用于防腐蚀焊条的系统和方法
【专利说明】用于防腐蚀焊条的系统和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年10月9日提交、标题为"用于防腐蚀焊条的系统和方法"的序 列号为61/888,965的美国临时申请以及2014年9月24日提交、标题为"用于防腐蚀焊条的系 统和方法"的序列号为62/054，818的美国临时申请的优先权和权益。这些临时申请的全部 内容通过引用并入本文以用于所有目的。
【背景技术】
[0003] 本发明总体涉及焊接，更具体而言，涉及用于电弧焊，例如，气体保护金属极电弧 焊(GMAW)或药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊条。
[0004] 焊接是各个行业中为各种应用普遍采用的一种过程。例如，焊接通常用于如造船、 海上平台、建筑、乳管机等应用。特定焊接技术(例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体 保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)和钨极气体保护电弧焊(GTAW))-般在焊接过程中采用保护 气体(例如，氩气、二氧化碳或氧气)在焊弧和焊池之内和周围提供特定局部气体，而其他焊 接技术(例如，药芯焊丝电弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)和自动保护金属极电弧焊(SMAW))并非 如此。另外，特定焊接类型可能涉及焊丝形式的焊条。焊丝一般可在焊接过程中为焊接提供 填充金属，并为电流提供路径。另外，特定类型的焊丝(例如，管状焊丝)可包括一种或多种 成分(例如，焊剂、电弧稳定剂或其他添加剂），这些成分一般可改变焊接过程和/或产生的 焊缝的特性。
【发明内容】
[0005] 在一个实施例中，管状焊丝具有外皮和焊芯，所述管状焊丝包括有机稳定剂成分、 稀土成分和防腐蚀成分，所述防腐蚀成分包括镍、铬和铜的一种或多种。
[0006] 在一个实施例中，在涂层工件上形成防腐蚀熔敷焊缝。所述熔敷焊缝包括约0.5% 至约21 %重量的铬、约0.02%至约12%重量的镍，以及约0.05%至约1 %重量的铜。另外，熔 敷焊缝的孔隙率小于约〇. 25英寸/英寸熔敷焊缝。
[0007] 在一个实施例中，制造管状焊丝的方法包括在金属外皮中布置焊芯。所述焊芯包 括有机稳定剂成分，该成分包括有机分子或有机聚合物的钠盐或钾盐。所述焊芯包括稀土 成分，该成分包括镧系中的一种或多种元素或化合物。所述焊芯还包括烧结块，所述烧结块 具有钾、钠、硅、钛和锰中的一种或多种的氧化物。所述焊芯进一步包括防腐蚀成分，该成分 包括镍、铬和铜中的一种或多种。所述方法还包括绕焊芯压缩金属外皮，以形成管状焊丝。
【附图说明】
[0008] 通过参考附图阅读下面的【具体实施方式】，可以更好地理解本发明的这些和其他特 征、方面和优点，在附图中，相似符号代表相似部件，其中：
[0009] 图1是根据本公开的实施例的气体保护金属极电弧焊(GMAW)系统的框图；
[0010] 图2是根据本公开的实施例的管状焊丝的截面图；
[0011] 图3是根据本公开的实施例的可使用管状焊丝来焊接工件的过程;以及
[0012] 图4是根据本公开的实施例的管状焊丝的制造过程。
【具体实施方式】
[0013] 下文将对本公开的一个或多个具体实施例进行说明。为了提供这些实施例的简要 描述，说明书中可能并未描述实际实施方式的所有特征。应理解的是，在任何这种实际实施 方式的开发过程中，例如，在任何工程或设计项目中，必须做出特定于实施方式的许多决 定，以实现开发者的具体目标，例如，遵从系统相关和业务相关约束条件，这些条件在各个 实施方式之间可能有所不同。另外，应理解的是，这种在开发上的努力可能很复杂、耗时，但 是，对得益于本公开的普通技术人员而言是在设计、制造和生产过程中的例行任务。
