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(hù)金屬極電弧焊(GMAW)或藥芯焊絲電弧焊(FCAW)的焊絲。在一個(gè)實(shí)施例中，一種管狀焊絲包括套管和內(nèi)芯。而且，所述內(nèi)芯包括碳源以及含有I族或II族化合物、二氧化硅和二氧化鈦的燒結(jié)物。另外，碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的小于10％的重量。
【專利說(shuō)明】用于焊接電極的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年4月17日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/625，488且發(fā)明名稱為“SYSTEMSAND METHODS FOR WELDING ELECTRODES(用于焊接電極的系統(tǒng)和方法)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)及其受益權(quán)，在此以參見方式引入其全部?jī)?nèi)容以用于所有目的。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[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(hù)金屬極電弧焊(GMAff)或藥芯焊絲電弧焊(FCAW)的電極。

【背景技術(shù)】
[0004]焊接是一種已經(jīng)在很多行業(yè)普及的用于多種應(yīng)用場(chǎng)合的過(guò)程。例如，經(jīng)常要在例如造船、海上平臺(tái)、建筑物、軋管機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合使用焊接。某些焊接技術(shù)(例如氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)、氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊(FCAW-G)和氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW))通常使用保護(hù)氣(例如氬氣、二氧化碳或氧氣)以于焊接過(guò)程期間在焊弧和熔池內(nèi)及其周圍提供特定的局部氛圍，而另一些焊接技術(shù)(例如藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)和自動(dòng)保護(hù)金屬極電弧焊(SMAW))則并沒(méi)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^(guò)程期間提供用于焊縫的填料金屬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(guò)程和/或所得焊縫性質(zhì)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(nèi)容】

[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，一種管狀焊絲包括套管和內(nèi)芯。而且，所述內(nèi)芯包括碳源以及含有I族或II族化合物、二氧化硅和二氧化鈦的燒結(jié)物(agglomerate)。另外，碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的小于10%的重量。
[0006]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種含有碳源的粒狀焊絲內(nèi)芯包括石墨、炭黑或燈黑。而且，粒狀內(nèi)芯包括含有氧化鉀或氧化鈉、二氧化硅、二氧化鈦和氧化錳的燒結(jié)物。另外，碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的小于10%的重量。
[0007]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種制作管狀焊絲的方法包括在金屬套管內(nèi)放置內(nèi)芯。內(nèi)芯包括碳源和燒結(jié)物。而且，燒結(jié)物包括下述每一種元素的至少一種氧化物:1族或II族金屬、硅和錳。另外，碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成管狀焊絲的小于10%的重量。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]本發(fā)明的各種特征、應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)將在參照附圖閱讀以下的詳細(xì)說(shuō)明時(shí)得到更好的理解，其中同樣的附圖標(biāo)記在附圖中始終表示相同的部件，在附圖中:
