CN105772982A - 热丝激光熔敷工艺以及用于所述工艺的消耗品 - Google Patents

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Abstract

本文所描述的发明大体上涉及热丝激光熔敷领域的改进的工艺，所述改进包括在焊条中添加增加量的去氧金属，所述去氧金属选自由Al、Ti、Si、Mn和Zr中的至少一种组成的组，所述增加量的去氧金属的添加将熔敷速率提高了至少10-30％。

Description

热丝激光熔敷工艺以及用于所述工艺的消耗品
优先权：本申请要求2015年1月9日递交的美国临时申请62/101,511的优先权，所述临时申请通过引用以其整体被并入本文。
技术领域
本文所描述的发明大体上涉及热丝激光熔敷领域的改进的工艺，并且尤其涉及在管(pipe)/管道(tube)或弯曲表面上的激光熔敷。
背景技术
熔敷是一种已经完善的工艺，该工艺用于各种行业中以改进部件的表面及近表面性质(例如，耐磨性、耐腐蚀性或耐热性)，或者为经使用已经变得磨损的部件重塑表面。熔敷具体地涉及具有与基体材料不同组成的新表面层的创建。
熔敷技术可以被宽泛地分为三个类别：弧焊；热喷涂；以及基于激光的方法。这些方法中的每一种都具有优势和局限性。
激光熔敷在概念上类似于弧焊方法，而激光被用于熔化基质和熔敷材料的表面，所述熔敷材料可以是丝、带或粉末形式的。激光熔敷通常用CO2、各种类型的Nd:YAG以及最近通常用的光纤激光来实施。
激光熔敷典型地产生高质量的熔敷物，所述熔敷物是一种具有低稀释度、低多孔性和良好的表面均匀性的熔敷物。激光熔敷在所述部件上产生最小化的热量输入，这很大程度上消除了变形和对后处理的需求，并且避免了合金元素的损失和基体材料的硬化。此外，伴随着激光熔敷而经历的迅速自然淬火导致熔敷层中精细的颗粒结构。
示例性的激光熔敷工艺将预热气体金属弧焊(“GMAW”)焊丝与多千瓦级(multikilowatt)、固态、光纤传送的激光结合。可编程的GMAW电源仅能够被用于加热焊丝，并且电流被短路以防止出现传统的电弧。电源可以使用将加热电源与激光控制同步的软件。以指定角度供给至激光束的预热焊丝减少了来自激光的功率要求，所述功率要求刚好足够铺设熔敷物并使之流动，但又不能过大以导致过度稀释。结果是一种具有与粉末激光熔敷类似的稀释性质并且具有使用焊丝的优势(包括离位(out-of-position)能力)的熔敷工艺。
然而，即使具有上述优点，圆柱形管/管道的沉积速率被限制，而在熔敷行业中，以更快的速率沉积熔敷材料的能力是非常重要的。
发明内容
按照本发明，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝(weldingwire)的熔敷速度的工艺，改进包括：向焊接焊丝添加额外的Al以致Al的总量是至少0.05wt.％的Al，所述工艺还包括：相比于所述工艺采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的情况，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少10％。
本发明的另一个方面，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝的熔敷速度的工艺，改进包括：向焊接焊丝添加额外的Al以致Al的总量是至少0.10wt.％的Al，所述工艺还包括：相比于所述工艺采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的情况，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少15％。
本发明的再一个方面，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝的熔敷速度的工艺，改进包括：向焊接焊丝添加额外的Al以致Al的总量是至少0.15wt.％的Al，所述工艺还包括：相比于所述工艺采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的情况，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少20％。
