用于埋弧焊的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本披露總體上涉及焊接，并且更具體地講，涉及埋弧焊(SAW)。在一個實施例中，一種焊接系統(tǒng)(10)包括被配置成提供氣流的供氣系統(tǒng)(16)。所述系統(tǒng)還包括被配置成提供焊絲的供絲系統(tǒng)(14)以及被配置成在埋弧焊(SAW)期間在焊弧附近提供焊藥的焊藥供應系統(tǒng)(17)。所述系統(tǒng)進一步包括焊炬組件(18)，該焊炬組件被配置成接收所述氣流和所述焊絲并且在所述埋弧焊期間在所述焊弧附近輸送所述氣流和所述焊絲。
【專利說明】用于埋弧焊的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及焊接，并且更具體地講，涉及埋弧焊(SAW)。

【背景技術(shù)】
[0002]焊接是已變?yōu)楦鱾€行業(yè)中用于多種應用的普遍存在的工藝。例如，焊接通常用于以下應用，例如，造船、海上平臺、建筑、鋼管廠等。某些焊接技術(shù)(例如，氣體保護金屬極弧焊(GMAW)、氣體保護藥芯焊絲弧焊(FCAW-G)和氣體保護鎢極弧焊(GTAW))通常采用保護氣體(例如，氬氣、二氧化碳或氧氣)以在焊接過程期間在焊弧和熔池中以及周圍提供特定的局部環(huán)境。相比之下，其他焊接技術(shù)(例如，埋弧焊(SAW))通常在電弧條件下使用分解或除氣的粒狀焊藥以在焊弧和熔池附近提供局部氣氛。另外，SAW提供其他優(yōu)點，例如，與其他焊接技術(shù)相比增大的熔敷率。
[0003]一般來講，對于涉及鋼的焊接應用，一個顧慮是在焊接期間以及在焊接過程完成之后在焊縫中存在的擴散氫的量。氫可以從多種來源引入到焊縫中，包括來自大氣、金屬表面、焊接電極或焊藥的水分。在焊接操作期間，還可以從油類、潤滑劑或者金屬或焊絲表面上的其他涂層引入氫。在焊接過程中氫易溶于暴露于高溫的鋼中，然而，隨著焊縫冷卻，氫在鋼中會變得越來越難溶，并且從溶液中析出。這會使氫集中在焊縫金屬中的不連續(xù)處和晶界處。這些高壓和高應力區(qū)域會使焊縫變得易碎且開裂，最終會導致焊縫失效。
[0004]限制焊縫中的擴散氫的一種方法是，例如，預熱金屬以限制在焊接操作期間在金屬表面上存在的水分含量，并且/或者通過調(diào)整金屬冷卻的速率來更好地控制金屬微觀結(jié)構(gòu)。這種預熱方法對于涉及較厚鋼板或高強度鋼焊接的情況是通用的。然而，在某些情況下，例如水下焊接應用，難以或無法控制焊接期間存在的水分含量。另外，制造者會承擔與預熱鋼以減少加氫裂化的幾率有關的很高成本(例如，能量、設備、時間等)。在其他情況下，可能不正確地應用預熱，并且只是達到表面預熱，而不是浸泡預熱。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個實施例中，一種焊接系統(tǒng)包括被配置成提供氣流的供氣系統(tǒng)。所述系統(tǒng)還包括被配置成提供焊絲的供絲系統(tǒng)以及被配置成在埋弧焊(SAW)期間在焊弧附近提供焊藥的焊藥供應系統(tǒng)。所述系統(tǒng)進一步包括焊炬組件，該焊炬組件被配置成接收所述氣流和所述焊絲并且在所述SAW期間在所述焊弧附近輸送所述氣流和所述焊絲輸送。
[0006]在另一個實施例中，一種系統(tǒng)包括焊炬組件，該焊炬組件具有焊炬本體，所述焊炬本體包括被配置成使一種或多種氣體流過所述焊炬本體的氣體導管。所述焊炬組件進一步包括接觸末端，該接觸末端具有被配置成使一種或多種氣體在焊弧附近流動的一個或多個氣體導管。此外，所述接觸末端被配置成連接至所述焊炬本體使得所述焊炬本體的氣體導管與所述接觸末端的一個或多個氣體導管流體連通。所述焊炬組件進一步包括焊藥傳送元件，所述焊藥傳送元件被配置成在所述焊弧附近傳送粒狀焊藥，其中所述焊藥傳送元件連接至所述接觸末端附近的所述焊炬本體并且被配置成使所述粒狀焊藥與所述一種或多種氣體混合。
