低锰烟焊接工艺的制作方法
【专利摘要】通过一种热丝焊接工艺的热丝焊接电极将锰供应到焊接位点，可以降低通过电弧焊接工艺产生的焊接烟中的锰的量而不降低最终获得的焊缝熔敷物中的锰的浓度。
【专利说明】低锰烟焊接工艺 背景
[0001] 与电弧焊相关联的一个常见问题是烟产生。由于涉及的高温，在焊接操作中涉及 的金属和无机成分二者都可以蒸发到大气中。这些成分中的一些如像锰、铬、镍、镉和铅是 对健康有害的。其结果是，最近的环境法规限制这些有害元素的量，这些有害元素可存在于 通过典型的焊接操作产生的焊接烟中。
[0002] 用于减少焊接烟中的这些有害元素的量的一种途径是减少在最终产生的焊缝熔 敷物中的这些有害元素的浓度。通常，这是通过减少在用于形成这些焊缝熔敷物的焊丝中 的这些有害元素的量进行的。参见，例如，Amata等人的U.S. 2013/0313240和U.S. 2014/ 0083981，这些文件描述了用于通过使用低-锰焊丝形成低-锰焊缝熔敷物来降低在焊接烟 中的锰量的技术。
[0003] 尽管此类途径可能在减少焊接烟中的有害元素的量上是有效的，它们不利的是， 它们产生的焊缝熔敷物缺乏这些同一种元素。 概述
[0004] 根据本发明，已经发现通过不同类型的焊接工艺产生的包含在焊接烟中的有害元 素的量可以大大减小，而不降低在最终产生的焊缝熔敷物中这些同一种元素的浓度，其方 式为使用一种热丝焊接途径来将这些有害元素供应到焊池。
[0005] 因此，本发明提供了一种用于降低通过非-氧燃料焊接工艺产生的焊接烟中的有 害元素的量的方法，而不降低在通过该非-氧燃料焊接工艺产生的焊缝熔敷物中的该有害 元素的浓度，该非-氧燃料焊接工艺使用至少一个主电源来供应强热用于进行该焊接工艺， 此强热足以通过蒸发至少一些供应到该焊缝熔敷物的成分而产生焊接烟，该方法包括通过 热丝焊接途径进行该非-氧燃料焊接工艺，其中形成该焊缝熔敷物的一些成分通过一个主 焊接电极供应，使该主焊接电极经受通过该至少一个主电源产生的强热，同时形成该焊缝 熔敷物的其他成分通过至少一个热丝焊接电极供应，该热丝焊接电极被熔化而不经受通过 该至少一个主电源产生的强热，并且通过该至少一个热丝焊接电极将大于50%的该有害元 素供应至该焊缝熔敷物，此百分比是基于这种有害元素(通过所有填充焊丝供应到该焊缝 熔敷物)的总量。 附图简要说明
[0006] 本发明可以通过参照以下附图被更好地理解，其中：
[0007] 图1是一种常规GMAW(气体保护金属电弧焊工艺)的示意图；
[0008] 图2是类似于图1的示意图，说明根据本发明的采用热丝焊接途径的一种改良的 GMAW工艺；
[0009] 图3是类似于图1和2的示意图，说明根据本发明的采用热丝焊接途径的一种改良 的TIG(钨惰性气体)工艺；
[0010] 图4是类似于图1-3的示意图，说明根据本发明的采用热丝焊接途径的一种改良的 激光辅助焊接工艺；
[0011] 图5是类似于图1-4的示意图，说明根据本发明的采用热丝焊接途径的一种改良的 混合激光辅助焊接工艺，并且
[0012] 图6是类似于图1-5的示意图，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃料焊接工 艺是一种改良的混合TIG焊接工艺。 详细说明 热丝焊接
[0013] 根据本发明，一种热丝焊接途径用于将有害元素供应到非-氧燃料焊接工艺的焊 池。其结果是，在焊接工艺中蒸发的这些有害元素的量大大减小，这进而导致少得多的量的 这些有害元素出现在该焊接过程产生的焊接烟中。
[0014] 在本披露的上下文中，"非-氧燃料"焊接工艺将被理解为是指一种焊接工艺，其中 用于供应焊接所需的大部分能量的高强度电源不是源自燃料的燃烧。因此，非-氧燃料焊接 工艺将被理解为排除氧乙炔焊接，例如。电弧焊、激光-辅助焊接和电子束焊接在本披露的 上下文中是非-氧燃料焊接工艺的良好的实例。
[0015] 而且，在本披露的上下文中，一种"热丝"焊接工艺将被理解为是指非-氧燃料焊接 工艺，其中一个高强度(或"主"）电源，例如电弧、激光束或电子束用于产生强热用于进行该 焊接工艺并且进一步其中一个次级的电力来源用于电阻加热焊接填充焊丝(或"热丝"），该 焊丝被进料至焊接位点，其方式为使得它在几乎没有暴露于通过这种高强度电源产生的强 热的情况下接触焊池。