[0009]圖1是根據(jù)本公開實(shí)施例得到的氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)系統(tǒng)的框圖；
[0010]圖2是根據(jù)本公開實(shí)施例得到的管狀焊接電極的截面圖；
[0011]圖3是根據(jù)本公開實(shí)施例得到的一種過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程即可將管狀焊接電極用于焊接工件；以及
[0012]圖4是根據(jù)本公開實(shí)施例得到的一種用于制作管狀焊接電極的過(guò)程。

【具體實(shí)施方式】
[0013]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(guò)程和/或所得焊縫性質(zhì)的一種或多種成分(例如焊藥、穩(wěn)弧劑或其他添加劑)。例如，本發(fā)明的焊接電極實(shí)施例可以包括穩(wěn)定劑例如碳化合物、堿金屬化合物、堿土金屬化合物、稀土化合物等。另外，如下所述，公開的焊接電極中的某些穩(wěn)定成分能夠以燒結(jié)物的形式存在于焊接電極的內(nèi)芯中。正如以下詳細(xì)介紹的那樣，將一種或多種穩(wěn)定成分設(shè)置為燒結(jié)物就使穩(wěn)定化合物能夠以比非燒結(jié)物狀的化合物更好地適用于焊接環(huán)境的形式輸送。例如，在某些實(shí)施例中，公開的電弧穩(wěn)定成分可以提供“軟電弧(soft arc)”，所述軟電弧通常能夠向工件提供適當(dāng)?shù)臒崃恳匀刍ぜ母鱾€(gè)部分和/或氣化甚至是薄工件的涂層(例如鍍鋅工件的鋅涂層)而不會(huì)導(dǎo)致燒穿。在某些實(shí)施例中，由本發(fā)明公開的焊接電極中的一種或多種穩(wěn)定劑提供的“軟電弧”可以實(shí)現(xiàn)無(wú)涂層和有涂層(例如鍍覆、鍍鋅、噴涂、鍍鋁、滲碳或類似涂覆)工件的焊接改善。另外，本發(fā)明的方法可以有效用于焊接較薄的工件，例如厚度小于16gauge(0.051英寸)、小于20gauge (0.032英寸)、小于22gauge (0.25英寸)或約為24gauge (0.02英寸)的工件。
[0014]應(yīng)該意識(shí)到如本文所用的術(shù)語(yǔ)“管狀焊接電極”或“管狀焊絲”可以指代具有金屬套管和粒狀或粉末狀內(nèi)芯的任意焊絲或電極，例如金屬內(nèi)芯或藥芯的焊接電極和焊絲。還應(yīng)該意識(shí)到術(shù)語(yǔ)“穩(wěn)定劑”通?？梢员挥糜谥复軤詈附z中改善電弧和/或焊縫質(zhì)量的任何成分，例如某些公開的碳源、堿金屬化合物、堿土金屬化合物和稀土化合物。
[0015]轉(zhuǎn)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(hù)金屬極電弧焊(GMAW)系統(tǒng)10的實(shí)施例。應(yīng)該意識(shí)到盡管此處的討論可以具體關(guān)注圖1所示的GMAW系統(tǒng)10，但是本文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(guò)程(例如FCAW、FCAff-G, GTAff, SAW、SMAff或類似的電弧焊過(guò)程)。焊接系統(tǒng)10包括焊接供電單元12、焊接送絲機(jī)14、供氣系統(tǒng)16和焊槍18。焊接供電單元12通常為焊接系統(tǒng)10供電并且可以通過(guò)纜束20耦合至焊接送絲機(jī)14以及利用具有夾頭26的引線電纜24耦合至工件22。在圖示的實(shí)施例中，焊接送絲機(jī)14通過(guò)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(gè)實(shí)施例中，焊接供電單元12可以耦合至焊槍18并直接為焊槍18供電。
[0016]焊接供電單元12通?？梢园◤慕涣麟娫?0 (例如交流電網(wǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組或其組合)接收輸入功率、調(diào)制輸入功率并通過(guò)電纜20提供直流或交流輸出功率的功率轉(zhuǎn)換電路。因此，焊接供電單元12可以根據(jù)焊接系統(tǒng)10的要求給焊接送絲機(jī)14供電，從而相應(yīng)地給焊槍18供電。終止于夾頭26的引線電纜24將焊接供電單元12耦合至工件22以閉合焊接供電單元12、工件22和焊槍18之間的電路。焊接供電單元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(zhuǎn)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(guān)等)。應(yīng)該意識(shí)到本文公開的焊接電極(例如管狀焊絲)能夠針對(duì)多種不同的供電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的改進(jìn)(例如改進(jìn)電弧穩(wěn)定性和/或改進(jìn)焊縫質(zhì)量)。
