CN106573347A - 用于低锰焊接合金的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开大体涉及焊接合金，并且更具体地涉及用于电弧焊操作的焊接耗材(例如，焊丝和焊条)。在一个实施例中，焊接耗材包括小于大约1重量％的锰，以及选自由以下项组成的组的一种或多种增强剂：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼。所述焊接耗材还包括一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述焊接耗材包括小于大约0.6重量％的颗粒控制剂。另外，所述焊接耗材具有小于大约0.23的碳当量(CE)值。所述焊接耗材被设计成在焊接操作期间提供小于大约0.01克/分钟的锰烟气产生速率。

Description

用于低锰焊接合金的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是2014年4月30日申请的题为“用于低锰焊接合金的系统和方法(SYSTEMSAND METHODS FOR LOW-MANGANESE WELDING ALLOYS)”的第14/265,750号美国专利申请的部分接续申请，该美国专利申请要求2013年5月8日申请的题为“用于低锰焊条的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR LOW-MANGANESE WELDING ELECTRODES)”的第61/821,064号美国临时专利申请的优先权，两个美国专利申请的公开内容出于各种目的以全文引用方式并入本文。
背景技术
本公开大体涉及焊接合金，以及更具体地涉及用于焊接的，诸如用于熔化极气体保护电弧焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)、钨极气体保护电弧焊(Gas Tungsten ArcWelding,GTAW)、保护金属极电弧焊(Shielded Metal Arc Welding,SMAW)以及药芯焊丝电弧焊(Flux Core Arc Welding,FCAW)的焊接耗材(例如，焊丝和焊条)。
焊接是一种已经在各种工业的多种应用中变得日益普遍存在的工艺。例如，焊接往往用于诸如造船业、海上平台、建筑、钢管厂等等应用。某些焊接技术(例如，熔化极气体保护电弧焊(GMAW)、气体保护药芯焊丝电弧焊(Gas-shielded Flux Core Arc Welding,FCAW-G)、自保护药芯焊丝电弧焊(Self-shielded Flux Core Arc Welding,FCAW-S)，以及埋弧焊(Submerged Arc Welding,SAW))通常利用焊丝形式的焊接耗材。其它焊接技术(例如，熔化极保护电弧焊(SMAW)和钨极气体保护电弧焊(GTAW))可利用焊棒或焊条形式的焊接耗材。这些类型的焊接耗材通常可提供填料金属的供应以在工件上形成焊接沉积物(welding deposit)。
发明内容
在一个实施例中，焊接耗材包括小于大约1重量％的锰，以及选自由以下项组成的组的一种或多种增强剂：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼。另外，所述焊接耗材具有小于大约0.23的碳当量(carbon equivalence,CE)值。所述焊接耗材还包括一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述焊接耗材包括小于大约0.6重量％的颗粒控制剂。所述焊接耗材被设计成在焊接操作期间提供小于大约0.01克/分钟的锰烟气产生速率。
在另一实施例中，一种在焊接操作期间形成焊接沉积物的方法包括将焊接耗材朝向结构钢工件推进，其中所述焊接耗材包含小于大约1重量％的锰。所述方法包括在焊条和结构钢工件之间产生电弧。所述方法还包括使焊接耗材的一部分以及结构钢工件的一部分熔融以形成焊接沉积物，其中焊接操作每分钟产生小于大约0.01克的锰烟气。
在另一实施例中，一种焊接沉积物使用每分钟产生小于大约0.01克的锰烟气的电弧焊操作和焊接耗材而形成在钢工件上。所述焊接沉积物包含：小于大约1重量％的锰；大于或等于大约70ksi的拉伸强度；大于或等于大约58ksi的屈服强度；用伸长百分比所度量的延展性，所述延展性为至少大约22％；以及在-20℉下大于或等于大约20ft-lbs的夏比V型缺口(CVN)冲击韧性。
附图说明
本发明的这些和其它特征、方面和优点在结合附图阅读以下详细描述后将变得更易理解，在所述附图中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
图1是根据本公开的实施例的熔化极气体保护电弧焊(GMAW)系统的方块图；
图2是图示使用本公开的实心焊条的实施例进行的一系列示例焊接操作的熔离速率对焊接电流的曲线图；
图3是图示使用图2的实心焊条实施例进行的所述系列实例焊接操作的熔离速率对送丝速度的曲线图；
图4是图示使用图2的实心焊条实施例进行的所述系列实例焊接操作的焊条转化为烟气的百分比对送丝速度的曲线图；
图5是图示使用图2的实心焊条实施例进行的所述系列实例焊接操作的焊接烟气产生速率对送丝速度的曲线图；以及
图6是图示使用图2的实心焊条实施例进行的所述系列实例焊接操作的锰焊接烟气产生速率对送丝速度的曲线图。
具体实施方式
下文将描述本公开的一个或多个具体实施例。致力于提供对这些实施例的简明描述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的所有特征。应当理解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或者设计项目中，必须做出众多特异于实施方式的判定来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件可在从一个实施方式到另一个实施方式中为不同的。此外，应当理解的是，此类开发计划可为复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。
当介绍本公开的各个实施例的要素时，冠词“一(a/an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在表示可存在一个或多个要素。术语“包括(comprising/including)”和“具有(having)”旨在为包含性的并且表示可存在除所列出的要素以外的其它要素。应当理解的是，如本文所使用的，术语“管状焊条”或者“管状焊丝”可代表具有金属包层和颗粒状或者粉末状内芯的任何焊丝或者焊条，诸如金属粉芯或者药芯焊条。应当理解的是，如本文所用的术语“管状”可包括各种焊丝形状，包括圆形、椭圆形、正方形、多边形，或者任何其它合适的形状。应当理解的是，关于特定组分使用的用语“基本上不含”可代表所述特定组分是以仅痕量浓度(例如，小于大约0.01％，小于大约0.001％，或者小于大约0.0001％)存在的，或者完全不存在的(例如，0重量％或者低于检测限)。
本发明的实施例针对用于焊接应用的合金(例如，如焊接耗材)。例如，本文所公开的焊接合金可在某些实施例中形成为实心焊丝(例如，用于GMAW或者SAW应用)。在某些实施例中，所公开的焊接合金可形成为焊丝、被切割成数段，以及随后用焊剂(flux)涂覆，从而形成电焊条(例如，用于SMAW应用)。在其它实施例中，本文所公开的合金可形成为管状焊丝的包层并且填充有颗粒状内芯材料，从而产生药芯或金属粉芯的焊丝(例如，用于FCAW-G或者FCAW-S应用)。在某些实施例中，所公开的焊接合金可形成为焊丝并且被切割成棒条的长度，以用于钨极气体保护电弧焊(GTAW)应用。因此，可了解到，本文所公开的合金可用于许多焊接耗材的生产。
