CN109396688A - 用于形成奥氏体钢和双相钢焊接金属的电极 - Google Patents

用于形成奥氏体钢和双相钢焊接金属的电极 Download PDF

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Abstract

所披露的技术总体上涉及可消耗电极焊丝，并且更具体地涉及具有芯壳结构的可消耗电极焊丝，其中该芯包含铬。在一个方面，焊丝包括具有钢组合物的皮和由该皮包围的芯。该芯包含：基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)、基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)、基于该焊丝的总重量浓度在0与约5重量％之间的镍(Ni)、以及浓度大于0重量％的碳(C)，其中，Ni、C和Mn的浓度是使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中，[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。所披露的技术还涉及被适配成用于使用这些含铬电极焊丝的焊接方法和系统。

Description

用于形成奥氏体钢和双相钢焊接金属的电极
发明背景
技术领域
所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及含铬的可消耗焊接电极焊丝，并且涉及被适配成用于使用所述含铬电极焊丝的焊接方法和系统。
相关技术的说明
各种焊接技术利用充当金属源的焊丝。例如，在金属电弧焊中，当施加电压时，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以形成焊接件或焊道的熔融金属焊丝的液滴。
对焊接技术的技术和经济需求的复杂性持续增长。例如，对外观和机械性能方面的更高焊道品质的需求持续增长，包括高屈服强度、延展性和断裂韧性。同时，经常需要更高焊道品质，同时保持经济可行性。一些焊接技术旨在通过改进耗材来解决这些竞争性需求，例如，通过改进电极焊丝的物理设计和/或组成。
一种用于解决此类竞争性需求的方法是将添加剂结合到可消耗电极中。一种示例性添加剂是铬(Cr)，其可以被添加以改进所得焊接件的抗氧化/耐腐蚀性。然而，添加此类添加剂可能不足以同时满足一组竞争性焊接件特性，除了耐腐蚀性之外，该组竞争性焊接件特性还可以包括例如抗热裂性和高断裂韧性。此外，可能需要在保持经济可行性的同时满足该组竞争性焊接件性能，这在主要添加剂包括相对昂贵的元素(诸如Cr)时可能是困难的。在下文中，描述了能够满足这些和其他竞争性焊接件特性以及生产率和经济考虑的可消耗焊接电极焊丝、焊接方法和系统的各种实施例。
发明内容
所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及具有芯壳结构的含铬焊接可消耗电极焊丝，其中该芯包含铬。所披露的技术还涉及被适配成用于使用这些含铬电极焊丝的焊接方法和系统。
在一个方面，焊丝被配置成用于在焊接过程中充当电极和焊接金属源。该焊丝包括具有钢组合物的皮和由该皮包围的芯。该芯包含：基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)、基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)、基于该焊丝的总重量浓度在0与约5重量％之间的镍(Ni)、以及浓度大于0重量％的碳(C)，其中Ni、C和Mn的浓度是使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约 12重量％，其中[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。
在另一个方面，被配置成用于在焊接过程中充当电极和焊接金属源的焊丝包括由皮包围的芯。该焊丝包含：铁(Fe)、基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)、基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)、基于该焊丝的总重量浓度在0与约5重量％之间的镍(Ni)、基于该焊丝的总重量浓度大于0且小于约0.06重量％的碳(C)、以及基于该焊丝的总重量小于0.03重量％的氮 (N)。
在另一个方面，一种电弧焊方法包括提供被配置成用于在焊接过程中充当焊接金属源的焊丝。该焊丝包括具有钢组合物的皮和由该皮包围的芯。该芯包含基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)并且进一步包含Ni、C和Mn，其中[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。该方法另外包括施加足够的能量以产生稳定的熔融焊丝液滴流。该方法进一步包括使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2是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的实心电极焊丝的示意图。
图3A是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的有芯电极焊丝的示意图。
图3B是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的有芯电极焊丝的示意图。
图3C是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的有芯电极焊丝的示意图。
图3D是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的有芯电极焊丝的示意图。
图4是展示了根据实施例的被配置成用于形成具有不同铁素体含量的奥氏体钢和双相钢焊接件的焊丝的镍当量含量对比铬当量含量的图示。
图5是根据实施例的被配置成用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的金属电弧焊系统的示意图。
图6是根据实施例的用于形成奥氏体钢和双相钢焊接件的方法的流程图。
具体实施方式
对焊接技术的不同技术和经济需求(通常是竞争性需求)的复杂性不断增长。例如，通常需要在外观和机械性能方面的更高焊道品质，而不会产生负面的经济或生产率后果，例如更高的原材料和/或焊接成本。具体地，在钢基焊接中，可能需要改进或满足机械性能的竞争性特性，诸如屈服强度、延展性、耐腐蚀性、抗热裂性和断裂韧性，同时保持经济可行性。
一些焊接技术旨在通过改进耗材来解决这些竞争性需求，例如，通过改进可消耗电极焊丝的物理设计和/或组成。作为一个实例，一些传统的可消耗电极结合添加剂，诸如铬(Cr)和镍(Ni)。向铁合金添加的铬和镍可以通过形成保护性氧化物层的能力来提供例如抗氧化性。然而，从成本的观点来看，大量的Cr和Ni可能是不希望的。此外，虽然提供了一个优点，但是一些添加剂可能不足以满足其他特性(例如竞争性特性)或者可能引入不希望的后果。例如，在提供抗氧化性和耐腐蚀性的同时，相对大量的Cr和Ni可能提升所得焊接件中的体心立方(BCC)铁素体的不希望量，这可能导致不希望的机械性能，包括更低的断裂韧性。
