CN108098188A - 根部焊道焊接方案 - Google Patents

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Abstract

本系统和方法通常涉及焊接系统领域，并且更具体的涉及具有自保护焊条的药芯焊丝电弧焊系统(FCAW‑S)。在一个实施例中，管状焊丝包括芯和放置为围绕芯的外皮。进一步的，管状焊丝按重量计包括大于约2.4％的玻璃状熔渣促进剂。

Description

根部焊道焊接方案
本申请为申请日为2013年7月26日、国际申请号为PCT/US2013/052387、国家申请号为201380039397.9、发明名称为“根部焊道焊接方案”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的参见引用
本申请要求2012年7月30日提交的标题为“根部焊道焊接解决方案”的美国临时申请序列号61/677,143的优先权和权益，为了所有目的该申请的全部内容以参见的方式并入本文。
背景技术
本系统和方法总体上涉及焊接系统领域，并且更具体地涉及具有自保护电极的药芯焊丝电弧焊系统(FCAW-S)。
焊接是在各种行业的多种应用中已变得普遍存在的工艺。例如，焊接经常被用于诸如造船、海上平台、建筑、轧管机等应用中、弧焊系统通常将电流施加到电极以在电极和工件之间形成弧，从而在工件上形成焊接沉积物。一般来说，电极可以是推进焊接系统到达工件的连续的焊丝。进一步地，焊丝的化学组分和成分的物理状态可显著地影响焊缝质量。
例如，在药芯焊丝电弧焊(FCAW)过程中，随着电极和工件被电弧加热，电极的一部分和工件的一部分可熔化并混合以形成焊接沉积物。对于某些焊接应用，工件被焊接在一起的部分可被设置为间隔开。通过具体范例，在管道的根部焊道焊接过程中，根部焊道焊缝可横穿根部开口与管道的一部分熔融在一起；然而，焊根间隙增加了焊接工艺的复杂性。例如，在根部焊道焊接过程中，可使用衬垫以在焊接过程中支撑在根部开口中的熔融材料，该熔融材料可增加与各焊接操作相关的成本和时间。此外，在根部焊道焊接过程中，可使用保护气体替换围绕熔融的焊接沉积物的环境以改善焊接沉积物的特性(如限制孔隙度和脆性)。然而，使用保护气体增加了焊接系统的重量、复杂性和成本。
发明内容
在一个实施例中，管状焊丝包括芯体和围绕芯体设置的护套。进一步地，管状焊丝包括重量大于约2.4％的玻璃状熔渣促进剂。
在另一个实施例中，一种焊接电极的制造方法，包括：提供颗粒状芯体，其中提供颗粒状芯体包括将第一团聚物和第二团聚物与玻璃状熔渣促进剂混合。该方法进一步包括将颗粒状芯体设置在金属护套内以形成焊接电极，其中焊接电极包括重量大于约2.4％的玻璃状熔渣促进剂。
在另一个实施例中，一种焊接方法，包括：将焊丝馈送到焊接设备内，以及在短路传输模式下在工件上形成至少部分焊丝的焊接沉积物。该方法进一步包括在多个阶段将电流供给到焊接设备。该多个阶段包括球状阶段，该球状阶段配置为通过将电流增加到第一电流电平，以在焊丝末端处形成熔融球并将焊池推至工件中。
附图说明
本发明的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时变得更好理解，全部附图中相同标记代表相同部件，其中：
图1是根据本公开的各方面的具有控制电路和送丝器的焊接系统的框图；
图2是根据本公开的各实施例的管状焊丝的横截面视图；
图3是根据本公开的各方面的管接头的实施例的示意图；
图4是根据本公开的各方面的V形-凹槽接合处的实施例的示意图；
图5是根据本公开的各方面的J形-凹槽接合处的实施例示意图；
图6是根据本公开的各方面的短路焊接自保护管状焊丝的实施例的流程图；以及
图7是根据本公开的各方面的短路焊接循环的图表。
具体实施方式
要介绍，在说明书中可以不描述实际实施方式的所有特征。应当意识到在开发任何这样的实际实施方式时，例如在任何的工程或设计项目中，都必须做出大量的实施方式专用决策，以实现开发者的特定目标，例如符合与系统相关和业务相关的约束条件，而这些特定目标在不同的实施方式中可能有所不同。而且，应该意识到尽管这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但对受益于本公开的本领域普通技术人员来说这仍然是一种从事设计、制造和加工的常规手段。
