正如本文所述的那样，也可以在其他焊接工艺(埋弧焊(SAW))及一般不使用保护气的自动保护金属极电弧焊(SMAW)中用含氟气减少焊缝金属中的扩散氢。
在本文中，含氟气指一个气体分子中至少含一个氟原子的单一气体或气体混合物。例如，含氟气可以是四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、三氟氯甲烷(CF3Cl)等碳基气体，或者三氟化氮(NF3)、三氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟(F2)、六氟化钨(WF6)等无机气体或其混合物。在本文中，保护气体指惰性或半惰性保护气体，例如，氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)、氮气(N2)等或其混合物。举例来说，保护气体包括Ar以及Ar/CO2混合物和Ar/CO2/O2混合物。另外，除非另有说明，否则本文的气体混合物百分比均指体积百分比。
总体而言，本发明所述焊接系统之供气系统的一个实施例采用对保护气和含氟气进行预混的单一气源。在另一个实施例中，供气系统使用多个气源，保护气和含氟气分别输送到焊炬，在焊接过程中在电弧处或其附近混合。在另一个实施例中，供气系统使用多个气源，保护气和含氟气分别输送到预混装置，在焊炬上游混合在一起。
总体而言，本发明所述的实施例提供了一种有效减少焊缝中扩散氢含量的方法，这种方法的成本远远低于其他方法，包括上述预热法。需要理解的是，可结合预热法使用本发明所述的实施例，对焊缝中的扩散氢含量产生组合效应，降低既定焊接作业所用的标准预热量(或预热程度)。请注意，本发明所述的实施例使用的是含氟气体而不是含氟固体。含氟气具有焊丝选择灵活性大，焊接作业过程飞溅少等优势。
现在结合附图进行说明。图1显示了本发明所述的气体保护金属极弧焊(GMAW)系统10的一个实施例，系统10可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。系统10包括焊接电源装置12、送丝机14、供气系统16及焊炬18。焊接电源装置12向焊接系统10供电，可通过电缆束20耦合到送丝机14，也可以通过带电缆夹26的铅包电缆24耦合到工件22。在所示的实施例中，送丝机14通过电缆束28耦合焊炬18，以便在作业过程中向焊接系统10输送焊丝和电源。在另一个实施例中，电源装置12耦合焊炬18，直接供电给焊炬。
在所述的实施例中，焊接系统10包括供气系统16，供气系统16向焊炬18供应预混保护气和含氟气流。在所述的实施例中，供气系统16通过气体管道30直接耦合焊炬18。在另一个实施例中，供气系统16耦合送丝机14，送丝机14可调节供气系统16至焊炬18的供气流量。所示焊炬18接收来自焊丝装置14的焊丝和电源，来自供气系统16的预混气流。在作业过程中，可将焊炬18移至工件22附近，以便在焊炬18和工件22之间形成电弧32。
所示焊接系统10的供气系统16包括预混气源34，其中保护气和含氟气，举例来说，可以存储在同一气瓶中。举例来说，供气系统16可以是包括内含95％左右保护气及5％左右含氟气的单一气瓶。具体而言，气瓶可包含约由70％Ar、25％CO2和5％CF4组成的混合物。在另一个实施例中，预混气源32可包含约由73.5％Ar、24.5％CO2和2％SiF4组成的混合物。保护气可以是Ar、He、CO2、O2或N2中的任何气体或其混合物。含氟气可以是CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任何气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是1～5之间的任意值，n可以是1～18之间的任意值，p可以是0～18之间的任意值。例如，含氟气可以是CF4、CF3Cl、CF2H2、CFCl3、C2F6、C2F4、C2F5Cl、C2F4H2、C3F7H或C4F10中的任何气体或其混合物。含氟气占气体总流量的比例可以是0.1％～10％之间的任意值(例如，0.2％、0.75％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、4％、4.5％、5.5％、6％、7％、8％、9％、10％等)。在一个实施例中，含氟气在供给焊炬18的气体总流量中所占的比例在0.5％～5％左右。在一个实施例中，含氟气占气体总流量的比例小于1％、2％、3％、4％或5％左右。
控制含氟气中的原子碳、氢、氟和氯的相对量以及供给焊炬的保护气/含氟气混合物可调整焊接作业参数。例如，焊接对扩散氢的存在特别敏感的金属时，可采用较大的含氟气相对浓度(比如，气体总流量的5～10％)最大程度地清除扩散氢。举例来说，在使用碳基含氟气的情况下，含氟气的碳数量越多(即m值越大)，形成的焊缝中的碳含量越大，不仅有利于满足某些钢材应用的需求，还能减少扩散氢含量。又如，在使用碳基含氟气时，就跟在保护气中加入氢一样，含氢(即X是氢原子，p大于0)含氟气有益于改善电弧性能，包括提高电弧温度及电弧在工件中的熔透度等，同时还能限制可能在焊接作业中进入焊接金属的氢含量。
然而，并非所有含氟气体适用于涉及特殊金属的应用。举例来说，虽然六氟化硫(SF6)可以作为保护气的添加剂减少焊缝中的扩散氢含量，但是某些金属(钢材等)与SF6并不相容，因为焊接结束后残留在焊缝中的硫(硫化铁)会在焊缝凝固时偏析，引起开裂。因此，本发明所述实施例的含氟气基本不含硫。
在某些实施例中，供气系统16宜通过不同的气源输送保护气和含氟气。举例来说，含O2或CO2的保护气与含氟气，如一起存储的话可能在某些条件下发生反应，致使化学作用发生很大的变化，弱化混合气体屏蔽及/或清除扩散氢的效力。出于这种考虑，图2所示的GMAW系统50的另一个实施例用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与图1所示的实施例类似，焊接系统50实施例包括焊接电源装置12、送丝机14及焊炬18，三者按上文所述方式相互耦合。
在所示的实施例中，GMAW系统50还包括供气系统16，供气系统16含保护气源52和含氟气源54(比如气瓶)，两个气源分别含一种气体，通过独立的气体管道56和58分别向焊炬18供气。在一个实施例中，焊炬18包含预混区，在保护气流和含氟气流出焊炬18前混合这两种气体。在另一个实施例中，保护气和含氟气保持独立(即穿过焊炬18中独立的气体管道)，直至到达电弧32附近时合并，以便可以对离开焊炬18的混合气体中的不同部分(例如，中心区与外区)的保护气和含氟气的相对浓度进行控制。举例来说，电弧34处焊炬18气流中的含氟气中心气流大致被保护气流所包围，反之亦然。
