气体混合物和用于电弧连接或者污染物排放降低的材料加工的方法
阅读：98发布：2020-05-26
专利汇可以提供气体混合物和用于电弧连接或者污染物排放降低的材料加工的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种气体混合物，一种包含所述气体混合物的压 力 罐，一种在通过 电弧 、 等离子体 和/或激光进行的 热 喷涂 、切割、连接、沉积 焊接 和/或 表面处理 中使用所述气体混合物的方法，一种制备所述气体混合物的装置以及一种制备所述气体混合物的方法，其中所述气体混合物包含保护气体和保护气体添加剂，所述保护气体添加剂选自醚、含有至少一个醚基团的环胺以及它们的混合物。，下面是气体混合物和用于电弧连接或者污染物排放降低的材料加工的方法专利的具体信息内容。
1.一种气体混合物，其包含保护气体和保护气体添加剂，所述保护气体具有二氧化碳和/或氧气和/或氢气和/或氮气及至少一种惰性组分，其中所述至少一种惰性组分选自氩气、氦气、氩气-氦气混合物和其他惰性气体及其混合物、以及其他惰性气体与氩气和/或氦气的混合物；所述保护气体添加剂选自醚、含有至少一个醚基团的环胺以及它们的混合物。
2.权利要求1的气体混合物，其特征在于，所述保护气体选自二甲醚、甲乙醚、二乙醚以及它们的混合物。
3.权利要求1或2的气体混合物，其特征在于，相对于所述气体混合物，所述气体混合物含有0.0001％v/v(1vpm)-10％v/v，优选0.001％v/v(10vpm)-5％v/v，特别优选
0.01％v/v(100vpm)-0.1％v/v(1000vpm)，特别优选0.0001％v/v(1vpm)至小于0.1％v/v(1000vpm)的保护气体添加剂。
4.权利要求1-3中任一项的气体混合物，其特征在于，所述气体混合物在压力罐中存在。
5.权利要求1-3中任一项的气体混合物，其特征在于，所述气体混合物在施用地点现场制备。
6.一种包含权利要求1-3中任一项的气体混合物的压力罐。
7.一种工业加工方法，其中将气体混合物用于通过电弧、等离子体和/或激光进行的热喷涂、切割、连接、沉积焊接和/或表面处理，其特征在于，所述气体混合物是权利要求
1-5中任一项所述的气体混合物。
8.权利要求7的工业加工方法，其特征在于，将所述保护气体添加剂在现场加入所述气体混合物。
9.一种制备权利要求1-5中任一项的气体混合物的装置，其包括：
罐，其具有液态的氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物；
和/或一个或多个压力罐，其具有氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物；
容器，其容纳保护气体添加剂，如果需要将保护气体添加剂溶解在溶剂中；以及管线，其将氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物引入所述容器的气体室，或者引导氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物通过所述容器中的液体，并将所生成的气体混合物递送给消费者。
10.权利要求9的装置，其特征在于，所述容器是受温度控制的。
11.一种制备权利要求1-5中任一项的气体混合物的方法，其特征在于，将保护气体添加剂与保护气体一起充入压力罐，所述保护气体具有二氧化碳和/或氧气和/或氢气和/或氮气及至少一种惰性组分，所述至少一种惰性组分选自氩气、氦气、氩气-氦气混合物、其他惰性气体及其混合物、以及其他惰性气体与氩气和/或氦气的混合物。
12.权利要求11的方法，其特征在于，所述保护气体选自二甲醚、甲乙醚、二乙醚以及它们的混合物。
气体混合物和用于电弧连接或者污染物排放降低的材料加
工的方法
技术领域
背景技术
发明内容
[0004] 出人意料地发现，向传统保护气体(例如氩气、氦气、氮气、二氧化碳或者氢气或者它们的混合物)加入醚或者含醚基团的环胺，明显提高通过电弧、等离子体和/或激光进行的热喷涂、切割、连接、沉积焊接和/或表面处理的效率，并产生具有细晶组成的高质量的焊接焊缝和钎焊焊缝。
[0005] 因此，本发明涉及一种气体混合物，其包含保护气体和保护气体添加剂，所述保护气体具有二氧化碳和/或氧气和/或氢气和/或氮气以及至少一种惰性组分(inert component)，所述至少一种惰性组分选自氩气、氦气、氩气-氦气混合物和其他惰性气体(noble gas)及其混合物、以及其他惰性气体与氩气和/或氦气的混合物；所述保护气体添加剂选自醚或者含有至少一个醚基团的环胺或者它们的混合物。
