TWI840459B - 焊接系統及形成焊接的方法 - Google Patents

Abstract

使用氫化合物源做為電弧穩定劑與往往力圖限制或消除焊弧和焊池的氫的標準配方設計作法背道而馳。本發明係針對管狀金屬心焊接電極，電極包含置於粒狀金屬心周圍的金屬鞘，其中粒狀金屬心包含藻酸鹽電弧穩定劑(做為氫化合物源)並配置以在焊接期間於工件表面附近釋放氫。管狀金屬心焊接電極可進一步包含一級脫氧劑，例如錳和矽。在某些實施例中，管狀金屬心焊接電極的錳量可減至最少或消除。管狀金屬心焊接電極亦可包含鎳或鈦。

Description

焊接系統及形成焊接的方法

本發明大體係關於金屬心(MC)電極，用以在焊接表面產生具較少量熔渣、氧化物或矽酸鹽的焊道。

本發明大體係關於用於焊接的MC電極，特別係用於弧焊的MC電極，例如金屬心弧焊(MCAW)。

焊接係普遍存於各種產業進行各種應用的製程。例如，焊接常用於諸如造船、海上平台、建築、製管機等應用。某些焊接技術(例如氣體金屬弧焊(GMAW)、氣體遮護藥心弧焊(FCAW-G)和氣體鎢極弧焊(GTAW))一般採用遮護氣體(例如氬、二氧化碳或氧)，以於焊接製程期間在焊弧和焊池及周圍提供特定局部大氣，其他(例如藥心弧焊(FCAW)、潛弧焊(SAW)和遮護金屬弧焊(SMAW))則否。此外，某些焊接類型涉及焊線型焊接電極。焊線通常供給焊接填充金屬，及於焊接製程期間提供電流路徑。另外，某些焊線類型(例如管狀焊線)包括可大體改變焊接製程或所得焊接性質的一或更多組分(例如助熔劑、電弧穩定劑或其他添加劑)。

一級脫氧劑(例如錳和矽)通常視為MC弧焊池脫氧所需。含錳與矽的配方通常會在焊接表面產生固體熔渣、氧化物和矽酸鹽。是以銻、鉍、硫或其他表面活性材料用於控制熔渣、氧化物和矽酸鹽的位置。

現有焊接法，特別係GMAW和MCAW，往往力圖限制或消除焊弧和焊池的氫。因此，氫化合物源通常受到限制或排除在焊線組成之外。

故需要改良MC電極，此於焊接期間不會在焊接表面產生熔渣、氧化物或矽酸鹽，或MC電極在某種程度上於焊接期間產生熔渣、氧化物或矽酸鹽，熔渣、氧化物和矽酸鹽也很容易自焊接表面移除。

根據本發明的一態樣，管狀金屬心焊接電極包含置於粒狀金屬心周圍的金屬鞘。粒狀金屬心按管狀焊接電極重量計包含：0.05%至5%的藻酸鹽電弧穩定劑並配置以在焊接期間於工件表面附近釋放氫、0.1%至1%的矽和0至2.5%的錳。在某些實施例中，粒狀金屬心按管狀焊接電極重量計包含0至0.25%的錳。在某些其他實施例中，粒狀金屬心按管狀焊接電極重量計包含1%至1.5%的錳。粒狀金屬心按管狀焊接電極重量計可進一步包含0.5%至1%的鎳和0.05%至0.15%的鈦。藻酸鹽電弧穩定劑可包含藻酸鉀(C₆H₇KO₆)_n、藻酸鈣(C₁₂H₁₄CaO₁₂)_n或藻酸鈉(C₆H₇NaO₆)_n。心可進一步 包含一或更多金屬氫化物和羧甲基纖維素I族或II族鹽類(例如羧甲基纖維素(CMC)鈉、CMC鈣或CMC鉀)。金屬鞘按管狀焊接電極重量計可包含：0至0.025%的碳、0.05%至0.5%的錳(例如0.2%至0.3%的錳)和平衡鐵(及任何其他添加劑與不可避免的雜質)。

根據本發明的另一態樣，形成焊接的方法包含下列步驟：提供包含金屬鞘和粒狀金屬心的管狀焊接電極；將管狀焊接電極饋送到焊接設備；供給遮護氣流至焊接設備；提供工件；使焊接設備靠近工件，以在管狀焊接電極與工件間觸發及維持電弧；將部分管狀焊接電極傳送到工件表面的焊池，以於焊接熔敷物上形成焊珠；及使藻酸鹽電弧穩定劑在電弧中分解產生氫，並結合雜質及脫氣，而非在焊接表面形成固體熔渣、氧化物或矽酸鹽。管狀金屬心焊接電極可具有如段落[08]所述組成。

應理解以上概要說明和下述詳細說明乃描述各種實施例，及擬提供概觀或架構以對主張標的的本質和特性有所瞭解。所含附圖提供對不同實施例的進一步瞭解，故當併入及構成說明書的一部分。圖式描繪所述不同實施例，並連同實施方式說明來解釋主張標的的原理和操作。

下文詳細說明提及特定細節，以對本發明實施例有更徹底的瞭解。然一般技術人士將明白，所述實例可不按一些或所有特定細節實行。為簡潔呈現，不詳述已知特徵或製程。此外，相似或相同的元件符號可用於標識共同或類似的元件。

