CN107000104B - 用于焊接带有轧制氧化皮的工件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明概括地涉及气体保护金属极电弧焊接(GMAW)，更具体地涉及带有轧制氧化皮的钢工件的金属芯电弧焊接(MCAW)。公开了一种金属芯焊丝，该金属芯焊丝包括鞘和芯，能够在没有预先去除轧制氧化皮的情况下焊接带有轧制氧化皮的工件。金属芯焊丝具有按金属芯焊丝的重量计占约0.04％至约0.18％的硫源，并且具有按金属芯焊丝的重量计占约0.09％至约0.54％的纤维素源。

Description

用于焊接带有轧制氧化皮的工件的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月17日提交的题为“用于焊接带有轧制氧化皮的工件的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR WELDING MILL SCALED WORKPIECES)”的美国临时申请序列号为62/065,371的优先权和权益，出于所有目的其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明概括地涉及气体保护金属极电弧焊接(GMAW)，更具体地涉及带有轧制氧化皮的钢工件的金属芯电弧焊接(Metal-cored Arc Welding(MCAW))。
背景技术
电弧焊接通常用于诸如造船、海上平台、建筑、重型设备、轧管机等多种应用中。某些电弧焊接工艺(例如，气体保护金属极电弧焊接(GMAW)和金属芯电弧焊接(MCAW))使用焊丝，焊丝通常为焊缝熔敷提供填充金属的供给，并且在电弧焊过程中提供电流通路。管状焊丝例如包括围绕颗粒状芯的金属鞘。具体地，金属芯焊丝是一种类型的管状焊丝，其通常形成基本上无渣的焊缝熔敷，与其他类型的管状焊丝(例如药芯管状焊丝)相比，金属芯焊丝减少了焊后加工工序。
结构和重型设备应用中常见的一种类型的钢工件是热轧钢。由于热轧钢通常在含氧气氛中冷却，所以它形成混合的铁氧化物覆盖层，通常被称为轧制氧化皮。这种轧制氧化皮覆盖物提供了阻挡层，同时它保持完整无缺，保护下面的钢免于进一步氧化。在GMCW或MCAW工艺中使用之前，通常将带有轧制氧化皮的钢工件通过酸洗或喷砂去除轧制氧化皮覆盖物，而这大大增加了焊接过程的时间和成本。
发明内容
在一个实施例中，一种金属芯焊丝包括鞘和芯，并且能够在没有预先除轧制氧化皮的情况下焊接带有轧制氧化皮的工件。金属芯焊丝具有按金属芯焊丝的重量计占约0.04％至约0.18％的硫源，并且具有按金属芯焊丝的重量计占约0.09％至约0.54％的纤维素源。
在一个实施例中，一种焊接带有轧制氧化皮的钢工件的方法包括：将金属芯焊丝向带有轧制氧化皮的钢工件推进，其中金属芯焊丝包括鞘和芯，并且其中金属芯焊丝包括硫源和纤维素源。该方法包括在带有轧制氧化皮的钢工件的表面附近提供保护气体流，以及对金属芯焊丝通电以在金属芯焊丝与带有轧制氧化皮的钢工件之间产生电弧。该方法还包括在带有轧制氧化皮的钢工件上形成焊缝熔敷，而不形成大量熔渣层。
在一个实施例中，一种制造金属芯焊丝的方法包括：在金属鞘内设置颗粒状芯以形成金属芯焊丝。金属芯焊丝的芯包括：硫源，其按重量计占芯的约0.2％至约1％；以及纤维素源，其按重量计占芯的约1％至约3％。该方法还包括压制围绕芯的金属鞘以形成所述金属芯焊丝。
附图说明
参考附图阅读以下具体实施方式时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1是根据本公开的实施例金属芯电弧焊接(MCAW)系统的框图；
图2是根据本公开的实施例金属芯焊丝的横截面视图；
图3是根据本公开的实施例金属芯焊丝可用于焊接带有轧制氧化皮的工件的工艺；以及
图4是根据本公开的实施例制造金属芯焊丝的方法。
具体实施方式