[0017]圖示的焊接系統(tǒng)10包括從一個(gè)或多個(gè)保護(hù)氣源17向焊槍18提供保護(hù)氣或保護(hù)氣體混合物的供氣系統(tǒng)16。在圖示的實(shí)施例中，供氣系統(tǒng)16通過(guò)導(dǎo)氣管32直接耦合至焊槍18。在另一個(gè)實(shí)施例中，供氣系統(tǒng)16可以改為耦合至送絲機(jī)14，并且送絲機(jī)14可以調(diào)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(hù)氣可以指代能夠?yàn)榱颂峁┨囟ǖ木植糠諊?例如保護(hù)電弧、提高電弧穩(wěn)定性、限制金屬氧化物的形成、改善金屬表面的潤(rùn)濕、改變焊縫熔敷的化學(xué)性質(zhì)等)而提供給電弧和/或熔池的任何氣體或氣體混合物。在某些實(shí)施例中，保護(hù)氣流可以是保護(hù)氣或保護(hù)氣體混合物(例如氬氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)、氮?dú)?N2)、類似合適的保護(hù)氣或其任意的混合物)。例如，(通過(guò)譬如管路32輸送的)保護(hù)氣流可以包括Ar、KrfCO2混合物、Ar/C02/02混合物、Ar/He混合物等。例如，在某些實(shí)施例中，保護(hù)氣可以是75 %的Ar和25 %的CO2的混合物或者是90 %的Ar和10%的CO2的混合物。
[0018]因此，圖示的焊槍18通常是接納焊接電極(也就是管狀焊絲)、接收來(lái)自焊接送絲機(jī)14的電力以及來(lái)自供氣系統(tǒng)16的保護(hù)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(guò)控制焊接電極(也就是管狀焊絲)的組成即可改變電弧34和/或得到的焊縫(例如組成和物理特性)的化學(xué)性質(zhì)。例如，焊接電極可以包括能夠影響焊縫機(jī)械性質(zhì)的焊藥和/或合金成分。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(hù)氛圍，影響電弧的傳導(dǎo)性質(zhì)和/或給工件表面脫氧等。
[0019]圖2示出了本發(fā)明公開的焊絲實(shí)施例的截面圖。圖2示出的管狀焊絲50包括封裝粒狀或粉末狀內(nèi)芯54的金屬套管52。金屬套管52可以由任意合適的金屬或合金(例如高碳鋼、低碳鋼或其他合適的金屬或合金)制成。應(yīng)該意識(shí)到由于金屬套管52通?？梢蕴峁┯糜诤缚p的一部分填料金屬，因此金屬套管52的組成可以影響所得焊縫的組成。所以金屬套管52可以包括能夠選擇用于提供期望焊縫性質(zhì)的添加劑或雜質(zhì)(例如碳、堿金屬、錳、鎳、銅或者類似的化合物或元素)。
[0020]圖示管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54通?？梢允菈嚎s粉末，其組成如下所述可以包括一種或多種穩(wěn)定成分。例如，為了穩(wěn)定電弧34，粒狀內(nèi)芯54的某些實(shí)施例可以包括碳源、堿金屬化合物或燒結(jié)物、堿土金屬化合物或燒結(jié)物以及稀土化合物中的一種或多種。而且，在某些實(shí)施例中，穩(wěn)定劑(例如碳源和一種或多種穩(wěn)定燒結(jié)物)可以占據(jù)粒狀內(nèi)芯約10%的重量或更少。粒狀內(nèi)芯54的各種成分可以均質(zhì)或非均質(zhì)地(例如成塊或成團(tuán)56地)分布在粒狀內(nèi)芯54中。正如以下詳細(xì)闡述的那樣，粒狀內(nèi)芯54中的一種或多種穩(wěn)定成分(例如一種或多種堿金屬化合物和/或堿土金屬化合物)可以用燒結(jié)物或熔塊的形式設(shè)置在粒狀內(nèi)芯54內(nèi)。另外，對(duì)于某些焊接電極的實(shí)施例(譬如金屬芯焊接電極)，粒狀內(nèi)芯54可以包括能夠?yàn)楹缚p提供至少一部分填料金屬的一種或多種金屬(例如鐵、鎳、銅、高碳鐵粉末、鑰鐵合金粉末或其他合適的金屬)。可以存在于管狀焊絲50內(nèi)的其他成分的示例包括例如能夠在可從Illinois Tool Works公司購(gòu)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。
