使用含铝焊丝的增材制造的制作方法

背景技术：

所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及含铝的可消耗焊接电极焊丝，并且涉及被适配成用于使用含铝电极焊丝的焊接方法和系统。

相关领域的描述

多种不同焊接技术(包括传统的连结技术以及新兴的增材制造技术)利用焊丝作为金属源。例如，在金属电弧焊中，当在可消耗焊接电极焊丝(充当朝向工件前进的一个电极)与工件(充当另一个电极)之间施加电压时产生电弧。电弧熔化金属焊丝的尖端，从而产生沉积到工件上的熔融金属焊丝的液滴，以形成焊件的焊道或通过增材制造形成的制品。

对这些焊接技术的技术要求和经济要求继续增加复杂性。例如，在外观和机械性能方面对更高的焊道质量的需求持续增长，包括高屈服强度、延展性和断裂韧性。同时，在保持经济可行性的同时通常需要更高的焊道质量。一些焊接技术旨在通过改进消耗品、例如通过改进电极焊丝的物理设计和/或组分来解决这些竞争性要求。

解决此类竞争性需求的一种途径是将添加剂结合到可消耗电极中。一种示例性添加剂是铬(cr)，可以添加铬以改善所得焊件的抗氧化/耐腐蚀性。然而，添加此类添加剂可能不足以同时满足一组竞争性焊接特性，所述焊接特性除了耐腐蚀性之外还可以包括例如耐热裂性和高断裂韧性。此外，可能需要在保持经济可行性的同时满足这组竞争性焊件性能，这在主要添加剂包括诸如cr等相对昂贵的元素时可能是困难的。在下文中，描述了能够满足焊件和增材制造制品的这些和其他竞争性特性以及生产率和经济考虑的可消耗焊接电极焊丝、焊接工艺和系统的多个不同实施例。

技术实现要素：

所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及具有芯壳结构的含铝焊接可消耗电极焊丝，其中所述芯包含铝。所披露的技术还涉及焊接和增材制造方法、以及被适配成用于使用含铝电极焊丝的方法的系统。

在第一方面，一种焊丝被配置成用于在焊接(例如药芯电弧焊(fcaw))期间充当焊接金属源。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包含基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)，其中，al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。

在第一方面的焊丝中，所述芯进一步包括基于所述焊丝的总重量浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(mn)，其中，mn是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。

在第一方面的焊丝中，所述焊丝被配置成用于在自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)工艺中充当电极，其中，所述芯包括熔剂，所述熔剂包括不同于al或mn的金属的氧化物、或不同于al或mn的金属的氟化物。

在第一方面的焊丝中，所述芯进一步包括以下各者中的一者或多者：基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％的铜(cu)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％的钴(co)，其中，cu和co中的所述一者或多者的总浓度为基于所述焊丝的总重量大于零重量％且小于约10重量％。

在第一方面的焊丝中，所述焊丝进一步包括以下各者中的一者或多者：基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约50重量％的镍(ni)；基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约2.5重量％的碳(c)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约2重量％的氮(n)。

在第一方面的焊丝中，mn、ni、c、ni、cu和co的浓度使得2[mn]+[ni]+30[c]+20[n]+0.3[cu]+0.3[co]在约10重量％与约80重量％之间，其中[mn]、[ni]、[c]、[n]、[cu]和[co]表示相应元素基于所述焊丝的总重量的重量百分比。

在一些实施例中，皮和芯被配置使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在约4重量％与约6.5重量％之间的铝(al)和浓度在约15重量％与约25重量％之间的锰(mn)。在一些其他实施例中，皮和芯被配置成使得使用所述焊丝形成的焊道具有大于20ft-1bs的断裂韧性(当在温度低于0°f时测量)。在一些其他实施例中，皮和芯被配置成使得使用所述焊丝形成的焊道具有在1与125之间的铁素体数。

在第二方面，一种被配置成用于在焊接期间(例如药芯电弧焊(fcaw))充当焊接金属源的焊丝包括由皮包围的芯和组合物，使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在约50重量％与约85重量％之间的铁(fe)和浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)。

在第二方面的焊丝中，所述焊道进一步包括浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(mn)。

在第二方面的焊丝中，所述焊丝是自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)焊丝，其中，所述芯包括熔剂，所述熔剂包括不同于al或mn的金属的氧化物或不同于al或mn的金属的氟化物。

在第二方面的焊丝中，所述芯包括：基于所述焊丝的总重量浓度在约8重量％与约20重量％之间的铝(al)；基于所述焊丝的总重量浓度在约30重量％与约60重量％之间的锰(mn)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约50重量％的镍(ni)，其中，al、mn、和ni中的每一者是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。

在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括碳(c)和镍(ni)，使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在大于0重量％且小于约0.5重量％的碳(c)和浓度在大于约0重量％且小于约30重量％的镍(ni)。

在第二方面的焊丝中，所述组合物使得2[mn]+[ni]+30[c]>20重量％，其中，[mn]、[ni]和[c]表示相应元素基于所述焊道的总重量的重量百分比。

在第二方面的焊丝中，所述焊道具有以体积计超过30％的面心立方(fcc)奥氏体。

在第二方面的焊丝中，所述焊丝被配置成用于在没有保护气体的情况下沉积时形成具有所述al浓度和所述mn浓度的焊道。

在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括铁素体稳定化元素中的一种或多种铁素体稳定化元素，所述铁素体稳定化元素选自下组，所述组由铬(cr)、钼(mo)、硅(si)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)以及钨(w)组成，使得所述焊道所具有的所述铁素体稳定化元素的总浓度大于0重量％且小于约10重量％。

在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括奥氏体稳定化元素中的一种或多种奥氏体稳定化元素，所述奥氏体稳定化元素选自下组，所述组由铜(cu)和钴(co)组成，使得所述焊道所具有的所述奥氏体稳定化元素的总浓度大于0％且小于约10重量％。

在第三方面，一种焊接(例如药芯电弧焊(fcaw))方法包括提供被配置成用于在焊接过程中充当焊接金属源的焊丝。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包括基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)，其中，al是元素形式或与不同金属元素合金化。所述方法另外包括施加足够的能量以产生稳定的熔融焊丝液滴流。所述方法进一步包括使熔融液滴沉积到工件上。

在第三方面的方法中，所述焊丝进一步包括基于所述焊丝的总重量浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(mn)，其中，mn是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。

在第三方面的方法中，沉积包括在自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)过程下、在没有保护气体的情况下的沉积，并且其中，施加所述能量包括向所述焊丝施加电压以产生等离子体电弧。

在第三方面的方法中，沉积包括以使得使用所述焊丝的焊道具有浓度在约4重量％与约6.5重量％之间铝(al)和浓度在约15重量％与约25重量％之间的锰(mn)的氛围和电压状态进行沉积。

在第四方面，一种通过增材制造来制备制品的方法包括提供焊丝，所述焊丝被配置成用于充当形成所述制品的至少一部分的金属的来源。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包含基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)，其中，al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。另外，所述方法包括施加足以形成所述金属的熔融液滴的能量。所述方法进一步包括沉积所述熔融液滴以形成焊道层，所述焊道层形成所述制品的所述至少一部分。

在第五方面，一种通过增材制造来制备制品的方法包括提供焊丝，所述焊丝包括由皮包围的芯和组合物，使得由通过使所述焊丝熔化和淬火而形成的熔融液滴形成的焊道具有基于所述焊道的总重量浓度在约50重量％与约85重量％之间的铁(fe)和浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)。另外，所述方法包括使用多层所述焊道形成所述制品的主要部分。

附图说明

图1是金属电弧焊方法中的电极的配置的示意性展示。

图2a展示了根据实施例的、被配置用于自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)的金属电弧焊系统。

图2b展示了根据实施例的、被配置用于气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)的金属电弧焊系统。

图3a是根据实施例的在芯中包括铝的药芯电极焊丝的示意性展示。

图3b是根据实施例的在芯中包括铝的药芯电极焊丝的示意性展示。

图3c是根据实施例的在芯中包括铝的药芯电极焊丝的示意性展示。

图3d是根据实施例的在芯中包括铝的药芯电极焊丝的示意性展示。

图4a是根据实施例的针对由药芯电极焊丝生产的、具有多种不同的铁素体数的焊件的镍当量对比铝含量。

图4b是根据实施例的图4a中的具有铁素体数2的焊件的扫描电子显微照片。

图4c是根据实施例的图4a中的具有铁素体数13的焊件的扫描电子显微照片。

图4d是根据实施例的图4a中的具有铁素体数33的焊件的扫描电子显微照片。

图4e是根据实施例的图4a中的具有铁素体数123的焊件的扫描电子显微照片。

图5是根据实施例的被配置用于使用在芯中包括铝的药芯电极焊丝的药芯电弧焊的金属电弧焊系统的示意性展示。

图6是根据实施例的使用在芯中包括铝的药芯电极焊丝的药芯电弧焊的方法的流程图。

图7是根据实施例的使用在芯中包括铝的电极焊丝通过增材制造来制备制品的方法的流程图。

图8a和图8b示意性地展示了根据实施例的被配置用于使用在芯中包括铝的电极焊丝进行焊丝给送增材制造的系统。

图9a示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于电弧焊的焊丝给送增材制造的系统，其中含铝电极焊丝用作金属源。