如前所述，在根部焊道焊接过程中，根部开口使得焊接工艺复杂化。例如，在典型的根部焊道焊接过程中，可使用衬垫以在焊接操作期间支撑在根部开口中的熔融材料，并且可使用保护气体替换围绕熔融的焊接沉积物的周围环境。然而，如上所述，衬垫和/或保护气体的使用增加了焊接系统和焊接操作的复杂性、重量和成本。
同样地，当前实施例包括管状焊丝，该管状焊丝通常可通过从根部焊道焊接操作和/或其他类似的焊接操作中消除衬垫、保护气体或两者来改善根部焊道焊接。因此，在此公开的管状焊丝的实施例包括通常改变焊接工艺和/或所得的焊缝的特性的许多成分。例如，在某些实施例中，管状焊丝的一种或多种成分可在被加热时提供靠近焊弧的保护环境、影响焊弧的传输特性、将工件的表面脱氧和/或脱氮和/或其他需要的效果。进一步地，自保护管状焊丝的某些成分，例如某些氧化物(如二氧化硅)可被配置为在焊接操作过程中确实地增强焊池，使得在此公开的管状焊丝的某些实施例能够在没有衬垫的情况下实施敞开根部焊道焊缝。
因此，当前公开的焊接系统和方法的实施例使得自保护药芯焊丝电弧焊系统(FCAW-S)能够在没有衬垫和/或外部保护气体供给的情况下实施敞开根部焊道焊接。同样地，公开的FCAW-S焊接系统实施例可以比使用外部保护气体供给的焊接系统更加不复杂，重量更轻和/或成本更低。进一步地，应当意识到，除了焊丝所提供的特征外，焊接系统的焊接工艺也需要具有某些特性。例如，在此公开的焊接系统的实施例可被配置为使用短路传输模式(如调整的金属沉积模式，RMDTM)，该短路传输模式提供用于焊接操作的持续时间内对电流的完全控制(如控制焊丝的一部分在工件上的沉积)。例如，在某些实施例中，使用前述的电流控制，焊接系统可被配置为以相对低的飞溅率在液滴或精细液滴短路传输模式下沉积焊缝金属。进一步地，在某些实施例中，如将在下文中详细描述的，电流可在消除短路前立即降低以在消除之后减少由弧产生的飞溅。
考虑到前述内容，图1是配置为将管状焊丝12(将在下文中详细讨论的)供给到焊炬14的焊接系统10的框图。在图示实施例中，焊接系统10是FCAW-S焊接系统；然而，本方法可为其他类型的焊接系统(如GMAW、SAW或其他类似的焊接系统)提供某些益处。焊接系统10包括可操作地联接到焊炬14的基本单元16。焊炬14靠近工件18(如管接合处)放置允许由电源20供给的电流形成从管状焊丝12(如焊接电极)到工件18的弧22。弧22完成从电源20到管状焊丝12，到工件18，然后通过接地夹24和接地线缆26回到地面的电路。接地线缆26穿过控制电路28可操作地联接到电源20。由弧22产生的热可使得管状焊丝12和/或工件18转变为熔融状态(如焊池)，以促进焊接操作。
基本单元16为用于焊接应用的焊炬14供电、控制焊炬14，并将耗材供给到焊炬14。送丝器30将管状焊丝12从电极供给装置32(如线轴)供给到焊炬14。电源20可包括电路元件(如变压器、整流器、交换器等)，该电路元件能够根据焊接系统10的要求所指示的那样将AC输入电力转换为直流正接(DCEP)输出、直流反接(DCEN)输出、DC可变极性、脉冲DC或可变平衡(如平衡的或不平衡的)AC输出。在一些实施例中，电源20可以是恒流电源。
应当意识到，当实施敞开根部焊接工艺时，能够改进在此公开的基本单元16。例如，为了精确地控制熔融材料从管状焊丝12沉积在工件18(例如，接合处72)上，控制电路28控制电源20和送丝器28。该控制电路28可通过调节供给到焊炬14的电压和电流的波形来控制供给到焊炬14的电力。在某些实施例中，控制电路28可通过一系列阶段控制电源20，以将电力以所需的电平供给焊炬14，该一系列阶段可限定管状焊丝12的传输模式(例如，液滴或小液滴传输模式)。电源20可通过快速调节供给到焊炬14的电流和电压来将所需电平提供给焊炬14。控制电路28可通过电压传感器34和电流传感器36监测供给电压和电流。
