用于焊接电极的系统和方法
【专利摘要】本发明主要涉及焊接，并且更具体地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)的电极。在一个实施例中，一种管状焊丝包括套管和内芯。内芯包括共同构成内芯的10%以下重量的碳源和钾源。而且，碳源选自以下群组：炭黑、灯黑、碳纳米管和金刚石。
【专利说明】用于焊接电极的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及焊接，并且更具体地涉及用于电弧焊例如气体保护金属极电弧焊(GMAff)或药芯焊丝电弧焊(FCAW)的电极。
【背景技术】
[0002]焊接是一种已经在很多行业普及的用于多种应用场合的过程。例如，经常要在例如造船、海上平台、建筑物、轧管机等应用场合使用焊接。某些焊接技术(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)和气体保护钨极电弧焊(GTAW))通常使用保护气(例如氩气、二氧化碳或氧气)以于焊接过程期间在焊弧和熔池内及其周围提供特定的局部氛围，而另一些焊接技术(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))则并没有这样做。另外，某些类型的焊接可以涉及焊丝形式的焊接电极。焊丝通常可以在焊接过程期间提供用于焊缝的填料金属供给并且提供用于电流的路径。而且，某些类型的焊丝(例如管状焊丝)可以包括通常能够改变焊接过程和/或所得焊缝性质的一种或多种成分(例如焊药、稳弧剂或其他添加剂)。
【发明内容】
[0003]在一个实施例中，一种管状焊丝电极包括套管和内芯。内芯包括共同构成内芯的10%以下重量的碳源和钾源。而且，碳源选自以下群组:炭黑、灯黑、碳纳米管和金刚石。
[0004]在另一个实施例中，一种焊接方法包括将焊丝电极输送到焊接装置内。焊丝电极包括套管和内芯，并且内芯包括共同构成内芯的10%以下重量的碳源和稳定剂。所述方法还包括在焊丝电极和包覆金属工件之间形成焊弧。
[0005]在另一个实施例中，一种焊接系统包括构造成接纳焊丝电极的焊枪。焊丝电极包括共同构成焊丝电极的10%以下重量的碳源和碱金属源。而且，焊枪构造成在焊丝电极和工件之间保持电弧的同时以所需模式循环移动焊丝电极。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]本发明的各种特征、应用和优点将在参照附图阅读以下的详细说明时得到更好的理解，其中同样的附图标记在附图中始终表示相同的部件，在附图中:
[0007]图1是根据本公开实施例得到的气体保护金属极电弧焊(GMAW)系统的框图；
[0008]图2是根据本公开实施例得到的管状焊接电极的截面图；
[0009]图3是根据本公开实施例得到的一种过程，通过该过程即可将管状焊接电极用于焊接工件；以及
[0010]图4是根据本公开实施例得到的一种用于制作管状焊接电极的过程。
【具体实施方式】
[0011]如上所述，某些类型的焊接电极(例如管状焊丝)可以包括通常能够改变焊接过程和/或所得焊缝性质的一种或多种成分(例如焊药、稳弧剂或其他添加剂)。相应地，本公开涉及加入了各种形式的碳(例如石墨、石墨烯、炭黑、灯黑、金刚石或类似碳源)以稳定电弧和/或改变焊缝化学性质(例如增加碳含量)的焊接电极组成。而且，本焊接电极实施例可以进一步包括其他的稳定剂，例如碱金属化合物(也就是I族元素，例如锂(Li)、钠(Na)、钾⑷、铷(Rb)或铯(Cs)的化合物)，碱土金属化合物(也就是2族元素，例如铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)的化合物)，稀土硅化物以及另一些元素(例如钛、锰或类似元素)和矿物质(例如黄铁矿、磁铁矿等)。如下所述，公开的焊接电极可以实现包覆工件(例如镀覆、镀锌、喷涂、镀铝、渗碳(carburized)或类似地包覆工件)和/或较薄的工件(例如20-、22-、24-gauge或更薄的工件)的焊接。另外，公开的焊接电极基本上实现了不同焊接结构(例如直流反接(DCEN)、直流正接(DCEP)、可变极性、脉冲直流(DC)、平衡或非平衡交流(AC)极性波形)和不同焊接方法(例如涉及焊接期间焊接电极的圆形或蛇形移动)下的可接受焊缝。
