CN108067761B - 具有碱土金属的焊接电极焊丝 - Google Patents

具有碱土金属的焊接电极焊丝 Download PDF

Info

Publication number
CN108067761B
CN108067761B CN201711120705.7A CN201711120705A CN108067761B CN 108067761 B CN108067761 B CN 108067761B CN 201711120705 A CN201711120705 A CN 201711120705A CN 108067761 B CN108067761 B CN 108067761B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
welding
welding wire
electrode
concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711120705.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108067761A (zh
Inventor
本·谢弗
史蒂文·彼得斯
B·纳拉亚南
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lincoln Global Inc
Original Assignee
Lincoln Global Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lincoln Global Inc filed Critical Lincoln Global Inc
Publication of CN108067761A publication Critical patent/CN108067761A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108067761B publication Critical patent/CN108067761B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0261—Rods, electrodes, wires
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0261—Rods, electrodes, wires
    • B23K35/0283—Rods, electrodes, wires multi-cored; multiple
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0261—Rods, electrodes, wires
    • B23K35/0266—Rods, electrodes, wires flux-cored
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • B23K35/286—Al as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3601—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with inorganic compounds as principal constituents
    • B23K35/3603—Halide salts
    • B23K35/3605—Fluorides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3612—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with organic compounds as principal constituents
    • B23K35/3613—Polymers, e.g. resins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/10—Alloys based on aluminium with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/14—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/18—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with zinc
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)
  • Nonmetallic Welding Materials (AREA)

Abstract

所披露的技术总体上涉及焊接，并且更具体地涉及用于金属电弧焊的可消耗电极焊丝，以及使用所述可消耗电极焊丝的用于金属电弧焊的方法和系统。在一个方面，被配置成用于在金属电弧焊期间充当电极的可消耗焊丝包含基于所述焊丝的总重量处于0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素。