通过改变供给到图1所示的焊炬14的电压和电流，控制电路28可控制弧22的强度，以及相应地控制熔融材料从管状焊丝12沉积到工件18上的方式。在一个实施例中，控制电路28可根据存储在存储器38并由处理器40执行的预定的算法来改变供给到焊炬14的电力。在某些实施例中，存储器38可以是包括一个或多个有形的计算机可读介质的任何合适的制品，该计算机可读介质至少共同地存储程序、应用、模块、进程等形式的数据和指令。例如，存储器38可以包括只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁存储器，光存储器，或它们的任意组合。处理器40可被配置为执行存储在存储器38中的指令。处理器40还可被配置为处理来自电压和电流传感器34、36的信号以确定传输模式的阶段。在某些实施例中，处理器40可被配置为预测管状焊丝12与工件18之间的短路的消除。应当意识到，预测短路和短路的消除使得控制电路28通过在消除之后降低电流来减少飞溅。
如图1所示，控制电路28可联接到操作员界面42。操作员界面42可包括配置为使得操作员能够调节基本单元16的输入设备44(例如刻度盘、按钮、开关等)。例如，输入设备44(例如刻度盘)可使得操作员基于管状焊丝12和工件18的特性(例如尺寸、材料等)进行调节。输入设备44还使得能够通过控制电路28调节送丝器30。显示器46可显示关于FCAW-S焊接系统10的操作状态，弧稳定性，焊缝质量和/或焊缝参数的信息。显示器46和输入设备44可一起使用以指引菜单并调节基本单元16的焊缝参数。指示器48可用于就焊接系统10的情况和状态警告操作者。例如，指示器48可用于就低电极供给32或基本单元16的其他情况警告操作者。
如上所述，通过控制管状焊丝12的组分，所得的焊接沉积物的某些化学和机械特性可以改变。例如，如下面详细描述的，管状焊丝12可包括与不期望的种类(例如，氧和/或氮)反应并将其移除的成分。在某些实施例中，管状焊丝12可进一步将合金成分(例如铜、钼、硅、碳或其它合适的合金成分)提供给焊池以影响焊接沉积物的机械性能，例如强度和/或韧性。此外，管状焊丝12的某些成分也可提供靠近弧22的保护环境，影响弧22的传输特性，清洁工件18的表面等。
考虑到前述内容，图2示出了在此公开的管状焊丝12的实施例的横截面50。所示管状焊丝12包括封装颗粒状或粉末状芯体54的金属护套52。金属护套52可包括任何合适的金属或合金(例如铁、高碳钢、低碳钢、锰、镍或其它合适的金属或合金)。例如，在某些实施例中，金属护套52可包括80％、90％、95％、98％或100％的铁或钢。应当意识到，由于金属护套52通常可提供用于焊缝的填充金属的至少一个部分，该金属护套52的组分可能会影响所得焊缝的组分。例如，在某些实施例中，金属护套52可以包括重量小于约0.1％，小于约0.05％，在约0.01％至0.05％之间，或在约0.01％至0.03％之间的碳。此外，在某些实施例中，金属护套52可包括重量小于约0.5％，小于约0.3％，或在约0.2％和0.4％之间的锰。在某些实施例中，锰和碳可以是金属护套52的主要合金元素，其中金属护套52的平衡由铁和微量金属组成。通过具体范例来说，在某些实施例中，相对于管状焊丝12的总重量，护套52可具有重量约占85.7％的铁，重量约占0.26％的锰以及重量约占0.022％的碳的化学组分。
图示的管状焊丝50的颗粒状芯体54通常可以是压实的粉末，如以下详细讨论的，其中组分包括多种成分，每种成分可在焊接工艺过程中起至少一种作用(例如作为保护气体剂、合金添加剂等)。进一步地，颗粒状芯体54的成分可以均匀地或非均匀地(例如，以团块或群集56的方式)设置在颗粒状芯体54内。在某些实施例中，颗粒状芯体54可以是管状焊丝50的总重量的约11％至24％之间、约13％至15％之间或约14％。对于所公开的管状焊丝的某些实施例，颗粒状芯体54可以占小于管状焊丝50的总重量的15％的比例，其可显著小于其他焊丝的芯体所占的比例。对于这样的实施例，相对低的比例提高了管状焊丝50产生横跨开口根部的高质量的焊缝的性能。
如下所述的表1和表2包括图1和2中所示的管状焊丝12的各种实施例。更具体地说，表1包括用于此公开的管状焊丝12的颗粒状芯体54的九个示例性配方(例如，E1-E9)的成分的非限制性列表。对于表1中的实施例E1-E4和E7，金属护套52可占管状焊丝12的重量的约86％，而管状焊丝12的重量的其余约14％可以是颗粒状芯体54。对于表1中的实施例E5，E6，E8和E9，颗粒状芯体54可分别占管状焊丝12的重量的11％，13.5％，15％和24％。对于表1中所示的每个管状焊丝12的实施例，表2包括根据表1中所示的成分计算出的颗粒状芯体54的化学分解。此外，表3包括使用所公开的管状焊丝50形成的两个示例性焊接沉积物的化学分析。
