CN102601548A - 自保护焊剂芯电弧焊接的焊条 - Google Patents

Abstract

本发明公开在行进的焊条和工件间执行短电弧焊接工艺的焊接系统，包括：具有控制器的电源，用于产生把能量引入该焊条以熔化该焊条一端的电流脉冲；和低电流静止金属转移部分，在该熔化焊条与该工件短路期间紧随在该熔化脉冲末端；测量在该脉冲端和所述短路间的实际时间的计时器；设置从该脉冲到该短路需要时间的装置；基于实际时间和需要时间之间的差产生校正信号的电路；以及响应校正信号控制电流脉冲的给定参数的电路。本发明还公开使用焊剂芯焊条的电弧焊接策略，产生低程度污染和强的、坚硬的及可持续的焊接。电弧焊接工艺通常使用交流波形。有芯焊条可以是自保护焊剂芯焊条。描述了各种焊条组合物，当它与交流波形结合使用时特别有益。

Description

自保护焊剂芯电弧焊接的焊条

本申请是申请日为2006年10月30日、申请号为200610142731.5、发明名称为“增效焊接系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电弧焊接工艺，更特别涉及一种改进的短电弧焊接系统、用自保护焊剂芯电弧焊(FCAW-S)焊条焊接的方法以及该焊条的组分。

背景技术

本发明涉及使用新型有芯焊条(cored electrode)的一种新型短电弧焊接方法。当新型焊接方法与新型焊剂芯焊条结合时，有增效的关系。作为整个发明的特征，结合焊剂芯焊条的新型工艺具有独立的优点。

短电弧焊接

短路电弧焊接系统、技术和相关的概念以及管道焊接方法和设备一般在以下的美国专利中阐述，这些专利的内容引用在此作为背景信息供参考：Parks的专利4,717,807；Parks的专利4,954,691；Parks的专利5,676,857；Stava的专利5,742,029；Stava的专利5,961,863；Parks的专利5,981,906；Nicholson的专利6,093,906；Stava的专利6,160,241；Stava的专利6,172,333；Nicholson的专利6,204,478；Stava的专利6,215,100；Houston的专利6,472,634以及Stava的专利6,501,049。

电源

电弧焊接领域在可消耗的行进的焊条和工件之间使用各种焊接工艺，该工件可以包括焊接在一起的两个或者两个以上的部件。本发明涉及短电弧焊接工艺，在电流脉冲期间，行进的焊条通过电弧热量被熔化，然后，由于表面张力作用在熔化的金属形成球之后，熔化的金属球通过短路作用转移到工件上。当行进的焊丝移动该球到与工件上的熔化的金属熔池接触时发生短路，该短路是由焊接电压的急降检测的。此后，短路断开，重复短电弧焊接工艺。本发明是短电弧焊接的一种改进，优选地使用一种电源来操作，其中焊接波形的形状是由波形发生器操作高开关速度变换器的脉宽调制器来控制的，正如受让人在以下几篇专利中所公开的，诸如Parks的专利4,866,247、Blankenship的专利5,278,390以及Houston的专利6,472,634所显示的，每个专利引用在此作为参考。这三个专利说明了实施本发明的优选实施例所采用的类型的高开关速度的电源，它们引用在此作为背景技术。波形发生器的波形作为状态表(state table)保存在存储器中，依照俄亥俄州克利夫兰市林肯电气公司(the Lincoln Electric Company of Cleveland，Ohio)所倡导的标准技术，选择该状态表和输出到该波形发生器。用于在波形发生器中产生波形轮廓的状态表的选择在几个现有技术专利中公开了，诸如先前提到的Blankenship的专利5,278,390。因此，在实施本发明中使用的电源现在是公知的并且构成为本发明中使用的背景技术。新型短电弧焊接系统的一个方面是使用一种电路来确定用于形成行进焊条的熔化金属球的熔化脉冲的总能量，如在Parks的专利4,866,247中所描述的。熔化脉冲的总能量是用瓦特计进行检测的，该瓦特计在整个熔化脉冲时间都有完整的输出信号。这项技术此处引入作为参考，因为它应用在本发明的一个方面。在短电弧焊接系统中短路已经产生之后，通过随后焊接电流的增加，短路被清除。这样的程序在短电弧焊接系统是众所周知，在Ihde的专利6,617,549和Parks的专利4,866,247中有概括地描述。因此，Ihde的专利6,617,549中所描述的技术在此处也被引入作为背景技术。本发明的优选实施方式是一种在焊接工业中熟知的标准交流脉冲焊接系统的改进。受让人的先前待处理的申请描述了具有本发明优选实施的用于高频开关电源的能量测试电路或者程序的标准脉冲焊接(直流和交流)，高频开关电源的类型为实施交流短路所使用的类型。尽管不必了解本发明或者实施本发明，在2005年4月11号提出的在先申请No.11/103,040(LEEE200548)此处引入作为参考。同样地引入2004年11月6号提出的美国申请No.10/959,587(LEEE200441)作为参考。

本发明涉及一种有芯焊条和用于控制沉积特种有芯焊条的系统的熔化脉冲的短电弧焊接系统，所以不需要保护气体。该系统在脉冲和实际短路之间维持所需要的时间。这个时间是由包含短路和脉冲的所需要定时的反馈回路控制的，所以脉冲的球的尺寸变化，以维持一致的短路定时。这个工艺是其它的短电弧控制装置的实质改进，诸如在使用两个电源的Pijls的专利4,020,320中所描述的。第一电源维持不变尺寸的熔化脉冲，并且在短路和随后的清除脉冲之间有一个固定时间。在脉冲定时和熔化脉冲的参数之间没有反馈，如在本发明中所使用的。在熔化脉冲末端和短路事件之间维持所需要的时间。使用反馈回路的概念固定所需要的时间，改进了电弧稳定性。本发明适用于直流工艺，如在Pijls的专利4,020,320中所显示的，但是当使用交流短电弧焊接系统时，该发明是主要的优点。因此，Pijls的专利4,020,320引用在此作为表示直流短电弧系统的控制电路的背景技术供参考，其中在没有闭合回路的熔化脉冲的控制时，两个不相关的定时维持为常数。