本发明的再另一个方面，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝的熔敷速度的工艺，改进包括：向焊接焊丝添加额外的Al以致Al的总量是至少0.15wt.％的Al，所述工艺还包括：相比于所述工艺采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的情况，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少30％。
本发明的另一个方面，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝的熔敷速度的工艺，改进包括：向焊接焊丝添加额外的去氧金属以致去氧金属的总量在Al、Ti、Si、Mn和Zr中的至少一种上比标准AWSERNiCrMo-10焊条的规格高至少10％，并且其中焊接焊条具有少于0.10wt.％的Al、0.015wt.％的Ti、0.01wt.％的Si、0.14wt.％的Mn和0.001wt.％的Zr，所述工艺还包括：相比于所述工艺采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的情况，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少20％。
在一个具体的实施方案中，提供了提高符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的高镍含量焊接焊丝的熔敷速度的工艺，改进包括：具有如下重量百分比的元素的焊接焊丝：
所述工艺还可以包括，相比于采用符合AWSERNiCrMo-10标准并具有少于0.03wt％的Al的焊接焊丝的工艺，将要被熔敷的基质的旋转速度提高至少20％。
当从附图、详细的说明和所附的权利要求的角度考虑时，本发明的实施方案的这些和其他目的将是明显的。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，其中：
图1是本发明的系统的示例性实施方案的图解表示；以及
图2是本发明的实施方案的熔敷工艺的进一步观察的图解表示。
具体实施方式
现在，本发明的示例性实施方案将在下文中通过参考所附的附图来描述。所描述的示例性实施方案意在辅助对本发明的理解，且并非意在以任何方式限定本发明的范围。贯穿于全文，同样的参考编号指代同样的元件。
要注意的是，对本发明的示例性实施方案的如下讨论是在熔敷管/管道或弯曲的表面的背景下讨论和描述的。然而，其他示例性实施方案可以被应用于所有类型的要被熔敷的表面，并且本发明的实施方案不局限于这方面。另外，以下讨论集中于使用激光来为熔敷操作提供热量的示例性实施方案。然而，在其他示例性实施方案中，可以使用其他热源。另外要注意的是，本文中提及具体元素或组成的重量百分比，均是占整个焊条/消耗品的重量百分比。
现在转向图1，示出了本发明的示例性熔敷系统100。所描绘的系统100被构造为类似于已知激光熔敷系统。系统100包括从焊丝源115输送焊丝/消耗品101的焊丝输送器110，以将焊丝101递送至熔敷工序。至少用于控制/通讯的目的，电源供应器120被耦合至焊丝输送器110。在一些示例性实施方案中，电源供应器120被用于向焊丝输送器110和/或向导电嘴125提供加热信号，以向熔敷焊丝101递送加热信号，其中加热信号被控制以致其不形成电弧。加热信号是在熔敷过程期间加热焊丝101以促进焊丝101沉积的电流信号。在其他示例性实施方案中，可以在无电源供应器120的情况下使用冷的焊丝，并且使用激光熔化焊丝。来自电源供应器120的加热信号可以从导电嘴125被引导通过工件W并回到电源供应器120(如所示)，或者电流可以仅仅通过导电嘴125，利用导电嘴125的电阻来加热焊丝101，以致无电流通过工件W。如普遍理解的，导电嘴125被定位，以致其以一角度将熔敷焊丝101递送至熔敷工序，并将焊丝沉积于熔池中。
系统100还包括激光电源供应器150，所述激光电源供应器150向焊灯组件160之内的激光155提供电源。焊灯组件160包括激光器155和喷嘴165，所述激光器155将激光束156引导至工件W的表面，而喷嘴165将保护气体引导至工件W的表面以保护熔敷操作。在熔敷操作中，激光束156被用于加热工件的表面，以便创建熔融表面，以允许来自焊丝101的熔敷层的附着。保护气体可以是有益于熔敷操作的任何类型的保护气体，并且在示例性实施方案中可以是100％的氩。保护气体可以从储槽/源140被提供，并且所述保护气体的流量可以通过阀(未示出)来控制。
