CN103958119A - 用于gmaw复合激光弧焊的焊条 - Google Patents

Abstract

提供一种复合激光(100)弧焊焊条(111)，所述焊条是实心焊条或者金属芯焊条。所述焊条(111)至少含有碳、锰、硅、硫和磷。所述焊条(111)具有以所述焊条(111)重量百分比计不超过0.02％的碳，在0.6％到1.2％范围内的锰，在0.3％到0.6％范围内的硅，不超过0.01％的硫，以及不超过0.01％的磷。

Description

用于GMAW复合激光弧焊的焊条

发明背景

本发明涉及根据权利要求1的焊条，根据权利要求3的制备焊条的方法以及根据权利要求14的焊接方法。符合本发明的设备，系统以及方法涉及用于GMAW复合激光弧焊的焊条。

近来，在复合激光弧焊方面已经有所进展，在复合激光弧焊中，使用激光和气体保护金属极弧焊(GMAW)方法的结合焊接工件。在这样的焊接的一个实施例中，激光被用来创建，或至少初始化，熔化的熔池，并且GMAW过程跟随在激光之后来沉积填充材料-焊条-到熔池中。因为GMAW过程典型地依照众所周知的GMAW工艺完成，所以采用符合美国焊接协会(AWS)标准的实心焊条，例如A5.18ER70S-3。然而，当在复合激光弧焊过程中焊接时，标准AWS焊条的使用可能导致固化裂纹的产生和增加的焊缝硬度，这可能使焊缝的完整性和质量降级。

发明内容

为了解决焊缝(weed)的完整性和质量降级的问题，提出根据权利要求1的焊条，根据权利要求3的制备焊条的方法以及根据权利要求14的焊接方法。本发明的进一步实施方案可以从从属权利要求(subclaims)中取得。本发明的示例性的实施方案是用于复合激光弧焊的焊条，以及制备和使用所述焊条的方法，所述焊条具有以所述焊条重量百分比计不超过0.02％的碳，在0.6％到1.2％范围内的锰，在0.3％到0.6％范围内的硅，不超过0.01％的硫，以及不超过0.01％的磷。根据所述焊接方法，所述焊条由芯和围绕所述芯的外套构成可能是适宜的。

附图简要说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1图示说明代表性的GMAW复合激光弧焊系统的图示表征；以及

图2图示说明根据本发明示例性实施方案的金属芯焊条的横截面的图示表征。

示例性实施方案的具体描述

现在将在下面通过参照附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限定本发明的范围。相似的参考编号在通篇中意指相似的要素。

图1描绘了GMAW复合激光弧焊系统100的基本表征。系统100包括激光设备103，所述激光设备103向工件W发射光束101，使所述工件开始熔化。所述激光设备103与激光电源105耦合。焊条111经由焊丝送进设备(未示出)和导电嘴113被传送到焊缝。GMAW电源115向所述焊条111提供焊接波形以致于可以使用GMAW或者相似的焊接过程将焊条沉积到焊缝。因为GMAW焊接和GMAW复合激光弧焊是众所周知的，焊接过程和各自组件的操作和结构的细节本文将不具体讨论。尽管以下的讨论参照GMAW焊接，本发明的各方面不限于用在GMAW焊接中，而是也可以用在具有相似问题的相似的焊接操作中。

如上所述，在典型的复合激光弧焊操作中，利用标准AWS A5.18ER70S-3/-6实心焊条。已经发现由于这样的标准焊条的化学组成的各方面，在GMAW复合激光弧焊中这样的标准焊条的使用会导致裂缝和过度的焊缝硬度。

AWS A5.18焊条分类要求顺应性焊条(compliant electrodes)在焊丝的组成中具有特定量的某些元素。具体地，AWS A5.18ER70S-3要求如下(以焊条重量的百分比计)：

碳(C)＝0.06％到0.15％

锰(Mn)＝0.9％到1.40％

硅(Si)＝0.45％到0.75％

硫(S)＝不超过0.035％

磷(P)＝不超过0.025％

为了典型GMAW焊接(以及相似的焊接操作)的目的，使用具有这样的组成的实心焊条导致可接受的焊缝。然而，当这样的焊条被用在GMAW复合激光弧焊时，碳、锰和硅的存在增加焊缝金属的凝固范围。同样地，熔池的固化在一个宽的温度范围上发生。这引起最后的液体在焊缝的枝晶间区域凝固以具有这些合金元素(C，Si和Mn)的增加的浓度。该浓度引起此区域的固化温度变得甚至更低。从而，当这在具有高压力的焊接点的区域发生时——例如在具有高的深宽比的焊接点中可能经历——其可能导致焊缝中的裂缝。这可以被称作固化裂缝。此外，由这样的焊条产生的焊缝的冷却速率可能会足够高以引起固化的焊缝具有高硬度微观结构。这可能导致整体焊缝具有高硬度，取决于工件的应用这可能是不利的。