如表1所示，实施例E1-E9包括具有多种成分的颗粒状芯体54，该多种成分的每一种在焊接工艺过程中可作为保护气体剂、合金添加剂和脱氧/脱氮剂中的至少一种起作用。应当理解，尽管特定的成分可以认定为表1中的特定的剂，但是该成分在焊接工艺过程中也可以起其他的作用。例如，如在下面更详细地阐述的，铝可以用作脱氮剂(例如，与氮起作用并将氮从焊池中除去)，但在一定程度上，其也可充当脱氧剂(例如，与氧起作用并将氧从焊珠池中除去)和合金添加剂(例如，影响焊接沉积物的机械性能)。
如表1所示，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量在约0.4％和约0.6％之间的碳酸钙作为保护气体剂。如此，碳酸钙的至少一部分可在弧条件下分解以产生CO2保护气体。因此，实施例E1-E9可在不使用外部保护气体的情况下用作FCAW-S焊丝，这可以降低焊接系统10以及焊接操作的复杂性和成本。然而，应该理解的是，实施例E1-E9也可以与外部保护气体(例如，在GMAW系统中)结合使用而不使焊接沉积物的质量退化。
如表1所示，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量在约1％和约12％之间的合金和填充剂(例如，镍、锰和铁的金属粉末)。特别是，E1-E9实施例可包括重量在1％至2％之间的镍和锰粉，而实施例E9包括另外重量为10％的铁粉作为填充剂。应当理解的是，合金和填充剂的至少一部分在焊接工艺过程中结合到焊接沉积物中，影响焊接沉积物的机械性能(例如，强度，延展性和/或韧性)。然而，如上所述，铝粉的一部分也可结合到焊接沉积物中以影响所得的机械性能。
如表1所示，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量在约7％和约10％之间的脱氧/脱氮剂(例如，铝粉、锂/锰/铁团聚物和锂/硅/铁团聚物)。锂/锰/铁和锂/硅/铁团聚物的化学组分将在下面详细讨论。正如所提到的，脱氧/脱氮剂与氮和/或氧反应并将氮和/或氧从焊池中除去以大体降低焊缝孔隙度和脆性。然而，如上所述，铝也可以作为例如合金添加剂起作用。类似地，团聚物的其它成分(例如，钠化合物，钾化合物，锂化合物)也可以在焊接工艺过程中用于稳定弧。
在某些实施例中，增加颗粒状芯体54的锂含量可使得颗粒状芯体54的铝含量降低，而不会实质影响芯体将氮和/或氧限制结合到焊缝的性能。另外，在这样的情况下，减少焊池中的铝可加固所得的焊接沉积物。此外，在某些实施例中，管状焊丝50可包括占管状焊丝50的重量在约3％至约4％之间或在约0.9％至约1.3％之间的铝。此外，氟化锂和锂氧化物(例如，来自锂/锰/铁和锂/硅/Fe团聚物)可在形成氧化铝基熔渣时有利地降低熔点。此外，在某些实施例中，氧化锂单独占管状焊丝50的重量的百分比大于约0.4％，大于0.8％，或大于1％。
此外，如表1中所示，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量在约1.8％和约2.8％之间的渣形成剂(例如，金红矿砂，氧化铁，一氧化锰，硅砂和/或二氧化硅)。应当理解的是，此外，某些渣形成成分可影响焊池的黏度。在此所使用的，玻璃状熔渣促进剂可表示管状焊丝50的一种或多种成分，可提升较低熔点，玻璃状熔渣在焊接操作过程中不会使背面焊珠变形。换句话说，使用玻璃状熔渣促进剂(像SiO2)可提供连续增强的，基本上均匀的焊珠，并且在基本上不变形(例如，凹陷)和/或焊缝熔合不会对工件干扰(例如，避免冷研磨)的情况下可允许熔渣的流动和凝结。例如，二氧化硅(SiO2)(例如，来自硅砂，精细二氧化硅和/或团聚物中的一种或多种，如表1所述)可提升较低熔点，促进玻璃状熔渣的流动和凝结而不受焊缝熔合面的干扰。这样，在某些实施例中，管状焊丝50中的玻璃状熔渣促进剂是二氧化硅。应当理解的是，其它氧化物(例如，二氧化钛，硼酸盐，氧化钠)被认为也有助于催化玻璃状熔渣。因此，在其他实施例中，玻璃状熔渣促进剂可以是两种或更多种氧化物种类(例如，二氧化硅和氧化钠)的混合物。