在图2所示的实施例中，保护气源可包含Ar、He、CO2、O2或N2中的任意气体或其混合物。举例来说，保护气源可以是100％Ar，约75％Ar/25％CO2组成的混合物、约75％Ar/23％CO2/2％O2组成的混合物、约95％Ar/5％O2组成的混合物、100％CO2等。含氟气源可包含CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任意气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是1～5之间的任意值，n可以是1～18之间的任意值，p可以是0～18之间的任意值。举例来说，含氟气可以是CF4、CF2Cl2、CF3Cl、CF3H、C2F4Cl2、C2F2Cl2、C2F5H、C2F4H2、C3F7Cl或C4F8H2中的任意气体或其混合物。或者，含氟气可以是约98％CF4/2％F2组成的混合物、约90％CF3Cl/10％NF3组成的混合物、约80％C2F4/10％CF4/10％CF3Cl组成的混合物等。在一个实施例中，含氟气在供给焊炬18的气体总流量中所占的比例约为0.5％～5％。在一个实施例中，含氟气占气体总流量的比例小于1％、2％、3％、4％或5％左右。
对于某些实施例，宜从不同的气源向气体预混装置输送保护气和含氟气，以提高混合过程的控制程度。为此，图3所示的本发明所述的另一个实施例GMAW系统70可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与图1和图2所示的实施例类似，图3所示的GMAW系统70之实施方式包括焊接电源装置12、送丝机14和焊炬18，三者按前文所述方式相互耦合。GMAW系统70还包括供气系统16，供气系统16含连接气体预混器72的独立气源。换言之，气体预混器72可耦合一个或多个保护气源74(比如气瓶)以及一个或多个含氟气源76(比如气瓶)。举例来说，气体预混器72可接收来自三个保护气源74(Ar、O2和CO2等)及来自两个含氟气源76(CF4和CF2Cl2等)的气流。气体预混器72可控制各单一气体的相对比例，根据自定义参数生成通过气体管道78输送给焊炬18的混合气流。在一个实施方式中，气体预混器72可以是独立装置，也可以是送丝机14或焊炬18的内置装置。在一个实施方式中，焊炬18可包含一个或多个传感器，用于监控焊接作业的参数，向气体预混器72提供反馈，以便在焊接系统70的作业过程中调节单一气体的相对浓度。
现在结合图4进行说明。图4的框图显示了GMAW系统90的另一个实施方式。具体而言，图4显示了本发明所述的焊接系统90的一些内部组件，焊接系统90可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与前文所述的实施方式类似，图4所示的实施方式包括焊接电源装置12、送丝机14、焊炬18和供气系统16。在所示的实施方式中，焊接电源装置12包括电源转换电路92，电源转换电路92接收交流电源94(交流电网、发电机组、或其组合等)的输入电源，经电缆96提供输出电源，使送丝机14通电，送丝机14再根据系统90命令向焊炬18供电。相应地，在某些实施方式中，电源转换电路92可包括变压器、整流器、开关等能够按系统90命令将交流输入电源转换成直流电极接正(DCEP)或直流电极接负(DCEN)输出的电路元件。在电缆夹26中成端的铅包电缆24耦合电源转换电路92和工件22，在焊接电源装置源12、工件22和焊炬18之间形成闭合电路。
焊接电源12还包括控制电路98，控制电路98配置为接收、处理焊接系统90所需的的多项性能和命令输入。控制电路98包括处理电路100和存储器102。存储器102可包括ROM、RAM、磁性存储器、光学存储器等易失性或非易失性存储器或其组合。此外，还可以将各种控制参数连同代码一起存入存储器102，代码经配置在作业过程中提供具体的输出(启动送丝、启用气流等)。处理电路100还接收来自用户界面104的一项或多项输入，用户可通过界面104选择所需的工艺参数和输出参数(电压、电流、脉冲焊状况、非脉冲焊状态等)。
根据接收自操作员的输入，控制电路98实施相应的操作，举例来说，通过传输给电源转换电路92的信号控制生成使焊丝执行所需焊接作业的焊接电源输出。根据这种控制命令，对电源转换电路92进行配置，生成最终应用于焊炬18处焊丝的输出电源。为此，如上文所述，可以使用各种电源转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等。此外，在图4所示的实施方式中，控制电路98还包括接口电路106，经配置在作业过程中连接送丝机14电子设备。接口电路106耦合处理电路100及送丝机14组件。此外，处理电路100通过耦合接口电路106的电缆108向送丝机14提供焊接作业相关控制信号。如前所述，焊接电源装置12和送丝机14通过电缆束20相互耦合，焊炬18通过电缆束28耦合送丝机14。
在所示的实施方式中，供气系统16经配置向送丝机14内的流量控制系统110供应保护气和含氟气。在所述的实施例中，供气系统16通过一根或多根保护气体管道112(管道束等)以及一根或多根含氟气体管道114(管道束等)单独向流量控制系统110输送气体。在另一个实施例中，供气系统16可耦合与图1所示的实施例类似的单个预混气源系统，可通过单根气体管道耦合气流控制系统。在所示的实施例中，流量控制系统110，正如图3所示的实施例中的预混器72，可耦合多个保护气源74和多个含氟气源76。举例来说，流量控制系统110可通过保护气体管道束112中的不同管道从两个保护气源74(Ar和CO2等)接收各气体流量，通过含氟气体管道束114中的不同管道从三个含氟气源(CF4、CF3Cl和F2等)接收气体流量，并且提供来自五个不同的气源的混合气流。需要理解的是，实施方式可以采用多个气体管道和气源。在另一个实施方式中，流量控制系统110接收、调节来自一个或多个保护气源74以及一个或多个含氟气源76的气流，并且单独向焊炬18输出气体(即通过不同的管道)，而不是把气体混在一起。另外，流量控制系统110包含多个阀门116及多个调节阀、流量传感器等元件，以调节穿过管道118到达焊炬18的进气流和出气流。
