CN110497115A - 具有碱土金属的焊接电极焊丝 - Google Patents

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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在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。
背景技术
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，竞争性的要求包括实现针对生产率的高沉积速率，并同时实现在外观和机械特性(例如高屈服强度、延展性和断裂韧性)方面的高品质的焊道。
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并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，被配置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。该焊丝还包括芯，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，一种金属电弧焊方法包括提供被配置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。
在另一方面，一种用于金属电弧焊的系统包括被配置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。
在另一个方面，一种电弧焊方法包括：提供包含一种或多种碱土金属元素的焊丝。该方法还包括：向该焊丝施加功率以产生足以熔化该焊丝的等离子弧。该方法还包括：以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上、同时进行调节以维持传递给该等离子弧的基本上恒定功率。
在另一方面，一种电弧焊方法包括：向焊丝施加功率以产生足以熔化该焊丝的等离子弧。该方法还包括：以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上。执行沉积时调节传递给该等离子弧的功率，使得传递给该等离子弧的功率的标准偏差小于传递给该等离子弧的平均功率的2％。
在另一方面，一种电弧焊方法包括：向焊丝施加功率以产生足以熔化该焊丝的等离子弧。该方法还包括：以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上，其中，执行沉积时调节传递给该等离子弧的功率。调节功率包括限制电流的变化量。
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的示意图。
图2C是沿着图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是根据实施例的被配置用于高沉积速率的、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是展示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性电弧不稳定性监测结果的图表。
图8展示了根据实施例在调节功率式电弧焊期间、以及在恒定电压电弧焊期间产生的实验性波形的比较。
图9展示了根据多个不同实施例的用于调节功率式电弧焊的方法。
图10A展示了根据实施例在调节功率式电弧焊期间产生的实验性波形。
图10B展示了在恒定电压电弧焊期间产生的对比实验性波形。
图11A展示了根据实施例在调节功率式电弧焊期间产生的实验性波形。
图11B展示了根据实施例的、用于包括限制电流的变化量的调节功率式电弧焊的示例性方法。
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。在金属电弧焊中，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。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：可以采用实心电极焊丝(GMAW)或金属芯焊丝(GMAW-C)的气体-金属电弧焊方法；药芯焊丝电弧焊方法(FCAW)，其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)；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。
在使用实心电极(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实心电极情况下相似的功能。
实心电极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的、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实心焊丝的替代品，以提高生产率。金属芯电极是复合电极，其具有至少部分地被填充并且金属外鞘包围的芯。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。制造金属芯电极是如下进行：混合芯材的成分并将其沉积在成型的条带内部，并且然后封闭并拉伸该条带至最终的直径。对于一些应用，与实心电极相比，有芯电极可以提供增大的沉积速率和更宽的、更一致的焊接透入轮廓。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。
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填充并且被金属外鞘包围的芯，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还包括焊剂，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以免于大气污染，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。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、并提供保护以免于大气污染。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可以与这些杂质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。