Description

具有碱土金属的焊接电极焊丝
背景技术
技术领域
所披露的技术总体上涉及焊接，并且更具体地涉及用于金属电弧焊的可消耗电极焊丝。
相关技术的说明
在金属电弧焊技术中，在可消耗焊接电极焊丝与工件之间产生电弧，该可消耗焊接电极焊丝充当朝向该工件推进的一个电极，该工件充当另一电极。电弧熔化金属焊丝的尖端，由此产生沉积到该工件上的熔融金属焊丝的液滴，形成焊道。
随着焊接要求的复杂性持续增长，正在提出各种用于解决日益复杂的要求的技术方法。例如，竞争性要求包括实现对于生产率的高沉积速率，并同时实现外观和机械特性(例如高屈服强度、延展性和断裂韧性)上高品质的焊道。
特别地，重快原子轰击(heavy fab)使用者经常希望非常高的沉积速率，例如约30lbs/hr或更高的沉积速率，用于明弧焊。一些焊接技术旨在通过改进耗材来解决这个和其他的要求，例如，通过改进电极焊丝的物理设计和组成。然而，在现有技术的电极中，以如此高的沉积速率进行沉积经常导致等离子弧的不稳定性，这进而导致焊道的不可接受的品质。因此，需要能够在高沉积速率下使用同时产生高品质焊缝的可消耗焊接电极焊丝。
发明内容
在一个方面，配置成用于在焊接期间充当电极的可消耗焊丝(例如，金属芯可消耗焊丝)包括具有第一基础金属组合物的鞘。该焊丝附加地包括芯，该芯被该鞘包围并且包括颗粒，这些颗粒具有与基于该焊丝的总重量处于0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素混合的第二基础金属组合物。
另一方面，一种金属电弧焊的方法包括提供配置成用于充当电极的可消耗焊丝，例如金属芯可消耗焊丝，该焊丝包含基于该金属芯焊丝的总重量处于0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素，其中该一种或多种碱土金属元素的原子与基础金属组合物合金化。该方法此外包括施加电流以产生足以产生由该焊丝的材料形成的稳定熔融液滴流的等离子弧，从而以超过30磅/小时的沉积速率将这些熔融液滴沉积到工件上。
在又另一方面，一种用于金属电弧焊的系统包括配置成用于充当电极的可消耗焊丝，例如金属芯可消耗焊丝，其中该焊丝包含基于该焊丝的总重量处于0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素，并且其中该一种或多种碱土金属元素的原子与基础金属组合物合金化。该系统此外包括电源，该电源被配置为用于施加电流以产生足以产生由该焊丝的材料形成的稳定熔融液滴流的等离子弧。该系统还包括焊枪，该焊枪被配置成用于以超过30磅/小时的沉积速率将熔融液滴沉积到工件上。
附图说明
图1是金属电弧焊方法中的电极的配置的示意图。
图2A是根据实施例的包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的示意图。
图2B是根据实施例的使用包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的焊道形成示意图。
图2C是沿着图2B的焊缝中心线A-A’的该一种或多种碱土金属元素的浓度分布的示意图。
图3A是根据实施例的具有包含一种或多种碱土金属元素的芯的金属芯电极焊丝的示意图。
图3B是根据实施例的具有包含一种或多种碱土金属元素的芯的金属芯电极焊丝的示意图。
图4是根据实施例的具有包含一种或多种碱土金属元素以及含氟颗粒的芯的金属芯电极焊丝的示意图。
图5是根据实施例的配置成用于高沉积速率的使用包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的金属电弧焊系统的示意图。
图6是根据实施例的使用包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的金属电弧焊方法的流程图。
图7是说明根据实施例的包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的实验电弧不稳定性监测结果的图。
具体实施方式
图1是金属电弧焊方法中的电极的配置的示意图。在金属电弧焊，例如气体-金属电弧焊(GMAW)中，在与一个电极4(例如阳极(+))电连接的可消耗金属焊丝6与充当另一电极(例如，阴极(-))的工件2之间产生电弧。此后，维持等离子体8，其含有中性和电离的气体分子，以及已被电弧汽化的金属焊丝6的材料的中性和带电的簇或液滴。可消耗金属焊丝6朝向工件2推进，并且金属焊丝6的熔融液滴沉积到该工件上，从而形成焊道。
广泛使用的电弧焊方法尤其包括可采用固体电极焊丝(GMAW)或金属芯焊丝(GMAW-C)的气体-金属电弧焊方法，可以是气体保护的药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)或自保护的药芯焊丝电弧焊(FCAW-S)的药芯焊丝电弧焊方法(FCAW)，有保护的金属电弧焊(SMAW)和埋弧焊(SAW)。
如本文所述，金属芯电极(GMAW-C)是指具有芯的电极，该芯的成分主要为金属。当存在时，该芯中的非金属组分具有基于每个电极的总重量的小于5％、3％或1％的组合浓度。GMAW-C电极的特征在于喷射电弧和优异的焊道性能。
在使用固体(GMAW)或金属芯电极(GMAW-C)的气体-金属电弧焊中，使用保护气体来对焊接熔池和焊道提供保护以防止焊接期间的大气污染。当使用固体电极时，它们与活性成分适当地合金化，这些活性成分结合保护气体被设计成用于提供无孔隙焊缝，这些焊缝具有所得焊道的所需物理和机械特性。当使用金属芯电极时，一些活性成分被添加在金属外鞘的芯中并被设计成用于提供与在固体电极情况下相似的功能。
固体和金属芯电极被设计成用于在适当的气体保护下提供具有屈服强度、拉伸强度、延展性和冲击强度的固体、基本无孔隙的焊缝以便在最终应用中令人满意地表现。这些电极还被设计成使焊接期间产生的熔渣量最小化。对于一些应用，金属芯电极可以用作固体焊丝的替代品来增加生产率。金属芯电极是复合电极，其具有至少部分地被金属外鞘填充和包围的芯。该芯可以包括金属粉末和活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润湿和外观以及希望的物理和机械特性。金属芯电极通过混合芯材的成分并将其沉积在成型的条带内部，并且然后闭合并拉伸该条带至最终的直径来制造。对于一些应用，与固体电极相比，有芯电极可以提供增加的沉积速率和更宽的、更一致的熔接透入轮廓。此外，对于一些应用，与固体电极相比，有芯电极可以提供改进的电弧作用，产生更少的烟雾和飞溅，并且提供具有更好润湿的焊缝熔敷物。
在药芯焊丝电弧焊(FCAW、FCAW-S、FCAW-G)中，使用有芯电极。用于药芯焊丝电弧焊中的有芯电极具有至少部分被金属外鞘填充和包围的芯，类似于上述的金属芯电极。然而，用于药芯焊丝电弧焊的有芯电极附加地包括焊剂，这些焊剂被设计成用于在焊接期间对焊接熔池和焊道提供保护免于大气污染，至少部分代替保护气体。用于药芯焊丝电弧焊中的有芯电极可以附加地包括其他活性成分以有助于电弧稳定性、焊缝润湿和外观以及希望的物理和机械特性。已经开发了大量的焊剂组合物来控制电弧稳定性，改变焊缝金属组成，并提供保护免于大气污染。通常通过改变焊剂的组成来控制电弧稳定性。因此经常令人希望的是在焊剂混合物中具有作为等离子体电荷载体很好地起作用的物质。在一些应用中，焊剂还可以通过使金属中的杂质更容易可熔并提供这些杂质可能与其组合的物质来改变焊缝金属组成。有时加入其他材料以降低熔渣熔点，改进熔渣的流动性，并充当焊剂颗粒的粘合剂。
本文披露的各种实施例旨在解决上述各种焊接方法中的高沉积速率的日益复杂的要求。有利地，本文披露的实施例涉及包含相对大量的碱土金属元素的电极。在一些实施例中，这些电极是含有相对大量的碱土金属元素的固体电极。在一些其他实施例中，这些电极是有芯电极，例如，金属芯电极或药芯电极，用于提供用传统的焊条焊接可能难以或不可能实现的宽范围的冶金和物理特性。如本文所述，高沉积速率是指超过约30lbs/hr的沉积速率，其远高于用大多数明弧焊方法实际上可实现的速率。本文披露的电极的实施例允许如此高的沉积速率而不会发展过多的电阻加热，即使使用相对小直径的电极。另外，所得到的焊道具有希望的机械特性，例如超过80,000psi的屈服强度。
图2A是根据实施例的包含基础金属组合物和一种或多种碱土金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)的焊接电极焊丝20(例如，金属芯焊接电极焊丝)的示意图。
在本文描述的包括图2A所示实施例的各种实施例中，基础金属组合物包含钢组合物或铝组合物。在一些实施例中，基础金属组合物可以是碳钢组合物。为了提供一些非限制性示例组合物，碳钢组合物包含Fe和以下项中的一项或多项：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约1.5wt％之间的Si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Al和浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在一些其他实施例中，基础金属组合物可以是低碳钢组合物。一些非限制性实例包括具有浓度小于约0.10wt％的C和浓度最高达约0.4wt％的Mn的组合物，以及具有浓度小于约0.30wt％的C和浓度最高达约1.5wt％的Mn的组合物。
