CN101421069A - 用于开口的根部焊道焊接的金属有芯焊条 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在至少一个工件的间隔的端部之间的间隙中形成根部焊道的方法和装置。该间隙包括开口的根部。具有金属护套和芯部材料的金属有芯焊条用于形成开口的根部的根部焊道。芯部材料包括微量的熔渣成型剂或没有熔渣成型剂。金属有芯焊条以给定的送丝速率向开口的根部运动，通过至少部分地填满在第一焊道的开口的根部而将端部焊接在一起。具有可控波形的焊接电流被应用于此。该波形包括连续的焊接循环，每个循环具有短路部分和金属包覆的金属有芯焊条，导致金属有芯焊条熔化并被传送到开口的根部中的端部以形成根部焊道。形成的根部焊道在根部焊道的上表面有很少或没有熔渣。采用保护气体至少部分地使得开口的根部的熔融金属与大气隔离。

Description

用于开口的根部焊道焊接的金属有芯焊条

本发明涉及一种短路焊接方法，具体涉及一种开口的根部的短路焊接方法，并且更涉及一种利用金属有芯焊条的开口的根部的短路焊接方法，还更进一步地涉及一种利用金属有芯焊条、且用焊接工业中公知的特定电源作为STT电弧焊机的开口的根部的短路焊接方法。

交叉引用

短路电弧焊能按照各种不同的焊接需求将大的板材焊接成一体。这类短路电弧焊机是位于俄亥俄州克利夫兰市的林肯电力公司以STT的商标出售的，并在美国专利NO.4,972,064、5,001,326、5,742,029、5,961,863、5,981,906、6,051,810、6,160,241、6,204,478、6,215,100和6,274,845中公开，所有的这些参考文献在此合并作为参考。当将一个或多个工件的相间隔的端部焊接在一起例如形成管道或者在铺设管道的实地将各管段焊接在一起时，该独特的短路电弧焊机成为很受欢迎的动力供应。美国专利5,676,857和5,981,906号中公开了利用该独特的短路焊接机来实施管道焊接的方法，这两篇专利并在此合并作为参考。这些专利及其中公开的材料都限定了由林肯电力公司提供的STT电焊机，以及其应用于焊接板材，例如但不局限于管段，这些专利在此作为背景技术信息合并参考，因此这些公知的技术无需重复说明。美国专利5,961,863、6,051,810、6,160,241、6,204,478、6,215,100和6,274,845号公开了一些关于利用STT电焊机使用含熔剂芯焊条和/或使用反极性焊接的观点。这些在先的专利也参考合并作为背景技术，并且就技术而言，不必为了理解本发明而对其进行重复描述。

背景技术

许多焊接金属产品的制造者使用开口的根部对接接头作为将两块金属连接在一起的方式。当不希望甚至有时不可能接近两边时，制造者经常被迫从一边焊接。此外，当不可能使用接头垫板材料时，通常使用开口的根部接头。

在对接焊缝中，第一焊道或根部焊道往往是最难操作的并且也是接头中最关键的焊接，因为第一焊道产生的焊缝充当位于该焊缝背面的焊缝面。根部焊道被认为是困难的，因为它具有最小的入口，并且也是接头底部最远的背面。而且，还是在缝隙根部对其进行焊接，没有任何来自基材或之前的焊接的金属垫板的支撑。该焊接仅有的支撑来自于接头两边的薄的倾斜的端部。开口的根部的焊接是被认为最关键的，因为通常不能从焊缝的背面修复缺陷。在许多焊接结构的使用中，即使在根部焊缝中存在微小的瑕疵，都可能导致焊接件的过早失效。

许多制造者成功地从一边焊接有开口的焊根的对接接头。其应用包括在实地和制造车间焊接管道，在不能通向背面的地方焊接结构型材和板材。正如预计的那样，焊接开口的焊根的根部焊道必须比后续焊道的焊接程序慢。这就保证了保持正确的工艺和获得所需的焊接质量。许多焊接点在焊接位置之外，从而需要更缓慢的焊接程序来获得所需效果。往往在开口的根部的根部焊道的焊接完成点处产生薄弱环节。

因此，需要一种以较简单和省时的方式，制造高质量的单边对接接头根部焊道的电焊条和焊接方法。

发明内容

本发明涉及一种能将一块或多块金属板焊接在一起的短路电弧焊的方法和装置。本发明尤其涉及基本具有平面或半平面轮廓的金属板通过开口的根部焊接过程的焊接。然而，可以理解，该焊接装置和方法可以用来将其他不同种类的金属板材焊接在一起，例如但不限于两个管段的边缘等。该短路电弧焊的方法和装置可用于将一块或多块金属板材焊接在一起，以及在金属板材之间形成根部焊道。然而，本发明具有更广泛的应用，并能将不同类别的金属物体用各种方法焊接在一起。在其中一个非限制性的实施例中，本发明涉及在板材焊接过程的开口的根部接头中敷设第一焊缝金属的装置和方法。在另一种和/或替换的非限制性的实施例中，本发明涉及用减小的或微量的电弧力在开口的焊根的中心来焊接开口的焊根，并且在金属板的边缘产生好的渗透的方法和装置。在还一种和/或替换的非限制性实施例中，本发明涉及这样一种的方法和装置，其用于填充两块金属板之间的开口的焊根，并且在整个焊接过程中获得好的渗透。该方法和装置可以使用高频开关电源，例如但不局限于林肯电力公司生产的POWERWAVE STT焊接机。虽然具体参考了用于在金属板材之间形成根部焊道的该类型的电弧焊机来描述本发明，但STT焊接机或其它的电弧焊机也可用于在开口的焊根焊道完成后填充金属板材之间的间隙。同样，在完成焊根焊道后，可采用相同类型的焊接机或其它类型的焊接过程(例如高温的脉冲喷雾等)形成的随后的焊接金属层。当形成一个或多个焊接金属层时，该焊接过程可以是半自动的或自动焊接过程。

按照本发明的一个非限制性的方面，提供一块或多块板(例如但不局限于基本为平面的金属板或者两个管段，将它们放置在一起，并在一块或多块金属板的端部之间形成沟槽或开口的根部)、可熔的金属有芯焊条，至少部分地使得开口的根部与空气隔离的保护气体以及电源。电源包括焊接电流电路，焊接电流电路施加具有特殊的波形轮廓的焊接电流至一块或多块金属板之间的开口的根部。

