CN100577338C - 控制焊缝外观的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于焊接消费品的技术和组合物，该技术和焊条组合物能够降低在电弧焊操作中焊接金属的污染程度。这些技术和组合物促进了焊接工艺过程中的放热反应，其降低了其他方式所必需的电弧能量。较低能量的电弧具有较短长度，从而减少了来自大气或保护气体的试剂所造成的焊接污染的可能性。这些技术和组合物还可以用于选择性地制作得到焊接的外形，获得特定的焊接沉积速率，获得特定的冷却速率，从而影响焊接性能，并能够形成焊接金属中的某些相。

Description

控制焊缝外观的方法

技术领域

本发明涉及弧焊领域，更特别的涉及控制电弧能量。本发明特别针对补充较低能量弧焊技术，从而获得来自较高能量焊接的焊接性能和特征。

背景技术

在使用药芯焊条的弧焊中，希望使电弧的长度尽可能短。短电弧使来自周围环境或者保护气体的氧和氢引起的焊接金属的污染最小化，因此降低了焊接中对消除剂(killing agent)的需要，例如镁、铝、硅、钛和/或锆。由于污染和消除试剂对焊接沉积的物理性能会是有害的，因此将电弧的长度最小化是辅助提高这些性能的一个方法。

然而，缩短电弧的长度，或者通过简单的降低电弧电压或者通过高级的波形控制技术，就可以得到冷焊接熔池，其导致差的焊缝外形(例如凸起或者“破旧的”外形)以及缺陷例如缺少融合和熔渣卷入。因此，需要一种技术，其中电弧长度可以被缩短，而避免一些问题例如以其它方式来自短电弧长度的不完美焊缝外形。另外，希望提供焊接消费品，例如焊条，其被特别加工成在给定焊接功率水平或者降低的水平下提供具有预定系列特征的焊接熔池，例如期望的外形和轮廓。

在焊接过程中金属沉积的速率影响所得到焊接的性能和整个产率。然而，来自较高沉积速率的产率的提高，被与高能量弧焊工艺相关的提高的能量需求所抵消。因此，有利的是提供一种策略，通过其可以获得提高的沉积速率而没有额外增加的焊接能量需求。

焊接金属性能至少被焊接组装部件的冷却速率影响，其反之依赖于在焊接过程中组装部件达到的温度。正如已知的，可以通过调节输入到弧焊器中的能量来调节焊接温度。然而，从能量成本的角度来看，通常希望的是使用降低的能量水平。因此，期望的是提供一种技术，以达到特别的焊接温度而无需提高焊接能量水平。

而且，得到特别的焊接金属组合物是焊接技术中持续的目标。尽管在先技术已经在这些方面取得了显著的进步，但是通过选择特别焊接消费品来生产期望的焊接金属组合物，而不是通过考虑焊接器的能量需求。如前面所提到的，增加的能量成本一直是受关注的。因此，如果可以制备某些焊接金属组合物并且降低焊接器的能量需求，这将是有利的。因此，需要一种策略，其中可以生产特别的焊接金属组合物，结合了减少对焊接单元的全部能量需求。

所有提到的目标涉及获得特别的焊接特征或者性能，优选不提高输入到焊接单元的电功率。

发明内容

在第一个方面，本发明提供了一种将焊接单元的热能量输出提高到特定量的方法，而没有增加输入到焊接单元的电功率。该方法包括利用焊接消费品，其包括(i)至少一种活性金属以及(ii)至少一种氧化物。对这些组分在数量和性能方面进行选择以便在弧焊操作过程中(i)和(ii)之间发生至少一种放热反应，其进而产生特定量的能量。

在另一个方面中，本发明提供了一种用于从弧焊操作过程中得到相同的热能输出而降低输入到弧焊仪的电功率特定量的方法。该方法包括利用一种焊接消费品，其包括(i)至少一种活性金属以及(ii)至少一种氧化物。对这些组分在数量和性能方面进行选择以便在弧焊操作过程中(i)和(ii)之间发生至少一种放热反应，其进而产生特定量的能量。