[0006] 本发明还涉及一种工业加工方法，其中将气体混合物用于通过电弧、等离子体和/或激光进行的热喷涂、切割、连接、沉积焊接和/或表面处理，其特征在于，所述气体混合物是上述的气体混合物。
[0007] 本发明的另一主题涉及一种制备本发明的气体混合物的装置，其包括：
[0008] 罐，其具有液态的氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物；
[0009] 和/或一个或多个压力罐，其具有氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物；
[0010] 容器，其容纳保护气体添加剂，如果需要将保护气体添加剂溶解在溶剂中；以及[0011] 管线，其将氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物引入容器的气体室，或引导氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物通过所述容器中的液体，并将所生成的气体混合物递送给消费者。
[0012] 最后，本发明还涉及一种制备本发明的气体混合物的方法，其特征在于，将保护气体添加剂与氩气、氮气、二氧化碳、氢气或氦气或它们的混合物一起充入压力罐。
具体实施方式
[0013] 保护气体通常选自Ar、He、CO2、H2、N2或空气或它们的混合物。特别优选Ar以及Ar和He的混合物、Ar和CO2的混合物、Ar和N2的混合物、Ar和H2的混合物，并且优选后三种混合物还含有He。
[0014] 优选将二氧化碳和氢气与Ar、He、N2、空气或者它们的混合物混合使用。本文中，二氧化碳通常以1-80％v/v，优选2-50％v/v，特别优选5-20％v/v的量存在。还可进一步混合1-30％v/v，优选2-20％v/v的氧气。在这种情况下，在没有压力的情况下现场加入氧气。
[0015] 二氧化碳、氢气和氧气还可以10vpm-10000vpm(0.001-1.0％v/v)，优选100-1000vpm的掺杂量混合。一氧化氮和一氧化二氮(N2O)也同样适用。
[0016] 醚可选自所有线性或枝化的脂族醚、脂环族醚或芳族醚或者熔点≤5℃的含氮杂醚(nitrogenous heteroether)。
[0017] 相对于本发明的气体混合物，气态烃通常构成0.0001％v/v(1vpm)-10％v/v，优选0.001％v/v(10vpm)-5％v/v，特别优选0.01％v/v(100vpm)-0.1％v/v(1000vpm)，特别优选0.0001％v/v(1vpm)至小于0.1％v/v(1000vpm)的保护气体添加剂。在特定情况下，所使用的量取决于方法类型和所处理的材料。
[0018] 二甲醚和甲乙醚在室温下是气态的，并且可容易与保护气体混合。为此，它们是优选的。
[0019] 术语“醚”是指具有单个醚基团的醚，以及具有两个或更多个醚基团的醚。
[0020] 高级醚，并从二乙醚(其也是优选的)开始，以及熔点≤5℃的含氮杂醚，在室温下都是液态的。
[0021] 除了线性脂族醚(例如二甲醚、甲乙醚、二乙醚、乙丙醚、二丙醚、二甲氧基乙烷以及更高级的线性醚)之外，还可使用枝化醚(例如二异丙醚和二异丁醚)以及环醚(例如四氢呋喃、四氢吡喃和1,4-二氧六环)。
[0022] 例如，可使用的芳族醚包括苯甲醚。吗啉是含有醚基团的环胺的一个实例。
[0023] 为了简单起见，下文将含有醚基团的环胺也称作醚。为了提高可读性，表述“如果将醚(尤其是二甲基醚、甲乙醚和/或二乙醚)加入保护气体”实际上是反映本发明权利要求3的实施方案，还包括更一般但语言上更繁琐的权利要求1的表述，其中“保护气体选自醚、含有至少一个醚基团的环胺以及它们的混合物”。这尤其适用于本文所记录的关于出人意料的试验结果的段落。
[0024] 相对于醇保护气体添加剂，醚保护气体添加剂的优势是，在类似分子量的情况下，醚保护气体添加剂表现出更低的熔点和沸点。