[0007]在另一個實施例中，一種方法包括在進行的埋弧焊(SAW)熔池附近輸送氣流和粒狀焊藥流。所述方法進一步包括在所述進行的埋弧焊熔池上沉積所述粒狀焊藥流以形成焊藥墊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]當參考附圖閱讀以下詳細說明時，本披露的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，附圖中相似的附圖標記代表在整個附圖中表示相似的零件，其中:
[0009]圖1是根據(jù)本披露的實施例的混合埋弧焊(HSAW)焊接系統(tǒng)的方框圖；
[0010]圖2是根據(jù)本披露的實施例的HSAW焊接系統(tǒng)的內(nèi)部電路的方框圖；
[0011]圖3是根據(jù)本披露的實施例的HSAW焊炬的透視圖；
[0012]圖4是根據(jù)本披露的實施例的沿著線4-4截取的圖3所示的焊炬的剖視圖；
[0013]圖5是根據(jù)本披露的實施例的圖4所示的接觸末端的放大剖視圖；
[0014]圖6是根據(jù)本披露的實施例的接觸末端的遠端的透視圖；以及
[0015]圖7是根據(jù)本披露的實施例的認為在SAW期間使用含氟氣體從焊縫金屬去除擴散氫所涉及的步驟的流程圖。

【具體實施方式】
[0016]按照以下詳細描述，本文提供了在埋弧焊(SAW)或混合埋弧焊(HSAW)期間利用氣流來控制電弧和/或熔池附近(例如，周圍或附近)的氣氛的焊接系統(tǒng)和方法的實施例。另夕卜，本文提供了在埋弧焊(SAW)或混合埋弧焊(HSAW)期間特別利用含氟氣體來減少焊縫金屬中的擴散氫的量的焊接系統(tǒng)和方法的實施例。這樣，術(shù)語“混合埋弧焊”或“HSAW” 一般可以用于指結(jié)合一種或多種氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)，類似于GMAW，但是通常仍然將焊縫埋在焊藥墊中。應當理解，公開的實施例總體上針對于將一種或多種氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)提供至通常不涉及提供氣流的弧焊工藝(例如，SAW)。還應當理解，盡管本披露特別關注SAW，但是本文討論的含氟氣體的包含物可以有助于試圖使焊縫中的擴散氫最小化的任何弧焊工藝。
[0017]本文中使用的含氟氣體是單種氣體，或者每種氣體分子基本上具有至少一個氟原子的氣體的混合物。例如，含氟氣體可以是碳基氣體，(諸如，四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)或氯三氟甲烷(CF3Cl),)或者可以是無機氣體，(諸如，三氟化氮(NF3)、三氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟氣(F2)、六氟化鎢(WF6)或它們的任意混合物)。本文中使用的保護氣體可以指能夠用于電弧和/或熔池以便提供特定的局部氣氛(例如，保護電弧，提高電弧穩(wěn)定性，限制金屬氧化物的形成，改善金屬表面的潤濕，改變焊縫熔敷的化學成分)的任何氣體或氣體的混合物。在某些實施例中，保護氣體可以是單種保護氣體或保護氣體混合物(例如，氬氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)、氮氣(N2)、類似的合適的保護氣體或它們的任意混合物)。例如，保護氣流可以包括Ar、Ar/C02的混合物、Ar/C02/02的混合物、Ar/He的混合物等。另外，除非另外指明，所有提到的氣體混合百分比表示體積百分比。
