CN101687270B - 焊接方法与焊接设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用短弧焊接工艺和自保护焊条环缝焊接高强度材料的焊接系统和方法，包括环缝焊接液化天然气储存罐。所述焊接系统包括向被焊接工件送进自保护焊条的焊接设备，并且控制所述设备的电弧长度和操作，使焊缝满足焊接至少是美国石油研究院X-80级的管线管的要求，或者可以焊接液化天然气储存罐。所述系统还包括具有控制器的电源，用来形成将电能引到焊条内来熔化自保护焊条的端部的电流脉冲，以及在所述熔化脉冲结束之后的低电流静态金属转移区段，在该区段期间，熔化的焊条与所述工件接触而短路。

Description

焊接方法与焊接设备
本申请要求2007年5月23日提交的序列号为11/752,433的美国申请的优先权，所述申请是2006年5月8日提交的序列号为11/382,084的美国申请的部分继续申请，其全部公开通过引用并入本文，该序列号为11/382,084的美国申请是2004年4月29日提交的序列号为10/834,141的美国申请的部分继续申请；2004年10月6日提交的序列号为10/959,587的美国申请的部分继续申请；2005年10月31日提交的序列号为11/263,064的美国申请的部分继续申请；以及2006年1月20日提交的序列号为11/336,506的美国申请的部分继续申请，所述这些申请的全部公开也都通过引用并入本文。 
发明领域
本发明涉及电弧焊接技术，更具体地涉及用于焊接液化天然气(“LNG”)储存罐的改进的短弧焊接系统，利用自保护焊剂芯弧焊(FCAW-S)焊条焊接LNG储存罐的方法，以及焊条的组合物。 
背景 
当前，还不存在用无气或自保护焊接工艺对高强度管和管道进行半自动沿周缘焊接的商品化的解决方案或方法。这是由于用于无气或自保护焊接应用的传统工艺在高强度焊接应用方面具有固有的限制。 
在使用无气或自保护焊接焊条时，焊条中用到了各种化学物质来与大气中的氧和氮反应，以将氧和氮排斥在焊缝之外。这些化学物质所用的量要能充分防止氧或氮损害焊接质量。但是，虽然这些化学物质(例如钛和铝)使焊缝更坚固，但也具有导致焊缝脆化的不利影响。这种脆性妨碍了无气或自保护焊接方法被用于许多高强度焊接应用，例如管道焊接，在管道焊接中通常要求焊接强度能足以满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求，或更高的要求。 
进一步地，虽然存在使用气体保护焊接方法来满足这些焊接要求的一些方法，但这些方法同样具有使它们难以合乎要求的缺点。也即，使用气体保护方法来焊接高强度管和管道(连同其他应用)的现行方法和系统需要昂贵和费时的装备来保护焊接区域不受大气和各种元素的影响。在管道应用中尤其如此，在管道应用中焊接常常是在户外苛刻的环境条件下发生的。 
此外，在液化天然气(LNG)储存罐领域，当前还不存在使用能高效率并有效地满足焊接LNG储存罐所需的严格要求的半自动无气工艺的商品化系统或方法。 
由于人们对使用天然气(甲烷)作为能源的兴趣日益增多，与天然气相关的储存和配送工业逐渐发展起来。为了储存的目的，以天然气的液态(即，“液化天然气”或“LNG”)储存天然气最为有效(从容量角度)。然而，天然气的液化温度为大约-163℃。由于此点，储存罐使用的材料必须在这些温度下既有延展性又能抗破裂。此外，这种材料具有高强度是有好处的，以便降低总壁厚并防止在焊接过程期间发生脆性破裂。 
5％和9％镍的钢均已经被用于和正在被用于构建LNG储存罐，这是由于这种钢具有针对该特定应用有益的属性。由于关于LNG储存罐的安全考虑和安全要求，对这些材料的焊接是非常关键的，因为要做到符合许许多多的标准。此外，由于钢基(base steel)的材料特性，优选用AC焊接来防止导致电弧磁偏吹(转而又导致焊接缺陷)的磁效应。AC焊接的使用根据本发明的实施方案来实现，这将在下面以更多的细节讨论。到目前为止，只有DC焊接正在被用于焊接LNG储存罐。因为只有某些类型的焊接对于焊接LNG储存罐是有效的，并且当前这些方法中的每一种均存在不足。 
在焊接LNG储存罐中，当以2G位置焊接时，已经典型地采用埋弧焊(SAW)。然而，非2G位置焊接时，SAW不能被有效地使用。对于焊位不当(out-of-position)的焊接已经使用保护的金属极电弧焊(手工电弧焊)(SMAW)，但是SMAW要求高技能水平并且在焊接时引起大量缺陷，导致昂贵且费时的重焊(re-weld)。此外，由于SMAW使用“手工焊条(stick electrode)”，焊接中的连续性可能遭损害。 
用于LNG储存罐的另外类型的焊接是气体保护金属极电弧焊(GMAC)和气体保护钨极电弧焊(GTAC)。然而，由于这些方法中的每一种都使用气体保护，这些选择不适合用于户外或与其相冲突的环境并且这些选择是昂贵且无效率的选择。 
通过引用并入的内容
本发明涉及使用短弧焊接工艺，所述短弧焊接工艺采用自保护带芯焊条(self-shieldingcored electrode)，所述自保护带芯焊条能满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求或更高的要求，以及满足用于焊接LNG储存罐的要求。在将所述焊接工艺与本发明的焊剂芯焊条(flux cored electrode)相结合时，存在一种协同关系。因此，本发明将控制能量输入与沉积的焊接金属的微结构控制结合到一起，来实现(achieve)高强度和韧度。具体地，本发明的示例性实施方案可以实现超过550MPa的抗屈强度和690MPa的抗张强度，以及在-20℃大于60焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度。在本发明可以用来焊接LNG储存罐的另一示例性实施方案中，抗屈强度为至少430MPa，抗张强度为至少690MPa，并且夏比V型缺口韧度在-196℃为至少70焦耳。在另一实施方案中，抗张强度在690到825MPa的范围内。 
短路电弧焊接系统、技术和相关概念以及管焊接方法和设备已经一般地阐述于以下各 美国专利中，其内容由此通过引用并入本文作为背景信息：Parks 4,717,807；Parks 4,954,691；Parker 5,676,857；Stava 5,742,029；Stava 5,961,863；Parker 5,981,906；Nicholson 6,093,906；Stava 6,160,241；Stava 6,172,333；Nicholson 6,204,478；Stava 6,215,100；Houston 6,472,634；以及Stava 6501,049。 
电弧焊接领域在自耗送进的焊条端和工件之间采用多种焊接工艺，所述工件可以包括两个或更多个要被焊接到一起的部件。本发明的实施方案涉及短弧工艺，其中送进的焊条在电流脉冲期间被电弧的热熔化，然后，在所述熔融的金属由于表面张力作用形成球后，所述熔融的金属球通过短路作用被转移到工件。所述短路发生在所述送进的焊丝移动所述球与工件上的熔融金属池接触时，所述短路因焊接电压陡降而被感测到。此后，所述短路被切断，而短路电弧焊接工艺被重复。本发明是对短弧焊接的一种改进并且是通过使用这样的电源来进行，即其中焊接波形的轮廓(waveform profile)是由波形发生器来控制，所述波形发生器操作高开关速度倒相器的脉宽调制器，例如见于受让人在下述若干专利中所公开的内容：例如Parks 4,866,247；Blankenship 5,278,390；以及Houston 6,472,634，它们中的每一个均由此通过引用并入本文。这三件专利阐述了用于实施本发明的示例性实施方案的高开关速度电源的类型并且并入本文作为背景技术。波形发生器的波形存储于存储器中作为状态表，所述状态表根据俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司(Lincoln ElectricCompany of Cleveland，Ohio)首创的标准技术被选择并输出给所述波形发生器。这样的用于在波形发生器中生成波形轮廓的表的选择公开于几篇在先技术专利中，例如前面述及的Blankenship 5,278,390中。因此，用于实施本发明的电源当前是周知的并且构成用于本发明的背景技术。本发明的短弧焊接系统的一个方面采用一种电路来测定形成送进的焊条的熔融金属球的熔化脉冲的总能量，例如Parks 4,866,247中所述的。熔化脉冲的总能量由具有在熔化脉冲持续时间内的积分输出的瓦特计来探测。这项技术由于被用于本发明的一个方面而通过引用被并入本文。在短弧焊接系统中已形成短路后，通过随后增大焊接电流消除这种短路。这样的过程(procedure)是短弧焊接系统中周知的，并且一般地描述于Ihde6,617,549和Parks 4,866,247中。因此，也将Ihde 6,617,549中所述的技术并入本文作为背景技术。本发明的示例性实施方案乃是焊接工业中周知的标准AC脉冲焊接系统的改进。受让人的一件在先待审定申请描述标准脉冲焊接(DC和AC两者)，具有用于本发明的示例性AC短路实施方案的这种类型高频开关电源的能量测量电路或程序。尽管并非理解或实施本发明所必须，该于2005年4月11日提交的系列序列号为11/103,040的在先申请通过引用被并入本文。 
