用于焊接電極的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明主要涉及焊接，并且更具體地涉及用于電弧焊例如氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)或藥芯焊絲電弧焊(FCAW)的焊絲。在一個實施例中，一種管狀焊絲包括套管和內芯，并且所述內芯包括有機穩(wěn)定劑的成分。進一步地，所述有機穩(wěn)定劑的成分包括被設置用于在焊接期間在工件表面附近釋放氫的有機亞成分并且包括I族金屬、II族金屬或其組合。
【專利說明】用于焊接電極的系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2012年8月28日提交的申請?zhí)枮?3/596，713且發(fā)明名稱為“用于焊接電極的系統(tǒng)和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR WELDING ELECTRODES) ”的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，為了所有的目的而通過全文引用將其公開內容合并于此。
【背景技術】
[0003]本發(fā)明主要涉及焊接，并且更具體地涉及用于電弧焊例如氣體保護金屬極電弧焊(GMAff)或藥芯焊絲電弧焊(FCAW)的電極。
[0004]焊接是一種已經(jīng)在各個行業(yè)中普及的用于各種應用場合的工藝。例如，經(jīng)常要在例如造船、海上平臺、建筑物和軋管機等應用場合使用焊接。某些焊接技術(例如氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、氣體保護藥芯焊絲電弧焊(FCAW-G)和氣體保護鎢極電弧焊(GTAW))通常使用保護氣(例如氬氣、二氧化碳或氧氣)以于焊接過程期間在焊弧和熔池內及其周圍提供特定的局部氛圍，而另一些焊接技術(例如藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)和自動保護金屬極電弧焊(SMAW))則并沒有這樣做。另外，某些類型的焊接可以涉及焊絲形式的焊接電極。焊絲通?？梢栽诤附舆^程期間為焊接提供填焊金屬的供給并且提供用于電流的路徑。而且，某些類型的焊絲(例如管狀焊絲)可以包括通常能夠改變焊接過程和/或所得焊縫性質的一種或多種成分(例如焊藥、穩(wěn)弧劑或其他添加劑)。

【發(fā)明內容】

[0005]在一個實施例中，一種管狀焊絲包括套管和內芯，并且內芯包括有機穩(wěn)定劑的成分。進一步地，有機穩(wěn)定劑的成分包括被設置用于在焊接期間在工件表面附近釋放氫的有機亞成分并且包括I族金屬、II族金屬或其組合。
[0006]在另一個實施例中，一種管狀焊絲包括套管和內芯。進一步地，內芯包括稀土硅化物的成分，并且其中稀土硅化物包括鈰、鑭或其組合。
[0007]在另一個實施例中，一種管狀焊絲被設置用于焊接涂覆金屬的工件并且以大于約30英寸/分鐘的行進速度提供孔隙度小于約0.25英寸/英寸焊縫的焊縫。
[0008]附圖簡要說明
[0009]本發(fā)明的各種特征、應用和優(yōu)點將在參照附圖閱讀以下的詳細說明時得到更好的理解，其中同樣的附圖標記在附圖中始終表示相同的部件，在附圖中:
[0010]圖1是根據(jù)本公開實施例得到的氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)系統(tǒng)的框圖；
[0011]圖2是根據(jù)本公開實施例得到的管狀焊絲的截面圖；
[0012]圖3是根據(jù)本公開實施例得到的一種工藝，通過這種工藝即可將管狀焊絲用于焊接工件；以及
[0013]圖4是根據(jù)本公開實施例得到的用于加工管狀焊絲的工藝。
【具體實施方式】[0014]以下介紹本公開的一個或多個具體實施例。為了致力于提供這些實施例的簡明介紹，可能并未在說明書內描述【具體實施方式】中的所有特征。應該意識到在開發(fā)任何這樣的【具體實施方式】時，例如在任何的工程或設計項目中，都必須要做出大量的實施方式專用決策以實現(xiàn)開發(fā)人員的特定目標，例如符合系統(tǒng)相關和業(yè)務相關的約束條件，這些特定目標在不同的實施方式之間可能有所不同。而且，應該意識到盡管這樣的開發(fā)工作可能是復雜且耗時的，但對受益于本公開的本領域普通技術人員來說這仍然是一種從事設計、制造和加工的常規(guī)手段。
[0015]在介紹本公開各種實施例中的元素時，冠詞“一”、“一個”、“這個”和“所述”的意