本文披露的各种实施例旨在解决上述各种焊接方法中对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实心电极。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度的电阻加热，即使使用相对小直径的电极也是如此。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。
包含碱土金属元素的焊丝
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性组合物，低合金钢组合物包含Fe和以下各项中的一项或多项：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以及浓度在约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性组合物，不锈钢组合物典型地包含Fe和以下各项中的一项或多项：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，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。锰是另一种可以增大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(weld puddle)中的流体就越多。硅的添加还可以增大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)以获得改进的导电性、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。钼可以增大强度并改进冲击特性，即使当焊缝经受消除应力的焊后热处理时。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作为焊接电极焊丝20的基础金属的一部分被包含。
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，碱土金属原子在基础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以实现高沉积速率(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和图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实心焊道。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。替代性地，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，最终产生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表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。图表29展示了沿着图2B的焊缝中心线AA’的截面的焊缝中心线方向(x方向)上的碱土金属浓度。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(该碱土金属变得以溶解度极限或低于溶解度极限结合在实心焊道中)的浓度29a沿x方向相对恒定，为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：实心电极焊丝(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，有芯电极是被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、去氧剂和去氮剂、和合金化材料，以及提高韧性和强度、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颗粒和合金颗粒，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(支撑焊道并使其成形)的药芯电极可以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，可以针对金属芯电极、自保护的药芯电极和气体保护的药芯电极中的任一种来优化本文所披露的各种实施例。
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，其中具有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，这是实心合金电极(GMAW)的替代物。
由于制造的灵活性，当工作需要特殊的电极时，金属芯电极可能比实心电极更经济。由于制造过程涉及将金属粉末共混，而不是产生特殊的钢熔体，因此少的量更容易产生，并且最低订购量要低得多。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和被鞘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与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，例如是以取代和/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，以下实施例是可能的，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量的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包含不同元素。在其他实施例中，颗粒36a、36b含有在成分杂质中的一种或多种中成分杂质中处于不同浓度的相同元素。