控制器130用于控制系统100的运行并且可以用于将电源供应器120、激光电源供应器150和焊丝输送器110中的每一者集中控制和同步。控制器可以是任何类型的基于计算机/处理器的系统，并且尽管所述控制器在图1中被示为单独的部件，但是其可以被整合于电源供应器、激光电源供应器或焊丝输送器中的任一者。
图2描绘了熔敷操作的近观视图。在所示的实施方案中，工件W是管/管道或具有弯曲表面的其他类型的物体。当然，本发明的实施方案同样也可以被用于平坦工件上。如所示，在熔敷层C被沉积在工件W的表面上的同时，保护气体SG离开喷嘴165以提供保护。如所示，在熔敷操作的示例性实施方案期间，工件W在焊灯160下旋转，以便将熔敷层C以螺旋形的样式沉积。要注意的是，贯穿于本说明书，图中的示例性工件W被称为“管”。然而，被理解和认同的是，在一些例子中，小直径的管可以被称为“管道”。本发明的实施方案针对于熔敷各种各样的弯曲的表面，包括管、管道等。因此，术语“管”的使用并非意在局限于较大直径的管，而仅仅是示例性的。
如上文所描述的，本发明的实施方案针对于熔敷，并且本发明更具体的示例性实施方案涉及改进符合AWSERNiCrMo-10规格的镍/铬/钼焊丝的沉积速率。该AWS规格在下表中列出，其示出了具体组分占焊丝的重量百分比。在示例性实施方案中，焊丝是实心焊丝。然而，在其他示例性实施方案中，可以使用其他焊丝构造，例如，焊丝101可以是金属芯(metalcored)焊丝。该焊丝经常被用于熔敷应用，其中焊丝被沉积于表面上以提供耐腐蚀性。举例来说，使用焊丝以在管/管道表面的外部提供熔敷层。存在该AWS规格焊丝的各种商业实施方案，包括由俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司(TheLincolnElectricCompany)制造的焊丝。该焊丝被标识为622，以及该产品的典型组成也被示于下表中。
当使用这些AWS消耗品用于熔敷操作时，并且尤其当熔敷弯曲表面时，消耗品中的镍倾向于与氧反应并产生可观量的镍氧化物。随着其被形成，增加量的镍氧化物倾向于影响熔敷沉积物的流动性，并且在熔敷层的表面上产生绿色。这在较小直径的弯曲表面上尤其明显。当在弯曲表面上，并且尤其是在具有相对小的半径的弯曲表面上进行熔敷时，镍氧化物的产生通常增加。这是由于这样的事实：当存在表面的增加的曲率，保护气体难以充分保护所述操作。因为如此，管和其他弯曲表面的典型熔敷操作具有相对慢的速度并且可能使用高流速的保护气体。
如下表(表1)所示，AWS规格并未指定铝的量，并且典型组成具有0.022重量百分比的铝含量。然而，已经发现，增加该AWS类型的焊丝中的铝含量，尤其在熔敷弯曲表面时，可以改进熔敷操作的性能。事实上，已经发现，增加的铝的量能够显著提高熔敷操作的沉积速度。下表示出如上文所述的、具有增加的量的铝的焊条的示例性实施方案。该组成意在是示例性的。
表1
为了进一步解释本发明的实施方案的益处，提供了熔敷参数的对比。具体而言，当使用622的上述典型组成时，当熔敷具有0.240″的壁管道厚度(walltubethickness)、1.25″直径的基质时，针对预期沉积速率的熔敷旋转速度典型地被限定为～29mm/sec。然而，通过将上述组成中的Al的量从约0.02％增加至0.154％-0.157％之间(大概7倍超额)，在相同的、位于下方的圆形基质上的沉积速率可以被提高，以致旋转速度可以被提高至～38mm/sec，其中高达～44mm/sec的旋转速度持续给予可接受的结果。因此，本发明的示例性实施方案在生产中可以提供至少30％的增长，在商业环境中这是意义重大的。
如上文所阐述的，使用典型的622或符合AWS的焊丝的组成的熔敷材料的表面分析显示了，除Cr、Fe和Mn的氧化物之外，NiOx的存在。然而，使用具有增加量的Al的622配方的熔敷材料的表面分析显示在表面上主要存在AlOx，并存在极小量的CrOx，同时存在极小量至不存在NiOx。
在不被任何一种理论或操作模式所束缚的情况下，据信，添加受控量的去氧元素(例如，Al、Ti和可能的Si、Mn、Zr)，会防止镍的氧化，允许在更高的行进速度下的更好的润湿/改进的性能，从而提高生产率。据信，Al和Ti与氧结合比其他元素与存在于空气中的氧结合更快，这允许其他元素保留在焊接金属中，而不是氧化出来成为熔渣。在元素保留在焊池中的溶液中的情况下，焊接金属更好地被前面的焊道润湿，从而允许提高旋转速度并仍旧产生可接受的、无瑕疵的焊缝。
这与使用标准还原电势公式的数据相一致，如下表2中所复述的：
表2
如果焊条电势为正，则反应在从左至右的方向上自发反应。如果焊条电势为负，则自发反应以相反方向进行。