[0016] 图1示出了总体上指示为110的一种常规的气体保护金属电弧焊(GMAW)工艺，其中 在一个工件112中产生焊缝。为此目的，将来自焊丝供应器116的焊丝114进料穿过焊接炬 118,其方式为使得该焊丝的远端120接近焊接发生的位点。一个保护气体供应器124将合适 的保护气体供应器到炬118,该炬被结构化为将这种保护气体引导至焊池122用于保护此焊 池（当它凝固时）。一个高强度或"主"电源126将电力供应至焊炬118,其方式为使得在焊丝 114的远端120与焊池122之间产生电弧。在此电弧中遇到的温度是足够高的以产生一种等 离子体，典型地3600°C或更高的数量级。这样的高温度对于适当地完成该焊接是必须的，因 为焊丝114的远端120以及该工件的正在被焊接的部分二者需要被熔化以形成焊池122。
[0017] 由于这些温度是如此高的，焊丝114中的不是无关紧要的量的成分蒸发到大气中， 作为该焊接工艺的自然结果。例如当焊丝114包括某些被认为具有不利的健康影响的元素 如像锰、铬、镍、镉和铅时，这可能具有显著环境问题。在本发明之前，处理这个问题的常规 方式是通过减少在用于制成这些焊缝的焊丝中的这些有害元素的量来降低这些有害元素 在正在产生的焊缝熔敷物中的浓度。根据本发明，这个问题通过使用一种热丝焊接途径处 理。
[0018] 图2示出了本发明的一个第一实施例，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃 料焊接工艺是一种GMAW工艺。如在那里示出的，本发明的GMAW热丝焊接工艺也使用与以上 关于图1描述的基本上相同的元件来进行基本上相同的焊接工艺。因此，保护气体供应器 224、主焊丝供应器216以及主电源226被用于将一种保护气体、主焊丝214和电力供应到焊 接炬218,其方式为使得在主焊丝214的远端220与焊池222之间产生焊接电弧。如在图1的常 规GMAW工艺的情况下，通过主电源226提供足够的电力以在主焊丝214的远端220与焊池222 之间形成电弧，由此熔化此远端以及工件212的正在被焊接的部分。
[0019] 根据本发明，提供总体指示为230的一种热丝组件用于分开地供应选择的有害元 素至焊池222,即，与焊丝214分开且分离。为此目的，热丝组件230包括热丝供应器232用于 将热丝234供应到热丝炬236和热丝电源238用于将电力供应至热丝炬236。此热丝炬在以下 意义上类似于在图1的常规GMAW工艺中使用的焊炬118,即，它也被构造且操作为使热丝234 的远端240朝向焊池222前进。
[0020] 然而，热丝炬236以一种稍微不同于焊炬118的方式操作，在于热丝炬236被操作为 使得热丝234的远端240希望地仅在以下位置处接触焊池222,该位置不在主焊丝214的远端 220与工件212之间产生的电弧内。这可以通过以下完成:例如，随着在进行该焊接工艺中远 端220相对于该工件移动，将其进料到工件212,恰好在此电弧前面。参见例如共同转让给 Peters的U. S. 8，653，417。此外，热丝电源238被以这样一种方式操作，即，供应至热丝炬236 的电力的量是希望地恰好足够通过电阻加热将此热丝的远端240的温度升高到处于或接近 其熔化温度。
[0021] 由于这些特征，热丝234的远端240直到它接触、或基本上接触焊池222才熔化。其 结果是，基本上此远端240全部合并进焊池222内。它不蒸发到大气中，因为它没有暴露于在 主焊丝214的远端220与焊池222之间产生的焊接电弧内的高温。整体结果是:仅非常小部分 (如果有的话)的形成热丝234的成分蒸发到通过这种焊接工艺产生的焊接烟中。
[0022] 根据本发明，此热丝焊接的特征通过使用热丝234来优先将这些有害元素供应至 该焊缝熔敷物来利用。因为这些元素不暴露于焊接电弧的高温，它们不蒸发到大气中并且 因此不会逸入最终产生的焊接烟中。相反，它们保留在工件上，在那里它们合并进焊池中以 及因此最终形成的焊缝熔敷物中。因此应当认识到，通过将这些有害元素分离到热丝234 中，有可能产生具有希望的高浓度的这些有害元素的焊缝熔敷物，而同时最小化在最终产 生的焊接烟中的这些有害元素的量。
[0023] 附带地，在图2中所示的具体实施例中，热丝炬236不同于焊炬118,在于热丝炬236 还没有被适配为将一种保护气体引导至焊池222。然而，此特征，即，借助于热丝炬236将一 种保护气体引导至焊池222,是任选的并且可以被包括在图2的本发明的工艺中，如果希望 的话。
