焊接方法 本发明涉及在中等厚度壁部的到厚壁部的工件如碳钢管和配件之间，用自动式钨电极惰性气体保护焊(GTAW)设备对焊斜面型开放根部接头的方法。
实际上，当前在生产中或工业中实行的各种焊接，都是依据公认的专用团体、政府部门的与工业部门的团体和机构、商业协会和试验鉴定机构等确定的各种标准规则进行的。这种“规则”焊接是严谨的，同时是在焊接现场或生产地点通过执行检验工序作严格监控的。
工件例如导管的对焊预加工端的处理本身已基本上标准化并受到众多地规则技术要求的制约。GTAW已广泛用于种种工件的如管道、凸缘和配件的预加工端部的对焊，工业标准已规定了这类用于不等厚度的各种工件的端部预加工要求以及其它焊接参数。
在GTAW设备中，于进行焊接的同时给焊区供应适当的保护气体，以从气体电离获得所需的焊接效应，同时保护焊接熔地免受氧气和其它活性气体以及不利于此熔融态焊接金属的污染物的影响，直至此熔融态焊接金属固化。钨(非消耗性)电极被用来在此电极和工件的基料金属之间，借助周知的方式通过电极接触端将电能输入工件和从工件输出，形成并保护焊弧。在整个焊接过程中给焊区这样地提供气体保护，即通常是通过电极邻近或周围的保护气体杯或其它导管将这些气体流导向焊区，使得整个焊接熔地区为适当的保护气氛笼罩。所用的典型保护气体包括氩气和氦气，它们是惰性的，单独使用或使用其与略具活性的气体如二氧化碳、氮气与氢气构成的各种混合物。混有惰性气体如氩气的氢还用于某些用氢产生的问题(例如碳钢的焊缝多孔或氢蚀致脆)无关紧要的情形，以及对于一定的弧光电流希望提高焊透深度的情形。在用于薄壁不锈钢GTAW时，典型的氩/氢混合气体包括95％的氩和54％的氢。95％的氩和5％的氢(“95/5”)的混合物通常在容器包装中用作GTAW标准的保护气体。
一般而论，氩-氢混合气体限于GTAW用在不锈钢、镍-铜和镍基合金的情形，不推荐用于碳钢焊接，至少在美国是如此，这是由于担心焊区中的氢蚀致脆。另一方面，已知可让碳钢焊缝经受加热处理来消除由于保护气体中有氢存在而引入焊缝中的残留氢或是由其它来源而存在于焊区中的氢被引入到焊缝中的残留氢。但这种从焊缝中除氢的方法是一种高成本的和耗时的方法，这是因为将焊缝保持于加热状态下要经过一段时间，还由于加热处理会引起冶金学方面的一些问题，通常是不希望这种处理的。根据规则的焊接程序，必须严格地避免因保护气体中存在的氢而在焊缝中形成多孔结构以及氢蚀致脆效应。
GTAW方法通常涉及要给焊区供给直径不等的丝状形式的填料，而且这类填料的冶金成分应同基料金属相配且符合规则标准。
当前，自动化的GTAW设备也可购到，它实际上能根据对于特殊的对焊接头考虑到工件的几何构型、所涉及的冶金学问题、所用的端部预加工、实行的具体焊接通道(例如振或填料)、保护气体、填料金属和其它变量例如焊接取向等所专门编写的计算机程序，使GTAW过程自动进行。这种程序通常对各个焊接通道调节电压、电流、进给速率、沉积的填料、保护气体流以及电极的摆动，以便不由手工输入焊接程序来保证满足所有技术要求的可重复的规则焊接作业。但是，为了使自动式GTAW设备能正常工作，对焊的两端需作均匀的预加工以便把上述程序编写成能实行连贯的焊接程序，而不会有无法预测的参数从一个焊接程序进到下一个焊接程序。当前已有完整的工业体系在生产和销售自动式GTAW设备，并且有可用于绝大多数GTAW过程的“已存的”或“现有的”程序。
尽管自动式GTAW设备处于高度发展状态，但在确立这里所描述的本发明之前，仍有一个必须解决的常受抱怨的问题。管道与配件工业部门业已确立了标准化的斜面端部预加工要求，在要对焊各端上，对于总的焊接接头夹角为75°时，采用37.5°的斜面。这种类型的端部预加工，如图1所示，对绝大多数气焊和电弧焊来说能良好地工作，但对于自动或GTAW应用于中等厚度壁部至厚壁部的管道和配件来说，特别是在碳钢的情形，则会出现特殊的问题。
GTAW方法的工业技术标准对上述这种工件要求有“J型预加工”构型，用以保证在焊缝的根区有良好的根部焊道的焊透深度、保证合适的焊珠不会“倒吸”焊接熔地而造成根部焊道的焊缝补强不良，同时保证输入到焊缝的总热量可与基体金属的冶金学相匹配。