[0012]应该意识到如本文所用的术语“管状焊接电极”或“管状焊丝”可以指代具有金属套管和颗粒状或粉末状内芯的任意焊丝或电极例如金属内芯或药芯的焊接电极。还应该意识到术语“稳定剂”通常可以用于指代提供电弧和/或焊缝质量改善的任何管状焊接件成分。
[0013]转至附图，图1根据本公开示出了使用焊接电极(例如管状焊丝)的气体保护金属极电弧焊(GMAW)系统10的实施例。应该意识到尽管此处的讨论可以具体关注图1所示的GMAW系统10，但是本文公开的焊接电极也可以有助于任何使用焊接电极的电弧焊过程(例如FCAW、FCAff-G, GTAff, SAW、SMAff或类似的电弧焊过程)。焊接系统10包括焊接供电单元12、焊接送丝机14、供气系统16和焊枪18。焊接供电单元12通常为焊接系统10供电并且可以通过缆束20耦合至焊接送丝机14以及利用具有夹头26的引线电缆24耦合至工件22。在图示的实施例中，焊接送丝机14通过缆束28耦合至焊枪18，目的是为了在焊接系统10工作期间向焊枪18提供可消耗的管状焊丝(也就是焊接电极)和电力。在另一个实施例中，焊接供电单元12可以耦合至焊枪18并直接为焊枪18供电。
[0014]焊接供电单元12通常可以包括从交流电源30 (例如交流电网、发动机/发电机组或其组合)接收输入功率、调制(condit1n)输入功率并通过电缆20提供直流或交流输出功率的功率转换电路。因此，焊接供电单元12可以根据焊接系统10的要求给焊接送丝机14供电，从而相应地给焊枪18供电。终止于夹头26的引线电缆24将焊接供电单元12耦合至工件22以闭合焊接供电单元12、工件22和焊枪18之间的电路。焊接供电单元12可以包括能够根据焊接系统10的要求所规定的那样将交流输入功率转换为直流正接(DCEP)输出、直流反接(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)交流输出的电路元件(例如变压器、整流器、开关等)。应该意识到本文公开的焊接电极(例如管状焊丝)能够针对多种不同的供电结构实现焊接过程的改进(例如改进电弧稳定性和/或改进焊缝质量)。
[0015]图示的焊接系统10包括从一个或多个保护气源17向焊枪18供应保护气或保护气体混合物的供气系统16。在图示的实施例中，供气系统16通过导气管32直接耦合至焊枪18。在另一个实施例中，供气系统16可以改为耦合至送丝机14，并且送丝机14可以调节从供气系统16到焊枪18的气体流量。如本文所用的保护气可以指代能够为了提供特定的局部氛围(例如保护电弧、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、改变焊缝熔敷的化学反应等)而提供给电弧和/或熔池的任何气体或气体混合物。在某些实施例中，保护气流可以是保护气或保护气体混合物(例如氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)、氮气(N2)、类似合适的保护气或其任意的混合物)。例如，(通过譬如管路32输送的)保护气流可以包括Ar、Ar/C02混合物、Ar/C02/02混合物、Ar/He混合物坐寸ο