具体而言，在所述的实施方式中，保护气源74可包含Ar、He、CO2、O2或N2中的任何气体或其混合物。举例来说，保护气源74可以是100％CO2、约85％Ar/15％CO2组成的混合物、约75％Ar/24％CO2/1％O2组成的混合物、约95％CO2/5％N2组成的混合物、100％CO2等。含氟气源76可包含CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任何气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是1～5之间的任意值，n可以是1～18之间的任意值，p可以是0～18之间的任意值。举例来说，含氟气可以是CF4、CF2Cl2、CF3Cl、CF3H、C2F4H2、C2FCl3、C2F4H2、C2F6、C3F6Cl2或C4F7H3中的任何气体或其混合物。或者，举例来说，含氟气可以是约90％CF4/2％CF2Cl2组成的混合物、约90％CF3H/10％BF3组成的混合物、约85％C2F4/13％CF4/2％WF6组成的混合物等。在一个实施方式中，含氟气在气流控制系统110供给焊炬18的气体总流量中所占的比例约为0.5％～5.0％。在一个实施方式中，含氟气占气体总流量的比例小于1％、2％、3％、4％或5％左右。
如图4所示，除了流量控制系统110外，送丝机14还包括用户界面120，用于在送丝机14上设置系统参数(送丝速度、工艺、选定电流、电压或功率级、保护气/含氟气相对浓度和流量等)。同样地，用户界面120耦合控制器122，以便根据操作员的选择控制送丝速度，并且允许通过接口电路106将这些设置反馈给电源12。控制器122还根据自定义设置控制流量控制系统116，调节各种单一气体的相对比例和流量，以生成所需的混合气体流量，通过气体管道118输送给焊炬18。如上所述，在一个实施方式中，流量控制系统116通过多根气体管道118分别输送保护气和含氟气。
送丝机14还包括用于向焊炬18送丝从而再向焊接应用送丝的组件，这些组件受控制器122的控制。举例来说，焊丝126的一个或多个124(卷筒等)供丝器124设于送丝机14内。送丝机驱动装置128从卷筒124上拉出焊丝126，并且逐渐向焊炬18输送焊丝126。为此，送丝机驱动装置128可包括适当配置的电路、电机、辊子等组件，以形成适当的送丝。举例来说，在一个实施方式中，送丝机驱动装置128包括送丝电机，送丝电机啮合送丝辊，将焊丝从送丝机14推向焊炬18。焊接电源装置12提供的电源一般通过电缆96应用于送丝。
在所示的实施方式中，焊炬18包括控制开关130、焊丝输送组件132及气体输送组件134。在焊接系统的作业过程中，可经过电缆束28将焊丝送往焊炬18。可以在焊炬18中设置附加牵引电机及相关驱动辊等附加焊丝输送组件132。牵引电机可进行调节形成理想的送丝速度。另外，还可以在焊炬18中设置气体输送组件134(喷头、控制阀、气体扩散器等)，以控制、引导通过气体管道118接收的保护气/含氟气混合物流量。焊炬还可包括控制开关130，控制开关130通过控制线136耦合送丝机14中的控制器122，控制线136向控制器122提供信号，使操作员得以开始和结束焊接工艺。开始/结束信号从控制器122传播到流量控制系统110和焊接电源装置12。相应地，控制开关130激活以后，保护气/含氟气开始流动，焊丝向前推进，电源用于推动焊丝。
在另一个实施例中，焊炬18还包括一个或多个耦合送丝机14控制器122的传感器。在作业过程中，可对传感器进行配置，测量一个或多个指示焊接环境的焊炬16参数。为此，一个或多个传感器(热传感器、气流传感器、化学传感器、光学传感器等)能在整个焊接作业过程中连续地或按所需间隔测量所需参数。传感器获取相关数据后，将数据传输给送丝机14中的控制器122，使控制器122在系统作业过程中调节焊接系统参数(保护气/含氟气浓度和流量、送丝速度、电弧电压和电流等)。
含氟气输送到焊炬18后，发生图5所示的实施方式所述的系列事件，以清除焊缝中的扩散氢。图5所示流程138的第一步是将含氟气引入焊炬18接触端的电弧32(方框140)。电弧32内部及周围条件，即高压和高温环境开始打破含氟气化学键，释放(方框142)出分子中的活性反应组分。在本文中，活性反应组分可以是含氟气体分解产生的任何残余自由基(F·、CF3·、Cl·等)或离子(CF3+、F‑、Cl‑等)或其组合。释放出来的活性反应组分渗入(方框144)焊池中的熔融金属。在一个实施例中，一部分含氟气在活性反应组分被释放前进入焊池。无论何时释放，焊池中释放的活性反应组分与溶于焊池的扩散氢键合(方框146)，进行反应，生成产品气体(HF、HCl、CF3H等)。由于产品气体在熔融金属中的溶解度大于氢气，因此产品气体可在焊缝冷却前或冷却过程中从焊池中释放(方框148)出来，从而降低焊缝中的扩散氢含量。请注意，释放的活性反应组分也能在到达焊池前与电弧中的氢发生反应，预先降低焊池中的氢含量。
需要注意的是，氟原子在图5所示实施方式中的氟基气体中扮演两种角色。第一，氟基气体分解产生F‑和F·等非常适合与沉积或组成焊缝金属的扩散氢发生反应的活性反应组分。然而，第二，氟原子在氟基气体分子结构中更微妙的角色是对CF3+等也能与焊缝中的扩散氢发生反应的其他活性反应组分进行电子稳压。
为了说明如何按本文所述的方法用含氟气体减少扩散氢含量，图6显示了本发明一个实施方式之扩散氢162与含氟气在输送给焊炬的气体总流量164中的相对浓度比较图160。如图6所示，一般情况下，焊缝金属中的扩散氢含量随着含氟气相对浓度的上升而下降。含氟气166达到一定的相对浓度以后，如再增加含氟气的相对浓度则会在焊缝金属中的扩散氢逐渐接近轴线(即零)时产生收益递减。举例来说，使用相对浓度为0.1％～5％的CF4能最大程度地减少扩散氢，如图160中带第一坡度的部分168所示。但是，相对浓度在5％～10％之间的CF4只能在较小的程度上减少焊缝金属中的扩散氢含量，如图160中带第二坡度(小于第一坡度)的部分170所示。相对浓度10％以上的CF4几乎或完全不能改变焊缝金属中的扩散氢，如图160中带第三个坡度(小于第二坡度)的部分172。
虽然本文仅介绍了本发明的某些特性，但是本领域的技术人员还能实现多种修改和变化。因此，需要理解的是，在不偏离本发明真实精神的前提下所作的全部该等修改和变化均属于所附权利要求书的保护范围。