图9b示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于气体钨极电弧焊(gtaw)的焊丝给送增材制造的系统，其中不含铝电极用作金属源。

图9c示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于等离子弧焊(paw)的焊丝给送增材制造的系统，其中不含铝电极用作金属源。

图10示意性地展示了根据实施例的被配置用于焊丝和激光增材制造(wlam)的系统，其中含铝焊丝用作金属源。

具体实施方式

对焊接技术(包括连结技术以及新兴的增材制造技术)的不同技术需求和经济需求(通常是竞争性需求)的复杂性不断增长。例如，通常需要在外观和机械性能方面的更高焊道质量，而不会产生负面的经济或生产率后果，例如更高的原材料和/或焊接成本。具体地，在钢基焊接中，可能需要改进或满足机械性能的竞争性特性，诸如屈服强度、延展性、耐腐蚀性、抗热裂性和断裂韧性，同时保持经济可行性。

一些焊接技术旨在通过改进耗材来解决这些竞争性需求，例如，通过改进可消耗电极焊丝的物理设计和/或组成。作为一个实例，一些传统的可消耗电极结合添加剂，诸如铬(cr)和镍(ni)。向铁合金添加的铬和镍可以通过形成保护性氧化物层的能力来提供例如抗氧化性。然而，从成本的观点来看，大量的cr和ni可能是不希望的。此外，虽然提供了一个优点，但是一些添加剂可能不足以满足其他特性(例如竞争性特性)或者可能引入不希望的后果。例如，在某些情况下，在提供抗氧化性和耐腐蚀性的同时，相对大量的cr和ni可能提升所得焊件中的所不希望量的体心立方(bcc)铁素体，这可能导致所不希望的机械性能，包括更低的断裂韧性。

在本文所描述的各实施例中，可消耗电极焊丝具有芯壳结构，其中例如在芯中存在特定量的铝。多种不同电极满足诸如耐腐蚀性、抗热裂性和高断裂韧性等竞争性焊件性能。此外，当在某些焊接过程(例如药芯电弧焊)中使用时，与钢基焊丝中的传统添加剂相比，所披露的电极可以提供更低成本的解决方案。在下文中，首先披露了含铝焊丝以及采用含铝焊丝的焊接过程和系统的不同实施例，然后是用于使用含铝焊丝进行增材制造的方法和系统。然而，应理解的是，所披露的焊丝以及系统和方法的各个方面可以在连结技术和增材制造技术中的任一者或两者中互换使用。

使用含铝焊接电极的焊接过程

图1是金属电弧焊过程中的电极的配置的示意展示。在金属电弧焊中，例如气体-金属电弧焊(gmaw)中，在与一个电极4(例如，阳极(+))电连接的可消耗金属焊丝6与充当另一电极(例如，阴极(-))的工件2之间产生电弧。此后，维持等离子体8，所述等离子体含有中性和电离的气体分子，以及已被电弧汽化的金属焊丝6的材料的中性和带电的簇或液滴。在焊接过程中，将可消耗金属焊丝6朝向工件2推进，并且所得的金属焊丝6的熔融液滴沉积到所述工件上，从而形成焊道。

根据多个不同的实施例，金属焊丝6可以是包括基于金属焊丝6的总重量浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)的焊丝。在一些实施例中，金属焊丝6包括具有钢组合物的皮和由皮所包围的芯，其中，芯包括基于焊丝的总重量浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)。金属焊丝6可以用于不同的电弧焊过程，这些电弧焊过程包括可以采用固体电极焊丝(gmaw)或金属芯焊丝(gmaw-c)的气体-金属电弧焊过程。金属焊丝6也可用于药芯电弧焊过程(fcaw)，这些药芯电弧焊过程可以是气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)或自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)。金属焊丝6尤其还可以用于保护金属电弧焊(smaw)过程和埋弧焊(saw)过程。在下文中，更详细地描述了可以采用金属焊丝6的不同焊接过程。

在使用实心电极(gmaw)或金属芯电极(gmaw-c)的气体-金属电弧焊中，使用保护气体来对焊池和焊道提供保护以防止焊接过程中的大气污染。当使用固体电极时，它们与活性成分适当地合金化，这些活性成分结合保护气体可以被设计成用于提供低孔隙率或无孔隙焊缝，这些焊缝具有所得焊道的所需物理和机械性能。当使用金属芯电极时，一些活性成分可以被添加在金属外皮的芯中并被设计成用于提供与在固体电极情况下相似的功能。

固体和金属芯电极被设计成用于在适当的气体保护下提供具有屈服强度、拉伸强度、延展性和冲击韧性的固体、基本无孔隙的焊件或焊道，以便在最终应用中令人满意地表现。这些电极还可以被设计成使焊接过程中产生的熔渣量最小化。对于一些应用，金属芯电极可以用作实心焊丝的替代品，以提高生产率。如本文所述，金属芯电极是指复合电极，这些复合电极具有至少部分地被填充且被金属外皮包围的芯。所述芯可以包括金属粉末和活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润温和外观以及希望的物理和机械性能。制造金属芯电极是如下进行：混合芯材的成分并将其沉积在成型的条带内部，并且然后封闭并拉伸所述条带至最终的直径。对于一些应用，与固体电极相比，有芯电极可以提供增加的沉积速率和更宽的、相对一致的焊接渗透轮廓。如本文所述，金属芯电极(gmaw-c)是指具有芯的电极，所述芯的成分主要为金属。当存在时，所述芯中的非金属组分具有基于每个电极的总重量的小于5％、3％或1％的组合浓度。相对低的非金属组分可以将gmaw-c电极与下文更详细描述的药芯电弧焊电极区分开。gmaw-c电极的特征可以为：喷射电弧和高质量的焊接金属。

与使用金属芯电极(gmaw-c)的气体-金属电弧焊类似，用于药芯电弧焊(fcaw、fcaw-s、fcaw-g)的电极也包括被壳包围的芯。也就是说，用于药芯电弧焊中的有芯电极具有至少部分被金属外皮填充和包围的芯，类似于上述的金属芯电极。然而，不同于金属芯电极(gmaw-c)，用于药芯电弧焊(fcaw)的有芯电极另外包括熔剂，这些熔剂被设计成用于在焊接过程中对焊池和焊道提供保护免于大气污染，至少部分代替保护气体。用于药芯电弧焊中的有芯电极可以另外包括其他活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润温和外观以及希望的物理和机械性能。在一个方面，药芯电弧电极可以通过芯中存在的非金属组分的量与金属芯电极区分开，这些非金属组分的组合浓度可以是基于每个电极的总重量小于5％、3％或1％。

已经为药芯电极开发了大量的熔剂组合物来控制电弧稳定性，改变焊接金属组成，并提供保护免于大气污染。在药芯电极中，可以通过改变焊剂的组成来控制电弧稳定性。因此，可能令人希望的是在焊剂混合物中具有作为等离子体电荷载体很好地起作用的物质。在一些应用中，焊剂还可以通过使金属中的杂质更容易可熔并提供可以与这些杂质组合的物质来改变焊接金属组成。有时加入其他材料以降低熔渣熔点、改进熔渣的流动性、并充当焊剂颗粒的粘合剂。fcaw中使用的不同焊丝可以共享一些类似特性，例如，在焊缝上形成保护熔渣，使用拖曳角技术，能够以较高沉积速率在不适当位置或平坦和水平处焊接，能够处理板上相对较高量的污染物等。另一方面，存在不同类型的药芯电弧焊过程，即：自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)和气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)，下文参考图2a和图2b对这些电弧焊进行更详细地描述。