本发明涉及带芯焊条和短弧焊接系统，以及用来控制该系统的熔化脉冲来沉积特殊的带芯焊条而不需保护气体的方法，本发明能满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求或更高的要求，以及满足用于焊接LNG储存罐的要求。该系统和方法在脉冲和实际的短路之间保持一期望时间。该时间是由涉及所述短路和所述脉冲的期望的定时的反馈环路控制，以使所述脉冲的所述球的大小可以变化来保持一致的短路定时。这项工艺是对其他短弧控制方案，例如采用两电源的Pijls 4,020,320中所公开的，所作的实质性改进。第一电源保持恒定大小的熔化脉冲，并且在短路和随后的清除脉冲之间存在固定的时间。 如同在本发明中所采用的，在脉冲定时和熔化脉冲参数间不存在反馈。在熔化脉冲的结束和短路事件之间保持期望时间。通过采用反馈环路的概念来固定期望时间，电弧稳定性得以提高。本发明可用于DC工艺，如同Pijls 4,020,320中所示的，但是当采用AC短弧焊接系统时，本发明根本上有利的。因此，将Pijls 4,020,320通过引用并入本文作为背景技术，其显示一种用于DC短弧系统的控制电路，其中两个不相关的定时被保持为恒定而没有熔化脉冲的闭环控制。 
本发明还涉及使用焊剂芯(例如自保护的)焊条或焊丝的焊接方法。电弧焊焊条或焊丝的细节，以及具体地用于焊接的带芯焊条描述于美国专利：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以及4,186,293中，它们均通过引用并入本文。 
另外，2003年9月8日提交的序列号为10/655,685；2004年4月29日提交的序列号为10/834,141；2004年10月6日提交的序列号为10/959,587；以及2005年10月31日提交的序列号为11/263,064的在先申请中的每件均通过引用并入本文作为背景和非在先技术。 
发明内容
本发明针对用于解决上面讨论的问题的系统和方法，并且提供能形成满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管要求或更高要求的，以及满足用于焊接LNG储存罐要求的焊接系统和方法。具体地，本发明的示例性实施方案可以实现超过550MPa的抗屈强度和690MPa的抗张强度，以及在-20℃大于60焦耳的夏比V型缺口(Charpy V-notch(CVN))韧度。在本发明可以用来焊接LNG储存罐的另一示例性实施方案中，抗屈强度为至少430MPa，抗张强度为至少690MPa，以及夏比V型缺口韧度在-196℃为至少70焦耳。在另一实施方案中，抗张强度在690至825MPa的范围内。 
本发明的系统和方法通过专门的电源来控制焊弧，以使与带芯(例如自保护的)焊条的使用相结合的弧长最短，以取得期望的焊接特性。应用短弧可使熔池中来自大气的污染最小，这样提高韧度，并且同时对焊接期间的多孔性更具抵抗力。另外，根据本发明的实施方案，采用短的电弧长度允许采用自保护焊条，所述焊条包含下面进一步讨论的根据本发明一方面的组合物。此外，采用本发明，不需采用附加的保护气体来实现这样的焊接，即该焊接能满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求或更高要求，以及满足用于焊接LNG储存罐的要求，和/或达到超过550MPa的抗屈强度和690MPa的抗张强度，以及在-20℃大于60焦耳的夏比V形缺口(CVN)韧度。另外，在再一实施方案中，当焊接LNG储存罐时不需要使用保护气体，并且实现至少430MPa的抗屈强度，至少690MPa的抗张强度以及在-196℃至少为70焦耳的夏比V形缺口(CVN)韧度。 
当本发明的实施方案接合焊接LNG储存罐来使用时，该实施方案允许以1G、2G以及 3G或“焊位不当(out-of-position)”的位置进行焊接。在本发明的再一实施方案中，其中使用的焊条直径比用于1G位置或2G位置的焊条直径小，可以实现3G位置或“焊位不当”位置的焊接。 
根据如涉及所述方法的本发明的第一方面，短弧波形的熔化脉冲是交互地用反馈环路来控制的而不是通过固定熔化脉冲的恒定数值来控制的。熔化脉冲的结束和短路之间的时间通过反应性地改变短弧焊接系统中的熔化脉冲的参数来保持。在本发明的一个示例性实施方案中，所述系统是AC系统，但是可以用于在Pijls 4,020,320中一般地描述的类型的DC系统。通过采用单一电源可以便于对短弧波形的操控，所述电源具有由操作高开关速度倒相器的脉宽调制器的波形发生器来控制的波形，如Houston 6,472,634中所公开的。本发明的实施方式所能取得的一项优势是针对采用如先有技术所示的两个独立电源的短弧焊接的改进。 
根据本发明的所述第一方面的另一实施方案，短弧焊接系统是AC系统，其中的熔化脉冲具有负极性。为了保持恒定的熔融金属珠，存在一焦耳阈值开关来将电源变换到低水平正电流，使得送进的焊条端上的熔融金属形成为球，然后与工件焊接池接触而短路。在实施方案中，这种AC波形是由控制此波形的各个电流段的轮廓和确定该波形各段的极性的波形发生器控制。在在先技术中，曾用焦耳阈值开关来给熔化脉冲提供恒定能量。依据本发明的实施方案，存在计时器来测量在熔化脉冲之后焊条短路的时间。采用反馈环路来保持在熔化脉冲和短路事件之间的一致时间。这种时间的控制稳定了电弧和短路周期。在本发明的一个实施方案中，熔化脉冲和短路之间的时间为约1.0ms。取决于焊条尺寸和沉积速率，熔化脉冲和短路之间的时间可以调节为在0.5ms到2.0ms的一般范围中的一固定值。这种计时控制典型地适用于AC短弧焊接，然而，相同的概念可以应用于正接DC正极性(straight DC positive porality)。在两种情形下，带有由熔化脉冲形成的熔融金属的送进的焊丝保持在低的静态正电流下，该静态正电流便于在短路事件前形成球形。在本发明的任一个实施方式中，熔化脉冲的焦耳数或其他参数是通过反馈回路来控制的，所述反馈回路被调节来保持对短路事件的一预定时间。 
本发明的所述第一方面的AC实施方式对管状的焊剂芯类焊条是有用的，并且依据下述本发明的一方面，一个实施方案以在芯中具有合金组分的焊剂芯焊条来实现，在下面进一步讨论。基于来自于短路时间的反馈来控制焊剂芯焊条的熔化周期，是保持AC短路焊接工艺稳定性的非常精确的过程。鉴于以上所述，本发明的实施方案可以被用来以根据本发明的实施方案的带芯(如自保护的)焊条来焊接管。本发明的再一实施方案可以被用来以带芯(如自保护的)焊条来焊接LNG储存罐。当采用本发明的方法时，用于该种焊条的焊接电流低于喷焊的阈值电流。因此，金属转移到管/罐的接缝必然涉及某种类型的短路，并且在本发明的实施方案中将涉及本发明所针对的类型的球状短路转移。通过采用AC短弧焊接来提高焊接稳定性仍可能造成电弧的不稳定性。这种不稳定性已通过实施本发明而得到克服。因此，本发明特别适于采用自保护带芯焊条对管接缝进行AC短弧焊接，从而使得焊接强度满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求或更高的要求， 和/或满足用于焊接LNG储存罐的要求。 