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处于不同浓度下。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描述的相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)以上文关于图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)之间的外直径(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以具有许多优点。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，例如增大了电离电势。等离子体的增大的电离电势进而可以得到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/或过度累积碱土金属。
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，气体金属电弧焊可以与由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。对于药芯电弧焊(FCAW)，熔剂形成熔渣。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，金属芯电极和药芯电极进一步基于所得焊道特性可区分。根据多个不同实施例，本文所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，药芯电极产生对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，电极中的所述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还包括芯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其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还包括一个或多个含氟颗粒40b。在一些其他实施例中，芯48还包括一个或多个非含氟颗粒40c。
不受任何理论的束缚，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，以减小形成的焊道上的气体径迹倾向。例如，当含氟化合物存在时，气体径迹(是观察到的现象，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，可以观察到气体径迹，例如在熔渣比焊接熔池凝固得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以降低熔渣的熔点。熔渣的较低熔点允许熔渣持续较长时间地保持熔融，从而允许有更多的时间让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径迹的发生率。
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氯三氟乙烯、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文关于图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)、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，处于在约0.5-10:1、典型地约0.5-5:1、并且更典型地约0.7-4:1之间的比率。
适于高沉积速率的电弧焊系统
图5展示了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或更高的速率来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被配置用于可以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、保护气体供应源58和焊枪59。焊接电源52被配置用于向焊接系统50供电并且电联接到焊丝驱动器54，使得焊接电极焊丝充当第一电极并且进一步电联接到充当第二电极的工件57，如图1详细描绘的。该焊丝驱动器被联接到焊枪59，并且被配置用于在焊接系统50的操作期间将焊接电极焊丝从电极供应源56供应到焊枪59。在一些实现方式中，焊接电源52还可以联接并直接向焊枪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，保护气体供应源58被配置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以被提供给电弧和/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的功率以及来自保护气体供应源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)。
高沉积速率电弧焊
参见图6，描述了一种金属电弧焊方法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还包括施加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、在约400安培与约700安培之间或在约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、在约500安培与约800安培之间或在约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性电弧不稳定性监测结果的图表70。y轴表示每秒的不稳定事件数量，而x轴表示经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的量大于平均值的约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。相比较，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，用机器人来焊接这些焊接电极。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以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。如图所示，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。