[0014] 在介绍本公开的各个实施例的元件时，冠词"一"、"一个"、"所述"和"该"旨在表示 有一个或多个元件。术语"包括"、"包含"、"具有"表示"包含"的意思，表示除所列元件之外， 可能还有额外元件。应理解的是，本文中使用的术语"管状焊条"或"管状焊丝"可指具有金 属外皮和粒状或粉末状焊芯的任何焊丝或焊条，例如，金属芯或药芯焊条。还应理解的是， 术语"稳定剂"或"添加剂" 一般可用于指改善电弧质量、焊缝质量，或以其他方式影响焊接 过程的管状焊丝的任何成分。另外，本文使用的"约"一般可指近似值，在特定实施例中，所 述近似值可表示与实际值不到0.01 %、不到0.1 %或不到1 %的偏差（例如，高于或低于）。 即，在特定实施例中，近似值可精确到设定值的0.01%、0.1%或1%以内（例如，加或减）。本 文使用的"不锈钢"是包含至少10.5%重量的铬和至少50%重量的铁的任何钢。不锈钢的非 限制性示例列表包括:200系列不锈钢、300系列不锈钢和400系列不锈钢。
[0015] 如上所述，特定类型的焊条(例如，管状焊丝)可包括一种或多种成分(例如，焊剂、 电弧稳定剂或其他添加剂），这些成分一般可改变焊接过程和焊缝的特性。例如，当前公开 的特定焊条实施例包括一种或多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或混合物），这 些防腐蚀成分可使熔敷焊缝具有增强的或改善的防腐蚀性或防氧化性。另外，当前公开的 特定焊条实施例包括有机稳定剂(例如，基于纤维素衍生物的成分），有机稳定剂一般可提 高电弧的稳定性，同时提供对焊接涂层工件(例如，镀锌或氮化的工件)有益的还原气氛。本 文使用的"有机稳定剂"可指具有有机部分(例如，碳基分子或聚合物链)和稳定剂部分(例 如，第I/II族金属铁)的有机盐或有机金属化合物。当前公开的特定焊条实施例还包括稀土 成分(例如，镧系元素合金、镧系元素硅化物），稀土成分一般可有助于控制焊接期间电弧的 形状和熔深。在特定实施例中，可使用低碳含量的金属外皮，以在焊接期间产生(例如)较低 的飞溅率、较少的焊接烟尘和/或较小的工件焊缝熔深。另外，在特定实施例中，公开的管状 焊丝可具有合适成分，以形成铬含量相对较高(例如，4-6wt%的铬）的熔敷焊缝，铬可将氮 保留在熔敷焊缝内的溶液中，以减少或防止焊缝气孔。可理解的是，焊接较高氮含量的工件 (例如，氮化钢)时，提供低孔隙率熔敷焊缝(例如，孔隙率小于约0.25英寸或小于约0.10英 寸/英寸焊缝)特别有用。
[0016] 由此，在特定实施例中，当前公开的管状焊丝增强了涂层(例如，镀锌、镀锌退火、 镀铝、氮化、涂漆等)工件和/或较薄(例如，20、22、24规格或更薄)工件的可焊性，即使在高 运行速度下（例如，大于30in/min或大于40in/min)也是如此。进一步，需要防腐蚀焊缝时， 公开的管状焊丝的特定实施例的外皮和/或焊芯中的上述防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/ 或其合金或混合物）与低碳钢熔敷焊缝相比，可提高熔敷焊缝的防腐蚀性。在特定实施例 中，公开的管状焊丝的外皮可为防腐蚀外皮，例如，美国焊接协会(AWS)A5.22规定的不锈钢 外皮(例如，304、409、410或430不锈钢）。另外，在特定实施例中，公开的管状焊丝形成的防 腐蚀熔敷焊缝可为AWS A5.22规定的不锈钢熔敷焊缝(例如，304、409、410或430不锈钢）。通 过公开的管状焊丝的特定实施例实现的提高的防腐蚀性可免除或补充特定焊后过程步骤， 例如，在沉积后制备熔敷焊缝并对其进行涂覆(例如，镀锌）。另外，当前公开的特定管状焊 丝可拉伸为特定直径（例如，0.024丨11、0.030丨11、0.035丨11、0.0375丨11、0.040丨11或其他合适直 径），以提供良好传热和沉积速率和/或实现较薄工件的焊接。