根据本发明的实施方案，提供了在送进的的焊条和工件之间执行短弧焊工艺的焊接系统，其中所述系统包括具有控制器的电源，用来生成将能量引入焊条来熔化焊条端部的电流脉冲；以及低电流静态金属转移区段，所述低电流静态金属转移区段允许焊条端上的熔化的金属沉积到工件的焊接熔池中。在该低电流金属转移区段期间，熔融金属与熔融金属熔池接触而短路。计时器测量在熔化脉冲结束和短路事件之间的时间。一装置被用来设定在脉冲和短路事件之间的期望时间，并且一电路被用来基于在实际时间和期望时间之间的差生成校正信号。这个校正信号用来控制熔化脉冲的给定参数，例如在熔化脉冲期间引入焊丝的总能量。 
根据本发明的所述第一方面的示例性实施方案，该短弧焊接工艺是AC工艺，其中熔化脉冲是用负电流进行的，并且波形的静态低电流金属转移区段处于正极性。本发明的AC形式可应用于在几种环境下(例如在管焊接接缝(welding joint)的根焊道中)用焊剂芯焊条的焊接。 
根据本发明的所述电源的另一方面，所述短弧焊接系统的控制器包括用来在短路后生成短路清除脉冲的电路。在所述电源的这个实施方案中，波形发生器在任何给定时间确定焊接波形的极性和轮廓(profile)。本发明的焊接系统用来将熔化脉冲和短路之间的时间保持在一固定值，所述固定值在0.5-2.0ms一般范围内，并且在另一实施方案中为约1.0ms。 
根据所述电源或由所述电源执行的方法的另一方面，所述短弧系统是以DC正的方式进行的，其中熔化脉冲和静态区段都为正并且紧接着短路正清除脉冲。在波形处理期间，本发明的这种实施方式不涉及源自波形发生器的极性改变来进行短弧焊接工艺。所述短弧焊接系统为AC的，并且具有控制电流脉冲的电路，用来导致熔化脉冲和短路之间的实际时间，使该实际时间和期望时间相同。本发明的这个实施方案保持恒定的时间，与其他的实施方案的做法一样。 
本发明的一个实施方案控制熔化脉冲的能量，以控制在熔化脉冲与最终的短路事件之间的时间。 
本发明的所述第一个方面的又另一个方面提供了用于控制短弧焊接工艺的熔化脉冲的方法，从而使所述工艺在熔化脉冲和短路事件之间具有一选定的时间。这种方法所控制的参数是熔化脉冲的总能量。本发明的这个实施方案可以用于采用焊剂芯焊条的圆形留隙焊根的管接缝的根焊道。 
本发明的第二方面至少部分涉及利用(如通过所描述的短弧方法所得到的)在AC焊接期间相对短的弧长的应用，这导致来自大气的焊接污染被显著减少。本发明的这个实施方案还用到一种特定的焊剂合金体系，所述体系，当连同本发明的这个方面一起用于焊条 中时，可以取得有利的结果。所述带芯焊条的焊剂/合金体系能够实现和促进短的孤长。组合根据本发明的实施方案的这些方面，提供协同现象，所述协同现象产生出强度超过60到70ksi的可靠且坚韧的焊接金属，并且在另一实施方案中具有至少80ksi的抗屈强度，因此提供满足用于焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求或更高要求的焊缝。另外，本发明的一个示例性实施方案可以实现超过550MPa的抗屈强度和690MPa的抗张强度，以及在-20℃大于60焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度。再者，如本发明实施方案中所用的合金允许采用较薄的管子并且在管子的焊接区中不需要保护气体。此外，本发明的另一实施方案允许采用自保护焊剂芯电弧焊接(FCAW-S)以1G和2G位置两者焊接LNG储存罐，并且在再一实施方案中，以3G或“焊位不当”焊接而不需要保护气体。 
波形技术，如俄亥俄州克里夫兰市的林肯电气公司所开创的，已经被改进来用于使用焊剂芯焊条的AC焊接。通过焊缝合金被调整到对该焊缝期望的机械特性并且通过焊接操作的位置被较少限制，带芯焊条允许焊接操作被更精确地控制。然而，为了提供电弧的稳定性和适当的熔化温度和熔化速率，AC工艺波形的实际控制是相当复杂的。在电弧焊接工艺期间的焊接金属污染仍然是采用用于带芯焊条的AC焊接的一个问题。焊接操作后，焊接金属中的污染可以在焊接金属中导致多孔性、裂纹和其他类型的缺陷。因此，电弧焊工艺的设计人员面对的主要挑战已经是开发用以排除来自电弧环境的元素(例如来自大气的污染物)的技术，或者用于中性化这样的杂质的潜在有害效果的技术。潜在的污染源包括构成焊条的材料、工件本身的杂质以及周围环境大气。带芯焊条可以包含例如铅、镁、锆和钛的“灭杀”试剂，所述试剂在化学上与潜在的污染物结合，防止污染物于焊接金属中形成多孔结构和有害的夹杂物。本发明包括焊条组合物的使用，所述焊条组合物减少带芯焊条允许在焊接金属中夹杂污染物的趋势。该方法也减少了需要用作“灭杀”试剂的材料的量。 
具体地，本发明提供了自保护的焊剂芯弧焊(FCAW-S)焊条，所述焊条特别地适合于采用AC波形形成具有减低的污染物程度的焊缝。该焊条具有合金/焊剂体系，所述合金/焊剂体系包括：从约35％到约55％的氟化钡、从约2％到约20％的氟化锂、从约0％到约15％的氧化锂、从约0％到约15％的氧化钡、从约5％到约20％的氧化铁，以及高达约25％的去氧和去氮试剂。这种试剂可以选自铝、镁、钛、锆和它们的组合。 
当使用本发明的实施方案来焊接LNG储存罐时，焊条的组合物被选择来匹配被焊接的基体金属，以便优化焊接强度并且在焊接沉积中提供最少为5％的镍。 
本发明提供采用利用特定合金/焊剂体系的自保护焊剂芯焊条的电弧焊接方法。该方法包括在焊条和基体之间施加第一负电压以使邻近基体的焊条至少部分熔化。该方法还包括在焊条和基体之间施加正电压以促进形成来自焊条的可流动的材料团块。该方法还包括监控在焊条和基体之间通过上述可流动团块的电短路的发生。该方法还包括，一旦检测到短路，在焊条和基体之间施加第二负电压。再者，该方法包括增大第二负电压的幅度，以由此消除电短路并由所述可流动物质在基体上形成焊缝。该自保护的焊剂芯焊条可以包括从约35％到约55％的氟化钡、从约2％到约12％的氟化锂、从约2％到约15％的氧化锂、从约 5％到约20％的氧化铁，以及高达约25％的选自由铝、镁、钛、锆及其组合组成的组的去氧和去氮试剂。 
本发明的一个目的在于提供短弧焊接系统，所述系统在所述工艺期间，尤其是当所述工艺是在AC模式下进行时，控制短路事件的间隔，以提供满足焊接至少美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求的焊缝。本发明的另一目的是提供短弧焊接系统，所述短弧焊接系统在所述工艺期间，尤其是当该工艺是在AC模式下进行时，控制短路事件的间隔，以提供满足焊接LNG储存罐的要求的焊缝。 
本发明的再一目的是提供用于短弧焊接的方法，所述方法基于熔化脉冲和短路之间的时间来控制熔化脉冲，以便该时间保持固定为期望的值。 
本发明的再又一目的是提供改进了的焊条组合物，并且特别是焊条填充(electrode fill)组合物，所述焊条填充组合物特别适用于与上述新颖的短弧焊接系统和方法相结合使用。 
本发明的再一目的在于提供协同系统，该系统包括短弧工艺和焊剂芯焊条，以将电弧稳定在最短的可能弧长。这样，来自大气的污染被最小化。合金体系与焊接工艺相结合可使电弧稳定于这样短的弧长，并且形成可靠和坚韧的焊接金属。本发明的一种实施方案可以不用气体保护而提供具有至少80ksi的抗屈强度的焊缝，从而提供满足焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管或更高要求的焊缝。进一步地，本发明的一个示例性实施方案可以实现超过550MPa的抗屈强度和高于690MPa的抗张强度，以及在-20℃之下的超过60焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度。在本发明的再进一步的实施方案中，可以获得具有足以满足焊接LNG储存罐要求的强度的焊缝。在这样的实施方案中，抗屈强度至少为430MPa，抗张强度至少为690MPa，以及夏比V型缺口韧度在-196℃至少为70焦耳。在另一实施方案中，抗张强度在690到825MPa范围内。 
这些和其他目的和优点从下面结合附图所作的描述中会变得清晰。 
附图说明
鉴于通过附图示意性阐述的本发明的实施方案，本发明的优点、性质和各种附加的特征将呈现得更全面，其中： 
图1是本发明的一个示例性实施方案中所使用的短孤焊接系统的框图； 