在一些其他实施例中，基础金属组合物可以是低合金钢组合物。为了提供一些非限制性示例组合物，低合金钢组合物包含Fe和以下项中的一项或多项：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约1.0wt％之间的Si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P、浓度在约0.01wt％与约5wt％之间的Ni、浓度在约0.1wt％与约0.5wt％之间的Cr、浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Mo、浓度在约0.001wt％与约0.1wt％之间的V、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Al和浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在一些其他实施例中，基础金属组合物可以是不锈钢组合物。为了提供一些非限制性示例组合物，不锈钢组合物典型地包含Fe和以下项中的一项或多项：浓度在约0.01wt％与约1wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约5.0wt％之间的Si、浓度在约10wt％与约30wt％之间的Cr、浓度在约0.1wt％与约40wt％之间的Ni、浓度在约0.1wt％与约10wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S和浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P。
不受任何理论的束缚，上面讨论的每种元素都可以在钢焊接中提供特别的优点。碳可以在焊件中提供强度和延展性。锰是另一种可以增加焊缝强度的元素并且也可以充当脱氧剂(其从焊缝中去除氧并且降低焊缝金属孔隙率)。硅可以充当脱氧剂，从焊缝中去除氧，并且减少焊缝金属孔隙率的机会。一般来说，金属中的硅水平越高，熔池中的流体就越多。硅的添加还可以增加拉伸强度和屈服强度。磷一般对焊缝熔敷来说是不希望的，因为它可能有助于焊缝开裂。硫一般对于可焊性来说也是不希望的并且可能有助于焊缝开裂。然而，以有限的量，硫或磷可以改进熔池的流动性和润湿性。由于涂覆焊丝电极(如果镀铜)用于改进的导电性、以及因此更好的引弧，铜可以存在。除了硅和锰之外，钛可以充当脱氧剂。一些脱氧剂有助于从焊缝中去除氧和氮二者，从而减少焊缝金属孔隙率的发生。锆、铝和镍可以充当脱氧剂。钼可以增加强度并改进冲击特性，即使当焊缝经受应力消除焊后热处理时。铬可以改进耐腐蚀性。
不同于钢组合物的基础金属组合物是可能的。在一些实施例中，基础金属组合物可以是铝组合物。为了提供一些非限制性示例组合物，铝组合物包含Al和以下项中的一项或多项：浓度在约0.01wt％与约5％之间的Mn、浓度在约0.1wt％与20wt％之间的Si、浓度在约0.1wt％与约1.0wt％之间的Fe、浓度在约0.01wt％与约10wt％之间的Mg、浓度在约0.01wt％与约1.0wt％之间的Cr、浓度在约0.01wt％与10wt％之间的Cu、浓度在约0.01wt％与约1.0wt％之间的Ti以及浓度在约0.01wt％与约1.0wt％之间的Zn。根据实施例，这些和其他铝组合物可以被包括作为焊接电极焊丝20的基础金属的一部分。
在本文描述的包括图2A所示实施例的各种实施例中，该一种或多种碱土金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)以基于电极焊丝的总重量在约0.005％、0.050％或0.1％的最小浓度与约0.5％、5％或10％的最大浓度之间的浓度范围存在。
当存在多于一种碱土金属元素时，以上指出的浓度表示组合浓度或单独浓度。
在一个具体的实施例中，Ba以在约0.05％与5％之间或在约0.1％与约10％之间，例如约0.12％的浓度存在。
在另一个实施例中，Ca以在约0.05％与5％之间或在约0.1％与约10％之间，例如约0.12％的浓度存在。
在又另一个实施例中，Ba和Ca各自都以在约0.05％与5％之间或在约0.1％与约10％之间，例如约0.12％的浓度存在。
在一些实施例中，碱土金属的原子与基础金属组合物合金化。也就是说，碱土金属的原子与基础金属组合物的原子形成金属键。在一些其他实施例中，碱土金属原子在基体金属组合物的基体内成簇，例如以沉淀物的形式。又其他实施例是可能的，其中碱土金属元素呈化合物的形式，例如与该基础金属组合物形成混合物的硅酸盐、钛酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氟化物和氧化物。
发明人已经发现，具有处于本文所述浓度的碱土金属可以除其他优点之外提供以下优点：在高电流(例如，超过200安培或超过400安培)下为电弧提供稳定性用于实现高沉积速率(例如超过30lbs/hr)。另外，在一些情况下，处于本文所述浓度的碱土金属可以有利地充当脱氧剂。
根据实施例，上述特征可以至少部分地通过将焊缝金属电极20配置成具有0.045”-3/32”(1.1mm-2.4mm)的直径范围来实现。
在下文中，关于图2B和图2C，不受任何理论的束缚，当使用根据实施例的焊接电极焊丝时，随着焊道的形成来描述碱土金属元素的演变。将理解的是，下面的描述适用于上面关于图2A描述的焊接电极焊丝以及下文关于图3A-3B和4描述的实施例。此外，虽然此描述适用于钢基础金属组合物，但类似的概念适用于铝基础金属组合物。
根据Fe-C体系的平衡相图(未示出)，存在几个铁相，包括：体心立方铁素体(也称为α-Fe)，其在低于约910℃下是稳定的；面心立方奥氏体(也称为γ-Fe)，其在高于约730℃下是稳定的；和δ铁素体(δ-Fe)，其在高于约1390℃和最高达约1539℃熔点下是稳定的。在焊接期间，取决于基础钢组合物，液化的电极组合物可以通过多种途径淬火以形成固体焊道。例如，对于碳钢和低合金钢组合物，该途径可以包括L→δ+L、接着是δ+L→δ+γ+L、接着是δ+γ+L→γ+δ+L→γ。可替代地，用于碳钢和低碳钢组合物的途径可以包括L→δ+L、接着是δ+L→δ(对于包晶组合物)。对于不锈钢组合物，该途径可以是L→δ+L、接着是δ+L→δ+γ。在上述碱土金属的浓度下，当包括溶解的碱土金属元素的液化的焊缝金属电极按照上述途径之一凝固成焊道时，相对少量的碱土金属元素的原子变得以取代和/或填隙方式结合到钢组合物的晶格(例如，钢组合物的体心立方晶格或面心立方晶格)中。其结果是，根据实施例，大部分碱土金属原子偏析或沉淀出来以变得结合到所得到的熔渣中。其结果是，由于大部分碱土金属原子基本上不变得结合到所得的焊道中，所得的焊道相对不含碱土金属原子。
图2B是根据实施例的使用包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的焊道形成22的示意图。在图2B中，焊道的焊缝金属晶体24已经从先前的熔池(诸如熔池28)中的电极焊缝金属的液相中结晶。当焊道在x方向上继续形成时，熔池28表示电极焊缝金属的液相。焊道形成22表示在相对高的沉积速率下，例如当沉积速率超过约30lbs/hr时，的焊道形成。在这样的情况下，熔池28的形状可以在沿着焊缝中心线AA’的方向上变得细长(例如，长度(l)/宽度(w)>1.5)，呈梨形的形式。
根据实施例，当碱土金属元素的浓度相对高(例如高于溶解度极限)时，随着熔池凝固成钢或铝组合物的一个或多个固相，杂质原子可以偏析至液体/固体界面26或焊道表面(随着焊道生长)，例如当碱土金属原子的量超过可以通过焊缝金属晶体24的晶粒和晶界所能容纳的量时。另外，焊接熔池28可以继续变得富集碱土金属元素的浓度，最终导致含有偏析的碱土金属元素的熔渣。
图2C示出了示意性地说明沿着图2B的焊缝中心线AA’的该一种或多种碱土金属元素的浓度分布的图示29。根据一些实施例，碱土金属元素的浓度被选择为使得大量(例如基本上全部)碱土金属原子从焊缝金属晶体24的晶粒和/或晶界偏析，对于其中基础金属组合物是钢组合物的实施例，这些焊缝金属晶体可以包括γ-Fe和/或δ-Fe晶粒，如图2C所示。图示29示出沿着图2B的焊缝中心线AA’的横截面的焊缝中心线方向(x方向)上的碱土金属的浓度。如图2C所示，在一些实施例中，相对少量(例如痕量)的碱土金属(该碱土金属以溶解度极限或低于溶解度极限变得结合在固体焊道中)的浓度29a沿x方向相对恒定在Cs。此外，基本上所有的碱土金属在液体/固体界面26处偏析和/或偏析至表面上，使得熔池28中处于CL的碱土金属的浓度29b显著超过CS的浓度。熔池28可以继续变得富集碱土金属元素的浓度，最终产生熔渣。
当变得富含碱土金属的熔池冷却形成焊道时，几乎所有的碱土金属偏析到焊道表面，例如作为熔渣的一部分。在不同实施例中，有利地，电极焊丝中的碱土金属的初始浓度的大于约80％、大于约90％或大于约99％偏析至焊道的表面和/或液体/固体界面，从而形成可以容易地去除的熔渣。
上面关于图2A-图2C描述的不同技术特征不限于特定类型的电极，例如在以下项之中：固体电极焊丝(GMAW)、金属芯焊丝(GMAW-C)、药芯焊丝电弧焊方法(FCAW)、有保护的药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)、自保护的药芯焊丝电弧焊(FCAW-S)、有保护的金属电弧焊(SMAW)或埋弧焊(SAW)。下文中，详细描述包含碱土金属元素的有芯电极的具体实施例。