在某些情形下，在相互接触(闭合的根部)的同时焊合对接的端部或要是焊缝收缩而在焊件或基体金属中产生应力或应变时，就会在J型预加工构型的两轴向突出焊接区之间留下适当的空间或空隙。图3中例如示明了用于中等厚度壁部到厚壁部管的典型规格的J型预加工构型。
于是就提出了这样的问题，即如何运用自动式GTAW设备在工件上两个标准斜面端部的预加工构型间来焊接中等厚度的到厚的对接焊缝，而不需重新构制需进行对接焊的标准斜面端部并能提高自动式GTAW设备的实用性。
业已发现，企图将自动式GTAW设备以典型的GTAW程序用在中等程度到厚的名义壁厚不锈钢或碳钢管(即厚度超过0.38英寸或10mm，直径大于约2英寸或5cm)之间的37.5°斜面端部接头时，保护气体和填料由于各种原因不能形成合格的根焊，特别是由于采用敞露根部来避免收缩应力，就会在焊接熔池固化时致此根部区中的焊接金属焊透不良或“倒吸”，从而，不能在管内获得焊珠补强作用。自然，完全封闭此根部一般又会在这种工件中产生焊缝收缩应力问题，因而为了至少是在较大直径的管道上避免这一问题时，实际上是需要敞露的根部焊接的。
在焊接金属特别是焊接合金时，总是希望在取得良好的焊透深度和良好地熔融基体与填料金属同时，以最少的总的焊接热量(以焦尔表示)来完成这种焊接。这同时还需要作规则的焊接，使得根部的内侧或背侧呈高于基体金属表面的向上形状或凸形来提供良好的焊缝“补强”。倒吸、焊透不良和其它的焊接缺陷会对根部区中的焊接补强带来不利影响。自动化GTAW设备能用J型预加工端部，以良好的焊透性和补强效果来取得满意的可重复的规则根部焊道，但是由于前述理由，在中等厚度到厚的工件上没有采用斜面的预加工端部。为此需要有解决这个问题的方法。
本发明的目的在于用GTAW方法在基本上直斜的中等厚度壁部到厚壁部的工件上实行对焊，特别是在工件的敞露根部构型(即在斜面端部间有间隙)上实现一种规则上认可的根部焊道焊接。
本发明是实现上述焊接的方法，它采用氢气和惰性气体如氩气的混合物进行GTAW的根部焊道焊接，同时采用无氢的保护气体如只是氩气进行继后的填料焊接。业已发现，氩/氢的95/5混合物能在最有效地用于上述方法，当然此混合物对95/5中的两方都可有允差，例如可用范围从99/1到90/10的氩/氢。从理论上说，任何可能包括在此焊件中的氢，在惰性气体如氩的保护下会由随后的填料的一或多遍焊接而逐出。这样，在保护气体中保持较低的氢含量，结合以后用无氢保护气体在根部焊道上作一或多遍的焊接将可以避免任何不然有可能发生的氢蚀致脆问题，同时也利用了在根部焊道焊接时氢在保护气体中的影响。
这种方法能在斜面根部区中，以最小端部的焊接区进行最有效的工作(这里的“焊接区”仅仅是指焊接物体为环形时于径向上测得的或是沿平行于此待焊接物体的横向厚度方向上测得的，金属在斜面末端的厚度)，例如对4英寸(10.16cm)直径的碳钢锅炉管而言，此焊接区厚度为0.000-0.010英寸(0.000～0.254mm)。也可以允许有较大的焊接区厚度，只要全焊透所需的总的焦耳热输入不会破坏或损伤底料金属或丝状填料的合金组份或其它冶金学方面的性质。
根据此发明的方法，在工件的两端之间设有间隙，以总在焊接接头有收缩应力，这样在采用自动式GTAW设备、丝状填料和95/5保护气体时，不会对根部焊道焊接有不利影响。在对焊部件之间，根部间隙不应超过为避免收缩应力所需要的间隙，特别是在由此系统进行根部焊道焊接之后。此外，在GTAW系统中，上述间隙不得超过丝状填料的直径，以免这种丝状填料穿透此间隙。
下面将结合附图较详细地说明本发明的方法。
参考下述附图：
图1示意表示用于实施本发明的焊接方法的一对具有斜面端部接头预加工构型的管状工件以及一敞露的根部间隙；
图2是在图1所示管状工件间的斜面接头区的放大图；
图3示明传统上用于自动化GTAW设备对焊中的“J型”接头预加工件；