调节功率式高沉积速率电弧焊
如上所述，在明弧焊中以非常高的沉积速率、例如约30lbs/hr或更高的沉积速率进行焊接存在许多挑战。发明人已经观察到，当使用常规的焊丝来实现如此高的沉积速率时，所得焊道的品质例如由于不可接受的孔隙率、不良外观和较差的机械性能(例如低的屈服强度、延展性和断裂韧性)是不可接受的。焊道的低品质通常与在明弧焊期间在等离子弧中观察到的不稳定性相关。如上所述，根据多个不同实施例，通过改善电极焊丝的物理设计和组成，例如通过在焊丝中纳入碱土金属元素，可以以这些非常高的沉积速率来产生高品质焊道。根据实施例，通过使用包括碱土金属元素的焊丝，可以实现高沉积速率，同时还可以产生高品质焊道。发明人已经观察到，高品质焊道与电弧焊接期间等离子弧的稳定性相关。
除了改善耗材的物理设计和组成之外，发明人还发现，通过主动控制以减少等离子弧的波动和不稳定性，可以实现等离子体稳定性和所得焊道品质的进一步改善。具体地，发明人已经发现，减少传递给等离子弧的功率波动对于改善焊道品质特别有效。进而可以通过调节功率以维持传递给等离子弧的基本上恒定功率来减少功率波动。
在各种明弧焊技术中，使用恒定电流(CC)模式或恒定电压(CV)模式来将功率传递至等离子弧。在CC模式下，功率传递电路改变其输出电压以维持相对恒定的电流。在CV模式下，功率输送电路改变其输出电流以维持相对恒定的电压。CV模式例如在电弧距离可能不容易控制的技术中可能是有利的。CC模式例如在不管电弧距离如何都需要固定数量的安培数到达待焊接材料的技术中可能是有利的。例如，一些受保护的金属电弧焊和气体钨极电弧焊技术使用CC模式，而一些气体保护金属电弧焊和药芯电弧焊技术使用CV模式。
发明人已经发现，当代替使用CV或CC模式，而在沉积期间将传递给等离子弧的功率主动调节成相对恒定时，可以以高沉积速率、例如超过30lbs./hr的速率来实现等离子体稳定性和/或焊道品质的进一步改善。当根据实施例在沉积期间调节功率时，可以显著地降低功率的标准偏差。发明人已经发现，与电流或电压的标准偏差的大小相比，在电弧焊接期间，功率的标准偏差的大小表现出与导致不良焊道品质的等离子不稳定性的更强相关性。相应地，在下文中，描述了用于调节功率式电弧焊的方法和系统，它们可以通过使用或不使用含碱土金属的焊接电极来有利地改善等离子稳定性和/或焊道品质。
图8展示了在根据实施例的调节功率式电弧焊期间产生的实验性波形与在恒定电压电弧焊期间产生的波形的对比。顶部、中间和底部图表分别展示了随时间而变的电压(V)、电流(A)和功率(W)波形。出于展示的目的，在使用连续焊丝的连续焊接项目期间，切换调节模式。所使用的焊丝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金属芯焊丝，类似于用于产生图7中的实验结果的金属芯焊丝。焊丝以850英寸/分钟的速率给送，同时向等离子弧传递32kW的目标功率，从而产生38lbs/hr的沉积速率。左侧波形区域810展示了在根据实施例的功率调节模式下进行电弧焊所持续的区域，并且右侧波形区域820展示了在恒定电压(CV)模式下进行电弧焊所持续的区域。如波形区域810所示，在功率调节模式下，电压和电流以相对更高的幅度波动，而功率以相对更低的幅度波动。相反，如波形区域820所示，在常规CV模式下，电压以相对更低的幅度波动，而功率以相对更高的幅度波动。在功率调节波形区域810和CV模式区域820中观察到的功率标准偏差分别为约250W和1000W。发明人已经发现，在电压、电流和功率的波动之中，功率的波动与导致焊道品质劣化的等离子不稳定性具有最强的相关性。因此，有利地，根据本文描述的多个不同实施例，电弧焊方法将功率调节成使得与CV和CC模式相比，功率的标准偏差保持相对较低。
图9展示了根据多个不同实施例的通过调节功率进行电弧焊的方法900。方法900包括提供910适于以高沉积速率进行电弧焊的焊丝。焊丝包含一种或多种碱土金属元素，但实施例不限于此。方法900还包括：向该焊丝施加920功率以产生足以熔化该焊丝的等离子弧。方法900进一步包括：以高沉积速率将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积930到工件上。执行沉积时进行调节以维持传递给该等离子弧的基本上恒定功率。
如本文所述，在调节功率式电弧焊的背景下，根据一些实施例，高沉积速率是指超过约20lbs/hr、30lbs/hr、40lbs/hr或50lbs/hr的沉积速率、或在本申请的任何地方披露的沉积速率、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的沉积速率。在一些其他实施例中，根据实施例，沉积66包括以在约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，可以通过在电弧焊期间调节传递给等离子弧的功率来实现高沉积速率，该功率可以具有超过10kW、15kW、20kW、25kW、30kW、35kW、40kW、45kW、50kW、55kW或60kW的平均值、或者具有在本申请的任何地方披露的任何其他值、或具有在由这些值中的任何值所限定的范围内的值。
根据实施例，为了调节功率，将适当量的电流传递至等离子弧和/或从其测得，该电流可以具有超过约200安培、300安培、400安培、500安培、600安培、700安培、800安培、900安培或1000安培的平均值、或具有在本申请的任何地方披露的任何其他值、或具有在由这些值中的任何值所限定的范围内的平均值。
为了调节功率，将适合的电压传递至等离子弧和/或从其测得，该电压可以具有超过约20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V、60V、65V、70V、75V或80V的平均值、或具有在本申请的任何地方披露的任何其他值、或具有在由这些值中的任何值所限定的范围内的值。