下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明说明，实际实施方式的所有特征可能不在说明书中描述。实际实施方式的所有特征可能并没有在说明书中进行说明。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发过程中，如同在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施方式特定的决定，以实现开发者的特定目的，例如符合系统相关的和行业相关的约束，其可随着实施方式不同而有所变化。而且，应当理解，此类开发努力虽然可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，仍然是设计、加工以及制造的例行任务。
当介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“一”，“一个”，“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包含”和“具有”是指包括性的，并意味着可以存在除所列元件之外的其他元件。应当理解，在本文中使用时，术语“管状焊接电极”或“管状焊丝”可以指具有金属鞘和颗粒状或粉末状芯的任何焊丝或电极，例如金属芯或药芯焊接电极。还应当理解，术语“稳定剂”或“添加剂”通常可用于指代提高电弧质量，焊接质量或以其他方式影响焊接工艺的管状焊接的任何组分。此外，在本文中使用时，“约”通常可以指近似值，在某些实施例中，可以表示与实际值(例如，大于或小于)的差异小于0.01％，小于0.1％或小于1％。也就是说，在某些实施例中，“近似”值可以精确到所述值的(例如，加或减)0.01％，0.1％或1％范围内。在本文中使用时，“源”(例如硫源)用来表示包括经鉴定的元素的化学物质或化合物，不考虑其化学状态(例如硫酸盐，亚硫酸盐，硫化物等等)。在本文中使用时，“基本上没有”或“基本上不含”可以指完全不存在的组分或特征、仅以非常有限的程度(例如，小于1％)存在的特征、或者以不显著水平存在的特征，如本领域普通技术人员所判断的。
如上所述，带有轧制氧化皮的钢工件在结构和重型设备应用中很常见，通常在MCAW之前去除轧制氧化皮。由于在焊接带有轧制氧化皮的工件时，轧制氧化皮覆盖层的铁氧化物可以防止焊接池充分熔化并在(例如，充分浸润)坡脚线处流动，并且高行进速度使这个问题进一步恶化，所以通常进行这种去除轧制氧化皮(例如酸洗或喷砂)的处理。可以注意到，在药芯焊丝电弧焊接(FCAW)工艺中，可以不去除轧制氧化皮，而使用例如药芯焊丝来焊接带有轧制氧化皮的工件。然而，如上所述，药芯焊丝通常在焊缝熔敷上形成熔渣层，这增加了焊后去除处理的时间。此外，药芯焊丝产生更大量的焊接烟尘和飞溅，这对于某些应用来说是不允许的。因此，本实施例涉及金属芯焊丝，其能够在带有轧制氧化皮的钢工件上形成具有良好焊道形状的高质量焊缝熔敷。因此，所公开的金属芯焊丝实现了MCAW操作，而无需预先将带有轧制氧化皮的钢工件去除轧制氧化皮。由于焊接之后通常使用例如喷砂对工件进行清洁，所以本发明公开的金属芯焊丝实现了在仅经过单一(即，焊后)表面处理的带有轧制氧化皮的钢工件上进行焊接工艺，提高了焊接工艺的效率。
具体地，所公开的金属芯焊丝包括某些组分，从而使电弧能够有效地穿透轧制氧化皮覆盖层并且使焊池能够有效地浸润带有轧制氧化皮的工件表面。这些组分包括有意添加的以下各项的一种或多种：硫源、锑源和纤维素源。在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝包括硫源(例如硫酸钾)，以确保焊池有效地浸润工件的表面。在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝包括锑源(例如，锑氧化物)，其作为表面活性剂，有助于在远离焊道坡脚线处形成硅岛，并且使硅岛朝向焊道的中心，在那里它们更容易去除。在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝包括纤维素源(例如，纤维素纸，羧甲基纤维素钠)，有助于渗透轧制氧化皮覆盖层并浸润下面的钢表面。具体地，本发明人已经确定，虽然这些组分各自单独地提高带有轧制氧化皮的钢工件的可焊性，但是这些组分在组合(例如硫/锑、硫/纤维素、硫/锑/纤维素)时甚至更有效。此外，可以理解，通常，焊丝的硫含量往往减到最低限度以避免在焊缝熔敷中形成硫导致的裂缝，因此，在某些本发明公开的金属芯焊丝实施例中有意包含硫源，并不是金属芯焊丝的常规特征。
