并入金属性包覆的颗粒的焊条及用其堆焊的方法
【专利说明】并入金属性包覆的颗粒的焊条及用其堆焊的方法
[0001] 相关申请的交叉引用：本申请要求2009年6月5日递交的美国专利申请序列号 12/478, 849以及2012年12月10日递交的美国专利申请序列号13/709, 684的优先权，所 述两个申请都通过引用被完全并入本文。
[0002] 发明的抟术领域
[0003] 提供焊接丝焊条和方法用于提高的焊缝性能。更特别地，提供并入这样的材料 的焊接丝焊条和方法，所述材料在被包含在金属套的芯之内的芯材料的颗粒上具有至少 一层金属性包覆物（metallic coating)。再更特别地，提供根据权利要求1的前序部分 (preamble)的焊接丝电极，以及根据权利要求12的前序部分的堆焊（hard surfacing)金 属工件的方法。
[0004] 发明背景
[0005] 多年来，常规的焊条以及制造这样的焊条的方法已经是可获得的。然而，虽然在焊 接过程期间，这样的常规的焊条和方法多少排除氮和氧进入焊缝，但是其不足以将氮和氧 从焊接电弧等离子体（weld arc plasma)排除。
[0006] 在焊剂芯弧焊工艺（FCAW)中，被包含在金属套的芯之内的芯材料（包括焊剂化合 物和合金化（alloying)化合物）在焊接过程期间受到电弧中的高温反应和氧化反应的影 响。最终，这些反应对芯材料和被沉积的焊缝金属的性质造成有害的改变。
【发明内容】
[0007] 根据一个实施方案，提供焊接丝焊条。所述焊接丝焊条包括金属套以及芯材料，所 述金属套包括芯，所述芯材料被包含在所述金属套的所述芯之内，其中所述芯材料包括至 少一种金属合金化化合物的颗粒，其中所述颗粒中的每个具有外表面，并且其中至少一层 金属性包覆物被沉积到每个颗粒的所述外表面上，以形成金属性包覆的颗粒。
[0008] 根据另一个实施方案，提供一种堆焊金属工件的方法，所述方法包括以下步骤：提 供金属工件，制备包括多个颗粒的颗粒状金属合金化化合物，其中所述多个颗粒中的每个 具有外表面，并且其中将至少一层金属性包覆物沉积到每个颗粒的所述外表面上以形成金 属性包覆的颗粒，制备包括所述金属性包覆的颗粒的芯材料，通过将所述芯材料放置到金 属套中来形成有芯丝焊条，将所述有芯丝焊条朝所述工件输送，以及采取焊接手段以创建 焊接熔池并且将所述有芯丝焊条传递到所述焊接熔池中，其中所述有芯丝焊条的至少一部 分被熔化，并且所述金属性包覆的颗粒被沉积到所述焊接熔池中。
[0009] 根据又另一个实施方案，提供一种用于与热丝焊接工艺一起使用的焊接丝焊条， 所述焊条包括金属套以及芯材料，所述金属套包括芯，所述芯材料被包含在所述金属套的 所述芯之内，其中所述芯材料包括至少一种金属合金化化合物的颗粒，其中所述颗粒中的 每个具有外表面，其中至少一层金属性包覆物通过气相沉积工艺被沉积到每个颗粒的所述 外表面上，以形成金属性包覆的颗粒，并且其中所述金属性包覆的颗粒中的每个被沉积到 焊接熔池中，所述焊接熔池在热丝焊接过程期间被形成。另外的实施方案在以下描述、附图 和权利要求中被公开。
[0010] 附图简要描沐
[0011] 虽然说明书以特别地指明并清楚地要求本发明的权利要求结束，但是认为的是所 述说明书将从以下采取结合附图的方式的描述被更好地理解，在所述附图中：
[0012] 图1是描绘根据本发明的一个实施方案的焊接焊条的截面图；以及
[0013] 图2是描绘根据本发明的另一个实施方案的焊接焊条的截面图。