在某些实施例中，玻璃状熔渣促进剂(例如，SiO2，二氧化钛，硼酸盐，氧化钠或其他合适的氧化物)可被配置为通过焊池的上述正强化提高实现敞开根部焊缝(例如，在不使用衬垫的情况下)的FCAW-S系统10的性能。对于管状焊丝50的某些实施例，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量大于约1.6％、大于约1.8％或大于约2％的玻璃状熔渣促进剂。事实上，在此公开的管状焊丝50的某些实施例可以包括基本上比其他自保护焊丝更高(例如，高5至10倍)的玻璃状熔渣促进剂含量(例如，SiO2含量)。如表2中所述，在某些实施例中，相对于管状焊丝50的重量，所形成的颗粒状芯体54可包括重量大于约1％、大于约2％、大于约3％或在约2.5％和约3.5％之间的玻璃状熔渣促进剂(例如，SiO2)。
此外，如上所述，在某些实施例中，一种或多种成分可被制备并作为团聚物包含在颗粒状芯体54中(例如，烧结和/或形成为熔块)。应当指出的是，在此使用的术语“团聚物”或“熔块”是指已经在煅烧炉或烘箱中被烧制或加热的化合物的混合物，使得该混合物的成分相互之间紧密接触。应当理解的是，团聚物或熔块可具有与用于形成团聚物的混合物的单种成分略微不同或实质上不同的化学和/或物理性质。例如，团聚物通常比由同样成分形成的非团聚物更适应焊缝环境(例如，干燥和/或更好的粉末流)。
基于前述内容，如表1所述，实施例E1-E9各接合两种团聚物，即锂/硅/铁团聚物和锂/锰/铁团聚物。例如，在某些实施例中，锂/硅/铁团聚物可具有包括约18.7％的氧化锂、约61.6％的氧化铁、约0.2％的氧化钠和约19.5％的二氧化硅的化学组分，另外，锂/硅/铁团聚物可通过加热包括约16.3％的水、约30％的氧化铁、约1.3％的硅酸钠、约12.3％的硅石、约10.1％的铁氧化物(例如，精炼的Fe203)、约30％的碳酸锂的混合物至约1700℉约2小时形成。
在某些实施例中，锂/锰/铁团聚物可具有包括约10.85％的氧化锂、约24.84％的氟化锂、约53.1％的氧化铁、约0.29％的氧化钠、约1.22％的二氧化硅、0.31％氧化铝和9.39％一氧化锰的化学组分。另外，在锂/锰/铁团聚物可以过首先将包括约16.44％的水、约1.32％的硅酸钠、约48.29％的铁氧化物的混合物(例如，精炼的Fe203)、约24.5％的碳酸锂和约9.45％一氧化锰的混合物加热至约1700℉约2小时形成的中间团聚物形成。锂/锰/铁团聚物随后可通过将包括约73.8％的中间团聚物、约24.6％的精炼的(例如，析出级的)的氟化锂、约1.6％的硅酸钠的混合物加热至约1150℃约2小时形成。因此，锂/锰/铁团聚物可以被认为是“二次烧制的”团聚物，而锂/硅/铁团聚物可被认为是“单次烧制的”团聚物。
配方 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
Al 3.441 3.371 3.451 3.475 2.673 3.281 3.645 3.402 3.408
Al2O3 0.010 0.010 0.005 0.005 0.004 0.005 0.005 0.005 0.005
CaCo3 0.508 0.508 0.532 0.536 0.412 0.505 0.525 0.561 0.530
Fe 0.015 0.015 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 9.709
FeO 3.881 3.924 3.580 3.605 2.773 3.403 3.529 3.781 3.760
Li2O 1.039 1.052 1.054 1.061 0.817 1.002 1.039 1.113 1.039
LiF 0.150 0.150 0.152 0.153 0.117 0.144 0.150 0.160 0.149
Mn 1.346 1.346 1.377 0.387 1.067 1.310 1.358 1.455 1.404
MnO 0.057 0.057 0.412 0.415 0.319 0.392 0.407 0.436 0.392
Na2O 0.012 0.012 0.012 0.012 0.010 0.012 0.012 0.013 0.012
Ni 0.446 0.446 0.454 0.458 0.352 0.432 0.448 0.480 0.432