根据实施例，可以通过以下方式来实现目标沉积速率：将功率调节为上述值、同时以在约200m/min与约400m/min之间、在约300m/min与约500m/min之间、在约400m/min与约600m/min之间的速度、或以在本申请的任何地方披露的速度、或以具有在由这些值中的任何值所限定的范围内的值的速度来连续给送焊丝。
在一些实施例中，可以在电弧焊项目期间，结合功率的调节来主动地改变或调整焊接电极(丝或棒)的给送速度。通过允许送丝器经由电流或电压的有效反馈来调节送丝速度，电流或电压可以保持相对恒定，同时维持低的功率标准偏差。在一些实施例中，以相关方式，在电弧焊项目期间，可以结合功率的调节来主动改变或调整接触尖端到工件距离(CTWD)。与给送速度的调整类似，可以经由电流或电压的反馈来调整CTWD，由此允许电流或电压维持相对恒定，同时维持低的功率标准偏差。
发明人已经发现，与调节电压或电流相比，调节功率可以得到功率标准偏差的显著改进。所得的相对较低的标准偏差进而可以实现等离子弧稳定性和焊道品质的显著改进。如上面关于图8所示，对于类似的标称功率水平，调节功率得到了显著更小的功率标准偏差。
发明人已经发现，根据实施例，在目标平均功率下传递至等离子弧的功率的标准偏差可以具有低于约600W、550W、500W、450W、400W、350W、300W、250W、200W、150W、或100W的值、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的值。该功率标准偏差还可以具有目标平均功率的百分比，该百分比低于约2％、1.5％、1％、或0.5％、或者由这些值中的任何值所限定的范围内的值。如本文所述，当标准偏差具有这些值中的任何值时，传递至等离子弧的功率被称为基本上恒定。根据本文所述的方法，这些标准偏差值可以维持超过100毫秒、200毫秒、500毫秒或1秒的持续时间、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的持续时间、例如持续该调节功率式电弧焊项目的整个持续时间。
根据用于调节功率式电弧焊的方法和系统的各种实施例，可以使用本文所描述的任何焊丝。包括一种或多种碱土金属元素的任何焊丝可以特别适用于如本文所描述的调节功率式电弧焊。然而，实施例不限于此，并且可以使用适合于以本文披露的高沉积速率进行焊接的任何焊丝。
根据实施例的用于调节功率式电弧焊的方法可以使用适合的电弧焊系统来实现，例如，类似于上文关于图5所示的电弧焊系统50的电弧焊接系统，该电弧焊系统可以被配置用于GMAW、FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW或类似的电弧焊工艺。具体地，焊接电源52(被配置用于对焊接系统50供电并且电联接到焊丝驱动器54，使得电极焊丝用作第一电极)被配置用于提供相对高的功率以实现高沉积速率、并且用于根据多个不同实施例在电弧焊期间通过例如提供适于功率调节的电源52来调节功率。系统50可以进一步适于通过以足够的速率来给送适合的焊丝(例如，包含碱土金属的电极焊丝)进行电弧焊，同时传递足够的功率以实现高沉积速率。
图10A和图10B展示了根据实施例在调节功率式电弧焊期间(图10A)、以及在恒定电压电弧焊期间(图10B)产生的实验性波形的比较。图10A和图10B各自的顶部、中间和底部图表分别展示了y轴上的电压(V)、电流(A)和功率(W)随x轴上的时间而变。这些波形在光标之间跨越240毫秒。用于获得图10A的结果的实验条件和焊丝类似于用于获得图8中的波形区域810的那些，该波形区域是在根据实施例的功率调节模式下测得。用于获得图10B的结果的实验条件和焊丝类似于用于获得图8中的波形区域820的那些，该波形区域是在恒定电压(CV)模式下测得。类似于关于图8所示的波形区域810，图10A展示了在功率调节模式下，电压和电流以相对较高的幅度波动，而功率以相对较低的幅度波动。相反，类似于关于图8所示的波形区域820，在恒定电压模式下，电压以相对较低的幅度波动，而功率以相对较高的幅度波动。在与关于图10A所示的功率调节模式相对应的波形中、和在与关于图10B所示的CV模式相对应的波形中观察到的功率标准偏差分别为约60和1060W。
高沉积速率电弧焊期间的浪涌受限功率调节
在上文中，已经描述了电弧焊期间的功率调节，这实现了等离子电弧特性的各种改进，包括减小了传递至等离子弧的功率的标准偏差，这进而改善了焊道品质的各个方面(包括减小的孔隙率)。除了功率的基线标准偏差之外，发明人还发现减少传递至等离子弧的电流、电压和/或功率的瞬时尖峰或浪涌也可以极大地改善等离子弧特性和所得焊道品质。
图11A展示了根据实施例在调节功率式电弧焊期间产生的实验性波形。图11A的顶部、中间和底部图表分别展示了y轴的电压(V)、电流(A)和功率(W)波形随x轴的时间而变。等离子弧被功率调节为32千瓦的目标功率。参考顶部图表，电压波形示出了在约250微秒的短时间跨度内从约50V至75V的电压尖峰。响应于电压尖峰，参见中间图表，电源试图通过将电流值快速降低超过150安培来补偿所传递功率的瞬时减小。部分地由于电源电路响应于电压快速变化的响应时间有限，因此传递至等离子弧的功率范围相对于目标或平均功率跨越约+/-3000瓦。
图11B展示了根据实施例的、用于包括限制电流变化量以控制功率的浪涌和尖峰的调节功率式电弧焊方法1100的示例性实施例。电弧焊的实施例包括根据本文所描述的多个不同实施例向焊丝施加功率以产生足以熔化焊丝的等离子弧、并且以高沉积速率(例如超过30磅/小时)将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上。根据所展示的实施例，电弧焊方法1100包括以预设功率开始功率的调节1110。根据本文披露的多个不同实施例，执行沉积时调节传递至等离子弧的功率。该方法还包括检测1120电压随时间的变化，例如，电压的瞬时变化(dV/dt)，其中，检测包括检测超过预定值的dV/dt。该方法进一步包括：在确定dV/dt超过预定值时，将电流的变化量限制为预定值。
仍然参考图11B，检测1120该dV/dt包括检测每单位时间的电压变化，其超过0.05V/微秒、0.1V/微秒、0.2V/微秒、0.4V/微秒、0.6V/微秒、0.8V/微秒或1.0V/微秒、或由这些值中的任何值所限定的范围内的值。替代性地，根据实施例，检测1120该dV/dt还可以包括检测平均功率的百分比，其超过0.2％/微秒、0.4％/微秒、0.8％/微秒、1.2％/微秒、1.6％/微秒或2.0％/微秒的、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的值。