在本文所述的不同实施例中，可消耗电极焊丝具有芯壳结构，其中 Cr和Ni以特定量存在，例如与用于不锈钢焊接的Cr和Ni(其可以位于芯中)的传统量相比以相对更低的量存在。不同电极满足竞争性焊接件性能，诸如可接受的耐腐蚀性，同时具有高抗热裂性和高断裂韧性。此外，当在某些焊接过程(例如药芯电弧焊)中使用时，与钢基焊丝中的传统添加剂相比，所披露的电极可以提供更低成本的解决方案。
用于形成奥氏体钢或双相钢焊接件的焊接过程
图1是金属电弧焊过程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，该等离子体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。在焊接过程中，将可消耗金属焊丝6朝向工件2推进，并且所得的金属焊丝6的熔融液滴沉积到该工件上，从而形成焊道。
金属焊丝6可以是包含以下的焊丝：铁(Fe)、基于焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)、基于焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)、基于焊丝的总重量浓度在约0与约5重量％之间的镍(Ni)、基于焊丝的总重量浓度大于0且小于约 0.06重量％的碳(C)、以及基于焊丝的总重量小于0.03重量％的氮(N)。在一些实施例中，焊丝6是在径向方向上具有基本均匀的元素浓度的实心电极。在一些其他实施例中，焊丝6是有芯电极。当被配置为有芯电极时，焊丝6包括具有钢组合物的皮和由该皮包围的芯。该芯包含：基于焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)、基于焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)、基于焊丝的总重量浓度在约0与约5重量％之间的镍(Ni)、以及浓度大于0重量％的碳(C)，其中Ni、C和Mn的浓度为使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于焊丝的总重量的重量百分比。金属焊丝6可以用于不同电弧焊过程，包括气体-金属电弧焊过程，这些电弧焊过程可以采用实心电极焊丝(GMAW)或金属芯焊丝(GMAW-C)。金属焊丝6也可用于药芯电弧焊过程(FCAW)，这些药芯电弧焊过程可以是气体保护的药芯电弧焊(FCAW-G)或自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)。金属焊丝6可以进一步用于保护金属电弧焊(SMAW)过程和埋弧焊(SAW) 过程等。在下文中，更详细地描述可以采用金属焊丝6的不同焊接过程。
在使用实心(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过程中的大气污染。当使用实心电极时，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可以被设计成用于提供低孔隙率或无孔隙焊缝，这些焊缝具有所得焊道的所需物理和机械性能。当使用金属芯电极时，一些活性成分可以被添加在金属外皮的芯中并被设计成用于提供与在实心电极情况下相似的功能。
实心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实心、基本无孔隙的焊接件或焊道以便在最终应用中令人满意地表现。
这些电极还可以被设计成使焊接过程中产生的熔渣量最小化。对于一些应用，金属芯电极可以用作实心焊丝的替代品来增加生产率。如本文所述，金属芯电极是指复合电极，这些复合电极具有至少部分地被金属外皮填充和包围的芯。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性能。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，与实心电极相比，有芯电极可以提供增加的沉积速率和更宽的、相对一致的焊接渗透轮廓。此外，对于一些应用，与实心电极相比，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。
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。相对低的非金属组分可以将 GMAW-C电极与下文更详细描述的药芯电弧焊电极区分开。GMAW-C电极的特征可以在于喷射电弧和高品质的焊道性能。
与使用金属芯电极(GMAW-C)的气体-金属电弧焊类似，用于药芯电弧焊(FCAW、FCAW-S、FCAW-G)的电极也包括被壳包围的芯。也就是说，用于药芯电弧焊中的有芯电极具有至少部分被金属外皮填充和包围的芯，类似于上述的金属芯电极。然而，不同于金属芯电极(GMAW-C)，用于药芯电弧焊(FCAW)的有芯电极另外包括焊剂，这些焊剂被设计成用于在焊接过程中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。用于药芯电弧焊中的有芯电极可以另外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性能。在一个方面，药芯电极可以通过芯中存在的非金属组分的量与金属芯电极区分开，这些非金属组分的组合浓度可以是基于每个电极的总重量小于5％、3％或1％。
已经为药芯电极开发了大量的焊剂组合物来控制电弧稳定性，改变焊接金属组成，并提供保护免于大气污染。在药芯电极中，可以通过改变焊剂的组成来控制电弧稳定性。因此，可能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接金属组成。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。FCAW中使用的不同焊丝可以共享一些类似特性，例如，在焊缝上形成保护熔渣，使用拖曳角技术，能够以较高沉积速率在不适当位置或平坦和水平地焊接，能够处理板上相对较高量的污染物等。另一方面，存在不同类型的药芯电弧焊过程，即：自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)和气体保护的药芯电弧焊(FCAW-G)，下文参考图3A-3D对这些电弧焊进行更详细的描述。
FCAW-S过程利用由电弧本身的化学反应产生的保护熔渣和气体来保护熔融金属免受大气的影响。FCAW-S焊丝芯中的焊剂成分具有多种功能，包括：对熔融金属进行脱氧和脱氮，形成保护熔渣，该保护熔渣也使焊道成形并且可以保持在不适当位置的熔融金属，并且将合金化元素添加到焊道以产生希望的性能，并且可控制地影响不同焊接特性(例如，深穿透特性和高沉积速率)，以及其他功能。
在某些情况下，与其他过程(例如，棍(即，手动)焊接)相比，根据实施例的FCAW-S过程/系统提供了增加的生产率，这部分地由于针对与使用棍状电极的应用类似或相同的应用利用半自动过程而具有相对更高的沉积速率性能。例如，一些FCAW-S被适配成用于不使用外部保护气体的室外焊接，尤其是在保护气体很容易被风吹走并且导致利用气体保护过程所得的焊道中有孔隙的情况下。然而，实施例不限于此，并且其他 FCAW-S过程可以被适配成用于室内焊接。