本發明的一或更多特定實施例將描述如下。為盡可能簡明描述實施例，說明書未描述實際實行的所有特徵。應理解任何實際實行方式開發時，例如任何工程或設計計畫，都必須做出許多特定實行決策，以達成開發人員的特定目標，例如順應系統相關與業務相關制限，此依實行方式而異。再者，應理解開發工作既複雜又耗時，但對受惠本發明的一般技術人員而言，此乃設計、生產及製造的例行工作。

當引介本發明不同實施例的元件時，冠詞「一」、「一個」、「此」和「該」擬指一或更多元件。「包含」、「包括」和「具有」等用語擬為包容性，表示除所列元件外，還可有附加元件。應理解本文所用術語「管狀焊接電極」或「管狀焊線」可指具有金屬鞘和粒狀或粉狀心的任何焊線或電極，例如金屬心或藥心焊接電極。亦應理解術語「穩定劑」或「添加劑」大體係指任何管狀焊接組分，用於改善電弧品質、焊接品質或以其他方式影響焊接製程。另外，本文所用「約」大體係指近似值，在某些實施例中代表與實際值相差（例如較大或較小）小於0.01%、小於0.1%或小於1%。即「近似」值的精度在某些實施例中為所述值的0.01%以內（例如正負值）、0.1%以內或1%以內。

如上所述，某些焊接電極類型（例如管狀焊線）包括可大體改變焊接製程或所得焊接性質的一或更多組分（例如助熔劑、電弧穩定劑或其他添加劑）。例如，所述某些焊接電極實施例包括藻酸鹽電弧穩定劑（例如藻酸鹽，例如藻酸鉀、藻酸鈣或藻酸鈉），此可大體改善電弧的穩定性，同時提供有益於焊接塗覆工件的還原大氣（例如鍍鋅工件）。

焊接期間，當藻酸鹽在焊弧中將電弧穩定劑分解時將產生氫。氫結合雜質及脫氣，以提供焊池脫氧，而非在焊接表面形成固體熔渣、氧化物或矽酸鹽。是以本文所述焊接電極可在包括或不包括一級脫氧劑下，例如錳（Mn）和矽（Si），將焊接表面產生的熔渣、氧化物或矽酸鹽減至最少。

另外，即使在高行進速度下（例如大於40吋/分鐘），本文所述焊接電極也可加強塗覆（例如鍍鋅、熱浸鍍鋅、塗漆等）工件或更薄（例如20、22、24規格或更薄）工件的可焊性。此外，所述焊接電極通常能在不同焊接組態（例如直流負極（DCEN）、直流正極（DCEP）、交流（AC）等）或不同焊接方法（例如焊接期間涉及圓形或蛇形焊接電極移動）作用下承受焊接。此外，本文所述某些焊接電極可形成特定直徑（例如0.030吋、0.035吋、0.040吋或其他適合直徑），以提供良好熱傳和沉積速率。

現參照圖式，第1圖圖示金屬心弧焊（MCAW）系統10的實施例，系統採用根據本發明的焊接電極（例如管狀焊線）。焊接系統10包括焊接電源12、焊線進給器14、氣體供應系統16和焊槍18。焊接電源12通常供電給焊接系統10，並經由電纜束20耦接焊線進給器14及利用具夾鉗26的引線電纜24耦接工件22。在所示實施例中，焊線進給器14經由電纜束28耦接焊槍18，以在焊接系統10操作期間供應消耗性管狀焊線（即焊接電極）及供電給焊槍18。在另一實施例中，焊接動力單元12可耦接且直接供電給焊槍18。

焊接電源12通常包括功率轉換電路，用以接收交流電源30（例如AC電網、發動機/發電機組或上述組合物）的輸入功率、調理輸入功率及經由電纜20提供DC或AC輸出功率。如此，焊接電源12可供電給焊線進給器14，進而依焊接系統10的要求供電給焊槍18。端接夾鉗26的引線電纜24耦接焊接電源12與工件22，以封閉焊接電源12、工件22與焊槍18間的電路。焊接電源12可包括能依焊接系統10的要求指示，將AC輸入功率轉換成直流正極（DCEP）輸出、直流負極（DCEN）輸出、DC可變極性、脈衝DC或可變平衡（例如平衡或不平衡）AC輸出的電路元件（例如變壓器、整流器、開關等）。應理解本文所述焊接電極（例如管狀焊線）能就多種不同功率組態改善焊接製程（例如改善電弧穩定性或改善焊接品質）。

所示焊接系統10包括氣體供應系統16，用以將出自一或更多遮護氣源17的遮護氣體或遮護氣體混合物供應至焊槍18。在所示實施例中，氣體供應系統16經由氣體導管32直接耦接焊槍18。在另一實施例中，氣體供應系統16卻耦接焊線進給器14，焊線進給器14可調節從氣體供應系統16到焊槍18的氣流。本文所用遮護氣體係指供給電弧或焊池以提供特定局部大氣（例如遮護電弧、改善電弧穩定性、限制金屬氧化物形成、改善金屬表面的潤濕性、改變焊接熔敷物的化學性質等）的任何氣體或氣體混合物。在某些實施例中，遮護氣流可為遮護氣體或遮護氣體混合物（例如氬（Ar）、氦（He）、二氧化碳（CO₂ ）、氧（O₂ ）、氮（N₂ ）、類似適合遮護氣體或上述任何混合物）。例如，遮護氣流（例如經由導管32輸送）可包括CO₂ 、Ar、Ar/CO₂ 混合物、Ar/CO₂ /O₂ 混合物、Ar/He混合物等。具體舉例來說，在某些實施例中，遮護氣流可包括100%的CO₂ 。純CO₂ 遮護氣流對於本文所述焊線組成物係有效的。在其他實施例中，遮護氣流可包括75-95%的Ar和5-25%的CO₂ （例如90%的Ar和10%的CO₂ ）或純Ar。