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1、(10)申请公布号 CN 102939180 A(43)申请公布日 2013.02.20CN102939180A*CN102939180A*(21)申请号 201180028727.5(22)申请日 2011.04.0561/322,604 2010.04.09 US13/079,521 2011.04.04 USB23K 9/16(2006.01)B23K 9/173(2006.01)B23K 35/38(2006.01)(71)申请人伊利诺斯工具制品有限公司地址美国伊利诺伊州(72)发明人史蒂芬巴霍斯特马里奥阿马塔约瑟夫C邦迪(74)专利代理机构上海脱颖律师事务所 31259代理人脱颖(。

2、54) 发明名称减少焊缝金属中扩散氢的系统和方法(57) 摘要本发明大体上涉及电弧焊。在一个实施方式中，焊接系统带焊接气体供应系统，供气系统经配置向焊池提供包括保护气和含氟气的气流。另外，保护气经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池中的扩散氢，含氟气基本不含硫。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2012.12.07(86)PCT申请的申请数据PCT/US2011/031278 2011.04.05(87)PCT申请的公布数据WO2011/127072 EN 2011.10.13(51)Int.Cl.权利要求书2页说明书7页附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局。

3、(12)发明专利申请权利要求书 2 页说明书 7 页附图 3 页1/2页21.一种焊接气体组分，包括：保护气，经配置控制焊池周围的环境；及含氟气，经配置减少焊池中的扩散氢含量，其特征在于含氟气基本不含硫。2.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为0.1-10左右的含氟气。3.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为约5以下的含氟气。4.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于焊接气体组分包括体积百分比为约2以下的含氟气。5.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气包括碳基含氟气。6.权利要求5所述的焊接气体组分，其特征在于碳基。

4、含氟气包括四氟化碳。7.权利要求5所述的焊接气体组分，其特征在于碳基含氟气包括分子式为CmFnXp的任何气体，其中X可以是氢原子或氯原子，m可以是1-5之间的任意值，n可以是1-18之间的任意值，p可以是0-18之间的任意值。8.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气是氟气。9.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于含氟气是氮基气、硅基气、钨基气中的任何气体或其组合。10.权利要求1所述的焊接气体组分，其特征在于保护气包括氩气、氦气、二氧化碳、氧气或其组合。11.一种方法，包括：控制流向焊池的第一含氟气流，减少焊池中的扩散氢，其特征在于含氟气是碳基含氟气。12.权利要求11所述的方法。

5、，其特征在于碳基含氟气包括分子式为CmFnXp的任何气体，其中X可以是氢原子或氯原子，m可以是1-5之间的任意值，n可以是1-18之间的任意值，p可以是0-18之间的任意值。13.权利要求11所述的方法，其特征在于碳基含氟气包括四氟化碳。14.权利要求11所述的方法，包括控制流向焊池的第二保护气流，从而控制焊池周围的环境。15.权利要求14所述的方法，包括控制第一气流和第二气流的比例。16.权利要求15所述的方法，包括混合第一气流和第二气流，在焊池上游生成气体混合物。17.权利要求16所述的方法，其特征在于气体混合物包括约10(体积百分比)以下的含氟气。18.一种焊接系统，包括：焊接气体供应系。

6、统，经配置向焊池提供包含保护气和含氟气的气流，其特征在于保护气经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池中的扩散氢，含氟气基本不含硫。19.权利要求18所述的焊接系统，其特征在于含氟气包括四氟化碳，气流包括体积百分比为约10以下的四氟化碳。20.权利要求18所述的焊接系统，其特征在于焊接气体供应系统包括气体预混器，预权利要求书CN 102939180 A2/2页3混器经配置混合第一保护气流和第二含氟气流。权利要求书CN 102939180 A1/7页4减少焊缝金属中扩散氢的系统和方法0001 相关申请的交叉引用0002 本项申请主张2010年4月9日提出的申请号为61/32。

7、2604的美国临时专利申请案减少焊缝扩散氢焊接金属中扩散氢的方法及2011年4月4日提出的申请号为13/079521的美国专利申请案减少焊缝扩散氢焊接金属中扩散氢焊接金属中扩散氢的系统和方法的优先权，上述两项申请案以引用的方式全部并入本文。背景技术0003 本发明大体上涉及电弧焊，具体涉及有关保护气体的电弧焊。0004 焊接已成为各行各业广泛使用的作业工艺，举例来说，焊接常用于造船、飞机维修、建筑等领域。气体保护金属极弧焊(GMAW)、气体保护通量核心弧焊(FCAW-G)和气体保护钨极电弧焊(GTAW)等焊接技术采用保护气体在焊接过程中在焊弧和焊池内部及周围形成特殊的局部环境。举例来说，常用保。