图2a和图2b展示了根据实施例分别被配置用于fcaw-s过程和fcaw-g过程、被配置成使用含铝电极焊丝的系统20a和20b。在fcaw过程中，等离子体8由电连接至一个电极4(例如，阳极(+)或阴极(-)中的一者)的fcaw-s焊丝26a(图2a)或fcaw-g焊丝26b(图2b)与充当另一个电极(例如，阳极(+)和阴极(-)中的另一者)的工件2之间产生的电弧产生。此后，维持等离子体8，所述等离子体含有中性和电离的气体分子，以及已被电弧汽化的金属焊丝6的材料的中性和带电的簇或液滴。在操作中，fcaw-s焊丝26a(图2a)和fcaw-g焊丝26b(图2b)朝向工件2推进，并且来自焊丝的熔融液滴沉积到工件2上，由此形成包括固化的焊接金属的焊道或焊件24。与fcaw-s系统20a(图2a)不同，fcaw-g系统20b还包括用于通过保护气体喷嘴27供应保护气体27以将其递送到等离子体区域的保护气体入口28。

参照图2a，fcaw-s过程利用由电弧本身的化学反应产生的保护熔渣和气体来保护熔融金属免受大气的影响。fcaw-s焊丝26a的芯中的焊剂成分具有以下多种功能，包括：对熔融金属进行脱氧和脱氮；形成保护熔渣，所述保护熔渣也使焊道24成形并且可以保持在不适当位置的熔融金属；以及将合金化元素添加到焊道以产生希望的性能，并且可控制地影响不同焊接特性(例如，深穿透特性和高沉积速率)，以及其他功能。

在某些情况下，与其他过程(例如，棍(即，手动)焊接)相比，根据实施例的fcaw-s过程/系统提供了增加的生产率，这部分地由于针对与使用棍状电极的应用类似或相同的应用利用半自动过程而具有相对更高的沉积速率性能。例如，一些fcaw-s被适配成用于不使用外部保护气体的室外焊接，尤其是在保护气体很容易被风吹走并且导致利用气体保护过程所得的焊道中有孔隙的情况下。然而，实施例不限于此，并且其他fcaw-s过程可以被适配成用于室内焊接。

在dc极性下执行根据实施例的一些fcaw-s过程。根据实施例的一些fcaw-s过程具有球状电弧转移，范围从细小金属液滴到大金属液滴。

参照图2b，fcaw-g过程使用熔渣系统和外部保护气体来保护电弧免受大气的影响。可以使用的示例性保护气体包括二氧化碳(co2)，例如基本上纯co2或co2和惰性气体的混合物(例如75％至85％的氩(ar)与余量的co2的组合)。与fcaw-s焊丝类似，fcaw-g焊丝的芯成分可以被配置成用于产生熔渣以便将合金化元素结合到焊道并影响焊接特性。然而，与fcaw-s焊丝不同，fcaw-g焊丝可以获得主要或基本上通过围绕等离子体区递送的外部保护气体27来保护熔融金属免受大气的影响。

仍然参照图2b，一些fcaw-g过程的特征为具有平滑喷射电弧的小液滴电弧转移。在dc+极性下执行根据实施例的一些fcaw-g过程。例如与fcaw-s过程相比，一些fcaw-g系统/过程更加被适配成用于室内焊接，因为它们具有更平滑的电弧特性。然而，实施例不限于此，并且一些fcaw-g过程可以被适配成用于室外焊接。

含铝焊接电极

本文披露的不同实施例旨在解决由上述不同焊接过程产生的焊道的日益复杂且具有竞争性的特性。竞争性特性包括高韧性(例如，低温下的高韧性)、韧性的小统计散布、低热裂倾向和低孔隙率以及其他特性。此外，这些特性可能受到经济考虑因素的限制，例如可消耗电极的成本。为了满足这些和其他需要，根据各种实施例，含铝电极是有芯电极。

如上所述，有芯电极是具有由例如钢组合物形成的皮的复合电极，其中颗粒芯具有特别选择的铁和其他金属粉末和合金。在制造过程中可以容易添加添加剂(诸如稳定剂和电弧增强剂)，从而为焊机提供更宽的操作窗口。

有芯电极是连续供给的管状金属皮，具有可包括颗粒或粉末的芯。所述芯可以包括助熔元素、去氧剂和去氮剂、和合金化材料，以及提高韧性和强度、改进耐腐蚀性并稳定电弧的元素。如上所述，有芯电极可以归类为以下之一：金属芯电极(gmaw-c)、自保护的药芯电极(fcaw-s)和气体保护的药芯电极(fcaw-g)。

由于制造的灵活性，当工作需要特殊的电极时，有芯电极可能比固体电极更经济。由于制造过程涉及将金属粉末共混，而不是产生特殊的钢熔体，因此少的量更容易产生，并且最低订购量要低得多。其结果是，与特殊订购的固体电极相比，可以以更短的周转时间和更低的成本生产有芯电极。因此，在下文中，描述了包括由皮包围的含铝芯的电极焊丝的不同实施例。

在本文披露的不同实施例的一个方面，这些竞争性特性之间的平衡可以部分地通过将焊丝配置成使得所得焊道含有受控量的奥氏体来实现。如本文所述，具有受控分数的fcc奥氏体的焊道是指由焊接焊丝形成具有以焊道的重量计大于20％、30％、或40％、或具有在由这些百分比限定的范围中的百分比的焊道。诸位发明人已经发现，有利地，在具有受控量(例如，>30％，以重量计)的奥氏体的情况下，当在焊道中如下文所述的至少部分地利用相对较高浓度的铝和多种不同的其他元素实现时，可以满足多种不同竞争性技术需求以及成本限制之间的平衡。因此，有利地，本文中所披露的实施例涉及包括基于焊丝的总重量浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)的电极(例如有芯电极)。含铝电极产生的焊道实现低孔隙率、低温下的高断裂韧性、以及高抗热裂性等特征。如本文所述，高断裂韧性是指大于约20、50、100、150或200ft-1bs的断裂韧性值，如使用相关工业中已知的夏比(charpy)冲击试验测量的。如本文所述，低温断裂韧性是指在低于约0°f、-20°f或-40°f的温度下测量的断裂韧性。

图3a至图3d示意性地展示根据实施例的包括由皮34包围的含铝的芯38a至38d、并且被配置成用于在金属电弧焊期间充当电极的焊接电极焊丝30a至30d。焊接电极焊丝30a至30d包括具有第一基础金属组合物的皮34和由皮34包围的芯38a至38d，其中芯38a至38d包含第二基础金属组合物和下文所述的多种不同的其他元素，这些焊接电极焊丝的组合被适配成用于形成具有受控量的奥氏体相的焊道。具体地讲，芯38a至38d包括基于焊丝的总重量浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)，其中al是元素形式或与不同金属元素合金化。在不同实施例中，皮34的第一基础金属和芯38a-38d的第二基础金属的组合物是相同的，而在其他实施例中，所述第一基础金属和第二基础金属的组合物是不同的。

在电极焊丝30a至30d的不同实施例中，第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者包括钢组合物。在一些实施例中，基础金属组合物可以是碳钢组合物。碳钢组合物的非限制性实例包含fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的c、浓度在约0.1wt％与约1.5wt％之间的si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的s、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的p、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的al以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的cu。

在一些其他实施例中，第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者可以是低碳钢组合物。一些非限制性实例包括具有浓度小于约0.10wt％的c和浓度最高达约0.4wt％的mn的组合物、以及具有浓度小于约0.30wt％的c和浓度最高达约1.5wt％的mn的组合物。

在一些其他实施例中，第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者可以是低合金钢组合物。为了提供一些非限制性示例性组合物，低合金钢组合物包含fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的c、浓度在约0.1wt％与约1.0wt％之间的si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的s、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的p、浓度在约0.01wt％与约5wt％之间的ni、浓度在约0.1wt％与约0.5wt％之间的cr、浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的mo、浓度在约0.001wt％与约0.1wt％之间的v、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的al以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的cu。

在一些其他实施例中，第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者可以是不锈钢组合物。为了提供一些非限制性示例性组合物，不锈钢组合物典型地包含fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约1wt％之间的c、浓度在约0.1wt％与约5.0wt％之间的si、浓度在约10wt％与约30wt％之间的cr、浓度在约0.1wt％与约40wt％之间的ni、浓度在约0.1wt％与约10wt％之间的mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的s以及浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的p。

不受任何理论的束缚，结合到上述第一基础金属组合物和/或第二基础金属组合物中的多种不同的元素可以在钢焊接中提供特别的优点，如本文中所讨论的以提供几个实例。例如，如下面进一步讨论的，碳、锰、镍和铜各自可以用于稳定奥氏体相，这进而可以改进焊件的断裂韧性，所述断裂韧性可以是强度和延展性的指标。锰可以进一步充当从焊缝中移除氧并减小焊缝金属孔隙率的脱氧剂。由于焊丝电极涂布(如果涂布以铜)获得改善的导电性、并因此在焊接电极与接触尖端之间获得更好的引弧，因此可以将有意的添加铜作为制造过程的一部分。