因此，所示焊槍18通常接收焊接電極（即管狀焊線）、出於焊線進給器14的功率和出自氣體供應系統16的遮護氣流，以進行工件22的MCAW。操作期間，焊槍18被帶到工件22附近，從而在消耗性焊接電極（即離開焊槍18的接觸尖端的焊線）與工件22間形成電弧34。如下文所述，藉由控制焊接電極（即管狀焊線）的組成，可改變電弧34或所得焊接的化學性質（例如組成和物理特性）。例如，焊接電極可包括影響焊接製程的助熔或合金組分（例如當做電弧穩定劑），另可至少部分攙入焊道而影響焊接機械性質。另外，焊接電極（即焊線）的某些組分亦可於電弧附近提供附加遮護大氣、影響電弧34的傳送性質、使工件表面脫氧等。

本文所述焊線實施例的截面繪示於第2圖。第2圖圖示包括金屬鞘52的管狀焊線50，金屬鞘封裝粒狀或粉狀金屬心54（亦稱作填料）。在某些實施例中，管狀焊線50遵守一或更多美國焊接協會（AWS）標準。例如，在某些實施例中，管狀焊線50符合AWS A5.18（”氣體遮護弧焊用碳鋼電極和焊條規範”）或AWS A5.36（”藥心弧焊用碳與低合金鋼藥心電極和氣體金屬弧焊用金屬心電極規範”）。

第2圖所示管狀焊線50的金屬鞘52可由任何適合金屬或合金製成，例如鋼。應理解金屬鞘52的組成會影響所得焊接組成或電弧34的性質。在某些實施例中，金屬鞘52佔管狀焊線50總重量的約70%至95%。例如，在某些實施例中，金屬鞘52佔管狀焊線50總重量的約80%至90%、或約84%至約86%或約85%。是以在某些實施例中，粒狀金屬心54佔管狀焊線50總重量的約5%至30%（或約10%至20%、或約14%至16%或約15%）。

在本文中，粒狀金屬心54的元素或化合物量可按管狀焊接電極50的重量計。應理解以粒狀金屬心54本身的重量計算時，量將較大，因為粒狀金屬心54構成管狀焊線50的一部分（例如5%至30%）。同樣地，金屬鞘52的元素或化合物量亦可按管狀焊接電極50的重量計。故亦應理解以金屬鞘52本身的重量計算時，量將較大，因為金屬鞘52構成管狀焊線50的一部分（例如70%至95%）。

是以金屬鞘52可包括某些添加劑或雜質（例如合金組分、碳、鹼金屬、錳或類似化合物或元素），且可選擇以提供預定焊接性質。在某些實施例中，管狀焊線50的金屬鞘52為包括相對少量（例如降低或減少）碳的低碳條（例如按重量計小於約0.06%、小於約0.07%或小於約0.08%的碳）。例如，在一實施例中，管狀焊線50的金屬鞘52按重量計可包括約0.07%至0.1%的碳（例如約0.08重量%的碳）。在另一實施例中，管狀焊線50的金屬鞘52按重量計可包括約0.02%至0.04%的碳（例如約0.03重量%的碳）。此外，在某些實施例中，金屬鞘52可由大體具少量夾雜物的鋼製成。例如，在某些實施例中，金屬鞘52按重量計可包括約0.05%至約0.4%、或約0.2%至0.3%或約0.25%的錳。又例如，在某些實施例中，金屬鞘52可包括小於約0.02重量%的磷或硫。在某些實施例中，金屬鞘52亦可包括小於約0.04重量%的矽、小於約0.05重量%的鋁、小於約0.1重量%的銅或小於約0.02重量%的錫。金屬鞘52可含有平衡鐵。例如，在某些實施例中，金屬鞘按管狀焊線50的總重量計可含有79%-81%的鐵或84%-86%的鐵。

所示管狀焊線50的粒狀金屬心54通常為壓實金屬粉。在某些實施例中，粒狀金屬心54可佔管狀焊線50總重量的約7%至約40%或約10%至約20%。例如，在某些實施例中，粒狀金屬心54可佔管狀焊線50總重量的約14%、約15%或約16%。另外，在某些實施例中，下述粒狀金屬心54的組分可均勻或不均勻（例如成塊或成團56）置於粒狀金屬心54內。例如，某些焊接電極實施例（例如金屬心焊接電極）的粒狀金屬心54可包括一或更多金屬（例如鐵、鐵鈦、鐵矽或其他合金或金屬）並可提供至少一部分的焊接填充金屬。