一般来说，有芯电极是连续供给的管状金属鞘，具有颗粒或粉末的芯。该芯可以包括助熔元素、去氧和去氮剂、和合金化材料，以及增加韧性和强度、改进耐腐蚀性及稳定电弧的元素。如上所述，有芯电极可以分类为以下项之一：金属芯电极(GMAW-C)、自保护的药芯电极(FCAW-S)和气体保护的药芯电极(FCAW-G)。在本文描述的实施例中，将理解的是，含有碱土金属元素的金属芯电极中的颗粒通常是金属和合金颗粒，而不是诸如氧化物或氟化物的化合物，仅在焊缝的面上产生小的熔渣岛。相比之下，在焊接期间产生大量熔渣覆盖物(支持和成形焊道)的药芯电极可具有含有呈如氧化物和氟化物的化合物形式的碱土金属元素的颗粒。如下所述，本文所披露的各种实施例可针对金属芯电极、自保护的药芯电极和气体保护的药芯电极中的任一种进行优化。
如上所述，金属芯电极是复合电极，其具有由例如软钢形成的鞘，其中颗粒的芯具有特别选择的铁和其他金属粉末和合金。添加剂如稳定剂和电弧增强剂可以很容易地添加，为焊工提供了更宽的操作窗口。金属芯电极(GMAW-C)是气体保护型，是固体合金电极(GMAW)的替代物。
由于制造的灵活性，当工作需要特殊的电极时，金属芯电极可能比固体电极更经济。由于制造方法涉及共混金属粉末，而不是产生特殊的钢熔体，少量更容易产生，并且最低订购量低得多。其结果是，与特殊订购的固体电极相比，可以以更短的周转时间和更低的成本生产金属芯电极。
图3A和3B是根据实施例的具有包含一种或多种碱土金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)的芯的金属芯电极焊丝30a/30b的示意图。每个金属芯电极焊丝30a/30b包括包含第一基础金属组合物的鞘34和由鞘34包围的芯38a/38b。芯38a/38b至少部分地填充有包含该一种或多种碱土金属元素和第二基础金属组合物的颗粒。
在金属芯电极焊丝30a/30b中，鞘34的第一基础金属和芯中的颗粒的第二基础金属可以包括上面关于图2A的电极20描述的钢或铝组合物中的任一种。在一些实施例中，该第一基础金属和该第二基础金属是相同的，而在其他实施例中，该第一基础金属和该第二基础金属是不同的。另外，如下所述，粉末组分包括呈不同配置的碱土金属。
参见图3A的金属芯电极30a，根据实施例，颗粒32由第二基础金属组合物和碱土金属的合金形成。类似于以上关于上面的图1描述的实施例，在图3A所示的实施例中，碱土金属元素的原子可以溶解或直接结合在第二基础金属组合物的晶格(例如，钢组合物的体心立方晶格或面心立方晶格)中，例如以取代和/或填隙的方式。碱土金属元素的原子也可以在第二基础金属组合物的基体内成簇，例如形成沉淀物。可替代地实施例是可能的，其中碱土金属元素呈化合物的形式时，例如硅酸盐、钛酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氟化物和氧化物。
在图3A所示的实施例中，颗粒32的组成基本均匀并含有类似或基本相同量的碱土金属。例如，当颗粒32由相同或不同的合金锭产生时，可能是这种情况。
然而，现在参见图3B的金属芯电极30b，其他实施例是可能的。在图3B的电极30b中，颗粒36a、36b具有不同的组成。在一些实施例中，颗粒36a、36b包含不同的元素。在其他实施例中，颗粒36a、36b含有处于不同浓度的一种或多种成分杂质的相同元素。
在一些实现方式中，所有颗粒36a、36b包含第二基础金属组合物(例如钢或铝组合物)和一种或多种碱土金属元素，但是在第二基础金属组合物和一种或多种碱土金属元素之一或二者的不同浓度下。在一些其他实现方式中，一些颗粒36a包括第二基础金属组合物，而不包括一种或多种碱土金属元素，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物和一种或多种碱土金属元素二者。在一些其他实现方式中，一些颗粒36a不包括第二基础金属组合物而包括一种或多种碱土金属元素，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物和一种或多种碱土金属元素二者。在一些其他实现方式中，一些颗粒36a包括第二基础金属组合物同时包括一种或多种碱土金属，而其他颗粒36b不包括第二基础金属组合物而包括一种或多种碱土金属。在一些其他实现方式中，一些颗粒36a不包括第二基础金属组合物而包括一种或多种碱土金属元素，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物而不包括一种或多种碱土金属元素。在一些其他实现方式中，没有颗粒包括第二基础金属组合物，而所有颗粒36a、36b包括不同浓度的一种或多种碱土金属元素。
在本文描述的包括图3A-3B所示实施例的各种实施例中，基础金属组合物包含具有与以上关于图2A描述的类似组成的钢组合物或铝组合物。
在本文关于图3A-3B所示实施例描述的各种实施例中，一种或多种碱土金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)以上面关于图2A描述的浓度存在。
根据实施例，上述浓度可以至少部分地通过将金属芯电极30a/30b配置成具有在0.045”(1.1mm)与0.068”(1.7mm)之间、0.045”(1.1mm)与3/32”(2.4mm)之间或者在0.052”(1.4mm)与0.068”(1.7mm)之间的外径(OD)来实现。
根据实施例，上述浓度可以至少部分地通过以下方式来实现：配置芯38a/38b和鞘34的含量，使得芯的含量基于金属芯电极焊丝30a/30b的总重量占约1wt％与约80wt％之间、约10wt％与约50wt％之间或约15wt％与约30wt％之间。
具有本文所述的特定浓度和配置的碱土金属可具有许多优点。不受任何理论的束缚，据信碱土金属改变了某些等离子体特性，例如增加了电离电势。等离子体的增加的电离电势进而可导致在较高电流下的较高的等离子体稳定性，这样使得可维持较高的沉积速率，例如超过30磅/小时的沉积速率。另外，如在别处所述，因为碱土金属原子基本上不变得结合到所得到的焊道中，所以可以防止所得焊件的机械特性的劣化。在不受任何理论约束的情况下，可以防止在晶界中形成新相和/或碱土金属的过度累积。
根据以上关于图3A-3B的金属芯电极所述的一些实施例，金属芯电极(GMAW-C)被配置成用于气体金属电弧焊，其中保护由保护气体提供。如上所述，气体金属电弧焊可与其中包含在管状电极内的焊剂产生保护的药芯焊丝电弧焊(FCAW)区分开。对于药芯焊丝电弧焊(FCAW)，焊剂形成熔渣。在FCAW中，焊剂的材料并不旨在结合到最终的焊道中。相反，焊剂形成熔渣，在完成焊接之后将该熔渣去除。因此，在本文所述的金属芯电极的各种实施例中，芯不包含附加的焊剂。
将理解的是，基于所得到的焊道特性，金属芯电极和药芯电极可以进一步被区分。根据各种实施例，本文描述的金属芯电极在所得焊道的面上产生熔渣岛。相比之下，药芯电极产生所得焊道的面的广泛熔渣覆盖度。例如，由金属芯电极产生的熔渣岛可以覆盖焊道表面积的小于50％、30％或10％。相比之下，由药芯电极产生的熔渣可以覆盖焊道表面积的大于50％、70％或90％。尽管当存在于用于高速焊接的金属芯电极的芯中时，电极中的碱土金属的量和安排可能是更有利的，但是实施例不受此限制，并且本文描述的概念可以用于其他电极配置，例如，药芯电极。
图4是根据实施例的具有包含一种或多种碱土金属元素(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)的芯的金属芯电极焊丝40的示意图。金属芯电极焊丝40包括由第一基础金属形成的鞘44。鞘44的第一基础金属组合物可以包括上面关于图2A的电极20描述的钢或铝组合物中的任何一种。金属芯电极40附加地包括芯48，该芯包括颗粒40a，这些颗粒包括根据以上关于图3A的颗粒32或图3B的颗粒36a、36b所述的配置中的任一种或组合的第二基础金属组合物和/或一种或多种碱土金属元素。根据实施例，金属芯电极40的芯48附加地包括一个或多个含氟颗粒40b。在一些其他实施例中，芯48附加地包括一个或多个非含氟的颗粒40c。
不受任何理论的束缚，在含氟颗粒40b中的含氟化合物用于改变熔渣的特性以改进焊道的形状，例如，以减少在形成的焊道上的气体痕迹的倾向。例如，当含氟化合物存在时，气体痕迹(观察到的现象，其中在焊道表面上观察到类似蠕虫的弧坑)可能减少。不受任何理论的束缚，可以观察到气体痕迹，例如在其中熔渣比焊池凝固的快得多的速冻熔渣系统(基于金红石)中。由于熔渣的快速凝固，从熔融焊缝中放出的气体被部分截留并且因此在焊道表面上形成弧坑。
不受任何理论的束缚，含氟颗粒40b内的含氟化合物还可降低熔渣的熔点。熔渣的较低熔点允许熔渣保持熔融持续较长时间，从而允许更多的时间用于气体从熔融焊缝中逸出并溶解在熔渣中。在熔渣中夹杂氟还可以促进HF的形成，从而减少来自焊缝的氢气，这降低了焊接系统中氢气的分压以便减少气体痕迹的发生率。
根据一些实施例，含氟颗粒40b可以包含氟聚合物。当含氟化合物包含氟聚合物时，该氟聚合物可以是含有2至约10个碳原子的烃单体的均聚物，其中每种单体被至少一个氟原子取代。例如，该氟聚合物可以由聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、碳氟聚合物如聚四氟乙烯和聚六氟丙烯、以及共聚物如偏二氟乙烯和四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物形成。