Si 0.014 0.014 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
SiO2 3.041 3.054 3.112 3.134 2.411 2.959 3.068 3.288 3.105
TiO2 0.001 0.001 0.055 0.056 0.043 0.053 0.055 0.059 0.047
表2.计算出的表1中所述的管状芯体的示例性配方E1-E9的化学分解。数值为相对于管状焊丝50的总重量的重量百分比。应当注意的是，该分解示出了管状芯体的主要组分，并且其他微量元素或化合物可以存在于管状芯体54中。
表1中所示的颗粒状芯体54的锂源包括锂/硅/铁团聚物和锂/锰/铁团聚物；然而，在其他实施例中，氟化锂或氧化锂也可以非团聚物形式存在于颗粒状芯体54中。在某些实施例中，如表2中所指出的，颗粒状芯体54可包括占管状焊丝50的重量大于0.4％、大于0.8％或在约1％和约2％之间的锂化合物(如，来自团聚物的氧化锂和氟化锂)。锂源可以减少扩散或移至焊池中的氮的含量，降低孔隙度。锂源可被配置为在焊池的表面处形成氮化物，减少焊池内的氮，和/或降低可结合到铝源的氮。在一些实施例中，增加锂源相对于颗粒状芯体54的总重量的重量百分比可使铝源在所得的焊接沉积物中的重量百分比降低。此外，如上所述，铝的较低重量百分比可提高焊缝的延展性和韧性。
设置有如上所述的自保护管状焊丝实施例E1-E9的FCAW-S系统10使操作者能够容易地实施敞开根部焊道焊缝。也就是说，至少颗粒状芯体54内的铝和锂源通过与氧和氮的结合降低焊缝的孔隙度和脆性。可以理解的是，在某些实施例中，限制焊池中的氧可降低黏度并提高焊池流动，这可使得操作者能够容易地操纵焊池，以获得可接受的根部焊珠。在某些实施例中，SiO2的数量(或其他合适的玻璃状熔渣促进剂)可以在焊池中产生玻璃状熔渣(例如，提供了更强的加固)。换句话说，使用一种或多种玻璃状熔渣促进剂(例如，SiO2)可以在敞开根部焊接操作过程中为焊池提供支持以减少不期望的窗口(例如，扩大根部区域的开口)和刺穿(在没有连续的弧的情况下将丝馈送穿过根部)。
元素 焊接沉积物A 焊接沉积物B
碳 0.740 0.082
锰 1.517 1.456
磷 0.009 0.010
硫 0.012 0.014
硅 0.637 0.555
铜 0.039 0.055
铬 0.032 0.048
矾 0.008 0.010
镍 0.495 0.462
钼 0.006 0.012
铝 1.224 1.087
钛 0.001 0.001
铌 0.004 0.009
钴 0.002 0.004
硼 0.001 0.002
钨 0.005 0.008
锡 0.007 0.008
铅 N/A 0.001
锆 0.001 0.001
锑 0.002 0.007
砷 0.003 0.005
表3.使用公开的管状焊丝50形成的两个示例性焊接沉积物的化学分析。使用以下参数形成焊接沉积物：DCEP；送丝速度：127英寸每分钟；通电伸出：0.5英寸；没有外部保护气体。N/A表示目前无效的测量值。
图3示出了可由前述FCAW-S系统10和管状焊丝12接合的工件18的实施例。图3中的工件18包括被焊接到第二管段64的第二端62的第一管段60的第一端58。第一端58的第一面66被焊接到第二端62的相对的第二面68。在如下面讨论的一些实施例中，第一面66和/或第二面68可以是倾斜的，有缺口的，或凹槽形的，以使焊枪14能够容易地接合第一和第二管段60、64的根部面70(例如，内表面)。FCAW-S系统10可被配置为沿着第一和第二管段60，64之间的整个接合处72提供实质上均匀的根部焊珠。在一些实施例中，第一和第二管段60的外径74也可以被焊接在一起，使得管的外径74横穿第一和第二管段60，64之间的接合处72是实质上均匀的。