具體舉例來說，在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括約70%至約75%的鐵粉和其他合金組分，例如鐵鈦（例如40%級）、鐵鎂矽與鐵矽粉（例如50%級，不穩定）。在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.1%至約1%的矽、或約0.2%至約0.9%的矽、或約0.4%至0.8%的矽或約0.65%的矽。在某些「錳控制」實施例中，粒狀金屬心54可包括0至約0.25%的錳、或約0.01%至約0.1%的錳、或約0.02%至0.08%的錳或約0.05%的錳。在某些（非「錳控制」）實施例中，粒狀金屬心54可包括0.5%至約2%的錳、或約1%至約1.5%的錳、或約1.1%至約1.3%的錳或約1.2%的錳。在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.01%至約0.2%的鈦、或約0.05%至約0.1%的鈦或約0.095%的鈦。在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括0.01%至約0.1%的氧化銻（Sb₂ O₃ ）、或約0.02%至0.04%的氧化銻或約0.035%的氧化銻。在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.001%至約0.1%的氧化鉀（K₂ O）、或約0.01%至0.05%的氧化鉀或約0.02%的氧化鉀。在某些實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.005%至約0.05%的氧化鉍（Bi₂ O₃ ）、或約0.01%至0.02%的氧化鉍或約0.015%的氧化鉍。在某些實施例中，例如在「錳控制」實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.1%至約2%的鎳、或約0.5%至1%的鎳或約0.75%的鎳。在某些實施例中，例如在「錳控制」實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.1%至約5%的銅、或約0.15%至0.2%的銅或約0.17%的銅。在某些實施例中，例如在「錳控制」實施例中，粒狀金屬心54可包括約0.01%至約0.1%的鎂、或約0.05%至0.08%的鎂或約0.07%的鎂。可存於管狀焊線50的其他組分實例（即除了一或更多碳源和一或更多鹼金屬或鹼土金屬化合物）還包括其他穩定、助熔和合金組分，例如可參見取自Illinois Tool Works公司的METALLOY X-CEL™焊接電極。

此外，本文所述管狀焊線50的實施例包括置於粒狀金屬心54的藻酸鹽電弧穩定劑。藻酸鹽電弧穩定劑可為藻酸鉀、藻酸鈣或藻酸鈉。或者，可使用其他藻酸鹽，包括藻酸鋰、藻酸鋇或藻酸鎂。在某些實施例中，藻酸鹽電弧穩定劑按重量計可佔粒狀金屬心54的小於約10%、約0.05%至約5%、約0.1%至約3%、約0.25%至約2.5%、約0.5%至約1.5%或約1%。此外，在某些實施例中，藻酸鹽電弧穩定劑按重量計可佔管狀焊線50的小於約5%、約0.05%至約3%、約0.08%至約2%、約0.1%至約1%或約0.15%。

當藻酸鹽電弧穩定劑在焊弧中分解時將產生氫。氫結合雜質及脫氣，以提供焊池脫氧，而非在焊接表面形成固體熔渣、氧化物或矽酸鹽。使用藻酸鹽脫氧，可減少氧化形成固體氧化物/熔渣的組分。故使用藻酸鹽脫氧可減少、最小化或消除焊接金屬中的矽和錳量。例如，根據本文所述某些實施例，管狀焊線50可包含不含矽或錳(不可避免的雜質除外)的金屬鞘52。同樣地，根據本文所述某些實施例，管狀焊線50可包含不含矽或錳的粒狀金屬心54(不可避免的雜質除外，例如粒狀金屬心54中的鐵粉)。另外，由於焊珠表面的固體氧化物/矽酸鹽量減少，可最小化或消除熔渣/氧化物/矽酸鹽控制添加劑，例如硫和銻，此可能損及抗裂性。再者，因用於脫氧的亞鐵酸鹽穩定劑量減少，故可獲得更堅硬的焊接金屬。

管狀焊線50的藻酸鹽電弧穩定劑組分可維持在適量，以於焊弧附近提供還原環境(例如富氫)，但又不會將大量孔隙引入焊道。使用氫化合物源做為電弧穩定劑與往往力圖限制或消除焊弧和焊池的氫的標準配方設計作法背道而馳。在焊池附近釋放及進入焊池的氫和碳會捕捉溶於焊道的氧。氧通常使用矽或錳(或二者)進行反應/捕捉。使用氫化合物源做為電弧穩定劑的優點在於氧化碳和氧化氫為氣態，故不會在焊珠表面形成額外熔渣(與氧化矽和氧化錳大不相同，氧化矽和氧化錳均為固體且會在焊珠上形成熔渣)。

使用藻酸鉀做為藻酸鹽電弧穩定劑可產生額外好處。例如，在電弧下釋放鉀有助於形成電漿，讓電流傳導通過電弧而避免造成金屬高度噴濺的紊流。此外，出自藻酸鹽的氧化鉀進入及形成部分熔渣後將形成熔化溫度較低的氧化物化合物(因而增加焊道固化與熔渣固化間的溫度差），致使熔渣與焊珠表面接合更差，因此更易脫離及移除。