思是指存在一個或多個所述元素。術語“包括”、“包含”和“具有”的意思是指包括在內并且意味著除了列舉的元素以外還可以有另外的元素。應該意識到如本文所用的術語“管狀焊接電極”或“管狀焊絲”可以指代具有金屬套管和顆粒狀或粉末狀內芯的任意焊絲或電極例如金屬內芯或藥芯的焊接電極。還應該意識到術語“穩(wěn)定劑”或“添加劑”基本上可以用于指代管狀焊絲中用于改善電弧質量、焊接質量或以其他方式影響焊接過程的任何成分。而且，如本文中所用，“大約”基本上可以表示近似值，在某些實施例中這可以代表跟真實值之間小于0.01%、小于0.1%或小于1%的(例如更高或更低的)差異。也就是說，近似值在某些實施例中可以精確地位于所述值的(例如正或負)0.01%,0.1%或1%的范圍內。
[0016]如上所述，某些類型的焊接電極(例如管狀焊絲)可以包括通常能夠改變焊接過程和所得焊縫性質的一種或多種成分(例如焊藥、穩(wěn)弧劑或其他添加劑)。例如，某些在此公開的焊接電極實施例包括基本上可以提高電弧穩(wěn)定性同時提供有助于焊接涂覆工件(例如鍍鋅工件)的還原性氛圍的有機穩(wěn)定劑(例如基于纖維素衍生物的成分)。某些在此公開的焊接電極實施例還包括基本上可以有助于在焊接期間控制電弧的形狀和熔深的稀土硅化物成分。進一步地，公開的焊接電極實施例可以包括其他成分例如含碳成分(譬如石墨、碳黑或其他合適的含碳成分)以及燒結穩(wěn)定劑成分(例如鉀/鈦酸鹽/錳酸鹽的燒結物)，正如以下詳細介紹的那樣。
[0017]因此，本發(fā)明公開的焊接電極增強了涂覆(例如鍍鋅、鍍鋅退火、噴涂等)工件和/或較薄(例如20-、22-、24-gauge厚度或更薄的)工件甚至是在(例如大于40英寸/分鐘的)高行進速度下的可焊性。另外，公開的焊接電極基本上實現(xiàn)了不同焊接結構下(例如直流反接(DCEN)、直流正接(DCEP)、交流(AC)等)的可接受焊接和/或不同的焊接方法(例如涉及焊接期間焊接電極的圓形或蛇形移動)。另外，某些在此公開的焊接電極可以被拉伸為特定的直徑(例如0.030英寸、0.035英寸、0.040英寸或其他合適的直徑)以提供良好的傳熱和熔敷速率。
[0018]轉至附圖，圖1根據(jù)本公開示出了使用焊接電極(例如管狀焊絲)的氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)系統(tǒng)10的實施例。應該意識到盡管此處的討論可以具體關注圖1所示的GMAW系統(tǒng)10，但是在此公開的焊接電極也可以有助于任何使用焊接電極的電弧焊過程(例如FCAW、FCAff-G, GTAff, SAW、SMAff或類似的電弧焊過程)。焊接系統(tǒng)10包括焊接電源
12、焊接送絲機14、供氣系統(tǒng)16和焊槍18。焊接電源12主要為焊接系統(tǒng)10供電并且可以通過纜束20耦合至焊接送絲機14以及通過具有夾頭26的引線電纜24耦合至工件22。在圖示的實施例中，焊接送絲機14通過纜束28耦合至焊槍18，目的是為了在焊接系統(tǒng)10工作期間向焊槍18提供可消耗的管狀焊絲(也就是焊接電極)和電力。在另一個實施例中，焊接電源裝置12可以耦合至焊槍18并向其直接供電。
[0019]焊接電源12主要可以包括從交流電源30 (例如交流電網(wǎng)、發(fā)動機/發(fā)電機組或其組合)接收輸入功率、調制輸入功率并通過電纜20提供直流或交流輸出功率的功率轉換電路。因此，焊接電源12可以根據(jù)焊接系統(tǒng)10的要求給焊接送絲機14供電，從而相應地給焊槍18供電。以夾頭26終止的引線電纜24將焊接電源12耦合至工件22從而閉合焊接電源12、工件22和焊槍18之間的電路。焊接電源12可以包括能夠根據(jù)焊接系統(tǒng)10的要求所規(guī)定的那樣將交流輸入功率轉換為直流正接(DCEP)輸出、直流反接(DCEN)輸出、直流可變極性、脈沖直流或可變平衡(例如平衡或非平衡)交流輸出的電路元件(例如變壓器、整流器、開關等)。應該意識到在此公開的焊接電極(例如管狀焊絲)能夠針對多種不同的供電結構實現(xiàn)焊接過程的改進(例如改進電弧穩(wěn)定性和/或改進焊接質量)。
[0020]圖示的焊接系統(tǒng)10包括從一個或多個保護氣源17向焊槍18提供保護氣或保護氣體混合物的供氣系統(tǒng)16。在圖示的實施例中，供氣系統(tǒng)16通過導氣管32直接耦合至焊槍18。在另一個實施例中，供氣系統(tǒng)16可以改為耦合至送絲機14，并且送絲機14可以調節(jié)從供氣系統(tǒng)16到焊槍18的氣體流量。如本文所用的保護氣可以指代能夠為了提供特定的局部氛圍而提供給電弧和/或熔池的任何氣體或氣體混合物(例如用于保護電弧、提高電弧穩(wěn)定性、限制金屬氧化物的形成、改進金屬表面的潤濕、改變焊縫熔敷的化學成分等)。在某些實施例中，保護氣流可以是保護氣或保護氣體混合物(例如氬氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(C02)、氧氣(02)、氮氣(N2)、類似合適的保護氣或其混合物)。例如，(譬如通過管路32輸送的)保護氣流可以包括Ar、Ar/C02混合物、Ar/C02/02混合物、Ar/He混合物等。作為具體的示例，在某些實施例中，保護氣流可以包括90%的Ar和10%的C02。