通过下面的描述结合附图，这些和其它目标和优势将变得清楚。

优选实施方式

根据本发明，在焊接操作过程中，通过适当选择焊接消费品中特别的组分、它们的量和/或比例，对焊接进行加热。加入的热量不是通过使用相对长的弧长度实现的从而获得令人满意的焊缝外形。这就是，通过使用这里所述的优选实施方式，可以避免本领域已知不期望的焊缝外形例如凸起或者“破旧的”外形，而使用相对短的电弧长度。

另外，根据本发明，通过适当地选择焊接消费品的组分、它们的量和/或比例，也可以改善在电弧中所产生的热，这导致通过使用相似的能量输出改善金属沉积的速率。

本发明的策略还使对冷却速率的改善成为可能，从而在相同的焊接程序中改善了焊接金属性能。通过对焊接消费品中的组分、它们的量和/或比例进行适当选择得到了改善的冷却速率和焊接金属性能。

另外，本发明使对焊接金属组合物的改善成为可能，从而控制了焊接金属某些相的形成。这是通过对焊接消费品中的组分、它们的量和/或比例进行适当选择得到的。例如，通过将填充物中的铝提高到焊条填充物的20％，并提高反应性氧化物到适当的含量；防止多余量的铝以其它方式进入固体溶液中，这样通过固化形成了δ铁素体。已经建立了δ铁素体以引起焊接金属中的差韧性。

而且，本发明可以对焊条的操作范围进行改善到适当的应用，其通过适当选择焊接消费品中的组分、它们的量和/或比例。对于需要高沉积速率的应用，可以选择焊接消费品中的组分，进而允许焊条在较高的速率下操作而没有电弧不稳定性。也就是电弧越热，等离子体越稳定。例如，在每分钟110英寸的弧焊应用操作中，使用本发明的焊条组合物能够使操作速率提高达到150英寸每分钟，提高了大约36％。对于需要快速冷却熔池的应用，可以选择焊接消费品中的组分以使焊条在足够低的热量输出下进行操作，其产生的热恰好足够用于电弧中稳定性。

根据本发明通过选择和使用焊接消费品的特别组合物得到了前面的所有策略。术语“焊接消费品”是指焊条、焊剂以及其他通常用作各种焊接操作中焊接供给的材料。本发明的组合物使用材料在特定量和/或比例的特别结合以促进在焊接过程中发生的放热反应的热能释放，以及对焊接消费品的高温加热。

更特别的，通过在焊接消费品中包含一些材料，例如药芯焊条的芯，其能够互相发生放热化学反应，可以达到各种目标，例如为焊接加热而不加长电弧。例如，已知铝金属与铁鳞(氧化铁)可以用作如下：

2Al(焊芯中)+Fe₂O₃(焊芯中)→Al₂O₃(熔渣中)+2Fe(焊接金属中)+热。

所形成的氧化铝变成部分熔渣，所形成的铁成为焊接金属。铝和氧化铁之间的反应是焊接领域中最常见的放热反应。该反应也被称作“铝热”反应。尽管这是放热反应的例子，但是如果这里没有特殊说明的话，其通常适合用于电弧焊中，并特别的用于使用药芯焊条的应用中。

根据本发明，提供了各种特别优选用于焊接消费品的组合物，特别用于焊条组合物，其由于特别含有了反应物和/或一定反应物的量，经历了一个或者多个放热反应，从而产生了用于所得到焊接的热。所产生的热降低了电功率输入(以其他方式电弧所必需的)，从而使电弧长度能够相对的短。