按照本发明的另一个和/或替换的非限制性的方面，一块金属板的边缘或两块或多块金属板的边缘可通过使用夹具和/或其它的对准装置对准，从而使边缘的偏差量为最小。该夹具和/或其它的对准装置也可和/或交替地将一块或多块金属板保持在一起，至少直到在一块或多块金属板之间的开口的根部形成根部焊道。在本发明的一个非限制性的实施例中，一块或多块金属板被对准，从而在由一块或多于两块金属板形成的开口的根部只存在小的间隙。在本实施例的一个非限制性的方面，该间隙小于大约10mm。在本实施例的另一个非限制性的方面，该间隙至少大约为0.5mm。仍然在本实施例的一个和/或替代的非限制性的方面，该间隙至少大约为1mm。依然在本发明实施例的一个和/或可替换的非限制性的方面，该间隙达到大约5mm。在本发明的另一个和/或可替换的非限制性实施例中，夹具和/或其它对准装置的使用消除了形成金属板之间的开口根部的一块或多块金属板的边缘的不重合量，从而提高形成的焊缝的质量。在本实施例的一个非限制性的方面，形成开口的根部的一块或多块金属板边缘的不重合量达到大约±4mm。在本实施例的另一个和/或可更换的非限制性的方面，形成开口的根部的一块或多块金属板边缘的不重合量达到大约±2mm。在本实施例的一种和/或可更换的非限制性的特征方面，形成开口的根部的一块或多块金属板边缘的不重合量达到大约±1mm。

按照本发明的还一个和/或可更换的非限制性的方面，在形成根部焊缝过程中，可在根部焊道中使用焊接支架。焊接支架通常用于管道的焊接。然而，这不是必须的。应当理解，该焊接支架可应用于可熔电焊条的额外焊道，以在在根部缝隙被填充之后，填充金属板之间的间隙。在本发明的一个非限制性的实施例中，在焊接两个管段时，可采用焊接支架形成根部焊道。在该结构中，该焊接支架可在管段之间的凹槽或间隙的周围延伸至少大约90°。在该实施例的一个非限制性的方面，该焊接支架可在管段之间的凹槽或间隙的周围至少延伸大约180°。在该实施例的另一个非限制性的方面中，该焊接支架在管段之间的凹槽或间隙的周围延伸大约360°。该焊接支架通常被设计为当其围绕管段之间的沟槽或间隙的一部分或整个圆周运动时，沿着轨道运动或滑动。可采用一个或多个焊接支架形成根部焊道。该轨道一般被定位为环绕和/或固定在一个或全部管段的外周。该焊接支架一般包括驱动马达，驱动马达可驱动焊接支架以所需的速率沿着至少部分地围绕凹槽或间隙圆周的轨道运动。沿着轨道运动的焊接支架的速度可以是恒定的或变化的。该焊接支架包括机械机构，其在焊接过程中可控制地使可熔的有芯焊条朝向和/或远离沟槽或间隙运动。控制有芯焊条运动的机械机构与焊接期间将支架可控地移向沟槽或间隙的机械机构可以是一体的也可以是分离的。美国专利5,677,857和5,981,906号中公开的非限制性的焊接支架结构和/或操作方式可用于本发明，这两篇专利均以参考方式并入本文。

根据本发明的另一个和/或可替换的非限制性的方面，用来焊接金属板材形成的沟槽或间隙的根部焊道的焊接电路包括第一电路和第二电路。第一电路可用于控制短路状态下的电流，在短路状态下，位于可熔的有芯焊条端部的熔融金属在表面张力的作用下，主要转变成位于沟槽或间隙中的熔融金属池。在本发明的一个非限制性的实施例中，第一电路可被设计为产生转移电流，该转移电流包括穿过短路的熔融金属的高安培电流压缩脉冲，短路的熔融金属帮助促进熔融金属从电焊条转移到焊接熔池。第二电路可被设计成形成熔化电流。在本发明的另一个和/或可更换的非限制性的实施例中，熔化电流可以是高安培电流脉冲，当电焊条从焊接熔池离开时，该脉冲通过电焊弧来熔化位于可熔的有芯焊条端部的金属。在该实施例的一个非限制性的方面中，该高安培电流脉冲(high current plus)可具有用来熔化可熔的有芯焊条端部的较恒定量的金属的预定的大小的能量或瓦数。在该实施例的另一个和/或替换的非限制性的方面，焊接电流电路的第二电路可在电弧状态的初始部分提供高能加速。该强电流加速可具有预定的I(t)区域或能量，用来熔化当金属有芯焊条从焊接池离开时可熔的有芯焊条端部的相对定量的金属。然而，这不是必须的。在等离子加速期间产生的能量，一般足以产生通常直径不大于金属有芯焊条直径的2倍的金属球。然而，可以理解，在等离子加速期间，也可产生其它形状和/或尺寸的熔融金属球。在本实施例的还一个和/或可更替的非限制性的方面中，焊接电路的第二电路可向可熔的有芯焊条提供电流，这样在初始的强电流等离子加速电流之后，维持一段时间强电流然后逐渐减小。在另一个和/或可更换的非限制性的方案中，可维持高电流达一定的时间段。在本发明的还一种和/或可更换的非限制性的方案中，可通过这种方式来减小电流：在一段时间内电流持续衰减，直至向焊条施加期望的量的的能量或瓦数，从而熔化期望体积的焊条。然而，可以理解，也可通过其它或额外的方式来实现电流的降低。在本发明的另一个和/或可更换的非限制性的实施例中，焊接电流电路可限制通向金属板端部的能量大小，从而在焊缝的形成期间防止金属板端部发生不必要的熔化，和/或防止在焊接过程中焊道变得太热，从而抑制或阻止熔融的金属穿过金属板端部之间的间隙。在本发明的另一个和/或可更换的非限制性的实施例中，焊接电流电路可包括产生基准电流的电路。该基准电流可以为小电流，其仅仅高于在短路状态终止后维持电弧维持在所需的电流大小。在整个焊接循环中都可保持基准电流，以保证在焊接过程中电弧不会意外地熄灭。然而，这不是必须的。依然在本发明的另外一个和/或可替换的非限制实施例中，焊接电流可包含控制器，控制器用于在焊接过程中变换电流的极性，以获得所需的焊接熔池热度。该极性可在焊接循环期间和/或在一个或多个焊接循环结束之后变换。当使用短路焊接的正像工艺(positive process)时(例如但不限于一个STT焊接机)，工件的焊池可能太热，焊池的冷却需要时间以允许焊缝拉回至沟槽或间隙中。因此，该短路焊接过程(例如但不局限于STT过程)能够通过降低基准电流来降低焊接熔池的温度。基准电流的降低使得整个焊接工艺中的热量降低。同样地，该短路焊接过程(例如但不局限于STT过程)被设计为，在焊接过程中可在标准的电焊条负极和电焊条正极之间切换，以调节焊接池内的热度。这样，可控制焊接池的热度而无需改变基准电流的大小。然而，应当理解，也可采用调节基准电流的大小。可通过调节负极电焊条焊接与正极电焊条焊接的比率，来控制焊接熔池的热度位于选定的温度下。