[0024] 图3示出了本发明的另一个实施例，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃料 焊接工艺是一种钨惰性气体(TIG)焊接工艺。如在此图中示出的，总体指示为310的一种常 规的TIG焊接组件被用于形成工件312中的焊缝。为此目的，将主焊丝314从主焊丝供应器 316供应到焊池322。在一些实施例中，焊丝314可以是一个手持式棍填充焊丝，在这种情况 下，保持此棍填充焊丝的焊工可以被认为是焊接供应器316。此外，主电源326将电力供应至 焊炬318,其方式为使得在保持在焊炬318中的非自耗钨电极319与焊池322之间产生焊接电 弧。如在常规的TIG焊接工艺的情况下，通过主电源326提供足够的电力以通过熔化主焊丝 314的远端320以及该工件的正在被焊接的部分二者形成焊池322。如进一步在这个图中示 出的，将来自保护气体供应器324的一种惰性保护气体任选地供应到焊炬318用于保护焊池 322 (当它凝固时）。
[0025]根据本发明，提供总体指示为330的一种热丝组件用于分开地供应选择的有害元 素至焊池322,即，与主焊丝314分开且分离。此热丝组件具有与以上关于图2示出的热丝组 件230基本上相同的结构并且以基本上相同方式操作。因此，热丝组件330包括热丝供应器 332用于将热丝334供应到热丝炬336和热丝电源338用于将电力供应至热丝炬336。如在图2 的热丝组件230的情况下，热丝炬336也操作为使得热丝334的远端340希望地仅在以下位置 处接触焊池322,该位置不在非自耗钨电极319与工件312之间产生的电弧内，而热丝电源 338被操作为使得此热丝的远端340的温度通过电阻加热仅升高到处于或接近其熔点。 [0026]其结果是，热丝334的少许(若有的话）的远端340蒸发到大气中，因为已经将其基 本上完全与在非自耗钨电极319与焊池322之间产生的焊接电弧的高温隔离。整体结果是： 仅非常小部分(如果有的话)的形成热丝334的成分蒸发到通过这种焊接工艺产生的焊接烟 中。其结果是，像图2的本发明的焊接工艺一样，可以在此利用这个特征来最小化逸入通过 此电弧焊接工艺产生的焊接烟中的有害元素的量，而同时在最终制成的焊缝熔敷物中维持 令人希望地高浓度的这些有害元素，通过优先将这些有害元素分离到热丝334内。
[0027]与此相关，已经已知的是当使用TIG焊接系统作为高强度电源时，采用一种热丝焊 接途径。这种常规的TIG/热丝焊接工艺类似于以上关于图3描述的本发明的焊接工艺，除了 不使用主焊丝314。
[0028]这种常规TIG/热丝焊接工艺也具有最小化在焊接烟中的有害金属的浓度的优点， 因为供应至该焊池的所有有害金属是通过热丝供应并且因此很大程度上以与图3的本发明 工艺相同的方式被防止蒸发到该焊接烟中。然而，过度加热在此传统TIG/热丝焊接工艺中 使用的热丝必须避免以便防止其成分的蒸发。其结果是，此焊接工艺可以进行的速度固有 地受到限制。
[0029]在此方面，在焊接工业中很好地理解的是通过非自熔焊接在工件中形成的大部分 焊缝熔敷物源自在该工艺中使用的一个或多个可消耗焊接电极。这意味着在上述的常规 TIG/热丝焊接工艺中，此工艺可以进行的最大速度受到在该工艺中使用的热丝将熔化而不 蒸发的最大速率的限制。此最大速度不能通过增加供应到该工艺的非自耗钨电极的热能而 增加，因为电弧将在热丝的远端形成，这进而会导致在该热丝中的有害元素蒸发。因此，在 此工艺中热丝熔化而不蒸发的最大速率是限速步骤，该步骤控制这种工艺可以进行的最大 速度。
[0030]在图3的本发明工艺中，然而，这种约束通过使用主焊接电极314来供应大量的将 形成焊缝熔敷物322的金属来避免。为此目的，通过非自耗钨电极319供应的热能的量相对 于在以上描述的常规TIG/热丝焊接工艺中供应的量增加，该额外的热量足以熔化主焊丝 314的远端320(除了工件312的正在被焊接的一部分之外）。整体结果是：图3的本发明的工 艺可以比该常规TIG/热丝焊接工艺更快地进行，因为在一个给定的时间段内更多的热量可 以用来加热用于形成焊池的更多金属。尽管如此，因为形成焊缝所需的有害元素通过热丝 供应，所以这些有害元素到该焊接烟中的蒸发仍然被避免。
[0031]图4示出了本发明的另一个实施例，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃料 焊接工艺是一种激光辅助的焊接工艺。如在此图中示出的，总体指示为410的一种常规的激 光辅助焊接组件被用于形成工件412中的焊缝。为此目的，使主焊丝414从主焊丝供应器416 前进穿过炬418，其方式为使得其远端420接近焊池422。激光444通过激光束445供应足够的 激光能以通过熔化主焊丝414的远端420以及工件的正在被焊接的部分来形成焊池422。若 希望的话，一种任选的惰性保护气体可以通过未示出的装置供应用于保护焊池422(当它凝 固时）。