不受任何理论的束缚，如下面进一步讨论的，铝、硅、铬和钼可以充当铁素体稳定化元素，这进而可以改进焊件的热裂性能。硅还可以充当从焊件中去除氧并减小焊接金属孔隙率的脱氧剂。一般来说，金属中的硅水平越高，熔池(weldpuddle)中的流体就越多。硅的添加还可以增大拉伸强度和屈服强度。铬还可以改进耐腐蚀性。钼也可以增加强度并改进冲击性能，即使当焊缝经受应力消除焊后热处理时。

不受任何理论的束缚，磷一般对焊缝熔敷物来说是不希望的，因为它可能有助于焊缝开裂。硫一般对于可焊性来说也是不希望的并且可能有助于焊缝开裂。然而，以有限的量，硫或磷可以改进熔池的流动性和润湿性。

不受任何理论的束缚，钛可以充当铁素体稳定化元素并作为脱氧剂和/或脱氮剂。锆可以充当脱氧剂。

为了实现本文所描述的焊接过程和/或焊道的多个不同的有利的特征，根据实施例，焊丝30a至30d包括具有相对较高量的铝(al)和锰(mn)的芯38a至38d。在不同实施例中，根据实施例，芯38a至38d包括基于焊丝的总重量浓度在约1重量％与约20重量％之间、在约2重量％与约15重量％之间、在约3重量％与约10重量％之间、在约4重量％与约8重量％之间，或浓度在范围由这些值中的任一值所限定的范围内(例如约5重量％)的al。芯38此外包括基于焊丝的总重量浓度在约1重量％与约60重量％之间、在约5重量％与约40重量％之间、在约10重量％与约30重量％之间，或浓度在由这些值中的任一值所限定的范围内(例如约18重量％)的锰(mn)。在一些实施例中，焊丝30a至30d包括具有浓度的组合的芯38a至38d，其中al浓度在约3重量％与20％之间、并且mn浓度为约10％与60％之间，al浓度在约8重量％与20％之间、并且mn浓度在约30％与60％之间，其中al浓度在约9重量％与20％之间、并且mn浓度在约35％与60％之间，或其中al浓度在约10重量％与约20％之间并且mn浓度在40％与约60％之间。

在不同实施例中，al和mn中的每一者是呈元素形式或与不同金属元素的合金形式。例如，当呈合金形式时，al和/或mn可以作为金属合金化合物的一部分存在，例如，mmg、msi、mzr、mfe，其中m是al或mn，例如almg、alsi、alzr、femn、femnsi、或mnsi，以及其他金属合金化合物。不受任何理论的束缚，在芯38a中存在以本文披露的量的al(单独或与其他元素组合)可以在所得焊道中提供多种不同的优点。例如，类似于cr，当存在于所披露的范围内时，al可以有利地提供所得焊件的优异抗氧化性。

此外，本文所述的特定量的al(单独与其他元素组合)可有利地在所得焊件中提供相对低孔隙率，由此提供更宽的过程窗口，例如提供更宽的沉积速率范围。

此外，本文所述的特定量的al(单独或与其他元素组合)可以充当脱氧剂和/或脱氮剂，使得根据实施例，所得焊道具有基于焊道的总重量浓度大于零重量％且小于约1重量％、大于零重量％且小于约0.5重量％、或大于零重量％且小于约0.1重量％、例如约0.2重量％的氮(n)或氧(o)。

如本文所述，奥氏体是指铁原子结构的面心立方(fcc)相，其在溶液中可含有最高约为2％的碳。如本文所述，铁素体是指铁的体心立方(bcc)相，其可以保持非常少的碳；在室温下通常为0.0001％。铁素体可以作为α或δ铁素体存在。诸位发明人已经认识到：具有受控和平衡量的fcc相和bcc相的优点(这些优点可以与本文所述的多种不同的令人希望的焊道特性相关联)可以通过具有相对较高量的al单独地、或者与本文所述的多种不同的其他元素组合来实现。在焊道中具有受控量的fcc和bcc相可能是希望的，因为例如不受任何理论的束缚，相对高的铁素体含量可以与相对不良的低温断裂韧性相关联，同时与相对优异的热或凝固裂化性能相关联。相比之下，相对低的铁素体含量可以与相对优异的低温断裂韧性相关联，同时与相对不良的热或凝固裂化性能相关联。如本文所述，由焊接研究委员会(wrc)、美国焊接协会(aws)和其他机构采用的称为铁素体数(fn)(其值范围是从1至125)的标准化表达式用于描述焊件中的铁素体的相对量。

诸位发明人已经认识到，当以相对较高浓度存在时，al可以是铁的bcc相或铁素体的稳定剂。也就是说，al的浓度可以与铁的bcc相的稳定性或量成比例。因此，在本文披露的多种不同实施例中，在铁中使用多种fcc相或奥氏体稳定化元素(例如ni、mn、cu、co、c和/或n)中的一者可以至少部分地抵消al的bcc稳定效应，如下所述。

具体地，不受任何理论的束缚，以本文所述的特定量的mn(单独或与包括具有上述量的al的其他元素组合)可以平衡fcc相和bcc相的量以产生具有相对高的断裂韧性(例如大于约20、50、100、150或200ft-1bs)的焊道，如在低于约0°f、-20°f或-40°f的温度下使用夏比冲击试验测量的，这至少部分是由于存在相对高的量的奥氏体。此外，本文所描述的特定量的mn可以产生在测得的断裂韧性值中具有相对较低散布的焊道。例如，在某些情况下，测得的断裂韧性值显示出具有高韧性分布和低韧性分布的双峰分布。根据实施例，测得的数据点中多于80％或90％的点被包含在高韧性分布中，而其余的数据点被包含在低韧性分布中。

在某些情况下，诸位发明人已经发现可能至关重要的是具有基于焊丝的总重量浓度不超过约20重量％、约15重量％、或约10重量％的al。此外，可能至关重要的是基于焊丝的总重量mn的浓度超过约1重量％、约5重量％、或约10重量％。此外，在某些情况下，诸位发明人已经发现可能至关重要的是具有基于焊丝的总重量浓度超过约1重量％、约2重量％、或约3重量％的al。此外，可能至关重要的是基于焊丝的总重量mn的浓度不超过约30重量％、约40重量％或约50重量％。当如所述的那样控制al和mn的浓度的组合时，可以实现希望特性(包括高断裂韧性、低孔隙率和抗热裂性)的组合。

此外，在一些实施例中，有芯焊丝30a至30d的芯38a至38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度大于零重量％且小于约50重量％、大于零重量％且小于约20重量％、大于零重量％且小于约10重量％、或大于零重量％且小于约10重量％、例如约2重量％的镍(ni)。在一些实施例中，有芯焊丝30a至30d的芯38a至38d进一步包含以下各者中的一者或多者：基于焊丝的总重量浓度大于零重量％且小于约10重量％、大于零重量％且小于约5重量％、或大于零重量％且小于约2重量％、例如约5重量％的铜(cu)和钴(co)。

在一些实施例中，有芯焊丝30a至30d的芯38a至38d进一步包括基于焊丝的总重量浓度大于零重量％且小于约5重量％、大于零重量％且小于约2.5重量％、或大于零重量％且小于约1重量％、例如约0.2重量％的碳(c)。在一些实施例中，有芯焊丝30a的芯38进一步包括基于焊丝的总重量浓度大于零重量％且小于约4重量％、大于零重量％且小于约2重量％、或大于零重量％且小于约1重量％、例如约0.2重量％的氮(n)。

在一些实施例中，具有多种不同的元素的特定组合的芯38a至38d产生上文所描述的多种不同的希望的属性。具体地，诸位发明人已经发现焊丝30a至30d的芯38a至38d包括mn、ni、c、ni、cu以及co的组合，除其他效果之外，这些元素可以共同用来使焊件中的fcc相稳定。具体地，诸位发明人已经发现，fcc稳定化元素量的度量可以由等效镍浓度nieq表示，所述等效镍浓度由下式描述：

nieq＝2[mn]+[ni]+30[c]+20[n]+0.3[cu]+0.3[co][1]

在不同实施例中，nieq在约10重量％与约80重量％之间、在约20重量％与约70重量％之间、或在约30重量％与约60重量％之间，其中，[mn]、[ni]、[c]、[n]、[cu]以及[co]表示相应元素的重量％。在等式[1]，根据实施例，元素的比率可以在+/-20％、10％、或5％内变化。例如，锰与镍的比率可以是2.0+/-0.4、2.0+/-0.2或2.0+/-0.1。