在实施例中，氟聚合物聚合物具有低于约1,000°F的熔点，使得其可以以微粒形式结合到芯48中并且在电极的成形和拉伸期间保持其组成。将理解的是，可能更不切实际的是在如上面关于图2A所描述的实心金属焊丝电极中使用氟聚合物，因为聚合物在用于生产实心焊丝的熔化或合金化过程期间可能分解。
在本文披露的各种实施例中，基于电极焊丝的总重量，该电极焊丝中氟(F)的浓度为在约0.02wt％与约2wt％之间、约0.1wt％与约1.5wt％之间、或约0.5wt％与约1.0wt％之间，例如约为0.7wt％。
其他实施例是可能的，其中含氟颗粒40b包括非聚合物或无机含氟化合物，例如氟化铝、氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化锰、氟化钾、氟化钠、氟化锶、聚四氟乙烯(如
Figure GDA0001553471310000141
)、Na2SiF6、K2SiF6、Na3AlF6和/或K3AlF6；然而，将理解的是可以使用其他或附加的含氟化合物。
根据实施例，非含氟颗粒40c包括过渡金属氧化物，例如氧化钛(例如金红石等)和/或含过渡金属的化合物(例如硅钛酸钾、硅钛酸钠等)。通常，非含氟颗粒的重量百分比大于含氟化合物的重量百分比，例如，处于约0.5-10:1之间，典型地约0.5-5:1，并且更典型地约0.7-4:1的比率。
图5示出根据实施例的电弧焊系统50，该系统被配置成与上文讨论的焊接电极一起使用以约30lbs/hr或更高的速率沉积焊缝金属用于明弧焊。具体地，根据实施例，电弧焊系统50被配置成用于可使用包含碱土金属的焊接电极的GMAW、FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW或类似的电弧焊方法。电弧焊系统50包括焊接电源52、焊丝驱动器54、保护气体供应器58和焊枪59。焊接电源52被配置成用于向焊接系统50供电并且电耦合到焊丝驱动器54，使得焊接电极焊丝充当第一电极并且还被电耦合到充当第二电极的工件57，如图1详细描绘的。该焊丝驱动器被耦合到焊枪59，并且被配置成用于在焊接系统50的操作期间将焊接电极焊丝从电极供应器56供应到焊枪59。在一些实现方式中，焊接电源52还可以耦合并直接向焊枪59供电。
将理解的是为了说明的目的，图5示出了其中操作者操作焊炬的半自动焊接配置。然而，本文描述的金属芯电极可以有利地用于机器人焊接单元，其中机器人机器操作焊炬。
焊接电源52包括功率变换电路，该电路从交流电源(例如，AC电力网，发动机/发电机组或其组合)接收输入功率、调节该输入功率并将DC或AC输出功率提供给焊接系统50。焊接电源52可以给焊丝驱动器54供电，该焊丝驱动器进而给焊枪59供电。焊接电源52可以包括被配置成将AC输入功率转换成DC正或DC负输出、DC可变极性、脉冲DC或可变平衡(例如平衡或不平衡)AC输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等等)。将理解的是，焊接电源52被配置成提供在约100安培与约1000安培之间、或者约400安培与约800安培之间的输出电流，使得可以实现超过约30lbs/hr的速率的焊缝金属沉积。
根据实施例，保护气体供应器58被配置成用于将保护气体或保护气体混合物从一个或多个保护气体源供应到焊枪59。如本文所使用的保护气体可以指可被提供给电弧和/或焊接熔池以便提供特定的局部气氛(例如，以屏蔽电弧，改进电弧稳定性，限制金属氧化物的形成，改进金属表面的润湿，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，该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)、类似的合适的保护气体、或其任何混合物)。例如，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(仅举数例)。
焊丝驱动器54可以包括永磁电动机用于提供对送丝的启动、停止和速度上的良好控制。为了使得超过约30lbs/hr的高焊缝金属沉积速率成为可能，焊丝驱动器54被配置成用于提供在约50英寸/分钟(ipm)与约2000ipm之间、约400ipm与约1200ipm之间、或者在约600ipm与约1200ipm之间的送丝速度。
在操作中，焊枪59接收来自焊丝驱动器54的焊接电极、来自焊丝驱动器54的电力以及来自保护气体供应器58的保护气体流，以在工件57上进行电弧焊。使焊枪59充分靠近工件57，使得在可消耗焊接电极与工件57之间形成电弧，如上面关于图1所述。如上所讨论，通过控制焊接电极的组成，可以改变电弧和/或所得到的焊缝的化学性质(例如组成和物理特性)。参见图6，描述了一种金属电弧焊的方法60。方法60包括提供62被配置为充当电极的可消耗焊丝，其中该导电焊丝包括基于金属芯焊丝的总重量在0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素。该一种或多种碱土金属元素的原子与基础金属组合物合金化。方法60附加地包括施加64电流以产生足以产生由该焊丝的材料形成的稳定熔融液滴流的等离子弧。方法60还包括以超过25磅/小时的沉积速率将熔融液滴沉积66到工件上。
在方法60中，提供62可消耗焊丝包括提供以上例如关于图2A、3A、3B和4所述的任何焊丝。
在方法60中，根据一些实施例，施加电流64包括施加在约300安培与约600安培之间、约400安培与约700安培之间或约500安培与约800安培之间的平均电流以维持平均数量的等离子体不稳定事件(保持低于约10个事件/秒)。根据一些其他实施例，施加电流64包括施加在约400安培与约700安培之间、约500安培与约800安培之间或约600安培与约900安培之间的峰值电流。
在方法60中，根据一些实施例，沉积66包括以超过约20lbs/hr、30lbs/hr、40lbs/hr或50lbs/hr的沉积速率进行沉积。在一些其他实施例中，根据实施例，沉积66包括以约20lbs/hr与约70lbs/hr之间、约30lbs/hr与约80lbs/hr之间、约40lbs/hr与约90lbs/hr之间或约50lbs/hr与约100lbs/hr之间的沉积速率进行沉积。根据实施例，此种沉积速率可以通过将上述的电流水平和约200m/min与约400m/min之间、约300m/min与约500m/min之间或者约400m/min与约600m/min之间的送丝速度结合施加来实现。
图7是说明根据实施例的包含一种或多种碱土金属元素的电极焊丝的实验电弧不稳定性监测结果的图示70。y轴表示每秒不稳定事件的数量，而x轴表示通过焊接电极的平均电流。如本文所述，电弧不稳定事件被定义为在持续沉积电弧期间的事件，其中如在可消耗电极与工件之间测量的沉积电流快速地改变大于平均值的约3个标准偏差。实际上，这样的不稳定事件对焊道的外观和机械特性产生负面影响，并且焊接在尽可能最不频繁地发生这样的事件的电流值下进行。
仍然参见图7，监测结果74是根据实施例的电弧焊电极的监测结果。具体地，所使用的焊接电极是包含碱土金属元素和基于钢组合物的基础金属组合物的有芯焊丝。根据一个实施例，用于产生监测结果74的焊接电极是直径为1.4mm的电极，其包含与钢组合物合金化的0.12wt％Ca、与钢组合物合金化的0.12wt％Ba和呈聚四氟乙烯形式的0.7％氟。比较地，用于产生监测结果72的焊接电极为直径1.4mm，具有与用于产生监测结果74的焊接电极类似的组成，除了控制电极不包含Ca、Ba，也不包含呈聚四氟乙烯形式的氟。
对于监测结果74和72二者，使用在约24V与约37V之间的恒定电压(CV)模式、使用相同的软钢T形接头(水平圆角)和相同的焊接参数组，用机器人焊接焊接电极。对于所有单独的焊缝，以20kHz频率(每秒20,000个样品)记录瞬时焊接电压和电流。如本文所述，电弧不稳定事件(或电压不稳定事件)是指焊接电压(从设定点电压)到低于约10伏的值的瞬时下降。不受任何理论的束缚，这样的电弧不稳定事件可对应于与通常被称为熔滴过渡的“喷射过渡”模式存在偏差的情况。如所示，在监测结果72中，电弧不稳定事件的数量在约300安培的平均电流下急剧减少到小于约20个，并且在约500安培的平均电流下减少到约零。相比之下，在控制电极的监测结果74中，电弧不稳定事件的数量在约200安培的平均电流下急剧减少到小于约10个，并且在约250安培的平均电流下减少到约零。也就是说，将理解的是，与不具有碱土金属元素的控制电极相比，根据实施例的具有碱土金属元素的电极的最佳操作状态是在较高的沉积速率和较高的电流值下。具体地，使用根据实施例的电极用于实现高沉积速率的最佳操作电流值比使用不具有碱土金属元素的控制电极的那些高至少100-200安培。
虽然本文已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过实例的方式呈现，并且不旨在限制本披露范围。的确，本文所述的新颖装置、方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，在不背离本披露精神的情况下，可以对本文所述方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。上述各种实施例的要素和作用的任何合适的组合可以被组合以提供另外的实施例。所附权利要求及其等效物旨在覆盖如将落在本披露的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (12)