在DC极性下执行根据实施例的一些FCAW-S过程。根据实施例的一些FCAW-S过程具有球状电弧转移，范围从细小金属液滴到大金属液滴。
与FCAW-S过程相比，FCAW-G过程使用熔渣系统和外部保护气体来保护电弧免受大气的影响。可以使用的示例性保护气体包括二氧化碳 (CO2)，例如基本上纯CO2或CO2和惰性气体的混合物(例如75％-85％的氩(Ar)与余量的CO2的组合)。与FCAW-S焊丝类似，FCAW-G焊丝的芯成分可以被配置成用于产生熔渣以便将合金化元素结合到焊道并影响焊接特性。然而，与FCAW-S焊丝不同，FCAW-G焊丝可以获得主要或基本上通过围绕等离子体区递送的外部保护气体来保护熔融金属免受大气的影响。
一些FCAW-G过程的特征在于具有平滑喷射电弧的小液滴电弧转移。在DC+极性下执行根据实施例的一些FCAW-G过程。例如与FCAW-S 过程相比，一些FCAW-G系统/过程更加被适配成用于室内焊接，因为它们具有更平滑的电弧特性。然而，实施例不限于此，并且一些FCAW-G过程可以被适配成用于室外焊接。
被配置成用于形成奥氏体钢或双相钢焊接金属的焊接电极
本文披露的不同实施例旨在解决由上述不同焊接过程产生的焊道的日益复杂且具有竞争性的特性。竞争性特性包括高韧性(例如，低温下的高韧性)、韧性的小统计散布、低热裂倾向和低孔隙率以及其他特性。此外，这些特性可能受到经济考虑因素的限制，例如可消耗电极的成本。为了满足这些和其他需要，根据各种实施例，含铬电极是芯电极。
如上所述，有芯电极是具有由例如钢组合物形成的皮的复合电极，其中颗粒芯具有特别选择的铁和其他金属粉末和合金。在制造过程中可以容易添加添加剂(诸如稳定剂和电弧增强剂)，从而为焊机提供更宽的操作窗口。
有芯电极是连续供给的管状金属皮，具有可包括颗粒或粉末的芯。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、改进耐腐蚀性并稳定电弧的元素。如上所述，有芯电极可以归类为以下之一：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)。
由于制造的灵活性，当工作需要特殊的电极时，有芯电极可能比实心电极更经济。由于制造过程涉及共混金属粉末，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，与特殊订购的实心电极相比，可以以更短的周转时间和更低的成本生产有芯电极。因此，在下文中，描述了包括由皮包围的含铬芯的电极焊丝的不同实施例。
在本文披露的不同实施例的一个方面，这些竞争性特性之间的平衡可以部分地通过将焊丝配置成使得所得焊道含有受控相对量的奥氏体和铁素体来实现。根据本文所述的实施例，具有受控量的奥氏体和铁素体的焊道是指具有以下的焊道：按体积计约1％与80％之间的铁素体、按体积计约1％与60％之间的铁素体、按体积计约1％与40％之间的铁素体、按体积计约5％与35％之间的铁素体、或按体积计约10％与30％之间的铁素体。如本文所述，由焊接研究委员会(WRC)、美国焊接协会(AWS)和其他机构采用的称为铁素体数(FN)(其值范围是从1至125)的标准化表达式可以替代性地用于描述焊接金属中的铁素体的相对量。根据本文所述的实施例，具有受控相对量的奥氏体和铁素体的焊道是指其FN在1与80之间、在1与60之间、在1与40之间、在5与35之间、或在约10与30 之间的焊道。本申请的发明人已经发现，有利地，在具有本文所述的受控相对量的奥氏体和铁素体的情况下，当至少部分利用相对低浓度的Cr和 Ni(与用于焊接具有高耐腐蚀性的不锈钢的传统焊丝组成相比)实现时，如下文所述，可以满足不同竞争性技术需求以及成本限制之间的平衡。因此，有利地，本文披露的实施例涉及包含以下的电极：相对低的铬(Cr) 含量(基于焊丝的总重量在约12重量％与约18重量％之间)、以及相对低的镍(Ni)含量(基于焊丝的总重量在0与约5重量％之间)。由具有相对低的Cr和Ni含量的电极产生的焊道实现了低孔隙率、高低温断裂韧性和高抗热裂性以及其他特性。如本文所述，高断裂韧性是指大于约20、50、 100、150或200ft-lbs的断裂韧性值，如使用相关工业中已知的夏比(Charpy) 冲击试验测量的。如本文所述，低温断裂韧性是指在低于约0°F、-20°F 或-40°F的温度下测量的断裂韧性。
图2和图3A至3D示意性地展示了焊接电极焊丝20和30A-30D，这些焊接电极焊丝被配置成在金属电弧焊过程中充当根据实施例的包括相对低的Cr和Ni含量以用于形成奥氏体钢和双相钢焊接金属的电极。焊丝20(图2)被配置为具有均匀组成的实心焊丝，该实心焊丝包括基础金属组合物。相比之下，焊丝30A-30D(分别为图3A至3D)被配置成具有芯壳结构，其中芯38a-38d由皮34包围。焊接电极焊丝30A-30D包括具有第一基础金属组合物的皮34和由皮34包围的芯38a-38d，其中芯38a-38d 包含第二基础金属组合物和下文所述的不同其他元素，这些焊接电极焊丝的组合被适配成用于形成具有受控量的奥氏体和铁素体的焊道。在不同实施例中，皮34的第一基础金属和芯38a-39d的第二基础金属的组合物是相同的，而在其他实施例中，该第一基础金属和该第二基础金属的组合物是不同的。
在不同实施例中，电极焊丝20(图2)的基础金属组合物以及电极焊丝30A-30D(图3A至3D)的第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者包括钢组合物。在一些实施例中，该或这些基础金属组合物可以是碳钢组合物。非限制性示例碳钢组合物包含Fe和以下中的一者或多者：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以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在不同实施例中，电极焊丝20(图2)的基础金属组合物以及电极焊丝30A-30D(图3A至3D)的第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者是低碳钢组合物。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和浓度高达约1.5wt％的Mn的组合物。
在不同实施例中，电极焊丝20(图2)的基础金属组合物以及电极焊丝30A-30D(图3A至3D)的第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者是低合金钢组合物。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和以下中的一者或多者：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0.1 wt％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以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在不同实施例中，电极焊丝20(图2)的基础金属组合物以及电极焊丝30A-30D(图3A至D)的第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者是不锈钢组合物。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和以下中的一者或多者：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0.05 wt％之间的S以及浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P。