由於改善電弧穩定性，藻酸鹽（例如藻酸鉀）可用於擬用二氧化碳遮護氣體（100% CO₂ ）焊接的設計。二氧化碳遮護在電弧不穩定的情況下易造成電流雜訊和高焊接噴濺。另外，由於電弧穩定性和脫氧能力及加強熔渣脫離，藻酸鉀做為藻酸鹽電弧穩定劑非常適合用於「錳控制」線配方，例如Hobart Element FabCOR線配方。該等線配方極少或沒有添加錳至粒狀金屬心。因脫氧能力、改善電弧穩定性和熔渣脫離性，藻酸鉀做為藻酸鹽電弧穩定劑非常有利快速用於傳統設計，以減少焊接噴濺及改善塗漆前的焊接清潔度。

使用藻酸鹽（例如藻酸鉀）做為藻酸鹽電弧穩定劑會造成焊接金屬含氫量增加，致使氫減損焊接金屬延展性，直到氫擴散出去為止。另外，增加含氫量會提高延遲龜裂的風險。

此外，本文所述管狀焊線50的實施例亦可包括置於粒狀金屬心54的碳組分。例如，存於粒狀金屬心54或金屬鞘52的碳源可為多種形式且可穩定電弧34或增加焊道的含碳量。例如，在某些實施例中，石墨、石墨烯、奈米管、富勒烯或類似的實質sp² -混成碳源可用作管狀焊線50的碳源。另外，在某些實施例中，石墨烯或石墨亦可用於提供其他組分（例如水分、氣體、金屬等），此存在碳片間的填隙空間。在其他實施例中，實質sp³ -混成碳源（例如微型或奈米鑽石、奈米碳管、巴克球）可用作碳源。在又一些其他實施例中，實質無定形碳（例如碳黑、燈黑、煙塵或類似無定形碳源）可用作碳源。另外，儘管本文指稱此組分為「碳源」，然應理解碳源可為化學改質碳源且可含有除碳以外的元素（例如氧、鹵素、金屬等）。例如，在某些實施例中，管狀焊線50在粒狀金屬心54中可包括含錳量約20%的碳黑組分。在某些實施例中，管狀焊線50的碳組分為粉狀或粒狀石墨。此外，在某些實施例中，碳組分按重量計可佔粒狀金屬心54的小於約10%、約0.01%至約5%、約0.05%至約2.5%、約0.1%至約1%或約0.5%。在某些實施例中，碳組分按重量計可佔管狀焊線50的小於約5%、約0.01%至約2.5%、約0.05%至約0.1%或約0.08%。

另外，除了上述藻酸鹽電弧穩定劑，管狀焊線50還可包括一或更多其他電弧穩定劑，以進一步穩定電弧34。例如，管狀焊線50的粒狀金屬心54可包括一或更多1族與2族元素化合物（例如Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba）或其他電弧穩定化合物。

管狀焊線50可含有附加添加劑，包括含氫化合物（氫源）。例如，粒狀金屬心54可包括附加含氫化合物，例如：金屬氫化物、羧甲基纖維素I族或II族鹽類（例如羧甲基纖維素鈉（CMC）、CMC鈣或CMC鉀）或蒽（C₁₄ H₁₀ ）。可加入管狀焊線50的其他非限定化合物包括：1族（即鹼金屬）與2族（即鹼土金屬）矽酸鹽、鈦酸鹽、碳酸鹽、鹵化物、磷酸鹽、硫化物、氫氧化物、氧化物、過錳酸鹽、矽鹵化物、長石、銫沸石、輝鉬礦和鉬酸鹽。例如，在一實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54可包括鈦酸鉀錳、硫酸鉀、長石鈉、長石鉀或碳酸鋰。具體舉例來說，粒狀金屬心54可包括矽酸鉀、鈦酸鉀、碳酸鉀、氟化鉀、磷酸鉀、硫化鉀、氫氧化鉀、氧化鉀、過錳酸鉀、矽氟化鉀、長石鉀、鉬酸鉀或上述組合物做為鉀源。可用的類似穩定化合物實例描述於名稱為「STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRES」的美國專利案第7,087,860號和名稱為「STRAIGHT POLARITY METAL CORED WIRE WIRE」的美國專利案第6,723,954號，二案全文內容為所有目的以引用方式併入本文中。

另外，對於本文所述管狀焊線50的某些實施例，一或更多其他電弧穩定劑可以團粒或熔塊形式包括在粒狀金屬心54內。即，管狀焊線50的某些實施例可在團粒或熔塊中包括上述一或更多其他電弧穩定劑，以於焊接期間穩定電弧。本文所用術語「團粒」或「熔塊」係指已在煅燒爐或烤箱燒製或加熱使混合物組分彼此緊密接觸的化合物混合物。應理解團粒的化學或物理性質可些微或實質不同於用於形成團粒的混合物個別組分。例如，本文所述團聚可提供比非團聚材料更適合焊接環境的熔塊。