根据本发明的另一个和/或非限制的方面，焊接电路可被设计来补偿金属板间的沟槽或间隙的间隔变化。在本发明的一个非限制性的实施例中，在敷设初始的根部焊道过程中沟槽或间隙宽度的变化，可由可熔电焊条的瞬时凸出部分来确定。当焊接具有不同宽度间隙的开口的根部连接处时，如果沟槽或间隙的宽度过大，熔融金属池就会有穿过间隙下垂的倾向。这一物理现象导致金属丝的凸出增加。当凹槽或间隙较为狭窄时，初始的根部焊道不会渗透进入沟槽或间隙内，因而可熔电焊条的凸出部分是较少的。同样地，可熔焊条瞬时凸出部分的测量可用来测量焊接过程中金属板间的沟槽或间隙的相对尺寸的大小。凸出部分的尺寸可用于确定焊接池所需的温度变化。在本实施例的一个非限制的方面，当探测到沟槽或间隙的尺寸狭窄时，可增加焊接电流；而当探测到沟槽或间隙的尺寸宽时，可减小电流。在该实施例的另一个非限制性的方面，探测沟槽或间隙的尺寸可用来抑制或防止焊接熔池穿过沟槽或间隙下落。随着间隙的尺寸的增加，焊接熔池趋向于穿过间隙下落。该事件的开始可通过探测出电焊条凸出部分的增大来实现。该增加的凸出部分可用来通过减小可熔电焊条的焊接电流来降低焊接熔池的热量，从而使得焊接熔池温度的下降。熔池温度的降低又导致熔融金属部分或全部地凝固，从而抑制或阻止金属穿过间隙下落(例如，控制间隙背面的加强筋，而无需过度地累积)。当凹槽或间隙的宽度减小时，探测到的电焊条的凸出部分也减小，因为熔融金属穿过间隙的倾向也是减小的。因此，熔融焊接池开始在间隙的上方积聚，因而探测到凸出部分的减少。当探测到可熔电焊条的凸出部分减少时，焊接电路可设计为通过电流的增加来使熔融焊接池的热量增加。较热的熔池能导致熔池内的金属更好地渗透进入窄的间隙，以使金属板材的端部段沿着间隙深度更好地融合。通过增加或减小基准电流和/或等离子加速电流，可增大或减小通过可熔电焊条的电流。应当理解，也可采用其它电流。在本实施例的另一个和/或可变更的非限制性方面，可获得沟槽或间隙的宽度的轮廓。当采用蛇形(serpentine)或网状(weave)的焊接工艺时，在沿着间隙焊接的过程中，可熔电焊条跨着间隙横向移动，因而焊条随着可熔电焊条靠近形成连接的分流界面而延伸变化。当电焊头随着可熔电焊条在开口的根部焊接过程中横向移动时，凸出部分的测量结果可用来提供焊接头的位置信息。该沟槽或间隙轮廓信息(profile information)可用来控制一个或多个焊接参数(例如焊接电流、焊接头方向、支架的移动速度等)。焊嘴的移动速度也可以或者替代地由凸出部分的测定数据来控制。例如，当凸出部分变得太短时，可加快运行速度，而当凸出部分变得过长时，可减缓运行速度。可以理解，根部焊道的一个或多个特性可由其它的或者替代的方式测量(比如激光扫描、涡流分析等等)。根据本发明实施例的另一个和/或可替换的非限制性方面，可熔焊条的凸出部分的测量能够用于焊缝追踪。探测到的凸出部分的信息可被在焊件期间使焊接头向前或向后运动的机构利用。当电焊条凸出部分减小时，焊接头的外侧的位置可以被探测到。当焊接头移动到凹槽或间隙的外面部分时，凸出部分小。当可熔电焊条运动通过间隙时，电焊条凸出部分的长度一般将随与间隙外部区域的最短部分的长度变化。当可熔电焊条到达间隙的一边时，其反向朝间隙的另外一边移动。在此过程中，电焊条凸出部分通常将先增加然后减少。通过发出可熔电焊条或者焊接头的横向运动何时应当停止和/或反向的信号，采用凸出部分的信息可用于控制焊接头机构。该动作可用于产生在焊接操作过程中的焊接头的曲线或波形图，并允许接头跟踪。根据该实施例的还一个和/或替代的非限制性的方面，加到可熔电焊条的能量或热量可由可熔电焊条凸出部分的测量值来改变。同样的，当可熔电焊条在间隙内移动时，施加到可熔电焊条的能量或热量可以在间隙内选定的位置变化。例如，当在间隙内形成根部焊道时，金属板的几何形状可能使得在间隙内某一位置需要的热量或多或少。可熔电焊条的凸出部分的测量可用来改变或调节根部焊道形成期间的焊接能量或热量。根据本实施例的还一个和/或替代的非限制性的方面，测量出的可熔电焊条的凸出部分，可用来在一个焊道间进行焊缝追踪，因此焊接头的运动至少能部分地由间隙的路径控制。位于一条路径上的焊接头沿着间隙经过的路径可储存在存储器中。这样，随后的自动的或半自动焊接设备的焊通可以从储存的第一通道间隙信息中复制。可以理解，该存储信息可以部分地或完全地同各个通道保持更新。然而，这不是必须的。在该实施例的一个更进一步的和/或可替换的非限制性的方面，可熔电焊条的凸出部分可被快速测量，并可用于微处理器软件程序，以从查阅表、ROM、RAM、PROM数学运算器、其它的算法等中选择所需的电流波形。该信息用于将焊接电流调节至所需的水平，其由探测到的可熔电焊条的凸出部分来决定。