不受任何理论的束缚，如上所述的电极焊丝20(图2)的基础金属组合物以及电极焊丝30A-30D(图3A至3D)的第一基础金属组合物和第二基础金属组合物中的一者或两者中结合的不同元素可以在钢焊接中提供特别的优点(如本文所讨论的)，以提供几个实例。例如，如下面进一步讨论的，碳、锰、镍和铜各自可以用于稳定奥氏体相，这进而可以改进焊接件的断裂韧性，该断裂韧性可以是强度和延展性的指标。锰和镍可以进一步充当从焊缝中去除氧和/或氮并减小焊接金属孔隙率的脱氧剂。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。
不受任何理论的束缚，如下面进一步讨论的，铝、硅、铬和钼可以充当铁素体稳定化元素，这进而可以改进焊接件的热裂性能。硅还可以充当从焊接件中去除氧并减小焊接金属孔隙率的脱氧剂。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。铬还可以改进耐腐蚀性。钼也可以增加强度并改进冲击性能，即使当焊缝经受应力消除焊后热处理时。
不受任何理论的束缚，磷一般对焊缝熔敷物来说是不希望的，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。
不受任何理论的束缚，钛可以充当铁素体稳定化元素和脱氧剂。锆可以充当脱氧剂。
为了实现本文所述的焊接过程和/或焊道的不同有利特性，根据实施例，焊丝20(图2)和30A-30D(图3A至3D)包含特定量的铬(Cr)和锰(Mn)。
当被包括作为实心焊丝20(图2)的一部分时，根据实施例，该焊丝的大部分包含基于焊丝的总重量浓度在约2重量％与约30重量％之间、约5重量％与约25重量％之间、约10重量％与约20重量％之间、约12重量％与约18重量％之间、或约10重量％与约15重量％之间(例如约16重量％)的Cr。当被包括作为实心焊丝20(图2)的一部分时，根据实施例，该焊丝的大部分包含基于焊丝的总重量浓度在约2重量％与约30重量％之间、约5重量％与约25重量％之间、约10重量％与约20重量％之间、约 12重量％与约18重量％之间、或约10重量％与约15重量％之间(例如约 16重量％)的Mn。
当被包括作为有芯焊丝的一部分(分别在图3A至3D中为 30A-30D)时，根据实施例，芯38a-38d中的每一个包含基于焊丝的总重量浓度在约2重量％与约30重量％之间、约5重量％与约25重量％之间、约10重量％与约20重量％之间、约12重量％与约18重量％之间、或约 10重量％与约15重量％之间(例如约16重量％)的Cr。当被包括作为有芯焊丝的一部分(分别在图3A至3D中为30A-30D)时，根据实施例，芯 38a-38d中的每一个进一步包括，该焊丝的大部分包含基于焊丝的总重量浓度在约2重量％与约30重量％之间、约5重量％与约25重量％之间、约 10重量％与约20重量％之间、约12重量％与约18重量％之间、或约10 重量％与约15重量％之间(例如约16重量％)的Mn。
在不同实施例中，Cr和Mn中的每一者可以呈元素形式或与不同金属元素的合金形式。例如，在呈合金形式时，Cr和/或Mn可以作为金属合金化合物的一部分存在，例如MMg、MSi或MZr，诸如AlMg、AlSi或 AlZr，以及其他金属合金化合物。
不受任何理论的束缚，在芯38a中存在以本文披露的量的Cr(单独或与其他元素组合)可以提供所得焊道中的不同优点。例如，当存在于所披露的范围内时，Cr可以有利地提供所得焊接金属的优异抗氧化性。
此外，本文所述的特定量的Cr(单独与其他元素组合)可有利地提供所得焊接件中的相对低孔隙率，由此提供更宽的过程窗口，例如提供更宽的沉积速率范围。
此外，本文所述的特定量的Cr(单独与其他元素组合)可以充当脱氧剂和/或脱氮剂，这样使得根据实施例，所得焊道具有基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约4重量％、大于0重量％且小于约2重量％、或大于0重量％且小于约1重量％、例如约2重量％的氮(N)。在一些实施例中，根据实施例，所得焊道包含基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约4重量％、大于0重量％且小于约2重量％、或大于0重量％且小于约1重量％、例如约2重量％的氧(O)。
如本文所述，奥氏体是指铁原子结构的面心立方(FCC)相，其在溶液中可含有高达约2％的碳。如本文所述，铁素体是指铁的体心立方 (BCC)相，其可以保持非常少的碳；在室温下通常为0.0001％。铁素体可以作为α或δ铁氧体存在。发明人已经认识到：具有受控和平衡量的FCC 相和BCC相的优点(这些优点可以与本文所述的不同希望的焊道特性相关联)可以通过具有特定浓度的Cr和Mn、或者与本文所述的不同其他元素组合来实现。在焊道中具有受控量的FCC和BCC相可能是希望的，因为例如不受任何理论的束缚，相对高的铁素体含量可以与相对不良的低温断裂韧性相关联，同时与相对优异的热或凝固裂化性能相关联。相比之下，相对低的铁素体含量可以与相对优异的低温断裂韧性相关联，同时与相对不良的热或凝固裂化性能相关联。
发明人已经认识到，当以披露的量存在时，Cr可以是铁的BCC相或铁素体的稳定剂。也就是说，Cr的浓度可以与铁的BCC相的稳定性或量成比例。因此，在本文披露的不同实施例中，在铁中使用多种FCC相或奥氏体稳定化元素(例如Ni、Mn、Cu、Co、C和/或N)中的一者可以至少部分地抵消Cr的BCC稳定效应，如下所述。
具体地，不受任何理论的束缚，以本文所述的特定量的Mn(单独或与包括具有上述量的Cr的其他元素组合)可以平衡FCC相和BCC相的量以产生具有相对高的断裂韧性(例如大于约20、50、100、150或200ft-lbs) 的焊道，如在低于约0°F、-20°F或-40°F的温度下使用夏比冲击试验测量的，这至少部分是由于存在相对高的量的奥氏体。
在某些情况下，发明人已经发现，具有基于焊丝的总重量浓度在约 12重量％和约18重量％内的Cr是至关重要的。此外，具有基于焊丝的总重量浓度在约12重量％和约18重量％内的Mn可能是至关重要的。(例如参见下文的表1)。当如所述的那样控制Cr和Mn的浓度的组合时，可以实现希望特性(包括高断裂韧性、低孔隙率和抗热裂性)的组合。
此外，在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝 30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约20重量％、大于0重量％且小于约15重量％、大于 0重量％且小于约10重量％、或大于0重量％且小于约5重量％、例如约2 重量％的镍(Ni)。