[0018]一般來講，所公開的HSAW實施例可以結(jié)合單獨的或與焊藥組合的氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)，從而在電弧和/或熔池附近提供特定的局部氣氛。因此，由于這種氣流可以在焊接過程期間提供一些或全部的局部氣氛，所以公開的HSAW實施例能在焊藥成分的選擇上提供更大的自由度。此外，某些公開的實施例結(jié)合含氟氣流，并且這樣可以提供一種方法，這種方法按照比其他解決方案，例如，上述預熱方法，更高性價比的方式有效地減少焊縫中的擴散氫的量。然而，應當理解，利用含氟氣流的公開的實施例可以結(jié)合預熱方法來使用，以對焊縫中的擴散氫的含量提供組合效果，并且還可以減小通常用于給定焊接操作的預熱量(或程度)。還應該指出的是，目前公開的實施例可以利用含氟氣體，而不是含氟固體。含氟氣體給焊接操作者帶來好處，例如，在焊絲的選擇上提供更大靈活性，并且在焊接操作期間減少飛濺。
[0019]轉(zhuǎn)向附圖，圖1圖示了根據(jù)本披露的實施例的混合埋弧焊(HSAW)系統(tǒng)10的實施例，該系統(tǒng)在焊接過程期間利用氣流來提供至少一部分局部氣氛。系統(tǒng)10包括焊接電源
12、焊絲進給器14、供氣系統(tǒng)16、焊藥供應系統(tǒng)17和焊炬18。焊接電源12 —般將電力提供至焊接系統(tǒng)10，并且可以經(jīng)由電纜束20連接至焊絲進給器14，以及使用具有夾鉗26的導線24連接至工件22。在圖示的實施例中，焊絲進給器14經(jīng)由電纜束28連接至焊炬18，以便在焊接系統(tǒng)10工作期間將焊絲(例如實心焊絲或藥芯焊絲)和電力供應到焊炬18。在另一個實施例中，焊接電源12可以連接至焊炬18，并且直接對其供應電力。
[0020]在所描述的實施例中，焊接系統(tǒng)10包括供應氣流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)到焊炬18的供氣系統(tǒng)16，其中氣流在焊弧和/或熔池所處位置處或附近(例如，大約0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或小于大約30mm)提供至少一部分局部氣氛。在所描述的實施例中，供氣系統(tǒng)16經(jīng)由氣體導管30直接連接至焊炬18。在另一個實施例中，供氣系統(tǒng)16可以替代連接至焊絲進給器14，并且焊絲進給器14可以調(diào)節(jié)從供氣系統(tǒng)16到焊炬18的氣體流量。圖示的HSAW系統(tǒng)10的焊藥供應系統(tǒng)17經(jīng)由焊藥導管31將焊藥提供至焊炬18。因此，圖示的焊炬18 —般接收來自焊絲進給器14的焊絲和電力、來自供氣系統(tǒng)16的氣流以及來自焊藥供應系統(tǒng)17的焊藥流，以便對工件22進行HSAW。在操作期間，可以將焊炬18拿到工件22附近，使得可以在焊炬18與工件22之間形成電弧32。應當理解，本披露的一方面是控制電力輸送、焊絲、氣體、焊炬18的焊藥、電弧32和/或工件22表面的熔池以控制焊接過程。
[0021]圖示的焊接系統(tǒng)10的供氣系統(tǒng)16包括氣源34，一種或多種氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)可以例如一起存儲在氣瓶中。例如，一種或多種保護氣體(例如，Ar、He、CO2, 02、N2或它們的任意混合物)可以存儲在氣源34中以提供保護氣體流。此外，一種或多種含氟氣體可以另外或可替代地存儲在氣源34中以提供含氟氣流。含氟氣體的非限制性實例可以包括CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F2或WF6或它們的任意混合物的任意一種。對于CmFnXp, X可以是氫或氯原子，m可以是I與5之間的任意值，η可以是I與18之間的任意值，并且P可以是O與18之間的任意值。例如，含氟氣體可以是CF4、CF3C1、CF2H2、CFC13、C2F6, C2F4, C2F5CU C2F4H2、C3F7H, C4F10等或它們的任意混合物的任意一種。