根据本发明的更进一步的和/或可替换的非限制性的方面，可熔的有芯焊条在芯部包括一种或多种合金金属，以使获得的焊道成分与被焊接在一起的一块或多块金属板的成分相类似，或者是被焊接在一起的一块或多块金属板所需要的成分。具有与一块或多块金属板的组分接近的成分的焊缝，一般会形成一条坚固、耐用、高质量的焊缝。包含一种或多种金属合金介质的金属护套的使用，可以用来促进形成焊缝的组分的设定，以使焊缝达到所要求的特性。然而，这不是必须的。在本发明的一个非限制性的实施例中，该金属套由中碳钢、低碳钢或不锈钢构成。可以理解，该金属护套也可由其它的金属构成。本发明的另一个和/或可替换的非限制性实施例中，金属有芯焊条包括小于1-2重量百分比的溶渣成型剂。可熔电焊条芯部的溶渣成型剂的低含量或消除，克服了根部焊道或其它后续的焊道形成过程中溶渣成型剂带来的相关问题。在该实施例的一个非限制性的方面，金属芯焊条包含少于0.5重量百分比的溶渣成型剂。在本发明的还一个和/或可替换的非限制性的实施例中，可熔电焊条的芯部中的合金金属介质大约占可熔电焊条的0.5-50重量百分比。在本实施例的一个非限制性的方面中，位于可熔电焊条芯部的金属合金介质大约占可熔电焊条的1-30重量百分比。在本发明的另一个和/或替换的非限制性的实施例中，金属有芯焊条的尺寸和/或金属有芯焊条金属护套的结构可选择为减小在焊接过程中电弧中心的电弧力。电弧中心电弧力的减小，减小了电焊弧迫使形成根部焊道的熔融金属穿过沟槽或间隙的趋势。位于金属有芯焊条外部区域的大量弧光电流的导向，可使得在电弧中心产生较小的电弧力和宽大的电弧尾部。电弧的宽大尾部可使得大量的可熔电焊条的熔融金属位于焊接间隙的肩部或边缘，与凹槽或间隙的中心相对，因而改善凹槽或间隙的填充，并能达到降低熔融金属被迫穿过凹槽或间隙的倾向。在该实施例的一个非限制性的方面中，用作形成间隙中根部焊道的可熔金属有芯焊条的直径至少约为0.03125英寸(0.7毫米)。在该实施例的另一个和/或可替换的非限制性的方面，用于形成间隙中根部焊道的可熔的金属有芯焊条的直径至少约为0.0625英寸(1.6毫米)。在该实施例的还一个和/或可替换的方面，可熔金属有芯焊条的直径尺寸与间隙宽度的尺寸比率至少为大约0.1:1。在该实施例的还一个和/或可替换的方面，可熔的金属有芯焊条的直径尺寸与间隙宽度的尺寸比至少为大约0.1-2:1。在该实施例的还一个和/或可替换的方面，可熔的金属有芯焊条的直径尺寸与间隙宽度的尺寸比至少为大约0.25-1.4:1。在该实施例的更进一步的和/或可替换的方面中，金属护套的壁厚与金属芯焊条的直径的比率小于大约0.9:1。通过选择某一金属护套的壁厚，能使得沿着可熔电焊条外部区域的电弧具有高电流密度，从而促进电弧的分散(例如使电弧的尾部增大)和减小电弧中心的力。在本实施例的还一个更进一步的和/或可替换的方面中，金属护套的壁厚与金属有芯焊条的直径的比率大约为0.2-0.8:1。

根据本发明的还一种和/或可替换的非限制性的方面，在根部焊道形成期间使用保护气体。该保护气体至少部分地用来使得熔融的焊接金属与大气中的有害元素和/或化合物隔离。在本发明的一个非限制性的实施例中，该保护气体包括二氧化碳、氩气、氦和/或其它的惰性气体或基本上呈惰性的气体。该保护气体也可包括氧气。在本实施例的一个方面中，该保护气体包括大多数的二氧化碳。在本实施例的另一个和/或可替换的方面中，保护气体包括大多数的二氧化碳和氩气。在本实施例的还一个和/或可替换的方面中，保护气体包括按体积比计算的10-30％的二氧化碳和60-90％的氩气。

本发明的一个非限制性的目的是，提供一种用于在由一块或多块金属板形成的间隙中形成高质量的焊缝的短路电弧焊系统和方法。

本发明的另一个和/或可替换的非限制性的目的是，提供一种用金属有芯焊条在由一块或多块金属板形成的间隙中形成高质量的焊缝的短路电弧焊系统和方法。

本发明的还一个和/或可替换的非限制性的目的是，提供这样一种短路电弧焊系统和方法，其向电焊条施加大小被控制的能量，以在一块或多块金属板之间形成的间隙中形式焊缝，从而不用在间隙中累积过多的焊接金属就能控制间隙的背部加强层。

本发明的另一个和/或可替换的非限制性的目的是，提供这样一种短路电弧焊系统和方法，其用金属有芯焊条产生出根部焊道，该根部焊道具有与被焊接的一块或多块金属板的组分基本上相类似的组分。

本领域技术人员在阅读了下述描述及附图之后，上述或其它的优点将显而易见。

附图说明

现在参照附图，该附图说明了本发明可能包括的外观结构的实施例，其中：

图1是局部放大视图，示出了两块金属板端部之间的间隙和位于该间隙位置的形成根部焊道的金属有芯焊条；

图2是图1所示的焊枪嘴部和有芯焊条的、沿线2-2的横断面视图；

图3是金属有芯焊条沿着两块金属板之间的开口的根部运动穿过焊炬的局部放大视图；

图4是与图3类似的视图，其示出了在短路状态下的金属有芯焊条的金属状态转化；

图5是能够应用于本发明的STT焊接机的简图；

图6是本发明可以应用的一种电流波形的图例；

图7是一个将两块板材焊接在一起设置的非限制性的图例；和，

图8是图7所示两块金属板接头结构的非限制性说明。

具体实施方式

本发明涉及一种将一块或多块金属板的端部焊接在一起的装置及方法，例如但不是局限于两块大体平面的金属板，在金属板边缘开口的根部，通过利用金属有芯可熔化焊条与一短路焊接过程结合，例如但不局限于STT焊接过程。STT焊接过程用于在两块大体平面的金属板或两管段边缘之间的开口的根部形成一根部焊道。具体通过参考利用STT焊接过程来对本发明进行描述。然而，可以理解，本发明中的装置和方法并不局限于焊接大体平面的金属板和管段。实际上，本发明中的方法和装置可用于形成根部焊道，并且如果需要部分或全部地填满在其他的金属物体(例如但不局限于，沿着管道纵向长度的管接缝，等等)边缘之间的间隙。

下面参照附图，图中所示仅仅为了对本发明一个非限制的实施例进行说明，而不是对本发明进行限制，图5示出了连接到直流电源的短路过渡电弧焊系统。短路过渡电弧焊的优选类型是表面张力传递(SURFACE TENSIONTRANSFER)或STT型的焊接。美国专利4,972,064、5,001,326、5,742,029、6,160,241、6,215,100号公开了适合这种焊接的焊接电路和控制装置，这些专利在此并入本文。因此，下面所描述的仅仅对焊接电路作一般的讨论。

图6示出了STT焊接机100产生出的波形的大体形状。STT焊接机使用降频切波器或图示中带有正极110和负极112的直流电输入连线的高速开关转换器102。在本领域中，STT焊接机或电源通常由马达发电机驱动。然而，这不是必须的。当使用马达时，马达(例如煤气机)驱动发电机产生交流电。然后交流电通过整流器转化为直流电。通常使用相位补偿器来控制整流器，以产生稳定的直流电。为简单起见，如图5所示的整流器120的输入端为三相输入电源122。

STT焊接机的输出端130用来熔化和沉积在电动机134的作用下从卷轴132向两块金属板12、14之间的开口的根部20移动的金属有芯焊条或焊丝40，电动机134以给定的速度被驱动，以控制焊丝的速率。按照标准的STT操作规程，在输出端130上设置有较小的感应器140，而续流二极管142用于使输出的焊接工序稳定地跟随波形。如图6所示的波形W由位于换流器102上的控制线150的电压所控制。输入端或控制线具有由脉宽调制器152的输出端确定的电压，脉宽调制器152由振荡器160以超过16KHz的频率操控。通常，联线150的脉冲强度基本上是大于20kHz的。这样，换流器102高速地输出由振荡器160产生的快速更替的电流脉冲。脉宽调制器152确定从换流器102到输出端130的各电流脉冲的宽度。按照标准STT的操作，波形W由控制电路200确定。脉冲的形状由控制电路控制，从而通过输出端子130产生出与直流电一致的所需脉冲。正如可以理解，电源不必是整流输出，也可以是其它适合的直流电源。美国专利NO.5,742,029中的图10大体示出了这个标准操作规程，该专利在此合并作为参考。波形控制电路200具有输出端，该输出端的电压与线202的电压比较，其反馈电压表示穿过金属有芯焊条40的电弧电流。表示电弧电压的电压是由传感器204产生，传感器204由旁路206接收电流信息。