有芯焊条

本发明涉及使用新型的焊剂芯焊条或者焊丝的新型焊接方法。电弧焊接的焊条或焊丝特别是用于焊接的有芯焊条的详细情况在以下美国专利中给出：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，引用所有这些专利作为参考。

而且引用2003年9月8日提交的、序号No.10/655,685(LEEE 200329)、2004年4月29日提交的、序号No.10/834,141(LEEE200408)、2004年11月6日提交的、序号No.10/959,587(LEEE200441)以及2005年11月31日提交的、序号No.11/263,064(LEEE200663)的先前申请作为背景但非现有技术供参考。

发明内容

依照本发明的第一个方面，它涉及该方法，短电弧波形的熔化脉冲由反馈回路交互地控制，但不是由固定熔化脉冲的常数值控制。通过交互地改变短电弧焊接系统中的熔化脉冲的参数维持在熔化脉冲末端和短路之间的时间。该系统优选为一种交流系统，但可以用于Pijls的专利4,020,320所概括描述类型的直流系统。使用具有由波形发生器控制的波形的单电源，有利于短电弧波形的新型控制，该波形发生器操作高开关速度变换器的脉宽调制器，如在Houston的专利6,472,634中所公开的。本发明的实施所获得的进步是使用两个单独电源的短电弧焊接的改进，如在现有技术中所显示的。

依据本发明第一个方面的优选实施例，短电弧焊接系统是一种交流系统，其中熔化脉冲有一负极。为了维持恒定的熔化金属焊珠，有一种转变电源为低电平正电流的焦耳阈值开关，所以在行进的焊条末端的熔化金属形成球，然后与工件焊接熔池短路。该交流波形优选地由波形发生器控制，波形发生器控制该波形的各个电流段的外形，并且确定该波形段的极性。在现有技术中，焦耳阈值开关用来给熔化脉冲提供恒定的能量。依据本发明，有一个计时器，用来测量在熔化脉冲之后焊条短路的时间。反馈回路用来维持在熔化脉冲和短路事件之间的稳定时间(consistent time)。这个时间控制稳定了电弧和短路循环。理想地，在熔化脉冲和短路之间的时间约为1.0ms。取决于焊条的尺寸和沉积速率，在熔化脉冲和短路事件之间的时间被调整为通常在0.5ms-2.0ms范围内的固定值。计时的控制主要可用于交流短电弧焊接，然而，同样概念可用于完全的直流正极。在两种情况中，具有由熔化脉冲形成的熔化金属的行进焊丝保持在低的静止正电流，该低静止正电流有利于形成为短路事件预备的球。在本发明的任一个实施例中，焦耳或者其它熔化脉冲参数是通过调节反馈回路以维持短路事件预置的时间来控制的。

本发明第一方面的交流实施例主要用于焊剂芯类型的管状焊条，特别是在芯中有合金组分的焊剂芯焊条的新型实施例。基于短路时间的反馈，焊剂芯焊条的熔化循环的控制是维持交流短路焊接工艺的稳定性的非常准确的过程。本发明也特别适用于使用有芯焊条(特别是新型的焊剂芯焊条)的管道焊接。当使用该新型方法时，这种焊条的焊接电流是低于喷焊的阈值电流。因此，金属转移到管道连接必然涉及一些类型的短路，通常为本发明所涉及的类型的球状短路转移。使用交流短电弧焊接改进焊接稳定性仍然导致电弧的不稳定。通过实施本发明，这种不稳定性已经克服了。因此，本发明特别适用于使用有芯焊条的管道连接处的交流短电弧焊接。

依据本发明第一个方面，提供一种在行进的焊条和工件之间执行短电弧焊接工艺的焊接系统。其中该系统包括具有控制器的电源，用于产生电流脉冲，该电流脉冲引入能量到焊条，以熔化焊条末端，以及产生低电流静止的金属转移部分，它允许在焊条末端的熔化金属沉积到工件的焊接熔池。在低电流金属转移部分期间，熔化金属与熔化的金属熔池短路。计时器测量在熔化脉冲末端和短路事件之间的实际时间。一个装置用来设置在该脉冲和短路事件之间所需要的时间，并且基于实际时间和所需要的时间之间的不同，一个电路用来产生校正信号。这个校正信号用来控制熔化脉冲的给定参数，诸如在熔化脉冲期间引入到焊条的总能量。

依据本发明第一个方面的优选实施方式，短电弧焊接工艺是交流工艺，其中熔化脉冲是用负电流来执行的，并且波形的静止低电流金属转移部分是正极性。本发明的交流形式是特别适用于在几种焊接环境中用焊剂芯焊条的焊接，诸如管道焊接连接的根部焊道。

依据新型电源的另一方面，短电弧焊接系统的控制器包括产生短路的电路，在短路之后该短路清除脉冲。在优选的电源中，波形发生器决定在任何给定时间的焊接波形的极性和外形。本发明的焊接系统是用来维持在熔化脉冲和短路之间的时间为固定值，该固定值是在0.5-2.0ms的一般范围内，优选地大约为1.0ms。

依据电源或者由该电源执行的方法的另一个方面，短电弧系统是用熔化脉冲和正极的静止部分来执行直流正极，接着是短路正极清除脉冲。本发明的这个实施方式不涉及在实施短电弧焊接工艺的波形处理期间波形发生器的波形极性变化。短电弧焊接系统是交流的，并且有控制电流脉冲的电路，该电流脉冲产生熔化脉冲和短路之间的实际时间，所以该实际时间与所希望的时间相同。的确，本发明的这个实施例维持恒定的时间，正如本发明优选的实施方式那样。

本发明的主要实施方式控制熔化脉冲的能量，以控制在熔化脉冲和最后的短路事件之间的时间。

本发明第一个方面的另一方面是提供一种控制短电弧焊接工艺的熔化脉冲的方法，使得该方法具有在熔化脉冲和短路事件之间的选择的时间。利用这个方法控制的参数优选地是熔化脉冲的总能量。本发明特别适合于在使用焊剂芯焊条在圆形开口的根部管道连接处的根部焊道中使用。