如上所述，不同奥氏体稳定化元素(包括mn、ni、c、n、cu和co)可以包括在芯中以便控制所得焊道中的奥氏体的相对分数、以及其他特性。在一些实施例中，不受任何理论的束缚，电极焊丝30a至30d的芯38a至38d分别可以进一步包含在稳定铁素体相中可以起作用的元素。相应地，在一些实施例中，电极焊丝30a至30d的芯38a至38d另外地包括铁素体稳定化元素中的一者或多者，这些铁素体稳定化元素选自下组，所述组由铬(cr)、钼(mo)、硅(si)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)以及钨(w)组成，使得根据实施例，焊道所具有的铁素体稳定化元素的总浓度大于0重量％且小于约20重量％、大于0重量％且小于约10重量％、或大于0重量％且小于约5重量％。

因此，在本文所描述的芯电极焊丝30a至30d的多个不同的实施例中，芯30a至30d包括铝。此外，芯30a至30d可以包括选自下组(所述组由mn、ni、c、n、cu以及co组成)的一种或多种奥氏体稳定化元素和/或选自下组(所述组由cr、mo、si、ti、nb、v以及w组成)的一种或多种铁素体稳定化元素。

根据实施例，基于焊丝的总重量的上述浓度可以至少部分地通过以下方式来实现：将金属芯电极30a/30b配置成具有在0.045”(1.1mm)与0.068”(1.7mm)之间、0.045”(1.1mm)与3/32”(2.4mm)之间或在0.052”(1.4mm)与0.068”(1.7mm)之间的外径(od)。

根据实施例，上述浓度可以至少部分地通过以下方式来实现：配置芯38a/38b/38c/38d和皮34的含量，使得芯的含量基于金属芯电极焊丝30a/30b/30c/38d的总重量占约1wt％与约80wt％之间、约10wt％与约50wt％之间或约15wt％与约30wt％之间。

根据实施例，本文所披露的不同实施例可针对金属芯(gmaw-c)电极、自保护的药芯(fcaw-s)电极和气体保护的药芯(fcaw-g)电极中的任一种进行优化。

在上文中，已经描述了有芯电极30a至30d的实施例，而没有特别参考芯38a至38d的结构。例如，有芯电极30a可以具有被配置为固体或填充有粉末的体积的芯38a。在下文中，参考图3b至图3d，描述了焊接电极焊丝30b、30c、30d的实施例，这些焊接电极焊丝具有被安排成包括以不同方式安排的粉末的对应芯38b、38c、38d。具体地，芯38b、38c、38d中的每一个至少部分地填充有包括上述不同元素的颗粒以及如上所述的第二基础金属组合物，它们的组合被适配成用于形成具有受控分数的奥氏体相的焊道。有芯电极中的包括al和奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素的颗粒通常包括金属和合金颗粒，而不是除了金属和合金颗粒以外的化合物颗粒(诸如氧化物或氟化物颗粒)，并且被配置成在所得焊道的面上产生相对小的熔渣岛。然而，实施例不限于此，并且al和奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素可以呈化合物的形式，诸如氧化物、氮化物和氟化物。

在图3b所展示的实施例中，颗粒32的组成是基本均匀的。也就是说，每个颗粒32含有第二基础金属，所述第二基础金属包括上述任何一种钢组合物和铝。如上所述，每个颗粒还可以包括一种或多种奥氏体稳定化元素和/或一种或多种铁素体稳定化元素。例如，当颗粒32由相同的合金锭生产时，可以产生所展示的配置。

仍然参考图3b，颗粒32由第二基础金属组合物和铝的合金形成。在被包括时，颗粒32由第二基础金属组合物以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或一种或多种铁素体稳定化元素的合金形成。例如，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素(mn、ni、c、n、cu以及co)和/或一种或多种铁素体稳定化元素(cr、mo、si、ti、nb、v以及w)的原子可以溶解或直接结合(例如经取代和/或在填隙)在第二基础金属组合物的晶格(例如，钢组合物的体心立方晶格或面心立方晶格)中。al和一种或多种奥氏体稳定化元素的原子也可以在第二基础金属组合物的基体内成簇，例如形成沉淀物。然而，实施例不限于此，并且替代性实施例是可能的，其中al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素的原子以化合物的形式结合在第二基础金属组合物中，所述化合物例如是除合金之外的无机化合物，例如硅酸盐、钛酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氟化物和氧化物。

现在参考图3c的焊丝电极30c，芯38c中的颗粒36a、36b具有不同的组成。在一些实施例中，颗粒36a、36b含有不同的元素。在一些其他实施例中，颗粒36a、36b含有处于不同浓度的一种或多种成分杂质的相同元素。在下文中，虽然展示了具有不同组成的两个颗粒36a、36b，但是可以包括一个或多个另外的颗粒，其中每个颗粒具有不同的组成。

在焊丝电极30c(颗粒36a、36b)中，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素可以以不同的原子键合形式存在。在一些实施例中，al以及一种或多种非挥发性奥氏体稳定化元素(mn、ni、c、cu和co)和/或一种或多种铁素体稳定化元素(cr、mo、si、ti、nb、v和w)可以以纯元素形式存在于颗粒36a、36b中。在这些实施例中，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素可以与基础金属组合物一起存在机械混合物中。在一些其他实施例中，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素的原子与颗粒36a、36b中的基础金属组合物的原子合金化。在一些其他实施例中，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素在基础金属组合物的基体内例如以沉淀物的形式成簇在颗粒36a、36b中。在这些实施例中，沉淀物的芯包含纯元素，而沉淀物的外表面与基体的原子键合。另外的其他实施例也是可能的，其中al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素形成非金属化合物，例如与基础金属组合物形成混合物(例如机械混合物)的硅酸盐、钛酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氟化物和氧化物。

仍然参考图3c，不同的颗粒36a、36b可以具有不同的组成安排。在一些实施例中，所有颗粒36a、36b包括第二基础金属组合物(例如，上文所述的任何钢组合物)和al以及一种或多种奥氏体稳定化元素(mn、ni、c、n、cu以及co)和/或一种或多种铁素体稳定化元素(cr、mo、si、ti、nb、v以及w)，但浓度不同。在一些其他实施例中，一些颗粒(例如颗粒36a)包括第二基础金属组合物，而不包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒(例如颗粒36b)包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒(例如36a)不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物以及奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒36a包括第二基础金属组合物并且包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒36a不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物，而不包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实现方式中，没有颗粒包括第二基础金属组合物，而所有颗粒36a、36b都包括不同浓度的奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。

在关于图3a至图3c的上述内容中，已经描述了焊丝电极30a至30c，而没有特别参考例如gmaw-c或fcaw之间的不同焊接过程的特定适用性。如上所述，不同于金属芯电极(gmaw-c)，用于药芯电弧焊(fcaw)的有芯电极另外包括熔剂，这些熔剂被设计成用于在焊接过程中对焊池和焊道提供保护免于大气污染，至少部分代替保护气体。对于药芯电弧焊(fcaw)，熔剂形成熔渣。在fcaw中，焊剂的材料并不旨在结合到最终的焊道中。相反，焊剂形成熔渣，在完成焊接之后将所述熔渣去除。因此，虽然金属芯电极可以不包括熔剂，但是被配置成用于fcaw的焊丝包括熔剂。

将理解的是，金属芯电极和药芯电极进一步基于所得焊道特性可区分。根据不同实施例，本文描述的金属芯电极在所得焊道的面上产生熔渣岛。相比之下，药芯电极产生对所得焊道的面的广泛熔渣覆盖度。例如，由金属芯电极产生的熔渣岛可以覆盖焊道表面积的小于50％、30％或10％。相比之下，由药芯电极产生的熔渣可以覆盖焊道表面积的大于50％、70％或90％。在下文中，在实施例中，al以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素的量和安排当存在于药芯电极(包括fcaw-s和fcaw-g)的芯中时可能是更有利的。

图3d是被配置成用于在fcaw过程中充当电极的焊丝电极焊丝30d的示意展示。类似于以上关于图3c描述的电极焊丝38c，焊丝30d包括由第一基础金属形成的皮34，所述第一基础金属可以包括上述任何一种钢组合物。根据以上关于图3b中的颗粒32或图3c中的颗粒36a、36b描述的任何一种配置或多种配置的组合，焊丝30d另外包括具有一个或多个不同颗粒36a或36b的芯38d。此外，在图3d的所展示的实施例中，根据实施例，焊丝电极30d的芯38d另外包括一个或多个非金属颗粒36c，所述一个或多个非金属颗粒包括熔剂或熔渣形成剂。