在某些實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54包括一或更多鹼金屬或鹼土金屬化合物團粒（例如氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂或其他適合鹼金屬或鹼土金屬化合物）。在其他實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54包括鹼金屬或鹼土金屬化合物與其他氧化物（例如二氧化矽、二氧化鈦、二氧化錳或其他適合金屬氧化物）的混合物團粒。例如，管狀焊線50的一實施例可包括團聚鉀源，包括氧化鉀、氧化矽與氧化鈦混合物。又例如，管狀焊線50的另一實施例在粒狀金屬心54中可包括具氧化鉀（例如約22重量%至25重量%）、氧化矽（例如約10重量%至18重量%）、二氧化鈦（例如約38重量%至42重量%）和氧化錳或二氧化錳（例如約16重量%至22重量%）混合物的另一穩定團粒。在某些實施例中，團粒可包括約5重量%至75重量%的鹼金屬或鹼土金屬化合物（例如氧化鉀、氧化鈣、氧化鎂或其他適合鹼金屬或鹼土金屬化合物）、或約5重量%至95重量%的鹼金屬或鹼土金屬（例如鉀、鈉、鈣、鎂或其他適合鹼金屬或鹼土金屬）。另外，在某些實施例中，選擇團聚混合物的各組分相對量時，可考量其他化學或物理因子（例如最大化團粒的鹼金屬或鹼土金屬裝載量、酸度、穩定性或吸濕性）。此外，在某些實施例中，團粒按重量計可佔粒狀金屬心54的小於約10%、約0.1%至約6%、約0.25%至約2.5%、約0.5%至約1.5%或約1%。在某些實施例中，團粒按重量計可佔管狀焊線50的小於約5%、約0.05%至約2.5%、約0.1%至約0.5%或約0.15%。

此外，管狀焊線50的粒狀金屬心54亦可包括其他組分，以控制焊接製程。例如，稀土元素通常會影響電弧34的穩定性和傳熱特性。是以在某些實施例中，管狀焊線50可包括稀土組分，例如稀土矽化物（例如取自伊利諾州Rosemont的Miller and Company），包括稀土元素（例如鈰與鑭）和其他非稀土元素（例如鐵和矽）。在其他實施例中，包括鈰或鑭的任何材料（例如鎳鑭合金）的用量以不損害本文方式的效用為準。具體舉例來說，在某些實施例中，稀土組分按重量計可佔粒狀金屬心54的小於約10%、約0.01%至約8%、約0.5%至約5%、約0.25%至約4%、約1%至約3%、約0.75%至約2.5%或約2%。在某些實施例中，稀土組分按重量計可佔管狀焊線50的小於約5%、約0.01%至約2.5%、約0.1%至約0.75%或約0.3%。

另外，管狀焊線50另可或或可包括其他元素或礦物，以提供電弧穩定性及控制所得焊接化學性質。例如，在某些實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54或金屬鞘52可包括某些元素（例如鈦、錳、鋯、氟或其他元素）或礦物（例如黃鐵礦、磁鐵礦等）。具體舉例來說，某些實施例在粒狀金屬心54中可包括矽化鋯、鎳鋯、或鈦、鋁或鋯合金。特別地，含硫化合物（包括各種硫化物、硫酸鹽或亞硫酸鹽化合物，例如二硫化鉬、硫化鐵、亞硫酸錳、硫酸鋇、硫酸鈣或硫酸鉀）或含硫化合物或礦物（例如黃鐵礦、石膏或類似含硫物種）可包括在粒狀金屬心54內，以改善焊珠形狀及協助熔渣脫離而改善所得焊接品質，如下所述，此對焊接鍍鋅工件時尤其有利。另外，在某些實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54可包括多個硫源（亞硫酸錳、硫酸鋇和黃鐵礦），管狀焊線50的其他實施例可只包括單一硫源（例如硫酸鉀），而不包括大量的另一硫源（例如黃鐵礦或硫化鐵）。例如，在一實施例中，管狀焊線50的粒狀金屬心54可包括約0.01%至約0.5%或約0.2%的硫酸鉀。

大體而言，管狀焊線50通常可穩定電弧34往工件22形成。是以所述管狀焊線50可改善焊接製程的多個方面（例如沉積速率、行進速度、噴濺、焊珠形狀、焊接品質等）。更應理解，改善電弧34的穩定性通常能實現及改善塗覆金屬工件和較薄工件焊接。例如，在某些實施例中，塗覆金屬工件可包括鍍鋅、熱浸鍍鋅（例如結合鍍鋅及退火）或類似鋅塗覆工件。非限定示例性塗覆工件進一步包括浸漬、鍍覆（例如鍍鎳、鍍銅、鍍錫，或使用類似金屬進行電鍍或化鍍）、鍍鉻、亞硝酸鹽塗覆、鍍鋁或滲碳工件。例如，在鍍鋅工件例子中，本文所述管狀焊線50可大體改善穩定性及控制電弧34穿透，如此儘管工件22外側有鋅塗層也可達成良好焊接。此外，藉由改善電弧34的穩定性，比起使用其他焊接電極，所述管狀焊線50通常可焊接更薄工件。例如，在某些實施例中，所述管狀焊線50可用於焊接具約14、16、18、20、22、24規格的金屬或甚至更薄的工件。例如，在某些實施例中，所述管狀焊線50可焊接厚度小於約5毫米（mm）、小於3 mm或甚至小於約1.5 mm的工件。