本发明的第二个方面至少部分涉及以下发现：在利用这种新型短电弧方法获得的交流焊接期间使用相对短电弧长度，来自于大气的焊接污染可以显著地减少。本发明还至少部分涉及特定的焊剂合金体制的发现，当该焊剂合金体制用于依据本发明的第二方面的焊条时。有芯焊条的焊剂/合金体制能够和创立短电弧长度。结合本发明的这些方面，提供一种增效的现象，新型方法和新型焊剂芯焊条，产生具有强度为60-70ksi的完整和坚硬的焊接金属。这些合金允许使用更薄的管道，并且在管道焊接区域不需要保护气体。

如由俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司(the Lincoln Electric Companyof Cleveland，Ohio)所倡导的波形技术已经修改用在使用焊剂芯焊条的交流焊接中。通过定制焊珠的合金为该焊珠所希望的机械特性以及较少限制焊接操作的位置，有芯焊条允许焊接操作更准确的控制。然而，为了提供电弧稳定性以及合适的熔化温度和熔化速率，用于交流工艺的波形的实际控制是相当复杂的。在电弧焊接期间焊接金属的污染仍然是使用焊剂芯焊条的交流焊接的一个问题。在焊接操作之后焊接金属中的污染可以引起在焊接金属中的孔洞、裂纹和其它类型的缺陷。因此，电弧焊接工艺设计者面对的主要挑战必需开发排除某些成分诸如来自于大气、电弧环境的污染的技术，或者抑制这些杂质的潜在的有害影响。潜在的污染源包括组成焊条的材料、工件本身的杂质和周围环境。有芯焊条可以含有“脱氧”剂(killing agents)，诸如铝、镁、锆和钛，脱氧剂与潜在的污染物化合组合来防止污染物在焊接金属中形成孔洞和有害的夹渣。本发明涉及使用独特的和新型的焊条组合物，该组合物减少有芯焊条允许在焊接金属中的污染物夹渣的趋势。该方法还减少“脱氧”剂所需要的材料的量。

特别地，本发明提供一种自保护焊剂芯电弧焊接(FCAW-S)的焊条，该焊条特别适合于使用交流波形形成具有减少污染程度的焊接。该焊条具有合金/焊剂体制，它包含从大约35％到大约55％的氟化钡、从大约2％到大约12％的氟化锂、从大约0到大约15％的氧化锂、从大约0到大约15％的氧化钡、从大约5％到大约20％的氧化铁以及多达大约25％的去氧及去氮剂。这种去氧及去氮剂可以从铝、镁、钛、锆和其组合中选择。

本发明提供一种使用焊剂芯焊条的电弧焊接方法，该焊剂芯焊条使用特定的合金/焊剂体制。该方法包括在焊条和衬底之间施加第一负电压，使得接近该衬底的焊条至少部分熔化。该方法还包括在焊条和衬底之间施加正电压，以促使来自焊条的可流动的材料块体的形成。该方法进一步包括监视通过可流动的块体在焊条和衬底之间电短路的发生。该方法进一步包括在检测电短路时在焊条和衬底之间施加第二负电压。并且，该方法包括增加第二负电压的幅度，从而消除电短路并且在基底上从可流动的块体形成焊接。焊剂芯焊条可以包括从大约35％到大约55％的氟化钡、从大约2％到大约12％的氟化锂、从大约2％到大约15％的氧化锂、从大约5％到大约20％的氧化铁以及多达大约25％的一种去氧及去氮剂，该去氧及去氮剂是从铝、镁、钛、锆组成的组及其组合中选择的。

本发明的一个目的是提供一种短电弧焊接系统，该系统控制在该工艺期间的短路事件的间隔，特别是在该工艺是以交流模式执行时。

本发明的另一个目的是提供一种短电弧焊接的方法，该方法基于熔化脉冲和短路之间的时间来控制熔化脉冲，使得该时间保持固定在所希望的值。

本发明的又另一个目的是提供一种改进的焊条组合物，特别是一种焊条填充组合物，它特别适合于与新型的短电弧焊接系统和方法结合使用。

本发明的进一步目的是提供一种增效的系统，包括短电弧工艺和焊剂芯焊条，以便稳定该电弧在尽可能短的电弧长度。因此，来自于大气的污染是最小的。合金系统和焊接工艺的结合允许该电弧稳定在这样短的电弧长度，并得到完整的和坚硬的焊接金属。

从下面结合附图的描述最这些以及其它的目的和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是在本发明优选实施例中使用的短电弧焊接系统的方框图；