仍然参考图11B中，根据实施例，限制1130电流的快速变化(例如尖峰或下降)包括将该变化限制为小于约400安培、350安培、300安培、250安培、200安培、150安培、100安培、50安培、或约0安培、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的值。替代性地，根据实施例，限制1130电流的变化或尖峰包括将变化限制为小于约100％、80％、60％、40％、20％、10％或约0％、或在由这些值中的任何值所限定的范围内的百分比。
仍然参考图11B中，根据实施例，限制1130电流的变化或尖峰包括对于持续时间实施以下限制：小于1000μs、800μs、600μs、400μs、200μs、或100μs、或由这些值中的任何值所限定的范围内的值。
实施例
1.一种可消耗金属芯焊丝，被配置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；
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处于0.005％与10％之间的浓度的一种或多种碱土金属元素合金化的第二基础金属组合物。
2.如实施例1所述的焊丝，其中，当存在时，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。
3.如实施例1所述的焊丝，其中，所述一种或多种碱土金属元素的浓度基于所述焊丝的总重量是在0.005％与0.5％之间。
4.如实施例2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组合物或金属合金组合物。
5.如实施例2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组合物或金属合金组合物。
6.如实施例2所述的焊丝，其中，所述一种或多种碱土金属元素包括Ba。
7.如实施例6所述的焊丝，其中，所述一种或多种碱土金属元素进一步包括Ca。
8.如实施例2所述的焊丝，其中，所述焊丝被配置用于气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯不包括附加的焊剂。
9.如实施例2所述的焊丝，其中，所述金属芯焊丝被配置用于气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯进一步包含基于所述焊丝的总重量为不超过2％的浓度的氟聚合物。
10.如实施例8所述的焊丝，其中，所述焊剂进一步包含过渡金属氧化物。
11.一种金属电弧焊方法，包括：
提供被配置用于充当电极的可消耗有芯焊丝，所述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，其中所述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；
施加电流以产生足以产生所述焊丝的稳定熔融液滴流的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将所述熔融液滴沉积到工件上。
12.如实施例11所述的方法，其中，所述可消耗焊丝是具有由鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括颗粒，所述颗粒具有与所述一种或多种碱土金属元素合金化的所述基础金属组合物。
13.如实施例12所述的方法，其中，所述方法是气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯不包括附加的焊剂，并且当存在时，包括基于所述焊丝的总重量为不超过5％的浓度的非金属原子元素。
14.如实施例13所述的方法，其中，所述非金属原子元素以下浓度存在，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，而不是基本上覆盖所得焊道的整个表面。
15.如实施例12所述的方法，其中，所述方法是气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯进一步包含氟聚合物。
16.如实施例15所述的方法，其中，所述氟聚合物以基于所述焊丝的总重量不超过2％的浓度存在。
17.如实施例11所述的方法，其中，施加电流包括施加在约400安培与约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约10个事件/秒。
18.一种用于金属电弧焊的系统，包括：
被配置用于充当电极的可消耗有芯焊丝，所述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，其中所述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；
电源，所述电源被配置用于施加电流以产生足以产生所述焊丝的稳定熔融液滴流的等离子弧；以及
焊枪，所述焊枪被配置用于以超过30磅/小时的沉积速率将所述熔融液滴沉积到工件上。
19.如实施例18所述的系统，其中，所述可消耗焊丝是具有由鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括颗粒，所述颗粒具有与所述一种或多种碱土金属元素合金化的所述基础金属组合物。
20.如实施例19所述的系统，其中，所述电源被配置用于施加约400安培与约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约10个事件/秒。
21.一种电弧焊方法，包括：
提供包含一种或多种碱土金属元素的焊丝；
向该焊丝施加功率以产生足以熔化该焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化该焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上、同时进行调节以维持传递给该等离子弧的基本上恒定功率。
22.如实施例21所述的方法，其中，所述焊丝中的一种或多种碱土金属元素的浓度基于所述焊丝的总重量是在0.005％与10％之间。