参照附图，图1示出了根据本公开使用金属芯管状焊丝的金属芯电弧焊接(MCAW)系统10的一个实施例。焊接系统10包括焊接电源12，焊丝送进器14，气体供给系统16以及焊枪18。焊接电源12通常向焊接系统10供电，可以通过电缆束20耦接到焊丝送进器14，并且使用具有夹具26的引线电缆24耦接到带有轧制氧化皮的工件22。在所示的实施例中，焊丝送进器14通过电缆束28耦接到焊枪18，以便在焊接系统10的操作过程中向焊枪18提供可消耗的金属芯焊丝(即，管状焊接电极)和电力。在另一个实施例中，焊接电源单元12可耦接到焊枪18并直接向焊枪18供电。
焊接电源12通常可以包括电力转换电路，其从交流电源30(例如，AC电网，发动机/发电机组或其组合)接收输入电力，调节输入电力并通过电缆20提供DC或AC输出电力。因此，根据焊接系统10的需要，焊接电源12可以给焊丝送进器14供电，继而焊丝送进器14又为焊枪18供电。端接夹具26的引线电缆24将焊接电源12耦接到工件22，以闭合焊接电源12、工件22和焊枪18之间的电路。焊接电源12可以包括电路元件(例如，变压器，整流器，开关等)，其能够将AC输入电力转换为直流正接电极(DCEP)输出，直流反接电极(DCEN)输出，DC可变极性，脉冲DC或可变平衡(例如，平衡或不平衡)AC输出，这取决于焊接系统10的需求。
所示的焊接系统10包括气体供应系统16，其将保护气体或保护气体混合物从一个或多个保护气体源17供应到焊枪18。在所示的实施例中，气体供应系统16通过气体导管32直接耦接到焊枪18。在另一个实施例中，气体供应系统16可以替代地耦接到焊丝送进器14，焊丝送进器14可以调节从气体供应系统16到焊枪18的气体流。在本文中使用时，保护气体可以指任何可以提供给电弧和/或焊池的气体或气体混合物，以便提供特定的局部气氛(例如，屏蔽电弧，提高电弧稳定性，限制金属氧化物的形成，改善金属表面的浸润，改变焊缝熔敷的化学性质等等)。在某些实施例中，保护气体流可以是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)，类似的适合的保护气体，或其任何混合物)。例如，保护气体流(例如，通过导管32输送的保护气体流)可以包括Ar、Ar/CO2混合物(例如，Ar中有1％至99％的CO2)、Ar/CO2/O2混合物、Ar/He混合物等等。通过具体示例，在某些实施例中，保护气体流可以包括100％Ar；75％Ar和25％CO2；90％Ar和10％CO2；或者98％Ar和2％O2。
因此，所示的焊枪18通常接收金属芯焊丝，来自焊丝送进器14的电力和来自气体供应系统16的保护气体流，以便对带有轧制氧化皮的工件22进行MCAW。在操作过程中，可以使焊枪18靠近带有轧制氧化皮的工件22，从而可以在离开焊枪18的接触尖端的可消耗的金属芯焊丝与带有轧制氧化皮的工件22之间形成电弧34。此外，如下所述，通过控制金属芯焊丝的组成，可以改变电弧34和/或所得焊缝的化学性质(例如，组成和物理特性)。例如，金属芯焊丝包括合金组分，其可以至少部分地并入焊缝熔敷中，影响焊缝的机械性能。此外，所公开的金属芯焊丝的其他组分可以(例如，纤维素源)有助于穿透轧制氧化皮覆盖层，(例如硫源和/或纤维素源)浸润带有轧制氧化皮的工件22的表面，并且(例如，锑源)有助于形成和定位硅岛以便更好地去除。
图2示出了本发明公开的金属芯焊丝的一个实施例的横截面。图2示出了金属芯管状焊丝50，其包括金属鞘52，金属鞘52包封颗粒状或粉末状芯54(也称为填充物)。图2所示的金属芯焊丝50的金属鞘52可以由任何合适的金属或合金制成，例如钢。应当理解，金属鞘52的组成可以影响所得焊缝的组成和/或电弧34的性质。在某些实施例中，金属鞘52可占管状焊丝50总重量的约80％至90％。此外，在某些实施例中，金属鞘52可以主要由铁制成，具有各种包含物(例如，碳，锰等)以调节金属鞘52及所得焊缝熔敷所需的性质。
所示的金属芯焊丝50的颗粒状芯54通常可以是压实的粉末。在某些实施例中，颗粒状芯54可占金属芯焊丝50总重量的约5％至约40％或约10％至约20％。例如，在某些实施例中，颗粒状芯54可提供管状焊丝50总重量的约14％、约15％、约16％、约17％、约18％、约19％或约20％。此外，在某些实施例中，如下所述，颗粒状芯54的组分可以是均匀地或非均匀地(例如，块或团56)设置在颗粒状芯54中。在某些实施例中，在颗粒状芯54中可以包括金属芯焊丝50的能够实现带有轧制氧化皮的钢的MCAW的所有上述组分(例如，硫源、锑源、纤维素源)。此外，可以理解，在某些实施例中，金属芯焊丝50可以完全或基本上不含铟(例如，可以不包括任何有意添加的铟)。