8、护气体包括氩气、二氧化碳、氦气和氧气。可以选择保护气体和保护气体混合物来控制电弧稳定性、金属氧化物的形成及金属表面可润湿能力等。0005 焊接过程中及焊接结束后焊缝中的扩散氢含量是钢材相关焊接应用的问题之一。在焊接作业过程中，氢可通过各种输入源，包括大气中的水分、金属表面、焊条或保护气体以及油类、润滑油等金属表面涂层或焊丝进入焊缝。在焊接过程中，氢极易溶解于接触高温的钢材；随着焊缝的逐渐冷却，氢在钢材中的可溶性慢慢降低，乃至从溶液中析出，使氢聚集在焊缝金属的间断点和晶界，导致焊缝内部出现局部高压区和高应变区。高压区和高应变区可使焊缝变脆、产生裂纹，最终导致焊缝开裂。0006 限制焊缝扩散氢的方。

9、法之一是对金属进行预加热，举例来说，以限制焊接作业过程中金属表面出现的水分含量，并且/或者通过调节金属的冷却速度更好地控制金属微结构。预热法常用于厚钢板或高强度钢的焊接作业。但是，为了降低氢致开裂的可能性，制造商必须承担与预热钢相关的很高的成本(能源、设备、时间等)。发明内容0007 本发明的一个实施方式提供了一种焊接气体，其组分包括配置为控制焊池周围大气的保护气体和配置为减少焊池中扩散氢的氟气(经配置减少焊池内的可扩散氢)。另外，含氟气基本不含硫。0008 本发明的另一个实施方式提供了一种方法，包括对流向焊池的第一含氟气流量进行控制，以减少焊池中的扩散氢，其中，含氟气是碳基含氟气。0009 。

10、本发明的另一个实施方式提供了一种焊接系统，该焊接系统具有焊接气体供应系统，经配置向焊池提供气流，气流包括保护气和含氟气。另外，保护气体经配置控制焊池周围的环境，含氟气经配置减少焊池内的扩散氢，含氟气基本不含硫。附图说明说明书CN 102939180 A2/7页50010 下面结合附图及详细说明对本发明的上述及其他特征、方面和优势作进一步说明。所有附图均以类似的字符表示类似部分，其中：0011 图1为本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于预混保护气和含氟气；0012 图2为本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于单独向焊炬提供保护气和含氟气；0013 图3为。

11、本发明实施方式所述的焊接系统框图，该焊接系统带气源，用于提供并混合保护气和含氟气；0014 图4为本发明实施方式所述焊接系统的内部电路框架，该焊接系统带气源，用于提供保护气和含氟气；0015 图5为本发明实施方式所述步骤的流程图，据信这些步骤为从运用含氟气的焊缝金属中消除扩散氢所需的步骤；以及0016 图6的曲线图显示了焊缝中的扩散氢随着含氟气浓度(与保护气浓度相对)的上升而下降的总体趋势。具体实施方式0017 下面介绍本发明的一个或多个具体实施例。为了对实施例进行简明、扼要的说明，本文不一定介绍实际实施例的全部特征。需要理解的是，在工程或设计项目中实际开发实施例时，为了达到开发商的具体目标，。

12、比如，满足系统相关及业务相关限制条件，必须做出各种实施性决策，这种决策因实施方式而异。还需要理解的是，开发工作虽然可能复杂且耗时，但对于从本发明中受益的普通技术人员而言也不过是日常的设计、制作和生产任务。0018 介绍本发明各种实施例的元件时所用的冠词“一”、“这”、“该”及“所述”表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”及“具有”指包括，表示可能还有所列元件以外的附加元件。0019 本文将介绍用含氟气减少焊缝焊接金属中扩散氢含量的焊接系统之实施例，具体参见下文。需要理解的是，虽然本文具体围绕气体保护金属极弧焊(GMAW)进行了说明，但是本文所述的含氟气的加入可使所有力求减少焊缝中扩散氢的。

13、焊接工艺受益。同样地，虽然本文公开的实施例可直接应用于涉及保护气的焊接工艺，但是，正如本文所述的那样，也可以在其他焊接工艺(埋弧焊(SAW)及一般不使用保护气的自动保护金属极电弧焊(SMAW)中用含氟气减少焊缝金属中的扩散氢。0020 在本文中，含氟气指一个气体分子中至少含一个氟原子的单一气体或气体混合物。例如，含氟气可以是四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、三氟氯甲烷(CF3Cl)等碳基气体，或者三氟化氮(NF3)、三氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟(F2)、六氟化钨(WF6)等无机气体或其混合物。在本文中，保护气体指惰性或半惰性保护气体，例如，氩气(Ar)、氦气(He)、二。

14、氧化碳(CO2)、氧气(O2)、氮气(N2)等或其混合物。举例来说，保护气体包括Ar以及Ar/CO2混合物和Ar/CO2/O2混合物。另外，除非另有说明，否则本文的气体混合物百分比均指体积百分比。0021 总体而言，本发明所述焊接系统之供气系统的一个实施例采用对保护气和含氟气进行预混的单一气源。在另一个实施例中，供气系统使用多个气源，保护气和含氟气分别输说明书CN 102939180 A3/7页6送到焊炬，在焊接过程中在电弧处或其附近混合。在另一个实施例中，供气系统使用多个气源，保护气和含氟气分别输送到预混装置，在焊炬上游混合在一起。0022 总体而言，本发明所述的实施例提供了一种有效减少。

15、焊缝中扩散氢含量的方法，这种方法的成本远远低于其他方法，包括上述预热法。需要理解的是，可结合预热法使用本发明所述的实施例，对焊缝中的扩散氢含量产生组合效应，降低既定焊接作业所用的标准预热量(或预热程度)。请注意，本发明所述的实施例使用的是含氟气体而不是含氟固体。含氟气具有焊丝选择灵活性大，焊接作业过程飞溅少等优势。0023 现在结合附图进行说明。图1显示了本发明所述的气体保护金属极弧焊(GMAW)系统10的一个实施例，系统10可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。系统10包括焊接电源装置12、送丝机14、供气系统16及焊炬18。焊接电源装置12向焊接系统10供电，可通过电缆束20耦合到送丝机14，。