[0021]因此，圖示的焊槍18主要是接收焊接電極(也就是管狀焊絲)、來自焊接送絲機14的電力以及來自供氣系統(tǒng)16的保護氣流，其目的是為了執(zhí)行工件22的GMAW。在工作期間，焊槍18可以送到工件22附近以使得在可消耗的焊接電極(也就是離開焊槍18接觸端的焊絲)和工件22之間能夠形成電弧34。另外，如下所述，通過控制焊接電極(也就是管狀焊絲)的組成即可改變電弧34的化學成分和/或得到的焊縫(例如組成和物理特性)。例如，焊接電極可以包括能夠影響焊接過程(例如用作穩(wěn)弧劑)的焊藥或合金成分，并且進一步還可以變成至少部分地熔入焊縫從而影響焊縫的機械性質。而且，焊接電極(也就是焊絲)的某些成分還可以在電弧附近提供附加的保護氛圍，影響電弧34的傳導性質，給工件表面脫氧等。
[0022]圖2示出了在此公開的焊絲實施例的截面圖。圖2示出的管狀焊絲50包括封裝顆粒狀或粉末狀內芯54(也稱作填料)的金屬套管52。在某些實施例中，管狀焊絲50可以符合一種或多種美國焊接學會(AWS)的標準。例如，在某些實施例中，管狀焊絲50可以符合AffS A5.18(“SPECIFICATION FOR CARBON STEEL ELECTRODES AND RODS FOR GAS SHEILDEDARC WELDING”)和 /或符合AWS Α5.36 (“SPECIFICATION FOR CARBON AND LOff-ALLOY STEELFLUX CORED ELECTRODES FOR FLUX CORED ARC WELDING AND METAL CORED ELECTRODES FORGAS METAL ARC WELDING”)。
[0023]圖2所示管狀焊絲52的金屬套管52可以由任意合適的金屬或合金例如鋼制成。應該意識到金屬套管52的成分可以影響所得焊縫的成分和/或電弧34的性質。在某些實施例中，金屬套管52可以占據(jù)管狀焊絲50總重量的約80%到90%。例如，在某些實施例中，金屬套管52可以提供管狀焊絲50總重量的約84%或者約86%。
[0024]因此，金屬套管52可以包括能夠選擇用于提供期望焊縫性質的某些添加劑或雜質(例如合金成分、碳、堿金屬、錳或者類似的化合物或元素)。在某些實施例中，管狀焊絲50的金屬套管52可以是低碳條，其中包括相對少量(例如減少或縮減)的碳(譬如以重量計小于約0.06%、小于約0.07%或者小于約0.08%的碳)。例如，在一個實施例中，管狀焊絲50的金屬套管52可以包括以重量計約0.07%到0.08%的碳。另外，在某些實施例中，金屬套管52通?？梢杂珊猩倭侩s質的鋼制成。例如，在某些實施例中，金屬套管52可以包括以重量計約0.25%到約0.5%或者約為0.34%的錳。作為進一步的示例，在某些實施例中，金屬套管52可以包括以重量計小于約0.02%的磷或硫。在某些實施例中，金屬套管52還可以包括以重量計小于約0.04%的娃、以重量計小于約0.05%的招、以重量計小于約0.1%的銅和/或以重量計小于約0.02%的錫。
[0025]圖示管狀焊絲50的顆粒狀內芯54通?？梢允侵旅艿姆勰?。在某些實施例中，顆粒狀內芯54可以占據(jù)管狀焊絲50總重量的約7%到約40%或者約10%到約20%。例如，在某些實施例中，顆粒狀內芯54可以提供管狀焊絲50總重量的約14%、約15%或者約16%。而且，在某些實施例中，顆粒狀內芯54的成分如下所述可以均質或非均質地(例如成塊或成團56地)分布在顆粒狀內芯54中。例如，某些焊接電極實施例(譬如金屬芯焊接電極)的顆粒狀內芯54可以包括能夠為焊接提供至少一部分填料金屬的一種或多種金屬(例如鐵、鐵鈦合金、鐵硅合金或者其他的合金或金屬)。作為具體的示例，在某些實施例中，顆粒狀內芯54可以包括約70%到約75%的鐵粉以及其他的合金成分例如鈦鐵(譬如40%品級)、鎂硅鐵以及硅鐵粉末(譬如50%品級，不穩(wěn)定)。管狀焊絲50內可以存在的其他成分(也就是除了一種或多種碳源和一種或多種堿金屬和/或堿土金屬間化合物以外的成分)示例包括例如能夠在可從Illinois Tool Works公司購得的METALLOY X-CEL?焊接電極中發(fā)現(xiàn)的其他穩(wěn)定成分、焊藥成分和合金成分。