表1和表2表示所公开的金属芯焊丝50实施例的组分，包括至少一种硫源和锑源，以实现带有轧制氧化皮的钢工件的MCAW。此外，表2中所示的实施例包括纤维素源(例如羧甲基纤维素钠(NaCMC))，以实现带有轧制氧化皮的钢工件的MCAW。事实上，在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝50可以包括至少一种硫源和至少一种纤维素源，且可以不包括锑源。通常，通过以各种组合一起使用两种或更多种这些组分，可以调节硅岛的尺寸、体积和位置。可以理解，硫源、锑源和/或纤维素源的组合共同对硅岛形成的影响大于对任一组分单独观察到的影响。
具体地，对于表1所示的金属芯焊丝50的实施例，硫源为硫酸钾，锑源为锑氧化物。表2所示的金属芯焊丝50的实施例中，有两种硫源(即硫酸钾和铁硫化物)，锑源是锑氧化物，纤维素源是NaCMC。在其他实施例中，金属芯焊丝50可以仅包括铁硫化物或二硫化钼作为硫源，以便例如提供更好的还原环境来处理轧制氧化皮覆盖物。此外，在某些实施例中，除了NaCMC之外或作为NaCMC的替代，纤维素源可以包括纤维素纸。
Figure GDA0002278232540000071
Figure GDA0002278232540000072
Figure GDA0002278232540000073
表1.所公开的焊丝的示例性实施例的组成。值表示为占芯的百分比(％)、占鞘的百分比(％)或占整个金属芯焊丝的百分比(％)。
Figure GDA0002278232540000081
Figure GDA0002278232540000082
Figure GDA0002278232540000083
Figure GDA0002278232540000091
表2.所公开的焊丝的另一个示例性实施例的组成。值表示为占芯的百分比(％)、占鞘的百分比(％)或占整个金属芯焊丝的百分比(％)。
如表1和表2所示，在某些实施例中，硫源(例如硫酸钾)，以重量计，可以占金属芯焊丝50的约0.04％至约0.18％、约0.06％至约0.16％、约0.08％至约0.13％、或约0.09％至约0.11％。在某些实施例中，硫源，以重量计，可以占颗粒状芯54的约0.2％至约1％、约0.33％至约0.86％、约0.46％至约0.73％、或约0.5％至约0.6％。可以理解，在某些实施例中，硫源可以实施为设置在金属芯焊丝50的外表面上的润滑和/或耐腐涂层。例如，在某些实施例中，硫源可以是涂覆在金属芯焊丝50的金属鞘52的外表面上的硫化钼或另一种合适的基于硫的润滑剂。然而，通过金属芯焊丝50的颗粒状芯54将硫源输送到焊池被认为可以更大地控制向焊池输送硫源的量和速率,和/或提供用于向焊池输送硫源一种更好的载体以改进带有轧制氧化皮的工件表面的浸润。这种对硫源输送的改进控制是有利的，因为如上所述，焊缝熔敷中硫含量超过特定阈值(例如，约0.6重量％或约0.3重量％)可能导致开裂，减弱焊缝熔敷的机械强度。可以注意到，本公开还考虑，在某些实施例中，硫源附加地或可替代地可以是由气体供应系统16提供的含硫气体(例如六氟化硫(SF6))(例如作为与保护气体的混合物)，而锑源和/或纤维素源可以由金属芯焊丝50提供以获得类似效果。
在某些实施例中，锑源(例如，锑氧化物)，以重量计，可以占金属芯焊丝50的约0.09％至约0.36％、约0.13％至约0.3％、约0.16％至约0.25％、或约0.2％。在某些实施例中，锑源，以重量计，可以占颗粒状芯54的约0.5％至约2％、约0.7％至约1.7％、约0.9％至约1.4％、或约1％。在其他实施例中，可以将锑合金化到金属芯焊丝50的金属鞘52的组成中。如上所述，金属芯焊丝50的某些实施例可以不包括锑源。
在某些实施例中，纤维素源可以是羧甲基纤维素的第I或II族盐(例如，NaCMC)。在某些实施例中，纤维素源，以重量计，可以占金属芯焊丝50的约0.09％至约0.54％、约0.1％至约0.36％、约0.15％至约0.27％、或约0.18％。在某些实施例中，纤维素源，以重量计，可以占颗粒状芯54的约0.5％至约3％、约0.6％至约2％、约0.8％至约1.5％、或约1％。