图4示出了在第一和第二端58、62之间的图3的接合处72沿着线4-4的横截面。第一和第二端58、62可与根部开口76一起定位在根部面70之间。图4示出了V形-凹槽接合处78，其中第一和第二面66、68朝着根部面70锥缩，形成在相对的面66、68之间的接合角80。在一些实施例中，用于第一和第二面66，68的锥角82相等，但在其他的实施例中，锥角82可以不相等。外部开口84大于根部开口76以增加焊接根部面70的可及性。在一些实施例中，FCAW-S系统10和管状焊接线12被用于形成接合第一和第二端58、62的根部面70的根部焊道焊缝86。根部焊道焊缝86形成可支持由后续的焊缝提供的填充金属88的基础。FCAW-S系统10和管状焊丝12可被配置成实施根部焊道焊接，而不需要衬垫材料来支持横穿根部开口76的根部焊道焊缝86。在一些实施例中，使用FCAW-S系统10的焊珠轮廓90可小于使用焊条焊接系统的焊珠轮廓。
图5示出了在第一和第二端58、62之间的图3的接合处72沿着线4-4的横截面。图5示出了J形-凹槽接合处92，其中第一或第二面66，68中的一个具有弯曲的面，另一个具有方形面。在一些实施例中，弯曲面具有半径94和中心96。弯曲的面(例如，第一面66)可具有深度100的平台98，平台98通过根部的开口76与相对的面(例如，第二面68)分隔开。大于根部开口74的外部间隙84提高了焊接根部面70的可及性。其它目前想到的具有根部开口76的接合处72包括但不限于方形-凹槽接合处，斜面对接接合处(例如，一个锥形面，一个方形面)，和U形-凹槽接合处(例如，两个弯曲的面)。上述的管状焊丝12的颗粒状芯体54使焊池的化学性有利于实施各种接合处72的根部焊道焊缝86。
图6的流程图示出了用管状焊丝12实施根部焊道焊缝86的方法102。该方法102是被配置为将传液滴输到焊池以加强焊池并产生横穿根部敞开根部焊道焊缝的短路电极传输方法。如上所述，FCAW-S系统10的电源被配置成在焊炬14处将电力供给到管状焊丝12(例如，电极)。该控制电路28通过调整电流和电压控制由电源供给的直流电力，以影响焊缝金属的沉积。应当指出，当FCAW-S系统10的极性为直流电极正接(DCEP)时，图6所示的方法102提供显著的有益效果。然而，其它极性也可受益于图6所示的方法102。FCAW-S系统10可在一系列不同的阶段将电力供给到焊炬14。在框104中，FCAW-S系统10形成电极的熔融球。熔融球是通过穿过球端部的相对高的电流和电压的弧形成的，该球端部与工件18形成弧22。高电流被配置成提供足够的弧力以将焊池推入根部开口中。将焊池推入根部开口中使FCAW-S能够在内根部面上获得足够的焊珠加固。当在框104处形成熔融球时，管状焊丝12的颗粒状芯体54与周围环境反应，以产生围绕球和焊池的保护气体。随着电极变热，熔融球可能会变大并靠近工件18以形成短路。送丝机30也将焊丝12朝着工件18馈送。在框106处，控制电路28被配置为降低幅度并调节所施加的电流的持续时间从而调节熔融球的大小。熔融球的大小与传输模式有关。控制电路28被配置为在熔融球接触工件18以形成短路之前降低电流。例如，控制电路28可以最初在第一电流电平形成熔融球并在熔融球增大的阶段降低电流，如在短路前的第二和第三电流电平。在短路之前的低电流电平将熔融球保持在电极上和在框108处有助于熔融球浸润到焊池中。当熔融球浸润到熔池中时，在电极和工件18之间形成短路。焊池中的颗粒状芯体54的化合物可以与焊池中的元素(例如，氧、氮、杂质)反应并形成在焊池顶上的熔渣。颗粒状芯体54的二氧化硅加固焊池以有助于形成横穿根部开口76的焊缝。
在框110处，控制电路28被配置为增加通过电极的电流，以通过磁场将熔融球挤至焊池中。随着通过联接到焊池的电极的电流增加，电极可变窄，并影响通过电极的电压。在框112处，控制电路28通过检测电压、电流的变化，或电压和电流两者的一些数学函数预测消除短路的起始。在框114处，控制电路28在框116消除短路之前迅速减小电流。通过在消除短路之前减少电流，控制电路28减少了在消除之后立即由弧22产生的飞溅。减少飞溅提高了焊缝凹槽的表面质量，并提高了随后的焊道的质量。在短路消除之后，控制电路28可以重复方法102以形成管状焊丝12的后续熔融球和沿着接合处72的一系列焊珠。在整个方法102中，控制电路28被配置成控制管状焊丝12的馈送速率，以基本上保持所需的焊缝伸出。