图1A是一般地沿图1中1A-1A线截取的放大剖视图； 
图2是一系列侧视图，表示短弧焊接工艺的I-IV阶段； 
图3是组合的电流和电压波形曲线图，表示针对图2所示的各个阶段实现图4中所公开的本发明的一个实施方案的波形； 
图4是流程框图，表示执行本发明实施方案的图1中的系统的一种改型； 
图5和6是图1中所示的焊接系统的部分的流程框图，用来实现本发明的两个另外的 实施方案； 
图7和8是图1所示的焊接系统的部分流程框图，所述焊接系统将图4所示的本发明的实施方案与来自图5和6所示的本发明的实施方案的组合波形控制相结合； 
图9是用于本发明的DC正电实施方式的电流波形； 
图10是示意性正视图，表示用于管子焊接接头的根焊道或定位焊焊道的本发明； 
图11是带有框图的侧视图，表示代表性焊接系统和焊条的使用； 
图12是沿图11中的线12-12一般地截取的放大剖视图，对焊条作了更细致的图示； 
图13是放大的示意图，表示一带芯焊条，其中所述鞘和芯以不同的速率熔化； 
图14是类似于图13的视图，表示没有针对带芯焊条应用调整的波形的缺点； 
图15是类似于图13和14的视图； 
图16是部分侧视图，表示根据本发明一实施方案的带芯焊条，并且表示弧长，所述弧长通过使用本发明被最小化； 
图17表示本发明的实施例中的波平衡和DC偏移对焊接金属氮回收率的影响； 
图18示出根据本发明的示例性实施方案进行的示例性焊缝的接缝设计；以及 
图19A和19B分别示出以1G位置和2G位置进行的焊接。 
具体实施方式
在电弧焊接工业中，短弧焊接是常见的方法并且涉及如图2示意性公开的四个阶段I、II、III和IV。用于执行短弧焊接的电源可以是基于变压器的电源；然而，根据本发明的一个示例性实施方案，图1所示的系统A利用基于高开关速度倒相器的电源B，所述电源B具有跨线路10、14的AC电源，或者引导到产生跨线路14a、14b的第一DC信号的倒相器14的三相电源。依据标准体系结构，将升压或降压变换器20用于电源B，以通过生成受控的跨输出线路22、24的第二DC信号来校正输入功率因子。高开关速度倒相器30将跨线路22、24的第二DC信号变换为由多个跨输出引线32、34的电流脉冲形成的波形。根据本发明的示例性实施方案，跨引线32、34的所述波形为DC正的或AC的；因此，倒相器30具有一输出阶段(未示出)，所述输出阶段支配跨引线32、34的已成形波形的极性。这些引线分别连接焊条E和工件WP。依据标准的短弧技术，焊条E是通过接触末端42从供丝线轴或鼓(supply spool or drum)40供给的焊丝W的送进端。这样，当横跨在焊条E和工件WP之间的间隙形成具有期望极性的受控波形被，焊丝W以给定的WFS朝工件WP被驱动。在本发明的实施方案中，焊丝W是示意性地在图1A中示出的焊剂芯焊丝，并且被示出为包括外部低碳钢鞘50，所述外部低碳钢鞘50围绕具有焊剂并且通常包括合金粒子的内部焊剂芯52，这种焊丝也称作自保护焊丝或焊条。下面将更详细地讨论所述焊条的一个实施方案。 
分路器60驱动反馈电流装置62，这样线路64上的电压信号表征焊接工艺中的瞬时电弧电流。在相似方式下，装置70于输出线路72上生成一信号表征焊接工艺的瞬时电压。倒相器30的控制器C是数字设备，例如DSP或微处理器，所述控制器C执行以一般模拟的体系结构示意地说明的功能。作为控制器C的核心部件，波形发生器100根据状态表来 处理具体波形，所述状态表储存于存储器单元102中并通过装置或电路104根据期望的焊接工艺而被选择。一旦选择了期望的短弧焊接工艺后，选择信号104a被引导到存储器单元102，从而定义期望短弧焊接的波形特性和参数的所述状态表被载入波形发生器100，如线路102a所指示的。发生器100在输出线路100a上在任何给定时间输出波形轮廓，其中期望的极性由线路100b上的逻辑指示。所图示的由数字控制器C控制的电源B具有电流控制反馈类型，其中在线路64上表征电流的电压通过误差放大器110和线路100a上的波形轮廓信号相结合，所述放大器110在线路110a上具有输出信号以根据标准的波形控制技术控制脉宽调制器112。线路112a上的输出信号控制跨线路32、34的波形的形状，并且正在被实施的特定波形轮廓的极性由线路100b上的逻辑设定。以该方式，波形发生器100控制脉宽调制器112，以在线路112a上具有控制倒相器30高频操作的脉冲。这个倒相器开关频率一般大于18kHz并且优选大于约40kHz。如到目前为止所描述的，具有控制器C的电源B是依据俄亥俄州克里夫兰市林肯电气公司开创的标准技术操作的。控制器C为数字的，但是以模拟方式来说明。为了实现短弧焊接工艺，控制器C必需接收有关焊条E和工件WP之间短路状态的反馈信息。控制器C的这个特征示意性表示为短路探测器120，所述短路探测器120在线路122上形成一逻辑，以通知报波形发生器100存在短路事件SC。于是，发生器在存在短路时被通知，并依据如在任何短弧焊接工艺所完成的对短路的处理来执行一波形。如到目前为止所描述的，控制器C是标准技术，例外的是通过线路100b上的逻辑在倒相器30的输出控制极性开关。 
为了实践所述发明，控制器C拥有电路150，用来在短路之前控制熔化脉冲。电路150是数字的，但以模拟的体系结构示意性地图示。所述功能通过控制器C的数字处理器实现，以控制熔化脉冲的能量。这样的能量控制电路在由申请人于2005年4月11日提交的序列号为11/103,040的在先共同待审定申请中描述。这份在先申请通过引用被并入本发明不是作为现有技术，而是作为相关技术。正如该在先申请中所示，脉冲焊接波形的熔化脉冲的能量可以由包括乘法器152的电路150控制，用以乘积线路64、72上的瞬时信号，以在线路154上提供表征焊接工艺的瞬时瓦特信号。线路154上的该瓦特信号通过Parks4,866,247中所述的标准积分器156累加。线路154上的瓦特信号的积分由波形发生器100控制，所述发生器100生成脉冲起始命令(如框160所示)，来对应于由线路162上的逻辑指示的熔化脉冲的起始。当波形发生器100起始熔化脉冲时，起始点为时间t1。线路164上的输出信号通过积分器156来起始线路154上瓦特信号的积分。所述积分过程由线路170上的逻辑来终止，所述线路170上的逻辑是一旦接收到输入线路172a上的逻辑通过激活终止脉冲装置或电路172而产生的。线路172a上的逻辑通过切换装置172来改变输出线路172a和172c上的逻辑。线路172c上的逻辑通知波形发生器该熔化脉冲要终止以改变输出线路100a上的波形轮廓。同时，线路172b上的信号切换复位装置或电路174，以改变线路170上的逻辑来终止瞬时瓦特信号的积分。输出线路156a上的数字(digital number)被载入数字寄存器180，所述数字寄存器180具有表征短弧焊接工艺中给定的熔化脉冲的总能量的输出182。这一总能量信号与储存在寄存器190中以在线路192上提供一数字或信号的期望能量水平相比较。比较器194比较线路182上的数字表征的给定脉冲的实际能量和线路192上的数字表示的期望能量水平。所述实际能量和期望能量之间的关系控制线路 172a上的逻辑。当线路182上的信号等于线路192上的信号，比较器194改变线路172a上的逻辑来终止脉冲，如装置或电路172所示。这终止积分并且终止由波形发生器100生成的熔化脉冲。电路150被采用来执行本发明的示例性实施方案，该实施方案通过调节电路200改变线路192上的数字来改变熔化脉冲的参考能量(reference energy)或期望能量。当如通过线路182上的数字(例如与线路192上的信号比较)所确定的那样，达到调节后的能量或能量阈值时，则终止所述脉冲。在本发明的实施方案中，所采用的电源和方法调节电路200，以通过改变熔化脉冲来改变用于进行短弧焊接工艺的参考能量。 