具体地，本文所公开的焊接合金具有低锰含量。更具体地，所公开的焊接合金实施例包含小于大约2重量％的锰，诸如小于大约1.5重量％的锰，小于大约1重量％的锰，小于大约0.9重量％的锰，或者甚至仅包含痕量的锰含量。因此，如下文详细阐述的，所公开的焊接合金使得能够生产具有比其它焊接耗材的锰含量少大约5％和大约95％之间的焊接耗材(例如，焊丝和焊条)，并且这些焊接耗材使得能够生产低锰焊接沉积物和低锰焊接烟气。此外，本公开的焊接合金可用于焊接结构钢(例如，软钢、低合金钢、碳钢，或者其它合适的结构钢)和非结构钢(例如，铬钼钢)。本公开的焊接合金提供了与使用具有相当高锰含量的焊接耗材形成的焊接沉积物的性能相当或者超过该性能的焊接沉积物性能(例如，拉伸强度、屈服强度等等)。例如，本实施例使得能够形成锰含量小于大约2重量％的焊接沉积物，虽然所述焊接沉积物具有低锰含量，但是其提供了合适的拉伸强度(例如，至少70千磅每平方英寸(ksi))以及合适的韧性(例如，在-20℉为至少20英尺磅(ft-lbs)的夏比V型缺口(CharpyV-notch，CVN)冲击韧性)。
此外，虽然本公开的焊接合金可用于生产若干不同类型的焊接耗材(例如，焊条棒、电焊条(stick electrodes)、药芯焊丝、金属粉芯焊丝，或者实心焊条(solidelectrodes))，但是某些本实施例尤其适合于形成实心焊丝。可了解到，一般来说，实心焊丝比药芯焊丝产生更少的焊接烟气，并且一般提供具有少量或不具有焊渣的洁净的焊接沉积物。与此相反，药芯焊丝一般形成包括焊渣层的焊接沉积物，所述焊渣层通常在焊接操作完成之后被去除。然而，虽然去除由药芯焊丝形成的焊渣层可在焊接后消耗更多的操作者时间，但是在某些实施例中，此焊渣层可有利地用来在焊接期间从焊接熔池中去除或者减少不希望的元素的浓度，这可提供对所得焊接沉积物的化学特性的更好控制。
如下文所呈现的，尽管锰含量低，但是通过在所述焊接合金中包含一种或多种增强剂(例如，镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和/或硼)和一种或多种颗粒控制剂(例如，铌、钽、钛、锆和/或硼)，实现了这些焊接沉积物的性能。换句话说，据信当焊接钢工件(例如，结构钢工件)时，尽管锰水平较低，但是一种或多种增强剂和/或一种或多种颗粒控制剂的添加使得能够实现满意的焊接沉积物的性能。另外，在某些实施例中，据信当焊接钢工件(例如，结构钢工件)时，尽管锰水平相对较低，但是在焊接合金中包含一种或多种颗粒控制剂(例如，铌、钽、钛、锆和/或硼)还补偿了较低的锰水平，以使得可获得满意的焊接沉积物机械性能(例如，韧性、拉伸强度等等)。此外，如下文详细描述的，所述组分(例如，一种或多种增强剂)是以合适的相对浓度存在于所述焊接合金中的，以使得所述焊接合金具有一般小于大约0.23(例如，在大约0.07和大约0.12之间)的碳当量值(CE)。
焊接系统
转向附图，图1示出了采用根据本公开的焊接合金制造的焊条(例如，焊丝或者焊条或者焊棒)的熔化极气体保护电弧焊(GMAW)系统10的实施例。应当理解的是，虽然本发明的论述可特定地集中于图1中示出的GMAW系统10，但是本公开的焊接合金可有益于大量不同的使用焊接耗材(诸如，焊丝或者焊棒)的焊接工艺(例如，FCAW-S、FCAW-G、GTAW、SAW，或者类似的焊接工艺)。所述焊接系统10包括焊接电源12、焊接送丝器14、供气系统16和焊炬18。所述焊接电源12一般供应电力至焊接系统10，并且可经由电缆束20耦接到焊接送丝器14。所述焊接电源12还可使用具有线夹26的铅皮电缆24耦接到工件22。在所图示的实施例中，所述焊接送丝器14经由电缆束28耦接到焊炬18，以便在焊接系统10的操作期间供应消耗的焊丝(例如，焊条)和电力到焊炬18。在另一实施例中，焊接电源12可耦接并且直接供应电力到所述焊炬18。
所述焊接电源12可一般地包括功率转换电路，所述功率转换电路从交流电电源30(例如，交流电电网、引擎/发电机组，或者它们的组合)接收输入功率，调节所述输入功率，并经由电缆20提供直流或者交流输出功率。例如，在某些实施例中，电源30可为恒压(CV)电源30。根据焊接系统10的需要，所述焊接电源12可为焊接送丝器14提供电力，转而为焊炬18提供电力。端接在线夹26中的铅皮电缆24将焊接电源12耦接到工件22，以闭合在焊接电源12、工件22和焊炬18之间的电路。焊接电源12可包括能够按照焊接系统10的要求所指示的，将交流输入功率转换成直流反接(DCEP)输出、直流正接(DCEN)输出、直流变极性、脉冲直流，或者可变平衡(例如，平衡或者不平衡的)交流输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等等)。应当理解的是，本公开的焊接合金可实现对大量不同电源配置的焊接工艺的改善(例如，改善的电弧稳定性和/或改善的焊接质量)。
所示出的焊接系统10包括供气系统16，所述供气系统16从一个或多个保护气体源17供应保护气体或保护气体混合物到焊炬18。如本文所使用的保护气体可以指任何可被提供到电弧和/或焊接熔池以提供特定局部气氛(例如，用于保护电弧、改善电弧稳定性、限制金属氧化物的形成、改善金属表面的润湿，改变焊接沉积物的化学性能，等等)的气体或气体混合物(例如，惰性或者活泼气体)。在所描述的实施例中，供气系统16经由气体导管32直接耦合到焊炬18。在另一实施例中，所述供气系统16可替代地耦接到送丝器14，并且所述送丝器14可调节气体从供气系统16到焊炬18的流动。在其它实施例中，诸如可不依赖于外部供应的保护气体的某些FCAW-S、SMAW和SAW系统，所述焊接系统10可不包括供气系统16。对于此类实施例，焊条可包括焊剂(例如，药芯或者焊剂涂层)，所述焊剂在焊接操作期间至少部分地在工件22的表面附近分解以提供局部的保护气氛。
在某些实施例中，所述保护气体流可为保护气体或者保护气体混合物(例如，氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)、氮气(N2)、氢气(H2)、类似合适的保护气体，或者它们的任何混合物)。例如，保护气体流(例如，经由气体导管32传递的)可包含Ar、CO2、Ar/CO2混合物(例如，75％的Ar和25％的CO2，90％的Ar和10％的CO2，95％的Ar和5％的CO2，等等)、Ar/CO2/O2混合物、Ar/He混合物等等。此外，可了解到，如下文详细阐述的，某些保护气体(例如，某些Ar/CO2混合物，诸如90％的Ar/10％的CO2)可减少可能在焊接操作期间产生的焊接烟气的总量。例如，在某些实施例中，所述保护气体流可包含在大约0％和100％之间的CO2，而保护气体流的剩余部分为氩气、氦气或者另一合适的气体。在某些实施例中，目前还设想了包含三种或更多种气体(例如，三元混合气)的保护气体流。另外，在某些实施例中，可以以大约35立方英尺/小时(cfh)到大约55cfh的速率(例如，大约40cfh)将所述保护气体混合物提供到电弧。
因此，所示出的焊炬18一般接收来自焊接送丝器14的焊丝、来自焊接电源12的电力，以及来自供气系统16的保护气体，以便进行工件22的GMAW。在某些实施例中，所述焊接送丝器14可为恒速焊接送丝器14。在操作期间，可使焊炬18靠近工件22，以便电弧34可在消耗的焊条(即，脱离焊炬18的接触焊嘴的焊丝)和工件22之间形成。另外，如下文所论述的，通过控制焊丝的组成可改变所得焊接的化学和机械性能。例如，在某些实施例中，焊丝可包括合金化成分以将各类成分(例如，镍、钼、硅、碳，或者其它合适的合金成分)提供到焊接熔池中，从而影响所述焊接的机械性能(例如，强度和韧性)。此外，所述焊丝的某些成分还可在电弧附近提供附加的保护气氛、影响电弧的转移特性、清洁工件表面，等等。
焊接合金组成
如下文详细论述的，本公开的焊接合金可包括大量成分。虽然这些成分可被分组成不同类别(例如，合金添加剂、增强剂、颗粒控制剂、脱氧剂等等)，但是应当理解的是，某些成分可在所述焊接工艺期间发挥多种作用。因此，可了解到本文关于发挥特定作用的特定成分的公开内容并不排除所述成分在焊接工艺期间发挥其它作用或实行其它功能。例如，如下文所阐述的，在某些实施例中，所公开的焊接合金可包含增强剂(即，镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅、硼，或它们的组合)和/或颗粒控制剂(即，铌、钽、钛、锆、硼，或它们的组合)，以便产生具有合适的机械性能(例如，对于结构钢应用来说合适的拉伸强度和韧性)的焊接沉积物。
A1(重量％) A2(重量％) A3(重量％)
碳 0.001-0.12 0.05-0.07 0.04-0.06
锰 0.05-2 0.3-0.4 0.3-0.4
硅 0.1-1.2 0.65-0.85 0.65-0.85
镍 0-5.0 0.65-0.85 0.65-0.85