此外，本发明公开的金属芯焊丝50的实施例还包括存在于鞘54，芯52或其组合中的碳，以稳定电弧34和/或增加焊缝的碳含量。如表2所示，在某些实施例中，碳源可以是设置在芯52中的石墨，炭黑或类似碳源。在某些实施例中，这些碳源，以重量计，可以占芯52的约0.25％至约0.75％、约0.4％至约0.6％、或约0.5％。在某些实施例中，芯54的这些碳源，以重量计，可以占金属芯焊丝50的约0.05％至约0.14％、约0.07％至约0.11％、或约0.09％。
如表2所示，在某些实施例中，金属芯焊丝50还可以包括稀土硅化物(例如，可从伊利诺伊的米勒和罗斯蒙特公司(Miller and Company of Rosemont)买到)，其可以包括稀土元素(例如铈和镧)和其他非稀土元素(例如，铁和硅)。在某些实施例中，稀土硅化物，以重量计，可以占金属芯焊丝50的约0.09％至约0.72％、约0.18％至约0.54％、或约0.36％。在某些实施例中，稀土硅化物，以重量计，可以占芯54的约0.5％至约4％、约1％至约3％、或约2％。
Figure GDA0002278232540000101
Figure GDA0002278232540000111
表3.如表2所示的金属芯焊丝50的实施例的计算的化学组成。
表3包括由以上表2所示的金属芯焊丝50的实施例的计算的化学组成。可以理解，表2所示的某些成分可以为表3所示的金属芯焊丝50的总化学组成贡献多种元素。例如，如表2和3所示，NaCMC和石墨都对金属芯焊丝50实施例的总碳含量有贡献。在某些实施例中，金属芯焊丝50的配方可设计为提供一种总的化学组合物，其中含有在特定范围内的特定元素。例如，在某些实施例中，金属芯焊丝50可以包括含碳的成分或源(例如，在鞘52和/或芯54中为NaCMC和/或石墨)，以提供金属芯焊丝50的特定总碳含量(例如，以重量计，大于约0.12％、约0.13至约0.21％、约0.15％至约0.18％、或约0.17％)。再举例，在某些实施例中，金属芯焊丝50可以包括硅源(例如，铁硅粉、铁锆硅粉、稀土硅化物)，以提供金属芯焊丝50的特定总硅含量(例如，以重量计，大于约0.12％、约1％至约2％、约1.25％至约1.75％、或约1.5％)。在某些实施例中，金属芯焊丝50可以包括，以重量计，约0.25％至约0.75％，或约0.54％的镍，作为芯54的合金粉和/或合金化到鞘52中。在某些实施例中，金属芯焊丝50可以包括，以重量计，约2至约2.5％，或约2.25％的锰，作为芯54的合金粉和/或合金化到鞘52中。
图3示出了可以使用所公开的焊接系统10和金属芯管状焊丝50焊接带有轧制氧化皮的工件22的工艺60的一个实施例。所示的工艺60开始于将管状焊丝50送入焊接装置(例如焊枪18)(框62)。如上所述，在某些实施例中，金属芯焊丝50可以包括硫源、锑源、纤维素源或其组合，以实现焊接带有轧制氧化皮的工件。此外，工艺60包括在焊接装置的接触尖端(例如，焊枪18的接触尖端)附近提供保护气体流(例如，100％氩气，100％二氧化碳，75％氩气/25％二氧化碳，90％氩气/10％二氧化碳)或类似保护气体流)(框64)。
接着，使焊接装置(例如焊枪18)靠近带有轧制氧化皮的工件22，以便在金属芯焊丝50和工件22之间触发和维持电弧34(框66)。应当理解，电弧34可以使用例如用于MCAW系统10的DCEP、DCEN、DC可变极性、脉冲DC、平衡或不平衡AC电力配置来产生。一旦在工件22上产生电弧34，可以将金属芯焊丝50的一部分(例如，诸如铁等填充金属和诸如硼等合金组分)转入工件22表面上的焊池，以形成焊缝熔敷的焊道(框68)。同时，金属芯焊丝50的其他组分(例如，硫源，锑源和/或纤维素源)可以被释放以帮助穿透工件22的轧制氧化皮表面，从而增强焊池浸润下面的钢的能力，和/或防止(例如，阻碍或阻止)在焊缝熔敷的表面上形成硅岛(框70)。因此，所公开的金属芯焊丝50实施例的组分协作以在带有轧制氧化皮的钢上形成有质量的焊缝，它们具有良好外观(例如，没有大量凹坑，凹痕或凹陷)和良好机械性能。而且，可以理解，所公开的工艺60避免了额外的焊前表面准备步骤(例如酸洗和/或喷砂)，在本发明之前的现有MCAW工艺中通常使用该步骤对带有轧制氧化皮的工件进行处理。