不受任何理论的束缚，可以包括含氟化合物和/或含氧化合物的一个或多个非金属颗粒36c可以修改熔渣的特性以改进焊道的形状，例如以减少在形成的焊道上的气体痕迹的倾向。例如，当熔剂存在时，气体痕迹(观察到的现象，其中在焊道表面上观察到类似蠕虫的弧坑)可能减少。不受任何理论的束缚，可以观察到气体痕迹，例如在熔渣比焊池凝固得快得多的速冻熔渣系统(基于金红石)中。由于熔渣的快速凝固，从熔融焊缝中放出的气体被部分截留并且因此在焊道表面上形成弧坑。

不受任何理论的束缚，一些熔剂(包括含氟化合物和/或含氧化合物)也可以降低熔渣的熔点。熔渣的较低熔点允许熔渣持续较长时间地保持熔融，从而允许有更多的时间让气体从熔融焊缝中逸出并溶解在熔渣中。在熔渣中夹杂氟还可以促进hf的形成，从而减少来自焊缝的氢气，这降低了焊接系统中氢气的分压以便减少气体痕迹的发生率。

在焊丝特别被适配成用于fcaw-s工艺的特定实施例中，基于铝脱氧和脱氮剂的熔渣系统可能是特别有益的。在这些实施例中，铝进入焊池并形成包括氧化铝的熔剂，所述熔剂具有相对高的熔化温度。高熔化温度的氧化铝可以与焊剂中的低熔化温度元素结合以形成有效的熔渣系统。包括氧化铝的熔渣元素可以在焊接过程中熔化并漂浮到熔融焊池的顶部，从而保护所述过程免受大气污染。

fcaw-s对氮气具有相对高的耐受性，并且熔渣系统使这成为可能。铝分子吸引氧原子和氮原子，它们进行连接以形成氧化铝和氮化铝。这样形成的氧化铝基熔渣系统具有高熔点(即快速冷冻)并快速轻质浮动到焊接表面。实际上，熔渣系统将氧和氮-潜在污染物转化成保护焊缝的化合物。

许多fcaw-s焊丝可以采用碱性系统或酸性系统。在碱性系统中，含氟化合物与铝化合物一起使用。在另一方面，在酸性系统中，可以采用氧化铁。碱性系统对焊接金属具有更好地清洁作用，并且趋向适用于结构关键性工作，从而满足低温韧性和其他严格的机械性能要求。酸性系统可以有助于平稳、快速的焊接。这是因为(不受任何理论的束缚)在焊接过程中，分子被电离，并且特定的熔渣系统与不同的热量水平相关联以完成电离。在氟化物系统中，相对大量的热量会破坏分子以形成氟键。在另一个方面，使用相对较低量的热量来破坏酸性氧化物基分子。快速反应导致快速的熔渣冻结并最终导致高沉积速率。

在一些实施例中，非金属颗粒36c包括无机化合物，这些无机化合物包括除al或mn之外的金属的金属氧化物或金属氟化物。

在本文披露的一些实施例中，当被包括作为非金属颗粒36c的一部分时，基于电极焊丝的总重量，电极焊丝中的氟(f)的浓度可以在大于零但小于约5wt.％、大于零但小于约1.5wt.％、或大于零但小于约1.0wt.％，例如约0.1wt.％。

其他实施例是可能的，其中当被包括作为非金属颗粒36c的一部分时，含氟颗粒包括非聚合物或无机含氟化合物，诸如氟化铝、氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化锰、氟化钾、氟化钠、氟化锶、聚四氟乙烯(诸如)、na2sif6、k2sif6、na3alf6和/或k3alf6；然而，将理解的是可以使用其他或附加的含氟化合物。

根据实施例，非含氟的非金属颗粒36c的实例包括过渡金属氧化物，例如氧化钛(例如金红石等)和/或含过渡金属的化合物(例如硅钛酸钾、硅钛酸钠等)。通常，在两者都被包括时，非含氟颗粒的重量百分比大于含氟化合物的重量百分比，例如，处于约0.5-10∶1之间，典型地约0.5-5∶1，并且更典型地约0.7-4∶1的比率。

使用含铝焊接电极形成的示例性焊件

在使用上述不同焊丝的情况下，可以形成具有特定组成的焊道，这些组成与焊丝的组成相比可以是基本上相同的或基本上不同的。在不同实施例中，使用焊丝(例如，图3a至图3d中的焊丝30a至30d)形成的焊道(例如，图2a、图2b中的焊道24)具有浓度在约50重量％与约85重量％之间的铁(fe)和浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)、或上文所描述的焊丝的任何浓度的fe和/或al。此外，焊道包含al以及一种或多种奥氏体稳定化元素(mn、ni、c、n、cu和co)和/或一种或多种铁素体稳定化元素(cr、mo、si、ti、nb、v和w)，其浓度与上面参考图3a至图3d所述的焊丝的(多个)相应浓度基本相同。根据多个不同的实施例，使用本文中根据多个不同实施例披露的焊丝形成的焊件以及本文披露的焊接方法具有的铁素体数在1与125之间、在2与20之间、在20与40之间、在40与60之间、在60与80之间、在80与100之间、在100与120之间、在120与140之间、或在这些值中任一值所限定的范围内的值。

图4a是曲线图40，所述曲线图展示了根据实施例的用于实验性地生产的焊件(具有产生自药芯电极焊丝的多个不同的铁素体数)的镍当量对比铝含量。实验性地生产的焊件包括第一组合物至第四组合物42、44、46和48，这些组合物相应地具有4.8wt.％、4.9wt.％、5.0wt.％和5.9wt.％的铝含量，并且相应地具有49wt.％、41wt.％、36wt.％以及35wt.％的对应的镍nieq(根据上述等式[1])。

图4b、图4c、图4d和图4e展示的分别对应于第一、第二、第三和第四组合物42、44、46和48的sem显微照片42a、44a、46a和48a。

配置用于使用含铝焊接电极的焊接系统

图5展示了根据实施例的电弧焊系统50，所述系统被配置成与上文讨论的焊接电极一起使用以约30lbs/hr或更高的速率沉积焊缝金属用于明弧焊。具体地，根据实施例，电弧焊系统50被配置成用于可使用包括含铝芯的焊接电极的gmaw、fcaw、fcaw-g、gtaw、saw、smaw或类似的电弧焊过程。电弧焊系统50包括焊接电源52、焊丝驱动器54、保护气体供应源58和焊枪59。焊接电源52被配置成用于向焊接系统50供电并且电联接到焊丝驱动器54，使得焊接电极焊丝充当第一电极并且进一步电联接到充当第二电极的工件57，如图1详细描绘的。所述焊丝驱动器被联接到焊枪59，并且被配置用于在焊接系统50的操作期间将焊接电极焊丝从电极供应源56供应到焊枪59。在一些实现方式中，焊接电源52还可以联接并直接向焊枪59供电。

将理解的是为了说明的目的，图5示出了其中操作者操作焊炬的半自动焊接配置。然而，本文描述的金属芯电极可以有利地用于机器人焊接单元，其中机器人机器操作焊炬。

焊接电源52包括功率转换电路，所述功率转换电路从交流电源(例如，ac电力网、发动机/发电机组或其组合)接收输入功率、调节所述输入功率并将dc或ac输出功率提供给焊接系统50。焊接电源52可以给焊丝驱动器54供电，所述焊丝驱动器进而给焊枪59供电。焊接电源52可以包括被配置成将ac输入功率转换成dc正或dc负输出、dc可变极性、脉冲dc或可变平衡(例如平衡或不平衡)ac输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等等)。将理解的是，焊接电源52被配置成提供在约100安培与约1000安培之间、或在约400安培与约800安培之间的输出电流，使得可以实现超过约30lbs/hr的速率的焊接金属沉积。

根据实施例，保护气体供应源58被配置用于将保护气体或保护气体混合物从一个或多个保护气体源供应到焊枪59。如本文所使用的保护气体可以指可以被提供给电弧和/或焊池以便提供特定的局部气氛(例如，以屏蔽电弧，改进电弧稳定性，限制金属氧化物的形成，改进金属表面的润湿，改变焊缝熔敷物的化学性质等)的任何气体或气体混合物。在某些实施例中，所述保护气体流可以是保护气体或保护气体混合物(例如，氩气(ar)、氦气(he)、二氧化碳(co2)、氧气(o2)、氮气(n2)、类似的合适的保护气体、或其任何混合物)。例如，保护气体流可以包括ar、ar/co2混合物、ar/co2/o2混合物、ar/he混合物(仅举数例)。