23.如实施例21-22中任一项所述的方法，其中，所述焊丝是包括鞘和被所述鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括所述一种或多种碱土金属元素。
24.如实施例21-23中任一项所述的方法，其中，所述芯包括颗粒，所述颗粒具有与所述一种或多种碱土金属元素合金化的第一基础金属组合物。
25.如实施例21-23中任一项所述的方法，其中，当存在时，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。
26.如实施例21-25中任一项所述的方法，其中，所述方法是气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯进一步包含氟聚合物。
27.如实施例21-26中任一项所述的方法，其中，所述碱土金属包括Ba或Ca中的一种或多种。
28.如实施例21-27中任一项所述的方法，其中，所述焊丝是根据实施例1-10中任一项所述的。
28.如实施例21-27中任一项所述的方法，其中，所述方法是根据实施例11-17中任一项所述的。
29.如实施例21-27中任一项所述的方法，其中，所述方法是通过使用根据实施例18-20中任一项所述的系统来进行的。
30.一种电弧焊方法，包括：
向焊丝施加功率以产生足以熔化所述焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化所述焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上，其中，执行沉积时调节传递给该等离子弧的功率，使得传递给该等离子弧的功率的标准偏差小于传递给该等离子弧的平均功率的2％。
31.如实施例30所述的方法，其中，所述功率的标准偏差在至少200毫秒的时间段上是小于500瓦(W)。
32.如实施例30-31所述的方法，其中，调节该功率包括调节到大于20kW。
33.如实施例30-32所述的方法，其中，调节该功率包括向该等离子弧传递超过约500安培(A)的平均电流和超过约40伏(V)的平均电压。
34.如实施例30-33所述的方法，其中，调节该功率是使得等离子体不稳定事件的平均数量低于约10个事件/秒。
35.如实施例30-34所述的方法，其中，该电弧焊是气体金属电弧焊(GMAW)。
36.如实施例30-35所述的方法，其中，该焊丝包括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。
37.如实施例30-36所述的方法，其中，所述焊丝是包括鞘和被所述鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括所述一种或多种碱土金属元素。
38.如实施例30-37所述的方法，其中，调节该功率包括基于从该等离子弧测得的电流或电压的反馈来主动调整该焊丝的给送速度或接触尖端到工件距离(CTWD)。
39.如实施例30-38中任一项所述的方法，其中，所述焊丝是根据实施例1-10中任一项所述的。
40.如实施例30-38中任一项所述的方法，其中，所述方法是根据实施例11-17中任一项所述的。
41.如实施例30-38中任一项所述的方法，其中，所述方法是通过使用根据实施例18-20中任一项所述的系统来进行的。
42.一种电弧焊方法，包括：
向焊丝施加功率以产生足以熔化所述焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化所述焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上，其中，执行沉积时调节传递给所述等离子弧的功率，
其中，调节功率包括限制电流的变化量。
43.如实施例42所述的方法，其中，调节功率包括在限制所述电流的变化量之前检测超过预定值的瞬时电压变化(dV/dt)。
44.如实施例42-43所述的方法，其中，dV/dt超过0.1V/微秒。
45.如实施例42-44所述的方法，其中，限制该电流的变化量包括限制到小于约200安培。
46.如实施例42-45所述的方法，其中，限制该电流的变化量包括限制小于1毫秒的预定持续时间。
47.如实施例42-46所述的方法，其中，调节功率包括将传递给该等离子弧的功率调节为使得功率的标准偏差小于传递给该等离子弧的平均功率的2％。
48.如实施例42-47所述的方法，其中，该焊丝包括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。
49.如实施例42-47中任一项所述的方法，其中，所述焊丝是根据实施例1-10中任一项所述的。
50.如实施例42-47中任一项所述的方法，其中，所述方法是根据实施例11-17中任一项所述的。
51.如实施例42-47中任一项所述的方法，其中，所述方法是通过使用根据实施例18-20中任一项所述的系统来进行的。
在上述实施例中，结合特定实施例描述了用于高沉积速率电弧焊的设备、系统和方法。然而，应理解的是，这些实施例的原理和优点可以用于需要高沉积速率电弧焊的任何其他系统、设备或方法。在前文中，应了解的是，任一个所述实施例的任何特征可以与这些实施例中的任一其他实施例的任何其他特征组合和/或被其替换。
除非上下文明确要求，否则遍及说明书和权利要求，词语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”等应以包含性的含义来解释，而不是排他性的或详尽的，即，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常使用的，词语“联接”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。同样地，如本文通常使用的，词语“连接”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”、“下文”、“上文”和类似含义的词语应当指代本申请整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。涉及具有两个或更多个项的清单中的词“或”涵盖了该词的以下所有解释：清单中的任何项、清单中的所有项、以及清单中的项的任何组合。