图1A是沿着图1中的1A-1A线所截取的放大截面图；

图2是表示在短电弧焊接工艺中的I-IV阶段的一系列侧视图；

图3是组合电流和电压的波形图，表示在本发明优选实施例中实施的波形，如图2所示的各个阶段在图4中所公开的；

图4是说明实施本发明的优选实施例的图1的系统的改进的流程方框图；

图5和图6是用于实施本发明的另外两个实施例的图1所示的焊接系统的一部分的流程方框图；

图7和图8是图1所示的焊接系统的部分流程方框图，结合图4所示的本发明优选实施例与来自图5和图6中分别表示的本发明的实施例的组合波形控制；

图9是本发明的直流正极实施例的电流波形图；

图10是表示在管到焊接处的根部焊道或定位焊道中使用的本发明的示意正视图；

图11是说明使用代表性焊接系统和焊条的具有方框图的侧视图；

图12是沿着图11中的12-12线所截取的放大截面图，更详细地描述该焊条；

图13是表示保护套和焊芯以不同速率熔化的有芯焊条的放大的示意图；

图14是说明不能使用定制的波形用于有芯焊条焊接的缺点的类似于图13的视图；

图15是类似于图13和14的视图；以及

图16是说明根据本发明的有芯焊条和表示电弧长度的部分侧视图，该长度使用本发明是最小的。

具体实施方式

新型电源/方法

在电弧焊接工业，短电弧焊接是一种常见的焊接，它涉及如图2所示的四个阶段I、II、III和IV。进行短电弧焊接的电源可以是基于变压器的电源；但是，根据本发明优选的实施例，图1所示的系统A使用基于高开关速度的转换器的电源B，电源B具有通过线路10、12引向转换器14的交流电源或者三相电源，转换器14在电线14a、14b产生第一直流信号。依据标准的体系结构，在电源B中使用升压或者补偿(boost or buck)转换器20，通过在输出线22、24产生受控制的第二直流信号校正输入功率因素。高开关速度转换器30转换线路22、24的第二直流信号为由输出引线32、34间的大量的直流脉冲产生的波形。依据本发明优选的实施方式，引线32、34间的波形是直流正极或者交流，因此，转换器30有一个输出阶段(未显示)，它控制引线32、34之间波形的极性。这些引线分别连接到焊条E和工件WP。根据标准的短电弧技术，焊条E是经过接触端42从供给线轴或者卷筒40提供的焊丝W的行进端。因此，当在焊条E和工件WP之间缝隙产生具有希望极性的受控制波形时，焊丝W以给定的进给速度(WFS)被驱动向工件WP。焊丝W优选地是图1A中示意说明的焊剂芯焊条，并显示出包括外部低碳钢的保护套50，包围在具有焊剂的内部焊剂芯52，并且通常包括合金颗粒。分路60驱动反馈电流装置62，所以线路64上的电压信号代表焊接工艺的瞬时电弧电流。以类似的方式，装置70在输出线72上产生信号，该信号代表焊接工艺的瞬时电压。转换器30的控制器C是数字装置，诸如DSP或者微处理器，它执行在通常类似体系结构中授意地叙述的功能。作为控制器C的中心部件，波形发生器100处理来自状态表的特定的波形，该状态表存储在存储单元102中并且根据所希望的焊接工艺由装置或电路104选择。在选择所希望的短电弧焊接工艺时，选择信号104a导入到存储单元102，所以定义所希望的短电弧焊接波形的属性和参数的状态表装载入波形发生器100，如线路102a所示的。波形发生器100在任何给定时间在输出电线100a上输出具有所希望的极性由在线路100b上的逻辑指示的波形的轮廓。由数字控制器C控制的图解说明的电源B是电流控制反馈型的，其中在线路64上的当前表示的电压通过误差信号放大器110与线路100a上的波形轮廓信号组合，该误差信号放大器在线路110a上有输出信号，根据标准的波形控制技术控制脉宽调制器112。在线路112a上的输出信号控制线路32、34间的波形的形状，并且实施的特定波形轮廓的极性是由线路100b上的逻辑设置。以这样的方式，波形发生器100控制脉宽调制器112，使在线路112a上具有控制转换器30的高频操作的脉冲。这个转换器的开关频率一般高于18kHz，优选地高于约40kHz。正如到目前所描述的，具有控制器C的电源B根据由俄亥俄州克利夫兰市林肯电气公司所倡导的标准技术来操作。控制器C是数字的，但是以模拟的形式说明。为了实施短电弧焊接工艺，控制器C必须接收关于在焊条E和工件WP之间的短路状况的反馈信息。控制器C的这个特征示意地表示为短路检测器120，该短路检测器在线路122上生成逻辑信号，以通知波形发生器100短路事件SC的存在。因此，当存在短路时通知发生器，并且根据处理在任何短电弧焊接工艺所实现的短路方式进行实施。正如到目前为止所描述的，控制器C是标准的技术，除了用线路100b上的逻辑控制在转换器30输出上的极性开关之外。

为了实施本发明，控制器C装备电路150，用来控制为短路预备的熔化脉冲。电路150是数字的，但是以模拟的结构示意说明。功能是由控制器C的数字处理器实现的，以控制熔化脉冲的能量。这样的能量控制电路在申请人于2005年4月11日提交的先前待处理的申请No.11/103,040(LEEE200548)中描述。这个先前申请引用在此作为参考而不作为现有技术，但作为相关技术。正如在该先前申请中所示的，脉冲焊接波形的熔化脉冲的能量可以由电路150控制，电路150包括倍增器152，用于放大在线路64、72上的瞬时信号，以在线路154上提供代表焊接工艺的瞬时功率的信号。功率信号或者线路154由标准的积分器156累加，如在Parks的专利4,866,247中所描述的。线路154上的功率信号的积分是由波形发生器100控制的，它产生方框160所示的脉冲开始指令来响应由线路162上的逻辑所指示的熔化脉冲的开始。当熔化脉冲由波形发生器100开始时，起始点是时间t₁。在线路164上的输出信号通过积分器156在线路154上开始功率信号的积分。在接收输入线172a上逻辑时，积分过程由线路170上的逻辑停止，该逻辑是通过激活停止脉冲装置或者电路172产生的。线路172a上的逻辑触发装置172，以改变在输出线172a和172c上的逻辑。在线路172c上的逻辑通知波形发生器该熔化脉冲停止以改变输出线100a上的波形。同时，在线路172b上的信号触发重置装置或电路174以改变线路170上的逻辑，以便停止瞬时功率信号的积分。在输出线156a上的数字数(digital number)载入数字寄存器180，该寄存器有一个输出182，它代表在短电弧焊接工艺中给定的熔化脉冲的总能量。这个总能量信号与存储在寄存器190的希望的能量级比较，以在线路192上提供数字数或者信号。比较器194比较由线路182上的数字代表的给定脉冲的实际能量与由线路192上的数字指示的希望的能量级。实际能量和希望的能量之间的关系控制线路172a上的逻辑。当来自线路182的信号等于线路192的信号时，比较器194改变在线路172a上的逻辑以停止脉冲，如由装置或者电路172所指示的。这停止了积分并停止了由波形发生器100所产生的熔化脉冲。电路150用来执行本发明优选的实施例，通过调节电路200改变在线路192上的数字，该实施例改变用于熔化脉冲的参考或希望的能量。与线路192上的信号相比，当达到由线路182上的数字信号确定的调节的能量或者能量阈值时，脉冲停止。新型电源的优选实施例和在组合发明中使用的方法调节电路200，通过改变熔化脉冲来改变执行新型的短电弧焊接工艺的参考能量。