另外，本文所述管狀焊線50能以超過30或甚至40吋/分鐘的行進速度進行焊接（例如焊接薄規格鍍鋅鋼）。例如，管狀焊線50可以高於每分鐘40吋的行進速度（例如每分鐘35或45吋）輕鬆進行高品質填角焊接並具低焊接孔隙率。即，本文所述管狀焊線50可實現比其他實心、金屬心或藥心焊線更高的行進速度（例如高50%至75%）。應理解高行進速度可達成高生產率（例如在生產線上）及降低成本。此外，本文所述管狀焊線50展現良好間隙處理及使用寬操作製程視窗來提供極佳焊接性質（例如強度、延展性、外觀等）。另外，比起其他實心、金屬心或藥心焊線，管狀焊線50通常產生更少煙霧和噴濺。

另外，所述管狀焊線50亦可結合某些焊接方法或技術（例如焊接電極在焊接操作期間以特定方式移動的技術），此可進一步提高焊接系統10用於特定工件類型的強健度。例如，在某些實施例中，焊槍18可配置以在焊槍18內依預定圖案（例如圓形、自旋弧形或蛇形圖案）循環或週期性移動電極，以在管狀焊線50與工件22間維持電弧34（例如只在管狀焊線50的鞘52與工件22間）。

第3圖圖示製程60的實施例，藉此可利用所述焊接系統10和管狀焊線50來焊接工件22。所示製程60始於將管狀焊接電極50（即管狀焊接電極50）饋送到焊接設備（即焊槍18）（方塊62）。如上所述，在某些實施例中，管狀焊接電極50包括一或更多藻酸鹽電弧穩定劑組分（例如藻酸鉀、藻酸鈣或藻酸鈉）、矽和錳。另外，管狀焊接電極50的外徑可為約0.024吋至約0.062吋、約0.030吋至約0.060吋、約0.035吋至約0.052吋或約0.040吋。亦應理解在某些實施例中，焊接系統10可以適合速率饋送管狀焊線50，使行進速度大於30吋/分鐘或大於40吋/分鐘。

此外，製程60包括提供遮護氣流（例如100%二氧化碳、100%氬、75%氬/25%二氧化碳、90%氬/10%二氧化碳、95%氬/5%二氧化碳或類似遮護氣流）至焊接設備的接觸尖端（焊槍18的接觸尖端）附近（方塊64）。在其他實施例中，所用焊接系統不使用氣體供應系統（例如第1圖所示氣體供應系統16），管狀焊線50的一或更多組分（例如碳酸鉀）可分解提供遮護氣體組分（例如二氧化碳）。

接著，使管狀焊線50靠近工件22，以在管狀焊線50與工件22間觸發及維持電弧34（方塊66）。應理解電弧34可利用如GMAW系統10的DCEP、DCEN、DC可變極性、脈衝DC、平衡或不平衡AC功率組態產生。一旦電弧34建立在工件22上，部分管狀焊線50（例如填充金屬和合金組分）便可傳送到工件22的表面的焊池，以形成焊接熔敷物的焊珠（方塊68）。同時，管狀焊線50的其餘組分可自管狀焊線50釋放當作電弧穩定劑、成渣劑或脫氧劑（方塊70），以控制電弧的電特性和所得焊接熔敷物的化學與機械性質。

第4圖圖示製程80的實施例，藉此可製造管狀焊線50。應理解製程80僅提供製造管狀焊線50一例；然在其他實施例中，其他製造方法可用於製造管狀焊線50，又不會損害本文方式的效用。即，例如，在某些實施例中，管狀焊線50可利用輥壓成型法或將心組成物裝入中空金屬鞘而形成。第4圖所示製程80始於將平坦金屬帶饋送通過多個模具，以將帶塑形成部分圓形金屬鞘52（例如製造半圓或凹槽）（方塊82）。將金屬帶至少部分塑形成金屬鞘52後，用填料（例如粒狀金屬心54）填充（方塊84）。即，部分塑形金屬鞘52可填充各種粉狀合金、電弧穩定、熔渣形成、脫氧或填充組分。例如，在各種助熔與合金組分中，一或更多藻酸鹽電弧穩定劑組分（例如藻酸鉀）、一或更多碳組分（例如石墨粉）和一或更多稀土組分（例如稀土矽化物）可加至金屬鞘52。另外，在某些實施例中，其他組分（例如稀土矽化物、磁鐵礦、鈦酸鹽、黃鐵礦、鐵粉或其他類似組分）亦可加至部分塑形金屬鞘52。

接著在所示製程80中，一旦將粒狀金屬心材料54的組分加至部分塑形金屬鞘52，便可將部分塑形金屬鞘52饋送通過一或更多裝置（例如拉模或其他適合合模裝置）（方塊86），此可大體將金屬鞘52閉合，使之實質圍繞粒狀金屬心材料54（例如形成接縫58）。此外，閉合金屬鞘52隨後可饋送通過多個裝置（例如拉模或其他適合裝置），藉由壓縮粒狀金屬心材料54，以縮減管狀焊線50的周長（方塊88）。在某些實施例中，將管狀焊線包裝到線軸、捲軸或絞盤上運輸前，管狀焊線50接著可加熱達約300℉至650℉，計約4-6小時，在其他實施例中，可在無烘烤步驟下包裝管狀焊線50。