[0017] 转向附图，图1图解了根据本公开的使用焊条(例如，管状焊丝）的气体保护金属极 电弧焊(GMAW)系统10的一个实施例。应理解的是，虽然本讨论具体的重点在于图1所示的 GMAW系统10,但当前公开的焊条可用于使用焊条的任何电弧焊工艺（例如，FCAW、FCAW-G、 GTAW、SAW、SMAW或类似电弧焊工艺）。焊接系统10包括焊接电源12、焊丝进给器14、气源系统 16和焊炬18。焊接电源12-般向焊接系统10提供电力，可通过电缆束20与焊丝进给器14耦 接，并可利用具有线夹26的引线电缆24与工件22耦接。在所示实施例中，焊丝进给器14通过 电缆束28与焊炬18耦接，以在焊接系统10运行期间向焊炬18提供可消耗的管状焊丝（即，焊 条)和电力。在另一个实施例中，焊接电力单元12可与焊炬18耦接并直接向其提供电力。
[0018] 焊接电源12-般可包括功率转换电路，所述功率转换电路从交流电源30(例如，交 流电网、发动机/发电机组，或其组合)接收输入功率，调节输入功率，并通过电缆20提供直 流或交流输出功率。这样，焊接电源12可向焊丝进给器14提供电力，所述焊丝进给器进而根 据焊接系统10的需求向焊炬18提供电力。在线夹26中终止的引线电缆24将焊接电源12与工 件22耦接，以闭合焊接电源12、工件22与焊炬18之间的电路。焊接电源12可包括电路元件 (例如，变压器、整流器、开关等），电路元件能按焊接系统10的命令的指示将交流输入功率 转换成直流正电极(DCEP)输出、直流负电极(DCEN)输出、直流可变极性、脉冲直流或可变平 衡(例如，平衡或非平衡)交流输出。应理解的是，当前公开的焊条(例如，管状焊丝)可实现 对多种不同电力配置下的焊接过程的改进(例如，提高电弧稳定性和/或提高焊缝质量）。
[0019] 所示焊接系统10包括气源系统16,所述气源系统将一个或多个保护气源17的保护 气体或保护气体混合物提供给焊炬18。在所示实施例中，气源系统16通过气体导管32与焊 炬18直接耦接。在另一个实施例中，气源系统16可与焊丝进给器14耦接，焊丝进给器14可对 从气源系统16到焊炬18的气体的流量进行调节。本文使用的"保护气体"可指为了提供特定 局部气氛(例如，为了保护电弧、提高电弧稳定性，限制金属氧化物的形成，改善金属表面的 润湿，改变熔敷焊缝的化学性质等)而提供给电弧和/或焊池的任何气体或气体混合物。在 特定实施例中，所述保护气体流可为保护气体或保护气体混合物（例如，氩气(Ar)、氦气 (He)、二氧化碳(C0 2)、氧气(02)、氮气(N2)、类似合适保护气体或其任何混合物）。例如，保护 气体流（例如，通过导管32输送）可包括Ar、Ar/⑶2混合物（例如，Ar中⑶2的含量为1 %至 99% )、Ar/C〇2/〇2混合物、Ar/He混合物等。根据具体示例，在特定实施例中，所述保护气体流 可包含 100%Ar;75%Ar 和 25%C02;90%Ar 和 10%C02;或 98%Ar 和 2%〇2。
[0020] 由此，所示焊炬18-般从焊丝进给器14接收焊条（即，管状焊丝）、电力，从气源系 统16接收保护气体流，以对工件22执行GMAW。在操作期间，所述焊炬18可靠近工件22,以便 在可消耗焊条(即，离开焊炬18的接触尖端的焊丝)与工件22之间形成电弧34。另外，如下文 所述，通过控制焊条(即，管状焊丝)的成分，可改变电弧34和/或形成的焊缝的化学性质(例 如，成分和物理特性）。例如，所述焊条可包括助熔或合金化成分，这些成分可影响焊接过程 (例如，起电弧稳定剂的作用），并进一步地可至少部分融合在焊缝中，影响焊缝的机械特 性。另外，所述焊条（即，焊丝）的特定成分还可在电弧附近提供额外的保护气氛，影响电弧 34的转移特性，将工件表面脱氧，限制熔敷焊缝的氧化或腐蚀等。
[0021]当前公开的焊丝的一个实施例的断面如图2所示。图2图解了包括金属外皮52的管 状焊丝50,所述金属外皮封装粒状或粉末状焊芯54(也称为填料）。在特定实施例中，管状焊 丝50可符合一个