应用具有数字控制器C的电源B的短弧焊接系统A是通过调节电路200来操作的，以实现图3中所示的波形。AC电流波形200具有图2中由阶段I表征的负熔化脉冲212，其中所述熔化脉冲于在焊条E的端部上产生熔融金属220。脉冲212中的电流水平低于喷射电弧所需的电流，从而存在通过短路的转移。时间t1起始焦耳测量，如后面将说明的。所述脉冲在时间t1具有起始位置212a且在时间t2具有停止位置212b。接着所述熔化脉冲之后，按照标准的实施，存在正的低电流静态转移区段214，如图2的阶段II所表征的。在这个阶段，送进的焊条E端部上的熔融金属220在等待在时间t3发生的短路时由于表面张力作用而形成球形，并且如阶段III所示。因此，在t2与t3之间的时间便是在熔化脉冲结束和短路事件之间的时间，该时间由线路122上的逻辑指出，如图1所示。在阶段II之后，如颈部222所示的电流收缩作用使熔融金属220与熔池224分离。按照标准的实施，阶段IV中所示的这个电收缩作用由负短路脉冲216加速，所述负的短路脉冲216具有带陡坡的第一电流区段216a并且继以带较缓坡的第二电流区段。最后，缩短的金属分离开且线路122上的SC逻辑变换来在时间t1起始由过渡区段218指示的下一个电流脉冲。波形210为AC波形，具有负熔化脉冲212、低电流的静态区段214以及在时间t1变换到下一负脉冲212的清除脉冲216。相应的电压具有波形230，该波形230具有负区段232、低电平的正区段234，所述低电平的正区段234在短路236处急降并且继以负电压区段238，所述负电压区段238在区段240变换到下一个熔化脉冲电压232。总的周期时间(cycle time)是从t1到下一个t1，而正变换214具有的时间小于总的周期时间的20％。这一点防止断弧(stubbing)。 
本发明包括用于通过控制器C的波形发生器100来控制波形210的电源和方法，从而基于电路200的调节使熔化脉冲212在t2结束时的时间和实际短路事件的时间t3之间的时间是恒定的。在示例性的实施方案中，这种时间延迟调节是由图4所示的电路250完成的。在这个电路中，熔化脉冲在t2的时间和短路的时间t3之间的时间设定在0.5到2.0ms之间的期望水平。在一个实施方案中，设定的期望时间延迟为1.0ms，这是线路254上的信号的水平。这样，线路254上的数字数值为期望的t2至t3时间。t2和t3之间的实际时间是由在时间t2起始而在时间t3停止的计时器260测定的。该定时器在指示为t5的适当时间复位以用于下一次测量，所述适当时间可以被调节到位于t3后的各种不同位置，所述不同位置被图示为在图3中熔化脉冲期间。线路262上的数字是t2与t3之间的实际时间。该实际时间被储存于寄存器270内且在任何适当的时间，例如t2，被复位。这样，线路272上的数字数据是实际测量的t2与t3之间的时间。这个时间和线路254上的期望时间相比较。任何误差放大器可以被用来数字地处理实际时间与设定时间的关系。该处理示意性地被图示为求 和点280和数字滤波器282，所述数字滤波器具有用于调节电路200的输出284。期望时间和实际时间的差为线路284上的误差信号，该误差信号增大或减少电路200的期望的总能量。所述期望的总能量由更新电路290在指示为t2的适当时间被周期性地更新。这样，图1中线路192上的信号一直是用于短弧焊接工艺的脉冲212的期望的总能量。这个总能量通过时间t2与时间t3之间的任何差值来调节，以便脉冲212的能量针对即将到来的短路保持一恒定的或期望的时间延迟。这种时间控制稳定系统A的短弧焊接过程。 
在图4中，该电源的示例性实施方案是通过改变用于熔化脉冲的能量阈值来实现的，以改变该脉冲和短路事件之间的计时。如图5和6所图示的，这个时间也可以由所述熔化脉冲的电压或功率来改变。在以上两种实施方案中，熔化脉冲的时间t1至t2被保持固定，如框300所指示的。在这个恒定时间的熔化脉冲期间，改变电压或电源来控制脉冲和短路事件之间的时间。在图5中，在输出线路284上的来自滤波器282的数字控制反馈环路310，以调节熔化脉冲的电压，如线路312上的数字数据所指示的。为了调节用来控制短路事件的延时的电源，输出线路284上的数字被用来调节反馈环路320，所述数字通过波形发生器100与线路154上的瞬时功率进行比较。所述功率的改变是线路322上的数值，所述数值与线路154上的数字进行比较，用来控制熔化脉冲的功率。这样，在本发明的实施方案中，波形的总能量、波形的电压或波形的功率被调节，以在t2与t3之间保持恒定的时间，从而在图1所示系统A中稳定电弧并且控制短路事件。 
依据该电源的另一个实施方案，熔化脉冲212的能量调节和图5和6中所图示本发明的两种改型相结合。这种结合式的控制示于图7和8中，其中前述的求和点280和数字滤波器282被图示为结合于模拟误差放大器330中。该元件或程序具有输出332，所述输出配备有在已经达到阈值能量时用来终止熔化脉冲的逻辑，如线路182上的逻辑所指示的。因此，所述脉冲总能量是和图7中的脉冲电压控制电路310和图8所示的脉冲功率控制320一起被控制的。输出312和输出172c相结合，以控制发生器100的线路100a上的波形轮廓。在相似的方式下，能量水平由线路172c上的逻辑结合功率脉冲控制电路320的输出线路322上的数字信息来控制。其他参数的结合可以被用来控制熔化脉冲212，以确保熔化脉冲和短路事件之间的时间的精确控制。这样的其他参数是在通过闭合反馈环路来控制波形发生器的技术领域的技艺范围内的。 
在本发明的示例性实施方案中，所述工艺为AC工艺，如图4所示；然而，可以采用DC正波形400，如图9所示。熔化脉冲402在该脉冲在时间t2终止前具有高的正电流402a。该电流在DC正电模式下被限制在喷射电弧所需的水平之下，使金属不发生短路不会分离。这个概念定义所述短弧焊接工艺。于是，该波形变换到等待在时间t3断路的低水平的正电流区段404。这种低水平的正电流被用于本发明的示例性实施方案中并在时间t3结束。然后，由波形发生器生成短路清除脉冲410。脉冲410具有高的斜坡区412和阶梯区414以使电流回到高电流水平402a。可以用本发明的各个已图示的实施方案来实现正电流波形400；然而，用于控制线路32、34上的输出波形极性的线路100b上的逻辑不是必须的。 
上述电源的示例性实施方案是在于采用焊剂芯焊条的管子焊接操作，如图1A所示意性地表征的。这样的管子焊接操作示意性地图示于图10中，其中管段420、422定义留隙焊根424。如图4所示，本发明在焊丝W通过接触末端42到管子接头的留隙焊根424的过程中，控制焊丝W上的波形。图10示出特定实施方案，即用本发明焊接管子接头的根部焊道来将管段初步结合(tack)到一起，以供随后用标准焊接技术来接缝。 
在某些实施方案中，根据本发明的电源和/或焊接操作呈现下述方面中的一个或更多个方面。由于金属转移的主要模式是短路焊接模式，因而电流密度一般小于喷焊所需的密度。如在许多短路电弧焊工艺中，根据丝径确定收缩电流，例如，对于5/64英寸的焊剂芯焊丝，可以采用625安的电流。一般地，正电流趋于建立弧长。若允许正电流达到负电流弧长的相同水平，即使为1/2毫秒，正电流弧将达到不希望有的长度。一般地，正侧的控制电流在约50安到约125安的范围，并且在一个实施例中为约75安。该波形的负的部分既可以是恒定的功率也可以是具有斜率从约5％到15％的电流的电压。典型地，焊接可以在约60赫、10％正的情况下进行。由于正电流设定在较低的水平，波形为正的这部分通常小于20％。 
图11和12示意性图示了波形技术焊机和/或焊接系统510，以及带芯焊条530。该焊接系统包括焊机510，该焊机510具有一焊炬520来将焊条530引向工件W。焊接系统510包括通过整流器550、560整流的三相输入电源L1、L2和L3，以及一电源540。该电源540提供一输出，具体地，如在2005年10月31日提交的序列号为11/263,064的美国申请所描述的AC波形，在前面通过引用并入本文。电弧AC被建立在焊条530的端部和工件W之间。该焊条为带芯焊条，具有鞘600和内部的填充芯610。所述芯610包括焊剂成分，例如以颗粒610a表征的。这些成分610a的目的在于(a)通过用熔渣覆盖熔融金属来保护熔融焊接金属不为大气污染，(b)用化学方法与各种大气污染物相结合，以使它们对焊接质量的负面影响降至最小和/或(c)产生电弧保护气体。根据标准的操作实践，芯610还包括合金化成分，称之为颗粒610b，以及其他各种颗粒610c，它们被组合来提供芯610的填充料。在在先应用中，为了优化焊接操作，必须采用实心焊丝以及外部的保护气体。但是，为了形成具有特殊机械和冶金性能的焊缝则需要具体的合金，这是难以由实心焊丝的形式获得的。另外，由于要利用气体，或是由于多风条件、清洁气体混合物的可利用性以及不利地理条件而难以实现适当的保护，气体保护不是总是可行的选项。因此，如在本发明中那样，利用自保护的带芯焊条是有优势的，从而环境不会影响焊接。 