[0021]一般地說(shuō)，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50內(nèi)的穩(wěn)定劑組合(例如一種或多種碳源、堿金屬化合物、堿土金屬化合物和/或稀土化合物)相對(duì)于粒狀內(nèi)芯54或整個(gè)管狀焊絲50的總百分比可以在約0.01%的重量到約10%的重量之間。例如，在某些實(shí)施例中，一種或多種穩(wěn)定劑的組合相對(duì)于粒狀內(nèi)芯54或整個(gè)管狀焊絲50的總百分比可以在約0.01%的重量到約8%的重量之間、在約0.05%的重量到約5%的重量之間或者在約0.1 %的重量到約4%的重量之間。應(yīng)該意識(shí)到在有電弧34的條件下，焊絲的組件(例如金屬套管52、粒狀內(nèi)芯54等)可以改變物理狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)(例如氧化、分解等)或者變成基本上未被焊接過(guò)程改性地熔入焊縫中。
[0022]存在于粒狀內(nèi)芯54和/或金屬套管52內(nèi)的碳源可以有多種形式并且可以穩(wěn)定電弧34和/或增加焊縫中的碳含量。例如，在某些實(shí)施例中，石墨、石墨烯、納米管、富勒烯或類似基本為Sp2雜化的碳源均可被用作管狀焊絲50內(nèi)的碳源。而且，在某些實(shí)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(nèi)的其他成分(例如水分、氣體、金屬等)。在另一些實(shí)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(shí)施例中，基本為無(wú)定形的碳(例如炭黑、燈黑、煙灰或類似的無(wú)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(yīng)該意識(shí)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(xué)改性碳源。例如，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50可以(例如在粒狀內(nèi)芯54和/或金屬套管54內(nèi))包括炭黑碳源，其中可以包含約20%的錳含量。另外，在某些實(shí)施例中，碳源以重量計(jì)可以占據(jù)粒狀內(nèi)芯54的約0.01%到9.9%之間、約0.05%到5%之間、約0.1%到3%之間、約0.25%到2%之間、約0.4%到I %之間或者約0.5%。
[0023]另外，管狀焊接電極50還可以包括用于穩(wěn)定電弧34的一種或多種堿金屬和/或堿土金屬化合物。也就是說(shuō)，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54可以包括一種或多種I族和2族元素，也就是鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)或鋇(Ba)的化合物。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、鈦酸錳鹽、藻酸鹽、碳酸鹽、齒化物、磷酸鹽、硫化物、氫氧化物、氧化物、高錳酸鹽、硅齒化物、長(zhǎng)石、銫榴石、輝鑰礦和鑰酸鹽。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54可以包括鈦酸錳鉀、硫酸鉀、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和/或碳酸鋰。發(fā)明名稱為“STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES”的美國(guó)專利US7087860和發(fā)明名稱為“STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRE”的美國(guó)專利US6723954中介紹了可以使用的碳源和堿金屬化合物的類似示例，這兩篇文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容以參見方式被引入以用于所有目的。此外，在某些實(shí)施例中，上述的I族和2族化合物可以直接設(shè)置在管狀焊絲50的內(nèi)芯54中，而在另一些實(shí)施例中，上述的I族和2族化合物可以被用于形成燒結(jié)物，正如以下詳細(xì)闡述的那樣。應(yīng)該意識(shí)到某些上述的化合物可以在結(jié)塊過(guò)程期間轉(zhuǎn)化為另一種類型的化合物(例如碳酸鉀可以變成氧化鉀)。
[0024]另外，管狀焊絲50還可以包括其他的穩(wěn)定成分。具體地，稀土化合物(例如稀土硅化物、稀土氧化物等)主要可以為電弧34提供穩(wěn)定性并且可以影響所得焊縫的性質(zhì)。因此，本發(fā)明公開的焊絲的某些實(shí)施例可以包括一種或多種稀土化合物(例如鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)或其他合適的稀土金屬的化合物)。示例性化合物的非限制性列表包括:稀土硅化物、氧化物、硅酸鹽、鈦酸鹽、藻酸鹽、碳酸鹽、鹵化物、磷酸鹽、硫化物、氫氧化物、高錳酸鹽、齒化硅、長(zhǎng)石、銫榴石、輝鑰礦和鑰酸鹽。例如，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50可以使用稀土硅化物，例如其中可以包括稀土元素(譬如鈰)的(譬如可從伊利諾斯州的Miller and Company of Rosemont公司購(gòu)得的)稀土娃化物。作為進(jìn)一步的示例，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50可以包括一種或多種稀土元素的氧化物(例如氧化鈰、氧化鑭、氧化釤等)以在焊接操作期間為電弧34提供穩(wěn)定性。正如以下詳細(xì)討論的那樣，在某些實(shí)施例中，稀土化合物跟燒結(jié)物(例如堿金屬化合物和/或堿土金屬化合物)結(jié)合使用以為電弧提供組合穩(wěn)定效果。
[0025]進(jìn)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(zhì)以控制所得焊縫的化學(xué)性質(zhì)。例如，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)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(zhì)(例如黃鐵礦、磁鐵礦等)。作為具體的示例，某些實(shí)施例在粒狀內(nèi)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(zhì)(例如黃鐵礦、石膏或類似含硫物質(zhì))均可被包含在粒狀內(nèi)芯54中以通過(guò)改進(jìn)焊道形狀和有助于焊渣脫離來(lái)提高所得焊縫的質(zhì)量，這一點(diǎn)在如下所述焊接鍍鋅工件時(shí)特別有效。進(jìn)一步地，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)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的另一些實(shí)施例可以僅包括單種硫源(例如黃鐵礦或硫化鐵)且不包括有效含量的另一種硫源(例如硫酸鉀)。
[0026]而且，在本發(fā)明公開的管狀焊絲50的某些實(shí)施例中，多種穩(wěn)定成分(例如一種或多種堿金屬化合物和/或堿土金屬化合物)可以存在于粒狀內(nèi)芯54中以作為燒結(jié)物或熔塊。例如，管狀焊絲50的某些實(shí)施例可以包括含有一種或多種堿金屬化合物和堿土金屬化合物以及一種或多種粘合物(例如硅酸鉀、硅酸鈉或其組合)和/或干燥劑(例如氟化鋰)的燒結(jié)物或熔塊。如本文所用的術(shù)語(yǔ)“燒結(jié)物”或“熔塊”是指已在煅燒爐或烤爐內(nèi)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(yīng)該意識(shí)到燒結(jié)物跟用于構(gòu)成燒結(jié)物的混合物中的個(gè)體成分相比可以具有略微或明顯不同的化學(xué)性質(zhì)和/或物理性質(zhì)。例如，在某些實(shí)施例中，混合并隨即在燒制后燒結(jié)的碳酸鉀、沙礫和金紅石可以提供包括氧化鉀、二氧化硅和二氧化鈦混合物的燒結(jié)物。
[0027]正如本發(fā)明公開的那樣，將某些穩(wěn)定成分(例如一種或多種堿金屬化合物、堿土金屬化合物或任意其他合適的穩(wěn)定成分)燒結(jié)為熔塊就能以跟未燒結(jié)化合物相比更好地適用于焊接環(huán)境的形式輸送這些穩(wěn)定化合物。盡管不希望受限于理論，但燒結(jié)物可以改善粒狀內(nèi)芯54的化學(xué)和/或物理性質(zhì)的一種方式是在引入焊弧34的狀態(tài)之前確保燒結(jié)的穩(wěn)定成分保持干燥(例如從大氣或周圍環(huán)境中吸收很少的濕氣或不吸收濕氣)。另外，燒結(jié)物可以改善粒狀內(nèi)芯54的化學(xué)和/或物理性質(zhì)的另一種方式是在輸送至焊弧34之前使穩(wěn)定成分能夠具有特定的相對(duì)比例和局部濃度。
[0028]在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54可以包括含有一種或多種堿金屬化合物(例如氧化鉀、氧化鈉或其他合適的堿金屬化合物)和/或一種或多種堿土金屬化合物(例如氧化鎂、氧化鈣或其他合適的堿土金屬化合物)的燒結(jié)物。例如，在某些實(shí)施例中，粒狀內(nèi)芯54可以包括含有氧化鉀和氧化鈉組合的燒結(jié)物。在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54也還可以包括含有其他氧化物(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)和/或某些干燥劑或粘合劑(例如硅酸鹽、氟化鋰等)的燒結(jié)物。例如，管狀焊絲50的一個(gè)實(shí)施例可以包括含有氧化鉀、二氧化硅和二氧化鈦混合物的燒結(jié)物。作為具體示例，管狀焊絲50的某些實(shí)施例可以在粒狀內(nèi)芯54中包括燒結(jié)物(例如占粒狀內(nèi)芯的約1%到約10%之間，或者占粒狀內(nèi)芯的約2% )，并且燒結(jié)物可以包括氧化鉀(例如占穩(wěn)定燒結(jié)物重量的約22%到約25%之間)、二氧化硅(例如占穩(wěn)定燒結(jié)物重量的約10%到約18%之間)、二氧化鈦(例如占穩(wěn)定燒結(jié)物重量的約38%到約42%之間)以及氧化錳或二氧化錳(例如占穩(wěn)定燒結(jié)物重量的約16%到約22%之間)的混合物。
[0029]在某些實(shí)施例中，管狀焊絲50的粒狀內(nèi)芯54可以包括含有一種或多種堿金屬化合物(例如氧化鉀、氧化鈉或其他合適的堿金屬化合物)以及零種或更多種堿土金屬化合物(例如氧化鎂、氧化鈣或其他合適的堿土金屬化合物)的燒結(jié)物，堿金屬化合物和堿土金屬化合物共同占據(jù)燒結(jié)物約5%到75%之間的重量。在另一些實(shí)施例中，一種或多種堿金屬化合物以及零種或更多種堿土金屬化合物可以占據(jù)燒結(jié)物約5%到95%之間的重量。此夕卜，在某些實(shí)施例中，當(dāng)選擇存在于燒結(jié)物中的每一種成分的相對(duì)含量時(shí)也可以考慮其他的化學(xué)和/或物理因素(例如燒結(jié)物的最大堿金屬和/或堿土金屬負(fù)載、酸度、穩(wěn)定性和/或吸濕性)。另外，在某些實(shí)施例中，燒結(jié)物以重量計(jì)可以占據(jù)粒狀內(nèi)芯54的約0.01%到約9.9%之間、約0.05%到約5%之間、約0.1%到約4%之間、約1%到約3%之間、約1.5%到約2.5%之間或者約2%。
[0030]一般而言，管狀焊絲50通?？梢苑€(wěn)定用于工件22的電弧34的形成。因此，公開的管狀焊絲50可以提高焊接過(guò)程期間的熔敷率同時(shí)減少焊瘤。進(jìn)一步應(yīng)該意識(shí)到改善了穩(wěn)定性的電弧34基本上可以實(shí)現(xiàn)包覆金屬工件的焊接。示例性包覆工件的非限制性列表包括噴涂、密封、鍍鋅、熱鍍鋅、鍍覆(例如鍍鎳、鍍銅、鍍錫或利用類似金屬的電鍍或化學(xué)鍍)、鍍鉻、涂覆亞硝酸鹽、鍍鋁或滲碳的工件。例如，在鍍鋅工件的情況下，本文公開的管狀焊絲50基本上可以改善電弧34的穩(wěn)定性和熔深以使得能夠跟工件22外面的鋅涂層無(wú)關(guān)地實(shí)現(xiàn)良好的焊縫。另外，通過(guò)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(dá)到的效果相比基本上可以實(shí)現(xiàn)更薄工件的焊接。例如，在某些實(shí)施例中，公開的管狀焊絲50可以被用于焊接厚度約為16-、20-、22-、24-gauge的金屬或者甚至是更薄的工件。
[0031]此外，公開的管狀焊絲50還可以跟某些焊接方法或技術(shù)(例如焊接電極在焊接操作期間以特定的方式移動(dòng)的技術(shù))相結(jié)合從而可以進(jìn)一步增強(qiáng)焊接系統(tǒng)10用于特定類型工件的魯棒性。例如，在某些實(shí)施例中，焊槍18可以被設(shè)置為將電極在焊槍18內(nèi)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(dòng)，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(shí)施例中，公開的管狀焊絲50可以跟例如在申請(qǐng)?zhí)枮?3/681，687且發(fā)明名稱為“DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM”的美國(guó)專利申請(qǐng)中介紹的那些焊接方法一起使用，在此以參見方式引入其全部?jī)?nèi)容以用于所有目的。應(yīng)該意識(shí)到這樣的焊接技術(shù)如上所述在焊接薄工件(例如具有16-、20-、22-、24-gauge或者甚至是更薄的厚度)時(shí)可以特別有效。
[0032]圖3示出了工藝60的實(shí)施例，通過(guò)這種工藝即可利用公開的焊接系統(tǒng)10和管狀焊絲50 (例如管狀焊接電極50)來(lái)焊接工件22。圖示的過(guò)程60以將管狀焊接電極50 (也就是焊絲50)輸送至焊接裝置(例如焊槍18)開始(方框62)。另外，過(guò)程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(hù)氣流(例如100%的氬氣、75%的氬氣/25%的二氧化碳、90%的氬氣/10%的氦氣或者類似的保護(hù)氣流)(方框64)。在另一些實(shí)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)并且管狀焊接電極50的一種或多種成分(例如鋁、鐵或氧化鎂)可以提供保護(hù)氣成分。接下來(lái)，管狀焊接電極50可以被送到工件22附近以使得能夠在管狀焊接電極50和工件22之間形成電弧34 (方框66)。應(yīng)該意識(shí)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電源結(jié)構(gòu)來(lái)生成。而且，如上所述，在某些實(shí)施例中，管狀焊接電極50可以根據(jù)特定的模式和/或幾何形狀(例如自旋弧、渦旋模式或蛇形模式)相對(duì)于工件22循環(huán)或周期性地移動(dòng)(方框68)，以使得能夠在焊接過(guò)程期間保持電弧34 (例如基本上保持在管狀焊接電極50的金屬套管52和工件22之間)。另外，在某些實(shí)施例中，管狀焊接電極50和/或管狀焊接電極50在焊接期間的循環(huán)移動(dòng)通?？梢詫?shí)現(xiàn)較薄(例如小于20gauge)工件以及噴涂、鍍鋅、熱鍍鋅、鍍覆、鍍鋁、鍍鉻、滲碳或其他類似包覆工件的焊接。
[0033]圖4示出了過(guò)程70的實(shí)施例，通過(guò)這種過(guò)程即可加工管狀焊絲50。過(guò)程70以輸送扁平金屬條通過(guò)多個(gè)模具從而將金屬條成形為部分圓形的金屬套管52 (例如形成半圓形或凹槽)來(lái)開始(方框72)。在金屬條已被至少部分成形為金屬套管52之后，就可以用粒狀內(nèi)芯54進(jìn)行填充(方框74)。因此，部分成形的金屬套管52可以用各種粉末狀的焊藥和合金成分(例如鐵氧化物、金屬鋅或者類似的焊藥和/或合金成分)填充。另外，在某些實(shí)施例中，可以添加穩(wěn)定成分(例如一種或多種碳源、和/或一種或多種堿金屬化合物、和/或一種或多種堿土金屬化合物、和/或一種或多種稀土金屬化合物)以使這些穩(wěn)定成分以重量計(jì)共同構(gòu)成管狀焊絲50和/或粒狀內(nèi)芯材料54的小于10%。另外，如上所述，在某些實(shí)施例中，堿金屬化合物和/或堿土金屬化合物能夠以燒結(jié)物的形式存在于粒狀內(nèi)芯54中。而且，在某些實(shí)施例中，加入部分成形套管內(nèi)的粒狀內(nèi)芯54中也可以存在其他的成分(例如稀土硅化物、磁鐵礦、鈦酸鹽、黃鐵礦、鐵粉和/或其他類似成分)。
[0034]作為具體示例,在一個(gè)實(shí)施例中，粒狀內(nèi)芯54 (以重量計(jì))可以包括約71.6%的鐵粉、約1.1 %的鈦鐵粉、約17.1 %的硅錳粉、約4.0 %的鐵硅粉、約0.4%的硫化鐵(例如黃鐵礦)、約0.5%的石墨、約3.3%的稀土硅化物以及約2%的燒結(jié)物。而且，也被稱作錳硅鐵的硅錳粉以硅錳粉的重量計(jì)可以包括約62%的錳、約30%的硅和約8%的鐵。另外，在這樣的實(shí)施例中，燒結(jié)物(以燒結(jié)物的重量計(jì))可以包括約22%到約25%之間的氧化鉀和/或氧化鈉、約16%到約22%之間的氧化錳或二氧化錳、約10%到約18%之間的二氧化硅以及約38%到約42%之間的二氧化鈦。而且，在某些實(shí)施例中，如上所述，稀土金屬硅化物或稀土金屬氧化物可以跟例如燒結(jié)物一起被包含在粒狀內(nèi)芯54中以穩(wěn)定電弧。粒狀內(nèi)芯54的某些其他的實(shí)施例可以具有類似的配方，但是可以根據(jù)上述數(shù)值有所改動(dòng)(例如改動(dòng)約5%或更小)。
[0035]一旦粒狀內(nèi)芯材料54中的各種成分已被加入部分成形的金屬套管52，那么隨后部分成形的金屬套管52即可被輸送通過(guò)一種或多種設(shè)備(例如模具)從而可以基本上封閉金屬套管52以使其基本上圍繞粒狀內(nèi)芯材料54 (例如形成接縫58)(方框76)。另外，封閉的金屬套管52隨后可以被輸送通過(guò)多種牽拉設(shè)備(例如拉伸模具)以通過(guò)壓縮粒狀內(nèi)芯材料54來(lái)減小管狀焊絲50的直徑(方框78)。