使用具有数字控制器C的电源B的短电弧焊接系统A是通过调节电路200执行图3所示的波形进行操作的。交流电流波形200具有负的熔化脉冲212，由图2中的阶段I表示，其中溶化脉冲在焊条E的末端产生熔化金属220。在脉冲212中的电流电平低于喷弧所需要的电流，所以通过短路进行转移。时间t₁开始焦耳测量，正如稍后说明的。在时间t₁该脉冲有一个起始位置212a，而在时间t₂有一个停止位置212b。在熔化脉冲之后，根据标准的实践，有一个正的低电流静止转移部分214，如图2中的阶段II所表示的。在这个阶段，在行进的焊条E的末端的熔化金属220由于表面张力作用形成的等待短路的球，该短路出现在时间t₃并且表示为阶段III。因此，在时间t₂和时间t₃之间的时间是在熔化脉冲末端和短路事件之间的时间，该时间是由线路122上的逻辑指示的，如图1所示的。在阶段II之后，表示为瓶颈222的电流夹紧作用(pinch action)从熔池224中分开熔化金属220。在阶段IV所示的这个电夹紧作用由负短路脉冲216根据标准的实践来加速，该负短路脉冲216具有陡峭斜坡的第一电流部分216a并且接着具有更平缓斜坡的第二电流部分216b。最后，变短的金属分开并且在线路122上的SC逻辑转移以开始在时间t₁的、由过渡部分218所示的下一个电流脉冲。波形210是交流波形，它具有负的熔化脉冲212、低电流静止部分214和在时间t₁过渡到到下一个负脉冲的清除脉冲216。相应的电压具有波形230，它有负部分232、低电平的正部分234，该波形在短路236陷入，并且是接着负电压部分238，它在部分240过渡到下一个熔化脉冲电压232。总的循环时间是从t₁到下一个t₁，并且正的转移部分214具有少于总循环时间的20％的时间。这可防止焊接金属连根拔起。

本发明涉及一种新型的电源和用控制器C的波形发生器100来控制波形210的方法，所以基于电路200的调整，在在时间t₂的熔化脉冲212的末端和在时间t₃的实际短路事件时间之间的时间为常数。在优选实施例中，时间延迟调节是由电路250完成的，如图4所示的。在这个电路中，在时间t₂的熔化脉冲与时间t₃的短路事件之间的时间被设置为希望的0.5-2.0ms之间。优选地，设置的希望时间延迟为1.0ms，它是线路254上的信号的级别。因此，线路254上的数字是希望的时间t₂到t₃。在t₂和t₃之间的实际时间是由计时器260确定的，该计时器在时间t₂开始，在时间t₃停止。该计时器由t₅指示的合适的时间复位，用于下一次测量，时间t₅可以调节到在t₃之后的各个位置，该时间位置图解说明是在图3中的熔化脉冲期间。线路262上的数字为t₂和t₃之间的实际时间。这个实际时间存储在寄存器270中，它可以在任何合适的时间如t₂复位。因此，线路272上的数字数据是t₂和t₃之间的实际测量的时间。这个时间与线路254上的希望的时间比较。任何误差放大器可以用于数字地处理实际时间与设置时间的关系。该处理示意地表示为求和点280和数字滤波器282，数字滤波器282有一个输出284，用于调节电路200。希望的时间和实际的时间之间的差是线路284上的误差信号，该误差信号增加或者减少电路200的希望的总能量。通过更新电路290在t₂指示的合适的时间周期地更新希望的总能量。因此，图1的线路192上的信号一直是用于短电弧焊接工艺的脉冲212的希望总能量。这个总能量是由时间t₂和时间t₃之间的任何差调整的，所以脉冲212的能量维持为常数或者即将短路的希望的时间延迟。这个时间的控制稳定系统A的短电弧焊接工艺。

在图4中，新型电源的优选实施例是通过改变熔化脉冲的能量阈值以便改变在该脉冲和短电弧事件之间的定时实施的。这个时间也可以由该熔化脉冲的电压或者功率来改变，正如在图5和6中示意地说明的。在这两个实施例中，熔化脉冲的时间t₁到t₂保持固定，如方框300所示的。在这个恒定时间期间，熔化脉冲，电压或者功率被改变以控制在该脉冲和短路事件之间的时间。在图5中，来自于过滤器282的在输出线284上的数字控制反馈回路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。为了调节控制短路事件延时的功率，输出线路284上的数字用来调节反馈回路320，该反馈回路由波形发生器100与线路154上的瞬时功率比较。功率的变化是在线路322上的数字值，该数字值与线路154上的数字比较，用于控制熔化脉冲的功率。因此，在本发明的前三个实施例中，调节波形的总能量、波形的电压或者波形的功率以保持在t₂到t₃之间的恒定时间，以便稳定电弧和控制图1所示的系统A的短路事件。

根据新型电源的另一个实施例，熔化脉冲212的能量调节是与图5和图6所说明的本发明的两个改进相结合。这样的结合控制表示在图7和图8中，其中先前求和点280和数字过滤器282图解说明为在模拟误差放大器330中组合。当达到阈值能量时，正如线路182上的逻辑所指示的，部件或者程序具有用于停止熔化脉冲的逻辑的输出332。因此，脉冲的总能量与图7中的脉冲电压控制电路310和如图8中所示的脉冲功率控制320一起被控制。输出312与输出172c结合，用于控制波形发生器100的线路100a上的波形轮廓。以类似的方式，能量级是由线路172c上的逻辑与功率脉冲控制电路320的输出线322上的数字信息组合控制的。参数的其它组合可以用来控制熔化脉冲212，以保证准确地控制在熔化脉冲和短路事件之间的时间。这样的其它参数都是在使用闭合反馈回路控制波形发生器的技术领域的技能范围内。

本发明优选地是一种交流工艺，如在图4中所示的；但是，直流正波形400也可以使用，如图9所示的。熔化脉冲402有一个高的正电流402a，直到脉冲在时间t₂停止。在直流正模式中的电流被限制在低于喷弧所需要的电平，所以金属在没有短路情况下不会分开。这个概念定义该短电弧焊接工艺。然后波形过渡到低水平的正电流部分404，等待在时间t₃短路。这个低电平的正电流用在本发明优选的实施例中，并在时间t₃停止。此后，由波形发生器产生短路清除脉冲410。脉冲410有高斜坡区域412和使电流回到高电流电平402a的梯状区域414。本发明的各个示例的实施例可以用于实施正电流波形400；但是，用于控制在线路32、34上的输出波形的极性、在线路100b上的的逻辑是不需要的。

新型焊剂芯焊条

本发明电源的优选实施方式是使用如图1A中示意表示的新型的焊剂芯焊条的管道焊接操作。这样的管道焊接操作在图10中示意地说明，其中管道部分420、422定义开口焊根424。当焊丝W移动通过接触尖端42到管道连接处的开口焊根424时，如图4所示的本发明控制在焊丝W上的波形。图10表示使用本发明的特定的实施例，用于焊接管道连接处的根部焊道，以使管道部分连接在一起，用于随后用标准焊接技术连接。

在一些实施例中，根据本发明的电源和/或焊接操作展示了下面的一个或者多个方面。电流密度一般小于喷弧焊接所要求的量，因为金属转移的主要方式是短路焊接。正如在许多短路工艺中，依据焊丝的直径建立夹紧电流，例如，对于5/64英寸的焊剂芯焊丝，可以使用625安培的电流。一般地，正电流趋向于设置电弧长度。如果允许正电流达到与负电流电弧长度相同的程度(level)，即使半毫秒，正电流电弧将达到非希望的长度。一般地，正侧的控制电流(positive side control current)是在大约50-125安培的范围，优选地约为75安培。该波形的负部分可以是具有大约百分5-15电流的斜率的恒定功率或者电压。典型地，焊接可以在大约60Hz、10％正电流进行执行。因为正电流设置在相对低的电平，波形形状的该部分典型地小于20％。

图11和图12示意地说明波形技术的焊接机和/或者焊接系统510以及有芯焊条530。该焊接系统包括焊接机510，它具有用于引导焊条530到工件W的焊枪520。焊接系统510包括三相输入电源L1、L2和L3和电源540，三相输入电源通过整流器550、560进行整流。电源540提供输出，特别是交流波形，正如在2005年11月31日提交的美国申请No.11/263,064(LEEE200663)中所描述的，在前已引入供参考。在焊条530的末端和工件W之间产生电弧交流。焊条是具有保护套600和内部填充芯610的有芯焊条。该焊芯包括焊剂组分，如颗粒610a所表示的。这些组分610a的目的是(a)用焊渣覆盖熔化的金属来保护熔化的焊接金属不被空气污染；(b)与任何空气污染物化学地组合，以致于它们对焊接质量的负面影响可以最小化；和/或(c)产生电弧保护气体。根据标准的实践，焊剂芯610也包括合金组分，称为颗粒610b，和其它各种颗粒610c，它们组合用来提供焊剂芯610的填充物。为了优化焊接操作，必须使用有外部保护气体的固态焊丝。然而，为了产生具有特定的机械和冶金性能的焊接，需要特定的合金，该合金很难以固态形式的焊丝获得。由于气体的进入，气体保护并不总是可行的选择，或者由于有风的情况，干净气体混合物的可得到性以及困难的地形，难于取得合适保护。因此使用自保护焊剂芯焊条是有利的，这样环境不会影响焊接。

当使用有芯焊条而没有控制焊接波形时产生的共同的问题在图13中说明。焊接工艺熔化保护套600以提供一部分熔化金属630，沿着焊条周围向上熔化，正如由熔化的上端640所示的。因此，焊条的保护套比焊芯熔化得更快。这引起熔化的金属材料出现在焊条530的输出端，而没有由于熔化焊芯610的内部组分产生的保护性气体或者化学反应。因此，交流电弧在没有保护的气氛中熔化焊条610的金属。当保护套和焊芯以相同的速度熔化时，形成熔化金属所必须的的保护。熔化该被熔化金属比焊芯更快的问题进一步由图14的图形表示法所指示。在焊芯610有机会被熔化之前，来自于保护套600的熔化金属650已经连接工件W。因此，焊芯610不能为焊接工艺提供必要的保护。图13和图14显示使用有芯焊条的交流焊接没有用于海岸边的管道焊接和其它管线连接的理由。然而，当使用有芯焊条时，交流波形可以用来控制热量输入。

通过控制在焊接工艺中使用的交流波形准确的轮廓，保护套600和焊芯610可以以大约相同的速度熔化。不能合适地协调保护套的熔化和焊芯的熔化是可以使用保护性气体SG一个原因，如图15所示的。控制交流波形的轮廓的优点是可以不用外部保护性气体SG。

虽然控制交流波形可以得到重要的优点，正如先前提到的，为了提供电弧稳定性和合适的熔化温度及速度，交流波形的实际控制是相当复杂的。并且甚至使用复杂的交流波形，焊接污染也是可能的。即使使用保护性气体，使用复杂的交流波形形成的焊接污染仍然是可能的。因此，在本发明的一个优选方面，提供一些焊条组分，当与交流波形结合使用时，可以形成强壮的、坚硬的和耐用的焊接，而没有明显的污染问题，也没有交流波形所要求的控制精度。

新型焊条

当用有芯焊条通过新型方法或者电源焊接时，希望保护套和焊芯以相同的速度熔化。这个操作促使一些焊芯材料和外部保护套均匀混合，以致于熔化材料的混合物在化学上抵制空气污染的影响。产生希望的焊接金属机械的和合金特性所需要的合金元素是均匀地分布在焊接金属中。另外，从熔渣和/或气体形成的组分得到的保护的益处是优化的。正如先前提到的，这个情况在图15中说明。相反，图14说明保护套比焊芯熔化得更快的情形。在这种有害情形中，在焊剂芯610有机会熔化之前，来自于保护套500的熔化金属650已经连接工件W。金属650没有被保护而不受空气污染的影响到这样的程度，即如果未熔化的焊芯组分实际上已经熔化，保护不受空气污染应该达到程度。另外，取得所希望的机械和合金特性所需要的合金元素可以不在熔化金属650中。

正如以前所指出的，使用波形技术类型的电焊接机可以用于使用有芯焊条的交流焊接，如使用图16所示的焊条700。这样的焊条包括外部钢的保护套710，它包围由微粒材料，包括合金和熔渣或者焊剂材料形成的焊芯720周围。由于有内部焊剂或者焊渣材料，所以在焊接操作过程中不需要外部的保护气体。由于在焊芯720中包括合金材料，工件730上的焊接金属740的熔池可以修改为具有精确的合金组分。这是使用有芯焊条而不是固态焊丝的根本优点和原因，在使用固态焊丝时，合金必须由焊丝的实际组分来实现。当使用固态焊丝时，调节用于焊接金属的合金是相当困难的。因此，在使用有芯焊条的高质量焊接中这是极其有利的。以可以控制为基本相同的速度，电弧AR熔化保护套710和熔化焊芯720中的组分或填充物。在焊接金属740中的污染如氢气、氮气和氧气可引起焊接金属中的孔洞问题、裂纹和其它类型的物理缺陷。因此，设计排除熔化的焊接金属中污染的焊接工艺是一种挑战。通常使用“脱氧”剂，典型地是硅、铝、钛和/或锆，它们与潜在的污染物化学组合，以防止它们在焊接金属中形成孔洞或者有害的夹杂物。而且，也可以加入“净化剂”与包含一种的氢反应，以便从焊接中除去氢。为了沉积一致完好的焊接金属740，经常需要以如下的量加入这样的脱氧剂，即这样量的脱氧剂本身对焊接金属的性能如延展性和低温韧性有害。因此，希望减少在电弧AR中的熔化金属的暴露，以防止金属的污染物从焊条700转移到工件730，所以脱氧剂可以最少。

当在交流焊接中使用新型焊条组合物时，该新型焊条组合物产生所希望的焊接，该焊接是持久的、坚硬的，并且不遭受与使用传统焊条组合物相关的问题。本发明的焊条组合物优选地与交流波形结合使用，其中交流波形正的形状和负的形状被修改以减少整个电弧长度LA。在这种方式中，更少暴露在空气中和在金属熔化期间的时间更少。交流波形和相关的焊接工艺，对于设计本发明焊条组合物的详细描述，在2005年11月31日提出的，美国申请No.11/263,064(LEEE200663)中阐述，先前已引用供参考。的确，通过减少电弧长度，当熔化金属从焊条700移动到焊接金属熔池740时，熔化金属的温度可以减小。只有使用可以进行具有正的和负的部分的不同形状的交流焊接工艺的焊接机，用有芯焊条的交流焊接才可以在本领域中有效地使用。交流波形的正的和负的部分的参数可以独立地调节，以补偿和最优化焊条700的保护套710和焊芯720的熔化。

具体地说，整个发明涉及新型焊条和交流焊接的结合，其中波形正的和负的部分可以单独调节以实现低电弧长度和减小污染的目的。使用这个策略，本发明的焊条组合物，特别因为它是自保护的，可以提供明显的优点。焊条在没有保护气体时使用，并且取决于特定的应用，可以依赖于焊芯中的去氧及去氮剂，用于另外的大气污染的保护。

本发明提供一种新型焊接方法的增效系统，该焊接方法在FCAW-S焊条的焊芯中有一组独特的合金和焊剂组合物。正如所提到的，有芯焊条是连续地进给的管状金属保护套，具有粉末焊剂和/或合金组分的焊芯。这些可以包括焊剂组分、去氧和去氮剂和合金材料，以及增加韧性和强度、改善抗腐蚀性和稳定电弧的组分。典型的焊芯材料可以包括铝、钙、碳、铬、铁、锰以及其它组分和材料。当更广泛地使用有芯焊条时，在焊接合金钢时，金属芯的产品用来调节填充的金属组合物。在金属芯焊条中的粉末一般是金属和合金粉末，而不是只在焊缝表面产生熔渣小岛的化合物。相反，焊剂芯焊条在焊接期间产生大量的焊渣覆盖物，该焊渣覆盖物支持并使焊珠成形。

本发明的合金/焊剂系统包括特定量的钡源、特定量的锂源、氧化锂、氧化铁和可选择量的氧化钙、氧化硅和氧化锰。一个或者多个钡的氟化物、氧化物和/或碳酸盐可以用作钡源。而且，一个或者多个锂的氟化物和/或碳酸盐可以用作锂源。该合金/焊剂系统包含在焊条填充物中。焊条填充物一般由焊条的大约18％到大约24％构成。优选的合金/焊剂系统包括：

从大约35％到大约55％的氟化钡作为钡源；

从大约2％到大约12％的氟化锂作为锂源；

从大约0到大约8％的碳酸钡作为第二钡源；

从大约0到大约8％的碳酸锂作为第二锂源；

从大约0到大约15％的氧化锂；

从大约0到大约15％的氧化钡；

从大约5％到大约20％的氧化铁；

从大约0到大约5％的氧化钙；

从大约0到大约5％的氧化硅；

从大约0到大约5％的氧化锰；以及

多达大约25％的铝、锰、钛、锆或及其组合物用于去氧和去氮，剩余的金属可选择地包括铁、镍、锰、硅或者其组合物。这里所述的所有百分比都是重量百分比，除非另有说明。优选地是，焊条填充组合物包括从大约35％到大约55％的氟化钡、从大约2％到大约12％的氟化锂、从大约0到大约15％的氧化锂、从大约0到大约15％的氧化钡、从大约5％到大约20％的氧化铁以及多达大约25％的去氧及去氮剂，如先前所提到的。在其它的实施例中，先前提到的优选焊条填充组合物也可以包括从大约0到大约8％的碳酸钡。在另一个实施例中，优选的焊条填充组合物可以另外包括从大约0到大约8％的碳酸锂。在又另一个实施例中，优选的填充组合物可以包括从大约0到大约5％的氧化钙。在又一个实施例中，焊条填充组合物可以包括从大约0到大约5％的二氧化硅。而且，在另一个实施例中，优选的焊条填充组合物可以包括从0到大约5％的氧化锰。其它的实施例包括使用一种或者多种这些焊剂，即碳酸钡、碳酸锂、氧化钙、氧化硅、氧化锰及其组合物。

新型方法的优选实施例包括在焊条和基底(substrate)之间施加第一负电压，以在基底附近产生至少部分熔化的焊条。该方法还包括在焊条和基底之间施加正电压，以促使从焊条形成材料的可流动块体。该方法进一步包括监视通过可流动的块体在焊条和基底之间发生的短路。该方法进一步包括在检测电短路时，在焊条和基底之间施加第二负电压。而且，该方法包括增加第二负电压的幅度，因而清除该电短路，并且从可流动块体在基底上形成焊接。在焊剂芯焊条中的焊条填充物的优选组分包括从大约35％到大约55％的氟化钡、从大约2％到大约12％的氟化锂、从大约0到大约15％的氧化锂、从大约0到大约15％的氧化钡、从大约5到大约20％的氧化铁以及多达大约25％的去氧及去氮剂，该去氧及去氮剂从以下组成的组中选择：铝、锰、钛、锆及其组合物。在另一个实施例中，另外的焊剂可以引入到优选的焊条填充物中，例如，可以包括从大约0到大约8％的碳酸钡。焊条填充组合物的另一个实施例包括从大约0到大约8％的碳酸锂。又另一个实施例包括从大约0到5％的氧化钙。另一个实施例包括从大约0到5％的氧化硅。而且，又另一个实施例包括从大约0到大约5％的氧化锰。在另一个实施例中，一种或者多种这样的焊剂可以加入或者包括在焊条填充组合物中。例如，除了先前提到氟化钡、氟化锂、氧化锂、氧化钡、氧化铁的比例以及一种或者多种特定的去氧及去氮剂外，优选的焊条填充物也可以包括从大约0到8％的碳酸锂、从大约0到5％的氧化钙、从大约0到5％的氧化硅和从大约0到5％的氧化锰。

新型的焊剂/合金系统是从传统的焊剂/合金系统改进的，它应用于FCAW-S焊条中，以取得短电弧长度以及在低热量输入下进行焊接，这是由于在这个工艺中使用的独特波形所得到的。短电弧长度和稳定的电弧是合金和焊接系统与波形的独特特征的组合的结果。本质上，焊接消耗品和工艺都被最优化，共同完成最终焊接产品的要求。

在一些实施例中，本发明提供形成具有吸引力的性能的焊接金属的方法。一般地，这些方法涉及提供具有先前描述的组分的焊芯的焊丝或焊条。优选地，该焊丝或者焊条可以任意用于没有保护性气体或者形成这种气体的焊剂的情况。该方法还包括一个操作，在该操作中，焊丝或者焊条移向所关心的区域，如在管道的两部分之间形成的连接处。优选地，这样的移动是以控制的供给速度进行的。该方法还包括产生焊接电流，通过在焊丝和管道部分之间地电弧熔化焊丝或者焊条，从而在连接处形成熔化的金属珠。该方法还包括通过一连串的短路事件转移熔化的焊丝到熔化金属珠。该方法特别适合于从具有至少约70ksi的强度和少于约0.75英寸的厚度的金属形成在管道的两个部分之间连接处的焊接。然而，值得欣赏地是，本发明可以用于厚度高于或者少于0.75英寸的管道的应用。形成的焊珠通常具有大于70ksi的拉伸强度，并且在一些应用中，大于约90ksi。在特定方面，熔化电流可以是负的。如果熔化电流是负的，金属转移操作可以通过正电流执行。然而，金属转移可以通过独立于熔化电流的正电流执行。当执行前面所描述的方法时，一般优选的是平均电弧长度少于0.3英寸，优选地是少于0.20英寸，最优选的是少于0.10英寸。在前面所述方法中，短路事件的速度优选地是自动控制的。短路事件的速度一般从大约40到大约100个循环每秒。

在其它实施例中，前面描述的概念，即使用结合这里提到的新型焊条组合物的电源和控制技术，可以用来产生在-20℃具有60J的最小Charpy V-Notch强度为的焊接金属。类似地，该方法可以用于产生在-40℃具有40J的最小Charpy V-Notch强度为的焊接金属。并且，该方法可以用于产生具有拉伸强度超过90ksi的焊接金属。因此，小于约0.75英寸的薄管道可以使用，而有该结果的节约。不需要保护气体，所以可以消除现场气体的费用。

本发明可以应用于各种广泛领域。这里描述的系统、工艺和/或者组合物特别适合于用自保护焊剂芯焊丝来焊接×80管道，标识×80是按照API5L：2000工业规范。然而，本发明可以应用于其它管道级别的连接。本发明也可以使用在“根部焊道”或者在管道上的点焊操作。与使用最初焊道的埋入的(buried)短电弧的目前熟知的实践相比，本发明可以使用更小的电弧力来熔化更大量的焊丝。本发明的另一个应用是在自动焊接应用中用于薄尺寸金属的高速焊接。

本发明以一些实施例和应用进行了描述。在不偏离权利要求所限定的本发明范围的情况下，这些可以组合和互换。如在这些权利要求所限定的系统、方法、焊条及其组合引用在此作为参考，好像该增效发明的新型特征的描述的一部分。

Claims (7)

1.一种自保护焊剂芯电弧焊接的焊条，适合于形成具有减少的污染程度的焊珠，所述焊条在其焊芯中具有合金/焊剂系统，该合金/焊剂系统包括重量百分比为：

从35％到55％的氟化钡；

从2％到12％的氟化锂；

从5％到20％的氧化铁；和

大于0％到小于等于15％的氧化锂、以及大于0％到小于等于15％的氧化钡中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的焊条，其特征在于：所述合金/焊剂系统进一步包括最多占25％重量比的从铝、锰、钛、锆及其组合组成的组中选择的至少一种去氧及去氮剂。

3.根据权利要求2所述的焊条，其特征在于所述合金/焊剂系统进一步包括：碳酸钡，所述碳酸钡构成最多8％重量比的所述合金/焊剂系统。

4.根据权利要求2所述的焊条，其特征在于：所述合金/焊剂系统包括碳酸锂，所述碳酸锂构成最多8％重量比的所述合金/焊剂系统。

5.根据权利要求2所述的焊条，其特征在于：所述合金/焊剂系统包括氧化钙，所述氧化钙构成最多5％重量比的所述合金/焊剂系统。

6.根据权利要求2所述的焊条，其特征在于：所述合金/焊剂系统包括氧化硅，所述氧化硅构成最多5％重量比的所述合金/焊剂系统。

7.根据权利要求2所述的焊条，其特征在于：所述合金/焊剂系统包括氧化锰，所述氧化锰构成最多5％重量比的所述合金/焊剂系统。

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