保护气体混合的精确性可以优化焊接质量、效率和安全性。了解保护气体成分对焊接特性的影响可以带来减少烟雾排放、提高沉积速率和增强自动化的创新。阿尔伯塔大学的加拿大焊接和连接中心 （CCWJ） 处于这项研究的前沿，利用先进的气体混合技术来突破焊接科学的界限。
使用 Alicat Scientific 的 FusionFlow™ IMX 工业气体混合器，CCWJ 能够显著简化其储气系统并按需创建精确的气体混合物。为工业和科学应用开辟了新的途径。®
阿尔伯塔大学的研究团队与 Alicat 合作，通过创新的保护气体混合技术改变焊接方式，为更安全、更具成本效益和环保的焊接工艺铺平道路。
阿尔伯塔大学 （UofA） 的加拿大焊接和连接中心 （CCWJ） 是一个世界级的研究和工程培训中心，成立于 2010 年，旨在满足加拿大资源型行业的需求。我们的研究活动侧重于从基础到应用研究的方方面面，几乎涵盖了各种材料系统中的所有焊接和连接工艺。CCWJ 位于石油和天然气运营制造的中心，每天与制造和制造的整个供应链互动，从最终用户到制造商，再到耗材供应商。来自行业和政府赠款的慷慨捐赠为该中心的四个实验室提供了超过 300 万美元的设备，其中还包括艾里卡特的 FusionFlow™ IMX 工业气体混合器，用于制造定制的气体混合物;一次最多 4 个。
FusionFlow 仅使用 Alicat 质量流量控制器 （MFC）。2016 年，这些 MFC 使我们能够从单个钢瓶转向仅使用纯气体的集中气体输送系统。每台机器的纯气体都混合在一起，并根据应用要求进行设置。这不仅帮助我们提高了科学能力，还帮助我们在任何给定时间将大约 40 个气瓶的库存的占地面积显著减少到只有 15 个。现在，我们库存的大部分焊接气体由纯氩气 （Ar） 和二氧化碳 （CO） 组成。2），我们向其中添加特种气体，并为每种应用动态、高精度地混合优化的混合物。其余的包括一些用于高灵敏度分析仪的专用高气体。这腾出了急需的空间来设置设备和实验，也极大地简化了我们的气体需求，从而显着节省了成本。
凭借这些能力，我们对使用气体保护金属电弧焊 （GMAW） 的各种焊接应用中保护气体的影响进行了一系列研究。GMAW 工艺具有重要的工业意义，因为它的工艺效率高，并且适用于各种黑色金属和有色金属合金。保护气体在此过程中起着核心作用，因为它们保护熔池，但也影响金属转移 [1]。
仔细选择保护气体可以优化工艺效率，并对焊缝的外观产生重大影响;熔深、侧壁熔合和焊趾轮廓;添加剂元素（例如金属芯、碳化钨）的润湿;电弧起点和稳定性;以及氧化物的形成和保留。
该工艺常用的气体包括纯 Ar 和 CO2，一些不同百分比的二元混合物（例如 Ar + CO2、Ar + Oxygen、Ar + Helium、Ar + Hydrogen）以及三元气体混合物。这取决于所用金属的类型以及焊接位置等其他因素，百分比的微小变化将对外观、沉积效率和焊接性能产生明显影响。
我们对基本原理的研究特别关注了各种金属传输模式和材料中液滴的温度，以及影响液滴、阳极和阴极加热的下降电压。我们特别感兴趣的是球状和喷雾转移之间的过渡区，我们使用量热仪设置和 FusionFlow 气体混合器对其进行了研究。除了科学贡献之外，这些研究还具有工业重要性，因为它们探索了减少焊接烟雾排放的能力。实验表明，通过使用焊接参数和保护气体成分来瞄准过渡区，可以降低液滴温度，从而减少烟雾的产生，同时保持相似的沉积速率 [2]。
保护气体成分将液滴温度曲线移动到更高的电流，但似乎不会显着将曲线移动到不同的温度。在研究铝线的下降电压和高级波形时，研究结果还强调了保护气体成分的强烈影响，将进行进一步的研究以从根本上解释这种相互作用 [3]。
这些研究有力地表明，仔细选择焊接参数和保护气体可以减少使用现有材料的烟雾排放，同时保持其材料特性和沉积速率。因此，使用气体混合提供了另一种探索途径，以满足锰等元素的新职业接触限值 （OEL），并有可能减少必要的 PPE 或过滤量。
将 FusionFlow 气体混合系统与纯气体一起使用，并针对每种应用“动态”调整混合物，这会增加气体方面的成本，并通过改进来优化焊接经济性：
- 焊接安全
- 质量
- 效率
- 显著增强焊接自动化设置，其中可以调整混合气体以考虑程序中焊接位置的变化
- 响应反馈回路以优化沉积
除了上述几点之外，一个不错的副作用是内置的压力管理功能，它可以为 QA 目的提供中央监控，通过稳定流速和提供系统中压力损失的反馈来减少焊接缺陷，并通过指示何时需要补充供应来简化采购。
引文
- [1] J. Nadzam、F. Armao、L. Byall、D. Kotecki 和 D. Miller，“气体保护金属电弧焊产品和程序选择”，C4.200，第 96 页，2014 年。
- [2] C. McIntosh、J. Chapuis 和 P. Mendez，“Ar-CO 的影响2GMAW 中液滴温度的气体混合物，“焊接。J.，第 95 卷，第 8 期，第 273 – 279 页，2016 年。
- [3] C. McIntosh 和 P. F. Mendez，“高级波形铝 GMAW 中的下降电压”，Weld。J.，第 96 卷，第 9 期，第 354 – 366 页，2017 年。
作者
- 帕特里西奥·门德斯 （Patricio Mendez） 是阿尔伯塔大学 （University of Alberta） 化学与材料工程教授。
- Goetz Dapp 是 CCWJ 的副主任。
确认
作者要感谢 Lincoln Electric 捐赠焊接设备和耗材;普莱克斯捐赠保护气体;Tregaskiss 和 Miller Electric 负责提供电源和焊枪;以及 FusionFlow 团队捐赠了用于气体混合的 Alicat Scientific 质量流量控制器。