[0032]根据本发明，提供总体指示为430的一种热丝组件用于分开地供应选择的有害元 素至焊池422,即，与主焊丝414分开且分离。此热丝组件具有与以上关于图2和3示出的热丝 组件230和330基本上相同的结构并且和以基本上相同方式操作。因此，热丝组件430包括热 丝供应器432用于将热丝434供应到热丝炬436和热丝电源438用于将电力供应至热丝炬 436。以类似于图2和3的热丝组件230和330的方式，热丝炬436也操作为使得热丝434的远端 440希望地仅在以下位置处接触焊池422，该位置不被激光束445直接轰击，而热丝电源438 被操作为使得此热丝的远端440通过电阻加热仅升高到处于或接近其熔化温度。
[0033]其结果是，热丝434的少许(若有的话）的远端440蒸发到大气中，因为已经将其基 本上与通过激光束445产生的高温隔离。整体结果是:仅非常小部分(如果有的话)的形成热 丝434的成分蒸发到通过这种焊接工艺产生的焊接烟中。其结果是，像图2和3的本发明的焊 接工艺一样，可以在此利用这个特征来最小化逸入通过此焊接工艺产生的焊接烟中的有害 元素的量，而同时在最终产生的焊缝熔敷物中维持这些有害元素的浓度，通过优先将这些 有害元素分离到热丝434中。
[0034]如在图3的本发明工艺的情况下，图4的本发明工艺与用于将热丝焊接与激光辅助 焊接组合的工艺的不同之处在于本发明的激光/热丝工艺使用主焊丝414而常规激光/热丝 工艺不使用。其结果是，如在图3的本发明的焊接工艺的情况下，图4的本发明的焊接工艺也 比常规激光/热丝焊接工艺更快地进行，而同时最小化有待形成的焊缝熔敷物中的有害元 素到焊接烟中的蒸发。
[0035]图5还示出了本发明的另一个实施例，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃 料焊接工艺是一种改良的混合激光辅助焊接工艺。如在此图中示出的，总体指示为510的一 种常规的混合激光辅助焊接组件被用于形成工件512中的焊缝。为此目的，保护气体供应器 524、主焊丝供应器516以及混合电源526分别将一种保护气体、主焊丝514以及电力供应到 焊炬518。此外，激光544通过激光束545供应激光能到正在形成的焊缝的位点。如在常规的 混合激光辅助焊接的情况下，通过混合电源526和激光544提供足够的电力以通过熔化主焊 丝514的远端520以及工件的正在被焊接的部分二者形成焊池522。
[0036]根据本发明，提供总体指示为530的一种热丝组件用于分开地供应选择的有害元 素至焊池522,即，与主焊丝514分开且分离。此热丝组件具有与以上关于图2、3和4示出的热 丝组件230、330和430基本上相同的结构并且以呈基本上相同方式操作。因此，热丝组件530 包括热丝供应器532用于将热丝534供应到热丝炬536和热丝电源538用于将电力供应至热 丝炬536。如在图2、3和4的热丝组件的情况下，热丝炬536也操作为使得热丝534的远端540 希望地仅在以下位置处接触焊池522,该位置不被激光束545直接轰击并且不直接暴露于在 主焊丝514的远端520与工件512之间产生的电弧，而热丝电源538被操作为使得此热丝的远 端540的温度通过电阻加热仅升高到处于或接近其熔化温度。
[0037]其结果是，热丝534的少许(若有的话）的远端540蒸发到大气中，因为已经使其免 于暴露于通过激光束545以及在主焊丝514的远端520与焊池522之间产生的电弧产生的极 高温度。整体结果是:仅非常小部分(如果有的话)的形成热丝534的成分蒸发到通过这种焊 接工艺产生的焊接烟中。其结果是，像图2、3和4的本发明的焊接工艺一样，可以在此利用这 个特征来最小化逸入通过此焊接工艺产生的焊接烟中的有害元素的量，而同时在最终制成 的焊缝熔敷物中维持这些有害元素的令人希望地高浓度，通过优先将这些有害元素分离到 热丝534中。
[0038]图6还示出了本发明的另一个实施例，其中采用本发明的热丝焊接途径的非氧燃 料焊接工艺是一种改良的混合TIG焊接工艺。如在此图中示出的，总体指示为610的一种混 合TIG焊接组件被用于形成工件612中的焊缝。为此目的，保护气体供应器624、主焊丝供应 器616以及混合电源626分别将一种保护气体、主焊丝614以及电力供应到焊炬618。此外， TIG电源627将电力供应至TIG焊炬617，其方式为使得在保持在焊炬618中的非自耗钨电极 619与焊池622之间产生焊接电弧。通过混合电源626和TIG电源627提供足够的电力以通过 熔化主焊丝614的远端620以及工件的正在被焊接的部分二者形成焊池622。
[0039]根据本发明，提供总体指示为630的一种热丝组件用于分开地供应选择的有害元 素至焊池622,即，与主焊丝614分开且分离。此热丝组件具有与本发明的先前的实施例中示 出的热丝组件基本上相同的结构并且以基本上相同方式操作。因此，热丝组件630包括热丝 供应器632、热丝炬636和热丝电源638。如在本发明的先前实施例的热丝组件的情况下，热 丝炬636也被操作为使得热丝634的远端640希望地仅在以下位置处接触焊池622,该位置不 直接暴露于一方面工件612与另一方面主焊丝614和钨电极619的远端之间产生的电弧。此 外，热丝电源638被操作为使得此热丝的远端640的温度仅通过电阻加热升高到处于或接近 其熔化温度。
[0040]其结果是，蒸发到通过这种焊接工艺产生的焊接烟中的有害元素的量被最小化， 尽管在最终制成的焊缝熔敷物中的这些有害元素的浓度以与在如上描述的本发明的其他 实施例中实现的相同方式保持希望地高的。
[0041] 前述图仅提供可以如何实现本发明的热丝焊接工艺的几个具体实例。如在本领域 中很好地理解的，然而，可以按很多不同的方式结合多种不同类型的非-氧燃料焊接工艺， 包括电弧焊接、激光辅助焊接和电子束焊接，实现热丝焊接。例如，热丝焊接可以结合气体 保护金属电弧焊接(GMAW)、焊剂芯电弧焊接(FCAW)、气体-保护焊剂芯电弧焊接(FCAW-G)、 自保护焊剂芯电弧焊接(FCAW-S)、埋弧焊(SAW)、激光辅助焊接和混合激光辅助焊接(仅举 几个例子)使用。
[0042] -个重要特征(其表征所有这些热丝焊接工艺，不管使用的焊接技术的具体类型） 如下:完成焊接需要的电能的绝大部分通过一个高强度电源(或在混合焊接工艺的情况下， 如图5中示出的混合激光辅助焊接工艺或图6中示出的混合TIG焊接工艺，此类高强度电源 和混合型电源的组合)供应。在本披露中，此高强度电源被称为"主"电源或电源供应器。在 其他专利和出版物中，此高强度电源可以被称为一种"高强度"电源、"高能量"电源或电源 供应器、激光电源或电源供应器、GMAW电源或电源供应器和/或TIG电源或电源供应器。
[0043] 另一个重要特征(其表征所有这些热丝焊接工艺)是至少一个焊接填充焊丝（即该 "热丝"）通过一种途径供应到焊接位点，其中将此热丝的远端加热到通过该焊接工艺的高 强度或"主"电源产生的极高温得以避免。这并不是说，此热丝的远端从不暴露于通过该高 强度电源产生的高温。相反，这所意味的是采取多种途径以确保该热丝的远端暴露于这些 高温的持续时间，如果这确实发生，保持到希望地最小化，使得形成该热丝的成分不被自始 至终加热直到这些极其高的温度。可以使用各种途径用于此目的，如本领域中熟知的，此类 途径包括控制用于电阻加热该热丝的电力，控制供应给该主电源的用于产生该焊接电弧 和/或激光束的电力，控制该热丝的远端前进到焊接位点的速度，以及控制该热丝的远端相 对于该电弧和/或激光束前进到该焊接位点的位置，仅举几个例子。
[0044]在任何情况下，应该理解，在本披露的上下文中，表明该热丝的加热完成而不将其 暴露于由该高强度(主）电源产生的极高温度不意味着完全避免此暴露。相反，它意味着采 取多种途径以便确保该热丝的远端暴露于这些高温的持续时间，如果这确实发生，保持为 一个所希望的实际最小值。
[0045]热丝焊接已描述于众多专利和出版物中，其实例包括U.S. 20 11/0297658、 U.S.2013/0043219、U.S.8，653,417、U.S.2014/0263193、U.S.2014/0263234和U.S.2015/ 0014283。所有这些专利和出版物的披露内容在此通过引用以其全文结合，应理解的是在这 些专利和出版物的每一个中披露的热丝焊接工艺可以用于进行本发明的非氧燃料焊接工 〇
[0046] 最后，还另一个重要特征(其表征本发明的热丝焊接工艺)是使用最少两个自耗焊 接电极。如以上指出的，已经已知的是将热丝焊接与TIG焊接以及与激光-辅助焊接组合。如 以上进一步指出的，这些组合的一种结果是可能被带到焊池的任何有害金属的蒸发以与在 本发明中的大致相同的方式最小化。然而，这些热丝工艺使用仅一个单一焊接电极，该热 丝，并且因此在速度方面被固有地限制。
[0047] 根据本发明，使用至少两个焊接电极，一个或多个主电极和至少一个热丝。使用此 途径，形成焊池的大量的金属可以通过该主电极供应，该主电极被配制成几乎不含有有害 成分。因此，这些焊接电极可以暴露于通过焊接电弧和/或激光束产生的极高温而不引起在 该焊池中的有害成分蒸发。这使得在该焊接操作期间更大量的热能被赋予该工件，这进而 使得焊缝形成的速率相对于其中仅使用热丝的工艺实质性地增加。结果是最小化蒸发到焊 接烟中的有害成分的量，而同时使得焊接速度的实质性增加成为可能。
[0048]附带地，虽然上面的描述已经说明本发明的热丝焊接工艺用仅一个热焊接丝完 成，将理解的是可以使用两个、三个或更多个热丝，如果希望的话。 电极化学性质
[0049] 作为初步事项，应理解的是在焊接工业中通常是指具体焊接电极的化学性质，就 它们制成的未稀释的焊缝熔敷物的化学性质而言。也就是说，通常是指具体焊接电极的化 学性质，就当熔化和凝固时而没有来自任何其他来源如正在焊接的工件的污染时其产生的 焊缝熔敷物的化学组成而言。在本披露中也采用此惯用实践。
[0050] 现在转到实质，焊接电极的化学性质（即，成分)在以下意义上是高度发展的领域， 对于每种待焊接的具体合金，具体的焊接电极(适用于焊接该具体合金)的具体化学性质是 熟知的。
[0051 ]例如，由本披露的受让人在名称"Techalloy 308/308L"下出售的用于焊接不同类 型的不锈钢的常规的焊接电极形成一种未稀释的焊缝熔敷物，该熔敷物含有显著量的铬、 镍和锰，所有这三种对于焊接某些不锈钢是必要的并且已知所有这三种对健康是有害的。 根据本发明，提供一对互补的焊接电极，当在本发明的工艺中一起使用时，这些电极产生一 种未稀释的焊缝熔敷物，该熔敷物具有与通过此常规电极产生的熔敷物的化学组成基本上 相同的化学组成，而同时产生包含最小量的这些有害元素的焊接烟。
[0052] 这展示在以下表1中，该表示出了通过三个不同的焊接电极产生的未稀释的焊缝 熔敷组合物。这些焊接电极中的第一个是常规的Techalloy 308/308L焊接电极。第二个是 一个根据本发明制成的主焊接电极，同时并且第三个是一个也根据本发明制成的互补热丝 焊接电极。这些本发明的焊接电极二者已经被配制为使得，当以等量一起使用时，它们产生 在此表的最后一列中示出的组合的未稀释焊缝熔敷组合物，如可以看出的，该组合物具有 与通过常规Techalloy 308/308L焊接电极产生的组合物的化学组成基本上相同的化学组 成。在此上下文中，"等量"意味着给定质量(重量）的金属从每个电极被铺设在焊缝熔敷物 中的速率是相同的。 表1 常规和相应的本发明的焊接电极的焊缝熔敷物化学性质
[0053] 从此表，可以看出，通过该常规的Techalloy 308/308L电极产生的未稀释的焊缝 熔敷物的所有有害的铬、镍和锰被提供在本发明的热丝电极中，而这些有害元素都没有被 提供在本发明的主电极中。尽管如此，当这些电极以等量一起使用时产生的结合的未稀释 焊缝熔敷物的化学组成是基本上与通过此常规电极（当单独使用时）制成的未稀释焊缝熔 敷物的化学组成相同的。这意味着此对互补的本发明电极可以用于产生焊缝熔敷物(具有 与常规Techalloy 308/308L电极基本上相同的化学组成），而同时产生基本上不含铬、镍或 锰的焊接烟，因为这些有害元素在焊接过程中的蒸发已基本上完全避免。
[0054]在示于表1中的具体实施例中，所有的有害铬、镍和锰从主焊丝中消除，其中这些 有害元素的全部量通过本发明的互补热丝焊接电极被供应到焊池。在其他实施例中，小于 所有的这些有害元素可以从该主电极去除。例如，在本发明的一个实施例中，尤其适用于通 过本发明的工艺在焊接不镑钢中使用的一种主焊接电极可以包含最尚达5wt. %络、最尚达 5wt. %镍和最高达lwt. %猛。在其他实施例中，此种主焊接电极可以被配制为包含较少量 的这些元素，例如，不大于3wt. %、2wt. %或甚至lwt. %络，不大于3wt. %、2wt. %或甚至 lwt. %银，和不大于0.8wt. %、0.7wt. %或甚至0.6wt. %钼。
[0055]在还其他实施例中，本发明的主电极和热丝电极可以被配制为当使用不同量的这 些互补焊接电极时，即，当给定质量(重量）的金属通过在本发明的工艺中使用的每个电极 被供应到焊池的速率(下文中，该电极的"质量供应速率"）彼此不同时，产生一种希望的组 合的未稀释焊缝熔敷物。
[0056]例如，如果希望的是通过以比热丝电极的质量供应速率高约50 %的质量供应速率 将该主电极进料到焊池来改变以上结合表1示出的本发明的工艺，则使用的特定热丝中的 有害元素的量将需要相应地增加。具体地，在使用的特定热丝焊接电极中的Cr、Ni、Mo、Mr^P Si的浓度将需要是比这些相同成分在表1的热丝中的浓度高25%以保持将每种成分同样地 供应到该焊池的速率。因此，将使用一种包含O.Olwt. %C，约49wt. %Cr，约24wt. %Ni，约 0.5wt. %Mo,约4.3wt. %Mo和约0.9wt. %Si的热丝，假定还使用表1的相同的主电极。
[0057]在本发明的一些实施例中，可能希望的是以一个质量供应速率将该主电极进料到 焊池，该质量供应速度是如此远大于热丝电极的质量供应速率以致所有有害成分不能通过 一个单一热丝供应。例如，将不可能的是以一个单一热丝的供应速率2.5倍的供应速率将表 1的主电极进料至焊池并且还产生与表1中相同的组合的未稀释焊缝熔敷物，因为将需要被 包括在此单一热丝中的成分的量将超过100%。
[0058] 因此，在这种情况下，至少一些这些有害元素将需要通过主电极供应，如果使用仅 一个单一热丝是希望的，这是不利的，由于这些有害元素可能污染焊接烟。根据本发明的又 另一个实施例一种较好的途径将是同时使用两个或更多个热丝，这些热丝一起提供所有需 要的有害元素。例如，如果两个具有表1的组成的热丝被同时使用，则二者可以以表1的主焊 接电极的一半的质量供应速率被进料到焊池以产生此表的相同的组合的未稀释焊缝熔敷 物。
[0059] 因此将理解的是使用多个热丝提供了进一步的益处:允许供应这些不同的焊接电 极的质量供应速率改变以适应热丝焊接工艺的不同的操作方案。
[0060] 在任何情况下，根据本发明的所有实施例，在通过一种非氧燃料焊接工艺产生的 焊接烟中发现的有害元素的量可以降低，而不遭受在最终产生的焊缝熔敷物中的这些有害 元素的浓度的相应降低，通过将这些有害元素分离到在本发明的工艺中使用的该一个或多 个热丝焊接电极。
[0061] 这些有害元素应被分离到在本发明工艺中使用的一个或多个热丝中的程度可以 在很大程度上变化，并且可以使用基本上任何分离程度。因此，例如，在本发明工艺中使用 的主电极(或多个主电极，如果使用多个主电极)可以被配制为包含将从所有焊接电极供应 至特定焊缝恪敷物的每种有害元素的总量的不大于45wt. %、不大于40wt. %、45wt. %、不 大于30wt · %、25wt · %、不大于20wt · %、15wt · %、不大于10wt · %、不大于5wt · %、不大于 2wt. %，并且甚至不大于lwt. %。相应地，热丝(或多个热丝，如果使用多个热丝)可以被配 制为包含将通过所有焊丝供应到特定焊缝熔敷物的每种有害元素的总量的至少55wt. %， 至少60wt. %，至少65wt. %，至少70wt. %，至少75wt. %，至少80wt. %，至少85wt. %，至少 90wt · %，至少95wt · %，至少98wt · %，或甚至多达至少99wt · %。
[0062] 然而，因为就从焊接烟中消除有害元素而言通过本发明所得的益处的大小与这些 有害元素被分离到该一个或多个热丝中并远离该一个或多个主电极的程度成正比，所以有 意义的是将尽可能少的这些有害元素保留在本发明的该一个或多个主焊接电极中。
[0063]在此方面，在焊接工业中很好地理解的是从用于形成焊接电极的材料中完全消除 一种特定元素可能变得非常昂贵并且作为实际情况甚至是可能的。因此，在进行本发明的 工艺中，从该一个或多个主电极中消除有害元素到达的程度应该不会如此大以致使得整个 工艺变得不经济。相反，这些有害元素应该被消除的最大程度将通常是基于成本/益处分 析，该分析将通过降低在主电极中的有害元素的浓度获得的增量效益甚至进一步与进行此 进一步降低的成本进行比较。
[0064]因此，例如，在例示在以上表1中的此对互补的本发明电极中，在该主电极中的锰 和硅的量没有减少到零、或约零，因为待获得的潜在效益将不会证明这样做的成本是合理 的。实际上，这所意味的是一种特定有害元素(被或应该被包括在用于实践本发明的一个具 体实施例的主电极中以便实现其最大效益）的最小量主要基于经济性，其中此最小量不是 如此之高以至于本发明的工艺变得不经济。焊接领域的普通技术人员应该对发展这些经济 性没有困难。
[0065]换句话说，焊接领域的普通技术人员将容易理解，在考虑最小化焊接烟中的有害 元素的情况下，这些有害元素可以在该主焊接电极中减少的量越多，越好。然而，从焊接电 极减少所有的传统的合金元素(Μη和Si)的成本将增加显著成本。此外，即使将所有有害元 素从所有焊接电极去除，这些元素中的一些由于以下将可能仍然存在于焊接烟中：母材(待 焊接的工件)可能会包含这些相同的元素(其中一些将从焊接电弧中蒸发）。因此，完全从该 焊接电极中去除这些有害元素的额外的成本将不会被证明是合理的。
[0066]为此，以上表1的本发明的实例的主电极熔敷物化学性质代表合理地低水平的锰 以及硅，但不会如此低以至于给该主焊接电极增加显著成本。