1.一种可消耗金属芯焊丝，被配置成用于在金属电弧焊期间充当电极，所述焊丝包括：
鞘，所述鞘具有第一基础金属组合物，其中所述第一基础金属组合物是钢组合物；
芯，所述芯被所述鞘包围并且包括颗粒，所述颗粒具有与基于所述焊丝的总重量的大于0.1％并且小于10％的浓度的Ba合金化的第二基础金属组合物；
其中，所述芯中的非金属原子元素以基于所述焊丝的总重量不超过5％的浓度存在，并且
其中，所述芯进一步包含基于所述焊丝的总重量浓度处于0.5％与2％之间的氟。
2.如权利要求1所述的焊丝，其中，Ba的浓度基于所述焊丝的总重量是小于0.5％。
3.如权利要求1所述的焊丝，其中，所述第一基础金属组合物和所述第二基础金属组合物包含不同的金属或金属合金组合物。
4.如权利要求1所述的焊丝，其中，所述第一基础金属组合物和所述第二基础金属组合物包含相同的金属或金属合金组合物。
5.如权利要求1所述的焊丝，其中，所述焊丝被配置成用于熔化极气体保护焊。
6.如权利要求1所述的焊丝，其中，所述芯进一步包含过渡金属氧化物。
7.一种金属电弧焊方法，包括：
提供被配置成用于充当电极的可消耗金属芯焊丝，所述焊丝为根据权利要求1-6中任一项所述的焊丝；
施加电流以产生等离子弧，所述等离子弧足以产生所述焊丝的稳定熔融液滴流；以及
以超过30磅/小时的沉积速率将熔融液滴沉积到工件上。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述方法是熔化极气体保护焊。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述非金属原子元素以以下浓度存在，即，使得将所述熔融液滴沉积到所述工件上包括在所得焊道的表面上形成熔渣岛，而不实质性地覆盖所得焊道的整个表面。
10.如权利要求7所述的方法，其中，施加电流包括施加在400安培与700安培之间的平均电流以将等离子体不稳定事件的平均数量维持在低于10个事件/秒。
11.一种用于金属电弧焊的系统，包括：
被配置成用于充当电极的可消耗金属芯焊丝，所述焊丝为根据权利要求1-6中任一项所述的焊丝；
电源，所述电源被配置成用于施加电流以产生等离子弧，所述等离子弧足以产生所述焊丝的稳定熔融液滴流；以及
焊枪，所述焊枪被配置成用于以超过30磅/小时的沉积速率将熔融液滴沉积到工件上。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述电源被配置成用于施加400安培与700安培之间的平均电流以将焊接期间的等离子体不稳定事件的平均数量维持在低于10个事件/秒。
CN201711120705.7A 2016-11-16 2017-11-14 具有碱土金属的焊接电极焊丝 Active CN108067761B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/353,520 2016-11-16
US15/353,520 US10668572B2 (en) 2016-11-16 2016-11-16 Welding electrode wires having alkaline earth metals