[0016]因此，图示的焊枪18通常是接纳焊接电极(也就是管状焊丝)、接收来自焊接送丝机14的电力以及来自供气系统16的保护气流，其目的是为了执行工件22的GMAW。在工作期间，焊枪18可以送到工件22附近以使得在可消耗的焊接电极(也就是离开焊枪18接触端的焊丝)和工件22之间能够形成电弧34。另外，如下所述，通过控制焊接电极(也就是管状焊丝)的组成即可改变电弧34和/或得到的焊缝(例如组成和物理特性)的化学性质。例如，焊接电极可以包括能够用作稳弧剂并且进一步还可以变成至少部分地熔入焊缝从而影响焊缝机械性质的焊药或合金成分。而且，焊接电极(也就是焊丝)的某些成分还可以在电弧附近提供附加的保护氛围，影响电弧的传导性质和/或给工件表面脱氧。
[0017]图2示出了本发明公开的焊接电极实施例的截面图。图2示出的管状焊接电极50 (例如管状焊丝50)包括封装颗粒状或粉末状内芯54的金属套管52。金属套管52可以由任意合适的金属或合金(例如高碳钢、低碳钢或其他合适的金属或合金)制成。应该意识到由于金属套管52通常可以提供用于焊缝的填料金属，因此金属套管52的组成可以影响所得焊缝的组成。所以金属套管52可以包括能够选择用于提供期望焊缝性质的添加剂或杂质(例如铁氧化物、碳、碱金属、锰或者类似的化合物或元素)。图示管状焊接电极50的颗粒状内芯54通常可以是压缩粉末，其组成如下所述在某些实施例中可以包括碳源和碱金属化合物。碳源、碱金属化合物和其他成分(例如其他的焊药或合金成分)可以均质或非均质地(例如成块或团56地)设置在颗粒状内芯54中。另外，对于某些焊接电极实施例(譬如金属芯焊接电极)，颗粒状内芯54可以包括能够为焊缝提供至少一部分填料金属的一种或多种金属(例如铁、铁氧化物或其他的金属)。
[0018]管状焊接电极50内可以存在的其他成分(也就是除了一种或多种碳源和一种或多种碱金属化合物以外的成分)示例包括例如能够在可从Illinois Tool Works公司购得的METALLOY X-CEL?焊接电极中发现的其他稳定成分、焊药成分和合金成分。一般而言，一种或多种碳源和一种或多种碱金属化合物的组合相对于颗粒状内芯54或整个管状焊接电极50的总重量百分比可以在约0.01%到约10%之间。应该注意重量百分比通常是指钾源和碳源整体的重量贡献而不仅仅是元素钾或碳的重量贡献。例如，在某些实施例中，一种或多种碳源和一种或多种碱金属化合物的组合的总百分比可以在约0.01%到约8%之间、在约
0.05%到约5%之间或者在约0.1%到约4%之间。应该意识到在有电弧34的条件下，焊丝的组成(例如金属套管52、颗粒状内芯54等)可以改变物理状态、化学反应(例如氧化、分解等)或者变成基本上未被焊接过程改性地熔入焊缝中。
[0019]存在于颗粒状内芯54和/或金属套管52内的碳源可以有多种形式并且可以稳定电弧34和/或增加焊缝的碳含量。例如，在某些实施例中，石墨、石墨烯、纳米管、富勒烯或类似基本为Sp2杂化的碳源均可被用作管状焊接电极50内的碳源。而且，在某些实施例中，石墨烯或石墨还可以被用于提供可能存在于碳板之间孔隙空间内的其他成分(例如水分、气体、金属等)。在另一些实施例中，基本为SP3杂化的碳源(例如微米或纳米金刚石、碳纳米管、巴克球)可以被用作碳源。在又一些实施例中，基本为无定形的碳(例如炭黑、灯黑、烟灰或类似的无定形碳源)可以被用作碳源。而且，尽管本公开可以将这种成分称作“碳源”，但是应该意识到碳源也可以是能够包含非碳元素(例如氧、卤素、金属等)的化学改性碳源。例如，在某些实施例中，管状焊接电极50可以(例如在颗粒状内芯54和/或金属套管54内)包括其中可包含约20%锰含量的炭黑碳源。