此外，在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝 30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约5重量％、大于0重量％且小于约2重量％、大于约 0.1重量％且小于约1重量％、大于约0.2重量％且小于约0.8重量％、大于约0.4重量％且小于约0.6重量％、例如约0.7重量％的硅(Si)。
此外，在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝 30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度小于约5重量％、小于约2重量％、小于约1重量％、小于约0.75重量％、小于约0.5重量％、或在由任何这些百分比限定的范围内的值(例如约0.5 重量％)的钼(Mo)。
在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝(图30A 至30D)的芯38a-38d进一步包含以下中的一者或多者：基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约10重量％、大于0重量％且小于约5重量％、或大于0重量％且小于约2重量％、例如约5重量％的铜(Cu)和钴(Co)。
在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D (图3A至3D)的芯38a-38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度大于0重量％且小于约1重量％、大于0重量％且小于约0.5重量％、或大于0重量％且小于约0.1重量％、大于0重量％且小于约0.06重量％、大于0重量％且小于约0.03重量％、或这些百分比限定的任何范围(例如约0.06重量％) 的碳(C)。
在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D (图3A至3D)的芯38a-38d进一步包含基于焊丝的总重量浓度小于约0.5 重量％、小于约0.1重量％、小于约0.05重量％、小于约0.03重量％、小于约0.01重量％、例如约0.03重量％的氮(N)。
在不同实施例中，除了具有本文披露的任何浓度的任何和所有元素之外，实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的剩余余量可以包括铁(Fe)。
在一些实施例中，具有不同元素的特定组合的总体积的实心焊丝20 (图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d产生上述各种希望的属性。具体地，发明人已经发现，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d包括Mn、Ni和C的组合，该组合可以共同用于稳定焊接件中的FCC(奥氏体)相以及其他效应。具体地，发明人已经发现，FCC稳定化元素量的度量可以由等效镍浓度Nieq表示，该等效镍浓度Nieq由下式描述：
Nieq＝[Ni]+30[C]+0.5[Mn][1]
在不同实施例中，Nieq小于约20重量％、小于约16重量％、小于约12重量％、小于约8重量％、小于约4重量％、或在由任何这些百分比限定的范围内的值，其中[Mn]、[Ni]和[C]表示对应元素基于焊丝的总重量的重量％。在Eq.[1]，根据实施例，元素的比率可在+/-20％、10％或5％内变化。例如，锰与镍的比率可以是2.0+/-0.4、2.0+/-0.2或2.0+/-0.1。
在一些实施例中，具有不同元素的特定组合的总体积的实心焊丝20 (图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d产生上述各种希望的属性。特别是，发明人已经发现，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d包括Cr、Mo、Si和Nb的组合，该组合可以共同用于稳定焊接件中BCC(铁素体)以及其他效应。具体地，发明人已经发现，BCC稳定化元素量的度量可以由等效铬浓度 Creq表示，该等效铬浓度Creq由下式描述：
Creq＝[Cr]+[Mo]+1.5[Si]+0.5[Nb][2]
在各种实施例中，Creq在约8重量％与约28重量％之间、约12重量％与约 24重量％之间、约16重量％与约20重量％之间，其中[Cr]、[Mo]、[Si]和 [Nb]表示对应元素基于焊丝的总重量的重量％。在Eq.[2]，根据实施例，元素的比率可在+/-20％、10％或5％内变化。例如，Mo与Si的比率可以是2.0+/-0.4、2.0+/-0.2或2.0+/-0.1。
如上所述，不同奥氏体稳定化元素(包括Mn、Ni、C、N、Cu和 Co)可以包括在芯中以便控制所得焊道中的奥氏体的相对分数、以及其他特性。在一些实施例中，不受任何理论的束缚，总体积的实心焊丝20(图 2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d分别可以进一步包含在稳定铁素体相中可以起作用的元素。因此，在一些实施例中，总体积的实心焊丝20(图2)或有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)的芯38a-38d 另外包括选自由钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)和钨(W)组成的组的铁素体稳定化元素中的一者或多者，使得根据实施例，焊道的铁素体稳定化元素的总浓度大于0重量％且小于约20重量％、大于0重量％且小于约10 重量％、或大于0重量％且小于约5重量％。
根据实施例，基于焊丝的总重量的上述浓度可以至少部分地通过以下方式来实现：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1/8”(2.4mm)之间或在0.052” (1.4mm)与0.068”(1.7mm)之间的外径(OD)。
根据实施例，当被配置为有芯焊丝30A-30D(图3A至3D)时，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/38c/38d和皮 34的含量，使得芯的含量基于金属芯电极焊丝30a/30b/30c/38d的总重量占约1wt％与约80wt％之间、约10wt％与约50wt％之间或约15wt％与约30 wt％之间。
根据实施例，本文所披露的不同实施例可针对金属芯(GMAW-C) 电极、自保护的药芯(FCAW-S)电极和气体保护的药芯(FCAW-G)电极中的任一种进行优化。