[0026]另外，在此公開的管狀焊絲50的實施例可以包括設置在顆粒狀內芯54中的有機穩(wěn)定劑。有機穩(wěn)定劑可以是包括一種或多種堿金屬離子(例如I族:鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs))或堿土金屬離子(例如II族:鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)或鋇(Ba))的任何有機分子。也就是說，在某些實施例中，有機穩(wěn)定劑包括有機亞成分(例如有機分子或聚合物)，其中包括碳、氫和氧并且可以化學地(例如共價或離子地)結合堿金屬或堿土金屬離子。在另一些實施例中，有機穩(wěn)定劑可以包括已經(jīng)跟堿金屬和/或堿土金屬鹽(例如氧化鉀、硫酸鉀、氧化鈉等)相混合(例如并未化學結合)的有機亞成分(例如有機分子或聚合物譬如纖維素)。
[0027]作為具體的示例，在某些實施例中，有機穩(wěn)定劑可以是基于纖維素(例如纖維素類)的成分，其中包括已經(jīng)衍生形成鈉鹽或鉀鹽的纖維素鏈(例如羧甲基纖維素鈉或羧甲基纖維素鉀)。例如，在某些實施例中，基于纖維素的有機穩(wěn)定劑可以是置換度(DS)范圍在約0.5到約2.5之間的羧甲基纖維素鈉。通常，纖維素衍生物的DS可以是在O到3之間的實數(shù)，表示多糖的每一個單體單元內取代羥基部分的平均數(shù)。在另一些實施例中，有機穩(wěn)定劑可以是包括一個或多個I族/11族離子的其他有機分子。例如，在某些實施例中，有機穩(wěn)定劑可以包括衍生糖(例如衍生的蔗糖、葡萄糖等)或多糖，其中具有可供用于形成堿金屬或堿土金屬鹽的一個或多個羧酸或硫酸鹽部分。在另一些實施例中，有機穩(wěn)定劑可以包括類皂分子(例如十二烷基硫酸鈉或硬脂酸鈉)或者藻酸鹽。另外，在某些實施例中，有機穩(wěn)定劑以重量計可以占據(jù)顆粒狀內芯54的小于約10%、約0.05%到約5%之間、約0.1%到約3%之間、約0.25%到約2.5%之間、約0.5%到約1.5%之間或者約1%。另外，在某些實施例中，有機穩(wěn)定劑以重量計可以占據(jù)管狀焊絲50的小于約5%、約0.05%到約3%之間、約0.08%到約2%之間、約0.1%到約1%之間或者約0.15%。
[0028]應該意識到管狀焊絲50的有機穩(wěn)定劑成分能夠被保持在適當?shù)乃揭允沟每梢栽诤富「浇峁?例如富含氫的)還原性環(huán)境而且不會向焊縫內引入明顯的孔隙度。進一步應該意識到正如在此公開的那樣，將有機分子用作把至少一部分I族/11族離子送往焊弧的輸送工具可能無法廣泛使用，原因在于有機分子在電弧條件下可以生成氫氣，這會導致用于軟鋼時的多孔和/或焊接不牢。但是，如下所述，利用在此公開的有機穩(wěn)定劑即使在涂覆(例如鍍鋅)工件和/或薄工件上以高行進速度焊接時也能提供高質量的焊縫(例如低孔隙度的焊縫)。
[0029]另外，在此公開的管狀焊絲50的實施例還可以包括設置在顆粒狀內芯54中的含碳成分。例如，存在于顆粒狀內芯54和/或金屬套管52內的碳源可以有多種形式并且可以穩(wěn)定電弧34和/或增加焊縫的碳含量。例如，在某些實施例中，石墨、石墨烯、納米管、富勒碳和/或類似基本為sp2雜化的碳源可以被用作管狀焊絲50內的碳源。而且，在某些實施例中，石墨烯或石墨還可以被用于提供可能存在于碳板之間孔隙空間內的其他成分(例如水分、氣體、金屬等)。在另一些實施例中，基本為sp3雜化的碳源(例如微米或納米金剛石、碳納米管、巴克球)可以被用作碳源。在又一些實施例中，無定形碳(例如碳黑、燈黑、煙灰和/或類似的無定形碳源)可以被用作碳源。而且，盡管本公開可以將這種成分稱作“碳源”，但是應該意識到碳源也可以是能夠包含非碳元素(例如氧、鹵素、金屬等)的化學改性碳源。例如，在某些實施例中，管狀焊絲50可以在能夠包含約20%錳含量的顆粒狀內芯54中包括碳黑成分。在某些實施例中，管狀焊絲50的碳成分可以是粉末狀或顆粒狀的石墨。另外，在某些實施例中，碳成分以重量計可以占據(jù)顆粒狀內芯54的小于約10%、約0.01%到約5%之間、約0.05%到約2.5%之間、約0.1%到約1%之間或者約0.5%。在某些實施例中，碳成分以重量計可以占據(jù)管狀焊絲50的小于約5%、約0.01%到約2.5%之間、約0.05%到約
0.1%之間或者約0.08%O
[0030]此外，除了上述的有機穩(wěn)定劑以外，管狀焊絲50還可以包括用于進一步穩(wěn)定電弧34的一種或多種無機穩(wěn)定劑。也就是說，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括I族和2族元素(例如L1、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba)的一種或多種化合物。示例性化合物的非限制性列表包括I族(也就是堿金屬)和2族(也就是堿土金屬)的硅酸鹽、鈦酸鹽、碳酸鹽、齒化物、磷酸鹽、硫化物、氫氧化物、氧化物、高錳酸鹽、齒化硅、長石、銫榴石、輝鑰礦和鑰酸鹽。例如，在一個實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括鈦酸錳鉀、硫酸鉀、鈉長石、鉀長石和/或碳酸鋰。