[0020]另外，管状焊接电极50还可以包括用于稳定电弧34的一种或多种碱金属化合物。也就是说，管状焊接电极50的颗粒状内芯54和/或金属套管52可以包括一种或多种I族和2族元素，也就是锂(Li)、钠(Na)、钾⑷、铷(Rb)、铯(Cs)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(ca)、锶(Sr)或钡(Ba)的化合物。示例性化合物的非限制性列表包括I族(也就是碱金属)和2族(也就是碱土金属)的硅酸盐、钛酸盐、钛酸锰盐、藻酸盐、碳酸盐、齒化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氧化物、高锰酸盐、硅齒化物、长石、铯榴石、辉钥矿和钥酸盐。例如，在一个实施例中，管状焊接电极50的颗粒状内芯54可以包括钛酸锰钾、硫酸钾、钠长石、钾长石和/或碳酸锂。发明名称为 “STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES” 的美国专利 US7087860和发明名称为“STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRE”的美国专利US6723954中介绍了可以使用的碳源和碱金属化合物的类似示例，这两篇文献的全部内容均以参见方式被引入以用于所有目的。
[0021]另外，管状焊接电极50还可以包括其他的稳定成分。稀土元素通常可以为电弧34提供稳定性并且可以影响所得焊缝的性质。例如，在某些实施例中，管状焊接电极50可以使用稀土硅化物，例如其中可以包括稀土元素(譬如铈)的(譬如可从伊利诺斯州的Miller and Company of Rosemont公司购得的)稀土娃化物。进一步地，管状焊接电极50可以附加或可选地包括其他的元素和/或矿物质以提供电弧的稳定性和控制所得焊缝的化学性质。例如，在某些实施例中，管状焊接电极50的颗粒状内芯54和/或金属套管52可以包括某些元素(例如钛、锰、锆、氟或其他元素)和/或矿物质(例如黄铁矿、磁铁矿等)。作为具体的示例，某些实施例在颗粒状内芯54中可以包括硅化锆、镍锆或者钛、铝和/或锆的合金。具体地，包括各种硫化物、硫酸盐和/或亚硫酸盐化合物(例如二硫化钥、亚硫酸锰、硫酸钡、硫酸钙或硫酸钾)的含硫化合物或者含硫化合物或矿物质(例如黄铁矿、石膏或类似的含硫物质)均可被包含在颗粒状内芯54中以通过改进焊道形状和帮助焊渣脱离来改善所得焊缝的质量，这一点在如下所述焊接镀锌工件时特别有效。
[0022]一般而言，管状焊接电极50通常可以稳定用于工件22的电弧34的形成。因此，公开的管状焊接电极50可以提高焊接过程期间的熔敷率同时减少焊瘤(splatter)。进一步应该意识到改善了稳定性的电弧34基本上可以实现包覆金属工件的焊接。示例性包覆工件的非限制性列表包括喷涂、密封、镀锌、热镀锌(galvanealed)、镀覆(例如镀镍、镀铜、镀锡或利用类似金属的电镀或化学镀)、镀铬、涂覆亚硝酸盐、镀铝或渗碳的工件。例如，在镀锌工件的情况下，本文公开的管状焊接电极50基本上可以改善电弧34的稳定性和熔深以使得能够跟工件22外面的锌涂层无关地实现良好的焊缝。另外，通过改善电弧34的稳定性，公开的管状焊接电极50跟使用其他焊接电极可以达到的效果相比基本上可以实现更薄工件的焊接。例如，在某些实施例中，公开的管状焊接电极50可以被用于焊接厚度约为16-、20-、22-、24-gauge的金属或者甚至是更薄的工件。
[0023]此外，公开的管状焊接电极50还可以跟某些焊接方法或技术(例如焊接电极在焊接操作期间以特定方式移动的技术)相结合，从而可以进一步增强焊接系统10用于特定类型工件的坚固性。例如，在某些实施例中，焊枪18可以被设置为将电极在焊枪18内以期望的模式(例如圆形、自旋弧或蛇形的模式)循环或周期性地移动，目的是为了将电弧34保持在管状焊接电极50和工件22之间(例如仅保持在管状焊接电极50的套管52和工件22之间)。作为具体的示例，在某些实施例中，公开的管状焊接电极50可以跟例如在申请号为61/576，850 且发明名称为 “DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD ANDSYSTEM”的美国专利临时申请中介绍的那些焊接方法一起使用，在此以参见方式引入这篇文献的全部内容以用于所有目的。应该意识到这样的焊接技术在如上所述焊接薄工件(例如具有20-、22_或24-gauge的厚度)时可以特别有效。