Figure GDA0002278232540000121
Figure GDA0002278232540000131
表4.示例性焊接操作的焊接参数和焊缝金属的经分析的组成，其余为铁和痕量元素。送丝速度和焊枪行进速度以英寸/每分钟(ipm)表示。工件是A36带有轧制氧化皮的板。
表4包括使用表2所示的金属芯焊丝50实施例在A36带有轧制氧化皮的板上进行的一个示例性焊接操作的焊接参数和焊接金属化学性质。应当理解，焊接参数(例如，电流，电压，气体类型)仅仅是示例性的，在其他焊接操作中，这些参数可以变化，如上文更详细地讨论的。可以理解，虽然表4表示焊缝具有约0.1％(以重量计)的碳含量，但在其他实施例中，金属芯焊丝50可产生具有大于约0.12％(以重量计)的碳含量的焊缝熔敷(例如，以重量计，约0.13％至约0.17％，或约0.15％)。还可以注意到，表2的金属芯焊丝50的芯54中的各种硅源(例如，铁硅粉末，稀土硅化物)产生具有较高硅含量的焊缝熔敷(例如，以重量计，大于约1％、约1.2％至约1.4％、或约1.3％)。此外，在某些实施例中，焊缝熔敷的镍含量(例如，以重量计，约0.3％至约0.9％、约0.4％至约0.8％、或约0.6％)和锰含量(例如，以重量计，约1.6％至约2.4％、约1.8％至约2.2％、或约2％)使焊缝能够达到所需的物理性能(例如强度，韧性)。
在物理性能方面，在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝50能够产生符合美国焊接学会(AWS)5.18和/或5.20的焊缝熔敷。因此，在某些实施例中，所公开的金属芯焊丝50可以产生具有至少70千磅/平方英寸(ksi)的极限抗拉强度(UTS)和在-20°F和-40°F下大于20英尺-磅(ft-lbs)的夏比V形缺口韧性的焊缝熔敷。表4的示例性焊缝熔敷提供约114ksi的UTS，约99.4ksi的屈服强度和约15.5％的最小伸长率。此外，示例性焊缝熔敷在约-20°F下表现出约22英尺-磅(ft-lbs)的夏比V形缺口韧性，在-40°F下表现出约25ft-lbs的夏比V形缺口韧性。可以理解，金属芯焊丝50的配方可以在上述范围内改变，以调节焊缝的性质，例如，增加焊缝的强度或延展性以满足特定应用的需要。
图4示出了可以制造金属芯管状焊丝50的工艺80的一个实施例。可以理解，工艺80仅是制造金属芯焊丝50的一个示例；然而，在其他实施例中，可以使用其他制造方法来生产金属芯焊丝50，而不会抵消本方法的效果。也就是说，例如，在某些实施例中，管状焊丝50可以通过辊轧成型法或通过将芯组合物封装到中空的金属鞘中而形成。图4所示的工艺80开始于将扁平金属带送过多个模具(框82)，所述模具将金属带成形为部分圆形的金属鞘52(例如，形成半圆或槽)。金属带已至少部分地成形为金属鞘52之后，可以用填充物(例如，颗粒状芯54)填充金属鞘52(框84)。也就是说，部分成形的金属鞘52可以填充有多种组分，包括硫源，锑源和纤维素源中的一种或多种。如上所述，在某些实施例中，锑源可以包含在金属鞘52中，颗粒状芯54中，或其组合中。
接着在所示的工艺80中，一旦颗粒状芯材料54的组分已被添加到部分成形的金属鞘52中，然后可以将部分成形的金属鞘52送过(块86)一个或多个装置(例如，拉丝模具或其他合适的封闭装置)，所述装置通常可以封闭金属鞘52，以使其基本上包围颗粒状芯材料54(例如，形成接缝58)。此外，可以随后将封闭的金属鞘52送过多个装置(例如，拉丝模具或其他合适的装置)(框88)，以便通过压制颗粒状芯材料54来减小金属芯焊丝50的周长。在某些实施例中，随后可以在将金属芯焊丝封装在用于运输的绕线轴，卷轴或卷筒上之前，将金属芯焊丝50在约400°F至约600°F之间加热或烘烤约4至6小时，而在其他实施例中，金属芯焊丝50可以不经过这此烘烤步骤直接封装。
虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可想到许多修改和变型。因此，应当理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有此类修改和变型。