在上文中，已经描述了有芯电极30A-30D的实施例，而没有特别参考芯38a-38d的结构。例如，有芯电极30A可以具有被配置为实心或填充有粉末的体积的芯38a。在下文中，参考图3B至3D，描述了焊接电极焊丝30B、30C、30D的实施例，这些焊接电极焊丝具有被布置成包括以不同方式布置的粉末的对应芯38b、38c、38d。具体地，芯38b、38c、38d 中的每一个至少部分地填充有包括上述不同元素的颗粒以及如上所述的第二基础金属组合物，它们的组合被适配成用于形成具有受控分数的奥氏体相的焊道。有芯电极中的包括Cr和奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素的的颗粒通常包括金属和合金颗粒，而不是除了金属和合金颗粒以外的化合物颗粒(诸如氧化物或氟化物颗粒)，并且被配置成在所得焊道的面上产生相对小的熔渣岛。然而，实施例不限于此，并且Cr和奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素可以呈化合物的形式，诸如氧化物、氮化物和氟化物。
在图3B所示的实施例中，颗粒32的组成是基本均匀的。也就是说，每个颗粒32含有第二基础金属，该第二基础金属包括上述任何一种钢组合物和铬。如上所述，每个颗粒还可以包括一种或多种奥氏体稳定化元素和/或一种或多种铁素体稳定化元素。例如，当颗粒32由相同的合金锭生产时，可以产生所示的配置。
仍然参考图3B，颗粒32由第二基础金属组合物和铬的合金形成。在包括时，颗粒32由第二基础金属组合物以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或一种或多种铁素体稳定化元素的合金形成。例如，Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素(Mn、Ni、C、N、Cu和Co)和/或一种或多种另外的铁素体稳定化元素(Mo、Si、Ti、Nb、V和W)的原子可以溶解或直接结合(例如经取代和/或在间隙中)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。Cr和一种或多种奥氏体稳定化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。然而，实施例不限于此，并且替代性实施例是可能的，其中Cr 以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或另外的铁素体稳定化元素的原子以化合物的形式结合在第二基础金属组合物中，该化合物例如是除合金之外的无机化合物，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。
现在参考图3C的焊丝电极30C，芯38c中的颗粒36a、36b具有不同的组成。在一些实施例中，颗粒36a、36b含有不同的元素。在一些其他实施例中，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。在下文中，虽然展示了具有不同组成的两个颗粒36a、36b，但是可以包括一个或多个另外的颗粒，其中每个颗粒具有不同的组成。
在焊丝电极30C(颗粒36a、36b)中，Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素可以以不同的原子键合形式存在。在一些实施例中，Cr以及一种或多种非挥发性奥氏体稳定化元素(Mn、 Ni、C、Cu和Co)和/或一种或多种附加铁素体稳定化元素(Mo、Si、Ti、 Nb、V和W)可以以纯元素形式存在于颗粒36a、36b中。在这些实施例中，Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素可以与基础金属组合物一起存在机械混合物中。在一些其他实施例中，Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素的原子与颗粒36a、36b中的基础金属组合物的原子合金化。在一些其他实施例中， Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或一种或多种铁素体稳定化元素在基础金属组合物的基体内例如以沉淀物的形式成簇在颗粒36a、36b中。在这些实施例中，沉淀物的芯包含纯元素，而沉淀物的外表面与基体的原子键合。另外的其他实施例也是可能的，其中Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或铁素体稳定化元素形成非金属化合物，例如与基础金属组合物形成混合物(例如机械混合物)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。
仍然参考图3C，不同的颗粒36a、36b可以具有不同的组成布置。在一些实施例中，所有颗粒36a、36b包括第二基础金属组合物(例如，上文所述的任何钢组合物)和Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素(Mn、Ni、C、N、Cu和Co)和/或一种或多种附加铁素体稳定化元素(Mo、Si、 Ti、Nb、V和W)，但浓度不同。在一些其他实施例中，一些颗粒(例如颗粒36a)包括第二基础金属组合物，而不包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒(例如颗粒36b)包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒(例如36a)不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物以及奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒36a包括第二基础金属组合物并且包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。在一些其他实施例中，一些颗粒36a不包括第二基础金属组合物，而包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者，而其他颗粒36b包括第二基础金属组合物，而不包括奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。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都包括不同浓度的奥氏体稳定化元素和铁素体稳定化元素中的一者或两者。
在关于图3A至3C的上述内容中，已经描述了焊丝电极30A-30C，而没有特别参考例如GMAW-C或FCAW之间的不同焊接过程的特定适用性。如上所述，不同于金属芯电极(GMAW-C)，用于药芯电弧焊(FCAW) 的有芯电极另外包括焊剂，这些焊剂被设计成用于在焊接过程中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。对于药芯电弧焊(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，虽然金属芯电极可以不包括焊剂，但是被配置成用于FCAW的焊丝包括焊剂。