[0024]图3示出了过程60的实施例，通过该过程即可利用公开的焊接系统10和管状焊接电极50来焊接工件22。图示的过程60以将管状焊接电极50 (也就是焊丝50)输送至焊接装置(例如焊枪18)开始(方框62)。另外，过程60包括在焊接装置的接触端(例如焊枪18的接触端)附近提供保护气流(例如100%的氩气、75%的氩气/25%的二氧化碳、90%的氩气/10%的氦气或者类似的保护气流)(方框64)。在另一些实施例中，可以使用未采用供气系统(例如图1所示的供气系统16)的焊接系统并且管状焊接电极50的一种或多种成分(例如铝、铁或氧化镁)可以提供保护气成分。接下来，管状焊接电极50可以被送到工件22附近以使得能够在管状焊接电极50和工件22之间形成电弧34 (方框66)。应该意识到电弧34可以利用例如GMAW系统10所用的DCEP、DCEN、直流可变极性、脉冲直流、平衡或非平衡的交流电源结构来生成。而且，如上所述，在某些实施例中，管状焊接电极50可以根据特定的模式和/或几何形状(例如自旋弧、涡旋模式或蛇形模式)相对于工件22循环或周期性地移动(方框68)，以使得能够在焊接过程期间保持电弧34(例如基本上保持在管状焊接电极50的金属套管52和工件22之间)。另外，在某些实施例中，管状焊接电极50和/或管状焊接电极50在焊接期间的循环移动通常可以实现较薄(例如小于20gauge)工件以及喷涂、镀锌、热镀锌、镀覆、镀铝、镀铬、渗碳或其他类似包覆工件的焊接。
[0025]图4示出了过程70的实施例，通过该过程即可制作管状焊接电极50。过程70以输送扁平金属条通过多个模具从而将金属条成形为部分圆形的金属套管52 (例如形成半圆形或凹槽)来开始(方框72)。在金属条已被部分成形为金属套管52之后，就可以用颗粒状内芯54进行填充(方框74)。因此，部分成形的金属套管52可以用各种粉末状的焊药或合金成分(例如铁氧化物、金属锌或者类似的焊药和/或合金成分)填充。更具体地，在各种焊药和合金成分中可以加入一种或多种碳源和一种或多种碱金属化合物以使得它们共同构成管状焊接电极50和/或颗粒状内芯材料54的10%以下。而且，在某些实施例中，也可以将其他的成分(例如稀土硅化物、磁铁矿、钛酸盐、黄铁矿和/或其他类似成分)加入部分成形的金属套管52。一旦颗粒状内芯材料54中的成分已被加入部分成形的金属套管52，那么随后部分成形的金属套管52即可被输送通过一种或多种模具从而可以基本上封闭金属套管52以使其基本上围绕颗粒状内芯材料54(例如形成接缝58)(方框76)。另夕卜，封闭的金属套管52随后可以被输送通过多种模具(例如拉伸模具)以通过压缩颗粒状内芯材料54来减小管状焊接电极50的直径(方框78)。
[0026]尽管在本文中仅仅图示和介绍了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可以得到多种变形和修改。因此应该理解所附权利要求意在覆盖落入本发明实质范围内的所有这些变形和修改。
【权利要求】
1.一种管状焊丝，包括: 套管和内芯，其中所述内芯包括共同构成内芯的10%以下重量的碳源和钾源，并且其中所述碳源选自以下群组:炭黑、灯黑、碳纳米管和金刚石。
2.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述钾源包括硅酸钾、钛酸钾、藻酸钾、碳酸钾、氟化钾、磷酸钾、硫化钾、氢氧化钾、氧化钾、高锰酸钾、氟硅酸钾、钾长石、钥酸钾或其组合。
3.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述管状焊丝包括硫源，所述硫源包括亚硫酸锰、二硫化钥、石膏、硫酸钙、硫酸钡或黄铁矿。