作為具體的示例，顆粒狀內芯54可以包括硅酸鉀、鈦酸鉀、藻酸鉀、碳酸鉀、氟化鉀、磷酸鉀、硫化鉀、氫氧化鉀、氧化鉀、高錳酸鉀、氟硅酸鉀、鉀長石、鑰酸鉀或其組合作為鉀源。發(fā)明名稱為“STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES”的美國專利US7087860和發(fā)明名稱為“STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRE”的美國專利US6723954中介紹了可以使用的穩(wěn)定化合物的類似示例，為了所有的目的而通過全文引用將這兩篇文獻并入。[0031]此外，對于在此公開的管狀焊絲50的某些實施例，燒結物或熔塊形式的顆粒狀內芯54中可以包括一種或多種無機穩(wěn)定劑。也就是說，管狀焊絲50的某些實施例可以包括上述燒結物或熔塊形式的可以在焊接期間穩(wěn)定電弧的一種或多種無機穩(wěn)定劑。如本文所用的術語“燒結物”或“熔塊”是指已在煅燒爐或烤爐內燒制或加熱以使混合物中的成分彼此間緊密接觸的化合物的混合物。應該意識到燒結物跟用于構成燒結物的混合物中的個別成分相比可以具有略微或明顯不同的化學性質和/或物理性質。例如，如本發(fā)明所公開的燒結跟未燒結的材料相比可以提供更加適用于焊接環(huán)境的熔塊。
[0032]在某些實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括一種或多種堿金屬或堿土金屬化合物(例如氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂或其他合適的堿金屬或堿土金屬化合物)的燒結物。在另一些實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括堿金屬或堿土金屬化合物和其他氧化物(例如二氧化硅、二氧化鈦、二氧化錳或其他合適的金屬氧化物)的燒結物。例如，管狀焊絲50的一個實施例可以包括燒結的鉀源，其中包括氧化鉀、硅石和氧化鈦的混合物。作為進一步的示例，管狀焊絲50的另一個實施例在顆粒狀內芯54中可以包括另一種穩(wěn)定燒結物，其中具有氧化鉀(例如以重量計在約22%到25%之間)、氧化硅(例如以重量計在約10%到18%之間)、二氧化鈦(例如以重量計在約38%到42%之間)以及氧化錳或二氧化錳(例如以重量計在約16%到22%之間)的混合物。在某些實施例中，燒結物可以包括以重量計在約5%到75%之間的堿金屬和/或堿土金屬化合物(例如氧化鉀、氧化鈣、氧化鎂或者其他合適的堿金屬和/或堿土金屬化合物)，或者包括以重量計在約5%到95%之間的堿金屬和/或堿土金屬(例如鉀、鈉、鈣、鎂或者其他合適的堿金屬和/或堿土金屬)。此外，在某些實施例中，選擇存在于燒結混合物中的每一種成分的相對含量時也可以考慮其他的化學和/或物理因素(例如燒結物的最大堿金屬和/或堿土金屬負載、酸度、穩(wěn)定性和/或吸濕性)。另外，在某些實施例中，燒結物以重量計可以占據(jù)顆粒狀內芯54的小于約10%、約0.1%到約6%之間、約0.25%到約2.5%之間、約0.5%到約1.5%之間或者約1%。在某些實施例中，燒結物以重量計可以占據(jù)管狀焊絲50的小于約5%、約0.05%到約2.5%之間、約0.1%到約0.5%之間或者約0.15%。
[0033]另外，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54還可以包括用于控制焊接過程的其他成分。例如，稀土元素主要可以影響電弧34的穩(wěn)定性和傳熱特性。因此，在某些實施例中，管狀焊絲50可以包括稀土成分例如稀土娃化物(譬如可以從Illinois州的Miller and Companyof Rosemont購得)，其中可以包括稀土元素(例如鈰和鑭)以及其他的非稀土元素(例如鐵和硅)。在另一些實施例中，包括鈰和鑭的任意材料(例如鎳鑭合金)可以按不會破壞本發(fā)明方法效果的數(shù)量來使用。作為具體的示例，在某些實施例中，稀土成分以重量計可以占據(jù)顆粒狀內芯54的小于約10%、約0.01%到約8%之間、約0.5%到約5%之間、約0.25%到約4%之間、約1%到約3%之間、約0.75%到約2.5%之間或者約2%。在某些實施例中，稀土成分以重量計可以占據(jù)管狀焊絲50的小于約5%、約0.01%到約2.5%之間、約0.1%到約
0.75%之間或者約0.3%ο