钴 0-2 0.001-0.7 0.001-0.7
铬 0-0.8 0.001-0.2 0.001-0.2
钼 0-1.5 0.001-0.1 0.001-0.1
钒 0-0.1 0.0001-0.03 0.0001-0.03
铜 0.001-2 0.001-0.2 0.1-0.2
钛 0.01-0.2 0.04-0.16 0.04-0.16
锆 0.01-0.2 0.02-0.1 0.02-0.1
铝 0.001-1 0.05-0.1 0.001-0.01
铌 0-0.1 0.001-0.1 0.001-0.01
钽 0-0.2 0.001-0.2 0.001-0.2
硼 0-0.01 0.0001-0.001 0.0001-0.001
锑 0-0.25 0-0.25 0-0.25
硫 0-0.01 0.001-0.01 0.001-0.01
磷 0-0.01 0.001-0.01 0.001-0.01
铁 余量(约84-99) 余量(约96-98) 余量(约96-98)
表1.根据本发明方法的实施例，三类所公开焊接合金的化学组成。所列出的值是相对于合金总重量而言的重量百分比(重量％)。
鉴于上述内容，表1提供了根据本发明方法的实施例，三类焊接合金A1、A2和A3的化学组成(即，重量百分比范围)。可了解到，焊接合金A1界定了各种成分的最大范围，并且因此代表本公开的焊接合金实施例的最广种类。此外，焊接合金A2和A3表示一般属于A1种类的两种子类或种属，并且因此界定了本公开的焊接合金实施例的每一成分的更狭窄的范围。虽然在表1中列出了焊接合金种类A1、A2和A3的各种成分的范围，但是应当理解的是，所公开的范围不限于那些特定种类、子类或者实施例。实际上，在某些实施例中，任何所公开的成分可以以任何所公开的范围，或者以其任何子范围、以任何组合(不仅仅是针对表1的种类A1、A2和A3所指示的组合)包含在本发明方法的焊接合金实施例中。例如，本发明方法的焊接合金实施例可包含大约0重量％(或者仅痕量的)镍(如在表1中对于A1所示的)，包含在大约0.05重量％和大约0.1重量％之间的范围内的铝(如在表1中对于A2所示的)，以及包含在大约0.04重量％和大约0.06重量％之间的范围内的碳(如在表1中对于A3所示的)。可了解到，在某些实施例中，在焊接合金中存在的表1中的每一元素可基本上仅以金属或者元素形式存在，意味着所述焊接合金可基本上不含盐类或者化合物(例如，氧化物、氢氧化物、氯化物等等)或者可仅在焊接合金的外表面周围包含少量的氧化物。另外，表2列出了用本公开的焊接合金的实施例制造的两种实例实心焊丝E1和E2的成分。如表2中所指示的，实心焊丝实施例E1和E2的具体成分是以重量百分比值列出的，所述重量百分比值一般落入由表1所示的种类Al、A2和A3中的一种或更多种所界定的范围内。
E1(重量％) E2(重量％)
碳 0.052 0.05
锰 0.39 0.38
硅 0.75 0.79
镍 0.76 0.77
铬 0.04 0.01
钼 0.01 0.01
钒 0.006 <0.001
铜 <0.01 0.15
钛 0.11 0.09
锆 0.05 0.06
铝 0.08 0.05
铌 <0.001 <0.01
硼 <0.001 0.0005
硫 0.005 0.01
磷 0.001 0.002
铁 余量(约98) 余量(约98)
表2.使用根据本发明方法的焊接合金制造的实心焊丝的两个示例实施例E1和E2的化学组成。所列出的值是相对于焊丝总重量而言的重量百分比(重量％)。列为“小于”的值是以在那个成分的检测下限处或检测下限附近的水平存在的。
如在表1中所阐述的，本文所公开的焊接合金可包含在大约0.05重量％和大约2重量％之间的锰。可了解到，锰的存在一般可强化所述焊接合金。然而，如本文所使用的，术语“增强剂”并非意味着包含锰，而是包含并入到使用所公开的焊接合金的实施例形成的焊接沉积物中的其它成分(例如，镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和/或硼)，并且改进焊接沉积物的机械性能，尽管锰含量低。然而可注意到，当计算特定焊接合金实施例的碳当量(CE)时考虑了锰含量，如下文所论述的。
在某些实施例中，所述焊接合金可包含小于大约2重量％的锰(例如，小于大约1.8重量％、小于大约1.6重量％、小于大约1.4重量％，或者小于大约1.2重量％的锰)。在某些实施例中，所述焊接合金可包含小于大约1重量％的锰(例如，小于大约0.9重量％、小于大约0.8重量％、小于大约0.7重量％、小于大约0.6重量％、小于大约0.5重量％，或者小于大约0.4重量％的锰)。更具体来说，如表1所指示的，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.30重量％和大约0.40重量％之间的锰(例如，大约0.38重量％的锰或者大约0.39重量％的锰，如在表2中呈现的)，或者包含在大约0.2重量％和大约0.5重量％之间的锰。在其它实施例中，所述焊接合金的锰含量可被进一步减少，例如减少到小于大约0.30重量％、小于大约0.25重量％、小于大约0.20重量％、小于大约0.15重量％、小于大约0.10重量％、小于大约0.05重量％，或者减少到仅痕量级。在某些实施例中，所述焊接合金的锰含量可大于大约0.1重量％、大于大约0.2重量％，或者大于大约0.3重量％。在某些实施例中，所述焊接合金可根据特定目标锰含量(例如，0.35重量％)来制造，并且所得焊接合金可具有在一定公差范围(例如，±25％、±10％，或者±5％)内大约等于所述特定目标的锰含量。
在某些实施例中，所述焊接合金中的锰含量可基于使用所述焊接合金形成的焊接沉积物所需的拉伸强度来限定。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含小于或等于0.9重量％的锰并且可能能够形成具有在大约70千磅/平方英寸(ksi)和90ksi之间的拉伸强度的焊接沉积物。进一步举例来说，在某些实施例中，所述焊接合金可包含小于或等于1.4重量％的锰并且可能能够形成具有在大约90ksi和120ksi之间的拉伸强度的焊接沉积物。
增强剂
如上所述，所公开的焊接合金可包含一种或多种增强剂，以提供具有合适的机械性能(例如，拉伸强度、韧性)的焊接沉积物，尽管所述焊接合金的锰含量较低。在某些实施例中，所述一种或多种增强剂可包括奥氏体稳定剂(例如、镍、碳、铜、钴等等)，所述奥氏体稳定剂通常在焊接沉积物形成期间降低从奥氏体到铁素体的固相转变温度和/或升高从δ铁素体到奥氏体的转变温度(例如，延迟铁素体相)。另外，在某些实施例中，所述增强剂可另外或替代地包括钼、铬、钒、硅和硼中的一种或多种，这些物质一般不被视为奥氏体稳定剂，但是仍然可根据本发明技术来改善所得焊接沉积物机械性能(例如，拉伸强度、韧性)。可了解到，在焊接合金实施例中存在的增强剂的总的结合量还可经调整以提供特定的碳当量(CE)值或者范围，如下文详细论述的。
如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约5重量％之间的镍，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂。在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.01重量％和大约5重量％之间、在大约0.2重量％和大约4重量％之间、在大约0.3重量％和大约3重量％之间、在大约0.4重量％和大约2重量％之间，或者在大约0.5重量％和大约1重量％之间的镍。更具体来说，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.65重量％和0.85重量％之间的镍(例如，大约0.76重量％的镍或者大约0.77重量％的镍，如在表2中所呈现的)。此外，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.35重量％和大约0.45重量％之间，或者在大约1.75重量％和大约2.75重量％之间的镍。