本发明中使用的波形W是当金属有芯焊条在金属板12和14之间熔化并沉积时的单个焊接循环的连续重复。根据STT技术，波形W包括短路部分，短路部分包括金属传递短路脉冲210。如果金属在传递时被电力地颈缩，然后破裂，则金属传递短路脉冲210的电流是降低的。破裂或“融合”之后，波形W转变成为电弧或等离子部分，电弧或等离子部分包括等离子加速或具有被控制的最大电流220a的峰值电流220、脱尾部分或衰减部分222和基准部分224。提供基准电流以用来维持电弧，直到下一个位于点226处的短路，这时金属有芯焊条40上的熔融金属球靠近金属板12、14或靠近填充开口的根部20的焊缝B。因此，金属板12、14的焊接是通过金属有芯焊条40在靠近金属板12、14时的短路状态和金属有芯焊条40离开金属板12、14时的电弧焊状态切换完成的。在电弧状态期间，金属板12、14和金属有芯焊条40之间产生电弧，以在为后续短路状态而向金属板供给焊条时，使焊条根部熔化并保持熔融状态。这类焊接循环在图6中作了示意说明。电流波形的等离子加速(plasmaboost)或峰值电流部分影响焊接过程中的电弧长度和金属板之间的焊缝形状。电流波形的基准电流可用于控制焊接过程中的热输入以及控制根部焊道的焊缝形状。

在等离子加速或峰值电流状态期间，通常产生并保持一电弧以完成平滑和有效的焊接。焊接循环每秒重复多次，其能够被精确地控制，以减少多次焊接循环过程中的飞溅。脉宽调制器152以由控制电路200确定的连续电流脉冲宽度的高频运转。由于反馈控制系统在焊接循环需要更多的电流，在下一个脉冲从脉宽调制器152发出期间，一高压出现在脉宽调制器152的线上(appear ona line)，以产生宽脉冲。因此，焊接循环所需的电流每秒快速更换数次。因为焊接循环的最高速率是通常大约100到400个循环每秒，所以在每个焊接循环期间产生许多更新的脉冲。

参考图1和图2，金属板部分12、14分别具有包含斜面16、18的边缘，该斜面在金属板部分之间形成间隙G。不是必须采用斜面。当采用斜面时，由两表面形成的斜角角度通常大约为10-90°。然而，也可采用其他大小的角度。在一个具体实施例中，每个斜角大约为25°，从而由两个表面形成一个累加的斜角角度，大约为50°。金属板的边缘彼此分开，因此在金属板的边缘之间存在一间隙G。通常，间隙的宽度大约为1-5mm。形成金属板的金属的厚度为至少大约2mm，典型地大约是4-20mm，更加典型地大约是4-12mm。然而，也可采用其他大小的厚度。金属板的边缘被定位并固定在一起，通常用夹具固定，直到至少根部焊道被施加至金属板边缘的间隙上，从而填满间隙G。金属板截面的边缘的偏移量一般小于大约±1mm。接地的金属板17与金属板截面接合，以完成位于电焊条40和金属板截面之间的电弧电路。电焊条40由焊条端部30导入至两块金属板之间的间隙内。在焊接循环期间，电焊条40通过焊条端部30被进给，从而将焊条端部熔融的金属传送到金属板截面之间的间隙内，以形成根部焊道。

参考图2，电焊条40是可熔的有芯焊条，其包括外面的金属护套42和焊条芯44。金属护套42通常由碳钢、不锈钢或其它种类金属或金属合金制成。金属护套可选用与金属板截面的基底金属成分类似的成分。然而，这不是必须的。通常，金属护套由中碳钢构成，电焊条的组分通过在电焊条芯部的填充物调整。电焊条44包括合金金属46和少量的熔渣成型剂。电焊条44内的合金金属通常用平均粒度大约小于100网孔的金属粉末构成。合金的重量百分数通常大约是电焊条总重量的10-60重量百分比。合金添加剂通常这样选择，使得合金添加剂与金属护套42的成分结合形成基本上具有与金属板12、14的组分相类似的成份的焊道，和/或形成具有特殊机械性能以应用于特殊用途的焊道。

通常，电焊条包括小于电焊丝总重量大约0.5重量百分比的熔渣成型剂。电焊条44没有或基本没有熔渣成型剂会导致根部焊道的表面成形有少量的熔渣。当根部焊道形成后，焊接金属的附加层通常用来填充金属板截面之间的间隙，并完成金属板截面的焊接过程。根部焊道表面上存在的熔渣可影响后续形成的焊道与根部焊道的粘结，从而对金属板截面之间形成的焊缝的性质产生不利的影响。位于焊接金属层之间的熔渣通常被称为夹杂物。同样地，应用熔渣成型剂和/或包含溶渣成型剂的电焊条会留下熔渣，熔渣必须在随后的焊接金属层被施加至填充间隙前被清除。熔渣清理程序是耗时和费力的，并且使得焊接金属填满间隙的完成明显延迟。金属有芯焊条的使用，通过在根部焊道形成具有少量熔渣(如果有的话)的根部焊道，而消除了熔渣清除问题。这样，随后的焊接金属层可直接应用于根部焊道，而无须先进行清洁。

金属有芯焊条能够应用于STT和其它的气体保护金属极弧焊(GMAW)焊接加工(例如直流电脉冲焊接、短路焊接、直流电焊接、交流电焊接等等)。通常，STT焊接过程用来形成根部焊道，而其它的GMAW焊接加工(例如脉冲喷粉熔镀等等)用来形成后续的焊接层，直至金属板截面之间的间隙被填满。可以理解的是，STT焊接过程可用于完全地填满间隙。使用单根电焊条既形成根部焊道又填满间隙减少了完成金属板截面焊接所需的时间，消除了针对不同部分的焊接过程采用不同种类电焊条的必要，在间隙形成焊道的整个过程中保持焊接材料组分的均匀，和/或使得焊接过程能够采用单根焊条而完全地自动化。

在焊接过程中，采用保护气体使熔融焊接金属与空气隔离。该保护气体通常包括二氧化碳和氩气的化合物。在非限制性的混合气体中，保护气体包含大约18-20％体积的二氧化碳和大约80-82％体积的氩气。一般使用氩气混合物，在形成根部焊道的过程中需要较小的电流，从而减小形成根部焊道的焊接熔池的热量。可以理解的是，当将随后的焊接金属层应用到根部焊道时，可以改变保护气体的成分。然而，这不是必须的。