[0034]進一步地，管狀焊絲50可以附加或可選地包括其他的元素和/或礦物質以提供電弧的穩(wěn)定性和控制所得焊縫的化學成分。例如，在某些實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54和/或金屬套管52可以包括某些元素(例如鈦、錳、鋯、氟或其他元素)和/或礦物質(例如黃鐵礦、磁鐵礦等)。作為具體的示例，某些實施例在顆粒狀內芯54中可以包括硅化鋯、鎳鋯或者鈦、鋁和/或鋯的合金。具體地，包括各種硫化物、硫酸鹽和/或亞硫酸鹽化合物(例如二硫化鑰、硫化鐵、亞硫酸錳、硫酸鋇、硫酸鈣或硫酸鉀)的含硫化合物或者含硫化合物或礦物質(例如黃鐵礦、石膏或類似含硫物質)均可被包含在顆粒狀內芯54中以通過改進焊道形狀和有助于焊渣脫離來提高所得焊縫的質量，這一點在如下所述焊接鍍鋅工件時特別有效。進一步地，在某些實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括多種硫源(例如亞硫酸錳、硫酸鋇和黃鐵礦)，而管狀焊絲50的其他實施例可以僅包括單種硫源(例如硫酸鉀)且不包括有效含量的另一種硫源(例如黃鐵礦或硫化鐵)。例如，在一個實施例中，管狀焊絲50的顆粒狀內芯54可以包括以重量計約0.01%到0.5%之間或者約0.2%的硫酸鉀。
[0035]一般而言，管狀焊絲50通常可以穩(wěn)定用于工件22的電弧34的形成。因此，公開的管狀焊絲50可以改進焊接過程的不止一個方面(例如熔敷速率、行進速度、濺射、焊道形狀、焊縫質量等)。進一步應該意識到改善了穩(wěn)定性的電弧34基本上可以實現(xiàn)并改進涂覆金屬工件和較薄工件的焊接。例如，在某些實施例中，涂覆金屬的工件可以包括鍍鋅、鍍鋅退火(例如鍍鋅和退火的組合)或者類似的鍍鋅工件。示例性涂覆工件的非限制性列表進一步包括浸潰、涂鍍(例如鍍鎳、鍍銅、鍍錫或利用類似金屬電鍍或化學鍍)、鍍鉻、涂覆亞硝酸鹽、鍍鋁或摻碳的工件。例如，在鍍鋅工件的情況下，在此公開的管狀焊絲50基本上可以改善穩(wěn)定性并控制電弧34的熔深以使得能夠跟工件22外面的鋅涂層無關地實現(xiàn)良好的焊接。另外，通過改善電弧34的穩(wěn)定性，公開的管狀焊絲50跟使用其他焊接電極可以達到的效果相比基本上可以實現(xiàn)更薄工件的焊接。例如，在某些實施例中，公開的管狀焊絲50可以被用于焊接厚度約為14-、16-、18-、20-、22-、24-gauge的金屬或者甚至是更薄的工件。例如，在某些實施例中，公開的管狀焊絲50可以實現(xiàn)厚度小于約5mm、小于3mm或者甚至是小于約1.5mm的工件的焊接。
[0036]進一步地，在此公開的管狀焊絲50實現(xiàn)了以超過30或者甚至是40英寸/分鐘的行進速度進行焊接(例如焊接厚度很薄的鍍鋅鋼)。例如，管狀焊絲50能夠輕易地以高于40英寸/分鐘(例如35或45英寸/分鐘)的行進速度實現(xiàn)低焊接孔隙度的高質量角焊。也就是說，在此公開的管狀焊絲50跟其他的固體芯、金屬芯或藥芯的焊絲相比可以實現(xiàn)更高的行進速度(例如高出50%到75%)。應該意識到更高的行進速度可以實現(xiàn)(例如生產(chǎn)線上)更高的生產(chǎn)率并降低成本。另外，在此公開的管狀焊絲50利用寬工作處理窗口表現(xiàn)出良好的間隙控制并且提供了出色的焊接性質(例如強度、延展性、外觀等)。進一步地，管狀焊絲50跟其他的固體芯、金屬芯或藥芯的焊絲相比基本上產(chǎn)生的煙霧和濺射都更少。
[0037]此外，公開的管狀焊絲50還可以跟某些焊接方法或技術(例如焊接電極在焊接操作期間以特定的方式移動的技術)相結合從而可以進一步增強焊接系統(tǒng)10用于特定類型工件的魯棒性。例如，在某些實施例中，焊槍18可以被設置為將電極在焊槍18內以期望的模式(例如圓形、自旋弧或蛇形的模式)循環(huán)或周期性地移動，目的是為了將電弧34保持在管狀焊絲50和工件22之間(例如僅保持在管狀焊絲50的套管52和工件22之間)。作為具體的示例，在某些實施例中，公開的管狀焊絲50可以跟例如在申請?zhí)枮?1/576，850且發(fā)明名稱為 “DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM” 的美國臨時專利申請、申請?zhí)枮?3/681，687且發(fā)明名稱為“DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATINGARC WELDING METHOD AND SYSTEM”的美國專利申請以及申請?zhí)枮?1/676，563且發(fā)明名稱為 “ADAPTABLE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM” 的美國臨時專利申請中介紹的焊接方法一起使用，為了所有的目的而通過全文引用將上述所有文獻并入本文。應該意識到這樣的焊接技術在如上所述焊接薄工件(例如具有20-、22_或24-gauge的厚度)時可以特別有效。