16、也可以通过带电缆夹26的铅包电缆24耦合到工件22。在所示的实施例中，送丝机14通过电缆束28耦合焊炬18，以便在作业过程中向焊接系统10输送焊丝和电源。在另一个实施例中，电源装置12耦合焊炬18，直接供电给焊炬。0024 在所述的实施例中，焊接系统10包括供气系统16，供气系统16向焊炬18供应预混保护气和含氟气流。在所述的实施例中，供气系统16通过气体管道30直接耦合焊炬18。在另一个实施例中，供气系统16耦合送丝机14，送丝机14可调节供气系统16至焊炬18的供气流量。所示焊炬18接收来自焊丝装置14的焊丝和电源，来自供气系统16的预混气流。在作业过程中，可将焊炬18移至工件22附近，以。

17、便在焊炬18和工件22之间形成电弧32。0025 所示焊接系统10的供气系统16包括预混气源34，其中保护气和含氟气，举例来说，可以存储在同一气瓶中。举例来说，供气系统16可以是包括内含95左右保护气及5左右含氟气的单一气瓶。具体而言，气瓶可包含约由70Ar、25CO2和5CF4组成的混合物。在另一个实施例中，预混气源32可包含约由73.5Ar、24.5CO2和2SiF4组成的混合物。保护气可以是Ar、He、CO2、O2或N2中的任何气体或其混合物。含氟气可以是CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任何气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是15之间。

18、的任意值，n可以是118之间的任意值，p可以是018之间的任意值。例如，含氟气可以是CF4、CF3Cl、CF2H2、CFCl3、C2F6、C2F4、C2F5Cl、C2F4H2、C3F7H或C4F10中的任何气体或其混合物。含氟气占气体总流量的比例可以是0.110之间的任意值(例如，0.2、0.75、1、1.5、2、2.5、3、4、4.5、5.5、6、7、8、9、10等)。在一个实施例中，含氟气在供给焊炬18的气体总流量中所占的比例在0.55左右。在一个实施例中，含氟气占气体总流量的比例小于1、2、3、4或5左右。0026 控制含氟气中的原子碳、氢、氟和氯的相对量以及供给焊炬的保护气/含氟气混合。

19、物可调整焊接作业参数。例如，焊接对扩散氢的存在特别敏感的金属时，可采用较大的含氟气相对浓度(比如，气体总流量的510)最大程度地清除扩散氢。举例来说，在使用碳基含氟气的情况下，含氟气的碳数量越多(即m值越大)，形成的焊缝中的碳含量越大，不仅有利于满足某些钢材应用的需求，还能减少扩散氢含量。又如，在使用碳基含氟气时，就跟在保护气中加入氢一样，含氢(即X是氢原子，p大于0)含氟气有益于改善电弧性能，包括提高电弧温度及电弧在工件中的熔透度等，同时还能限制可能在焊接作业中进入焊接金属的氢含量。说明书CN 102939180 A4/7页70027 然而，并非所有含氟气体适用于涉及特殊金属的应用。举例。

20、来说，虽然六氟化硫(SF6)可以作为保护气的添加剂减少焊缝中的扩散氢含量，但是某些金属(钢材等)与SF6并不相容，因为焊接结束后残留在焊缝中的硫(硫化铁)会在焊缝凝固时偏析，引起开裂。因此，本发明所述实施例的含氟气基本不含硫。0028 在某些实施例中，供气系统16宜通过不同的气源输送保护气和含氟气。举例来说，含O2或CO2的保护气与含氟气，如一起存储的话可能在某些条件下发生反应，致使化学作用发生很大的变化，弱化混合气体屏蔽及/或清除扩散氢的效力。出于这种考虑，图2所示的GMAW系统50的另一个实施例用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与图1所示的实施例类似，焊接系统50实施例包括焊接电源装置12、送。

21、丝机14及焊炬18，三者按上文所述方式相互耦合。0029 在所示的实施例中，GMAW系统50还包括供气系统16，供气系统16含保护气源52和含氟气源54(比如气瓶)，两个气源分别含一种气体，通过独立的气体管道56和58分别向焊炬18供气。在一个实施例中，焊炬18包含预混区，在保护气流和含氟气流出焊炬18前混合这两种气体。在另一个实施例中，保护气和含氟气保持独立(即穿过焊炬18中独立的气体管道)，直至到达电弧32附近时合并，以便可以对离开焊炬18的混合气体中的不同部分(例如，中心区与外区)的保护气和含氟气的相对浓度进行控制。举例来说，电弧34处焊炬18气流中的含氟气中心气流大致被保护气流所包围，。

22、反之亦然。0030 在图2所示的实施例中，保护气源可包含Ar、He、CO2、O2或N2中的任意气体或其混合物。举例来说，保护气源可以是100Ar，约75Ar/25CO2组成的混合物、约75Ar/23CO2/2O2组成的混合物、约95Ar/5O2组成的混合物、100CO2等。含氟气源可包含CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任意气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是15之间的任意值，n可以是118之间的任意值，p可以是018之间的任意值。举例来说，含氟气可以是CF4、CF2Cl2、CF3Cl、CF3H、C2F4Cl2、C2F2Cl2、C2F5H、C。

23、2F4H2、C3F7Cl或C4F8H2中的任意气体或其混合物。或者，含氟气可以是约98CF4/2F2组成的混合物、约90CF3Cl/10NF3组成的混合物、约80C2F4/10CF4/10CF3Cl组成的混合物等。在一个实施例中，含氟气在供给焊炬18的气体总流量中所占的比例约为0.55。在一个实施例中，含氟气占气体总流量的比例小于1、2、3、4或5左右。0031 对于某些实施例，宜从不同的气源向气体预混装置输送保护气和含氟气，以提高混合过程的控制程度。为此，图3所示的本发明所述的另一个实施例GMAW系统70可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与图1和图2所示的实施例类似，图3所示的GMAW系统7。

24、0之实施方式包括焊接电源装置12、送丝机14和焊炬18，三者按前文所述方式相互耦合。GMAW系统70还包括供气系统16，供气系统16含连接气体预混器72的独立气源。换言之，气体预混器72可耦合一个或多个保护气源74(比如气瓶)以及一个或多个含氟气源76(比如气瓶)。举例来说，气体预混器72可接收来自三个保护气源74(Ar、O2和CO2等)及来自两个含氟气源76(CF4和CF2Cl2等)的气流。气体预混器72可控制各单一气体的相对比例，根据自定义参数生成通过气体管道78输送给焊炬18的混合气流。在一个实施方式中，气体预混器72可以是独立装置，也可以是送丝机14或焊炬18的内置装置。在一个实施方式。

25、中，焊炬18可包含一个或多个传感器，用于监控焊接作业的参数，向气体预混器72提供反说明书CN 102939180 A5/7页8馈，以便在焊接系统70的作业过程中调节单一气体的相对浓度。0032 现在结合图4进行说明。图4的框图显示了GMAW系统90的另一个实施方式。具体而言，图4显示了本发明所述的焊接系统90的一些内部组件，焊接系统90可采用含氟气流减少焊缝中的扩散氢。与前文所述的实施方式类似，图4所示的实施方式包括焊接电源装置12、送丝机14、焊炬18和供气系统16。在所示的实施方式中，焊接电源装置12包括电源转换电路92，电源转换电路92接收交流电源94(交流电网、发电机组、或其组合等。

26、)的输入电源，经电缆96提供输出电源，使送丝机14通电，送丝机14再根据系统90命令向焊炬18供电。相应地，在某些实施方式中，电源转换电路92可包括变压器、整流器、开关等能够按系统90命令将交流输入电源转换成直流电极接正(DCEP)或直流电极接负(DCEN)输出的电路元件。在电缆夹26中成端的铅包电缆24耦合电源转换电路92和工件22，在焊接电源装置源12、工件22和焊炬18之间形成闭合电路。0033 焊接电源12还包括控制电路98，控制电路98配置为接收、处理焊接系统90所需的的多项性能和命令输入。控制电路98包括处理电路100和存储器102。存储器102可包括ROM、RAM、磁性存储器、光。

27、学存储器等易失性或非易失性存储器或其组合。此外，还可以将各种控制参数连同代码一起存入存储器102，代码经配置在作业过程中提供具体的输出(启动送丝、启用气流等)。处理电路100还接收来自用户界面104的一项或多项输入，用户可通过界面104选择所需的工艺参数和输出参数(电压、电流、脉冲焊状况、非脉冲焊状态等)。0034 根据接收自操作员的输入，控制电路98实施相应的操作，举例来说，通过传输给电源转换电路92的信号控制生成使焊丝执行所需焊接作业的焊接电源输出。根据这种控制命令，对电源转换电路92进行配置，生成最终应用于焊炬18处焊丝的输出电源。为此，如上文所述，可以使用各种电源转换电路，包括斩波器、。

28、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等。此外，在图4所示的实施方式中，控制电路98还包括接口电路106，经配置在作业过程中连接送丝机14电子设备。接口电路106耦合处理电路100及送丝机14组件。此外，处理电路100通过耦合接口电路106的电缆108向送丝机14提供焊接作业相关控制信号。如前所述，焊接电源装置12和送丝机14通过电缆束20相互耦合，焊炬18通过电缆束28耦合送丝机14。0035 在所示的实施方式中，供气系统16经配置向送丝机14内的流量控制系统110供应保护气和含氟气。在所述的实施例中，供气系统16通过一根或多根保护气体管道112(管道束等)以及一根或多根含氟气体管道114(管道。

29、束等)单独向流量控制系统110输送气体。在另一个实施例中，供气系统16可耦合与图1所示的实施例类似的单个预混气源系统，可通过单根气体管道耦合气流控制系统。在所示的实施例中，流量控制系统110，正如图3所示的实施例中的预混器72，可耦合多个保护气源74和多个含氟气源76。举例来说，流量控制系统110可通过保护气体管道束112中的不同管道从两个保护气源74(Ar和CO2等)接收各气体流量，通过含氟气体管道束114中的不同管道从三个含氟气源(CF4、CF3Cl和F2等)接收气体流量，并且提供来自五个不同的气源的混合气流。需要理解的是，实施方式可以采用多个气体管道和气源。在另一个实施方式中，流量控制系。

30、统110接收、调节来自一个或多个保护气源74以及一个或多个含氟气源76的气流，并且单独向焊炬18输出气体(即通过不同的管道)，而不是把气体混在一起。另外，流量控制系统110包含多个阀门116及说明书CN 102939180 A6/7页9多个调节阀、流量传感器等元件，以调节穿过管道118到达焊炬18的进气流和出气流。0036 具体而言，在所述的实施方式中，保护气源74可包含Ar、He、CO2、O2或N2中的任何气体或其混合物。举例来说，保护气源74可以是100CO2、约85Ar/15CO2组成的混合物、约75Ar/24CO2/1O2组成的混合物、约95CO2/5N2组成的混合物、100CO2。

31、等。含氟气源76可包含CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6中的任何气体或其混合物。对于CmFnXp、X可以是氢原子或氯原子，m可以是15之间的任意值，n可以是118之间的任意值，p可以是018之间的任意值。举例来说，含氟气可以是CF4、CF2Cl2、CF3Cl、CF3H、C2F4H2、C2FCl3、C2F4H2、C2F6、C3F6Cl2或C4F7H3中的任何气体或其混合物。或者，举例来说，含氟气可以是约90CF4/2CF2Cl2组成的混合物、约90CF3H/10BF3组成的混合物、约85C2F4/13CF4/2WF6组成的混合物等。在一个实施方式中，含氟气在气流控制系统110供。