图7示出了供给到电极以形成根部焊道焊缝接合处的电流和电压的阶段的图表118。第一曲线121示出了焊缝电压，并且第二曲线123示出了供给电流。在球状阶段124，具有相对高的电压120和电流122的弧熔化电极的末端并迫使焊池进入焊根。在基础阶段126和预短路阶段128中，控制电路28降低电压120和电流122以将熔融球保持在电极上并且帮助熔融球在浸润阶段130浸润到焊池中。球状阶段124，基础阶段126和预短路阶段128的持续时间可被调节以允许工件18冷却，以及允许来自先前沉积的溶融球的颗粒状芯体54的二氧化硅加固横穿根部开口76的焊池。当在浸润阶段130，熔融球接触焊池时，熔融球与工件形成短路。电压120在短路期间下降到低电平。控制电路28被配置为在挤压阶段132增加电流122以产生磁场，从而挤压电极并将熔融球与焊池分隔开。在预测阶段134，控制电路28被配置为在由于短路，电流122到达某一电平或某个时间消逝后，预测短路消除的起始。在消除阶段136中，控制电路28配置成在时间138处短路之前降低电流122。因为短路消除，电压120增加，控制电路128在增加电流122以进入下一个沉积循环的球状阶段前将电流122降低到低电平。控制电路28被配置为调节该沉积循环的每个阶段的持续时间和幅度，以通过二氧化硅为焊池提供足够的加固并减少飞溅。飞溅可影响包含在随后的焊缝中的颗粒状芯体成分的焊缝质量。
在此公开的实施例的技术效果包括FCAW-S系统10和管状焊丝12使敞开根部焊道焊接变得容易。在某些实施例中，自保护管状焊丝12和FCAW-S沉积方法使敞开根部焊道焊缝满足对管接合处的所有位置的商业标准(例如，API，1104)。此外，在某些实施例中，敞开根部焊道焊缝可以与衬垫一起使用或不与衬垫一起使用以支持根部开口。此外，由于管状焊丝可以是自保护的，所以不需要外部自保护气体供给来操作FCAW-S系统10。这可能会降低与焊炬14和焊接系统10相关的重量，成本，复杂度或其组合。自保护管状焊丝12还可使焊炬14变小，增加在焊接时操作者可见性。
虽然在此仅说明和描述了本技术的仅某些特征，但是本领域技术人员可以想到许多修改和变化。因此，可以理解的是，从属权利要求旨在覆盖所有这些修改和变化使其落入本发明的真正思想中。

Claims (10)

1.一种焊接方法，包括：
将焊丝馈送到焊接设备内；
在短路传输模式下在工件上形成至少部分焊丝的焊接沉积物；以及
在多个阶段将电流供给到焊接设备，其中所述多个阶段包括球状阶段，所述球状阶段配置为通过将电流增加到第一电流电平在焊丝末端处形成熔融球并将焊池推至工件中。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中工件包括敞开根部接合处，并且焊接沉积物包括敞开根部焊道焊缝。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其中当形成焊接沉积物时既不使用垫衬也不使用保护气体。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述多个阶段包括基础阶段和预短路阶段中的至少一个，该基础阶段和预短路阶段配置为将电流降低至第一电流电平以下，以在熔融球和焊池的短路之前将熔融球保持在焊丝末端处。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述多个阶段包括继熔融球与焊池接触以后的挤压阶段，其中挤压阶段配置为将电流增加至第二电流电平，以在短路期间增加在熔融球上的磁力。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其中所述多个阶段包括预测阶段和消除阶段，该预测阶段配置为预测短路消除的起始，该消除阶段配置为将电流降低至第二电流电平以下，以在消除短路之后减少飞溅。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，包括给电流提供直流正接(DCEP)极性。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其中焊丝包括自保护管状焊丝。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其中焊丝包括重量在约2.5％至约3.3％之间的二氧化硅、重量在约2.6％至约3.7％之间的铝和重量在约0.8％至约1.3％之间的锂化合物。
10.一种焊接方法,包括权利要求1-9中任一项技术特征或技术特征的任意组合。
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