[0025] 在一个优选的实施方案中，在室温下通过使保护气体的至少一种组分流过预备液体来制备具有醚添加剂液体的保护气体，所述预备液体由醚保护气体添加剂组成。然而，该制备方法还可适用于在环境温度下是气态的醚，通过冷却醚保护气体添加剂，从而使其以液态形式存在。稍微的冷却是有利的，即使对于高度挥发性化合物例如二乙醚也是如此。还可将醚保护气体添加剂溶解在溶剂(例如高级烃或水)中，其显示具有比醚更低的蒸汽压，并将该溶液用作预备液体。现在，将保护气体的至少一种组分导入该预备液体。引入氩气、二氧化碳或氦气是有利的，但是还可将其他可能的组分或其混合物导入预备液体。当流过预备液体时，气体吸收醚保护气体添加剂，并产生气体混合物，其含有所需浓度的醚保护气体添加剂，现在将该气体混合物直接或者与附加组分混合后，或者甚至稀释后，用作具有醚添加剂的保护气体，通过电弧、等离子体和/或激光用于热喷涂、切割、连接、沉积焊接和/或表面处理。
[0026] 为了能够重现并可靠设定特定浓度，预备液体受温度控制是有利的。使预备液体保持在恒温，确保气体中的醚的浓度保持均匀。由于富集后气体中存在的醚的浓度对温度有依赖，因此可通过温度控制来设定气体中醚的浓度。温度控制可以有利地包括选择高于环境温度的温度和低于环境温度的温度。尤其是考虑到高度挥发性醚或沸点接近环境温度的醚，选择低于环境温度的温度是有利的，而高于环境温度的温度对较高沸点的醚可以是有利的，使得将足够的颗粒转化成气体。因此，通过选择温度，通过温度控制可设定气体中的醚的浓度。
[0027] 或者，在本发明方法的一个有利的实施方案中，将气体形式的醚保护气体添加剂与一种或多种其他组分混合以产生焊接保护气体混合物。为此，如果需要，将醚保护气体添加剂通过加热转化成气态。如果醚保护气体添加剂已经以气态形式存在，则不进行加热。将气态醚保护气体添加剂与一种或多种其他组分混合以产生具有醚添加剂的最终保护气体混合物。尤其推荐将该方法用于在环境温度下已经以气态形式存在或者显示具有接近环境温度的沸点的醚保护气体添加剂。
[0028] 在这两种情况下，可将醚保护气体添加剂与单个其他组分混合，或者与最终保护气体混合物混合，或者首先仅将醚保护气体添加剂与一种组分混合，然后稀释或加入剩余组分。
[0029] 例如，除了这两种优选的制备方法之外，还可通过预备液体来提取蒸汽，或者将液体醚保护气体添加剂与以液态形式存在的保护气体的另一组分(例如液体氩或液体二氧化碳)混合，以便于获得保护气体。然而，这里通常很难设定保护气体中的醚保护气体添加剂的浓度。
[0031] 在通过电弧、等离子体和/或激光(等离子体也出现在电弧中，并且通常还在激光中出现)进行的热喷涂、切割、连接、沉积焊接和/或表面处理中，等离子体的目的是以受控方式将热量传送给材料。由于等离子体的理论非常困难，在所述方法中产生等离子体的精确过程是不为人所知并且很难预测的。
[0033] 在涉及H2或N2分子参与的等离子体中，假定可通过使原子结合成分子来进一步释放能量。
[0034] 出人意料地发现，本发明所使用的醚保护气体添加剂尤其提高了气体混合物的能量。
[0035] 本文中加热材料的各自能量的百分率水平，取决于等离子体的特定条件，并且很难预测。
[0036] 气体混合物掺杂少量CO2、NO、N2O和O2是本领域中已知的(例如参看EP 0 544187 B2，EP 0 639 423 B1和EP 0 640 431 B1)，尤其是在电弧连接中。其中，这样做会稳定电弧，提高通过激光引入的能量，并且通常提高质量。在存在少量本发明所使用的醚保护气体添加剂的情况下也出人意料地观察到这一点。
[0038] 使用本发明的气体混合物的热喷涂方法包括电弧喷涂、等离子体喷涂和激光喷涂。
[0039] 在电弧喷涂中，将两种丝型导电喷涂材料以特定角度彼此连续送进。点燃后，两个喷涂线(电极)之间的电弧在高温下燃烧，并融化喷涂材料。强烈的气体流雾化熔体，并加速喷涂颗粒朝向工件表面，由此形成涂层。由于方法相关的理由，可仅加工金属导电的丝型喷涂材料。可将空气用作雾化器气体，但是通常使用氮气和/或氩气。
[0040] 在电弧方法中所施加的层的特征是，具有非常良好的粘附性。将喷涂颗粒与基质材料固定。该方法尤其适合用于需要厚涂层或涉及大表面的应用。
[0042] 现在已经出人意料地发现，通过将醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)加入雾化器气体可进一步提高喷涂速度，或者提高施用率，即可沉积更厚的层。还改善了涂层的质量。
[0043] 等离子喷涂是另一种热喷涂方法。在该方法中，通过狭窄的间隙将阳极和最多三个阴极在等离子体炬中分开。阳极和阴极之间的直流电压产生电弧。将流过等离子体炬的气体或者气体混合物引导通过电弧并在该过程中解离和离子化。解离和离子化产生高度加热的导电等离子体(包括阳离子和电子的气体)。将粉末通过喷嘴引入该等离子体射流，并通过高等离子体温度熔化。加工气体流(等离子体气体流)夹带粉末颗粒，并将它们投向待涂布的工件。非常高的温度(高达30,000℃)使得可加工几乎所有材料，甚至是耐火材料(例如陶瓷)。