例如，在某些實施例中，供氣系統(tǒng)16可以包括含大約95% CF4和大約5% F2的單種氣瓶。這樣，在某些實施例中，由氣源34提供的含氟氣體的濃度可以是零(即，大約0% )或在大約0.1%與 10%之間(例如，0.2%,0.5%,0.75%,1%，、1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4%,4.5%,5%、5.5%、6%、7%、8%、9%、10%等)的含氟氣體，余量為保護氣體或保護氣體混合物。在一個實施例中，由焊炬18供應的總氣流中的含氟氣體的百分比在大約0.5 %與5 %之間。在一個實施例中，總氣流中的含氟氣體的百分比小于大約0.1%、1%、2%、3%、4%或5%。
[0022]焊藥供應系統(tǒng)17可以經(jīng)由導管31提供粒狀焊藥流到電弧32所處位置處或電弧32的附近(例如，在lmm、2mm、3mm、5mm或大約小于30mm的范圍內(nèi))。由于在電弧32附近輸送焊藥流，所以在熔池附近(例如，上方，覆蓋熔池并且/或者附近)會聚集成焊藥層或焊藥墊。焊藥的至少一部分可以在電弧32和/或熔池所處位置處或附近部分分解并且/或者除氣(例如，在受熱時釋放一種或多種氣體)，并且結(jié)合供氣系統(tǒng)16工作以在熔池所處位置處或附近(例如，在1mm、2mm、3mm或大約小于30mm)提供適當?shù)木植繗夥?。焊藥可以另外或可替代地促進工件22的潤濕，限制金屬氧化物的形成，從焊縫去除化學雜質(zhì)，并且/或者發(fā)揮類似的作用以促進焊接過程。焊藥一般可以包括例如典型的團聚狀、粘結(jié)狀或熔融狀的焊藥。這些焊藥可以是中性、半中性或活性焊藥，并且可以具有不同的酸性或堿性水平范圍。示例的焊藥的非限制性列表包括:金紅石鋁酸鹽(AR)、堿性鋁酸鹽(AB)、堿性氟化鋁(AF)、堿性氟化物(FB)或硅酸鈣(CS)焊藥。另外，在某些實施例中，焊藥可以選自根據(jù)EN760規(guī)范的焊藥。
[0023]此外，在某些實施例中，本披露的一方面是在焊接過程期間，焊藥可以在電弧32所處位置處或附近(例如,在lm、2mm、3mm或大約小于30mm)與氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)基本上混合。也就是說，如以下參照圖3至圖6的詳細描述，HSAW系統(tǒng)10的某些實施例可以包括焊炬18，該焊炬被配置成確保氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)在焊藥達到電弧32之前或者當焊藥到達電弧時一般替換分散在粒狀焊藥中的標準空氣。在其他實施例中，焊藥供應系統(tǒng)17可以在保護氣體和/或含氟氣體的氣氛下另外或可替代地存儲焊藥，使得被輸送到焊炬18的焊藥可以與氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)預混合。
[0024]一般應當理解，在HSAW系統(tǒng)10的某些實施例中，使用氣流(例如，包括保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)一般可以允許使用不同類型的焊藥(例如，可能與典型的SAW過程不兼容的焊藥)。也就是說，氣流(例如，包括保護氣體和/或含氟氣體)可有助于控制電弧32、熔池和/或工件22表面上的焊藥墊附近(例如，大約1mm、2mm、3mm或大約小于30mm)的局部氣氛。這樣，焊縫的質(zhì)量會更少地依賴于焊藥所提供的局部氣氛。這樣，當前的HSAW系統(tǒng)10可以利用低成本的焊藥。此外，通過使用含氟氣流，可以減少或一并消除在焊藥或電極(例如，藥芯焊絲、金屬芯焊絲或?qū)嵭暮附z)中常用的其他部件，例如，氟化物鹽或者其他固氟源。這一般可以根據(jù)其他因素(例如，涉及焊藥和/或焊絲的成本、所需的焊縫性能、所需的焊縫化學成分、除渣、焊珠形狀、熔深、熔覆率等)來更自由地選擇焊藥和/或焊絲電極。例如，在利用含氟氣流的實施例中，可以用更基本的焊藥來代替一般被選用于減少焊縫中得到的氫含量的酸性焊藥，同時仍然提供具有類似氫含量的焊縫。