现在参照图3-6，其示意性示出了本发明的一个非限制性实施例的操作。图6示出了产生低飞溅并抑制或阻碍形成根部焊道的焊接金属穿透(passthrough)间隙G的理想的电流轮廓(current profile)。该电流轮廓分为收缩部分、等离子加速或峰值电流部分、等离子部分和维持电弧的基值部分。在图6示出的电流轮廓中，收缩部分210包括预警电路操作点212。电流轮廓的等离子加速或峰值电流部分220包括下降或称为等离子部分的脱尾部分222。等离子加速或峰值电流部分是在衰退部分之前的恒定电流部分，其对飞溅控制系统的操作尤为重要。但是，衰减部分222可认为是等离子加速或峰值电流部分的结束或等离子部分的开始。在衰减部分222之后，电流控制电路切换至维持等离子或电弧的基准电流电位(background current level)224。按照本发明，电流控制电路维持预定的基准电流电位，从而防止电流电位从低于预定的低强度电流电位穿过电弧，并允许电弧熄灭。基准电流可被相关的一个或多个变量控制，例如但是不局限于，功率、焦耳、倾斜的电压/电流(V/I)特性等等。

在根部焊道形成过程中，电流控制电路被设计为产生出焊接循环的等离子加速或峰值电流部分和等离子弧部分所有的电焊条熔料。当位于基准电流电位时，可熔化的电焊条40的一般不会发生更进一步的熔化，因为可熔化的电焊条所必需的红外线(IR)是不能通过仅仅由基准电流维持的电弧来获得的。因而，基准电流主要用来维持电弧和在熔融状态的熔融金属的熔球。通过等离子加速或峰值电流部分和等离子弧部分形成的、位于可熔电焊条40端部的熔融金属，其数量被选择为熔融位于电焊条端部的预定体积的金属，并且一旦获得预定的体积，电流的等离子弧部分就减小到基准电流。等离子加速或峰值电流和/或等离子部分的持续时间也可选择为防止金属板部分12、14之间的间隙G周围的金属发生不必要的熔化。上述可熔化的电焊条的过度熔化可导致焊接金属通过间隙G完全地渗出。在电流的等离子阶段，在可熔电焊条的端部形成熔融金属球的过程中，强电流的推力(jet force)阻止熔融金属进入图3所示的焊接熔池，直至电焊条的端部积聚有预定数量的熔融金属。一旦电流减弱，则允许熔融金属形成球状，并允许间隙G中的熔融金属趋于稳定，从而使得大体球形的球和平静的焊接金属池之间平滑地接触。在焊接循环的等离子阶段，可通过确定输入电焊条的电流、能量或瓦特数的预定量而控制电焊条端部所需要的熔融金属的量。然而，这不是必须的。在电焊条端部形成熔融金属球的全部时间内，保护气体被引导至熔融金属周围的区域，从而使熔融球和位于间隙G内的焊接金属与空气隔离。通常，保护气体被使用至熔融球被转化为间隙G内的熔融金属，更典型地，保护气体的使用贯穿整个焊接过程。通过使用金属有芯焊条，朝向间隙中心的电流密度减小。固体金属护套充当弧光电流的导线，从而使有芯焊条外部区域的电流密度增加。通过集中金属护套上的弧光电流，使得焊接电弧的尾部(broom)增大，从而引导更多的电流至间隙边缘。间隙G中部电弧力的减小降低了弧光电流推动熔融焊接金属完全地穿过间隙的程度(incidence)。增大的焊接电弧的尾部范围也使得间隙边缘的湿度改善，从而提高从根部焊道到金属板截面边缘的熔透能力。在一个非限制性的焊接结构中，用来在间隙中形成焊道的可熔的金属有芯焊条直径最小为大约0.0625英寸(1.6毫米)，并且可熔金属有芯焊条与间隙宽度的比率为0.25-1.4:1，金属护套的壁厚与金属有芯焊条直径的比值大约为0.25-0.75:1。

一旦在焊接循环的等离子加速或峰值电流和等离子阶段形成熔融金属球，则熔融金属球由可熔电焊条输送至焊接熔池内，从而形成短路状态。当熔融金属球靠近熔融金属池时，使用STT短路过程的输出电流是增加的。该短路过程使电焊条熔融的熔滴收缩。先占电路212预测(predict)短路的解除，并将输出电流减小到较低水平。该短路的预测至少能部分根据dr/dt(＂r＂是电焊条的电阻)、dp/dt、di/dt和/或dv/dt，以指示收缩循环中即将中断的短路。表面张力使熔滴完成从电焊条到焊接熔池的转变，并且电焊弧在时间t₂和t₃之间重新点燃。因为短路以小电流中断电焊弧，因此实际上已消除飞溅。

总体而言，本发明涉及金属有芯焊条的使用，金属有芯焊条应用于短路焊接机(例如STT)，以焊接开口的根部焊接的根部通道。按照本发明的开口的根部焊接的应用可用于大型装配或焊接件中。该部分包括重型板材装配工厂到管路焊接公司。本发明涉及一种为倾斜的开口的根部从其一侧形成全焊透的根部焊道的装置和方法。本发明的另一个非限制性的应用是为双侧接头的第一焊道形成根部焊道。通过采用本发明的焊接过程和结构，形成根部焊道后的背部刨槽可被消除。现有技术中公认的全焊透斜角对焊工艺通常包括多个处理步骤，比如使用衬底材料(例如垫板等)和/或当根部焊道正在工作时使用焊剂挡板支撑间隙背面。在许多情况下，一旦最初的焊道已完成，则金属板必须翻转或转到背部刨槽，或者修理由最初的焊道形成的焊缝的相反边。一旦背部刨槽完成，则执行附加的焊道，以保证适当的熔透性和背面焊道的存在。本发明的方法和装置是这样一个过程：从开口的根部接头的开口倾斜侧形成根部焊道，同时建立增强的背面焊道。单个步骤处理被设计为消除在形成根部焊道过程中多步骤操作所带来的材料和时间的损耗。从一侧进行焊接也消除了为保证全焊透而对重板材翻转或执行背面焊道刨槽技术的需要。此外，该焊接过程还消除了使用焊缝衬背装置(例如背垫条或类似的衬背装置)的必要。在某些焊接操作中，金属板不能翻转。在其它的焊接操作(例如管道焊接)中，管道尺寸太小而不便使用垫板和/或不能提供至焊道相反边提供的通道。本发明的焊接方法和装置可用于实现从工件接头的倾斜侧开始焊接操作，以及用于形成外壁穿透至最接近的焊根区，同时建立加强的背面顶端头。该焊接方法和装置可在金属板背面产生更平滑的焊缝。保护气体例如二氧化碳和氩气的混合物和ExxC-XX电焊条(例如E70C6M等等)结合使用，或者类似的可熔金属有芯焊条可以用来形成根据本发明的根部焊道。可以理解，也可使用其它的保护气体和/或其它类型的金属有芯焊条成分。本发明的焊接方法和装置能够在各种焊接角度下(例如垂直向上的、垂直向下的等等)对开口的根部形成焊缝。