[0038]圖3示出了工藝60的實施例，通過這種工藝即可利用公開的焊接系統(tǒng)10和管狀焊絲50來焊接工件22。圖示的工藝60以將管狀焊接電極50 (也就是管狀焊絲50)輸送至焊接裝置(例如焊槍18)開始(模塊62)。如上所述，在某些實施例中，管狀焊絲50可以包括一種或多種有機穩(wěn)定劑成分(例如羧甲基纖維素鈉)、一種或多種含碳成分(例如石墨粉末)以及一種或多種稀土成分(例如稀土硅化物)。另外，管狀焊絲50可以具有在約
0.024英寸到約0.062英寸之間、在約0.030英寸到約0.060英寸之間、在約0.035英寸到約0.052英寸之間或者約為0.040英寸的外徑。還應該意識到在某些實施例中，焊接系統(tǒng)10可以用適當?shù)乃俾瘦斔凸軤詈附z50以實現(xiàn)大于30英寸/分鐘或大于40英寸/分鐘的行進速度。
[0039]另外，工藝60包括在焊接裝置的接觸端(例如焊槍18的接觸端)附近提供保護氣流(例如100%的氬氣、100%的二氧化碳、75%的氬氣/25%的二氧化碳、90%的氬氣/10%的二氧化碳或者類似的保護氣流)(模塊64)。在另一些實施例中，可以使用未采用供氣系統(tǒng)(例如圖1所示的供氣系統(tǒng)16)的焊接系統(tǒng)并且管狀焊絲50的一種或多種成分(例如碳酸鉀)可以分解以提供保護氣成分(例如二氧化碳)。
[0040]接下來，管狀焊絲50可以被送到工件22附近以在管狀焊絲50和工件22之間激發(fā)并維持電弧34 (模塊66)。應該意識到電弧34可以利用例如GMAW系統(tǒng)10所用的DCEP、DCEN、直流可變極性、脈沖直流、平衡或非平衡的交流輸出結構來生成。一旦電弧34已經(jīng)被建立用于工件22，一部分管狀焊絲50 (例如填料金屬或合金成分)即可被輸送到工件22表面上的熔池內以形成焊縫熔敷的焊道(模塊68)。同時，管狀焊絲50中其余的成分可以從管狀焊絲50釋放以用作穩(wěn)弧劑、造渣劑和/或脫氧劑從而控制電弧的電氣特性以及焊縫熔敷最終的化學和機械性質(模塊70)。
[0041]作為具體示例，我們確信對于某些實施例，有機穩(wěn)定劑中的I族或II族金屬(例如鉀離子或鈉離子)通?？梢詮挠袡C穩(wěn)定劑中分離并提供用于電弧的穩(wěn)定效應。同時，我們確信有機部分(例如至少包括碳和氫，而且可能也包括氧)可以在電弧條件下分解以在焊接位置或附近提供還原性(例如富含氫的)氛圍。因此，盡管尚不能通過理論加以限定，但是我們確信通過所得的還原性氛圍并且還可以跟在此公開的I族/11族穩(wěn)定金屬、稀土成分、循環(huán)動作等相結合即可提供一種即使在焊接涂覆工件或執(zhí)行間隙填充時也能實現(xiàn)高行進速度和低孔隙度的焊接解決方案。例如，在某些實施例中，管狀焊絲50通?？梢詫崿F(xiàn)較薄工件以及噴涂、鍍鋅退火、涂鍍、鍍鋁、鍍鉻、摻碳或其他類似涂覆工件的焊接。例如，在此公開的管狀焊絲50的某些實施例可以實現(xiàn)焊接厚度小于5mm或小于4mm的工件、或者厚度約1.3mm或1.2mm的工件的焊接，同時即使在執(zhí)行間隙填充(例如l_3mm的間隙填充)時仍然保持高行進速度(例如超過30英寸/分鐘)和低孔隙度。
[0042]表I中列出了使用公開的管狀焊絲50的實施例根據(jù)工藝60執(zhí)行的示例性全焊金屬焊接實驗的結果。應該意識到表I中示出的焊接化學成分表示焊接金屬中的某些成分(例如約占總焊接金屬的3%)，其余的百分比部分則由鐵提供。如表I所示，用于所得焊縫的卻貝V槽值在約-30°c下是約35ft.1bs并且在約-40°c下是約24ft.lbs。在某些實施例中，利用公開的管狀焊絲50形成的焊接卻貝V槽值范圍通?？梢栽诩s20ft.1bs到約45ft.1bs之間。另外，對于表1所示的實驗，得到的焊縫(例如在伸展20%時)提供了約為116千磅/平方英寸(kpsi)的最終抗拉強度(UTS)以及約為105kpsi的屈服強度(YS)。在某些實施例中，利用公開的管狀焊絲50形成的焊縫可以具有范圍在約IOOkpsi到約130kpsi之間的UTS以及范圍在約95kpsi到約115kpsi之間的YS和/或約10%到約40%的伸展。
[0043]而且，應該意識到本發(fā)明的方法即使在焊接涂覆工件時也能實現(xiàn)在高行進速度(例如超過30英寸/分鐘或40英寸/分鐘)下獲得低孔隙度(例如低表面孔隙度和/或低總孔隙度)的焊縫。在某些實施例中，由本發(fā)明公開的管狀焊絲50實現(xiàn)的低孔隙度可以提供基本無細孔的焊縫。在另一些實施例中，公開的管狀焊絲50可以提供僅有彼此分離的距離大于或等于每一個氣孔相應直徑的小孔隙或小氣孔(例如直徑小于約1.6mm)的低孔隙度焊縫。此外，在某些實施例中，孔隙度可以表示為沿某一方向(例如沿焊縫軸線)在焊縫的每一段距離上出現(xiàn)的氣孔的直徑之和。對于這樣的實施例，焊縫可以具有小于約0.3英寸/英寸焊縫、小于約0.25英寸/英寸焊縫、小于約0.2英寸/英寸焊縫或者小于約0.1英寸/英寸焊縫的孔隙度。應該意識到焊縫的孔隙度可以利用X射線分析、顯微鏡分析或其他合適的方法來測量。