本发明的实施方案通过使用具有超出AWS A5.18分类范围以外的特定组成的焊条克服或者消除上述问题，所述实施方案可以用于GMAW复合激光弧焊。

具体地，根据本发明的焊条的示例性的实施方案具有如下组分，以焊条的重量百分比计：

碳(C)＝不超过0.02％

锰(Mn)＝0.6％到1.2％

硅(Si)＝0.3％到0.6％

硫(S)＝不超过0.01％

磷(P)＝不超过0.01％

在进一步的示例性实施方案中，碳的水平在0.005％到0.015％范围内。在另一个示例性实施方案中，所述锰在0.6％到0.9％范围内并且所述硅在0.3％到0.45％范围内。在进一步的示例性实施方案中，硫和磷的量分别在0.002％与0.007％范围内。从而，焊条的另一个实施方案可以具有如下百分比的上述组分：

碳(C)＝0.005％到0.015％

锰(Mn)＝0.6％到0.90％

硅(Si)＝0.3％到0.45％

硫(S)＝不超过0.002％到0.007％

磷(P)＝不超过0.002％到0.007％

当然，上述认定的百分比的各种组合可以被利用以针对给定的焊接操作优化焊条性能。例如，碳的水平可以在0.005％到0.015％范围内，同时锰在0.6％到1.2％范围内。也可以做相似的示例性组合。然而，为保证质量和可接受的焊缝，应该选择成比例的百分比。例如，应该选择组分，以使固化裂缝，焊缝硬度和孔隙率最小化。

在具有上述组成百分比的本发明的各种示例性实施方案中，当被采用在GMAW复合激光弧焊时，在焊缝固化期间焊缝金属的性能比使用AWS焊条有所改善。通过使用这样的低水平的上述组分，熔池的凝固范围减小了。此外，尽管上述组分的水平降低了，但是它们足以保证几乎没有归因于氧气试图从焊缝逸散的孔隙产生。如果一些组分的水平降低太多，例如Si和Mn，氧气气泡可能在熔池中被创建，由于氧气气泡试图从熔池逸散，而导致孔隙。此外，上述具体组成防止硫化铁的液膜形成，所述液膜也可以导致焊缝中的裂缝。

图2描绘了本发明的示例性实施方案。所示的焊条111是金属芯焊条，所述金属芯焊条具有外套201和芯203。外套201可以由任何已知的或常规的方式制做和形成，并且可以具有典型地用于金属芯焊条制造的组成。在一些示例性实施方案中，所有上述认定的组分在芯203中都被找到，所述芯203是粉末或者颗粒的形式。也就是，所述碳、锰、硅、硫和磷中的每个都位于芯203中。其他实施方案具有上述在焊条的套201中被认定的组分中的至少一些。例如，在示例性实施方案中，碳、锰、硅、硫和磷中的至少一个在焊条的套201中。在再另一个示例性实施方案中，套201和芯203的每个具有相当量的至少上述被认定组分中的一些。例如，在本发明的示例性实施方案中，套201可以含有至少25％的所述组分。也就是，套201可以含有至少25％的碳、锰、硅、硫和磷中的任何一个或者全部。

套201代表焊条111的重量的大部分。在示例性实施方案中，芯203代表焊条总重量的5％到35％的重量。在其他示例性实施方案中，芯203代表焊条总重量10％到25％的重量。

如上所述，本发明不被限于图2所示的金属芯焊丝，而是可以被制备为实芯焊条。然而，使用金属芯焊条的优势在于顾及了焊条物质的化学组成和性质的相对便宜的调节。这是因为物质的化学组成和性质调节可以主要通过芯材料化学组成和性质的改变来完成，而不是主要通过用于拉制实芯焊丝的原材料的改变来完成。

本发明的示例性实施方案中，焊条111剩余的重量百分比可以由典型出现在AWSA5.18标准焊条中的元素构成，所述元素包括但不限于：铜，铁，铬，钼，镍，钒等。这些元素的各自的量将被提供为不超过AWS标准要求的量。