[0025]如上所述，圖示的HSAW系統(tǒng)10通過控制輸送到焊炬18、電弧32和/或工件22表面上的熔池的功率、焊絲、氣體和焊藥來控制焊接過程。另外，在某些實施例中，通過控制保護氣體和/或含氟氣體的化學成分，可以調(diào)整電弧32和/或所得的焊縫的化學成分。例如，當焊接尤其對存在擴散氫敏感的金屬時，供氣系統(tǒng)16可以供應更高流速的含氟氣體，或者利用更高相對濃度的含氟氣體(例如，保護氣體中的含氟氣體在5%至10%之間)以使擴散氫的清除達到最大限度。例如，當使用碳基含氟氣體時，利用具有更多數(shù)量的碳(即，更大的m值)的氣體會在仍然減少擴散氫的量的同時有助于所得的焊縫具有更多的碳，這對某些鋼應用會是可取的。作為另一個實例，當使用碳基含氟氣體時，使用具有一些氫(即，X是氫原子，P大于O)的氣體可以給電弧帶來益處，例如，在焊接過程期間仍然限制氫的含量(這會有助于焊縫金屬)的同時增加電弧溫度以及電弧穿入工件的熔深。然而，并非所有的含氟氣體與涉及特定金屬的應用兼容。例如，盡管六氟化硫(SF6)可以用作保護氣體的添加劑以減少焊縫中存在的擴散氫的量，但是一些材料(例如，鋼)與SF6不兼容，因為在焊接過程之后殘留在焊縫中的硫(例如，硫化亞鐵)的量會由于在焊縫凝固期間硫偏析而引起開裂。這樣，目前某些公開的實施例利用的含氟氣體基本上不含硫。
[0026]對于一些實施方式，所希望的是供氣系統(tǒng)16從分開的氣源輸送含氟氣流(例如，包括CF4、F2、CF2Cl2或類似的含氟氣體或氣體混合物)和保護氣流(例如，Ar、He、CO2, 02、N2或它們的任意混合物)。轉(zhuǎn)到圖2，示出了 HSAW系統(tǒng)40的另一個實施例的方框圖。更具體地講，圖2示出了根據(jù)本披露的某些實施例的可以采用含氟氣流來減少焊縫中的擴散氫的焊接系統(tǒng)40的一些內(nèi)部元件。此外，類似于圖1的HSAW系統(tǒng)10，圖2所示的HSAW系統(tǒng)40總體上包括焊接電源12、焊絲進給器14、焊炬18、供氣系統(tǒng)16和焊藥供應系統(tǒng)17。
[0027]在圖2所示的實施例中，焊接電源12包括功率轉(zhuǎn)換電路42，該功率轉(zhuǎn)換電路接收來自交流電源44(例如，交流電力網(wǎng)、發(fā)動機/發(fā)電機組或它們的組合)的輸入功率，調(diào)節(jié)輸入功率，并且經(jīng)由電纜46提供輸出功率以便給焊絲進給器14供電，焊絲進給器進而根據(jù)系統(tǒng)40的要求給焊炬18供電。因此，在一些實施例中，功率轉(zhuǎn)換電路42可以包括電路元件(例如，變壓器、整流器、開關等)，其能根據(jù)如系統(tǒng)40所述的要求將交流輸入電力轉(zhuǎn)換成直流反接(DCEP)輸出、直流正接(DCEN)輸出或可變平衡交流輸出。終止于夾具26的導線24將功率轉(zhuǎn)換電路42連接至工件22，并且閉合焊接電源12、工件22和焊炬18之間的電路。
[0028]焊接電源12還包括控制電路48，該控制電路48被配置成接收并處理有關焊接系統(tǒng)40的性能和要求的多個輸入。控制電路48包括處理電路50和存儲器52。存儲器52可以包括易失性或非易失性存儲器，例如，ROM、RAM、磁存儲器、光學存儲器或它們的組合。此夕卜，多個控制參數(shù)可以與代碼一起存儲在存儲器52中，所述代碼被配置成在工作期間提供特定輸出(例如，啟動焊絲供給，啟用氣流，啟用焊藥流等)。處理電路50還可以接收來自用戶接口 54的一個或多個輸入，使用者可以通過用戶接口選擇工藝和輸入所需的參數(shù)(例如，電壓、電流、特定的脈沖或非脈沖焊接的焊接規(guī)范等)。例如，在某些實施例中，用戶界面54可以使使用者能設置有關反接(EP)或正接(EN)電流的大小和幅值的參數(shù)(例如，用于涉及可變平衡交流電的焊接應用)。