因此，就本发明的实施方案而言，熔敷操作受到高于已知配方的增加量的铝的积极影响。在本发明的示例性实施方案中，铝的量是在0.13-0.30wt.％的范围内。进一步地，在示例性实施方案中，存在增加量的钛，并且所述增加量的钛是在0.03-0.20wt.％的范围内。
在另外的示例性实施方案中，铝的量是焊丝重量的至少0.05％，并且在实施方案中可以是在0.05至0.3重量百分比的范围内。在此外的示例性实施方案中，铝的量是焊丝重量的至少0.1％，并且在另外的实施方案中可以是在0.1至0.3重量百分比的范围内。在再另外的示例性实施方案中，铝的量是焊丝重量的至少0.15％，并且更多的示例性实施方案可以是在0.15至0.3重量百分比的范围内。当然，要注意的是，铝的量的上限受到组成中允许的其他组分的最大量的限制。当然，铝不应当占据其他材料量的全部，但是在一些实施方案中，可以构成其他允许的材料的大部分。
就上文所描述的组成而言，本发明的示例性实施方案可以改进在弯曲表面(例如，管等)上的熔敷操作的沉积速度。事实上，本发明的示例性实施方案可以为将熔敷物沉积在工件表面上的熔敷操作提供至少大概32mm/sec的行进速度(例如，管的旋转速度)。在另外的示例性实施方案，熔敷物可以以至少大概33.5mm/sec的行进速度(例如，管的旋转速度)被沉积在工件表面。在此外的示例性实施方案中，熔敷物可以以至少大概35mm/sec的行进速度(例如，管的旋转速度)被沉积在工件表面，并且在再另外的示例性实施方案中，熔敷物可以以至少大概38mm/sec的行进速度(例如，管的旋转速度)被沉积在工件表面。取决于组成，在其他实施方案中，熔敷物可以以至少大概44mm/sec的行进速度(管的旋转速度)被沉积在工件表面。
要注意的是，来自本发明的实施方案的益处可以在平坦和弯曲表面两者上实现。然而，在一些示例性实施方案中，上述行进速度可以在弯曲的表面(如管等)，并且尤其是小直径管(例如，具有3英寸或更小的直径的管)上实现。传统上，就这样小直径的管而言，熔敷工艺要求慢速度，因为需要保证对这样弯曲的表面的适当的保护，但是就本发明的实施方案而言，可以实现上述更高的速度。该益处来自于本发明的实施方案的改进的化学过程，尽管在较小直径的管上，保护气体与弯曲表面接触的时间量是有限的。进一步地，这些提高的速度还可以用较大直径的管(在直径上大于3英寸)实现，伴随着所需保护气体的量的减少。举例来说，在传统熔敷操作中，以30-50CFH的流速使用100％的氩保护气体。然而，在本发明的示例性实施方案中，可以使用10-25CFH范围内的流速，而在其他示例性实施方案中，流速是在15-20CFH范围内。取决于熔敷操作的符合期望的性质，该流速可以被用于较大和较小直径的工件/管两者上，并且由于本文所描述的改进的组成，该流速是可实现的。
如在前述表1中所示，示出了示例性消耗品的组成。下表3示出了另外的示例性实施方案的组成。
表3
示例性的组成重量百分比
％C 0.009％至0.012％
％Mn 0.12％至0.16％
％Fe 4.2-4.8％
％P 0.003-0.004％
％S 0％
％Si 0.005％至0.015％
％Cu 0.0015％至0.0025％
％Ni 53-59％
％Co 0.06-0.065％
％Cr 20.5-22％
％Mo 12.5-14.5％
％V 0.022-0.025％
％W 3％至3.5％
％Al 0.1-0.3％
％Ti 0.015％至0.2％
％Zr 0.0005％至0.002％
％其他 余量
在另外的实施方案中，铝可以是在0.05至0.3重量百分比的范围内，并且在其他实施方案中，铝可以是在0.15至0.3重量百分比的范围内。另外，钛可以在0.03至0.1重量百分比的范围内。进一步地，如先前所解释的，本发明的实施方案通过增加其他氧化材料(而非镍)的量而被加强。这些其他氧化材料可以包括Al、Ti、Si、Mn和Zr，及其任意组合。尽管在本发明的实施方案中，铝已被发现是特别有用的氧化材料，但是这些其他氧化剂也可以提供益处。在示例性实施方案中，所使用的氧化试剂(除了镍)的组合的总重量百分比是在0.2至0.5重量百分比的范围内。在另外的示例性实施方案，该组合是在0.25至0.4重量百分比的范围内。在此外的示例性实施方案中，组合的重量百分比在0.28％至0.35％的范围内。举例来说，如果消耗品含有Al、Ti、Si、Mn和Zr中的每一种，则取决于符合期望的性能，这些氧化剂中的每一个的组合总的是在0.2至0.5重量百分比，或0.25至0.4重量百分比，或0.28或0.35重量百分比的范围内。另外，在另一个仅使用这些氧化剂的子集(例如，仅有Al、Ti和Si；或者Al、Ti、Mn和Zr；等等)的实施例中，取决于符合期望的性能，这些氧化剂中的每一种的组合总的是在0.2至0.5重量百分比，或0.25至0.4重量百分比，或0.28至0.35重量百分比的范围内。当然，可以使用其他组合来使得镍氧化物的产生最小化。