图4示意表示依据本发明，用轨道型自动式GTAW设备，供给以丝状填料和氩氢保护气体混合物以及只是氢气时进行的焊接作业。
根据本发明，准备了拟对焊到一起的金属工件10、12，使得需焊接的两工件端部都呈斜面形，能提供一总的相夹斜角B而让每个工件10、12的斜面角度各为B/2。工作10、12图示成管状金属段，但本发明的原理同样可用于板状工件，但不论是哪种情形，工件10、12的对接部分都要加工或在这两个工件间有一个合适的总斜角B。
根据本发明，工件10、12的端部倾斜成留有一个焊接区厚度L(图2)，后者的尺寸能在两工件的根底提供一个均一的间隙G，而此厚度则需尽可能地小，以保证在此焊接作业中涉及的焊缝构型和工件金属下，能用自动式GTAW焊机的适当热输入(安倍数)实现优质的焊透深度。通常希望此焊接区厚度要尽可能地小，而得以应用为自动式GTAW设备设定的所需最小安倍数，在接头的根部区中的两工件间进行第一焊道或根部通道焊接，使焊接作业中对基体金属合金的有害热影响减至最小。
在两工件10,12的接头预加工好后，将此两工件邻近放置或留出一个根部间隙G(图2)，这样的结构可以在完成至少是两工件间根部焊道焊接时防止固化的焊接金属产生有害的热压应力。同时要避免使间隙G大于丝状填料件的直径，以免焊接时有填料通过这一敞露的间隙G。为此，间隙G尺寸的确定需取决于基体金属和丝状填料间的冶金学性能、工作的壁厚和两工件根端在焊接中的收缩潜力。
本发明的焊接作业采用传统的自动式钨电极惰性气体保护焊接装置或即“GTAW”焊机，供给以丝状填料和保护气体。根据有先技术的作业。自动式GTAW焊机不被推荐用于焊接敞露根部斜面接头的，而是建议采用这样的作业，即当应用自动式GTAW设备时，使用图3所示的“J”型端部预加工件。
这一问题起源于在工件预加工端部的根部区中在两工件间制造第一焊道或“根部”焊道时。业已发现，根据先有的焊接实践，对于自动式GTAW焊接设备，此根部焊道要求有紧合的根部或“端部接头”，而在两相邻工件间具有图3所示的确定的焊接区厚L′，以确保有均匀良好的焊透深度和焊缝补强。
要是将图1与2所示的斜面接头合紧到消除敞露的根部，则斜面工件端部间因焊接金属收缩而产生的应力会在根部区中，特别是在碳钢工件间造成劣质的焊缝。这类问题可以用图3所示的焊缝接头区的“J型预加工件”来解决，这样就在具有斜面并在其间形成夹角a的工件16、18间形成了一个紧合的根部接头14，以及一个精密的根端焊接区厚和构型，可以满足对焊接接头区中任何变化都敏感的自动式焊机的要求。
但是，通常金属导管和配件工业的某些部门提供它们带有预制成斜面的端部已加工成用于焊接切出37.5°的斜面的导管和配件。一般不在导管和配件的端部16、18形成图3所示的J型预加工件14。这种J型预加工件常常是在焊接之前于现场完成的，作业是严格和价昂的。事实上，把直的斜面端部再制成J型预加工件以使这种自动焊机能用于大批量生产的情形也并非是不常见的。
已然发现，采用下述操作，应用供给有丝状填料和保护气体的自动式GTAW焊机，可以焊接敞露根部的斜面接头。
将工件加工成使其平直的斜面端接头切成图2所示B/2的角度而在两工件的端部间提供一总的夹角B。此斜面加工成具有如图2所示且说明于前的所需的预定端部焊接区厚L。目的要使这种端部厚度尽可能地均匀和小，得以对自动焊机适当地编程来进行接头根部区中两工件间的根部焊道焊接，同时可使热输入(焊机的设定安倍数)保持到能确保基体金属有良好的焊透深度，而不对此焊区中的基体金属和填料金属构成有害的冶金学方面的影响。
然后把两个工件放到一起，在其相邻的根部设置一个间隙G,G的值选择成：要防止工件端因焊接金属的热收缩造成的应力或应变，这样便确定了G的最小值；要避免丝状填料金属在自动焊接时通过工件间的间隙，这样便确定了间隙G的最大值。
在制备了图2所示的接头区后，用图4所示的自动式GTAW焊接设备进行焊接。在图4中，示意表示了轨道型自动式GTAW20在工件10与12(图4中只能看到工件12)间的斜面端接头区进行焊接的作业。此GTAW焊机20属常规的，包括一非消耗性钨电极22，后者由电源24经线路23供给电功率，以在此电极与工件10,12之间形成和保持一焊弧。此电源包括各种控制系统，它们在常规的自动式GTAW的应用中，依据特定工件间相对于各焊接通道的计算机化程序工作。