[0014] 发明详细描沐
[0015] 选定的实施方案在此关于图1被详细描述。图1图示说明焊接焊条10的截面。 如在图1中图示说明的，焊接焊条10描绘焊剂芯焊条的实施方案，其中焊剂部分20可以基 本上被金属性电极部分30围绕，并且焊剂部分20可以充当焊条10的芯。在图1中表示的 配置中，焊剂部分20可以被采用来在焊接操作期间提供保护气体，以便排除氮进入焊缝金 属，这可以通过在焊接操作期间将空气与焊接熔池屏蔽开来实现。这些类型的焊接焊条一 般地被称为自保护焊条。自保护焊条被使用在许多不同类型的焊接操作中，比如焊剂芯弧 焊（"FCAW"）。在一个实施方案中，焊剂部分可以在焊条的重量的从约5%至约50%的范 围内。在另一个实施方案中，焊剂部分可以在焊条的重量的从约10%至约30%的范围内。
[0016] 在焊接过程中，焊条经由形成焊剂部分的材料产生其自己的保护气体，以将氧和 氮从焊接熔池的区域去除。保护气体由包含在焊剂部分中的化合物产生，所述化合物在焊 接期间分解和/或汽化（vaporize)。所释放的气体使在焊接弧环境中的氮和氧的分压降 低，以至于焊接熔池对氮和氧的吸收被降低。
[0017] 为了达到氮从焊缝金属排除，常规的自保护焊条在焊剂部分、金属性电极部分的 任一部分中包含一定量的铝或者两个部分中都包含一定量的铝。铝的存在有助于将氮和氧 与焊缝金属阻隔开，并且防止脆性焊缝，所述脆性焊缝在许多应用中是不符合期望的。同样 地，需要焊条具有这样的组成，所述组成在焊接操作期间阻挡氮进入焊缝金属并且不结束 或者不显著地妨碍焊缝金属的相转移。
[0018] 在一个实施方案中，焊剂部分可以包括这样的材料，所述材料包括颗粒，其中每个 颗粒包括基本上用外层包覆的基体（substrate)。所述外层可以包括铝，从而形成铝包覆的 颗粒。在一个实施方案中，所述基体可以包括非金属性粉末，比如氧化物和/或氟化物。所 述氧化物可以包括氧化锂。所述氟化物可以包括氟化钡和/或氟化钙。在另一个实施方案 中，在添加所述外层之前可以将第二层添加到所述基体，例如，所述第二层可以是水分屏障 层（moisture barrier layer)。所述水分屏障层的添加可以被用来防止非金属性粉末的过 早降解。在一个实施方案中，所述水分屏障层可以包括铁、锰、镍和/或任何其他适合的水 分屏障组分。
[0019] 在一个实施方案中，铝包覆的颗粒可以具有从约50 μ m至约300 μ m的范围内的直 径。在一个实施方案中，颗粒的基体可以在所述颗粒的重量的从约70%至约95%的范围 内。在另一个实施方案中，颗粒的基体可以在所述颗粒的重量的从约80%至约88%的范围 内。在一个实施方案中，颗粒的外层可以在所述颗粒的重量的从约5%至约30%的范围内。 在另一个实施方案中，颗粒的外层可以在所述颗粒的重量的从约12%至约20%的范围内。 在一个实施方案中，颗粒的外层可以具有在从约2 μπι至约10 μπι的范围内的厚度。
[0020] 本文中所描述的铝包覆的颗粒可以用各种方式制备。在一个实施方案中，所述铝 包覆的颗粒可以通过化学气相沉积被形成。化学气相沉积可以是被用来生产高纯度、高性 能的固体材料的化学工艺。在典型的化学气相沉积工艺中，基底被暴露于一种或更多种前 驱体，所述前驱体在基底表面上反应和/或分解以产生期望的沉积层，例如铝。在一个实施 方案中，铝层可以通过涉及三异丁基铝和/或三乙基铝的反应被沉积在基底上。在另一个 实施方案中，铝包覆的颗粒可以通过物理气相沉积被形成。物理气相沉积可以包括通过汽