Claims (31)

1.一种金属芯焊丝，包括金属鞘，所述金属鞘包封颗粒状芯，所述金属芯焊丝能够在没有预先去除轧制氧化皮的情况下焊接带有轧制氧化皮的工件，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括：
0.04％至0.18％的硫源；
0.09％至0.54％的纤维素源；
0.25％至0.75％的镍；和
0.13％至0.21％的碳；并且
其中所述金属芯焊丝的所述颗粒状芯按所述颗粒状芯的重量计包括：
0.2％至1％的所述硫源；和
1％至3％的所述纤维素源。
2.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述硫源包括硫酸钾、铁硫化物、二硫化钼、或其组合。
3.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述纤维素源包括羧甲基纤维素钠。
4.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括0.09％至0.36％的锑源。
5.如权利要求4所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括：
0.06％至0.16％的所述硫源，
0.13％至0.3％的所述锑源，和
0.1％至0.36％的所述纤维素源。
6.如权利要求4所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝的所述颗粒状芯按所述颗粒状芯的重量计包括：
0.5％至2％的所述锑源。
7.如权利要求4所述的金属芯焊丝，其中所述锑源包括合金化到所述金属鞘中的锑。
8.如权利要求4所述的金属芯焊丝，其中所述锑源包括设置在所述颗粒状芯中的锑氧化物。
9.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝不含铟。
10.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝按重量计包括0.54％的镍。
11.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括2％至2.5％的锰。
12.如权利要求1所述的金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括0.15％至0.18％的碳。
13.一种焊接带有轧制氧化皮的钢工件的方法，包括：
将金属芯焊丝向带有轧制氧化皮的钢工件推进，其中所述金属芯焊丝包括金属鞘和颗粒状芯，并且其中所述金属芯焊丝包括硫源和纤维素源；
在所述带有轧制氧化皮的钢工件的表面附近提供保护气体流；
对所述金属芯焊丝通电，以在所述金属芯焊丝与所述带有轧制氧化皮的钢工件之间产生电弧；以及
在所述带有轧制氧化皮的钢工件上形成焊缝熔敷，而在所述焊缝熔敷上没有形成大量熔渣层；
其中，所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括：0.04％至0.18％的硫源，0.09％至0.54％的纤维素源；0.25％至0.75％的镍；和0.13％至0.21％的碳。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述金属芯焊丝包括硅源和锑源，并且其中所述焊缝熔敷的硅岛朝向所述焊缝熔敷的中心而不是坡脚。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括：
0.06％至0.16％的所述硫源，
0.1％至0.36％的所述纤维素源，和
0.13％至0.3％的所述锑源。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计0.13％至0.17％的碳。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述金属芯焊丝包括硅源，并且所述焊缝熔敷包括按重量计1.2％至1.4％的硅。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计0.3％至0.9％的镍。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述金属芯焊丝包括锰，并且所述焊缝熔敷包括按重量计1.6％至2.4％的锰。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述焊缝熔敷具有至少70千磅/平方英寸(ksi)的极限拉伸强度(UTS)以及在-20°F和-40°F下至少20ft-lbs的夏比V形缺口韧性。