本文所述一些元件明確標識為選擇性，其他元件則未以此方式標識。即使未依此標識，應注意在一些實施例中，若干其他元件不擬解釋成為必要，熟諳此技術者當理解其可具選擇性。

雖然本發明已參照某些實施方式描述，但熟諳此技術者將理解，在不脫離本方法或系統範圍下，當可作各種更動及替換均等物。此外，在不脫離本發明範圍下，可進行許多修改使特定情況或材料適應本發明教示。例如，所述實例的系統、方塊或其他組分可結合、分開、重新排列或以其他方式修改。因此，本發明不限於所述特定實施方式。反之，本發明將包括落在後附申請專利範圍的範圍內的所有實施方式，包括按照字面和均等論者。

10:MCAW系統 12:焊接電源 14:焊線進給器

16:氣體供應系統

17:遮護氣源

18:焊槍

20、28:電纜束

22:工件

24:引線電纜

26:夾鉗

30:電源

32:氣體導管

34:電弧

50:管狀焊線/管狀焊接電極

52:金屬鞘

54:金屬心

56:成團

58:接縫

60:製程

62、64、66、68、70:方塊

80:製程

82、84、86、88:方塊

以下說明附圖所示實例。圖式不必然按比例繪製，為清楚簡潔呈現，某些特徵結構和一些視圖當可放大或概要圖示。

第1圖係根據本發明實施例，金屬心弧焊（MCAW）系統的方塊圖；

第2圖係根據本發明實施例，管狀焊線的截面圖；

第3圖係根據本發明實施例，使用管狀焊線焊接工件的製程；及

第4圖係根據本發明實施例，用於製造管狀焊線的製程。

以上發明內容和以下詳細實施方式說明在參閱附圖後將變得更清楚易懂。應理解申請專利範圍不限於附圖所示排列和手段。另外，圖示外觀乃用於達成所述設備功能的許多裝飾外觀之一。

10:MCAW系統

12:焊接電源

14:焊線進給器

16:氣體供應系統

17:遮護氣源

18:焊槍

20、28:電纜束

22:工件

24:引線電纜

26:夾鉗

30:電源

32:氣體導管

34:電弧

Claims (19)

1. 一種焊接系統，包含：一管狀焊接電極，包含：一金屬鞘，置於一粒狀金屬心周圍，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心包含：0.05%至5%的藻酸鉀作為一藻酸鹽電弧穩定劑，配置以在焊接期間於一工件表面附近釋放氫；0.1%至1%的矽；及0至0.25%的錳；及一遮護氣體，該遮護氣體包含二氧化碳(CO₂)。
2. 如請求項1所述之焊接系統，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心進一步包含0.5%至1%的鎳。
3. 如請求項1所述之管狀焊接電極，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心進一步包含0.05%至0.15%的鈦。
4. 如請求項1所述之焊接系統，其中該粒狀金屬心進一步包含一或更多金屬氫化物。
5. 如請求項1所述之焊接系統，其中該粒狀金屬心進一步包含羧甲基纖維素(CMC)鈉、CMC鈣或CMC鉀。
6. 如請求項1所述之焊接系統，其中該粒狀金屬心包含0至0.25%的錳。
7. 如請求項6所述之焊接系統，其中按該管狀焊接電極重量計，該金屬鞘包含：0至0.025%的碳；及0.05%至0.4%的錳。
8. 如請求項7所述之焊接系統，其中該金屬鞘包含0.2%至0.3%的錳。
9. 如請求項1所述之焊接系統，其中該遮護氣體包含100%的二氧化碳。
10. 如請求項1所述之焊接系統，其中該遮護氣體包含50%的二氧化碳及50%的氬。
11. 一種形成焊接的方法，包含下列步驟：a.提供一管狀焊接電極，該管狀焊接電極包含一金屬鞘和一粒狀金屬心，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心包含：0.05%至5%的藻酸鉀作為一藻酸鹽電弧穩定劑；0.1%至1%的矽；及0至0.25%的錳；b.將該管狀焊接電極饋送到一焊接設備；c.將包含二氧化碳(CO₂)之一遮護氣流供給至該焊 接設備；d.提供一工件；e.使該焊接設備靠近該工件，以在該管狀焊接電極與該工件間觸發及維持一電弧；f.將一部分的該管狀焊接電極傳送到該工件表面的一焊池，以於一焊接熔敷物上形成一焊珠；及g.使該藻酸鹽電弧穩定劑在該電弧中分解以產生氫，其結合雜質及脫氣，而非在一焊接表面上形成固體熔渣、氧化物或矽酸鹽。
12. 如請求項11所述之方法，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心進一步包含0.5%至1%的鎳。
13. 如請求項11所述之方法，其中按該管狀焊接電極重量計，該粒狀金屬心進一步包含0.05%至0.15%的鈦。
14. 如請求項11所述之方法，其中該粒狀金屬心進一步包含一或更多種金屬氫化物。
15. 如請求項11所述之方法，其中該粒狀金屬心進一步包含羧甲基纖維素(CMC)鈉、CMC鈣或CMC鉀。
16. 如請求項11所述之方法，其中按該管狀焊接電極重量計，該金屬鞘包含： 0至0.1%的碳；及0.05%至0.4%的錳。
17. 如請求項16所述之方法，其中該金屬鞘包含0.2%至0.3%的錳。
18. 如請求項11所述之方法，其中該遮護氣流包含100%的二氧化碳。
19. 如請求項11所述之方法，其中該遮護氣體包含50%的二氧化碳及50%的氬。

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