在某些实施例中，所述焊接合金的镍含量可大于大约0.01重量％、大于大约0.1重量％、大于大约0.15重量％、大于大约0.2重量％、小于大约5重量％、小于大约0.01重量％，或者小于大约0.001重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约2重量％之间的钴，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.01重量％和大约2重量％之间、在大约0.02重量％和大约1.5重量％之间、在大约0.03重量％和大约1.0重量％之间、在大约0.04重量％和大约0.8重量％之间，或者在大约0.05重量％和大约0.7重量％之间的钴。在某些实施例中，所述焊接合金的钴含量可大于大约0.01重量％、大于大约0.05重量％、小于大约2重量％、小于大约0.7重量％、小于大约0.01重量％，或者小于大约0.001重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0.001重量％和大约2重量％之间的铜，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.001重量％和大约0.7重量％之间、在大约0.005重量％和大约0.4重量％之间，或者在大约0.01重量％和大约0.2重量％之间的铜(例如，大约0.15重量％的铜或者小于大约0.01重量％的铜，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的铜含量可大于大约0.05重量％、小于大约2重量％、小于大约0.7重量％、小于大约0.2重量％，或者小于大约0.01重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0.001重量％和大约0.12重量％之间的碳，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂。更具体来说，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.04重量％和大约0.07重量％之间，或者在大约0.05重量％和大约0.06重量％之间的碳(例如，大约0.05重量％的碳或者大约0.052重量％的碳，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的碳含量可大于大约0.001重量％、大于大约0.01重量％、大于大约0.04重量％、小于大约0.12重量％、小于大约0.07重量％，或者小于大约0.06重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约1.5重量％之间的钼，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂(即，非奥氏体增强剂)。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.001重量％和大约1重量％之间，或者在大约0.005重量％和大约0.5重量％之间的钼(例如，大约0.01重量％的钼，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的钼含量可大于大约0.001重量％、大于大约0.01重量％、小于大约0.1重量％，或者小于大约1.5重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.8重量％之间的铬，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂(即，非奥氏体增强剂)。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.01重量％和大约0.8重量％之间，或者在大约0.01重量％和大约0.2重量％之间的铬(例如，0.01重量％或者0.04重量％的铬)。在某些实施例中，所述焊接合金的铬含量可大于大约0.001重量％、大于大约0.01重量％、小于大约0.8重量％、小于大约0.2重量％，或者小于大约0.1重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.1重量％之间的钒，以作为可改善焊接沉积物的机械性能的增强剂(即，非奥氏体增强剂)。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.0005重量％和大约0.09重量％之间，或者在大约0.001重量％和大约0.025重量％之间的钒(例如，大约0.006重量％的钒)。在某些实施例中，所述焊接合金的钒含量可大于大约0.001重量％、小于大约0.1重量％、小于大约0.03重量％，或者小于大约0.001重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0.1重量％和大约1.2重量％之间的硅。可注意到，硅可在本公开的焊接合金的实施例的配方中发挥一种以上的作用。例如，硅可发挥作为脱氧剂的作用，在焊接熔池处或附近与含氧物质反应从而生成焊渣。然而，存留在所述焊接沉积物中的硅的部分还可发挥作为增强剂(即，非奥氏体增强剂)的作用来改善焊接沉积物的机械性能。因此，表1中所公开的硅范围包括在焊接期间因脱氧消耗的部分的硅，以及将变成并入到焊接沉积物中作为增强剂的部分的硅。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.65重量％和0.85重量％之间的硅(例如，大约0.75重量％的硅或者大约0.79重量％的硅，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的硅含量可大于大约0.1重量％、大于大约0.65重量％、小于大约0.85重量％，或者小于大约1.2重量％。在下文还将在关于所公开的焊接合金实施例的脱氧成分论述硅含量。
同样如表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.01重量％之间的硼。也就是说，在某些实施例中，硼可不包含在本发明方法的焊接合金实施例中，而不会不利地影响焊接合金和/或所得焊接沉积物的性能。然而，在某些实施例中，可包含少量的硼以改善所得焊接沉积物的机械性能。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.0001重量％和大约0.001重量％之间的硼(例如，0.0005重量％的硼或者小于0.001重量％的硼，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的硼含量可大于大约0.0001重量％、小于大约0.001重量％，或者小于大约0.01重量％。可理解的是，如本文所论述的，硼可被视为增强剂和颗粒控制剂两者。也就是说，焊接合金实施例中存在的硼量一般有助于碳当量值和颗粒控制剂的总量两者，如下文所论述的。
碳当量(CE)
如上所述，本发明方法的焊接合金实施例一般包含合适水平的某些成分，即锰和一种或多种增强剂，以提供特定当量的碳含量值或者范围。例如，所公开的焊接合金实施例具有基于以下公式，根据Ito和Bessyo方法(也被称为关键金属参数，Pcm)确定的特定碳当量(CE)值或者范围：
方程1CE＝％C+％Si/30+(％Mn+％Cu+％Cr)/20+％Ni/60+％Mo/15+％V/10+5*％B
其中每一元素百分比是以相对于所述焊接合金的总重量的重量百分比提供的。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可具有小于或等于2重量％的锰含量(例如，小于大约1重量％或者在0.3重量％和0.4重量％之间的锰)和在大约0.05和大约0.25之间的CE(根据方程1确定的)。在某些实施例中，所述焊接合金可具有小于大约0.24、小于大约0.23、小于大约0.22、小于大约0.21、小于大约0.2，在大约0.2和大约0.23之间，或者在大约0.08和大约0.23之间的CE(根据方程1确定的)。在某些实施例中，管状焊丝50可具有基于所需拉伸强度选择的CE(根据方程1确定的)。例如，所述焊接合金可具有小于大约2重量％的锰含量(例如，小于大约1重量％，或者在大约0.3重量％和0.4重量％之间的锰)，并且具有在大约0.2和大约0.23之间的CE，以提供在大约90ksi和大约140ksi(例如，大约100ksi)之间的预计拉伸强度。被设计成提供较低的预计拉伸强度(例如，在大约70ksi和大约80ksi之间)的其他实施例可具有小于大约2重量％的锰含量(例如，小于大约1重量％，或者在大约0.3重量％和0.4重量％之间的锰)并且具有小于0.2的CE值，诸如在大约0.07和大约0.12之间。