将理解的是，基于所得焊道特性，金属芯电极和药芯电极可以进一步被区分。根据不同实施例，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约50％、小于约30％或小于约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约50％、大于约70％或大于约90％。在下文中，当存在于药芯电极(包括FCAW-S和FCAW-G)的芯中时，其中Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素和/或附加铁素体稳定化元素的量和布置可能更有利的实施例。
图3D是被配置成用于在FCAW过程中充当电极的焊丝电极焊丝 30D的示意图。类似于以上关于图3C描述的电极焊丝38c，焊丝30D包括由第一基础金属形成的皮34，该第一基础金属可以包括上述任何一种钢组合物。根据以上关于图3B中的颗粒32或图3C中的颗粒36a、36b描述的任何一种配置或多种配置的组合，焊丝30D另外包括具有一个或多个不同颗粒36a或36b的芯38d。此外，在图3D的所示实施例中，根据实施例，焊丝电极30D的芯38d另外包括一个或多个非金属颗粒36c，该一个或多个非金属颗粒包括焊剂或熔渣形成剂。
不受任何理论的束缚，可以包括含氟化合物或含氧化合物的一个或多个非金属颗粒36c可以修改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，当焊剂存在时，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，一些焊剂(包括含氟化合物和/或含氧化合物) 也可以降低熔渣的熔点。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。
在焊丝特别被适配成用于FCAW-S过程的特定实施例中，基于铝脱氧和脱氮剂的熔渣系统可能是特别有益的。在这些实施例中，铝进入焊接熔池并形成包括氧化铝的焊剂，该焊剂具有相对高的熔化温度。高熔化温度的氧化铝可以与焊剂中的低熔化温度元素结合以形成有效的熔渣系统。包括氧化铝的熔渣元素可以在焊接过程中熔化并漂浮到熔融焊接熔池的顶部，从而保护该过程免受大气污染。
FCAW-S对氮气具有相对高的耐受性，并且熔渣系统使这成为可能。铝分子吸引氧原子和氮原子，它们进行连接以形成氧化铝。这样形成的氧化铝基熔渣系统具有高熔点(即快速冷冻)并快速轻质浮动到焊接表面。实际上，熔渣系统将氧和氮-潜在污染物转化成保护焊缝的化学化合物。
许多FCAW-S焊丝可以采用碱性系统或酸性系统。在碱性系统中，含氟与铝化合物一起使用。在另一方面，在酸性系统中，可以采用氧化铁。碱性系统具有良好的清洁作用，并且往往适用于结构关键性工作，从而满足低温韧性和其他严格的机械性能要求。酸性系统可以有助于平稳、快速的焊接。这是因为(不受任何理论的束缚)在焊接过程中，分子被电离，并且特定的熔渣系统与不同的热量水平相关联以完成电离。在氟化物系统中，相对大量的热量会破坏分子以形成氟键。在另一个方面，使用相对较低量的热量来破坏酸性氧化物基分子。快速反应导致快速的熔渣冻结并最终导致高沉积速率。
在一些实施例中，非金属颗粒36c包括无机化合物，这些无机化合物包括除Cr或Mn之外的金属的金属氧化物或金属氟化物。
在本文披露的一些实施例中，当被包括作为非金属颗粒36c的一部分时，基于电极焊丝的总重量，电极焊丝中的氟(F)浓度可以在约0.02 重量％与约2重量％之间、约0.1重量％与约1.5重量％之间、或约0.5重量％与约1.0重量％之间，例如约0.7重量％。
其他实施例是可能的，其中当被包括作为非金属颗粒36的一部分时，含氟颗粒包括非聚合物或无机含氟化合物，诸如氟化铝、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(诸如)、 Na2SiF6、K2SiF6、Na3AlF6和/或K3AlF6；然而，将理解的是可以使用其他或另外的含氟化合物。
根据实施例，非含氟的非金属颗粒36c的实例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，在两者都被包括时，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。
使用被配置成用于形成奥氏体钢或双相钢焊接金属的焊丝形成的示例性焊接金属
在使用上述不同焊丝的情况下，可以形成具有特定组成的焊道，这些组成与焊丝的组成相比可以是基本上相同的或基本上不同的。在不同实施例中，使用焊丝(例如，图2中的焊丝20或图3A至3D中的焊丝30A-30D) 形成的焊道具有铁(Fe)和铬(Al)，其浓度与上述焊丝的浓度类似。此外，焊道包含Cr以及一种或多种奥氏体稳定化元素(Mn、Ni、C、N、Cu 和Co)和/或一种或多种附加铁素体稳定化元素(Mo、Si、Ti、Nb、V和 W)，其浓度与上面参考图2和图3A至3D所述的焊丝的相应浓度基本相同。
图4是展示了以上关于Eq.[1]所述的等效镍浓度Nieq对比以上关于 Eq.[2]所述的等效铬浓度Creq的曲线图40。发明人已经发现，与使用具有组成范围42之外的组成的焊丝来形成的焊道相比，当使用具有组成范围 42内的组成的焊丝来形成焊道时，这些焊道具有优异的机械性能。发明人已经实验性地生产具有以下组成的焊接金属：
表1实验性地观察到的焊接金属冲击韧性
参见表1，由焊丝A-D实验性地形成的每个焊接金属具有在5与35 之间的铁素体数。然而，应当理解的是，基于对应的焊丝的总重量，当该值等于或低于约12％时，所观察的冲击韧性是[Mn]的强函数。
被配置成用于使用焊丝来形成奥氏体钢或双相钢焊接金属的焊接系统，这些焊丝被配置成用于相同的焊接金属
图5展示了根据实施例的电弧焊系统50，该电弧焊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接金属以用于明弧焊。具体地，根据实施例，电弧焊系统50被配置成用于可使用包括含铬芯的焊接电极的GMAW、FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW 或类似的电弧焊过程。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的操作过程中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包括功率转换电路，该功率转换电路从交流电源(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的速率的焊接金属沉积。
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的高焊接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、或在约600ipm与约1200 ipm之间的送丝速度。
发明人已经发现，处于本文所述浓度的不同元素可以向处于被适配成用于形成本文所述焊道的电流和沉积速率的电弧提供稳定性、以及其他优点。例如，电弧可以稳定地保持在在约100安培与约1000安培之间、约150安培与约700安培之间、或约200安培与约500安培之间的电流水平，并且保持在约5lbs./hr与约60lbs./hr之间、约5 7bs./hr与约40lbs./hr 之间、或约10lbs./hr与约25lbs./hr之间的沉积速率。