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108067761A CN108067761A (zh) 2018-05-25
CN108067761B true CN108067761B (zh) 2022-01-11

Family

ID=60191081

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711120705.7A Active CN108067761B (zh) 2016-11-16 2017-11-14 具有碱土金属的焊接电极焊丝

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10668572B2 (zh)
EP (1) EP3323546B1 (zh)
JP (1) JP7187137B2 (zh)
CN (1) CN108067761B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6762131B2 (ja) * 2016-04-28 2020-09-30 株式会社神戸製鋼所 フラックス入りワイヤ
US11247291B2 (en) 2016-11-16 2022-02-15 Lincoln Global, Inc. Welding electrode wires having alkaline earth metals
US10839195B2 (en) * 2017-08-08 2020-11-17 Uchicago Argonne, Llc Machine learning technique to identify grains in polycrystalline materials samples
CN110181192A (zh) * 2019-06-14 2019-08-30 新乡市和光科技有限公司 一种弧焊增材制造用铝合金粉芯丝
US20210101222A1 (en) * 2019-10-04 2021-04-08 Lincoln Global, Inc. Ultra high deposition rate welding system
EP3970907A1 (en) * 2020-09-22 2022-03-23 Lincoln Global, Inc. Aluminum-based welding electrodes
US20220097179A1 (en) * 2020-09-22 2022-03-31 Lincoln Global, Inc. Aluminum-based welding electrodes
EP3984690A1 (en) * 2020-10-13 2022-04-20 Lincoln Global, Inc. Aluminum-based welding electrodes