由于上述提及的元素的特定量，本发明的实施方案可以用于GMAW复合激光弧焊而不引起固化裂缝，而且仍然达到通常使用ER70S焊条所可以达到的焊缝强度和性能—所述ER70S焊条已经是典型地被使用的了。具体地，根据本发明制成的焊条111所产生的焊缝可以达到至少58ksi屈服强度和至少70ksi拉伸强度的强度水平。

根据本发明示例性实施方案制备的焊条可以伴随以典型的保护气体混合物被焊接，所述保护气体混合物包括但不限于100％二氧化碳或者氩和二氧化碳的混合物。

本发明的实施方案可以利用已知的制备方法制造。具体地，对于实心焊条，如在本文所述，实心焊条可以由具有适当的物质的化学组成和性质的“未加工的棒(green rod)”拉伸到适当的直径。因此，具有如本文所述的期望的物质的化学组成和性质的原料或者未加工的棒被制成，并且随后所述原料被拉制——通过已知的拉制或者制造方法——到期望的直径并且具有任何期望的覆层。这样的方法是已知的，并且不需要在本文描述。对于金属-芯实施方案，典型地，套201被形成为具有期望的宽度和厚度的平的备料。所述平的备料随后通过一形成过程成形为U形槽。芯材料被沉积到所述U形槽并且所述U形槽被闭合以形成圆形的套201，所述圆形的套201将芯203完全围住以固定芯材料。当然，可以采用其他已知的或者已使用的制造方法。

本发明的实施方案可以制成任何已知的焊条直径，或者焊接操作需要的任何其他焊条直径。

尽管本发明已经参照其示例性实施方案被具体地示出和描述，但本发明不被限于这些实施方案。本领域的普通技术人员将理解的是，其中可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离如由随后的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考编号

100  激光焊接系统

101  光束

103  激光设备

105  激光电源

111  焊条

113  导电嘴

115  电源

201  外套

203  芯

W    工件

Claims (15)

1.一种用于复合激光弧焊(100)的焊条(111)，所述焊条(111)包括：

焊条主体；

其中所述焊条主体包括碳、锰、硅、硫和磷，以至于以所述焊条主体的重量百分比计存在：

不超过0.02％的碳，

在0.6％到1.2％范围内的锰，

在0.3％到0.6％范围内的硅，

不超过0.01％的硫，以及

不超过0.01％的磷。

2.如权利要求1所述的焊条(111)，其中所述焊条主体由芯(203)和围绕所述芯(203)的外套(201)构成。

3.一种制造焊条的方法，所述方法包括：

形成焊条主体，所述焊条主体至少具有碳、锰、硅、硫和磷，以至于以所述焊条主体的重量百分比计存在：

不超过0.02％的碳，

在0.6％到1.2％范围内的锰，

在0.3％到0.6％范围内的硅，

不超过0.01％的硫，以及

不超过0.01％的磷。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述碳在所述焊条主体重量的0.005％到0.015％的范围内。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述锰在所述焊条主体重量的0.6％到0.9％的范围内。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述硅在所述焊条主体重量的0.3％到0.45％的范围内。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述硫在所述焊条主体重量的0.002％到0.007％的范围内。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述磷在所述焊条主体重量的0.002％到0.007％的范围内。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述碳为所述焊条主体重量的0.005％到0.015％的范围内，并且所述硫和磷中的每一个在所述焊条主体重量的0.002％到0.007％的范围内。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述形成步骤包括将芯(203)沉积到外套(201)中并且围绕所述芯(203)封闭所述外套(201)。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述碳、锰、硅、硫和磷中的每一个在所述芯(203)中。

12.如权利要求1至11中任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述芯为所述焊条(111)重量的5％到35％。

13.如权利要求1至12中任一项所述的方法或焊条(111)，其中所述芯为所述焊条(111)重量的10％到25％。

14.一种焊接方法，所述方法包括；

将激光束(101)引导到工件(W)以熔化所述工件(W)的至少一部分；

传送焊条(111)到所述工件(W)；以及

利用弧焊工艺将所述焊条(111)沉积在所述熔化的部分中，

其中所述焊条(111)包括碳、锰、硅、硫和磷，以至于以所述焊条主体的重量百分比计存在：

不超过0.02％的碳，

在0.6％到1.2％范围内的锰，

在0.3％到0.6％范围内的硅，

不超过0.01％的硫，以及

不超过0.01％的磷。

15.如权利要求14所述的焊接方法，其中所述碳在所述焊条(111)重量的0.005％到0.015％的范围内，并且所述硫和磷中的每一个在所述焊条(111)重量的0.002％到0.007％的范围内。