焊丝驱动器54可以包括永磁电动机用于提供对送丝的启动、停止和速度上的良好控制。为了使得超过约30lbs/hr的高焊接金属沉积速率成为可能，焊丝驱动器54被配置成用于提供在约50英寸/分钟(ipm)与约2000ipm之间、在约400ipm与约1200ipm之间、或在约600ipm与约1200ipm之间的送丝速度。

在操作中，焊枪59接收来自焊丝驱动器54的焊接电极、来自焊丝驱动器54的功率以及来自保护气体供应源58的保护气体流，以在工件57上进行电弧焊。使焊枪59充分靠近工件57，使得在可消耗焊接电极与工件57之间形成电弧，如上面关于图1所述。如上所讨论，通过控制焊接电极的组成，可以改变电弧和/或所得焊缝的化学性质(例如组成和物理特性)。

使用含铝焊接电极的焊接方法

参见图6，描述了一种金属电弧焊方法60。方法60包括提供62被配置成用于在焊接期间充当焊接金属源的焊丝。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包括基于焊丝的总重量浓度在约4重量％与约8重量％之间的铝(al)，其中，al是元素形式或与不同金属元素合金化。方法60另外包括施加64足够的能量以产生稳定的熔融焊丝液滴流。方法60还包括以超过25磅/小时的沉积速率将熔融液滴沉积66到工件上。在特定实施例中，沉积66包括在自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)工艺下没有如以上所描述的保护气体(例如关于图2a、图2b)的沉积。

在方法60中，提供62可消耗焊丝包括提供以上例如关于图3a至图3d所描述的任何焊丝。

在方法60中，根据一些实施例，施加电流64包括施加在约300安培与约600安培之间、在约400安培与约700安培之间或在约500安培与约800安培之间的平均电流以维持平均数量的等离子体不稳定事件(保持低于约10个事件/秒)。根据一些其他实施例，施加电流64包括施加在约400安培与约700安培之间、约500安培与约800安培之间或约600安培与约900安培之间的峰值电流。

使用含铝焊丝的增材制造方法

增材制造，有时称为三维(3d)打印，是指通过根据计算机辅助设计以逐层方式沉积材料(例如，金属)来制备三维物体的制造工艺。增材制造与传统的“减材”制造形成对比，在减材制造中从固体材料中减去(例如，切割、钻削、和/或磨掉)多余材料。在所披露的增材制造方法的实施例中，利用了焊接技术中使用的沉积技术。虽然在传统焊接工艺中，由焊道形成的接头连结分开的金属片以形成焊件，但是根据实施例的增材制造方法包括形成多个堆叠的焊道层，所述多个堆叠的焊道层形成制品或部件的主要部分。虽然其上形成有焊道层的基材可以是最终产品的一部分，但是沉积的焊道层基本上形成产品的不连续部分，而不是主要充当接头。在一些实施例中，基材可以是牺牲性的，并且由焊道层形成的制品或产品可以从其解除附接。更具体地，本文披露的实施例涉及焊丝给送增材制造，其中焊道层由通过合适的能量过程形成的熔融金属液滴形成，所述能量过程诸如电弧、激光加热、电阻加热以及电子束照射中的一者或多者。

部分地由于与减材制造技术以及其他增材制造工艺(例如，粉末床熔合工艺)相比而言较少的材料浪费，所披露的焊丝给送增材制造技术可以有利于制备相对较大的、昂贵的、具有复杂几何形状的、具有良好表面光洁度和/或具有优异材料特性的金属部件，以满足包括航空航天、汽车和工装工业在内的各种应用中的苛刻要求。如本文所披露的，可以控制不同工艺参数，包括能量输入、焊丝给送速率、焊接速度、沉积图案以及沉积顺序等，以制造具有优异机械性能和视觉外观的部件。

然而，焊丝给送增材制造工艺面临部分地由相对高的热循环所产生的挑战，所述热循环可以与不同工艺参数相关联，如焊丝给送速率、沉积速率和焊丝直径、以及沉积图案和顺序等。例如，虽然焊丝给送增材制造工艺可以有利地提供高沉积速率，但高沉积速率可能伴随熔融金属的热淬火速率的相对高的可变性。热淬火速率的相对高的可变性可能尤其导致相对高的残余应力，其可能导致翘曲和变形。

诸位发明人已经发现，根据实施例的使用焊丝的焊丝给送增材制造工艺可以克服与焊丝给送增材制造工艺相关联的这些和其他挑战。特别地，通过控制本文披露的含铝焊丝的组成物和结构，诸位发明人已经发现根据实施例使用焊丝通过焊丝给送增材制造工艺制备的制品具有优异的机械性能。不受任何理论的束缚，包括低孔隙率、低温下的高断裂韧性、高抗热裂性和相对低的变形等所观察到的改进可以归因于焊丝组合物，所述焊丝组合物所产生的受控量的fcc奥氏体可以是相对独立于热历史的，因此相对更多地免疫于热淬火速率的更高水平的可变性。优异的机械性能可以至少部分地归因于焊道中的受控分数的fcc奥氏体。诸位发明人已经发现，fcc奥氏体的有效量基于焊道的总体积可以例如大于20％、30％或40％、或在由这些百分比限定的范围内的某一百分比。因此，受控量的奥氏体，当如上文所述在焊道中至少部分地利用相对较高浓度的铝和多种不同的其他元素实现时，可以满足多种不同竞争性技术需求以及增材制造的成本限制之间的平衡。

基于前述对焊丝给送增材制造的挑战和改进需求的认识，本文披露的实施例涉及使用含铝电极(例如，有芯电极)的焊丝给送增材制造方法和系统，所述含铝电极包括基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)。使用含铝焊丝通过增材制造制造的制品显示出低孔隙率、低温下的高断裂韧性、以及高抗热裂性等期望特性。

图7是根据实施例的使用在芯中包括铝的电极焊丝通过增材制造来制备制品的方法的流程图。根据不同实施例，通过增材制造来制备制品的方法700包括：提供704焊丝，所述焊丝被配置成用于充当金属源以形成所述制品的至少一部分。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯等。芯包含基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(al)，其中，al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。焊丝可以具有本申请中描述的任何配置和组合物。另外，所述方法还包括施加708足以形成所述金属的熔融液滴的能量。所述方法进一步包括沉积712所述熔融液滴以形成焊道层，所述焊道层形成所述制品的所述至少一部分。配置用于使用含铝焊丝的方法的增材制造系统

图8a和图8b示意性地展示了根据实施例的被配置用于使用在芯中包括铝的电极焊丝作为金属源进行焊丝给送增材制造的系统。根据实施例的被配置用于焊丝给送增材制造的系统800包括：建模单元804，其包括计算装置，所述计算装置被配置成用于建模和执行用于制备待制造制品的三维结构的打印代码；机器人控制器808，其被配置成用于协调机器人运动和沉积过程；电源812，其被配置成用于将电力输送到沉积单元820以形成熔融金属并且控制焊接过程；以及机器人816，其被配置成用于实现沉积单元820的移动，所述沉积单元被配置成用于形成和沉积金属液滴并形成焊道层。

建模单元804配备有用于使用例如cad设计软件生成三维模型并且用于将三维模型转换为三维可打印代码的软件，所述三维可打印代码用于通过机器人控制器808和焊丝给送器限定机器人816和沉积单元820的打印路径以及起点和终点。例如，三维可打印代码可以生成限定三维结构的多个二维切片。

参考图8b中所展示的沉积单元820，在操作中，将足以熔化根据上述任何实施例配置的焊丝(例如，分别为图2a和图2b中的焊丝26a和26b，图3a至图3d中的焊丝30a至30d)的能量施加到所述焊丝，这引起熔融液滴流836的形成并沉积到工件828上，由此形成从熔化池840固化的焊道。在基材832上形成初始焊道之后，机器人816引导沉积枪824的位置在侧向方向上平移以形成附加焊道，直到在基材832上完成第一焊道层为止。此后，重复所述过程直到形成多个焊道层以制备完整的制品为止。基材832可以是待制造的最终制品的一部分或者是牺牲性的。在后一种情况下，可以分离基材832，使得整个制品是通过增材制造形成的。

尽管所展示的实施例中的沉积单元820描绘了基于电弧的沉积系统，但实施例不限于此。取决于金属沉积所使用的能量源，根据实施例的焊丝给送增材制造可以包括基于激光、基于电弧焊或基于电子束的沉积单元820，以及相应的电源812，包括下面关于图9a至图9c和图10所描述的那些。