GTAW焊机20包括一机壳26，在本例中此机壳26在电源装置24的控制下经线路30通过入口导管28接收保护气体。这种保护气体通常是隋性的氢气，可储存在图4中A所示的适当容器中。根据周知的原理可把另外的保护气体用于这一焊接作业中，此另外气体的供给如图4所示可以通过电源24直接控制，或可以在此电源供给系统之外独立地控制。
依据本发明，是把市售的氢气和氢气混合物的保护气体借助电源24从混合气体供给容器M供给于GTAW焊机20的。此电源也可控制从供给源A单独供应氩保护气体。
丝状填料32是从供线机34在电源24控制下直接供给到焊区中，此电源24根据焊接程序的要求控制着驱动供线机34的马达36的作业。
本例中的GTAW焊机20以环道40为其导轨，在电源24的控制下借助适当的旋转驱动机构38绕待焊接的接头区沿轨道驱动。
本发明的一个关键因素是在依据本发明进行敞露间隙根部焊道焊接时应用了含氢的保护气体。为此，在焊接中，对于工件10和12间的敞露间隙根部焊道，在电源24的控制下给GTAW供给含氢的保护气体混合物，同时将丝状填料32供给于焊区。自然，丝状填料32的成分应在冶金学的性质上同工作的成份相适应，或是要由适用于进行这种焊接的成分组成。此外，根据GTAW自动焊接的已知原理与标准，经入口28供给并输送到机壳26旁焊区的保护气体，在此焊区中提供了保护气氛，用以保护熔融态焊接金属不与空气中的氧或其它杂质或周围气氛所含的污染物起反应。
作为最佳的实施形式，在把Astro Arc Polysouele自动式轨道型GTAW用于4英寸直径的中等厚度壁部的碳钢管，且此管具有37.5°斜面端部预加工构型，其中焊接区厚度为0.000～0.10英寸10.000～0.254mm而在根部区中管端之间有0.035英寸(0.889mm)的间隙G时，业已发现95％氩-5％氢的混合气体(“95/5”)能有效地工作。虽然上述95/5混合气体当前认为是最合适的，但也可以有效地采用约99％氩-1％氢到90％氩-10％氢(“99/1-90/10”)的混合范围，但这时可能由混合范围偏离了95/5混合物的最佳范围而减弱了焊透深度/补强质量。可以确信，对于直径超过2英寸(0.5mm)的中等厚度到厚的不锈钢管，用类似的焊接作业能取得同样优质的根部焊道焊接。上述Astro ArcPolysoude设备包括带自动电压控制的300PC TR电源和MUⅢ焊头。对于95/5的气体混合物，用适当的电流/电压调节，制得了无电极摆动的根部焊道。
已观察到，同相似的自动GTAW焊接作业而没有含氢的保护气体情形相比，电弧区中氢的存在常能使焊接溶池稳定化并使其定心于间隙区中，而能在根部区内提供优质的焊透深度和填充。虽然这方面的原因还没有完全弄清，但它的效果则是出人意料的。此外，在焊接碳钢时由于焊缝中会夹杂进氢，一般应避免使用氢。
在根部焊道焊接完成后，由马达38将GTAW带回到其起始位置，然后最好是在此根部焊道焊缝还热的时候，根据周知的自动式轨道型GTAW的焊接作业，迅速用无氢的保护气体例如单一的氢气来形成至少一个后继的“填料”焊道。
把含氢的保护气体用于碳钢焊接作业在通常的焊接实践中常常是避免的，至少在美国是如此，以免氢截留于焊接接头中因所谓的“氢损致脆”现象导致焊缝强度减弱。但如前面所述，应用含氢的保护气体，最好是95％氩-5％氢的混合物时，已发现由于氢在焊区中的有益影响，对于在带斜面的工件间的敞开间隙，可产生优质的根部焊道焊缝。本发明解决氢蚀致脆问题的方法是在根部焊道之上见用氩气进行后继的焊道，以便充分地加热此根部焊道焊缝，来消除此焊缝中可能存在的任何残留氢气。
虽然最好是把氩用于覆盖焊道或填料焊道，但唯一重要的是填料保护气体是无氢的。
附图中所含的说明是用来描述本发明方法的应用而非限制其由后附权利要求书所规定的本发明方法的范围。