【權利要求】
1.一種管狀焊絲，包括: 套管和內芯，其中內芯包括有機穩(wěn)定劑的成分，其中所述有機穩(wěn)定劑的成分包括被設置用于在焊接期間在工件表面附近釋放氫的有機亞成分，并且其中所述有機穩(wěn)定劑的成分進一步包括I族金屬、II族金屬或其組合。
2.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述有機穩(wěn)定劑的成分以重量計構成內芯的小于約10%或者以重量計構成管狀焊絲的小于約5%。
3.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述有機穩(wěn)定劑的成分以重量計構成內芯的約0.05%到約5%或者以重量計構成管狀焊絲的約0.01%到約4%。
4.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述I族金屬、II族金屬或其組合被化合到所述有機穩(wěn)定劑成分的有機亞成分中。
5.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中有機亞成分是聚合體。
6.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述有機穩(wěn)定劑包括藻酸鹽或硬脂酸鹽。
7.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述有機穩(wěn)定劑的成分包括羧甲基纖維素的I族或II族金屬鹽。
8.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內芯包括由鈰、鑭或其組合構成的稀土成分，并且其中所述稀土成分以重量計構成內芯的小于約10%或者以重量計構成管狀焊絲的小于約5%。
9.如權利要求9所述的管狀焊絲，其中所述稀土成分以重量計構成內芯的約0.5%到約5%或者以重量計構成管狀焊絲的約0.01%到約2.5%。
10.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內芯包括由石墨、石墨烯、碳黑、燈黑、碳納米管、金剛石或其組合構成 的含碳成分，并且其中所述含碳成分以重量計構成內芯的小于約10%或者以重量計構成管狀焊絲的小于約5%。
11.如權利要求10所述的管狀焊絲，其中所述含碳成分以重量計構成內芯的約0.01%到約5%或者以重量計構成管狀焊絲的約0.01%到約2.5%。
12.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內芯包括由一種或多種I族或II族金屬、鈦和錳中每一種的氧化物構成的燒結物，并且其中所述燒結物以重量計構成內芯的小于約10%或者以重量計構成管狀焊絲的小于約5%。
13.如權利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內芯以重量計構成管狀焊絲的約7%到約40%，并且其中所述有機穩(wěn)定劑的成分以重量計構成內芯的小于約10%。
14.一種管狀焊絲，包括: 套管和內芯，其中所述內芯包括稀土硅化物的成分，并且其中所述稀土硅化物包括鈰、鑭或其組合。
15.如權利要求14所述的管狀焊絲，其中所述稀土成分以重量計構成管狀焊絲的約0.1% 到約 5%O
16.如權利要求14所述的管狀焊絲，其中所述內芯包括: 由結合一種或多種I族或II族金屬的一種或多種有機分子或有機聚合物構成的有機穩(wěn)定劑成分； 由石墨、石墨烯、碳黑、燈黑、碳納米管、金剛石或其組合構成的含碳成分；以及 由一種或多種I族或II族金屬、鈦和錳的氧化物構成的燒結物。
17.一種管狀焊絲，被設置用于焊接涂覆金屬的工件，其中所述管狀焊絲被設置為以大于約30英寸/分鐘的行進速度提供孔隙度小于約0.25英寸/英寸焊縫的焊縫。
18.如權利要求17所述的管狀焊絲，其中孔隙度小于約0.10英寸/英寸焊縫。
19.如權利要求17所述的管狀焊絲，其中所述焊縫在約-40°F下具有大于約20ft.1bs的卻貝V槽韌性并且在約-30° F下具有大于約30ft.1bs的卻貝V槽韌性。
20.一種管狀焊絲，權利要求1-13所述的任意一個技術特征或者任意技術特征的組八口 ο
21.一種管狀焊絲，權利要求14-16所述的任意一個技術特征或者任意技術特征的組口 ο
22.—種管狀焊絲，權利要求17-19所述的任意一個技術特征或者任意技術特征的組口 ο
【文檔編號】B23K35/40GK103920965SQ201310681757
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權日:2013年1月16日
【發(fā)明者】史蒂芬·巴霍斯特, 馬里奧·阿馬塔, 凱文·帕加諾 申請人:霍伯特兄弟公司