21.一种制造金属芯焊丝的方法，包括：
在金属鞘内设置颗粒状芯以形成所述金属芯焊丝，其中所述金属芯焊丝的所述颗粒状芯按所述颗粒状芯的重量计包括：
0.2％至1％的硫源；和
1％至3％的纤维素源；以及
围绕所述颗粒状芯压制所述金属鞘以形成所述金属芯焊丝；
其中，所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括0.25％至0.75％的镍和0.13％至0.21％的碳。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述颗粒状芯按所述颗粒状芯的重量计包括0.5％至2％的锑源。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述硫源包括硫酸钾或铁硫化物，所述锑源包括锑氧化物，所述纤维素源包括羧甲基纤维素钠。
24.一种金属芯焊丝，所述金属芯焊丝包括金属鞘和基于铁的芯，所述金属芯焊丝能够在没有预先去除轧制氧化皮的情况下焊接带有轧制氧化皮的工件，其中所述金属芯焊丝按所述金属芯焊丝的重量计包括：
0.04％至0.18％的硫源；
0.09％至0.54％的纤维素源；
0.09％至0.36％的锑源；
1.25％至1.75％的硅源；
0.13％至0.21％的碳源；
2％至2.5％的锰；和
0.25％至0.75％的镍；
其中，所述硫源是硫酸钾、铁硫化物、二硫化钼、或其组合，
其中，所述纤维素源是羧甲基纤维素钠，并且
其中，所述锑源是设置在所述芯中的锑氧化物，和/或合金化到所述金属鞘中的锑。
25.如权利要求24所述的金属芯焊丝，其中所述纤维素源按重量计占所述金属芯焊丝的0.1％至0.36％；
其中所述金属芯焊丝是金属芯管状焊丝；
其中所述金属鞘由钢制成；
其中所述基于铁的芯是基于铁的颗粒状芯；
其中所述金属鞘占所述金属芯管状焊丝的总重量的80％至90％；并且所述基于铁的颗粒状芯占所述金属芯管状焊丝的总重量的10％至20％；并且
其中所述金属芯管状焊丝按所述金属芯管状焊丝的重量计还包括：0.09％至0.72％的稀土硅化物。
26.如权利要求24所述的金属芯焊丝，其中所述硫源按重量计占所述芯的0.2％至1％，所述锑源按重量计占所述芯的0.5％至2％，并且所述纤维素源按重量计占所述芯的1％至3％，
其中所述碳源按重量计占所述芯的0.25％至0.75％；并且稀土硅化物按重量计占所述芯的0.5％至4％，
其中所述芯占所述金属芯焊丝的总重量的5％至40％，并且
其中源用来表示包括经鉴定的元素的化学物质或化合物，不考虑其化学状态。
27.一种焊接带有轧制氧化皮的钢工件的方法，包括：
将如权利要求24-26中任一项权利要求所述的金属芯焊丝向带有轧制氧化皮的钢工件推进；
在所述带有轧制氧化皮的钢工件的表面附近提供保护气体流；
对所述金属芯焊丝通电，以在所述金属芯焊丝与所述带有轧制氧化皮的钢工件之间产生电弧；以及
在所述带有轧制氧化皮的钢工件上形成焊缝熔敷，而在所述焊缝熔敷上没有形成大量熔渣层，
其中所述焊缝熔敷的硅岛朝向所述焊缝熔敷的中心而不是坡脚。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计0.13％至0.17％的碳。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计1.2％至1.4％的硅。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计0.3％至0.9％的镍。
31.如权利要求27所述的方法，其中所述焊缝熔敷包括按重量计1.6％至2.4％的锰。
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