特别的，优选的实施方式方法和焊条组合物表示了各种活性金属和氧化物的结合，其可以进行放热反应。这些放热反应的例子包括但不限于：

3Mg+Fe₂O₃→3MgO+2Fe+热；

3Si+2Fe₂O₃→3SiO₂+4Fe+热；

3Ti+2Fe₂O₃→3TiO₂+4Fe+热；

3Zr+2Fe₂O₃→3ZrO₂+4Fe+热；

4Al+3MnO₂→2Al₂O₃+3Mn+热；

2Mg+MnO₂→2MgO+Mn+热；

Si+MnO₂→SiO₂+Mn+热；

Ti+MnO₂→TiO₂+Mn+热；

Zr+MnO₂→ZrO₂+Mn+热。

除了调节焊接熔池的温度和流动性外，与这些类似的反应可以用于调节焊接金属的合金含量。这些或相似的反应可以添加期望的合金化元素例如锰(通过与上述类似的反应)或者铬：

2Al+Cr₂O₃→Al₂O₃+2Cr+热。

这些或者相似的反应也可以用于控制或者去除在某些情况或者某些量的不希望的元素，例如铝、硅或者钛。也就是，这些或者相似的反应可以用于焊接操作中以选择性地从焊接环境中消耗元素。

在焊接消费品例如焊条组合物中含有的活性金属的非限制性例子包括镁、硅、钛、锆、铝及其组合。

在焊接消费品例如焊条组合物中含有的氧化物的非限制性例子包括氧化铁、氧化锰及其组合。

根据本发明，可以以这种相同的方式使用活性金属和氧化物的组合。理论上，任何热力学上可能的反应都能够吸收热(吸热的)或者产生热(放热的)。前面所述的金属铝和氧化铁之间的反应是最强的放热反应之一。但是，除了铁、锰、氧化硅外，铝也可以和硼、碳、钛、钒、铬、钴、镍、铜、锆、铌和钼的氧化物发生放热反应，例如命名的那些元素在钢铁冶金中发挥重要作用。镁可以和硼、碳、硅、锆、钒、铬、铁、钴、镍、铜、锆、铌和钼的氧化物发生放热反应。锆可以和硼、碳、硅、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌和钼的氧化物发生放热反应。钛可以和硼、碳、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌和钼的氧化物发生放热反应。硅可以和碳、锰、铁、钴、镍和铜的氧化物发生放热反应。

将所提到进行放热反应的活性金属和氧化物加入到焊接消费品中，优选芯焊条。

芯焊条被连续供给具有粉末焊剂和/或合金成分芯的管状金属外壳。这些可以包括焊剂成分、除氧和除氮试剂、合金材料以及提高韧性和强度、改进抗腐蚀性和稳定电弧的成分。典型的芯材料可以含有铝、钙、碳、铬、铁、锰以及其他的成分和材料。尽管药芯焊条是更广泛使用的，在焊接合金钢时，金属芯产品对于调节填充物金属组合物是有用的。金属芯焊条中的粉末通常是金属和合金粉末，而不是化合物，其只是在焊接的表面产生小的熔渣岛。相反，在焊接的过程中，药芯焊条焊条产生延长的熔渣覆盖，其支持和塑形焊缝。

通过使用焊接消费品例如药芯焊条中活性金属和氧化物的特定组合、量和/或比例，可以选择性地调节电弧中所产生的热以及电弧的温度。对电弧温度的选择性调解和控制能够改善和控制金属沉积的速率，而无需借助于调节输入到焊接单元的功率水平。

另外，通过使用焊接消费品例如药芯焊条中活性金属和氧化物的特定组合、量和/或比例，可以选择性地获得期望的冷却速率，从而获得相应的焊接金属性能，而无需借助于调节输入到焊接单元的功率水平。

而且，通过使用焊接消费品例如药芯焊条中活性金属和氧化物的特定组合、量和/或比例，可以选择性地改善焊接金属组合物，从而控制了焊接金属中某些相的组成。此外，这种选择性控制无需借助于调节输入到焊接单元的功率水平。