图9a示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于电弧焊的焊丝给送增材制造的系统900a，其中焊丝充当电极和金属源两者。系统800可以被配置用于其中在可消耗电极焊丝26a、26b、30a至30d(分别为图2a、图2b和图3a至图3d)与工件金属828之间形成电弧的任何电弧焊工艺。电弧工艺可以基于球状短路喷射、脉冲喷射、冷金属转移(cmt)及其变体(包括受控浸涂转移模式机制等)将金属转移到工件828。如上所述，在这些方法中，根据上述任一实施例的焊丝26a、26b、30a至30d(分别为图2a、图2b和图3a至图3d)可以用于多种不同电弧焊工艺，包括气体-金属电弧焊工艺，其可以采用如上所述的固态电极焊丝(gmaw)或金属芯焊丝(gmaw-c)。金属焊丝也可用于药芯电弧焊工艺(fcaw)，所述药芯电弧焊工艺可以是如上所述的气体保护的药芯电弧焊(fcaw-g)或自保护的药芯电弧焊(fcaw-s)。诸位发明人已经发现，在一些应用中，fcaw或fcaw-s工艺在某些情形下可能是有利的，例如，当焊道逆重力沉积时，焊剂(和/或熔渣)的存在可能是有益的。金属焊丝26a、26b、30a至30d尤其还可以用于有保护的金属电弧焊(smaw)工艺和埋弧焊(saw)工艺。为简洁起见，在此省略了上面已经描述的这些工艺中的每一种工艺的细节。

根据实施例，沉积单元820可以包括沉积枪824(图8b)，所述沉积枪与上文关于图2a、图2b和图5描述的焊枪59类似地配置，以最高达～30lbs./hr或更高的速率沉积焊道，以用于明弧焊，包括gmaw、fcaw、fcaw-g、gtaw、saw、smaw或类似的可以使用包括含铝芯的焊丝的电弧焊工艺。如上面关于图2a、图2b和图5所描述的，电源812被配置成用于对焊接系统800供电并且电联接到焊丝驱动器(图5中的54)，使得焊丝充当第一电极、并且进一步电联接到充当第二电极的工件828。焊丝驱动器被联接到沉积枪824，并且被配置用于在系统800的操作期间将焊丝26a、26b、30a至30d从焊丝供应源(图5中的56)供应到沉积枪824。

在操作中，以与上文关于不同实施例描述的焊道沉积相类似的方式，在焊丝26a、26b、30a至30d与工件828之间产生电弧。此后，等离子体被维持在焊丝与工件之间，这致使熔融液滴流836形成并沉积到工件828上，由此形成从焊池840固化的焊道。在形成初始焊道之后，机器人816引导沉积枪824的位置在侧向方向上平移，直到完成第一焊道层为止。此后，重复所述过程直到形成多个焊道层以完成制品为止。

取决于沉积单元820是被配置为fcaw-s系统20a(图2a)还是fcaw-g系统20b(图2b)，沉积单元820还可以包括用于通过保护气体喷嘴912供应保护气体844以将其递送到等离子体区域的保护气体入口。

图9b示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于气体钨极电弧焊(gtaw)的焊丝给送增材制造的系统900b。图9c示意性地展示了根据实施例的被配置用于基于等离子弧焊(paw)相关技术的焊丝给送增材制造的系统。为简洁起见，在此省略了在等离子体产生和引导沉积方面类似于上述系统900a的系统900b和900c的各个方面。然而，与其中焊丝充当电极和金属源两者的焊丝给送增材制造系统900a和基于其的方法不同，在gtaw和paw中，等离子体产生/维持电极916并不充当待制造制品的金属的来源。相反，等离子体产生/维持电极916包括不可消耗电极，例如钨电极。因此，在基于gtaw和paw的焊丝给送增材制造中，将可消耗焊丝26a、26b、30a至30d(图2a、图2b和图3a至图3d)添加到焊池840，例如，焊池840的前缘。虽然gtaw和paw在这些方面是类似的，但它们之间的区别在于，在paw中，通过将电极定位在沉积枪或喷嘴的本体内，等离子弧可以与保护气体包络相对分离开。结果是，等离子弧的高温区域比gtaw弧更窄，从而导致所沉积的焊道相对更窄。

图10示意性地展示了根据实施例的被配置用于焊丝和激光增材制造(wlam)的系统1000。wlam是一种增材制造工艺，其使用金属焊丝作为增材材料，并且使用激光而不是等离子弧作为能量源来形成熔融液滴。可以使用根据上述任一实施例的金属焊丝(例如，分别为图2a和图2b中的焊丝26a和26b、图3a至图3d中的焊丝30a至30d)。

系统1000可以被配置用于激光热丝焊接工艺。如本文所描述的，激光热丝焊接工艺是指激光束与电阻加热式“热”焊接电极结合使用以沉积焊道的焊接工艺。系统1000包括激光子系统，所述激光子系统被配置成用于对充当金属源的填充焊丝(分别为图2a和图2b中的26a和26b、图3a至图3d中的30a至30d)和工件828提供能量。激光子系统包括由激光器电源1002供电的激光源1004。激光源1004被配置用于通过聚焦激光束1008来向填充焊丝和/或工件828提供能量。根据实施例，激光源1004被配置用于提供具有足够能量密度的激光束1008，以熔化填充焊丝和/或工件828。在不同实施例中，激光束1008可以是例如连续波(cw)、调制式的或脉冲式的，并且可以具有处于可见光谱或近红外光谱中的波长。

在不同实施例中，除了热丝焊接之外，系统1000可以被另外配置用于执行以下各项中的一项或多项：等离子弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、以及埋弧焊。

另外，系统1000还包括焊丝给送器1112，所述焊丝给送器被配置成用于提供(例如，连续地提供)填充焊丝。焊丝给送器1112被配置用于引导焊丝，使得所述焊丝在激光束1004附近与工件828发生接触。

所展示的系统进一步包括热丝电源1006(其可以作为图8a中的电源812的一部分包括在内)，所述热丝电源被配置成用于提供电流、电压和/或功率，以用于在操作期间电阻加热填充焊丝。在一些实施例中，热丝焊接电源1006是直流(dc)电源，例如，脉冲式dc电源。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，热丝电源1006可以是交流(ac)电源或其他类型的电源。

在操作中，填充焊丝从送丝器1112给送并且朝向工件828延伸。填充焊丝可以通过由热丝电源1006输送的电流、电压和/或功率进行电阻加热，使得填充焊丝可以接近、达到或超过填充焊丝的熔化温度。相结合地，激光源1004被配置用于提供激光束1008，所述激光束具有足够功率密度以至少部分地使工件828的基础金属熔化而形成焊池、和/或至少部分地使填充焊丝熔化而在熔化温度或高于熔化温度下形成熔融金属，例如在工件828上形成过热金属。

根据实施例，热丝电源1006可以被配置成用于至少提供电阻熔化填充焊丝和/或形成焊池所需能量中的、例如大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％的一部分能量，或提供这些百分值中的任何值以内的一部分能量。根据实施例，激光装置1004通过激光器电源1002(其可以作为图8a中的电源812的一部分或独立电源包括在内)被配置成用于至少提供电阻熔化填充焊丝和/或形成焊池所需能量中的例如大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％的一部分能量，或提供这些百分值中的任何值以内的一部分能量。

仍然参照图10，系统1000a可以进一步包括激光运动控制器1010，所述激光运动控制器被配置成用于独立于作为沉积单元820的一部分(图8a和图8b)的焊丝给送器1112移动激光束1008。例如，激光运动控制器1010可以被配置成用于沿着工件828以与填充焊丝相同的方向并以固定的距离移动激光束1008，使得激光束1004和填充焊丝在沿同一方向形成焊道的同时保持处于彼此相对固定的关系。替代性地，激光装置1004和焊丝给送器1112可以被整合为单一移动部分，所述移动部分可以通过上面关于图8b描述的运动控制系统沿着工件828移动。例如，u.s.8,653,417中描述了激光热丝焊接工艺和系统的可能相关的其他细节，所述专利的内容以其整体并入本文。

虽然本文已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过举例的方式呈现，并且并不旨在限制本披露范围。实际上，本文所述的新颖装置、方法和系统可以以各种其他形式来实施；此外，在不背离本披露精神的情况下，可以对本文所述方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。上述不同实施例的要素和作用的任何合适的组合可以被组合以提供另外的实施例。所附权利要求及其等效物旨在覆盖如将落在本披露的范围和精神内的此类形式或修改。