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/或所得焊缝的化学性质(例如组成和物理特性)。
用于形成奥氏体钢或双相钢焊接金属的焊接方法
参见图6，描述了一种金属电弧焊的方法60。方法60包括根据上述任何布置提供62焊丝，其中焊丝被配置成在焊接过程中充当焊接金属源。例如，焊丝可以是包括具有钢组合物的皮和由皮包围的芯的有芯焊丝。该芯包括基于焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬 (Cr)并且进一步包括Ni、C和Mn的芯，其中[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于焊丝的总重量的重量百分比。方法60另外包括施加64足够的能量以产生稳定的熔融焊丝液滴流。方法60进一步包括使熔融液滴沉积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3A至 3D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10lbs/hr、 20lbs/hr、30lbs/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5lbs/hr与约20lbs/hr之间、约10lbs/hr与约30lbs/hr之间、约20lbs/hr与约40lbs/hr之间或约30lbs/hr与约60lbs/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200ipm与约400ipm之间、约300ipm与约500ipm之间或约400ipm与约600ipm之间的送丝速度结合施加来实现。
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 (20)

1.一种被配置成用于在焊接过程中充当电极的焊丝，该焊丝包括：
皮，该皮具有钢组合物；以及
由该皮包围的芯，该芯包含：
基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)，
基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)，
基于该焊丝的总重量浓度小于约5重量％的镍(Ni)，以及
基于该焊丝的总重量浓度大于0且小于约1重量％的碳(C)，
其中，Ni、C和Mn的浓度是使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中，[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。
2.如权利要求1所述的焊丝，其中，Ni、C和Mn的浓度是使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]是在约6重量％与约11重量％之间。
3.如权利要求1所述的焊丝，其中，该焊丝具有基于该焊丝的总重量大于0且小于约0.06重量％的碳(C)浓度。
4.如权利要求1所述的焊丝，其中，该芯进一步包含基于该焊丝的总重量浓度在约0.2重量％与约0.8重量％之间的硅(Si)。
5.如权利要求4所述的焊丝，其中，该芯进一步包含基于该焊丝的总重量浓度等于或大于0且小于约0.75重量％的Mo。
6.如权利要求5所述的焊丝，其中，该芯进一步包含Nb，并且Cr、Mo、Si和Nb的浓度是使得[Cr]+[Mo]+1.5[Si]+0.5[Nb]是在约16重量％与约20重量％之间，其中，[Cr]、[Mo]、[Si]和[Nb]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。
7.如权利要求1所述的焊丝，其中，该焊丝基本上不含氮。
8.如权利要求1所述的焊丝，其中，该焊丝被配置成使得使用该焊丝形成的焊道具有在5与约35之间的铁素体数。
9.如权利要求8所述的焊丝，其中，使用该焊丝形成的该焊道包含基于该焊丝的总重量小于约0.03重量％的氮(N)。
10.一种被配置成用于在焊接过程中充当电极的焊丝，该焊丝包含：
铁(Fe)；
基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)；
基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的锰(Mn)；
基于该焊丝的总重量浓度在0与约5重量％之间的镍(Ni)；
基于该焊丝的总重量浓度大于0且小于约0.06重量％的碳(C)；以及
基于该焊丝的总重量小于约0.03重量％的氮(N)。
11.如权利要求10所述的焊丝，其中，该焊丝是沿径向方向具有均匀浓度的实心焊丝。
12.如权利要求10所述的焊丝，其中，该焊丝是金属芯焊丝，该金属芯焊丝含有基于每个电极的总重量小于约5％的非金属元素。
13.如权利要求10所述的焊丝，其中，该焊丝被配置成用于在自保护的药芯电弧焊(S-FCAW)过程中充当电极，其中，该芯包括含有氧化物或氟化物的焊剂。
14.如权利要求10所述的焊丝，其中，Ni、C和Mn的浓度是使得[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中，[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。
15.如权利要求10所述的焊丝，其中，该芯进一步包含基于该焊丝的总重量浓度在约0.2重量％与约0.8重量％之间的硅。
16.如权利要求15所述的焊丝，其中，该芯进一步包含基于该焊丝的总重量浓度等于或大于0且小于约0.75重量％的Mo。
17.如权利要求16所述的焊丝，其中，该芯进一步包含Nb，并且Cr、Mo、Si和Nb的浓度是使得[Cr]+[Mo]+1.5[Si]+0.5[Nb]是在约16重量％与约20重量％之间，其中，[Cr]、[Mo]、[Si]和[Nb]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比。
18.一种电弧焊方法，该方法包括：
提供被配置成用于在焊接过程中充当焊接金属源的焊丝，该焊丝包括：
皮，该皮具有钢组合物，以及
由该皮包围的芯，该芯包含基于该焊丝的总重量浓度在约12重量％与约18重量％之间的铬(Cr)并且进一步包含Ni、C和Mn，其中，[Ni]+30[C]+0.5[Mn]小于约12重量％，其中，[Ni]、[C]和[Mn]表示对应元素基于该焊丝的总重量的重量百分比；
施加足以产生稳定的熔融焊丝液滴流的能量；并且
使这些熔融液滴沉积到工件上。
19.如权利要求18所述的方法，其中，提供该焊丝包括提供基本上不含氮的焊丝。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该方法是气体金属电弧焊(GMAW)，其中，该芯不包含另外的焊剂，并且当存在时，包含基于该焊丝的总重量浓度不超过约5％的非金属原子元素。
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