将含氟气体用于埋弧焊接的系统及方法
【专利摘要】本公开内容通常涉及焊接，并且更具体地涉及埋弧焊接(SAW)。在一实施方案中，焊接系统(10)包括构造成提供含氟气流的供气系统(16)。所述系统还包括构造成提供焊丝的供丝系统(14)和构造成在埋弧焊接(SAW)期间靠近焊接电弧提供焊剂的焊剂供给系统(17)。所述系统进一步包括构造成在SAW期间接收含氟气流和焊丝并靠近焊接电弧递送含氟气流和焊丝的焊接炬组件(18)。
【专利说明】将含氟气体用于埋弧焊接的系统及方法
相关申请的交叉参考
[0001]本申请是2011年4月4日提交的标题为“System and Method of ReducingDiffusible Hydrogen in Weld Metal”的第13/079，521号美国专利申请的部分继续申请，上述专利申请出于所有的目的以引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0002]本公开内容通常涉及焊接，并且更具体地涉及埋弧焊接(SAW)。
[0003]焊接过程在各行各业中对于各种应用来说已经是非常普遍了。例如，焊接经常用在诸如造船、海上平台、建筑、乳管机等的应用中。某些焊接技术(例如，气体金属电弧焊接(GMAW)、气体保护药芯电弧焊接(FCAW-G)和气体保护钨极电弧焊接(GTAW))通常使用保护气体(例如，氩、二氧化碳或氧)以在焊接过程期间在焊接电弧和焊接熔池内部及周边提供特定的局部气氛。相反，其它焊接技术(例如，埋弧焊接(SAW))通常使用在电弧条件下分解或放气的粒状焊剂以提供靠近焊接电弧和焊接熔池的局部气氛。此外，SAW能提供其它优点，如与其它焊接技术相比增大的沉积速率。
[0004]—般而言，对于涉及钢的焊接应用来说，人们关心的是在焊接期间和在焊接过程完成之后存在于焊缝中的可扩散氢的量。氢可由若干来源引入焊缝，包括来自气氛的水分、金属表面、焊接电极或焊剂。在焊接操作期间，氢也可由金属或焊丝表面上的油、润滑剂或其它涂料引入。在焊接过程期间，氢易溶于暴露于高温的钢；然而，在焊缝冷却时，氢可能会变得越来越不溶于钢，并且从溶液中被排斥。这可造成氢聚集在焊缝金属内的间断点和颗粒边界处。这些高压力及应变的区域可造成焊缝变脆并破裂，这最终可导致焊接失败。
[0005]限制焊缝中的可扩散氢的一种方法是通过预加热金属，例如以在焊接操作期间限制存在于金属的表面上的水分的量，和/或通过调节金属冷却的速率对金属微结构提供更好的控制。这种预加热方法可常用于涉及焊接较厚钢板或高强度钢的情况。然而，在某些情况下，如水下焊接应用，在焊接过程期间控制存在的水分量可能是困难的或者是不可能的。此外，金属加工厂为减少氢开裂的可能性而预加热钢，与此相关联可产生高成本(例如，能量、设备、时间等)。在其它情况下，预加热可能会应用不当，并且只达到了表面预加热而不是渗透预加热。
【发明内容】
[0006]在一实施方案中，焊接系统包括构造成提供含氟气流的供气系统。该系统还包括构造成提供焊丝的供丝系统和构造成在埋弧焊接(SAW)期间靠近焊接电弧提供焊剂的焊剂供给系统。该系统进一步包括构造成在SAW期间接收含氟气流和焊丝并靠近焊接电弧递送含氟气流和焊丝的焊接炬组件。
[0007]在另一实施方案中，一种方法包括经由围绕埋弧焊接(SAW)电弧的多个通道递送含氟气流，使得焊接熔池上方的焊剂底盘(bed)基本上不受扰动。
[0008]在另一实施方案中，一种系统包括具有焊接炬主体的焊接炬，所述焊接炬主体带有构造成使含氟气体流过焊接炬主体的气体导管。焊接炬进一步包括具有一个或多个构造成使含氟气体在焊接电弧周围流动的气体导管的接触端头。此外，接触端头被构造成连结于焊接炬主体，使得焊接炬主体的气体导管与接触端头的一个或多个气体导管流体连通。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]当参考附图阅读以下【具体实施方式】时将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，其中在全部附图当中，同样的记号代表同样的部件，其中:
[0010]图1是根据本公开内容的实施方案的混合型埋弧焊接(HSAW)焊接系统的方框图；
[0011]图2是示出根据本公开内容的实施方案的HSAW焊接系统的内部电路的方框图；
[0012]图3是根据本公开内容的实施方案的HSAW焊接炬的透视图；
[0013]图4是根据本公开内容的实施方案的图3中所示的焊接炬在线4-4内截取的截面视图；
[0014]图5是根据本公开内容的实施方案的图4中所示的接触端头的放大截面视图；
[0015]图6是根据本公开内容的实施方案的接触端头的远端的透视图；以及
[0016]图7是示出被认为是根据本公开内容的实施方案在SAW期间使用含氟气体自焊缝金属移除可扩散氢所涉及的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0017]如下面详细描述的那样，本文提供在埋弧焊接(SAW)或混合型埋弧焊接(HSAW)期间利用气流来控制靠近(例如，围绕或邻近)电弧和/或焊接熔池的气氛的焊接系统和方法的实施方案。此外，本文提供具体而言在埋弧焊接(SAW)或混合型埋弧焊接(HSAW)期间利用含氟气体来减少焊缝金属中的可扩散氢的量的焊接系统和方法的实施方案。如此，术语“混合型埋弧焊接”或“HSAW”通常可用来指所公开的系统，其结合了一种或多种气体(例如，保护气体、含氟气体，或它们的任意混合物)，类似于GMAW，但通常仍将焊缝埋在焊剂底盘中。应当理解的是，所公开的实施方案一般针对的是对通常不涉及提供气流的电弧焊接过程(例如，SAW)提供一种或多种气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)。进一步应当理解的是，虽然本讨论可能特别是集中于SAW，但如本文所讨论的包含含氟气体可有益于旨在最大程度地减少焊缝中的可扩散氢的任何电弧焊接过程。
[0018]如本文所用，含氟气体为每个气体分子基本上具有至少一个氟原子的单一气体或气体的混合物。例如，含氟气体可以是基于碳的气体，如四氟化碳(CF4)、全氟乙烷(C2F6)或三氟氯甲烷(CF3Cl)，或者可以是无机气体，如三氟化氮(NF3)、三氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟(F2)、六氟化钨(WF6)，或它们的任意混合物。如本文所用，保护气体可以指可提供给电弧和/或焊接熔池以便提供特定的局部气氛(例如，保护电弧、提高电弧稳定性、限制形成金属氧化物、提高金属表面的润湿性、改变焊缝熔敷的化学性质，等等)的任何气体或气体的混合物。在某些实施方案中，保护气体可以是单一的保护气体或保护气体混合物(例如，氩(Ar)、氦(He)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、氮(N2)、类似合适的保护气体，或它们的任意混合物)。例如，保护气流可包括Ar、Ar/C(yg合物、Ar/CO 2/02混合物、41"/拖混合物，等等。此外，除非另有指示，否则所有所指的气体混合物百分比均表示按体积计的百分数。
[0019]一般来说，所公开的HSAW实施方案结合了气流(例如，保护气流和/或含氟气流)，所述气流可(单独或与焊剂组合)提供靠近电弧和/或焊接熔池的特定局部气氛。因此，所公开的HSAW实施方案使得能够以较大的自由度来选择焊剂组分，因为在焊接过程期间，此气流可提供一些或全部的局部气氛。此外，某些公开的实施方案结合了含氟气流，并且因此能以比其它解决方案(如上述的预加热方法)更划算的方式提供有效地减少焊缝中的可扩散氢的量的方法。然而应当理解的是，所公开的利用含氟气流的实施方案可以与预加热方法结合使用以提供对焊缝中的可扩散氢含量的联合作用，并且还可减少通常用于给定焊接操作的预加热的量(或程度)。还应当指出的是，本发明公开的实施方案可采用含氟气体而不是含氟固体。含氟气体对焊接操作员提供有优势，如选择焊丝有较大的灵活性，并且在焊接操作期间飞溅减少。
[0020]转向附图，图1示出根据本公开内容的实施方案在焊接过程期间利用气流来提供至少一部分的局部气氛的混合型埋弧焊接(HSAW)系统10的实施方案。系统10包括焊接供电单元12、焊接送丝机14、供气系统16、焊剂供给系统17和焊接炬18。焊接供电单元12通常对焊接系统10供电，并且可经由电缆束20连接于焊接送丝机14，以及使用具有夹具26的引线电缆24连接于工件22。在所示的实施方案中，焊接送丝机14经由电缆束28连接于焊接炬18，以便在焊接系统10的操作期间对焊接炬18供给焊丝(例如，实芯焊丝或焊剂芯焊丝)和电力。在另一实施方案中，焊接供电单元12可连接于焊接炬18并直接对其供电。
[0021]在所描述的实施方案中，焊接系统10包括对焊接炬18供给气流(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)的供气系统16，其中该气流提供在焊接电弧和/或焊接恪池处或者靠近焊接电弧和/或焊接恪池(例如，相距大约0.5mm、I mm、2mm、3mm、4mm、5mm或不到大约30mm)的至少一部分局部气氛。在所描述的实施方案中，供气系统16经由气体导管30直接连接于焊接炬18。在另一实施方案中，供气系统16可改为连接于送丝机14，并且送丝机14可调节气体从供气系统16向焊接炬18的流动。所示HSAW系统10的焊剂供给系统17经由焊剂导管31对焊接炬18提供焊剂。因此，所示的焊接炬18通常接收来自焊接送丝机14的焊丝和电力、来自供气系统16的气体流和来自焊剂供给系统17的焊剂流，以便进行工件22的HSAW。在操作期间，可以使焊接炬18靠近工件22，使得可以在焊接炬18与工件22之间形成电弧32。应当理解的是，本公开内容的一方面是在工件22的表面处控制对焊炬18、电弧32和/或焊接熔池递送电力、焊丝、气体和焊剂以控制焊接过程。
[0022]所示焊接系统10的供气系统16包括气体源34，一种或多种气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)可例如一起储存在其中的气瓶中。例如，一种或多种保护气体(例如，Ar、He、CO2, 02、N2或它们的任意混合物)可储存在气体源34中以提供保护气流。此外，一种或多种含氟气体可另外或可选地储存在气体源34中以提供含氟气流。含氟气体的非限制性例子可包括以下中的任一种:CmFnXp、NF3、BF3、31?4、&或WF 6，或它们的任意混合物。对于CmFnXp，X可以是氢或氯原子，m可以是I与5之间的任意值，η可以是I与18之间的任意值，并且P可以是O与18之间的任意值。例如，含氟气体可以是CF4、CF3Cl,CF2H2, CFC13、C2F6, C2F4, C2F5Cl、C2F4H2、C3F7H, C4Fltl等中的任一种，或它们的任意混合物。例如，在某些实施方案中，供气系统16可包括含大约95% CF4和大约5% F2的单个气瓶。如此，在某些实施方案中，由气体源34提供的含氟气体的浓度可以为零(即，基本上为0% )或介于大约 0.1%与 10%之间(例如，0.2%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%,4%,4.5%,5%,5.5%、6%、7%、8%、9%、10%等)的含氟气体，余者为保护气体或保护气体混合物。在一实施方案中，含氟气体在供给焊接炬18的总气流中的百分比介于大约0.5%与5%之间。在一实施方案中，含氟气体在总气流中的百分比低于大约0.1%、1%、2%、3%、4%或
[0023]焊剂供给系统17可经由导管31在电弧32处或靠近电弧32 (例如，相距1mm、2mm、3mm>5mm以内或大约不到30mm)提供粒状焊剂流。在焊剂流被递送到电弧32附近时，其可靠近(例如，在上方、覆盖和/或邻近)焊接熔池收集为焊剂层或底盘。焊剂的至少一部分可在电弧32和/或焊接熔池处或靠近电弧32和/或焊接熔池部分地分解和/或放气(例如，经加热释放一种或多种气体)，并与供气系统16协同工作以在焊接熔池处或靠近(例如，相距lmm、2mm、3mm以内或大约不到30mm)焊接恪池提供合适的局部气氛。焊剂可另外或可选地促进工件22的润湿、限制金属氧化物的形成、去除焊缝中的化学杂质和/或起到类似的作用以促进焊接过程。焊剂通常可包括诸如典型团聚的、粘结的或熔融的焊剂之类的焊剂。这些焊剂可以是中性、半中性或活性焊剂，并且可具有一系列不同的酸度或碱度水平。示例焊剂的非限制性清单包括:铝酸盐金红石型(AR)焊剂、铝酸盐碱型(AB)焊剂、铝酸盐氟化物碱型(AF)焊剂、氟化物碱型(FB)焊剂或硅酸钙(CS)焊剂。此外，在某些实施方案中，焊剂可选自根据EN760规格的焊剂。
[0024]此外，本公开内容的一方面是，在某些实施方案中，在焊接过程期间，焊剂可以在电弧32处或靠近(例如，相距1mm、2mm、3mm以内或大约不到30mm)电弧32与气流(例如，保护气流和/或含氟气流)基本上混合。也就是说，如下文针对图3-6所详细讨论的那样，HSAW系统10的某些实施方案可包括焊接炬18，其被构造成在焊剂到达电弧32之前或之时确保气流(例如，保护气流和/或含氟气流)通常排挤分散在粒状焊剂内的正常空气。在其它实施方案中，焊剂供给系统17可另外或可选地在保护气体和/或含氟气体的气氛下储存焊剂，使得递送给焊接炬18的焊剂可以与气流(例如，保护气流和/或含氟气流)预混入口 ο
[0025]通常应当理解的是，在HSAW系统10的某些实施方案中，使用气流(例如，包括保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)通常可允许使用不同类型的焊剂(例如，它们可不与典型的SAW过程相容)。也就是说，气流(例如，包括保护气体和/或含氟气体)可有助于控制靠近(例如，相距大约1mm、2mm、3mm或大约不到30mm)在工件22的表面处的电弧32、焊接熔池和/或焊剂底盘的局部气氛。如此，焊缝的质量可较少依赖于由焊剂提供的局部气氛。如此，采用本发明的HSAW系统10可使用较低成本的焊剂。此外，通过使用含氟气流可减少通常在焊剂或电极(例如，焊剂芯的、金属芯的或实心的焊丝)中使用的其它组分，如氟化物盐或其它固体氟源，或者可将其一并消除。这通常可使得能够基于其它的考虑(例如，有关焊剂和/或焊丝的成本、期望的焊接特性、期望的焊接化学过程、除渣、焊道形状、渗透、沉积速率，等等)而更自由地来选择焊剂和/或焊丝电极。例如，在利用含氟气流的实施方案中，可由更碱性的焊剂代替通常选择来减少焊缝中产生的氢含量的酸性焊剂，同时仍能提供具有类似氢含量的焊缝。
[0026]如所提到的那样，所示的HSAW系统10通过控制对在工件22的表面处的焊炬18、电弧32和/或焊接熔池递送电力、焊丝、气体和焊剂来控制焊接过程。此外，在某些实施方案中，通过控制保护气体和/或含氟气体的化学性质，可以调整电弧32和/或所产生的焊缝的化学性质。例如，当焊接金属对可扩散氢的存在特别敏感时，供气系统16可提供较高的含氟气体流速，或者采用较高的含氟气体的相对浓度(例如，在保护气体中介于5%与10%之间的含氟气体)以最大程度地清除可扩散氢。例如，当使用基于碳的含氟气体时，利用具有较高碳数的气体(即，m值较大)可对所产生的焊缝贡献较多量的碳，这对于某些钢应用来说可能是可取的，同时仍能减少可扩散氢的量。进一步举例而言，当使用基于碳的含氟气体时，使用具有一些氢的气体(即，X是氢原子且P大于O)可对电弧提供有益效果，如提高电弧温度和电弧向工件里的穿透性，同时仍能限制在焊接操作期间可能对焊缝金属贡献的氢的量。然而，并非所有的含氟气体都与涉及特定金属的应用相容。例如，虽然六氟化硫(SF6)可用作保护气体的添加剂以减少焊缝中存在的可扩散氢的量，但一些材料(例如，钢)与SF6不相容，因为在焊接过程之后留在焊缝中的硫(例如，硫化铁)的量可导致在缝焊固化期间由于硫偏析而发生开裂。如此，本发明某些公开的实施方案所使用的含氟气体基本上不含硫。
[0027]对于一些实施方式来说，可能期望供气系统16由独立的气体源递送含氟气流(例如，包括CF4、F2、CF2Cl2或类似的含氟气体或气体混合物)和保护气流(例如，Ar、He、CO 2、
02、N2或它们的任意混合物)。转到图2，所示为HSAW系统40的另一实施方案的方框图。更具体地，图2示出根据本公开内容的某些实施方案可使用含氟气流以减少焊缝中的可扩散氢的焊接系统40的一些内部构件。此外，类似于图1的HSAW系统10，图2中示出的HSAW系统40通常包括焊接供电单元12、焊接送丝机14、焊接炬18、供气系统16和焊剂供给系统17。
[0028]在图2所示的实施方案中，焊接供电单元12包括电力转换电路42，其接收来自交流电源44(例如，AC电力网、发动机/发电机组或它们的组合)的输入电力、调节输入电力并经由电缆46提供输出电力以给焊接送丝机14供电，后者继而根据系统40的需要给焊接炬18供电。因此，在一些实施方案中，电力转换电路42可包括能够由系统40的需要决定而将AC输入电力转换成直流电极正(DCEP)输出、直流电极负(DCEN)输出或可变平衡AC输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关，等等)。端接于夹具26的引线电缆24将电力转换电路42耦接到工件22，并闭合焊接供电单元12、工件22与焊接炬18之间的电路。
[0029]焊接供电单元12还包括控制电路48，其被配置成接收并处理有关焊接系统40的性能和要求的多个输入。控制电路48包括处理电路50和存储器52。存储器52可包括易失性或非易失性存储器，如ROM、RAM、磁存储器、光存储器或它们的组合。此外，可以将各种控制参数连同配置成在操作期间提供特定输出(例如，启动送丝、使气体流动、使焊剂流动等)的代码储存在存储器52中。处理电路50还可接收来自用户接口 54的一个或多个输入，用户通过其可选择过程和输入所需的参数(例如，电压、电流、特定的脉冲或非脉冲焊接方案，等等)。例如，在某些实施方案中，用户接口 54可使用户能设定有关电极正(EP)或电极负(EN)电流的大小和幅度的参数(例如，用于涉及可变平衡AC电流的焊接应用)。
[0030]基于接收自操作员的此类输入，控制电路48进行操作以控制焊接电力输出的产生，焊接电力输出施加于焊丝，用于例如经由发送到电力转换电路42的控制信号实施所需的焊接操作。基于此类控制命令，电力转换电路42适于产生最终将施加于焊接炬18处的焊丝的输出电力。为此目的，如上面所指出的那样，可以使用各种电力转换电路，包括断路器、升压电路(boost circuitry)、降压电路(buck circuitry)、逆变器、转换器，等等。更进一步地，在图2的实施方案中，控制电路48还包括配置成在操作期间与焊接送丝机14的电子设备接合的接口电路56。接口电路56连接于处理电路50也连接于焊接送丝机14的构件。进一步地，处理电路50经由连接于接口电路56的电缆58对焊接送丝机14提供与焊接操作相关的控制信号。如前所述，焊接供电单元12和焊接送丝机14可经由电缆束20彼此连接，并且焊接炬18可经由电缆束28连接于焊接送丝机14。
[0031]在所示的实施方案中，供气系统16包括一个或多个含氟气体源57和一个或多个保护气体源59。也就是说，所示的供气系统16被构造成对位于焊接送丝机14中的流控系统60供给含氟气流(例如，包括CF4、F2、CF2Cl2、类似的含氟气体或它们的任意混合物)和保护气流(例如，包括41"、抱、0)2、02、队或它们的任意混合物)。在其它实施方案中，可以不使用(多个)保护气体源59，并且由焊剂供给系统17供给的焊剂可基本上提供焊接熔池上方的保护气氛，同时含氟气体清除来自焊接熔池的残留氢。在所描述的实施方案中，供气系统16经由一个或多个保护气体导管62 (例如，导管束)和一个或多个含氟气体导管64 (例如，导管束)对流控系统60分别地递送气体。在另一实施方案中，供气系统16可连接于单个预混合气体源(例如，98% Ar中2% CF4/C021:1)，后者可经由单个气体导管连结于流控系统60，类似于图1的实施方案。
[0032]在图2的HSAW系统40中，流控系统60可连接于多个含氟气体源57以及多个保护气体源59。例如，流控系统60可经由保护气体导管束62中的不同导管接收来自两个保护气体源59 (例如，Ar和CO2)的单独气流，以及经由含氟气体导管束64中的不同导管接收三个含氟气体源(例如，CF4XF3Cl和F2)，并提供来自五个分开的气体源的混合气流。应当理解的是，某些实施方案可使用任意数目的气体导管和气体源。在另一实施方案中，流控系统60可接收和调节来自一个或多个保护气体源59和一个或多个氟气体源57的气流，并且不是将气体混合在一起，而是将气体分别地(即，经由不同的导管)输出到焊接炬18。此外，流控系统60包括多个阀66，并且可有多个调节器、气流传感器，等等，它们调节进入气流以及穿过气体导管68以到达焊接炬18的流出气流的流量。
[0033](多个)保护气体源59可含有Ar、He、C02、02、N2中的任一种或它们的任意混合物。例如，保护气体源59可含有100% CO2、大约85% Ar/15% CCV混合物、大约75% Ar/24%CO2/1 % O2混合物、大约95% C02/5%队混合物、100% 0)2等。(多个)含氟气体源57可含有CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F^ WF 6中的任一种或它们的任意混合物。对于C mFnXp，X可以是氢或氯原子，m可以是I与5之间的任意值，η可以是I与18之间的任意值，并且P可以是O与18之间的任意值。例如，含氟气体可以是CF4、CF2C12、CF3Cl、CF3H、C2F4H2、C2FC13、C2F4H2、C2F6、C3F6Cl2, C4F7H3等中的任一种或它们的任意混合物。或者例如，含氟气体可含有大约98% CF4/2 % CF2Cl2混合物、大约 90% CF β/10% BFjg合物、大约 85% C2F4/13% CF4/2 %WF6混合物等。在一实施方案中，含氟气体在由流控系统60供给焊接炬18的总气流中的百分比介于大约0.01%与10%之间。在一实施方案中，含氟气体在总气流中的百分比小于大约 0.1%、1%、2%、3%，4%或5%。
[0034]如图2中所示，除了流控系统60之外，焊接送丝机14还包括用户接口 70，其允许对焊接送丝机14设定系统参数(例如，送丝速度、过程、选定电流、电压或功率水平、相对保护/含氟气体浓度和流速、焊剂流速，等等)。如此，用户接口 70连接于控制器72，后者允许根据操作员的选择控制送丝速度，并容许经由接口电路56将这些设置反馈给供电单元12。控制器72还基于用户定义的设置控制流控系统60，并调节各单独气体的相对比例和流速，以产生要经由气体导管68递送给焊接炬18的所需混合气流。如上面所提到的那样，在一实施方案中，流控系统60可经由多个气体导管68对焊接炬18单独地递送含氟气体和保护气体。此外，在某些实施方案中，控制器72可连结于焊剂供给系统17，使得可经由自用户接口 70输入的用户设置来控制焊剂供给系统17 (例如，焊剂料斗73)的操作。
[0035]焊接送丝机14还包括用于在控制器72的控制下对焊接炬18并从而对焊接应用送丝的构件。例如，焊丝76的一个或多个供丝装置74(例如，线轴)安置在焊接送丝机14中。送丝机驱动单元78可自线轴74解开焊丝76并逐步地将焊丝76送到焊接炬18。为此目的，送丝机驱动单元78可包括以适合确立起适当送丝的方式配置的构件，如电路、电机、辊，等等。例如，在一个实施方案中，送丝机驱动单元78可包括给送电机，其与给送辊接合以将焊丝从焊接送丝机14朝焊接炬18推送。来自焊接供电单元12的电力通常是通过电缆46施加于给送的焊丝。
[0036]所示的HSAW系统40包括具有焊剂料斗73的焊剂供给系统17。焊剂供给系统17通常可经由导管75对焊接炬18提供粒状焊剂流。如下面详细讨论的那样，在某些实施方案中，焊接炬18可包括接触端头，其被构造成用由流控系统60提供的保护气流、含氟气流或它们的任意混合物排挤粒状焊剂中的任何空气。在其它实施方案中，焊剂供给系统17可连接于供气系统16，使得储存在焊剂供给系统中(例如，在焊剂料斗73中)的焊剂在经由导管75被提供给焊接炬18之前可以被保持在包括含氟气体、保护气体或含氟气体/保护气体混合物的气氛下。此外，如所提到的那样，在某些实施方案中，可通过控制器72来控制焊剂供给系统17，使得用户可以控制对焊接炬18和/或工件22递送焊剂的速率。
[0037]在所示的实施方案中，焊接炬18可包括控制开关80、焊丝传送构件82、气体传送构件84和焊剂递送构件85。下面根据图3-6详细讨论焊接炬18的某些实施方案的其它方面。一般来说，在焊接系统操作期间，焊丝可穿过电缆束28朝焊接炬18推进。在焊接炬18内可设置另外的焊丝传送构件82，如另外的牵引电机和相关的驱动辊。可调节牵引电机以提供所需的送丝速度。此外，气体传送构件84(例如，喷嘴、控制阀、气体扩散器等)可包括在焊接炬18中，以控制和引导经由气体导管68接收的气体混合物(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)的流动。焊接炬18还可包括经由控制线86连接于焊接送丝机14中的控制器72的控制开关80，其可对控制器72提供信号以允许由操作员来起动和停止焊接过程。这些起动/停止信号可从控制器72传导至流控系统60和焊接供电单元12。因此，启动控制开关80可以使气体开始流动，提供焊剂，推进焊丝，并且对推进中的焊丝施加电力。
[0038]在另一实施方案中，焊接炬18还可包括一个或多个连接于焊接送丝机14的控制器72的传感器。在操作期间，传感器可以被配置成测量来自焊接炬18的指示焊接环境的一个或多个参数。为此目的，在整个焊接操作当中，一个或多个传感器(例如，热传感器、气体流量传感器、化学传感器、光学传感器等)可连续地或以所需的时间间隔测量所需的参数。在传感器取得这种数据时，数据可以被传递给焊接送丝机14中的控制器72，使得在系统操作期间可通过控制器72来调节焊接系统40的参数(例如，含氟气体浓度和流速、送丝速率、焊剂流速、电弧电压和电流等)。
[0039]应当理解的是，通常可能期望的是调节来自焊接炬18的接触端头的含氟气流(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物的流动)，使得在焊接过程期间由焊剂供给系统17提供的焊剂底盘在工件22的表面上不受扰动(例如，在工件22的表面上移动或从其上移除)。然而，还应当理解的是，在某些实施方案中，可能期望的是使提供给焊接炬18的气流与由焊剂供给系统17提供的粒状焊剂充分地混合。因此，下面(根据图3-6)讨论改进的焊接炬18，其通常可提供这些可取的特征。也就是说，下面描述的改进的焊炬实施方案提供改进的接触端头，其使气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)在递送给焊接电弧32时能够穿过围绕焊丝76的若干导管递送。通过如本发明公开的那样经由导管递送气流，可以采用相对低的压力和流速。这通常防止了焊剂底盘受扰动，同时气流(例如，保护气流、含氟气流或它们的任意混合物)仍可足以提供所需的一种或多种效果(例如，清除残留氢、控制焊缝的化学性质、稳定电弧、控制工件的表面化学性质等)。此外，下面讨论的焊接炬实施方案使得粒状焊剂和气流在到达电弧和/或焊接熔池之前能够在焊接炬的接触端头处充分混合。应当理解的是，虽然根据图3-6讨论的焊接炬是用于HSAW焊接的焊接炬的特定实施方案，但在焊接电弧和/或焊接熔池处或者靠近焊接电弧和/或焊接熔池递送气流的其它焊接炬实施方案(例如，具有相对于焊接炬主体为内部或外部布置的单个气体导管的焊接炬)也在考虑之内。
[0040]考虑到上述情况，图3为混合型埋弧焊接(HSAW)焊炬18的实施方案的透视图，焊炬18被构造成对工件22的表面提供气流、焊丝和焊剂。所示的HSAW焊炬18包括封装若干通道(下面将详细讨论)的主体90，焊丝和气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)在靠近焊接炬18的远端92离开前可穿过所述通道。也就是说，由焊接送丝机14对焊接炬18分别地提供的焊丝76和气流68通常可从一端(例如，近端)部分93进入焊炬，并且通常可靠近在焊炬18的远端92处的接触端头离开。此外，对于图3中所示的焊炬实施方案，焊剂递送构件85已经由夹紧机构94附接于焊炬18的主体90，使得焊剂递送构件85围绕靠近焊接炬18的远端92的接触端头。在其它实施方案中，焊剂递送构件85可以是附连于焊接炬18的主体90的导管，其靠近焊接电弧而不围绕接触端头沉积焊剂。此夕卜，所示的焊剂递送构件85包括导管96，其可连结于导管75以便自焊剂供给系统17接收焊剂。一般来说，所示的焊剂递送构件85使得能够在接触端头周围递送焊剂，使得自焊接炬18的接触端头放出的气体可与焊剂充分混合，并且使得含在粒状焊剂中的相当量的空气可以被气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)排挤。此外，应当理解的是，由于所示的焊剂递送构件85包围接触端头，因此通常可采用较低的气体压力和/或气体流速来排挤这种空气，为了限制气流对焊剂底盘的扰动，这样通常是可取的。
[0041]在某些实施方案中，通过在埋弧焊接期间在焊接熔池处或靠近焊接熔池增加含氟气流，可以实现较低的氢水平以及改进的机械性能。也就是说，在SAW过程中增加含氟气流对焊接化学过程提供了比单独使用保护气体或粒状焊剂所能实现的情况更好的控制。此夕卜，在某些实施方案中，通常可取的是尽可能靠近地对电弧32递送足够高流量的含氟气体，以确保气体能够到达电弧等离子体流而基本上不扰动焊剂底盘。如此，所示的HSAW焊接炬18通常提供改进的系统，其允许就在电弧32处递送气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)、焊丝和焊剂，达到在电弧32处或靠近电弧32提供所需量的所有成分的混合物的结果。
[0042]图4是图3中所示的焊接炬18在线4-4内截取的截面视图。特别地，图4示出了装入焊炬主体90的一部分并由焊剂递送构件85包围的接触端头100。焊炬主体90包括通道102 (例如，纵向通道)，其可连结于导管68 (例如，来自于焊接送丝机14的流控系统60)并且可提供气流103 (例如，保护气流、含氟气流或它们的任意混合物)穿过焊炬18的主体90的路径。此外，焊炬主体90包括另一通道104，其可提供用于将(例如，由焊接送丝机14提供的)焊丝76递送到在焊接炬18的远端92处的接触端头100的导管。所示的焊接炬主体90的实施方案进一步包括通常为锥形的腔体106 (例如，配合腔体)，接触端头100适于牢固地装配于其内。焊剂递送构件85通常可提供进入焊剂递送构件85与焊接炬主体90和/或接触端头100之间的腔体109的焊剂流107，使得从接触端头100离开的气流103可以与递送的焊剂流107在到达焊接熔池之前充分混合(例如，以排挤任何空气)。
[0043]所示的接触端头100在插入焊接炬主体90时可提供紧密的密封连接，使得易于促进气体流(例如，保护气流、含氟气流或它们的任意混合物)从焊接炬主体90进入并穿过接触端头100。通过可有力地接合接触端头100并将其固持在操作位置的常规装置(例如，螺纹环或螺母108、锁销、保持环或类似的机构)使所示的接触端头100保持在焊接炬主体90内。一般来说，用于接触端头100的精确配合腔体有助于确保在电弧32(即，焊炬18的远端92)的方向上的正向气流，并且不朝焊接炬主体90回流。当将接触端头100置于焊接炬主体90的锥形腔体106中时，如图所示，随着将焊接炬主体90的机加工凹槽112与接触端头100的机加工凹槽114对准，在两者之间形成膛室110。此外，所示的膛室110连接于携带气体穿过焊接炬主体90的通道102 (即，所有三者流体连通)。这个膛室110通常自通道102接收气体，之后才将气流引入到接触端头100。由于接触端头100和锥形腔体106的配合表面装配紧密，膛室110和通道102被相互隔开以防止气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)经由通道102逸散。
[0044]接触端头100具有中央通道114，其用于使焊丝通过以及提供与工件22的电接触以形成电弧32。接触端头100进一步包括(例如，布置在中央通道114附近的)若干通道116，它们将气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)携带至接触端头100的远端92。在某些实施方案中，这些通道116可在中央通道114附近径向或同轴地定向。此夕卜，可以有任意合适数目的通道116以提供气体从膛室110到焊接炬18的远端92的路径。例如，某些焊炬实施方案可包括布置在中央通道114附近的1、2、3、4、5、6、8、10或12个通道116，以便使气体(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)有效地分散进入焊接电弧和焊剂。
[0045]图5示出自焊接炬主体90取出的接触端头100的截面。相应地，接触端头100的配合部分包括带有机加工凹槽112的通常为锥形形状的部分118，机加工凹槽112通常在形状上是匹配的，以在装入焊接炬18的主体90时提供紧固的装配。接触端头100包括中央通道114，用于对电弧32提供焊丝和电力，同时围绕的通道116将气体流(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)从膛室110递送给电弧32以及递送给由靠近(例如，邻近、围绕或包围)接触端头100布置的焊剂递送构件85提供的焊剂流107。此外，图6示出接触端头100的实施方案的远端92的透视图。所示的接触端头实施方案包括中央通道114，用于对电弧32提供焊丝和电力，同时围绕的通道116将气体流(例如，保护气体、含氟气体或它们的任意混合物)提供给电弧32和/或由焊剂递送构件85提供的焊剂。此外，所示的触头100包括六个包围中央通道114的气体递送通道；然而应当理解的是，可以采用任意数目的通道116来递送气流。此外，应当理解的是，虽然所示的通道116形成在中央通道114附近对称分布的圆形孔，但本发明也可设想靠近电弧32和/或焊剂提供气体流的任意数目的通道形状或布置(例如，椭圆形通道、与中央通道114同轴的一个或多个通道、非对称布置，等等)。
[0046]对于某些实施方案，一旦已将焊剂、焊丝和含氟气体递送给焊接炬18的接触端头100，则据信会发生图7的方框流程图中所描述的一系列事件以自焊缝移除可扩散氢。过程130的第一步是在焊接炬18的接触端头100处的电弧32和/或焊接熔池处或者靠近焊接炬18的接触端头100处的电弧32和/或焊接熔池引入焊剂流(方框132)和含氟气体流(方框134)。应当理解的是，可以控制含氟气流和焊剂流两者的流速，使得含氟气体通常可排挤粒状焊剂中可能存在的任何残留空气，同时仍产生基本上未受扰动的焊剂底盘(例如，尽管有含氟气流，但粒状焊剂底盘通常保持覆盖焊接熔池，并且不会显著地被移除)ο还应当理解的是，对于单独利用保护气流的HSAW实施方案(即，没有含氟气体)，焊接过程通常可结合类似的步骤，即靠近焊接电弧提供焊剂流，并使保护气体与粒状焊剂充分混合以排挤任何残留的空气而基本上不扰动布置在焊接熔池上方的焊剂底盘。
[0047]接下来，电弧32中和电弧32周围的条件(即高电压和高温环境)于是可开始使含氟气体中的化学键断裂并自含氟气体分子中释放(方框136)反应性物质。如本文所用，反应性物质可以是由含氟气体分解所产生的任何残留自由基(即，F.、CF3.、Cl.)或离子(即，CF3+、F_、C1_等)或它们的任意组合。然后，释出的反应性物质可渗透(方框138)焊接熔池的熔融金属。在一实施方案中，含氟气体的一部分可在反应性物质被释出前进入焊接熔池。无论何时被释出，在焊接熔池中释出的反应性物质都会与溶解在焊接熔池中的可扩散氢键合(方框140)，与之反应形成气体产物(例如，册、!1(:1、0?3!1等)。由于气体产物可以比氢较少地溶于熔融金属，因此其可以在焊缝冷却之前或之时自熔融的焊接熔池中释放出来(方框142)，导致焊缝具有的可扩散氢含量减少。应当指出的是，释出的反应性物质在到达焊接熔池之前也可与电弧中存在的氢反应，并因此也可以预防性的方式减少焊接熔池中的氢的量。
[0048]应当理解的是，在图7给出的实施方案中，基于氟的气体中氟原子的作用可以是双重的。首先，基于氟的气体的分解产生诸如F—和F.的反应性物质，其可非常适合于与焊缝金属的沉积或制备中的可扩散氢反应。然而，其次来说，基于氟的气体分子结构中氟原子更微妙的作用是将也能够与焊缝中的可扩散氢反应的其它反应性物质(如CF3+)电子稳定化。
[0049]虽然本文仅例示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员可设想许多修改和变动。因此要理解的是，所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明实质范围内的所有此类修改和变动。
【权利要求】
1.一种焊接系统，包括: 构造成提供含氟气流的供气系统； 构造成提供焊丝的供丝系统； 构造成在埋弧焊接(^1)期间靠近焊接电弧提供焊剂的焊剂供给系统；和 构造成在埋弧焊接(^1)期间接收所述含氟气流和所述焊丝并靠近焊接电弧递送所述含氟气流和所述焊丝的焊接炬组件。
2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述含氟气流和所述焊剂均至少部分地提供靠近所述电弧的局部气氛。
3.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接炬组件被构造成靠近所述焊接电弧混合所述焊剂和所述含氟气流。
4.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述含氟气流包含氩、氦、二氧化碳、氧、氮、氢或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述含氟气流是基于氮的含氟气流、基于硅的含氟气流、基于钨的含氟气流或它们的组合。
6.根据权利要求5所述的焊接系统，其中所述含氟气流包含四氟化碳。
7.根据权利要求6所述的焊接系统，其中所述含氟气流包含按体积计介于大约0.01 %与大约10%之间的含氟气体。
8.根据权利要求1所述的焊接系统，包括配置成对所述焊接炬组件提供％电极正①⑶?)输出、IX:电极负①⑶吣输出或可变平衡…输出的焊接电源。
9.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊剂包含铝酸盐金红石型(…?)焊剂、铝酸盐碱型(仙)焊剂、铝酸盐氟化物碱型(八?)焊剂、氟化物碱型(即)焊剂或硅酸钙￠3)焊剂。
10.一种方法，包括: 靠近进行中的埋弧焊接(^1)焊接熔池递送含氟气流和粒状焊剂流；并 将所述粒状焊剂流沉积在所述进行中的3八1焊接熔池上方以形成焊剂底盘。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在沉积所述粒状焊剂流以形成所述焊剂底盘之前使所述含氟气流和所述粒状焊剂流混合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在沉积所述粒状焊剂流以形成所述焊剂底盘之前使所述气流和所述粒状焊剂流在焊接炬组件的内部混合在一起。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述气流具有设置成防止所述气流排挤所述焊剂底盘的粒状焊剂的流速。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述粒状焊剂包括中性、半中性、碱性、酸性或活性焊剂。
15.根据权利要求10所述的方法，包括对工件递送焊丝，其中所述焊丝被配置成当对所述焊丝施加电流时形成到所述工件的焊接电弧。
16.—种系统，包括: 焊接炬组件，其包括: 焊接炬主体，其包括构造成使含氟气体流过所述焊接炬主体的气体导管；和 接触端头，其包括多个构造成使所述含氟气体在焊接电弧周围流动的气体导管，其中所述接触端头被构造成连结于所述焊接炬主体，使得所述焊接炬主体的气体导管与所述接触端头的所述多个气体导管流体连通。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述接触端头包括构造成对所述焊接电弧提供焊丝供给的中央焊丝导管，并且其中所述多个气体导管布置在所述中央焊丝导管周围的环中。
18.根据权利要求16所述的系统，包括构造成靠近所述焊接电弧递送粒状焊剂的焊剂递送构件，其中所述焊剂递送构件连接于靠近所述接触端头的所述焊接炬主体并且构造成使所述粒状焊剂与所述一种或多种气体混合。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述粒状焊剂被配置成形成靠近焊接熔池的焊剂底盘，并且其中所述接触端头被构造成防止所述含氟气流排挤所述焊剂底盘的所述粒状焊剂。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述焊接炬组件为埋弧焊接炬、混合型埋弧焊接炬或气体金属电弧焊接炬。
【文档编号】B23K9/173GK104507626SQ201380026391
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月27日
【发明者】肯尼斯·艾伦·费舍尔, 马里奥·阿马塔, 史蒂芬·巴霍斯特, 约瑟夫·邦迪 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司