Family Cites Families (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE626916A (zh) 1962-02-05
GB1183461A (en) 1966-10-31 1970-03-04 Murex Welding Processes Ltd Improvements in Arc Welding
US3702390A (en) 1970-02-10 1972-11-07 Murex Welding Processes Ltd Arc welding
GB1383304A (en) * 1971-02-09 1974-02-12 British Oxygen Co Ltd Welding consumables
BE816414A (fr) 1974-06-17 1974-10-16 Fil fourre pour le soudage a l'arc electrique d'aciers doux ou faiblement allies.
US4551610A (en) 1983-05-17 1985-11-05 The Lincoln Electric Company Tubular welding electrode
US5118919A (en) * 1990-03-19 1992-06-02 The Lincoln Electric Company Weld metal alloy for high yield strength and method of depositing same
TW201282B (zh) * 1990-03-29 1993-03-01 Lincoln Electric Co
US6933468B2 (en) * 2000-10-10 2005-08-23 Hobart Brothers Company Aluminum metal-core weld wire and method for forming the same
CA2358298C (en) * 2000-10-10 2006-04-04 Illinois Tool Works Inc. Aluminum metal-core weld wire and method for forming the same
US6835913B2 (en) 2003-03-03 2004-12-28 Hobart Brothers Company Hardsurfacing welding wire and process
US7763822B2 (en) 2003-11-14 2010-07-27 Hobart Brothers Company Hybrid tubular wire electrode for submerged arc welding
US20060144836A1 (en) * 2005-01-03 2006-07-06 Lincoln Global, Inc. Cored electrode for reducing diffusible hydrogen
US7829820B2 (en) 2005-04-05 2010-11-09 Lincoln Global, Inc. Flux cored electrode with fluorine
KR100668169B1 (ko) * 2005-05-25 2007-01-11 고려용접봉 주식회사 용접시 아크안정성이 우수한 동도금 마그 용접용솔리드와이어
JP4646764B2 (ja) * 2005-09-28 2011-03-09 株式会社神戸製鋼所 ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
JP4879696B2 (ja) * 2006-10-13 2012-02-22 新日本製鐵株式会社 高降伏強度高靭性ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
KR100757838B1 (ko) * 2006-11-27 2007-09-11 현대종합금속 주식회사 다전극 가스쉴드 아크용접용 플럭스 충전와이어
CN101396774B (zh) * 2007-09-30 2010-12-08 苏派特金属（昆山）有限公司 药芯焊丝
JP2009148774A (ja) * 2007-12-19 2009-07-09 Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd ガスシールドアーク溶接用ルチール系フラックス入りワイヤ
JP5136466B2 (ja) * 2008-03-28 2013-02-06 新日鐵住金株式会社 高強度鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法
JP5157606B2 (ja) * 2008-04-10 2013-03-06 新日鐵住金株式会社 フラックス入りワイヤを用いた高強度鋼のｔｉｇ溶接方法
JP5205115B2 (ja) * 2008-04-16 2013-06-05 株式会社神戸製鋼所 純Ａｒシールドガス溶接用ＭＩＧフラックス入りワイヤ及びＭＩＧアーク溶接方法
FR2931376B1 (fr) 2008-05-20 2011-02-18 Air Liquide Fil fourre pour soudage mig/mag avec gaz a base de co2
US8952295B2 (en) * 2008-06-18 2015-02-10 Lincoln Global, Inc. Welding wire with perovskite coating
JP5387168B2 (ja) * 2009-06-26 2014-01-15 新日鐵住金株式会社 フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法
CN102343488B (zh) 2010-08-03 2013-01-30 武汉铁锚焊接材料股份有限公司 一种桥梁钢碱性药芯焊丝
JP5438664B2 (ja) * 2010-12-01 2014-03-12 株式会社神戸製鋼所 フラックス入りワイヤ
CN102430877A (zh) 2011-11-04 2012-05-02 武汉铁锚焊接材料股份有限公司 一种金属粉芯型药芯焊丝及其制备与应用
CN102489902B (zh) 2011-12-09 2014-01-15 四川大西洋焊接材料股份有限公司 一种具有高冲击韧性钢焊接用金属粉型药芯焊丝
CN102554519A (zh) 2011-12-14 2012-07-11 安泰科技股份有限公司 适合大线能量强迫成型的药芯焊丝及其制备和使用方法
BR112015000607A2 (pt) 2012-07-12 2017-06-27 Lincoln Global Inc método e sistema para iniciar e usar em combinação um alimentador de fio de adição e uma fonte de geração de arco para soldagem
JP6155810B2 (ja) * 2012-08-07 2017-07-05 新日鐵住金株式会社 ガスシールドアーク溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ
US10543556B2 (en) * 2012-08-28 2020-01-28 Hobart Brothers Llc Systems and methods for welding zinc-coated workpieces
US9199341B2 (en) * 2012-08-28 2015-12-01 Hobart Brothers Company Systems and methods for welding electrodes
CN103056549B (zh) 2012-12-20 2015-07-01 中冶焊接科技有限公司 一种碱性co2气保护低合金耐热钢药芯焊丝
KR102210287B1 (ko) * 2013-01-16 2021-02-01 호바트 브라더즈 엘엘씨 튜브형 용접 와이어의 제조 방법
US20140263259A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Lincoln Global, Inc. Consumable for specially coated metals
US20140263194A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Lincoln Global, Inc. Cored non-arc consumable for joining or overlaying and systems and methods for using cored non-arc consumables
US10112268B2 (en) * 2013-10-09 2018-10-30 Hobart Brothers Company Systems and methods for corrosion-resistant welding electrodes
CN104209662A (zh) 2014-08-21 2014-12-17 西安理工大学 一种抗裂纹耐磨堆焊药芯焊丝及其制备方法
US10421159B2 (en) * 2015-02-25 2019-09-24 Hobart Brothers Llc Systems and methods for additive manufacturing using aluminum metal-cored wire
CN104827201B (zh) 2015-04-07 2017-03-01 武汉铁锚焊接材料股份有限公司 一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用
US10646965B2 (en) 2015-08-11 2020-05-12 Hobart Brothers Llc Tubular welding wire with a thinner sheath for improved deposition rates
US10898965B2 (en) 2016-09-17 2021-01-26 Illinois Tool Works Inc. Helical welding wire and helix forming welding torch

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018079506A (ja) 2018-05-24
CN108067761A (zh) 2018-05-25
EP3323546C0 (en) 2023-07-12
US20180133844A1 (en) 2018-05-17
JP7187137B2 (ja) 2022-12-12
EP3323546A1 (en) 2018-05-23
US10668572B2 (en) 2020-06-02
EP3323546B1 (en) 2023-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108067761B (zh) 具有碱土金属的焊接电极焊丝
US11577345B2 (en) Systems and methods for low-manganese welding alloys
US11426824B2 (en) Aluminum-containing welding electrode
US11529697B2 (en) Additive manufacturing using aluminum-containing wire
EP3632608A1 (en) Additive manufacturing using aluminum-containing wire
CN108367393B (zh) 低锰管状焊丝和形成焊缝熔敷的方法
EP3444063A2 (en) Electrodes for forming austenitic and duplex steel weld metal
WO2014182552A2 (en) Systems and methods for low-manganese welding alloys
CN110497115B (zh) 具有碱土金属的焊接电极焊丝
US11247291B2 (en) Welding electrode wires having alkaline earth metals
CA2955351C (en) Systems and methods for low-manganese welding alloys

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant