CN106994548A - 用于焊接镀锌工件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接系统包括焊接电源、气体供应系统和焊丝进给器，所述焊接电源被配置成提供脉冲正电直流电流(DCEP)，所述气体供应系统被配置成提供至少90％氩气(Ar)的保护气体流，所述焊丝进给器被配置成提供管状焊丝。所述DCEP、所述管状焊丝以及所述保护气体流被结合以在镀锌工件上形成焊缝熔敷物，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约10重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

Description

用于焊接镀锌工件的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是2013年1月16日提交的名称为“用于焊接电极的系统和方法(SYSTEMSAND METHODS FOR WELDING ELECTRODES)”的美国专利申请序号13/743,178的部分继续申请，所述美国专利申请13/743,178是2012年8月28日提交的、并在2015年12月1日以美国专利号9,199,341公开的名称为“用于焊接电极的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FORWELDING ELECTRODES)”的美国专利申请序列号13/596,713的部分继续申请，出于所有目的通过全文引用将这些专利申请的披露内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及焊接，并且更具体涉及用于诸如熔化极气体保护焊(GMAW)或药芯焊丝电弧焊(FCAW)的电弧焊接的电极。

背景技术

焊接是已成为在不同行业中用于各种应用的普遍存在的工艺。例如，焊接通常使用在诸如造船、海上平台、建筑、轧管机等的应用中。某些焊接技术(例如，熔化极气体保护焊(GMAW)、气体保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)、以及钨极气体保护焊(GTAW))通常采用保护气体(例如，氩气、二氧化碳、或氧气)以在焊接过程中在焊接电弧和焊接熔池之中或周围提供特定的局部气氛，而其他焊接技术(例如，药芯焊丝电弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)、以及保护金属电弧焊(SMAW))则不采用保护气体。此外，某些类型的焊接可涉及呈焊丝形式的焊接电极。焊丝通常在焊接过程中可以提供用于焊缝的填充金属的供给以及提供电流路径。此外，某些类型的焊丝(例如，管状焊丝)可以包括通常可以改变焊接过程和/或所产生的焊缝的特性的一种或多种组分(例如，焊药、电弧稳定剂或其他添加剂)。

发明内容

在一个实施例中，一种焊接系统包括焊接电源、气体供应系统、焊丝进给器，所述焊接电源被配置成提供脉冲正电直流电流(DCEP)，所述气体供应系统被配置成提供至少90％氩气(Ar)的保护气体流，所述焊丝进给器被配置成提供管状焊丝。所述DCEP、所述管状焊丝以及所述保护气体流被结合以在镀锌工件上形成焊缝熔敷物(weld deposit)，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约10重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

在另一实施例中，一种在镀锌工件上形成焊缝熔敷物的方法包括朝向镀锌工件的表面进给管状焊丝，其中用脉冲正电直流电流(DCEP)对所述管状焊丝进行通电。所述方法包括在所述管状焊丝附近朝向所述镀锌工件的所述表面引导保护气体流，其中所述保护气体流是至少90％氩气(Ar)。所述方法进一步包括使用所述管状焊丝在所述镀锌工件上形成焊缝熔敷物而同时在所述焊缝熔敷物附近提供所述保护气体流，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约10重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中在所有附图中相似的符号表示相似的部分，在附图中：

图1是根据本披露内容的实施例的熔化极气体保护焊(GMAW)系统的框图；

图2是根据本披露内容的实施例的管状焊丝的截面视图；

图3是根据本披露内容的实施例的一种工艺，通过这种工艺可以使用管状焊丝来焊接工件；并且

图4是根据本披露内容的实施例的用于制造管状焊丝的工艺。

具体实施方式

将在下面描述本披露内容的一个或多个具体实施例。为了致力于提供这些实施例的简明描述，在本说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应认识到的是，在任何的这样的实际实施方式的研发中，就如在任何的工程或设计项目中一样，必须作出许多实施方式特定的决定以实现研发者的特定目标，例如顺应系统相关和商业相关的约束，其在不同实施方式之间可能有所不同。此外，应认识到的是，这样的研制工作可能是复杂的且耗时的，但对于受益于本披露内容的那些普通技术人员来说，这不过是设计、制造及生产的例行任务。

当介绍本披露内容的多个不同实施例的元素时，冠词“一个(a/an)”、“该(the)”以及“所述(said)”旨在意指存在一个或多个元件。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”以及“具有(having)”旨在是包含性的并且意指除了列出的元素之外可存在额外的元素。应认识到的是，如本文所使用的，术语“管状焊接电极”或“管状焊丝”可以指具有金属套管和颗粒状或粉末状内芯的任何焊丝或电极，例如金属芯或药芯的焊接电极。还应认识到的是，术语“稳定剂”或“添加剂”通常可以用来指改善电弧质量、焊缝质量或以其他方式影响焊接过程的管状焊丝的任何组分。此外，如本文中所使用的，“约”一般可以指近似值，在某些实施例中所述近似值表示与真实值之间小于0.01％、小于0.1％或小于1％的(例如，更高或更低的)差异。也就是说，在某些实施例中，“近似”值可以精确位于规定值的(例如，正或负)0.01％、0.1％或1％的范围内。

如所提及的，某些类型的焊接电极(例如，管状焊丝)可以包括通常可以改变焊接过程和所产生的焊缝的特性的一种或多种组分(例如，焊药、电弧稳定剂或其他添加剂)。例如，当前披露的某些焊接电极的实施例包括有机稳定剂(例如，基于纤维素衍生物的组分)，所述有机稳定剂通常可以提高电弧的稳定性同时提供有益于焊接涂敷工件的还原气氛。例如，当前披露的焊接电极和焊接条件对于焊接镀锌(Zn)工件(例如，镀锌(galvanized)、镀锌退火(galvannealed)、用锌基漆喷涂)可以是特别有用的，所述镀锌工件在工件的表面包含富锌涂层。当前披露的某些焊接电极的实施例还包括稀土硅化物组分，所述稀土硅化物组分通常可以在焊接过程中有助于控制电弧的形状和熔深(penetration)。此外，如在下文中详细阐述的，所披露的焊接电极的实施例可以包括其他组分，例如碳组分(例如，石墨、炭黑或其他合适的碳组分)以及烧结稳定剂组分(例如，钾/钛酸盐/锰酸盐的烧结物)。

因此，当前披露的焊接电极增强了涂敷(例如，镀锌、镀锌退火、喷涂等)工件和/或较薄(例如，20-、22-、24-gauge厚度或更薄的)工件即使是在高行进速度(例如，大于40英寸/分钟)下的可焊性。此外，所披露的焊接电极总体上实现了在不同的焊接配置(例如，直流反接(DCEN)、直流正接(DCEP)、交流(AC)等等)下和/或在不同的焊接方法(例如，涉及在焊接过程中的圆形或蛇形的焊接电极移动)下的可接受的焊缝。另外，当前披露的某些焊接电极可以被拉制到特定的直径(例如，0.030英寸、0.035英寸、0.040英寸或其他合适的直径)，以提供良好的传热率和熔敷率。此外，披露了多种不同的焊接条件(例如，焊接工艺、极性、保护气体)，这些焊接条件与所披露的焊接电极结合，使得在焊接镀锌工件时即使在相对高的行进速度(例如，大于30英寸每分钟)下也实现极低的飞溅率和良好的焊缝熔敷物。

转到附图，图1展示了根据本披露内容的利用焊接电极(例如，管状焊丝)的熔化极气体保护焊(GMAW)系统10的实施例。应当理解的是，尽管本讨论可以具体地集中于图1中所示的GMAW系统10上，但是当前披露的焊接电极可以对任何使用焊接电极的电弧焊接工艺(例如，FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW或类似电弧焊接工艺)有益。应认识到的是，在某些实施例中，GMAW系统10可以具有手工焊接操作、半自动焊接操作或全自动焊接操作的能力。焊接系统10包括焊接电源12、焊丝进给器14、气体供应系统16、以及焊枪18。焊接电源12总体上向焊接系统10提供电力，并且其可以通过电缆束20耦合至焊丝进给器14以及使用具有夹头26的引线电缆24耦合至工件22。在图示的实施例中，焊丝进给器14通过电缆束28耦合至焊枪18，以便在焊接系统10的运行过程中向焊枪18供应可消耗的管状焊丝(即，焊接电极)和电力。在另一实施例中，焊接电源单元12可以耦合至焊枪18并直接供电给焊枪18。

焊接电源12总体上可以包括功率转换电路，所述功率转换电路从交流电源30(例如，交流电网、发动机/发电机组或它们的组合)接收输入功率、调节所述输入功率并且通过电缆20提供直流或交流输出功率。如此，根据焊接系统10的需求，焊接电源12可以对焊丝进给器14供电，进而对焊枪18供电。终止于夹头26的引线电缆24将焊接电源12耦合至工件22以使焊接电源12、工件22和焊枪18之间的电路闭合。如由焊接系统10的需求所决定的，焊接电源12可以包括能够将交流输入功率转换成直流正接(DCEP)输出、直流反接(DCEN)输出、直流可变极性、脉冲直流或可变平衡(例如，平衡的或不平衡的)交流输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等)。应认识到的是，当前披露的焊接电极(例如，管状焊丝)可以针对许多不同的功率配置实现焊接工艺的改进(例如，改进电弧稳定性和/或改进焊接质量)。如下面更详细讨论的，在某些实施例中，使用脉冲直流可以在焊接镀锌工件时、特别是在高行进速度下时实现在低飞溅率和低焊缝熔敷孔隙率方面的获益。

图示的焊接系统10包括将来自一个或多个保护气体源17的保护气体或保护气体混合物供应至焊枪18的气体供应系统16。在所描绘的实施例中，气体供应系统16通过气体导管32直接耦合至焊枪18。在另一实施例中，气体供应系统16可以替代地耦合至焊丝进给器14，并且焊丝进给器14可以调节从气体供应系统16至焊枪18的气体的流量。如本文所使用的，保护气体可以指可提供至电弧和/或焊接熔池以便提供特定的局部气氛(例如，以保护电弧、提高电弧稳定性、限制金属氧化物的形成、改善金属表面的润湿性、改变焊缝熔敷物的化学性质等)的任何气体或气体混合物。在某些实施例中，所述保护气体流可以是一种保护气体或保护气体混合物(例如，氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)、氮气(N2)、类似的合适的保护气体或它们的任意混合物)。例如，(如经由导管32输送的)保护气体流可以包括Ar、Ar/CO2混合物、Ar/CO2/O2混合物、Ar/He混合物等。通过具体的例子，在某些实施例中，所述保护气体流可以包括90％Ar和10％CO2。如下面更详细讨论的，在某些实施例中，使用100％Ar保护气体可以在焊接镀锌工件时、特别是在高行进速度下时实现在低飞溅率和低焊缝熔敷孔隙率方面的获益。

相应地，图示的焊枪18总体上接收焊接电极(即，管状焊丝)、来自焊丝进给器14的电力以及来自气体供应系统16的保护气体流，为了执行工件22的GMAW。在运行过程中，焊枪18可以被送到工件22附近，使得可以在可消耗的焊接电极(即，离开焊枪18的接触端的焊丝)与工件22之间形成电弧34。此外，如下面所讨论的，通过控制所述焊接电极(即，管状焊丝)的成分，可以改变电弧34和/或所产生的焊缝的化学性质(例如，成分和物理特性)。例如，所述焊接电极可以包括可影响焊接过程(例如，充当电弧稳定剂)的助熔(fluxing)组分或合金组分，并且其进一步可至少部分地结合到焊缝中从而影响焊缝的机械性能。此外，焊接电极(即，焊丝)的某些组分还可以在电弧附近提供附加保护气氛、影响电弧34的传递特性、使工件的表面脱氧等。

图2中展示了当前披露的焊丝的实施例的截面。图2展示了包括金属套管52的管状焊丝50，所述金属套管封装颗粒状或粉末状内芯54(也被称为填料)。在某些实施例中，管状焊丝50可以符合一个或多个美国焊接协会(AWS)的标准。例如，在某些实施例中，管状焊丝50可以符合AWS A5.18(“用于气体保护电弧焊的碳钢电极和焊条的规范(SPECIFICATIONFOR CARBON STEEL ELECTRODES AND RODS FOR GAS SHEILDED ARC WELDING)”)和/或AWSA5.36(“用于药芯焊丝电弧焊的碳和低合金钢药芯电极和用于熔化极气体保护焊的金属芯电极的规范(SPECIFICATION FOR CARBON AND LOW-ALLOY STEEL FLUX CORED ELECTRODESFOR FLUX CORED ARC WELDING AND METAL CORED ELECTRODES FOR GAS METAL ARCWELDING)”)。

图2所展示的管状焊丝50的金属套管52可以由任何合适的金属或合金(例如钢)制成。应认识到的是，金属套管52的成分可以影响所产生的焊缝的成分和/或电弧34的特性。在某些实施例中，金属套管52可以占到管状焊丝50的总重量的约80％至90％之间。例如，在某些实施例中，金属套管52可以提供管状焊丝50的总重量的约84％或约86％。

如此，金属套管52可以包括可经选择以提供所需的焊缝性能的某些添加剂或杂质(例如，合金组分、碳、碱金属、锰或类似的化合物或元素)。在某些实施例中，管状焊丝50的金属套管52可以是包含相对较少(例如，较低或减少)量的碳(例如，按重量计小于约0.06％、小于约0.07％或小于约0.08％的碳)的低碳条。例如，在一实施例中，管状焊丝50的金属套管52可以包含按重量计介于约0.07％至0.08％之间的碳。此外，在某些实施例中，金属套管52可以由总体上含有少量夹杂物的钢制成。例如，在某些实施例中，金属套管52可以包含按重量计介于约0.25％至约0.5％之间的或者约为0.34％的锰。通过进一步的例子，在某些实施例中，金属套管52可以包含按重量计小于约0.02％的磷或硫。在某些实施例中，金属套管52还可以包含按重量计小于约0.04％的硅、按重量计小于约0.05％的铝、按重量计小于约0.1％的铜和/或按重量计小于约0.02％的锡。

图示的管状焊丝50的颗粒状内芯54总体上可以是压实的粉末。在某些实施例中，颗粒状内芯54可以占到管状焊丝50的总重量的约7％至约40％之间或约10％至约20％之间。例如，在某些实施例中，颗粒状内芯54可以提供管状焊丝50的总重量的约14％、约15％或约16％。此外，在某些实施例中，下面讨论的颗粒状内芯54的组分可以被均匀地或非均匀地(例如，成块或成团56地)布置在颗粒状内芯54内。例如，某些焊接电极的实施例(例如，金属芯焊接电极)的颗粒状内芯54可以包含可提供至少一部分焊缝的填充金属的一种或多种金属(例如，铁、铁钛、铁硅或其他合金或金属)。通过具体的例子，在某些实施例中，颗粒状内芯54可以包括介于约70％至约75％之间的铁粉末以及其他合金组分，例如钛铁(例如，40％等级)、镁硅铁以及硅铁粉(例如，50％等级，不稳定)。管状焊丝50内可能存在的组分的其他示例(即，除了所述一种或多种碳源和所述一种或多种碱金属和/或碱土金属化合物之外的组分)包括如可以在从伊利诺斯工具公司(Illinois Tool Works,Inc.)可购得的METALLOY X-CEL^TM焊接电极中发现的其他稳定组分、助熔组分和合金组分。

另外，当前披露的管状焊丝50的实施例可以包括布置在颗粒状内芯54内的有机稳定剂。所述有机稳定剂可以是包括一种或多种碱金属离子(例如，I族：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs))或碱土金属离子(例如，II族：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)或钡(Ba))的任何有机分子。也就是说，在某些实施例中，有机稳定剂包括有机亚组分(例如，有机分子或聚合物)，所述有机亚组分包括碳、氢和氧并且可以化学地(例如，共价或离子地)结合到碱金属或碱土金属离子。在其他实施例中，有机稳定剂可以包括已经与碱金属和/或碱土金属盐(例如，氧化钾、硫酸钾、氧化钠等)混合(例如，没有发生化学结合)的有机亚组分(例如，有机分子或聚合物，如纤维素)。

通过具体的例子，在某些实施例中，有机稳定剂可以是包括已衍生形成钠盐或钾盐的纤维素链的基于纤维素(例如，纤维素类)的组分(例如，羧甲基纤维素钠或羧甲基纤维素钾)。例如，在某些实施例中，基于纤维素的有机稳定剂可以是具有从约0.5至约2.5范围内的取代度(DS)的羧甲基纤维素钠。通常，纤维素衍生物的DS可以是0和3之间的实数，表示在多糖的每个单体单元中取代的羟基部分的平均数目。在其他实施例中，有机稳定剂可以是包含一个或多个I族/II族离子的其他有机分子。例如，在某些实施例中，所述有机稳定剂可以包括衍生化的糖(例如，衍生蔗糖、葡萄糖等)或具有可形成碱金属或碱土金属盐的一种或多种羧酸或硫酸盐的多糖。在其他实施例中，有机稳定剂可以包括类皂分子(例如，十二烷基硫酸钠或硬脂酸钠)或藻酸盐。此外，在某些实施例中，所述有机稳定剂可以按重量计占颗粒状内芯54的小于约10％、介于约0.05％至约5％之间、介于约0.1％至约3％之间、介于约0.25％至约2.5％之间、介于约0.5％至约1.5％之间或者约1％。此外，在某些实施例中，所述有机稳定剂可以按重量计占管状焊丝50的小于约5％、介于约0.05％至约3％之间、介于约0.08％至约2％之间、介于约0.1％至约1％之间或者约0.15％。

可认识到的是，管状焊丝50的有机稳定剂组分可以保持在合适的水平，以使得可以在焊接电弧附近提供(例如，富含氢的)还原性环境而且不将明显的孔隙率引入到焊缝中。还应认识到的是，如当前披露的那样，利用有机分子作为用于将所述I族/II族离子的至少一部分送到焊接电弧的运载工具可能未被广泛使用，因为有机分子可在电弧的条件下生成氢，这可能会导致用于低碳钢时的多孔和/或不牢固的焊缝。然而，如下所述，即使在涂敷的工件(例如镀锌)和/或薄的工件上以高的行进速度焊接时，利用当前披露的有机稳定剂仍可提供优质焊缝(例如，低孔隙率的焊缝)。

另外，当前披露的管状焊丝50的实施例还可以包括布置在颗粒状内芯54内的碳组分。例如，存在于颗粒状内芯54和/或金属套管52内的碳源可以以多种形式呈现，并且可以稳定电弧34和/或增加焊缝的碳含量。例如，在某些实施例中，可以将石墨、石墨烯、纳米管、富勒烯和/或类似的基本上经sp2杂化的碳源用作管状焊丝50内的碳源。此外，在某些实施例中，还可以使用石墨烯或石墨来提供可存在于碳的片材之间的间隙空间中的其他组分(例如，水分、气体、金属等)。在其他实施例中，可以将基本上经sp3杂化的碳源(例如，微米或纳米金刚石、碳纳米管、巴基球)用作所述碳源。在又一其他的实施例中，可以将基本上无定形的碳(例如，碳黑、灯黑、烟灰、和/或类似无定形的碳源)用作所述碳源。此外，尽管本披露内容可以将该组分称作“碳源”，应认识到的是，所述碳源可以是可含有碳以外的元素(例如，氧、卤素、金属等)的化学改性碳源。例如，在某些实施例中，管状焊丝50可以在颗粒状内芯54内包含炭黑组分，所述炭黑组分可以包含约20％的锰含量。在某些实施例中，管状焊丝50的碳组分可以是粉末状或颗粒状的石墨。此外，在某些实施例中，所述碳组分可以按重量计占颗粒状内芯54的小于约10％、介于约0.01％至约5％之间、介于约0.05％至约2.5％之间、介于约0.1％至约1％之间或者约0.5％。在某些实施例中，所述碳组分可以按重量计占管状焊丝50的小于约5％、介于约0.01％至约2.5％之间、介于约0.05％至约0.1％之间或者约0.08％。

而且，除了上面所讨论的有机稳定剂之外，管状焊丝50还可以包含一种或多种无机稳定剂，以进一步稳定电弧34。即，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包括1族和2族元素(例如，Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba)的一种或多种化合物。示例性化合物的非限制性列表包括：1族(即，碱金属)和2族(即，碱土金属)的硅酸盐、钛酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氧化物、高锰酸盐、卤化硅、长石、铯榴石、辉钼矿以及钼酸盐。例如，在一个实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包括钛酸钾锰、硫酸钾、钠长石、钾长石和/或碳酸锂。通过具体的例子，颗粒状内芯54可以包括作为钾源的硅酸钾、钛酸钾、藻酸钾、碳酸钾、氟化钾、磷酸钾、硫化钾、氢氧化钾、氧化钾、高锰酸钾、氟硅酸钾、钾长石、钼酸钾或它们的组合。名称为“正极性金属芯焊丝(STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES)”的美国专利号7,087,860和名称为“正极性金属芯焊丝(STRAIGHT POLARITY METAL COREDWIRES)”的美国专利号6,723,954中描述了可使用的稳定化合物的类似示例，出于所有目的通过全文引用将这两篇专利并入。

此外，对于当前披露的管状焊丝50的某些实施例，一种或多种无机稳定剂可以呈烧结物或熔块的形式被包含在颗粒状内芯54中。即，管状焊丝50的某些实施例可以包括以上描述的呈烧结物或熔块形式的一种或多种无机稳定剂，其在焊接过程中可稳定电弧。如本文中所使用的，术语“烧结物”或“熔块”指化合物的混合物，所述化合物的混合物已在一个煅烧炉或烘箱中经烧制或加热以使得该混合物的组分彼此紧密接触。应认识到的是，所述烧结物与用于形成该烧结物的混合物的单独组分相比可以具有略微地或显著地不同的化学性质和/或物理性质。例如，如当前披露的，与非烧结材料相比烧结可以提供更适合于焊缝环境的熔块。

在某些实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包括一种或多种碱金属或碱土金属化合物(例如，氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁或其他合适的碱金属或碱土金属化合物)的烧结物。在其他实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包括碱金属或碱土金属化合物和其他氧化物(例如，二氧化硅、二氧化钛、二氧化锰或其他合适的金属氧化物)的混合物的烧结物。例如，管状焊丝50的一个实施例可以包括由氧化钾、二氧化硅和二氧化钛的混合物构成的烧结的钾源。通过进一步的例子，管状焊丝50的另一实施例可以在颗粒状内芯54中包含具有氧化钾(例如，按重量计介于约22％至25％之间)、氧化硅(例如，按重量计介于约10％至18％之间)、二氧化钛(例如，按重量计介于约38％至42％之间)以及氧化锰或二氧化锰(例如，按重量计介于约16％至22％之间)的混合物的另一稳定烧结物。在某些实施例中，烧结物可以包括按重量计介于约5％至75％之间的碱金属和/或碱土金属化合物(例如，氧化钾、氧化钙、氧化镁或者其他合适的碱金属和/或碱土金属化合物)或按重量计介于约5％至95％之间的碱金属和/或碱土金属(例如，钾、钠、钙、镁或其他合适的碱金属和/或碱土金属)。此外，在某些实施例中，当选择所述烧结物混合物中存在的各组分的相对含量时可以考虑其他化学和/或物理因素(例如，烧结物的最大碱金属和/或碱土金属负载、酸度、稳定性和/或的吸湿性)。此外，在某些实施例中，所述烧结物可以按重量计占颗粒状内芯54的小于约10％、介于约0.1％至约6％之间、介于约0.25％至约2.5％之间、介于约0.5％至约1.5％之间或者约1％。在某些实施例中，所述烧结物可以按重量计占管状焊丝50的小于约5％、介于约0.05％至约2.5％之间、介于约0.1％至约0.5％之间或者约0.15％。

另外，管状焊丝50的颗粒状内芯54还可以包括用于控制焊接过程的其他组分。例如，稀土元素通常可以影响电弧34的稳定性和传热特性。如此，在某些实施例中，管状焊丝50可以包括稀土组分，如稀土硅化物(例如，可从伊利诺伊州的Miller and Company ofRosement购得的)，所述稀土组分可以包括稀土元素(例如，铈和镧)和其他非稀土元素(例如，铁和硅)。在其他实施例中，包括铈和镧的任意材料(例如镍镧合金)可以以不破坏本发明方法效果的量来使用。通过具体的例子，在某些实施例中，所述稀土组分可以按重量计占颗粒状内芯54的小于约10％、介于约0.01％至约8％之间、介于约0.5％至约5％之间、介于约0.25％至约4％之间、介于约1％至约3％之间、介于约0.75％至约2.5％之间或者约2％。在某些实施例中，所述稀土组分可以按重量计占管状焊丝50的小于约5％、介于约0.01％至约2.5％之间、介于约0.1％至约0.75％之间或者约0.3％。

此外，管状焊丝50可以额外地或替代地包括其他元素和/或矿物质，以提供电弧稳定性并控制所产生的焊缝的化学性质。例如，在某些实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54和/或金属套管52可以包含某些元素(例如，钛、锰、锆、氟或其他元素)和/或矿物质(例如，黄铁矿、磁铁矿等)。通过具体的例子，某些实施例在颗粒状内芯54中可以包括硅化锆，镍锆或钛、铝和/或锆的合金。特别地，包含多种不同的硫化物、硫酸盐和/或亚硫酸盐化合物(例如，如二硫化钼、硫化铁、亚硫酸锰、硫酸钡、硫酸钙或硫酸钾)的含硫化合物或者含硫化合物或矿物质(例如，黄铁矿、石膏或类似的含硫种类)可以被包括在颗粒状内芯54中，以通过改善焊道形状和促进熔渣剥离来改进所产生的焊缝的质量，如下面所讨论的，这可能在焊接镀锌工件时是尤其有用的。此外，在某些实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包括多种硫源(例如，亚硫酸锰、硫酸钡和黄铁矿)，而管状焊丝50的其他实施例可以仅包括单种硫源(例如，硫酸钾)而不包括大量的另一种硫源(例如，黄铁矿或硫化铁)。例如，在一个实施例中，管状焊丝50的颗粒状内芯54可以包含介于约0.01％至约0.5％之间或约0.2％的硫酸钾。

一般来说，管状焊丝50通常可以稳定形成到工件22的电弧34。如此，所披露的管状焊丝50可以改善所述焊接工艺的不止一个方面(例如，熔敷率、行进速度、飞溅、焊道形状、焊缝质量等)。还应认识到的是，电弧34的经改进的稳定性总体上可以实现并改善涂敷的金属工件和较薄工件的焊接。例如，在某些实施例中，涂敷的金属工件可以包括镀锌、镀锌退火(例如，镀锌和退火的组合)或类似的镀锌工件。示例性涂敷工件的非限制性列表还包括经浸渍、涂镀(例如，镀镍、镀铜、镀锡或使用类似金属电镀或化学镀)、镀铬、涂敷亚硝酸盐、镀铝或渗碳的工件。例如，在镀锌工件的情况下，当前披露的管状焊丝50总体上可以提高稳定性并控制电弧34的熔深，以使得尽管工件22的外面有锌涂层仍可获得良好的焊接。此外，通过提高电弧34的稳定性，所披露的管状焊丝50与使用其他焊接电极可以达到的效果相比总体上可以实现更薄的工件的焊接。例如，在某些实施例中，可以使用所披露的管状焊丝50来焊接具有大致14-、16-、18-、20-、22-、24-gauge厚度的金属或者甚至更薄的工件。例如，在某些实施例中，所披露的管状焊丝50可以实现厚度小于约5mm、小于3mm或者甚至小于约1.5mm的工件的焊接。

此外，当前披露的管状焊丝50使得能够以超过30或者甚至40英寸每分钟的行进速度进行焊接(例如，焊接厚度很薄的镀锌钢)。例如，管状焊丝50容易在超过40英寸每分钟(例如，35或45英寸每分钟)的行进速度下实现低焊缝孔隙率的高品质的角焊。也就是说，当前披露的管状焊丝50可以实现比其他固体芯、金属芯或药芯焊丝更高的(例如，高50％至75％的)行进速度。应认识到的是，更高的行进速度可以实现更高的生产率(例如，在生产线上)并降低成本。此外，当前披露的管状焊丝50使用宽操作过程窗口(awide operatingprocess window)表现出良好的间隙处理并且提供了优异的焊缝特性(例如，强度、延展性、外观等)。进一步地，管状焊丝50总体上比其他固体芯、金属芯或药芯焊丝产生更少的烟雾和飞溅。

此外，所披露的管状焊丝50还可以与可进一步增强焊接系统10用于特定类型的工件的鲁棒性的某些焊接方法或技术(例如，焊接电极在焊接操作期间以特定方式移动的技术)相结合。例如，在某些实施例中，焊枪18可以被配置成使所述电极在焊枪18内以所希望的图案(例如，圆形、旋弧或蛇形图案)循环地或周期性地移动，以将电弧34保持在管状焊丝50与工件22之间(例如，仅保持在管状焊丝50的套管52与工件22之间)。通过具体的例子，在某些实施例中，所披露的管状焊丝50可以与例如在名称为“直流电极正接旋转电弧焊接方法和系统(DC ELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM)”的美国临时专利申请序列号61/576,850、名称为“直流电极正接旋转电弧焊接方法和系统(DCELECTRODE NEGATIVE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM)”的美国专利申请序列号13/681,687、以及名称为“适应性旋转电弧焊接方法和系统(ADAPTABLE ROTATING ARCWELDING METHOD AND SYSTEM)”的美国临时专利申请序列号61/676,563中所描述的焊接方法一起使用；出于所有目的通过全文引用将这些专利申请并入本文。应认识到的是，如上所述，在焊接薄的工件(例如，具有20-、22-或24-gauge的厚度)时，这样的焊接技术可以是特别有用的。

图3展示了工艺60的实施例，通过该工艺可以使用所披露的焊接系统10和管状焊丝50来焊接工件22。图示的工艺60以将管状焊接电极50(即，管状焊丝50)进给(方框62)到焊接装置(例如，焊枪18)开始。如上所述，在某些实施例中，管状焊丝50可以包括一种或多种有机稳定剂组分(例如，羧甲基纤维素钠)、一种或多种碳组分(例如，石墨粉末)以及一种或多种稀土组分(例如，稀土硅化物)。进一步地，管状焊丝50可以具有介于约0.024英寸至约0.062英寸之间的、介于约0.030英寸至约0.060英寸之间的，介于0.035英寸至约0.052英寸之间的或约为0.040英寸的外直径。还可认识到的是，在某些实施例中，焊接系统10可以将管状焊丝50以合适的速率进给，以使行进速度能够大于30英寸/分钟或大于40英寸/分钟。

此外，工艺60包括在焊接装置的接触端(例如，焊枪18的接触端)附近提供(方框64)保护气体流(例如，100％氩气(Ar)、100％二氧化碳(CO2)、75％Ar/25％CO2、90％Ar/10％CO2、95％Ar/5％CO2或类似的保护气体流)。在某些实施例中，所述保护气体流可以包含至少90％(例如，至少95％、至少98％、至少99％)的Ar。在其他实施例中，可以使用未采用气体供应系统(例如，图1所示的气体供应系统16)的焊接系统，并且管状焊丝50的一种或多种组分(例如，碳酸钾)可以分解以提供保护气体组分(例如，二氧化碳)。

接着，管状焊丝50可以被送到工件22附近(方框66)以激发并维持管状焊丝50与工件22之间的电弧34。应认识到的是，例如，可以使用用于GMAW系统10的DCEP、DCEN、直流可变极性、脉冲直流、平衡或不平衡的交流电源配置来产生电弧34。一旦电弧34已经建立到工件22，管状焊丝50的一部分(例如，填充金属和合金组分)可以被转移(方框68)到工件22的表面上的焊接熔池中以形成焊缝熔敷的焊道。同时，可以从管状焊丝50释放(方框70)管状焊丝50的其余组分以用作电弧稳定剂、造渣剂和/或脱氧剂，以控制电弧的电特性和焊缝熔敷物的所得的化学和机械特性。

通过具体的例子，据信，对于某些实施例，有机稳定剂的I族或II族金属(例如，钾和钠离子)通常可以从有机稳定剂中分离并对电弧提供稳定化效果。同时，据信，所述有机部分(例如，至少包括碳和氢，但也可能包括氧)可以在电弧的条件下分解以在焊接位置处或其附近提供还原(例如，富含氢)气氛。因此，虽然不希望受理论的束缚，但仍据信，所产生的还原气氛以及与当前披露的I族/II族稳定金属、稀土组分、周期性运动等潜在地结合，提供了一种即使在焊接涂敷工件或执行间隙填充时仍可实现高行进速度和低孔隙率的焊接解决方案。例如，在某些实施例中，管状焊丝50总体上可以使得能够焊接较薄的工件以及焊接经喷漆、镀锌、镀锌退火、涂镀、镀铝、镀铬、渗碳或其他类似的涂敷工件。例如，当前披露的管状焊丝50的某些实施例可以使得能够焊接具有小于5mm或小于4mm厚度的工件或焊接具有约1.3mm或1.2mm厚度的工件，而同时保持高的行进速度(例如，超过30英寸/分钟)和低孔隙率，即使在执行间隙填充(例如，1-3mm间隙填充)时也是如此。

下面表1中列出了根据工艺60使用所披露的管状焊丝50(即，和LS，两者都可从俄亥俄州特洛伊市的霍巴特兄弟公司(Hobart BrothersCompany)购得)的两个实施例的示例性全焊缝金属焊接实验的结果。应认识到的是，表1中展示出的焊接化学成分表示焊接金属的某些组分(例如，占总焊接金属的约3％)，剩余百分比由铁提供。如表1所示，在约-20℃和/或在约-40℃下，所产生的焊缝的夏比V型缺口值至少为约20ft.lbs(例如，至少约25ft.lbs、至少约30ft.lbs、至少约40ft.lbs)。在某些实施例中，采用所披露的管状焊丝50形成的焊缝的夏比V型缺口值总体上可以处于约20ft.lbs至约50ft.lbs之间的范围内。此外，对于表1所展示的实验，所产生的焊缝提供至少约70千磅每平方英寸(kpsi)(例如，大于80kpsi、大于90kpsi、大于100kpsi)的极限拉伸强度(UTS)、至少约70kpsi(例如，大于80kpsi、大于90kpsi、大于100kpsi)的屈服强度(YS)以及至少约18％(例如，介于约18％至约30％之间)的伸长率。例如，在其他实施例中，所述焊缝熔敷物的伸长率可以是至少22％。一般情况下，根据工艺60执行焊接操作时，焊丝相比LS表现出更低的飞溅和优越的润湿性。

表1：根据AWS A5.18坡口焊缝测试使用管状焊丝50的实施例的焊接实验的结果。可认识到的是，该列表不是穷举性的，并且所述焊缝金属的其余部分可以包括铁和微量元素。

此外，可认识到的是，本方法使得即使在焊接涂敷的工件时仍能够以高行进速度(例如，超过30英寸/分钟或40英寸/分钟)获得低孔隙率(例如，低表面孔隙率和/或低总孔隙率)的焊缝。在某些实施例中，当前披露的管状焊丝50所实现的低孔隙率可以提供基本上无孔的焊缝。在其他实施例中，所披露的管状焊丝50可以提供仅具有小的空隙或孔(例如，直径小于约1.6毫米)的低孔隙率焊缝，这些空隙或孔彼此分隔开大于或等于每个孔的对应直径的距离。进一步地，在某些实施例中，孔隙率可以表示为在一个方向上(例如，沿焊缝轴线)焊缝的每一段距离上所遇到的孔的直径的总和。对于这样的实施例，焊缝可以具有小于约0.3英寸/英寸焊缝、小于约0.25英寸/英寸焊缝、小于约0.2英寸/英寸焊缝或小于约0.1英寸/英寸焊缝的孔隙率。可认识到的是，可以使用X射线分析、显微镜分析或其他合适的方法来测定所述焊缝的孔隙率。

表2和表3呈现使用不同的焊接条件以相对较高的行进速度(即，40英寸每分钟)使用管状焊丝50的实施例的镀锌工件的示例性焊接操作的结果。所指示的示例的各种焊接条件包括：焊接极性(例如，DCEN或DCEP)、焊接工艺(例如，恒定电压(CV)或脉冲式，如米勒AccuPulse^TM)以及保护气体(例如，90％Ar/10％CO2或100％Ar)。表3的长度孔隙率和面积孔隙率的度量被提供为孔隙率的百分比，所述孔隙率会导致焊缝熔敷物无法通过按照AWSA5.18射线照相验收标准基于最小圆形指示尺寸和最小焊缝观察区的射线照相(例如，X射线)可接受的标准。

对于表2所指示的示例，当焊接工艺为CV时，则90％Ar/10％CO2保护气体通常实现比100％Ar更低的飞溅率。类似地，对于表2的示例，当焊接工艺为脉冲DCEN时，90％Ar/10％CO2保护气体通常实现比100％Ar更低的飞溅。然而，当焊接工艺是脉冲DCEP时，趋势出乎意料地逆转，100％Ar保护气体不仅实现比90％Ar/10％CO2保护气体更低的飞溅率，而且还比表2中列出的所有其他焊接条件产生更少的飞溅。特别地，对于焊接条件的组合包括100％Ar和脉冲DCEP的实施例，飞溅水平可以比于表2中列出的其他焊接条件低介于约40％至约90％之间(例如，低介于约50％至约75％之间)。因此，这样的实施例实现了即使在相对较高的行进速度(例如，40英寸每分钟)下仍可在焊接镀锌工件的同时将焊丝50的小于约10重量％(例如，小于约9重量％、小于约8重量％、小于约7重量％、约6重量％)转化成飞溅的焊接操作。

表2：对于不同的焊丝在GMAW焊接操作过程中使用所示的条件和焊丝以40英寸每分钟的行进速度形成板上焊道(bead-on-plate，BOP)接缝的飞溅率。飞溅是用每30英寸焊缝熔敷物的飞溅的克数为单位表示的，并且还被表示为焊丝转化成飞溅的百分比。

如表3所指示的，当焊接极性为DCEN时，则90％Ar/10％CO2保护气体通常实现比100％Ar更低的长度孔隙率。当焊接极性/工艺为CV DCEP时，90％Ar/10％CO2保护气体通常实现比100％Ar更低的长度孔隙率。然而，当焊接工艺是脉冲DCEP时，趋势出乎意料地逆转，100％Ar保护气体实现比90％Ar/10％CO2保护气体更低的长度孔隙率。总体上，表3表明，对于焊接条件的组合包括100％Ar和脉冲DCEP的实施例，无论长度孔隙率和面积孔隙率都是可接受的低，这指示良好的焊缝熔敷。这样的实施例使得能够形成具有小于约10％(例如，小于约9％、小于约8％、小于约7％、少于约6％、或约5％)的长度孔隙率和小于约4％(例如，小于约3.5％、小于约3％、小于约2.5％、或约2.2％)的面积孔隙率的焊缝熔敷物。进一步地，焊缝熔敷物的目视检查表明，对于这样的实施例，硅(Si)岛朝向焊缝熔敷物的焊趾(toe)分布而不是分布在焊缝熔敷物的整个表面。

表3：对于不同的焊丝在GMAW焊接操作过程中使用所指示的条件和焊丝在40英寸每分钟的行进速度下的孔隙率和Si岛测量。孔隙率的度量是通过分析使用所指示的焊丝形成的三个搭接接缝而确定的平均值。使用显微镜目视进行Si岛分析。

图4展示了工艺80的实施例，通过该工艺可以制造管状焊丝50。可认识到的是，工艺80仅提供了制造管状焊丝50的一个示例；然而，在其他实施例中，在不破坏本方法的效果的情况下可以使用其他制造方法来生产管状焊丝50。也就是说，例如，在某些实施例中，管状焊丝50可以通过滚轧成形方法或通过将内芯成分装填到中空金属套管中来形成。图4所展示的工艺80始于将扁平金属条进给(方框82)穿过多个模具，从而使所述金属条成形为部分圆形的金属套管52(例如，形成半圆形或凹槽)。在已经将金属条至少部分地成形为金属套管52之后，可以对金属套管填充(方框84)填料(例如，颗粒状内芯54)。也就是说，部分成形的金属套管52可以被填充有各种粉末状合金、电弧稳定、造渣、脱氧和/或填充组分。例如，在这些不同的助熔和合金组分中，可以将一种或多种有机稳定剂组分(例如，羧甲基纤维素钠)、一种或多种碳组分(例如，石墨粉末)以及一种或多种稀土组分(例如，稀土硅化物)添加至金属套管52。此外，在某些实施例中，还可以将其他组分(例如，稀土硅化物、磁铁矿、钛酸盐、黄铁矿、铁粉末和/或其他类似组分)添加至部分成形的金属套管52。

在所展示的工艺80中，接下来，一旦已经将颗粒状内芯材料54的组分添加至部分成形的金属套管52，则可以将部分成形的金属套管52进给穿过(方框86)通常可使金属套管52封闭的一个或多个设备(例如，拉模或其他合适的封闭设备)，以使得所述金属套管基本上围绕颗粒状内芯材料54(例如，形成接缝58)。此外，随后可以将封闭的金属套管52进给穿过(方框88)多个设备(例如，拉模或其他合适的设备)以通过压实颗粒状内芯材料54来减小管状焊丝50的周长。在某些实施例中，随后可以将管状焊丝50加热至介于约300°F至约650°F之间持续约4至6小时，然后再将所述管状焊丝捆装到线轴、卷轴或卷筒上以便运输，而在其他实施例中，可以在没有此烘烤步骤的情况下对管状焊丝50进行捆装。

尽管在此已经图示和描述了本发明的仅一些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (27)

1.一种焊接系统，包括：

焊接电源，所述焊接电源被配置成提供脉冲正电直流电流(DCEP)；

气体供应系统，所述气体供应系统被配置成提供保护气体流，所述保护气体流是至少90％氩气(Ar)；以及

焊丝进给器，所述焊丝进给器被配置成提供管状焊丝，其中所述DCEP、所述管状焊丝以及所述保护气体流被结合以在镀锌工件上形成焊缝熔敷物，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约10重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述保护气体流是至少95％Ar。

3.根据权利要求2所述的焊接系统，其中所述保护气体流是至少99％Ar。

4.根据权利要求1所述的焊接系统，包括焊枪，所述焊枪被配置成接收并结合所述DCEP、所述管状焊丝以及所述保护气体流以在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物。

5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约9重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

6.根据权利要求5所述的焊接系统，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约8重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

7.根据权利要求6所述的焊接系统，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于到约7重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

8.根据权利要求7所述的焊接系统，其中所述焊缝熔敷物具有小于约10％的长度孔隙率和小于约4％的面积孔隙率。

9.根据权利要求8所述的焊接系统，其中所述焊缝熔敷物具有小于到约8％的长度孔隙率和小于到约3％的面积孔隙率。

10.根据权利要求9所述的焊接系统，其中所述焊缝熔敷物具有小于到约6％的长度孔隙率和小于到约2.5％的面积孔隙率。

11.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接系统是半自动或全自动焊接系统。

12.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述管状焊丝包括布置在金属套管内部的颗粒状内芯，其中所述颗粒状内芯包括：

有机稳定剂组分，所述有机稳定剂组分包括结合到一种或多种I族或II族金属的一种或多种有机分子或有机聚合物；

碳组分，所述碳组分包括石墨、石墨烯、炭黑、灯黑、碳纳米管、金刚石或它们的组合；以及

烧结物，所述烧结物包括I族或II族金属氧化物、氧化钛以及氧化锰。

13.一种在镀锌工件上形成焊缝熔敷物的方法，包括：

朝向镀锌工件的表面进给管状焊丝，其中用脉冲正电直流电流(DCEP)对所述管状焊丝进行通电；

朝向在所述管状焊丝附近的所述镀锌工件的所述表面引导保护气体流，其中所述保护气体流是至少90％氩气(Ar)；以及

使用所述管状焊丝在所述镀锌工件上形成焊缝熔敷物而同时在所述焊缝熔敷物附近提供所述保护气体流，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约10重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷物具有小于约10％的长度孔隙率和小于约4％的面积孔隙率。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述焊缝熔敷物具有小于约8％的长度孔隙率和小于约3％的面积孔隙率。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述焊缝熔敷物具有小于约6％的长度孔隙率和小于约2.5％的面积孔隙率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约9重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

18.根据权利要求17所述的方法，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约8重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

19.根据权利要求18所述的方法，其中当在所述镀锌工件上形成所述焊缝熔敷物时小于约7重量％的所述管状焊丝被转化成飞溅。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述保护气体流是至少95％Ar。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述保护气体流是至少99％Ar。

22.根据权利要求13所述的方法，其中所述管状焊丝包括布置在金属套管内部的颗粒状内芯，其中所述颗粒状内芯包括：

有机稳定剂组分，所述有机稳定剂组分包括结合到一种或多种I族或II族金属的一种或多种有机分子或有机聚合物；

碳组分，所述碳组分包括石墨、石墨烯、炭黑、灯黑、碳纳米管、金刚石或它们的组合；以及

烧结物，所述烧结物包括I族或II族金属氧化物、氧化钛以及氧化锰。

23.根据权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷物在约-20℃和在约-40℃下具有大于约20ft.lbs的夏比V型缺口韧性。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述焊缝熔敷物的夏比V型缺口韧性在约-20℃和在约-40℃下是至少30ft.lbs。

25.根据权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷物具有至少70千磅每平方英寸(kpsi)的极限拉伸强度(UTS)、至少70kpsi的屈服强度(YS)以及至少18％的伸长率。

26.一种焊接系统，包括权利要求1至12中的任意一个技术特征或者技术特征的任意组合。

27.一种在镀锌工件上形成焊缝熔敷物的方法，包括权利要求13至25中的任意一个技术特征或者技术特征的任意组合。