[0036]盡管在本文中僅僅圖示和介紹了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以得到多種變形和修改。因此應(yīng)該理解所附權(quán)利要求意在覆蓋落入本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)的所有這些變形和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種管狀焊絲，包括: 套管和內(nèi)芯，其中所述內(nèi)芯包括碳源和燒結(jié)物，其中燒結(jié)物包括I族或II族化合物、二氧化硅和二氧化鈦，并且其中碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的小于10%的重量。
2.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的0.05%到5%之間的重量。
3.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的I%到2.5%之間的重量。
4.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述I族或II族化合物包括I族或II族的氧化物或者I族或II族的氟化物。
5.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述燒結(jié)物包括氧化鉀、氧化鈉或其組合。
6.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述燒結(jié)物包括至少一種氧化形式的錳。
7.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內(nèi)芯包括稀土化合物。
8.如權(quán)利要求7所述的管狀焊絲，其中所述內(nèi)芯包括鑭系金屬氧化物或鑭系金屬硅化物。
9.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述內(nèi)芯包括硫化鐵。
10.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述碳源包括石墨。
11.如權(quán)利要求1所述的管狀焊絲，其中所述管狀焊絲用于焊接厚度為0.125英寸或更薄的鍍鋅或熱鍍鋅工件。
12.—種粒狀焊絲內(nèi)芯，包括: 碳源，其包括石墨、炭黑或燈黑；以及 燒結(jié)物，其包括氧化鉀或氧化鈉、二氧化硅、二氧化鈦和氧化錳，其中碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成內(nèi)芯的小于10%的重量。
13.如權(quán)利要求12所述的粒狀焊絲內(nèi)芯，其中所述燒結(jié)物包括至少一種鈦的氧化物。
14.如權(quán)利要求12所述的粒狀焊絲內(nèi)芯，其中所述內(nèi)芯包括稀土金屬的氧化物。
15.如權(quán)利要求12所述的粒狀焊絲內(nèi)芯，其中所述內(nèi)芯包括稀土金屬的硅化物。
16.—種制作管狀焊絲的方法，包括: 在金屬套管內(nèi)放置內(nèi)芯，其中所述內(nèi)芯包括碳源和燒結(jié)物，其中所述燒結(jié)物包括下述每一種元素的至少一種氧化物:1族或II族金屬、硅和錳，并且其中所述碳源和燒結(jié)物共同構(gòu)成管狀焊絲的小于10%的重量。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，包括形成含有I族或II族化合物、沙礫和金紅石的混合物，然后加熱所述混合物以形成燒結(jié)物。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述I族或II族化合物包括I族或II族的硅酸鹽、I族或II族的鈦酸鹽、I族或II族的藻酸鹽、I族或II族的碳酸鹽、I族或II族的鹵化物、I族或II族的磷酸鹽、I族或II族的金屬氫氧化物、I族或II族的氧化物、I族或II族的高錳酸鹽、I族或II族的長(zhǎng)石、I族或II族的銫榴石、I族或II族的鑰酸鹽或其組合。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述內(nèi)芯包括氧化鑭或氧化鈰。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述內(nèi)芯包括基本由硫化鐵構(gòu)成的單一硫源。
【文檔編號(hào)】B23K35/368GK104271304SQ201380003671
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月17日
【發(fā)明者】史蒂文·愛德華·巴霍斯特, 馬里奧·安東尼·阿馬塔 申請(qǐng)人:霍伯特兄弟公司