颗粒控制剂
如上文在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含一种或多种可改善所得焊接沉积物的机械性能(例如，拉伸强度、韧性)的颗粒控制剂。在某些实施例中，这些颗粒控制剂可包含铌、钽、钛、锆、硼，以及它们的组合。相应地，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.02重量％和大约2.3重量％之间、在大约0.02重量％和大约0.6重量％之间、在大约0.05重量％和大约0.7重量％之间，或者在大约0.06重量％和大约0.6重量％之间的组合颗粒控制剂。在某些实施例中，所述焊接合金的组合颗粒控制剂含量可大于大约0.02重量％、大于大约0.06重量％、小于大约0.6重量％，或者小于大约0.56重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.1重量％之间的铌以作为可改善焊接沉积物的机械性能的颗粒控制剂。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.001重量％和大约0.1重量％之间、在大约0.005重量％和大约0.09重量％之间，或者在大约0.01重量％和大约0.08重量％之间的铌。在某些实施例中，所述焊接合金的铌含量可大于大约0.001重量％、小于大约0.15重量％、小于大约0.12重量％，或者小于大约0.1重量％。
同样如在表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.2重量％之间的钽以作为颗粒控制剂来改善焊接沉积物的机械性能的。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.001重量％和大约0.2重量％之间、在大约0.005重量％和大约0.15重量％之间，或者在大约0.01重量％和大约0.1重量％之间的钽。在某些实施例中，所述焊接合金的钽含量可大于大约0.001重量％、小于大约0.2重量％，或者小于大约0.1重量％。
同样如表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0.01重量％和大约0.2重量％之间的钛。可注意到的是，与上文论述的硅类似，钛可在焊接操作中发挥一种以上的作用。例如，钛可发挥作为脱氧剂的作用，在焊接熔池附近与含氧物质反应从而生成焊渣，如下文所论述的。然而，在所述焊接沉积物中存留的钛还可发挥作为可改善焊接沉积物的机械性能的颗粒控制剂的作用。因此，表1中所公开的钛范围包括因脱氧消耗的钛(例如，大约60％)，以及在焊接期间将变成并入到焊接沉积物中的钛。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.01重量％和大约0.18重量％之间、在大约0.04重量％和大约0.16重量％之间，或者在大约0.08重量％和大约0.12重量％之间的钛。在某些实施例中，所述焊接合金的钛含量可大于大约0.01重量％、大于大约0.08重量％、小于大约0.2重量％，或者小于大约0.16重量％。
同样如表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0.01重量％和大约0.2重量％之间的锆。可注意到的是，与钛类似，锆可在焊接操作中发挥一种以上的作用。例如，锆可发挥作为脱氧剂的作用，在焊接熔池附近与含氧物质反应从而生成焊渣，如下文所论述的。然而，在焊接之后在所述焊接沉积物中存留的锆还可发挥作为可改善焊接沉积物的机械性能的颗粒控制剂的作用。因此，表1中所公开的锆范围包括因脱氧消耗的部分锆(例如，大约60％)，以及在焊接期间将变成并入到焊接沉积物中的部分锆。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.01重量％和大约0.15重量％之间，或者在大约0.02重量％和大约0.1重量％之间的锆。在某些实施例中，所述焊接合金的锆含量可大于大约0.01重量％、大于大约0.02重量％、大于大约0.04重量％、小于大约0.1重量％、小于大约0.08重量％，或者小于大约0.02重量％。
如上所述，焊接合金实施例中存在的硼量一般有助于碳当量(CE)值和在所述焊接合金中存在的颗粒控制剂的总量两者。如表1中所呈现的，所公开的焊接合金实施例一般包含在大约0重量％(即，不含或者痕量)和大约0.01重量％之间的硼。例如，在某些实施例中，所述焊接合金可包含在大约0.0001重量％和大约0.001重量％之间的硼(例如，0.0005重量％的硼或者小于0.001重量％的硼，如在表2中所呈现的)。在某些实施例中，所述焊接合金的硼含量可大于大约0.0001重量％、小于大约0.001重量％，或者小于大约0.01重量％。
其他成分
此外，如在表1中所呈现的，在某些实施例中，所述固态焊接合金可包含在所指示的范围内的脱氧成分(例如，钛、锆、铝和硅)。如上文所述，某些脱氧成分还可发挥其它作用(例如，增强剂、颗粒控制剂)，并且这些成分可以使得这些成分的合适部分能够变成被并入到焊接沉积物中的水平存在，从而提供这些效应。在某些实施例中，在不会不利地影响本发明方法的情况下，可不包含锑；而在其它实施例中，锑(例如，多达0.25重量％)可用于调整所得焊接沉积物的性能。在某些实施例中，所公开的焊接合金实施例可包含大于大约80重量％的铁(例如，大于大约83重量％、大于大约84重量％、大于大约90重量％、大于大约95重量％、大于大约96重量％、大于大约97重量％、大于大约98重量％、大于大约99重量％的铁，或者剩余部分为铁)。
AWS标准和分类
某些用于焊接结构钢的焊条(例如，根据美国焊接学会(AWS)A5.18ER70S-2标准制造的焊条)包含在0.9重量％和1.4重量％之间的锰。相较而言，ER70S-2焊丝包含比本发明方法的某些焊接合金实施例(诸如具有在大约0.3重量％和大约0.4重量％之间的锰的焊接合金实施例)高大约2倍和大约5倍之间的锰含量。此外，基于AWS规范，ER70S-2焊丝包含小于或等于0.15重量％的镍。相较而言，本发明方法的某些实施例(例如，表1的子类A2和A3的实施例)可包含比ER70S-2焊丝高大约4倍和大约6倍之间的镍含量。例如，在某些实施例中，所公开的焊接合金可包含小于大约1重量％的锰(例如，小于或等于大约0.9重量％的锰、小于大约0.4重量％的锰)和大于大约0.15重量％的镍(例如，大于大约0.16重量％、大于大约0.18重量％、大于大约0.2重量％、大于大约0.25重量％，或者大于大约0.75重量％的镍)。
可理解的是，表1和表2中的配方仅是提供作为示例性配方。在某些实施例中，本发明所公开的低锰焊接合金可用于产生符合以下AWS A5.29、A5.20和/或A5.36标准中的一者或多者的化学分析要求的焊接耗材(例如，实心焊丝、电焊条，或者管状焊丝)：E71T1-GC H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM71NilC类似的焊接沉积物的化学和机械性能)；E71T1-GM H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM71NilM类似的焊接沉积物的化学和机械性能)；E71T-1C H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM71T1C类似的焊接沉积物的化学和机械性能)；E71T-1M H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM71T1M类似的焊接沉积物的化学和机械性能)；E81T1-GC H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM81K2C类似的焊接沉积物的化学和机械性能)；以及E81T1-GM H8(例如，提供与可从俄亥俄州特洛伊市的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers Company,Troy,OH)购得的ElementTM81K2M类似的焊接沉积物的化学和机械性能)。