[0029]基于從操作者接收的這些輸入，例如，經(jīng)由傳送到功率轉(zhuǎn)換電路42的控制信號操作控制電路48以控制焊接功率輸出的產(chǎn)生，焊接功率輸出供應到焊絲上以用于執(zhí)行所需的焊接操作。基于這些操作命令，功率轉(zhuǎn)換電路42適合于形成最終會施加在焊炬18處的焊絲上的輸出功率。為此，如以上所指出的，可以采用各種功率轉(zhuǎn)換電路，包括斬波器、升壓電路、降壓電路、逆變器、轉(zhuǎn)換器等。再者，在圖2的實施例中，控制電路48還包括被配置成在工作期間與焊絲進給器14的電子器件對接的接口電路56。接口電路56連接至處理電路50以及焊絲進給器14的元件。另外，處理電路50經(jīng)由連接至接口電路56的電纜58提供與焊接操作有關的控制信號給焊絲進給器14。如上所述，焊接電源12和焊絲進給器14可以通過電纜束20彼此連接，并且焊炬18可以經(jīng)由電纜束28連接至焊絲進給器14。
[0030]在圖示的實施例中，供氣系統(tǒng)16包括一個或多個含氟氣源57和一個或多個保護氣源59。也就是說，圖示的供氣系統(tǒng)16被配置成供應含氟氣流(例如，包括CF4、F2、CF2C12、類似的含氟氣體或它們的任意混合物)和保護氣流(例如，包括Ar、He、CO2, 02、N2或它們的任意混合物)到位于焊絲進給器14中的流量控制系統(tǒng)60。在其他實施例中，可以不使用保護氣源59，焊藥供應系統(tǒng)17供應的焊藥可以在含氟氣體清除來自熔池的殘余氫的同時在熔池上方基本上提供保護氣氛。在所描述的實施例中，供氣系統(tǒng)16經(jīng)由一個或多個保護氣體導管62 (例如，導管束)和一個或多個含氟氣體導管64 (例如，導管束)單獨輸送氣體到氣流控制系統(tǒng)60。在另一個實施例中，供氣系統(tǒng)16可以連接至單個預混合氣源(例如，2%的CF4,98%的1:1的Ar/C02)，該預混合氣源可以經(jīng)由單個氣體導管連接至流量控制系統(tǒng)60，類似于圖1的實施例。
[0031]在圖2的HSAW系統(tǒng)40中，流量控制系統(tǒng)60可以連接至多個含氟氣源57以及多個保護氣源59。例如，流量控制系統(tǒng)60可以經(jīng)由保護氣體導管束62中的不同導管接收來自兩個保護氣源59 (例如，Ar和CO2)的單獨氣流，并且經(jīng)由含氟氣體導管束64中的不同導管接收三個含氟氣源(例如，CF4XF3Cl和F2),并且提供來自五個單獨氣源的混合氣流。應當理解，某些實施例可以采用任意數(shù)量的氣體導管和氣源。在另一個實施例中，流量控制系統(tǒng)60可以接收并調(diào)節(jié)來自一個或多個保護氣源59和一個或多個含氟氣源57的氣流，并非它們混合在一起，而是單獨(例如，經(jīng)由不同的導管)輸出氣體到焊炬18。另外，流量控制系統(tǒng)60包括多個閥門66，并且可以包括對穿過氣體導管68到達焊炬18的流入氣流以及流出氣流的流量進行調(diào)節(jié)的多個調(diào)節(jié)器、氣流傳感器等。
[0032]保護氣源59可以包括Ar、He、C02、02、N2或它們的任意混合物的任意一種。例如，保護氣源59可以包括100% CO2，大約85% Ar/15% CO2的混合物，大約75% Ar/24% CO2/1 %O2的混合物，大約95% C02/5%N2的混合物，100% CO2等。含氟氣源57可以包括CmFnXp、NF3、BF3> SiF4, F2或WF6或它們的任意混合物的任意一種。其中X可以是氫或氯原子，m可以是I與5之間的任意值，η可以是I與18之間的任意值，并且P可以是O與18之間的任意值。例如，含氟氣體可以是 CF4、CF2Cl2, CF3CUCF3H, C2F4H2, C2FC13、C2F4H2, C2F6, C3F6Cl2, C4F7H3 等或它們的任意混合物的任意一種?；蛘?，例如，含氟氣體可以包括大約98% CF4/2% CF2Cl2的混合物，大約90% CF3H/10% BF3的混合物，大約85% C2F4/13% CF4/2% WF6的混合物等。在一個實施例中，通過流量控制系統(tǒng)60供應到焊炬18的總氣流中的含氟氣體的百分比在大約0.01%與10%之間。在一個實施例中，總氣流中的含氟氣體的百分比小于大約0.1 %、1%、2%、3%、4%或 5%。