尽管已经参考其示例性实施方案详细地示出并描述了本发明，但是本发明并不被限制于这些实施方案。本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式上和细节上的各种改变，而不偏离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种熔敷消耗品；所述熔敷消耗品包括：
53至59重量百分比范围内的镍；
20.5至22重量百分比范围内的铬；
12.5至14.5重量百分比范围内的钼；以及
0.05至0.3重量百分比范围内的铝。
2.如权利要求1所述的消耗品，其中所述消耗品是实心焊丝消耗品。
3.如权利要求1所述的消耗品，其中所述消耗品是激光熔敷消耗品。
4.如权利要求1所述的消耗品，其中所述铝在0.1至0.3重量百分比的范围内。
5.如权利要求1所述的消耗品，其中所述铝在0.15至0.3重量百分比的范围内。
6.如权利要求1所述的消耗品，还包括0.03至0.2重量百分比范围内的钛。
7.如权利要求1所述的消耗品，还包括0.03至0.1重量百分比范围内的钛。
8.如权利要求1所述的消耗品，还包括钛、硅、锰和锆中的至少一种。
9.如权利要求1所述的消耗品，还包括钛、硅、锰和锆中的至少一种，并且所述钛、硅、锰和锆中的所述至少一种与铝的总量是在0.2至0.5重量百分比的范围内。
10.如权利要求1所述的消耗品，还包括钛、硅、锰和锆中的至少一种，并且所述钛、硅、锰和锆中的所述至少一种与铝的总量是在0.25至0.4重量百分比的范围内。
11.如权利要求1所述的消耗品，还包括钛、硅、锰和锆中的至少一种，并且所述钛、硅、锰和锆中的所述至少一种与铝的总量是在0.28至0.35重量百分比的范围内。
12.一种激光熔敷消耗品，所述消耗品包括：
0.009至0.012重量百分比范围内的碳；
0.12至0.16重量百分比范围内的锰；
4.2至4.8重量百分比范围内的铁；
0.003至0.004重量百分比范围内的磷；
0.005至0.015重量百分比范围内的硅；
0.0015至0.0025重量百分比范围内的铜；
53至59重量百分比范围内的镍；
0.06至0.065重量百分比范围内的钴；
20.5至22重量百分比范围内的铬；
12.5至14.5重量百分比范围内的钼；
0.022至0.025重量百分比范围内的钒；
3至3.5重量百分比范围内的钨；
0.1至0.3重量百分比范围内的铝；
0.015至0.2重量百分比范围内的钛；以及
0.0005至0.002重量百分比范围内的锆，
其中所述消耗品是实心消耗品。
13.一种激光熔敷的方法；所述方法包括：
向工件提供消耗品，其中所述消耗品包括53至59重量百分比范围内的镍，20.5至22重量百分比范围内的铬，12.5至14.5重量百分比范围内的钼和0.05至0.3重量百分比范围内的铝；
将激光束引导至所述工件处，以加热所述工件；
加热所述工件和所述消耗品中至少一者，以将熔敷层沉积在所述工件的表面上；
以至少32mm/sec的行进速度将所述消耗品沉积在所述工件上；以及
在所述消耗品的所述沉积步骤期间，提供保护气体；
其中所述工件具有弯曲表面。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述工件是具有不多于3英寸的外直径的管。
15.如权利要求13所述的方法，其中以10至25CFH范围内的流速提供所述保护气体。
16.如权利要求13所述的方法，其中以15至20CFH范围内的流速提供所述保护气体。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述行进速度是至少33.5mm/sec。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述行进速度是至少35mm/sec。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述行进速度是至少38mm/sec。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述行进速度是至少44mm/sec。
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