32、给焊炬18的气体总流量中所占的比例约为0.55.0。在一个实施方式中，含氟气占气体总流量的比例小于1、2、3、4或5左右。0037 如图4所示，除了流量控制系统110外，送丝机14还包括用户界面120，用于在送丝机14上设置系统参数(送丝速度、工艺、选定电流、电压或功率级、保护气/含氟气相对浓度和流量等)。同样地，用户界面120耦合控制器122，以便根据操作员的选择控制送丝速度，并且允许通过接口电路106将这些设置反馈给电源12。控制器122还根据自定义设置控制流量控制系统116，调节各种单一气体的相对比例和流量，以生成所需的混合气体流量，通过气体管道118输送给焊炬18。如上所述，在一个实施。

33、方式中，流量控制系统116通过多根气体管道118分别输送保护气和含氟气。0038 送丝机14还包括用于向焊炬18送丝从而再向焊接应用送丝的组件，这些组件受控制器122的控制。举例来说，焊丝126的一个或多个124(卷筒等)供丝器124设于送丝机14内。送丝机驱动装置128从卷筒124上拉出焊丝126，并且逐渐向焊炬18输送焊丝126。为此，送丝机驱动装置128可包括适当配置的电路、电机、辊子等组件，以形成适当的送丝。举例来说，在一个实施方式中，送丝机驱动装置128包括送丝电机，送丝电机啮合送丝辊，将焊丝从送丝机14推向焊炬18。焊接电源装置12提供的电源一般通过电缆96应用于送丝。0039 在。

34、所示的实施方式中，焊炬18包括控制开关130、焊丝输送组件132及气体输送组件134。在焊接系统的作业过程中，可经过电缆束28将焊丝送往焊炬18。可以在焊炬18中设置附加牵引电机及相关驱动辊等附加焊丝输送组件132。牵引电机可进行调节形成理想的送丝速度。另外，还可以在焊炬18中设置气体输送组件134(喷头、控制阀、气体扩散器等)，以控制、引导通过气体管道118接收的保护气/含氟气混合物流量。焊炬还可包括控制开关130，控制开关130通过控制线136耦合送丝机14中的控制器122，控制线136向控制器122提供信号，使操作员得以开始和结束焊接工艺。开始/结束信号从控制器122传播到流量控制系统1。

35、10和焊接电源装置12。相应地，控制开关130激活以后，保护气/含氟气开始流动，焊丝向前推进，电源用于推动焊丝。0040 在另一个实施例中，焊炬18还包括一个或多个耦合送丝机14控制器122的传感器。在作业过程中，可对传感器进行配置，测量一个或多个指示焊接环境的焊炬16参数。为此，一个或多个传感器(热传感器、气流传感器、化学传感器、光学传感器等)能在整个焊接作业过程中连续地或按所需间隔测量所需参数。传感器获取相关数据后，将数据传输给送说明书CN 102939180 A7/7页10丝机14中的控制器122，使控制器122在系统作业过程中调节焊接系统参数(保护气/含氟气浓度和流量、送丝速度、电。

36、弧电压和电流等)。0041 含氟气输送到焊炬18后，发生图5所示的实施方式所述的系列事件，以清除焊缝中的扩散氢。图5所示流程138的第一步是将含氟气引入焊炬18接触端的电弧32(方框140)。电弧32内部及周围条件，即高压和高温环境开始打破含氟气化学键，释放(方框142)出分子中的活性反应组分。在本文中，活性反应组分可以是含氟气体分解产生的任何残余自由基(F、CF3、Cl等)或离子(CF3+、F-、Cl-等)或其组合。释放出来的活性反应组分渗入(方框144)焊池中的熔融金属。在一个实施例中，一部分含氟气在活性反应组分被释放前进入焊池。无论何时释放，焊池中释放的活性反应组分与溶于焊池的扩散氢键合。

37、(方框146)，进行反应，生成产品气体(HF、HCl、CF3H等)。由于产品气体在熔融金属中的溶解度大于氢气，因此产品气体可在焊缝冷却前或冷却过程中从焊池中释放(方框148)出来，从而降低焊缝中的扩散氢含量。请注意，释放的活性反应组分也能在到达焊池前与电弧中的氢发生反应，预先降低焊池中的氢含量。0042 需要注意的是，氟原子在图5所示实施方式中的氟基气体中扮演两种角色。第一，氟基气体分解产生F-和F等非常适合与沉积或组成焊缝金属的扩散氢发生反应的活性反应组分。然而，第二，氟原子在氟基气体分子结构中更微妙的角色是对CF3+等也能与焊缝中的扩散氢发生反应的其他活性反应组分进行电子稳压。0043 为。

38、了说明如何按本文所述的方法用含氟气体减少扩散氢含量，图6显示了本发明一个实施方式之扩散氢162与含氟气在输送给焊炬的气体总流量164中的相对浓度比较图160。如图6所示，一般情况下，焊缝金属中的扩散氢含量随着含氟气相对浓度的上升而下降。含氟气166达到一定的相对浓度以后，如再增加含氟气的相对浓度则会在焊缝金属中的扩散氢逐渐接近轴线(即零)时产生收益递减。举例来说，使用相对浓度为0.15的CF4能最大程度地减少扩散氢，如图160中带第一坡度的部分168所示。但是，相对浓度在510之间的CF4只能在较小的程度上减少焊缝金属中的扩散氢含量，如图160中带第二坡度(小于第一坡度)的部分170所示。相对浓度10以上的CF4几乎或完全不能改变焊缝金属中的扩散氢，如图160中带第三个坡度(小于第二坡度)的部分172。0044 虽然本文仅介绍了本发明的某些特性，但是本领域的技术人员还能实现多种修改和变化。因此，需要理解的是，在不偏离本发明真实精神的前提下所作的全部该等修改和变化均属于所附权利要求书的保护范围。说明书CN 102939180 A10。

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