制造焊接合金和焊接耗材
所公开的焊接耗材包含实心焊条，所述焊接耗材可由可使用常见的钢生产工艺和技术形成为合金的起始材料或成分的混合物形成。例如，这些起始材料可包含铁、铁钛粉、铁锆粉、铝粉或者矾土，以及其它合适的起始材料。例如，在某些实施例中，所述起始材料可包括在美国专利No.6,608,284和美国专利No.8,119,951中阐述的一种或多种材料(例如，锑、镓)，所述两个专利全文出于各种目的以引用方式并入本文。一般来说，可在熔炉内加热各种起始材料以达到熔融状态。另外，可从所述混合物中去除一种或多种杂质(例如，钛、锆、铝和/或硅的氧化物)作为焊渣。相应地，在焊接合金形成期间，在某些起始材料的一部分被氧化并且被去除作为焊渣之后，所得焊接合金的组成符合在表1中指示的种类A1、A2和A3中的一个或多个的成分范围。一旦形成焊接合金，在某些实施例中，所述焊接合金可塑形为焊丝(如下文所论述的)、塑形为带(例如，用于在条带焊接操作中使用的镀层条带(stripcladding))、塑形为棒或板，或者塑形为用于焊接操作的任何其它类型的焊接耗材。
在某些实施例中，可对所述焊接合金进行拉丝(例如，使用一种或多种拉丝模)，以形成实心焊丝(例如，以用于GMAW、GTAW和SAW应用)。另外，在某些实施例中，所述实心焊丝可被切割成数段并且用涂层涂覆以产生电焊条。此外，在某些实施例中，所述焊接合金可以被压平、塑形为包层，并且用颗粒状芯材(例如，焊剂)填充，以产生金属粉芯或者药芯的管状焊丝。甚至进一步地，在某些实施例中，所述焊接合金可设置在工件上并且经由电镀工艺施加。可理解的是，对于包含焊剂和/或涂层成分的焊接耗材的实施例(例如，电焊条和/或药芯管状焊丝)，还可基于焊剂和/或涂层成分的组成和属性来控制或调整焊接沉积物的化学性能、焊接沉积物的机械性能、电弧的性能等等。具体地，在某些实施例中，与所公开的焊接合金组合使用的焊剂和/或涂层(例如，用于SMAW电焊条、在药芯焊条内，以及用于SAW焊剂)可基本上不含或完全不含锰。
具体举例来说，在某些实施例中，所公开的合金可用于制造SMAW电焊条。在一个实例中，实心焊丝可用所公开的焊接合金来制造，被切割成数段，并且用焊剂涂覆以产生适用于SMAW的电焊条。在本实例中，本公开的焊接合金使得能够将上述脱氧剂(例如，锆、钛、铝和/或硅)传送到电弧和/或焊接沉积物。在某些实施例中，SMAW电焊条可符合AWS A5.1或者AWS A5.5(例如，分类为Exxl8或者Exxl8-Y焊条)并且可具有完全不含或者基本上不含锰的焊剂涂层。在某些实施例中，所述实心焊丝段可在涂覆所述焊剂涂层之前首先用另一种金属(例如，熔敷金属层或者金属箔)涂布，以改善焊剂涂层的粘着性和/或限制某些焊剂成分与实心焊丝之间的相互作用。在某些实施例中，所述焊剂涂层可以是碱性的(例如，贡献最少的氧到所述焊接沉积物)并且可包含在使用之前经稳定化的(例如，经铬酸钝化处理过的)金属硅粉末。
如上所述，在某些实施例中，可对所述焊接合金进行拉丝，以形成实心焊丝来用于GMAW、GTAW和SAW应用。另外，在某些实施例中，实心焊丝可用一种或多种成分涂覆，以便于焊接工艺的一个或多个方面。例如，在某些实施例中，实心焊丝可被制造成包括薄的铜涂层，以便于焊丝的送给。在某些实施例中，此铜涂层可用电解方式形成或在真空中经由自沉积而形成。对于包括此铜涂层的实施例，焊接合金的组成可被调整成使得整个焊条(包含涂层)的组成落入所公开的焊接合金(例如，表1的A1、A2和/或A3)的所公开的范围内。此外，在某些实施例中，除铜涂层以外或代替铜涂层，实心焊丝可包括润滑剂(例如，油性)涂层以进一步便于焊丝的送给。另外，在某些实施例中，此润滑剂涂层可包括一种或多种I族或II族化合物(例如，钠、钾、锂、镁、钙和/或钡盐)，其中所述化合物可在电弧焊操作期间向实心焊丝提供电弧稳定效果。
焊接沉积物
表3示出用于使用表2的实心焊条实施例E1和E2形成的焊接沉积物的期望化学组成和机械性能，其中实心焊条实施例E1和E2是由所公开的焊接合金(例如，表1的焊接合金A1、A2或A3)制成的示例焊接耗材。如在表3中阐明的，在某些实施例中，所得焊接沉积物可包含小于或等于1重量％的锰(例如，在大约0.3重量％和大约0.4重量％之间的锰)。在某些实施例中，基于用于形成焊接沉积物的焊接合金的锰含量，所述焊接沉积物可包含小于大约1.25重量％、小于大约1重量％、小于大约0.9重量％、小于大约0.8重量％、小于大约0.7重量％、小于大约0.6重量％、小于大约0.5重量％、小于大约0.4重量％、小于大约0.3重量％、小于大约0.2重量％、小于大约0.1重量％，或者只有痕量的锰。
W1 W2 W3 W4 W5 W6
碳 0.068 0.065 0.068 0.077 0.083 0.067
锰 0.304 0.375 0.361 0.344 0335 0.28
硅 0.485 0.528 0.543 0.541 0.503 0.343
磷 0.004 0.006 0.005 0.005 0.004 0.005
硫 0.009 0.011 0.01 0.007 0.006 0.006
镍 0.735 0.632 0.646 0.665 0.651 0.671
铬 0.03 0.029 0.027 0.021 0.024 0.027
钼 0.008 0.009 0.009 0.007 0.01 0.006
钒 0.001 0.002 0.001 0.003 0.002 0.001
铜 0.073 0.11 0.086 0.247 0.255 0.224
钛 0.046 0.043 0.053 0.042 0.034 0.021
锆 0.01 0.01 0.015 0.009 0.007 0.003
铝 0.031 0.032 0.038 0.009 0.006 0.003
硼 0.0001 0.00011 0.0001 0.0001 0.00016 0.0001
铌 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
氧 0.074 0.07 0.053 0.055 0.064 0.097
氮 0.004 0.0037 0.0039 0.0039 0.005 0.0062
碳当量(CE) 0.12 0.12 0.12 0.14 0.14 0.12
保护气体 CO2 CO2 90/10 CO2 CO2 CO2
屈服强度(ksi) 67.6 64.1 77.4 61.4 63.7 59.9
拉伸强度(ksi) 77.6 74.6 87.8 76.8 76.7 72.4
伸长率(2"的百分比) 26 27.6 20.5 25.1 22.6 26.4
断面收缩率％ 62.1 67.8 47.7 58.1 50.5 59.9
-20℉时的CVN(ft-lbs) 70.8 54.8 22 93.4 36.4 34.6
表3.使用表2的实心焊条实施例E1形成的示例焊接沉积物W1、W2和W3以及使用表2的实心焊条实施例E2形成的焊接沉积物W4、W5和W6的化学组成(重量％)和机械性能。机械性能是根据AWS A5.18确定的。所述“90/10”保护气体混合物是大约90％的氩气和大约10％的CO2。所有的焊接沉积物是使用直径为0.045英寸的实心焊丝在1g位置形成的。