此外，除非另外具体地规定，或在所使用的上下文内以其他方式理解，本文使用的条件语言(除其他外，如“可”、“可以”、“可能”、“例如”、“诸如”等)一般旨在传达：某些实施例包括、而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。这种条件语言一般不旨在暗示：这些特征、元素和/或陈述对于一个或多个实施例来说是无论如何都需要的，或这些特征、元素和/或陈述是否被包括在任何特定实施例中或是否有待在任何特定实施例中执行。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过举例的方式呈现，并且并不旨在限制本披露范围。实际上，本文描述的新颖设备、方法和系统可以以各种其他形式来体现，此外，在不脱离本披露的精神的情况下，可以作出本文描述的方法和系统的形式的各种省略、替换和改变。例如，虽然以给定的布置来呈现块，但是替代性实施例可以用不同的部件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改一些块。这些块中的每一个可以以各种不同的方式来实施。上述各个实施例的要素和动作的任何合适的组合可以被组合以提供另外的实施例。上文所描述的各种特征和过程可以彼此独立地实施、也可以各种方式来组合。本披露的特征的所有适合的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。

Claims (23)

1.一种电弧焊方法，包括：
提供包含一种或多种碱土金属元素的焊丝；
向所述焊丝施加功率以产生足以熔化所述焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化所述焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上、同时进行调节以维持传递给所述等离子弧的基本上恒定功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊丝中的一种或多种碱土金属元素的浓度基于所述焊丝的总重量是在0.005％与10％之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊丝是包括鞘和被所述鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括所述一种或多种碱土金属元素。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述芯包括颗粒，所述颗粒具有与所述一种或多种碱土金属元素合金化的第一基础金属组合物。
5.如权利要求3所述的方法，其中，当存在时，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。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述方法是气体金属电弧焊(GMAW)，其中所述芯进一步包含氟聚合物。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述碱土金属包括Ba或Ca中的一种或多种。
8.一种电弧焊方法，包括：
向焊丝施加功率以产生足以熔化所述焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化所述焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上，其中，执行沉积时调节传递给所述等离子弧的功率，使得传递给所述等离子弧的功率的标准偏差小于传递给所述等离子弧的平均功率的2％。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述功率的标准偏差在至少200毫秒的时间段上是小于500瓦(W)。
10.如权利要求8所述的方法，其中，调节所述功率包括调节到大于20kW。
11.如权利要求8所述的方法，其中，调节所述功率包括向所述等离子弧传递超过约500安培(A)的平均电流和超过约40伏(V)的平均电压。
12.如权利要求8所述的方法，其中，调节所述功率是使得等离子体不稳定事件的平均数量低于约10个事件/秒。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述电弧焊是气体金属电弧焊(GMAW)。
14.如权利要求8所述的方法，其中，所述焊丝包括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。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述焊丝是包括鞘和被所述鞘包围的芯的金属芯焊丝，其中所述芯包括所述一种或多种碱土金属元素。
16.如权利要求8所述的方法，其中，调节所述功率包括基于从所述等离子弧测得的电流或电压的反馈来主动调节所述焊丝的给送速度或接触尖端到工件距离(CTWD)。
17.一种电弧焊方法，包括：
向焊丝施加功率以产生足以熔化所述焊丝的等离子弧；并且
以超过30磅/小时的沉积速率将通过熔化所述焊丝而形成的熔融液滴沉积到工件上，其中，执行沉积时调节传递给所述等离子弧的功率，
其中，调节功率包括限制电流的变化量。
18.如权利要求17所述的方法，其中，调节功率包括在限制所述电流的变化量之前检测超过预定值的瞬时电压变化(dV/dt)。
19.如权利要求18所述的方法，其中，dV/dt超过0.1V/微秒。
20.如权利要求19所述的方法，其中，限制所述电流的变化量包括限制到小于约200安培。
21.如权利要求20所述的方法，其中，限制所述电流的变化量包括限制小于1毫秒的预定持续时间。
22.如权利要求17所述的方法，其中，调节功率包括将传递给所述等离子弧的功率调节为使得功率的标准偏差小于传递给所述等离子弧的平均功率的2％。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述焊丝包括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。
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