而且，通过使用焊接消费品例如药芯焊条中活性金属和氧化物的特定组合、量和/或比例，可以改善这样消费品的操作范围用于特定的应用。这种选择性加工焊接消费品以进行期望的应用无需借助于调节输入到焊接单元的功率水平而完成。

能够提高来自电弧焊接单元所产生的电弧的热能输出，而不增加输入到焊接单元的电功率。提高的热能输出是通过利用焊接组合物达到的，该焊接组合物含有至少一种活性金属和至少一种氧化物，其在焊接过程中进行一种或者多种放热反应，从而产生了提高的电弧输出热能。可以对活性金属和氧化物的量和比例进行选择以生产期望量的提高的电弧热能输出，其通过适当地加和各自反应的热。提高的程度可以为大约1％～大约100％或者更多，通常为大约5％～大约15％。可以接受的是，通常优选获得尽可能大的提高，只要产生期望的焊接特征和性能。

除了提高电弧的热能输出而不提高电功率需求外，还提供了一种方法以获得相同的电弧热能输出，而不降低电功率需求。该方法包括使用一种焊接消费品，其含有至少一种活性金属和至少一种氧化物，在电弧焊接过程中进行一种或者多种放热反应。放热反应所放出的热贡献为电弧的能量，这样降低了电弧焊接器对电功率的需求。可以对活性金属和氧化物的量和比例进行选择以生产期望量的提高的电弧热能输出，其通过适当地加和各自反应的热。对电功率需求的降低的程度可以为大约1％～大约100％或者更多，通常为大约5％～大约15％。通常优选的是获得尽可能大的提高，只要产生期望的焊接特征和性能。

对照实施例

在使用典型“传统”自保护药芯电弧焊(FCAW-S)焊条进行焊接时，将0.078英寸直径的焊条补给入电弧，其速率为90英寸每分钟。该工艺使用直流电，焊条为负极。将电弧电压设定在19～20伏。电流有某些变动以维持稳定的焊剂熔出速率。在这些条件下，电弧产生了大约4.4千瓦或者264,000焦耳每分钟的平均功率。

然而，当以相同的焊剂熔出速率使用控制波形交流电进行焊接的时候，电弧功率为大约4.1千瓦或者246,000焦耳每分钟，小于传统工艺大约7％。这种较低的电弧功率是与较短的物理电弧长度相关，其在减少电弧和焊接熔池的暴露免受大气污染方面有优势。然而，该较低的功率也意味着焊接熔池和熔渣倾向于更快地冷却，有时在焊接金属有机会适当湿润和熔合连接之前。这可以导致“冷隔”、熔渣卷入以及其他的焊接缺陷。

除了由于电流经过焊接电弧所产生的热外，将热加入到焊接的另一个策略是通过焊条芯中材料之间的化学反应。上面所提到的“传统”FCAW-S焊条含有金属铝以及2.8重量％的氧化铁。在传统焊条中，加入氧化铁以提供对由于某些其他化合物所引起吸湿的稳定性，而不必要产生热。然而，通过对焊接金属和熔渣的分析，已知大约60％的氧化铁和铝发生下面的反应：

2Al+Fe₂O₃→Al₂O₃+2Fe

所产生的金属铁成为焊接沉积中钢的一部分，而氧化铝形成了部分熔渣。当以每分钟90英寸焊丝的熔出速率进行焊接时，该反应每分钟释放大约3,800焦耳。

已经向使用控制波形交流电的FCAW-S焊条的芯中加入额外的反应物以弥补较低的电弧功率。这种类型的代表焊条含有6重量％的氧化铁，加1.85％的氧化锰，加0.7％的二氧化硅，同时有充足的金属铝。锰和硅的氧化物也会和铝发生反应：