如在表3中所指示的，使用所公开的焊接合金形成的实例焊接沉积物包含特定浓度的一种或多种增强剂(例如，镍、铜、碳、钼、铬、钒、硅和/或硼)和一种或多种颗粒控制剂(例如，铌、钽、钛、和/或锆)，所述特定浓度的增强剂和颗粒控制剂使得焊接沉积物能够具有合适的机械性能，尽管锰含量较低。可理解的是，对于某些焊接操作，诸如使用100％氩气作为保护气体和使用本公开的焊接合金的焊条棒的TIG焊接操作，焊接沉积物的化学性能可以与如上文所详细描述的焊接合金的化学性能基本上相同。例如，对于某些焊接操作，所述焊接沉积物可以落入由表1的类别A1、A2或者A3定义的范围中，并且可包括上文针对焊接合金阐述的增强剂、颗粒控制剂、碳当量(CE)等等的任意范围。对于其它焊接操作，诸如用于形成表3的焊接沉积物W1、W2、W3、W4和W5的GTAW操作，可以改变一种或多种成分的量(例如，通过碱金属的化学作用或者通过氧化作用)，并且因此所述成分的量可不同于这些成分在用所公开的焊接合金制成的焊接耗材中的水平。例如，在某些实施例中，使用作为本发明所公开的焊接合金的实施例的焊接耗材形成的焊接沉积物可包含：小于大约0.12重量％的碳含量(例如，小于大约0.07重量％的碳)；小于大约2重量％的锰含量(例如，小于大约1重量％、小于大约0.9重量％，或者在大约0.3重量％和大约0.4重量％之间的锰)；小于大约1.2重量％的硅含量(例如，小于大约0.6重量％的硅)；小于大约5重量％的镍含量(例如，小于大约1重量％、小于大约0.85重量％的镍)；小于大约8重量％的铬含量(例如，小于大约0.4重量％的铬)；小于大约1.5重量％的钼含量(例如，小于大约0.01重量％的钼)；小于大约0.1重量％的钒含量(例如，小于大约0.03重量％的钒)；小于大约2重量％的铜含量(例如，小于大约0.2重量％的铜)；小于大约0.2重量％的钛含量(例如，小于大约0.06重量％的钛)；小于大约0.2重量％的锆含量(例如，小于大约0.02重量％的锆)；小于大约1重量％的铝含量(例如，小于大约0.04重量％的铝)；小于大约0.01重量％的硼含量(例如，小于大约0.0002重量％的硼)；小于大约0.1重量％的铌含量(例如，小于大约0.002重量％的铌)；和/或小于大约0.1重量％的钽含量(例如，小于大约0.001重量％的钽)。
另外，表3示出了由本公开的焊接合金实施例实现的机械性能的实例，尽管锰含量较低。例如，如在表3中所呈现的，使用所公开的焊接合金的实施例形成的焊接沉积物一般具有大于或等于70ksi的拉伸强度，尽管具有低锰含量(例如，小于1重量％的锰)。在某些实施例中，所述焊接沉积物可具有较高的拉伸强度，诸如在大约70ksi和80ksi之间、在大约80ksi和90ksi之间、在大约90ksi和100ksi之间，或者在大约100ksi和140ksi之间。另外，如在表3中所呈现的，使用所公开的焊接合金的实施例形成的焊接沉积物一般具有大于或等于58ksi的屈服强度。在某些实施例中，所述焊接沉积物可具有较高的屈服强度，诸如在大约58ksi和大约75ksi之间。此外，如在表3中所呈现的，使用所公开的焊接合金的实施例形成的焊接沉积物一般在-20℉具有大于或等于20英尺磅(ft-lbs)的夏比V型缺口(CVN)值。在某些实施例中，所述焊接沉积物可具有较高的CVN值，诸如大于30ft-lbs、大于40ft-lbs、大于50ft-lbs、大于60ft-lbs，或者大于70ft-lbs。
焊接烟气
表4包括使用由所公开的A3焊接合金制成的实心焊丝的实施例进行的一系列熔化极气体保护电弧焊(GMAW)操作的焊接烟气数据。表4的焊接烟气数据还可视地呈现在图2、图3、图4、图5和图6的曲线图中。虽然表4以及图2至图6的数据是使用具体的所公开的类型的焊接合金(例如，表1的A3焊接合金)的具体焊接耗材实施例(例如，表2的E2实心焊丝)而产生的，但据信表4所呈现的焊接烟气数据代表了一般落入表1的A1焊接合金的组成范围内的焊接耗材的其它实施例。此外，虽然图4的数据是使用熔化极气体保护电弧焊(GMAW)操作而产生，但据信图4所呈现的烟气数据代表了其它焊接操作(例如，埋弧焊(SAW)、保护金属极电弧焊(SMAW)或钨极气体保护电弧焊(GTAW)操作)的焊接烟气数据。
表4.使用由所公开的A3焊接合金制成的实心焊丝的实施例(例如，所公开的E2实心焊丝的实施例)而进行的一系列示例焊接操作的焊接烟气数据。所有焊接操作是使用90％氩气/10％CO2保护气体混合物而执行。烟气测试是在水平(1F)位置中使用走焊(bead-on-plate)根据AWS F1.2来执行，其中电伸出长度在大约0.5英寸和大约0.75英寸之间，并且焊丝直径是0.045英寸。
如图2的曲线40和图3的曲线42分别示出，A3实心焊条实施例提供在熔离速率和焊接电流之间以及在熔离速率和送丝速度(即，焊接耗材朝向工件的推进速率)之间的接近线性的趋势。如图4的曲线44所示出，A3实心焊条实施例在送丝速度介于大约250英寸/分钟和大约425英寸/分钟之间下具有相似的焊条转化为烟气的百分比，在送丝速度小于大约250英寸/分钟下具有略高的焊条转化为烟气的百分比，并且在送丝速度大于大约425英寸/分钟下具有大体上较低的焊条转化为烟气的百分比。如图5的曲线46所示出，A3实心焊条实施例在送丝速度为大约250英寸/分钟、大约300英寸/分钟和大约425英寸/分钟下具有相似的烟气产生速率，在送丝速度为大约350英寸/分钟下具有最高的烟气产生速率，并且在送丝速度小于大约200英寸/分钟下以及在送丝速度大于大约500英寸/分钟下具有大体上较低的烟气产生速率。
如图6的曲线48所示出，A3实心焊条实施例在所有送丝速度(例如，介于100英寸/分钟和700英寸/分钟之间)下提供较低的锰烟气产生速率。在某些实施例中，由所公开的A1焊接合金的实施例(例如，表4的A3实心焊条)所提供的锰烟气产生速率可取决于焊接操作的参数(例如，送丝速度、电流、电压等)在电弧焊操作期间小于大约0.01克/分钟、小于大约0.009克/分钟、小于大约0.008克/分钟、小于大约0.007克/分钟、小于大约0.0065克/分钟、小于大约0.006克/分钟、小于大约0.005克/分钟、小于大约0.004克/分钟或小于大约0.003克/分钟。在某些实施例中，由所公开的A1焊接合金的实施例(例如，表4的A3实心焊条)所提供的锰烟气产生速率可在大约0.001克/分钟和大约0.01克/分钟之间、在大约0.002克/分钟和大约0.007克/分钟之间，或者在大约0.0025克/分钟和大约0.0065克/分钟之间。
虽然本文已经图示并且描述了本发明的仅某些特征，但是本领域内的技术人员将可进行许多修改和变化。因此，可理解所附权利要求书旨在包含落入本发明的真正精神内的所有这类修改及变化。

Claims (36)

1.一种焊接耗材，所述焊接耗材包括：
小于大约1重量％的锰；
一种或多种增强剂，所述增强剂选自由以下各项组成的组：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼；以及
一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下各项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述颗粒控制剂包括小于所述焊接耗材的大约0.6重量％；
其中根据Ito和Bessyo碳当量方程，所述焊接耗材的碳当量(CE)小于大约0.23；并且
其中所述焊接耗材在焊接操作期间提供小于大约0.01克/分钟的锰烟气产生速率。
2.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中在所述焊接操作期间，所述锰烟气产生速率小于大约0.007克/分钟。
3.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中在所述焊接操作期间，所述锰烟气产生速率小于大约0.006克/分钟。
4.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中在所述焊接操作期间，当所述焊接耗材朝向工件的推进速率小于大约700英寸/分钟或当焊接电流小于大约425安培时，或当两者时，所述锰烟气产生速率在大约0.0025克/分钟和大约0.0065克/分钟之间。
5.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材包括实心焊丝、焊条棒或电焊条。
6.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接操作包括熔化极气体保护电弧焊(GMAW)操作、埋弧焊(SAW)操作、保护金属极电弧焊(SMAW)操作或钨极气体保护电弧焊(GTAW)操作。
7.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材包括在大约0.05重量％和大约0.9重量％之间的锰。
8.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材包括在大约0.1重量％和大约0.8重量％之间的锰。
9.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材包括在大约0.2重量％和大约0.5重量％之间的锰。
10.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材包括在大约0.3重量％和大约0.4重量％之间的锰。
11.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种增强剂包括镍，并且其中所述焊接耗材包括小于大约5重量％的镍。
12.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种增强剂包括铜，并且其中所述焊接耗材包括在大约0.001重量％和大约2重量％之间的铜。
13.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种增强剂包括碳，并且其中所述焊接耗材包括小于大约0.12重量％的碳。
14.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种增强剂包括铬，并且其中所述焊接耗材包括小于大约0.8重量％的铬。
15.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种颗粒控制剂包括钛，并且其中所述焊接耗材包括小于大约0.2重量％的钛。
16.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种颗粒控制剂包括锆，并且其中所述焊接耗材包括小于大约0.2重量％的锆。
17.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述一种或多种增强剂和所述一种或多种颗粒控制剂包括硼，并且其中所述焊接耗材包括在大约0.001重量％和大约0.01重量％之间的硼。
18.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材的所述CE小于大约0.2。
19.根据权利要求1所述的焊接耗材，其中所述焊接耗材被配置成在钢工件上形成焊接沉积物，并且其中所述焊接沉积物包括：大于或等于大约70ksi的拉伸强度；大于或等于大约58ksi的屈服强度；用伸长百分比所度量的延展性，所述延展性为至少大约22％；以及在-20℉下大于或等于大约20ft-lbs的夏比V型缺口冲击韧性。
20.一种在焊接操作期间形成焊接沉积物的方法，所述方法包括：
将焊接耗材朝向钢工件推进，其中所述焊接耗材包括小于大约1重量％的锰；
在焊条和所述钢工件之间产生电弧；以及
使所述焊接耗材的一部分以及所述钢工件的一部分熔融以形成所述焊接沉积物，其中所述焊接操作每分钟产生小于大约0.01克的锰烟气。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接操作每分钟产生小于大约0.007克的锰烟气。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接操作每分钟产生小于大约0.006克的锰烟气。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接操作每分钟产生在大约0.0025克与大约0.0065克之间的锰烟气，并且其中所述焊接耗材朝向所述钢工件的推进速率小于大约700英寸/分钟，或焊接电流小于大约425安培，或它们的组合。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接耗材是所述焊条，并且其中所述焊接操作是熔化极气体保护电弧焊(GMAW)操作、埋弧焊(SAW)操作或保护金属极电弧焊(SMAW)操作。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊条是钨焊条，其中所述焊接耗材是焊条棒、焊条丝或镀层条带，并且其中所述焊接操作是钨极气体保护电弧焊(GTAW)操作。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接耗材和所述焊接沉积物各自分别包括：
小于大约1重量％的锰；
一种或多种增强剂，所述增强剂选自由以下各项组成的组：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼；以及
一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下各项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述颗粒控制剂包括小于大约0.6重量％；
其中根据Ito和Bessyo碳当量方程，所述焊接耗材和所述焊接沉积物的各自的碳当量(CE)小于大约0.23。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接沉积物包括：大于或等于大约70ksi的拉伸强度；大于或等于大约58ksi的屈服强度；用伸长百分比所度量的延展性，所述延展性为至少大约22％；以及在-20℉下大于或等于大约20ft-lbs的夏比V型缺口冲击韧性。
28.一种焊接沉积物，所述焊接沉积物使用每分钟产生小于大约0.01克的锰烟气的电弧焊操作和焊接耗材而形成在钢工件上，其中所述焊接沉积物包括：
小于大约1重量％的锰；
大于或等于大约70ksi的拉伸强度；
大于或等于大约58ksi的屈服强度；
用伸长百分比所度量的延展性，所述延展性为至少大约22％；以及
在-20℉下大于或等于大约20ft-lbs的夏比V型缺口(CVN)冲击韧性。
29.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中在所述电弧焊操作期间，所述焊接耗材每分钟产生小于大约0.007克的锰烟气。
30.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中在所述电弧焊操作期间，所述焊接耗材每分钟产生小于大约0.0065克的锰烟气。
31.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中在所述电弧焊操作期间，当所述焊接耗材朝向所述钢工件的推进速率小于大约700英寸/分钟时，或当焊接电流小于大约425安培时，或当两者时，所述焊接耗材每分钟产生在大约0.0025克与大约0.0065克之间的锰烟气。
32.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中所述焊接沉积物包括：
一种或多种增强剂，所述增强剂选自由以下各项组成的组：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼；以及
一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下各项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述颗粒控制剂包括小于所述焊接沉积物的大约0.6重量％；
其中根据Ito和Bessyo碳当量方程，所述焊接沉积物的碳当量(CE)小于大约0.23。
33.根据权利要求32所述的焊接沉积物，其中所述焊接沉积物的所述CE小于大约0.2。
34.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中所述焊接沉积物包括小于大约0.12重量％的碳、小于大约1.2重量％的硅、小于大约0.8重量％的铬、小于大约1.5重量％的钼、小于大约0.1重量％的钒、小于大约2重量％的铜、小于大约0.2重量％的钛、小于大约0.2重量％的锆、小于大约1重量％的铝、小于大约0.01重量％的硼以及小于大约0.1重量％的铌。
35.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中所述钢工件包括结构钢工件，所述结构钢工件包括软钢、碳钢、低合金钢或它们的组合。
36.根据权利要求28所述的焊接沉积物，其中所述焊接耗材包括：
小于大约1重量％的锰；
一种或多种增强剂，所述增强剂选自由以下各项组成的组：镍、钴、铜、碳、钼、铬、钒、硅和硼；以及
一种或多种颗粒控制剂，所述颗粒控制剂选自由以下各项组成的组：铌、钽、钛、锆和硼，其中所述颗粒控制剂包括小于所述焊接耗材的大约0.6重量％；
其中根据Ito和Bessyo碳当量方程，所述焊接耗材的碳当量(CE)小于大约0.23。
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