[0044] 例如，等离子体喷涂层可能是非常硬、耐磨、具有非常良好的化学稳定性的几乎致密的层。
[0045] 等离子体涂层中的气体混合物可同时作为输送气体和保护气体。通常，所使用的气体是氩气、氮气、氢气或氦气以及它们的混合物。
[0046] 现在已经出人意料地发现，将醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)加入一种或多种气体混合物可提高喷涂速度或者提高施用速率，即可沉积更厚的层。还改善了涂层质量。加入醚(尤其是二甲醚)使得还可对涂层中的碳含量产生积极影响，从机械和摩擦学角度看，这又提高了层材料或喷涂涂层的性质。
[0047] 激光喷涂是另一种热喷涂方法。在激光喷涂中，将以粉末形式存在的喷涂添加剂通过喷嘴引入聚焦在工件上的激光束，并借助气体投射到材料表面上。在激光的焦点形成等离子体，其同时熔化粉末和材料表面的最小部分，并将所供应的喷涂添加剂与材料冶金结和。
[0048] 现在已经出人意料地发现，在前述热喷涂过程中，将醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)加入气体混合物可提高喷涂速度或者提高施用速率，即能够沉积更厚的层，与此同时改善了涂层的质量。
[0049] 本文的热分离或切割是指等离子体切割和激光束切割。
[0050] 等离子体切割是一种热分离方法，其中等离子体电弧熔化和/或蒸发并甚至部分燃烧基质材料。等离子体电弧是用于表示由冷却的喷嘴约束的离子化和解离气体射流的术语。约束产生具有高能量密度的等离子体射流。基质材料与等离子体射流相互作用，并通过等离子气体从所产生的切口排出。约束所要求的喷嘴的冷却通常通过水和/或气体混合物(称作第二气体、保护气体或包裹气体，其包裹等离子体射流)来进行。等离子体切割的一个变体是细射流等离子体切割，其中等离子体射流受到非常强烈的约束。熔化材料通过形成等离子体的气体混合物(还称作等离子体气体)的高动能排出。当使用充当第二气体或保护气体的气体混合物时，保护气体还熄灭液体材料。将氩气、氮气、氢气并且有时甚至将氦气与它们的混合物用作用于产生等离子体的气体混合物。在许多情况下，还向该气体混合物加入氧气，其中氧气可与材料发生氧化反应，并由此引入额外的能量。还将压缩空气用作气体。有时还加入二氧化碳。如果使用另一种气体混合物，即第二气体，包括上述气体的气体或气体混合物也用于该第二气体。气体或气体组成的选择由方法变体来确定，并主要由待切割的材料的厚度和类型确定。
[0051] 现在已经发现，在将醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)进一步加入包含氩气、氦气、氮气或氢气或它们的混合物的上述气体混合物(等离子体气体、第二气体)中的一种的情况下，可显著提高切割速度。此外，改善了切口的质量。
[0052] 在激光束切割中，将激光束用作切割工具。为此，将激光束导向加工点。当将具有惰性气体或弱反应气体的激光切割作为切割气体时，与基质材料没有或者几乎没有发生化学反应。在激光束切割期间，熔化材料通过切割气体从切口排出。因此，氮气、氩气和/或氦气最常用作切割气体。还使用压缩空气。激光束是用于切割具有较小厚度的金属材料和非金属材料的理想工具。然而，当材料厚度增加时，激光束的切割速度大幅降低。
[0053] 现在已经出人意料地发现，所加入的醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)在切口处分解，由此将更多能量引入连接点。因此，激光束的切割速度明显提高。此外，还可以经济上令人满意的切割速度来分离更厚的材料。还改善了切口的组成，甚至减少了后处理的需要。换言之，提高了生产率。
[0054] 用于物质结合金属工件的焊接已经实践很长时间了。将待接合在一起的工件在焊接过程中熔化。在金属保护气体焊接期间，电弧在保护气体涂层中燃烧。使用熔化电极的电弧焊接包括金属-惰性气体焊接(MIG焊接)和金属反应气体焊接(MAG焊接)，没有使用熔化电极的电弧焊接包括钨-惰性气体焊接(WIG焊接)。钨-等离子体焊接(WP焊接)还代表在没有熔化电极的保护气体的情况下电弧焊接的额外处理变体。还已知的是混合方法和使用若干电极的焊接，并且尤其是串联多弧焊。用于使用电弧焊接的保护气体混合物以多种不同的混合物存在，其中各个混合物对各自的焊接方法和材料是最佳的。本文的重点是稳定的电弧，高质量的焊接焊缝，避免气孔和焊接飞溅，以及高加工速度。最常见的保护气体是氩气、氦气、氮气和氢气以及它们的混合物。