4Al+3MnO₂→2Al₂O₃+3Mn

4Al+3SiO₂→2Al₂O₃+3Si。

通过对焊接金属和熔渣的分析，已知大约60％的氧化锰和50％的二氧化硅与铝发生反应。在以每分钟90英寸焊丝的熔出速率进行焊接时，这三种反应共同每分钟产生了总共19,300焦耳。

对于传统的工艺：

264,000J/分钟(电弧能量)+3,800J/分钟(放热反应)＝267,800J/分钟(总共)

对于控制波形交流电工艺：

246,000J/分钟(电弧能量)+19,300J/分钟(放热反应)＝265,300J/分钟(总共)

这两种工艺之间所产生热的差别只有大约1％。通过放热反应所产生的额外热产生了外形、湿润和熔合能够与传统工艺相比较的焊接。

在美国专利5,369,244、5,365,036、5,233,160、5,225,661、5,132,514、5,120,931、5,091,628、5,055,655、5,015,823、5,003,155、4,833,296、4,723,061、4,717,536、4,551,610和4,186,293中提供了用于焊接的电弧焊接材料以及特别的药芯焊条的进一步详细描述，所有这些在此作为参考加以引用。

前面的描述目前被认为是本发明的优选实施方式。然而，可以预见的是，本领域技术人员可以进行各种显而易见的改变和改善，而不离开本发明的范围。因此，前面的描述用于覆盖包括在本发明主旨和范围内的所有这些改变和改善，其包括所有等价的方面。

Claims (7)

1.一种用于将来自电弧焊单元的电弧焊操作的热能输出提高到特定量的方法，其不增加输入到焊接单元的电功率，该方法包括：

利用一种焊接消费品，其包括：(i)至少一种活性金属和(ii)与所述至少一种活性金属反应的至少一种氧化物，其中对所述至少一种活性金属和所述至少一种氧化物在数量和比例方面进行选择，以便在电弧焊操作过程中在所述至少一种活性金属和所述至少一种氧化物之间发生至少一种放热反应，从而产生1％～100％的热能的增加，

其中所述活性金属是镁，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化钛、氧化钒、氧化铬、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化钼及其组合；或者

其中所述活性金属是锆，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铌、氧化钼及其组合；或者

其中所述活性金属是钛，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铌、氧化钼及其组合；或者

其中所述活性金属是硅，所述氧化物选自氧化碳、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜及其组合；或者

其中活性金属是铝，所述氧化物选自氧化铁、氧化锰、氧化硅、氧化铬、氧化硼、氧化碳、氧化钛、氧化钒、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化钼及其组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中氧化物(ii)选自氧化铁、氧化锰及其组合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述焊接消费品是药芯焊条。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述增加的热能输出为5～15％。

5.一种在使用电弧焊单元的电弧焊操作中获得相同热能输出的方法，其将输入到电弧焊单元的电功率降低特定量，该方法包括：

利用一种焊接消费品，其包括(i)至少一种活性金属和(ii)与所述至少一种活性金属反应的至少一种氧化物，其中对所述至少一种活性金属和所述至少一种氧化物在数量和比例方面进行选择，以便在电弧焊操作过程中所述至少一种活性金属和所述至少一种氧化物之间发生至少一种放热反应，从而产生与输入到所述电弧焊接单元的所述电功率的降低量相等的特定量的能量，

其中所述活性金属是镁，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化钛、氧化钒、氧化铬、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化铜及其组合；或者

其中所述活性金属是锆，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铌、氧化钼及其组合；或者

其中所述活性金属是钛，所述氧化物选自氧化硼、氧化碳、氧化钒、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铌、氧化钼及其组合；或者

其中所述活性金属是硅，所述氧化物选自氧化碳、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜及其组合；或者

其中活性金属是铝，所述氧化物选自氧化铁、氧化锰、氧化硅、氧化铬、氧化硼、氧化碳、氧化钛、氧化钒、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锆、氧化铌、氧化钼及其组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述氧化物选自氧化铁、氧化锰及其组合。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述焊接消费品是药芯焊条。