4.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述管状焊丝包括稀土硅化物。
5.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述碳源和钾源共同构成内芯的0.1%到3%之间的重量。
6.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述碳源和钾源共同构成内芯的0.01%到8%之间的重量。
7.如权利要求1所述的管状焊丝，其中所述碳源和钾源共同构成内芯的0.05%到5%之间的重量。
8.一种焊接方法，包括: 将焊丝电极输送到焊接装置内，其中所述焊丝电极包括套管和内芯，并且其中所述内芯包括共同构成内芯的10%以下重量的碳源和稳定剂；以及在焊丝电极和包覆金属工件之间形成焊弧。
9.如权利要求8所述的方法，包括向焊弧附近提供保护气流，其中所述保护气流包括氩气、二氧化碳、氧气、氮气、氦气或其组合。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述包覆金属工件包括镀锌或热镀锌的工件。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述包覆金属工件包括已被喷涂、镀覆、镀铬、镀铝、渗碳、涂覆亚硝酸盐或其组合的金属工件。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述稳定剂包括硅酸钾、钛酸钾、藻酸钾、碳酸钾、氟化钾、磷酸钾、硫化钾、氢氧化钾、氧化钾、高锰酸钾、氟硅酸钾、钾长石、钾辉钥矿或其组口 ο
13.如权利要求12所述的方法，其中所述稳定剂包括磁铁矿、黄铁矿、钛、锆、稀土硅化物或其组合。
14.如权利要求8所述的方法，其中所述工件包括16gauge或更小的厚度。
15.一种焊接系统，包括: 构造成接纳焊丝电极的焊枪，其中所述焊丝电极包括共同构成焊丝电极的10%以下重量的碳源和金属源，其中所述金属源包括碱金属源、碱土金属源或其任意组合，并且其中所述焊枪构造成在焊丝电极和工件之间保持电弧的同时以所需模式循环移动焊丝电极。
16.如权利要求15所述的焊接系统，其中所述焊接系统构造成利用选自以下群组的供电配置进行焊接:直流正接(DCEP)、直流(DC)可变极性、脉冲直流、平衡交流(AC)和非平衡交流。
17.如权利要求15所述的焊接系统，其中所述碱金属源包括碱金属硅酸盐、碱金属钛酸盐、碱金属藻酸盐、碱金属碳酸盐、碱金属齒化物、碱金属磷酸盐、碱金属硫化物、碱金属氢氧化物、碱金属氧化物、碱金属高锰酸盐、碱金属长石、碱金属铯榴石、碱金属钥酸盐或其组合。
18.如权利要求15所述的焊接系统，其中所述碱土金属源包括碱土金属硅酸盐、碱土金属钛酸盐、碱土金属藻酸盐、碱土金属碳酸盐、碱土金属齒化物、碱土金属磷酸盐、碱土金属硫化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属氧化物、碱土金属高猛酸盐、碱土金属长石、碱土金属铯榴石、碱土金属钥酸盐或其组合。
19.如权利要求15所述的焊接系统，其中所述焊接系统构造成焊接镀锌、喷涂、镀覆、镀铬或镀铝的工件。
20.如权利要求15所述的焊接系统，包括构造成向焊枪供应保护气的供气系统，并且其中保护气流包括氩气、二氧化碳、氧气、氮气、氦气或其组合。
【文档编号】B23K35/38GK104144765SQ201380003373
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年3月8日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】史蒂文·巴霍斯特, 马里奥·阿马塔 申请人:霍伯特兄弟公司