[0055] “钎焊”是指用于物质结合材料的热加工，其中通过熔化焊料(焊料填料金属)来制备液相。与焊接相反的是，钎焊不会产生待连接的工件的固相线温度。值得一提的是，各种电弧钎焊方法是MIG、MAG、WIG以及等离子体和等离子体-MIG钎焊和混合钎焊法。在硬钎焊方法中，其使用电弧并在保护气体下进行，使用保护气体焊接工具通常产生钎焊连接点。然而，本文的基质材料在该方法中不熔化，而是仅将所谓的硬且高温的焊料用作填料金属。
所使用的焊料材料具有约1000℃数量级的相对低的熔点。通常用作焊料材料的是铜丝，其由铜基合金与不同合金元素(例如铝、硅或锡)构成。所使用的保护气体与电弧焊接中的相同。
所使用的焊料材料具有约1000℃数量级的相对低的熔点。通常用作焊料材料的是铜丝，其由铜基合金与不同合金元素(例如铝、硅或锡)构成。所使用的保护气体与电弧焊接中的相同。
[0056] 钎焊还可用于制造结合不同类型的材料，其优势是，上述列举的焊料也是适用的。考虑到不同类型的材料，焊接和钎焊的混合方式也是可能的，其中仅通过具有较低熔点的材料和焊料填料金属来形成焊接熔池(weld pool)，并且仅加热但不熔化具有较高熔点的材料。
[0057] 现在已经出人意料地发现，通过将醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)加入保护气体，可显著提高焊接或钎焊焊缝的连接速度和质量。此外，通过醚提高了输入焊接/钎焊熔池的能量。
[0058] 在等离子体连接(焊接和钎焊)中，等离子体射流用作热源。通过离子化和约束电弧产生等离子体射流。电弧在不熔性负(钨)电极和工件之间燃烧，作为所谓的原生弧(直接传递的电弧)。此外，维弧(pilot arc)可用于不熔性负(钨)电极和设计为喷嘴的阳极之间的点火过程。例如，可将用于焊接的所谓原生弧(等离子体喷流)沿着所需焊接缝前进移动。等离子体炬用于提供多达三种气体或气体混合物，具体是所谓的等离子体气体，如果需要所谓的第二气体或者用于约束等离子体射流的聚焦气体，以及所谓的保护气体，其包括等离子体射流或者等离子射流和作为保护气体涂层的第二气体。
[0059] 穿孔等离子体焊接(keyhole plasma welding)是等离子体焊接的变体。穿孔等离子体焊接用于较薄的金属板。该方法主要用于容器和装置的构建以及管道的构建。
[0060] 在穿孔等离子体焊接中，等离子体射流在焊接过程开始时穿透整个工件厚度。这里将通过熔化工件所产生的焊接熔池压至等离子体射的一侧。熔体的表面张力防止掉入穿孔。相反，当形成焊接眼时，熔体聚集并固化成焊接缝。
[0061] 微等离子体焊接尤其用于薄金属板材和最薄厚度的金属板材。
[0062] 现在已经出人意料地发现，将醚加入一种或多种所述的气体混合物(等离子体和/或第二气体和/或保护气体)，导致显著提高焊接速度/钎焊速度，并且改进焊接焊缝/钎焊焊缝。
[0063] 还出人意料地发现，当电弧连接，以及等离子体连接时，已经存在约10vpm-约5000vpm，优选约100vpm-约1000vpm的少量醚，并且尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚时，显示出本发明的优势并获得一种更稳定的方法，并且能够获得较高的连接速度。
[0064] 组合的电弧/激光连接方法称作混合方法。在本文中，加入醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)也是有利的。
[0065] 在沉积焊接中，将涂层材料焊接到材料上。
[0066] 表面处理包括用等离子体处理表面，例如表面活化、表面预处理、表面处理、表面官能化和表面清洁。等离子体可以是WIG炬中的开放等离子体、等离子体炬中的约束等离子体或等离子体室中的等离子体。
[0067] 加入醚(尤其是二甲醚、甲乙醚和/或二乙醚)还强烈改进后两种方法的效率。
[0069] 本发明提供所有范围的优势，只有少数在本文提及。例如在电弧连接中，可有利地
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