此外，如前面讨论的，当使用气体保护来焊接LNG储存罐时会遇到类似的问题。再有，对于LNG储存罐，这些剩余的现有方法受到其应用(如SAW)的限制，难以得到一致且无缺陷的焊接(如SMAW)。 
在应用带芯焊条而不对焊接波形轮廓进行控制所造成的普遍问题图示于图13中。该焊接工艺熔化鞘600来提一部分向上熔化到焊条周围的熔融金属630，如熔化的上端640所指示的。这样，焊条的鞘比芯熔化得更快。这导致熔融金属材料存在于焊条530的输出端而没有保护气体或者通过芯610的内部成分的熔化而造成的化学反应。这样，电弧AC是 在无保护气氛中熔化焊条610的金属。当鞘和芯是以相同的速率熔化时，形成对熔融金属的必要保护。使熔融金属比芯熔化得更快的问题在图14的图片表征中作了进一步指示。来自鞘600的熔融金属650在芯610有机会熔化前已与工件W结合。这样，芯610不能为焊接工艺提供必要的保护。图13和14说明为何采用带芯焊条的AC焊接未曾被用于海底管道焊接和其他管道焊接的原因。然而，采用带芯焊条时可以采用AC波形来控制热输入。 
通过控制用于焊接工艺的AC的波形的精确轮廓，可以使鞘600和芯610以近似相同的速率熔化。不能适当协调鞘的熔化和芯的熔化是为何(如图15所示)可能要利用保护气体的一个原因。控制AC波形的优点在于可以避免外部保护气体。另外，与在LNG储存罐上使用SMAW相关联的困难和矛盾，连同SAW工艺所规定的限制定位，都可以避免。 
虽然，如前所述，AC波形的控制可以带来显著的优点，但为了提供电弧稳定性和以及合适的熔化温度和速率，AC波形的实际控制是相当复杂的。并且，即使应用了先进的AC波形，焊缝污染仍是可能的。通过应用先进的AC波形，即使采用保护气体也仍有可能造成焊缝污染。因此，在本发明的一个方面，提供了某些焊条组合物，它们在结合AC波形使用时，能够形成结实、坚韧和耐用的焊缝，而不会有显著的污染问题，并且不需AC波形另外所要求的控制程度。 
当用本发明的方法或电源以带芯焊条焊接时，希望使鞘和芯以相同速率熔化。这种操作促进某种芯料与鞘均质混合，使熔融材料的混合物在化学上抵抗大气污染的影响。要求用来产生期望焊接金属的机械和冶金特性的合金化(alloying)元素均匀地分布在焊接金属中。此外，从熔渣和/或气体形成成分获得的保护性优点可以被最佳化。如前所述，这种情形已图示于图15中。作为对比，图14图示鞘比芯熔化得快的情形。在这种有害的情形中，在芯已有机会熔化之前，来自鞘500的熔融金属已与工件W结合。金属650被保护不受大气污染影响的程度没有达到如果未熔的芯料成分已实际熔化所应达到的程度。此外，获得所希望的机械和冶金特性所需的合金化元素可能在熔融金属650中缺失。 
如前所指示的，采用波形技术的类型的电焊机可以被用于采用带芯焊条(例如图16所示的焊条700)的AC焊接。这样的焊条包括环绕由包括合金化金属和熔渣或焊剂材料等颗粒材料形成的芯720的外部钢鞘710。由于具有了内部焊剂或熔渣材料，在焊接操作期间不需要外部保护气体。通过在芯720中包括合金化材料，在工件730上的焊接金属740熔池可以被改性而具有准确的合金成分。这是采用带芯焊条而不用实心焊丝的优点和理由所在，因为在实心焊丝中合金化必须通过焊丝的实际组成来完成。当采用实心焊丝时，对焊接金属进行合金化调节是颇为困难的。因此，在高质量的焊接中采用带芯的(如自保护的)焊条是有益的。电弧AR以一速率熔化鞘710并且熔化芯720中的成分或填充料，该速率可以被控制成基本相同。焊接金属740中的污染，如氢、氮和氧，可以在焊接金属中造成多孔性问题、裂纹以及其他类型的物理缺陷。因此，设计从熔融焊接金属排除污染物的焊接工艺是一种挑战。通常采用“灭杀”试剂，典型为硅、铝、钛和/或锆，它们将以化学方式与潜在的污染物结合，以防止它们在焊接金属中形成孔隙或有害的夹杂物。另外，可以添 加“清除剂”来与含氢的物质反应，以从焊接处中除去氢。为了一致地沉积可靠的焊接金属740，经常已经必需以这样的量来添加这类灭杀试剂，即所述量本身有害于焊接金属的性质，如延展性和低温韧性。因此，希望减少熔融金属在电弧AR中的暴露，以防金属的污染从焊条700传递到工件730，从而灭杀试剂可以被最小化。 
当用于AC焊接时，本发明的焊条组合物形成期望的焊缝，所述焊缝耐久、坚韧且不易受与使用常规焊条组合物相关联的其他问题的影响。本发明的焊条组合物可以结合AC波形使用，其中AC波形的正、负形状进行了修正，以减小整总体弧长LA。在这种方式下，较少暴露于大气并且期间金属为熔融的时间较短。本发明的焊条组合物设计所针对的AC波形和相关焊接工艺的详细描述，已经叙述于在2005年10月31日提交的序列号为11/263,064的美国申请，其内容已在前面通过引用并入本文。事实上，通过减短弧长，熔融金属从焊条700移动到焊接金属熔池740时的温度可以被降低。典型地，当采用可以以针对负区段和正区段的不同形状来执行AC焊接工艺的焊机时，用带芯焊条进行的AC焊接可以被有效地用于这一领域。这种交变波形的正部和负部的参数可以被独立地调节，以对选择的焊条700的鞘710和芯720二者的熔化进行补偿和优化。 
更具体地，本发明的实施方案涉及焊条和AC焊的组合，其中波形的正区段和负区段被个别地调节来实现低弧长和减低污染的目的。采用这种对策，本发明的焊条组合物，特别是由于它的自保护，可以提供显著的优点。这种焊条被使用时不需保护气体，并且，取决于特定的应用，可以依靠芯中的去氧剂和去氮剂来获得进一步保护以免受大气污染。 
这样，本发明的实施方案利用FCAW-S焊条芯中的一独特组的合金化和焊剂组分提供了焊接方法的一个协同体系。如已说明的，带芯焊条是被连续输送的具有粉状焊剂和/或合金化成分的芯的管状金属鞘。这些可以包括助熔元素、去氧和去氮剂、合金化材料，以及能增强韧度和强度、改进抗侵蚀性及稳定电弧的元素。示例性的芯材料可以包括铝、钙、碳、铬、铁、锰以及其他元素和材料。虽然焊剂芯焊条被广泛使用，但在焊接合金钢时，金属芯产品在调节填料金属组合物方面是有用的。金属芯焊条中的粉末一般是金属和合金粉末而不是化合物，在焊缝面上仅产生小的熔渣岛状物。与此相反，焊剂芯焊条在焊接中则产生广泛的熔渣覆盖，其支承并使焊缝成形。 
在焊接LNG储存罐和其他相似的应用中时，连续焊丝输送方面的本质提供了超过SMAW方法的焊接连续性的益处。 
本发明的合金/焊剂体系包括特定量的钡源、特定量的锂源、氧化锂、氧化铁以及可选量的氧化钙、氧化硅和氧化锰。钡的一种或更多种氟化物、氧化物和/或碳酸盐可以用作为钡源。而锂的一种或更多种氟化物和/或碳酸盐可以用作锂源。该合金/焊剂体系包括于焊条填充料中。焊条填充料一般构成焊条的约18％到约24％。该合金/焊剂系统的示例性实施方案包括： 
作为钡源地从约35％到约55％的氟化钡， 
作为锂源地从约2％到约12％的氟化锂， 
作为第二钡源地从约0％到约8％的碳酸钡， 
作为第二锂源地从约0％到约8％的碳酸锂， 
从约0％到约15％的氧化锂， 
从约0％到约15％的氧化钡， 
从约5％到约20％的氧化铁， 
从约0％到约5％的氧化钙， 
从约0％到约5％的氧化硅， 
从约0％到约5％的氧化锰，以及 
高达约25％的铝、镁、钛、锆或它们的组合用于去氧和去氮，而其余的金属性物质可选择地包括铁、镍、锰、硅或其组合。除非另有说明，本文表示的百分数均为重量百分数。在实施方案中，焊条填充料组合物包括从约35％到约55％的氟化钡、从约2％到约12％的氟化锂、从约0％到约15％的氧化锂、从约0％到约15％的氧化钡、从约5％到约20％的氧化铁以及高达约25％的如前所述的去氧和去氮试剂。在其他实施方案中，前述焊条填充料组合物还可以包括从约0％到约8％的碳酸钡。在另一实施方案中，该填充料组合物可以包括从约0％到约8％的碳酸锂。在又一实施方案中，该填充料组合物可以包括从约0％到约5％的氧化钙。在再一实施方案中，该焊条填充料组合物可以包括从0％到约5％的氧化硅。在再另一实施方案中，该焊条填充料组合物可以包括从0％到约5％的氧化锰。其他实施方案包括使用这些试剂，即碳酸钡、碳酸锂、氧化钙、氧化硅、氧化锰及其组合中的一种或更多种。 
当使用本发明的实施方案来焊接LNG储存罐时，焊条的组合物被选择来匹配被焊接的基体金属，从而优化焊接强度并且在焊接沉积中提供最少5％的镍。 
本发明的方法的示例性实施方案包括在焊条和基体之间施加第一负电压，以使靠近基体的焊条至少部分熔化。该方法还包括在焊条和基体间施加正电压，以促进来自焊条的可流动材料团块的形成。该方法还包括监控在焊条和基体之间通过可流动团块的电短路的发生。该方法还包括一旦探测到短路在焊条和基体之间施加第二负电压。而且，所述方法包括增大第二负电压的幅度，以由此清除电短路并从所述可流动团块在所述基体上形成焊缝。 
焊剂芯焊条中的焊条填充料组合物包括从约35％到约55％的氟化钡、从约2％到约12％的氟化锂、从约0％到约15％的氧化锂、从约0％到约15％的氧化钡、从约5％到约20％的氧化铁以及选自由铝、镁、钛、锆及其组合组成的组的高达约25％的去氧和去氮剂。在其他实施方案中，焊条填充料中可以包括附加的试剂。例如，可以包括从约0％到约8％的碳酸钡。焊条填充料组合物在另一实施方案中包括从约0％到约8％的碳酸锂。再一实施方案包括从约0％到约5％的氧化钙。又一实施方案包括从约0％到约5％的氧化硅。而，又另一实施方案包括从约0％到约5％的氧化锰。在再进一步的实施方案中，这些试剂的一种或更多种可以被加到或者以其他方式包括在该焊条填充料组合物中。例如，除了前述的氟化钡、氟化锂、氧化锂、氧化钡、氧化铁，以及一种或更多种特定的去氧和去氮试剂的比例以外， 上述焊条填充料还包括从约0％到约8％的碳酸钡、从约0％到约8％的碳酸锂、从约0％到约5％的氧化钙、从约0％到约5％的氧化硅以及从约0％到约5％的氧化锰。 
该焊剂/合金体系是从传统的用于FCAW-S焊条的焊剂/合金体系改进的结果，以实现短的弧长和在低的热输入下的焊接，而低的热输入是由在该工艺中使用独特波形所导致的。短的电弧长度和稳定的电弧是该合金与焊剂体系以及该波形的独特特征相结合的结果。本质上，所述焊接消耗品和工艺两者协同地被优化，来达到最终焊接产品的要求。 
在某些实施方案中，本发明提供形成具有引人注目的性质的焊接金属的方法。一般地，这些方法涉及提供具有上述组合物的芯的焊丝或焊条。在实施方案中，该焊丝或焊条是在无保护气体下使用，或更正确地是在不用形成这种气体的试剂下使用。所述方法还包括下述操作：焊丝或焊条被移向目的区域，例如两管子段之间形成的接头。在附加的实施方案中，这样的移动在受控的送进速度下进行。该方法还包括由焊丝和管段间的电弧形成焊接电流来熔化焊丝或焊条，以由此在接头处形成熔融金属焊缝。该方法还包括通过一系列短路事件使熔化的焊丝转移为熔融金属焊缝。本方法特别适用于焊接由具有抗屈强度至少约70ksi和厚度小于约0.75英寸的金属形成的两个管段间的接头。在又一实施方案中，本发明能够不需用气体保护提供具有至少80ksi抗屈强度的焊缝，从而提供满足至少是焊接美国石油研究院(API)X-80级管线管的要求的焊缝。另外，本发明的示例性实施方案可以取得高于550MPa的抗屈强度和660MPa的抗张强度以及在-20℃下超过60焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度。在又一示例性实施方案中，本发明可以提供充分的强度和焊接质量，从而使所述FCAW-S方法可以被用于焊接LNG储存罐。 
为了焊接LNG储存罐，本发明的实施方案提供至少为430MPa的抗屈强度、至少为690MPa的抗张强度以及在-196℃至少为70焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度。在另一实施方案中，抗张强度在690到825MPa范围内。如前面所讨论的，这可以通过以1G或2G位置焊接(分别在图19A和19B中所示)以及3G或“焊位不当”位置焊接这两者中的任一种来实现。 
然而，可以理解，本发明可以被用于厚度大于或小于0.75英寸的管。在一个实施方案中，一般形成的作为结果的焊缝具有大于70ksi的抗张强度，而在某些应用中大于约90ksi。在特定的方面，该熔化电流可以是负的。若该熔化电流为负，则金属转移操作可由正电流进行。然而，该金属转移可以由独立于熔化电流的正电流进行。在实施上述方法时，在一实施方案中平均弧长小于0.30英寸，在另一实施方案中小于0.20英寸，而在又一实施方案中小于0.10英寸。在上述方法的实施方案中，短路事件的发生率是被自动控制的，一般为约40到约100周期/秒。 
在另外的实施方案中，上述概念，即将电源与控制技术同这里所述的焊条组合物相结合，可以被用来产生具有在-20℃为60焦耳的最小夏比V型缺口韧度的焊接金属。类似地，所述方法也可用来产生具有在-40℃为40焦耳的最小夏比V型缺口韧度的焊接金属。而且， 所述方法可用来产生具有超过90ksi的抗张强度的焊接金属。这样，使用厚度小于约0.75英寸的薄管可以因此而产生费用的节省。不需保护气体，从而可以消除或大大减少现场气体的成本。另外，在那些受通常限制的应用中，比如SAW，可以实现焊接的灵活性，并且在诸如SAW的焊接应用中可以避免焊接缺陷和不一致性。 
附加地，如上面讨论的，本发明的实施方案可以被用来生产具有至少为430MPa的抗屈强度、至少为690MPa的抗张强度以及在-196℃至少为70焦耳的夏比V型缺口(CVN)韧度的焊接金属。因此，这个实施方案可以被用于例如焊接LNG储存罐的应用。在另一实施方案中，抗张强度在690到825MPa范围内。 
本申请可以有大量广泛的各种应用。本文描述的系统、工艺和/或组合物特别适于以自保护焊剂芯焊丝来焊接至少是X80的管(标号X80与API 5L：2000工业规范一致)。然而，本发明可以与其他管的等级结合使用。本发明也可用于在管子上进行“根焊道”或定位焊(tack welding)操作。本发明与当前周知的将埋弧的短弧用于初始焊道的情形相比，可以以较小的电弧力来熔化更大量的焊丝。本发明的另一种应用是在用机器人焊接应用方面，用于薄规格金属件的高速焊接。 
实施例 
以下的讨论针对本发明的实施例。本发明并不受限于下述的实施例和结果，但是下面的讨论被提供来证明可由本发明的示例性实施方案获得的结果。 
用本发明的实施方案进行了一系列试验焊接，其中自保护焊剂芯焊条被用于短弧焊接工艺。在一些试验中，使用0.062英寸直径的Lincoln Innershield NR-233。焊接是以恒定的焊丝送进速度和行进速度进行的。焊缝是堆焊焊缝，有三道并排的焊道，然后在该的三道焊道的顶上的第二层具有并排的两道焊道。上述板的表面在焊接前经喷砂处理除去氧化层和脏物。分析该第二层中的焊接金属层，以获得氮含量。由于并未有意识地将氮加入所用的焊条，下述分析是在假定焊接金属中的氮是来自周围气氛的情况下进行的。 
另外，焊接电源被构造为产生具有变化波形的交变电流，而AC波形的下述特征是有变化的： 
“波形平衡”-波形平衡是当焊条极性为正时AC周期时间的百分率；以及 
“DC偏移”-DC偏移是波形的正和负部分的幅度不相等程度的测度。-20的DC偏移指示波形正部的幅度为19.4伏特，而负部为23伏特。另外，+20指示相反情形，即-23伏特的正部和19.4伏特的负部。 
图17描述，在由所述要求保护的发明的实施例进行的示例性焊缝中，波形平衡和DC偏移对焊接金属氮回收率的影响。如图17所示，在0％波平衡的大数据点，0.029％氮回收率，是用直流电进行的焊接的结果。在10％波平衡、+20DC偏移下得到两个焊缝，以及在 50％波平衡、-20DC偏移下得到两个焊缝，它们与DC焊缝相比具有显著地低的氮回收率。此外，在试验期间还可以看到，在波平衡和DC偏移的其他结合形式下，观察到的氮回收率高于用DC时观察到的回收率。 
另外，在附加的实施方案中，还可以通过操控波形来控制焊接金属中氧和氢的水平。减少了总体的污染水平也就减少了对灭杀、清除、或几何结构改进或溶解性限制的试剂的需求。 
下列各表提供依据本发明的实施方案进行的焊接实施例的焊缝数据和技术规范。在该实施例中，将Pipeliner 焊条(来自俄亥俄州克里夫兰市林肯电气公司)按表1中列出的过程用于5G位置。此外，图18描述对应于以下各表所示数据的焊接接缝设计结构。此金属焊接件181为API X-80级，具有17mm的厚度，并且焊缝结构如图18中所述。另外，如图18所示，焊道被图示为焊道#1至焊道#9。表2表示依据表1进行焊缝的机械试验的结果。最后，表3表示表1中所示的焊接沉积的化学物质。 
表1-焊接过程： 
Figure G2007800532783D00192
表2：机械试验结果(被焊接的焊接金属) 
Figure G2007800532783D00193
Figure G2007800532783D00201
表3：焊接沉积化学成分(SPJ)： 
Figure G2007800532783D00202
上述实施例只是对本发明实施方案的示例，而不是打算用任何方式来限制本发明。 
在本发明的实施方案中，所述短弧焊接装置是利用焊枪将焊条连续向被焊工件送进的焊接装置。这与MIG焊接工艺类似。然而，如上所指示的，该工艺是利用自保护焊剂芯焊条的无气工艺。另外，该采用短弧焊接系统和所公开的焊条的焊接方法是类似于MIG焊接的方法，即这里的焊条是通过焊枪连续送进的。 
再有，除上述讨论以外，在本发明其他实施方案中，该焊接装置可以是引擎驱动的机器或是燃料电池或基于蓄电池驱动的装置。此外，本发明也可以与自动的或机器人焊接机一起被应用。 
本发明已通过某些实施方案和应用作了描述。这些内容可以组合和互换而不脱离所附权利要求书所规定的本发明的范围。如所附权利要求书定义的系统、方法、焊条及其组合通过引用并入本说明书，作为本协同发明的新颖特征的描述的一部分。 

Claims (29)

1.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊接装置向工件送进自保护焊条；以及
采用具有高达0.3英寸平均弧长的短弧焊接工艺来用所述送进的自保护焊条焊接所述工件，
其中焊缝具有至少430MPa的抗屈强度，至少690MPa的抗张强度，以及在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述焊条是焊剂芯自保护焊条。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述焊条是通过焊枪向所述工件送进的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述焊缝具有在690到825MPa范围内的抗张强度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述焊缝满足焊接用于液化天然气的储存罐的要求。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述自保护焊条是自保护焊剂芯弧焊丝。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过下述操作控制所述短弧焊接工艺的熔化脉冲，其中在所述熔化脉冲之后是低电流转移周期：
测量所述熔化脉冲和在所述转移周期期间的短路之间的持续时间；
针对所述持续时间设定期望时间；
通过比较所述测量的持续时间和所述设定的期望时间生成校正信号；以及
根据所述校正信号调节所述熔化脉冲的参数。
8.如权利要求1所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.2英寸。
9.如权利要求1所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.1英寸。
10.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊接装置向工件送进自保护焊条；以及
采用具有高达0.3英寸平均弧长的短弧焊接工艺来用所述送进的自保护焊条焊接所述工件，
其中焊缝具有至少430MPa的抗屈强度，至少690MPa的抗张强度以及在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度，
其中所述工件是用于液化天然气的储存罐，以及
其中所述自保护焊条是自保护焊剂芯电弧焊接焊条。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述焊条是通过焊枪向所述工件送进的。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述自保护焊条是自保护焊剂芯弧焊丝。
13.权利要求10所述的方法，还包括：
通过下述操作控制所述短弧焊接工艺的熔化脉冲，其中在所述熔化脉冲之后是低电流转移周期：
测量所述熔化脉冲和在所述转移周期期间的短路之间的持续时间；
针对所述持续时间设定期望时间；
通过比较所述测量的持续时间和所述设定的期望时间生成校正信号；以及
根据所述校正信号调节所述熔化脉冲的参数。
14.如权利要求10所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.2英寸。
15.如权利要求10所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.1英寸。
16.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊接装置向工件送进自保护焊条；以及
采用具有高达0.3英寸平均弧长的短弧焊接工艺来用所述送进的自保护焊条焊接所述工件，
其中焊缝具有在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述焊条是焊剂芯自保护焊条。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述焊条是通过焊枪向所述工件送进的。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述焊缝具有至少430MPa的抗屈强度。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述焊缝具有至少690MPa的抗张强度。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述焊缝具有在690MPa到825MPa范围内的抗张强度。
22.如权利要求16所述的方法，其中所述焊缝满足焊接用于液化天然气的储存罐的要求。
23.如权利要求16所述的方法，其中所述自保护焊条是自保护焊剂芯弧焊丝。
24.如权利要求16所述的方法，还包括：
通过下述操作控制所述短弧焊接工艺的熔化脉冲，其中在所述熔化脉冲之后是低电流转移周期：
测量所述熔化脉冲和在所述转移周期期间的短路之间的持续时间；
针对所述持续时间设定期望时间；
通过比较所述测量的持续时间和所述设定的期望时间生成校正信号；以及
根据所述校正信号调节所述熔化脉冲的参数。
25.如权利要求16所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.2英寸。
26.如权利要求16所述的方法，其中在所述短弧焊接工艺期间的平均弧长高达0.1英寸。
27.一种焊接设备，包括：
短弧焊接系统，所述短弧焊接系统向被焊接工件送进焊条；
其中所述焊条是自保护焊条；以及
其中所述短弧焊接系统被控制以保持高达0.3英寸的平均弧长并且以产生具有至少430MPa的抗屈强度，至少690MPa的抗张强度，以及在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度的焊缝。
28.一种焊接设备，包括：
短弧焊接系统，所述短弧焊接系统向被焊接工件送进焊条；
其中所述焊条是自保护焊条；
其中所述工件是用于液化天然气的储存罐；以及
其中所述短弧焊接系统被控制以保持高达0.3英寸的平均弧长并且以产生具有至少430MPa的抗屈强度，至少690MPa的抗张强度，以及在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度的焊缝。
29.一种焊接设备，包括：
短弧焊接系统，所述短弧焊接系统向被焊接工件送进焊条；
其中所述焊条是自保护焊条；以及
其中所述短弧焊接系统被控制以保持高达0.3英寸的平均弧长并且以产生具有在-196℃至少70焦耳的夏比V型缺口韧度的焊缝。
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