在本发明所述焊接方法和装置的一个非限制性的实施例中，图7和8示出了在两块金属板之间开口的根部焊接的形成过程。图7示出了在开口的根部焊接结构中，使用焊接夹具300夹持两块有斜度的钢板W。板材被这样定位，使得两块板材都与垂直方向成30度角或与水平方向成120度角(即β角)。可以理解，也可采用其它的倾斜角。金属板被定位为使得板材的排列在大约±1毫米范围内。可以理解，也可采用其它的板材排列参数。金属板是具有大约10mm厚度的碳钢板，如图8中的b所示。金属板也彼此间隔大约1-5mm，如图8中的a所示。可以理解，也可采用其它的金属板厚度、其它的金属板间隔和/或成分(例如不锈钢、低碳钢、各种合金钢等)。同样可以理解的是，两块金属板的厚度可以相同也可不同。斜角的角度大约为50°，如图8中的角度θ所示。可以理解的是，也可采用其它的角度。如图8所示，斜角不包括槽脊(land)。可以理解，也可采用其它的角度或没有斜角。还可以理解的是，间隙还可以包括槽脊。焊枪T用于形成焊缝。在其中一个非限制性的结构特征中，一个Fanuc LR-Mate 200iL机器人焊机装备有林肯电源波455/STT电源，林肯电力输送10R送丝器被用来向可熔的金属有芯焊条提供焊接能量和将电焊条移动至金属板之间的开口的根部部分。可以理解的是，也可采用其它类型的短路焊接和/或送丝器。焊枪T被放置为相对于金属板W成大约100°，如角α所示。可以理解，也可采用其它的角度。同样可以理解，也可采用其它的机械运动系统，和/或采用半自动的机构(例如封口机、侧梁、刮管器、带材装置其它类型的机械手等等)形成根部焊道。用于形成根部焊道的金属有芯焊条是1/16英寸的林肯金属防护MC-706，其包括基本上没有溶渣的焊接型材。可以理解，也可采用其它类型的、具有微量或没有熔渣的可熔的金属有芯焊条。在焊接过程中使用的保护气体是大约占82％体积的氩气和大约占18％体积的二氧化碳。可以理解，也可采用其它比例的气体混合物和/或其它附加的保护气体。下面的表A阐述了在间隙尺寸范围是1-5mm内时能够成功形成根部焊道使用的焊接工艺参数。可以理解的是，其它的间隙宽度也适用。也可以理解的是，其他的焊接工艺参数也可以用来形成合格的根部焊道。

表A

根据上述可以确定，成功的根部焊道是在变化的移动速度和不同的间隙宽度和板材定位上形成的。成型的根部焊道展示出了好的焊缝外观和背面焊道加强层。成型的根部焊道还具有好的渗透轮廓(penetration profile)。

从而可以看出，前述目的、包括那些在先的描述中可以显而易见得出的目的能被有效地实现，并且由于可对上述结构中进行某些改变而不脱离本发明的精神和范围，这意味着，前述描述和附图中示出的所有内容应被解释示例性的而不是限制的。已采用上述最优实施方式对本发明作了说明。在阅读并理解了本文提供的关于本发明的详细描述后，修改和变动对本领域技术人员是显而易见的。本发明包括所有的在本发明保护范围内的修改和变动。同样应该理解的是，下述权利要求书意欲覆盖本文描述的所有的本发明的普通或特殊技术特征。所有对本发明范围的陈述，由于语言的关系，难免会从中遗漏。

Claims (69)

1.一种在至少一个工件端部间隔的间隙中形成根部焊道的方法，所述间隙包括开口的根部，所述方法包括：

a)选择金属有芯焊条，所述金属有芯焊条包括金属护套和芯部材料，所述芯部材料包括小于过半数重量百分比的熔渣成型剂；

b)使所述金属有芯焊条以给定的送丝速率向所述开口的根部前进，以通过至少部分地填满在第一焊道的所述开口的根部而将所述端部焊接在一起；

c)以控制的短路波形产生焊接电流，所述短路波形包括连续的焊接循环，每个循环具有短路部分和等离子电弧部分；

d)当所述焊接电流通过所述金属有芯焊条，以使其熔化时，使所述金属有芯焊条沿着所述开口的根部移动，并将熔融的金属有芯焊条输送至所述开口的根部内的所述端部，以形成根部焊道，所述根部焊道具有含有少量熔渣或不含熔渣的上表面；以及，

e)使用保护气体，以至少部分地使所述开口的根部内的熔融金属与空气隔离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口的根部由两个管件的相间隔的端部形成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口的根部由两块金属板的相间隔的端部形成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述使选定的金属有芯焊条前进的步骤，基本上填满了在所述第一焊接通道中的开口的根部。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述使选定的金属有芯焊条前进的步骤，基本上填满了在所述第一焊接通道中的开口的根部。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述使选定的金属有芯焊条前进的所述步骤，基本上填满了在所述第一焊接通道中的开口的根部。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子电弧部分包括等离子加速环节和基准电流环节。

8.根据权利要求1所述的方法，包括在所述开口的根部至少部分地被填满后，在所述间隙内敷设至少一个焊接金属的附加层的步骤。

9.根据权利要求5所述的方法，包括在所述开口的根部至少部分地被填满后，在所述间隙内敷设至少一个焊接金属的附加层的步骤。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，包括在所述开口的根部至少部分地被填满后，在所述间隙内敷设至少一个焊接金属的附加层的步骤。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形，与用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的波形不同。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形，与用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的波形不同。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形，与用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的波形不同。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的所述波形包括STT波形，而用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形不是STT波形。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的所述波形包括STT波形，而用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形不是STT波形。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，用于在第一焊道中至少部分地填满所述开口的根部的所述电流的所述波形包括STT波形，而用于在所述间隙中敷设至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形不是STT波形。

17.根据权利要求8所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个焊接金属的附加层的可熔金属有芯焊条与用于至少部分地填满所述开口的根部的可熔金属有芯焊条相同。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个焊接金属的附加层的可熔金属有芯焊条与用于至少部分地填满所述开口的根部的可熔金属有芯焊条相同。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个焊接金属的附加层的可熔金属有芯焊条与用于至少部分地填满所述开口的根部的可熔金属有芯焊条相同。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯部材料包括重量小于所述电焊条总重量的大约2重量百分比的熔渣成型剂。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述芯部材料包括重量小于所述电焊条总重量的大约2重量百分比的熔渣成型剂。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述芯部材料包括重量小于所述电焊条总重量的大约2重量百分比的熔渣成型剂。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述芯部材料包括重量小于所述电焊条总重量的大约1重量百分比的熔渣成型剂。。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述芯部材料包括重量小于所述电焊条总重量的大约0.5重量百分比的熔渣成型剂。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述芯部材料基本上不含有熔渣成型剂。