[0067]尽管以上已经描述了本发明的少数几个实施例，应了解可以在不背离本发明的精 神和范围下进行很多修改。所有此类修改旨在包括在将仅由以下权利要求限定的本发明的 范围内。
【主权项】
1. 一种用于降低通过非-氧燃料焊接工艺产生的焊接烟中的有害元素的量的方法，而 不降低通过该非-氧燃料焊接工艺产生的焊缝熔敷物中的有害元素的浓度，该非-氧燃料焊 接工艺使用至少一个主电源以供应强热用于进行该焊接工艺，此强热是足以通过蒸发至少 一些被供应到该焊缝熔敷物的成分而产生焊接烟，该方法包括 (a) 通过一种热丝焊接途径进行该非-氧燃料焊接工艺，其中形成该焊缝熔敷物的一些 成分通过一个主焊接电极供应，使该主焊接电极经受通过该至少一个主电源产生的强热， 同时形成该焊缝熔敷物的其他成分通过至少一个热丝焊接电极供应，使该热丝焊接电极熔 化而不经受通过该至少一个主电源产生的强热，并且 (b) 通过该至少一个热丝焊接电极将大于50%的该有害元素供应至该焊缝熔敷物，此 百分比是基于通过所有填充焊丝供应到该焊缝熔敷物的此有害元素的总量。2. 如权利要求1所述的方法，其中该非-氧燃料焊接工艺选自由以下各项组成的组：电 弧焊接、激光辅助焊接和电子束焊接。3. 如权利要求1所述的方法，其中大于75%的供应到该焊缝熔敷物的该有害元素是通 过该至少一个热丝焊接电极供应。4. 如权利要求3所述的方法，其中大于95%的供应到该焊缝熔敷物的该有害元素是通 过该至少一个热丝焊接电极供应。5. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中仅一个单一热丝焊接电极被用在该非-氧 燃料焊接工艺中。6. 如权利要求5所述的方法，其中该主焊接电极以及该至少一个热丝焊接电极形成一 个焊池，该焊池凝固以形成该焊缝熔敷物，并且进一步其中该主焊接电极和该单一热丝焊 接电极以相同的质量供应速率被进料到该焊池。7. 如权利要求5所述的方法，其中该主焊接电极以及该至少一个热丝焊接电极形成一 个焊池，该焊池凝固以形成该焊缝熔敷物，并且进一步其中将该主焊接电极进料到该焊池 的质量供应速率大于将该单一热丝焊接电极进料到该焊池的质量供应速率。8. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中多个热丝焊接电极被用在该非-氧燃料焊 接工艺中。9. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中该非-氧燃料焊接工艺是一种电弧焊接工 〇10. 如权利要求9所述的方法，其中该电弧焊接工艺是一种气体保护金属电弧焊接 (GMAW)工艺。11. 如权利要求9所述的方法，其中该电弧焊接工艺是一种钨惰性气体(TIG)焊接工艺。12. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中该焊接工艺是一种激光辅助焊接工艺。13. 如权利要求12所述的方法，其中该激光辅助焊接工艺是一种混合激光辅助焊接工 〇14. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中该有害元素是锰、铬、镍、镉和铅中的至 少一种。15. 如权利要求14所述的方法，其中该有害元素是锰。16. -种用于降低通过焊接工艺产生的焊接烟中的有害元素的量的方法，而不降低在 最终产生的焊缝熔敷物中的此有害元素的浓度，该焊接工艺选自由以下项组成的组：电弧 焊接、激光辅助焊接和电子束焊接，该方法包括(a)通过一种热丝焊接途径进行该焊接工 艺，其中形成该焊缝熔敷物的一些元素通过一个主焊接电极供应，使该主焊接电极通过由 该焊接工艺的电弧、激光束或电子束产生的强热熔化，同时形成该焊缝熔敷物的其他元素 通过至少一个热丝焊接电极供应，使该热丝焊接电极熔化而不使其经受通过此电弧、激光 束或电子束产生的强热，并且(b)通过该至少一个热丝焊接电极将大于50%的此有害元素 供应至该焊缝熔敷物，此百分比是基于通过所有填充焊丝供应到该焊缝熔敷物的此有害元 素的总量。
【文档编号】B23K9/173GK106077906SQ201610265007
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月26日 公开号201610265007.5, CN 106077906 A, CN 106077906A, CN 201610265007, CN-A-106077906, CN106077906 A, CN106077906A, CN201610265007, CN201610265007.5
【发明人】J·B·谢弗
【申请人】林肯环球股份有限公司