26.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护气体包括二氧化碳、氩气、氦气、氧气或这些气体的化合物。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述保护气体包括大约10-30重量百分比的二氧化碳和大约60-90重量百分比的氩气。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述保护气体包括大约18-20重量百分比的二氧化碳和大约80-82重量百分比的氩气。

29.根据权利要求21所述的方法，其中，所述保护气体包括大约10-30重量百分比的二氧化碳和大约60-90重量百分比的氩气。

30.根据权利要求22所述的方法，其中，所述保护气体包括大约10-30重量百分比的二氧化碳和大约60-90重量百分比的氩气。

31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯部材料包括大约0.5-50重量百分比的合金元素。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述芯部材料包括大约1-30重量百分比的合金元素。

33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述芯部材料包括大约1-30重量百分比的合金元素。

34.根据权利要求30所述的方法，其中，所述芯部材料包括大约1-30重量百分比的合金元素。

35.根据权利要求1所述的方法，包括利用校准装置使所述相间隔的端部对准的步骤，所述相间隔的端部的所述边缘的偏移量小于大约±5mm。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述相间隔的端部的所述边缘的偏移量达到大约±4mm。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述相间隔的端部的所述边缘的偏移量达到大约±2mm。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述相间隔的端部的所述边缘的偏移量达到大约±1mm。

39.根据权利要求33所述的方法，其中，所述相间隔的端部的所述边缘的偏移量达到大约±1mm。

40.根据权利要求35所述的方法，其中，所述相间隔的端部所述边缘的偏移量达到大约±1mm。

41.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成至少约为0.5mm的所述开口的根部。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成至少约为0.7mm的所述开口的根部。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成至少约为1mm的所述开口的根部。

44.根据权利要求41所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成至少约为10mm的所述开口的根部。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成达到大约为5mm的所述开口的根部。

46.根据权利要求37所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成0.7-5mm的所述开口的根部。

47.根据权利要求40所述的方法，其中，所述相间隔的端部形成0.7-5mm的所述开口的根部。

48.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属有芯焊条是ExxC-XX电焊条。

49.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.1:1。

50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.1-2:1。

51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.25-1.4:1。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.25-0.75:1。

53.根据权利要求46所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.25-1.4:1。

54.根据权利要求47所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的直径与所述开口的根部的所述间隙宽度的尺寸比率为至少大约0.25-1.4:1。

55.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的金属护套的厚度与所述金属有芯焊条的直径的尺寸比率小于大约0.9:1。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的金属护套的厚度与所述金属有芯焊条的直径的尺寸比率大约为0.2-0.8:1。

57.根据权利要求53所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的金属护套的厚度与所述金属有芯焊条的直径的尺寸比率大约为0.2-0.8:1。

58.根据权利要求54所述的方法，其中，所述金属有芯焊条的金属护套的厚度与所述金属有芯焊条的直径的尺寸比率大约为0.2-0.8:1。

59.根据权利要求1所述的方法，其中，所述送丝速率是可变的。

60.根据权利要求57所述的方法，其中，所述送丝速率是可变的。

61.根据权利要求58所述的方法，其中，所述送丝速率是可变的。

62.一种在至少一个工件端部间隔的间隙中形成根部焊道的方法，所述间隙包括开口的根部，所述方法包括：

a)选择金属有芯焊条，所述金属有芯焊条包括金属护套和芯部材料，所述芯部材料包括小于所述焊条总重量0.5重量百分比的熔渣成型剂，所述金属有芯焊条具有这样的尺寸：其直径与所述开口的根部的所述间隙的宽度的尺寸比率大约为0.1-2:1；

b)使所述金属有芯焊条以给定的送丝速率向所述开口的根部前进，以通过基本上填满第一焊道的所述开口的根部，而将所述端部焊接在一起，所述开口的根部具有尺寸大约为1-6mm的间隙，所述相间隔的端部偏移量至少约为±3mm；

c)产生一个包括STT波形的焊接电流；

d)当所述焊接电流通过所述金属有芯焊条，以使其熔化时，使所述金属有芯焊条沿着所述开口的根部移动，并将可熔的金属有芯焊条输送至所述开口的根部内的所述端部，以形成根部焊道，所述根部焊道具有含有少量熔渣或不含熔渣的上表面；以及，

e)使用保护气体，以至少部分地使所述开口的根部内的熔融金属与空气隔离，所述保护气体包括氩气、二氧化碳、氦气、氧气或这些气体的化合物。

63.根据权利要求62所述的方法，其中，包括在所述开口的根部基本上被填满后，在所述间隙内敷设至少一个焊接金属的附加层的步骤。

64.根据权利要求63所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷至少一个附加焊接金属层的所述电流的所述波形，与用于基本上填满第一焊道中的所述开口的根部的所述电流的波形不同。

65.根据权利要求64所述的方法，其中，用于在所述间隙内敷设至少一个焊接金属的附加层的电流的所述波形不是STT波形。

66.根据权利要求65所述的方法，其中，用于在所述间隙中敷设至少一个焊接金属的附加层的可熔金属有芯焊条与用于至少部分地填满所述开口的根部的可熔的金属有芯焊条相同。

67.根据权利要求62所述的方法，其中，所述送丝速率是可变的。

68.根据权利要求66所述的方法，其中，所述送丝速率是可变的。

69.一种在至少一个工件端部相间隔的端部的间隙中形成根部焊道的设备，所述间隙包括开口的根部，所述设备包括：

a)金属有芯焊条，包括金属护套和芯部材料，所述芯部材料包括小于所述焊条总重量的0.5重量百分比的熔渣成型剂，所述金属有芯焊条具有这样的尺寸比例：其直径与所述开口的根部的所述间隙的宽度尺寸的比率大约为0.1-2:1；

b)送丝器，用于使所述金属有芯焊条以给定的送丝速率向所述开口的根部运动，以通过至少部分地填满在第一焊道的所述开口的根部而将所述端部焊接在一起，所述开口的根部具有尺寸大约为1-6mm的间隙，所述间隔的端部的偏移量至少约为±3mm；

c)电源和用于产生包括STT波形的焊接电流的焊接电路；

d)机械的传送机构，其用来当所述焊接电流通过所述金属有芯焊条以熔化金属有芯焊条时，使焊枪和所述金属有芯焊条沿着所述开口的根部移动，并将可熔的金属有芯焊条输送至所述开口的根部内的所述端部，以形成根部焊道，所述根部焊道具有含有少量熔渣或不含熔渣的上表面；以及，

e)保护气体，用于至少部分地使开口的根部内的熔融金属与空气隔离，所述保护气体包括氩气、二氧化碳、氦气、氧气或这些气体的化合物。

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