[0033]如圖2所示，除流量控制系統(tǒng)60之外，焊絲進給器14還包括允許在焊絲進給器14上設置系統(tǒng)參數(shù)(例如，送絲速率、工藝、選定的電流、電壓或功率水平、保護氣體/含氟氣體的相對濃度和流速、焊藥流速等)的用戶界面70。這樣，用戶界面70連接到控制器72上，該控制器允許根據(jù)操作者的選擇來控制送絲速率，并且允許將這些設置經(jīng)由接口電路56反饋到電源12。控制器72還基于用戶定義的設置來控制流量控制系統(tǒng)60，并且調(diào)節(jié)每種單獨的氣體的相對比率和流速來產(chǎn)生將要經(jīng)由氣體導管68輸送到焊炬18的所需的混合氣流。如上所述，在一個實施例中，流量控制系統(tǒng)60可以經(jīng)由多個氣體導管68將含氟氣體和保護氣體單獨輸送到焊炬18。此外，在某些實施例中，控制器72可以連接至焊藥供應系統(tǒng)17，使得可以通過從用戶界面70輸入的用戶設置來控制焊藥供應系統(tǒng)17 (例如，焊藥漏斗73)的操作。
[0034]焊絲進給器14還包括在控制器72的控制下供應焊絲到焊炬18并且由此到達焊接應用的元件。例如，焊絲76的一個或多個焊絲供應器74(例如，線軸)容納在焊絲進給器14中。焊絲進給器驅(qū)動單元78可以從線軸74展開焊絲76并且將焊絲76逐步供應到焊炬18。為此，焊絲進給器驅(qū)動單元78可以包括以適于建立合適的送絲的方式進行配置的元件，例如，電路、電機、輥子等。例如，在一個實施例中，送絲驅(qū)動單元78可以包括進給電機，該進給電機與進給輥嚙合以便從焊絲進給器14朝著焊炬18推送焊絲。來自焊接電源12的電力通常通過電纜46被供應到進給的焊絲。
[0035]圖示的HSAW系統(tǒng)40包括具有焊藥漏斗73的焊藥供應系統(tǒng)17。焊藥供應系統(tǒng)17一般可以通過導管75提供粒狀焊藥流到焊炬18。按照以下詳細討論，在某些實施例中，焊炬18可以包括接觸末端，該接觸末端被配置成用流量控制系統(tǒng)60所提供的保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物替代粒狀焊藥中的任何空氣。在其他實施例中，焊藥供應系統(tǒng)17可以連接至供氣系統(tǒng)16，使得存儲在焊藥供應系統(tǒng)中(例如，在焊藥漏斗73中)的焊藥在經(jīng)由導管75提供給焊炬18之前可以維持在包括含氟氣體、保護氣體或含氟氣體/保護氣體的混合物的氣氛中。此外，如上所述，在某些實施例中，可以通過控制器72來控制焊藥供應系統(tǒng)17，使得使用者可以控制焊藥輸送到焊炬18和/或工件22的速率。
[0036]在圖示的實施例中，焊炬18可以包括控制開關80、焊絲傳送元件82、氣體傳送元件84和焊藥傳送元件85。以下按照圖3至圖6詳細討論焊炬18的某些實施例的其他方面。一般來講，在焊接系統(tǒng)工作期間，焊絲可以通過電纜束28朝著焊炬18前進。在焊炬18中，可以設置額外的焊絲傳送元件82，例如，額外的拉式電機和相關聯(lián)的驅(qū)動輥?？梢哉{(diào)節(jié)拉式電機來提供所需的送絲速率。另外，焊炬18中可以包括氣體傳送元件84(例如，噴嘴、控制閥、氣體擴散器等)來控制并引導經(jīng)由氣體導管68接收的氣體混合物(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)的氣流。焊炬18還可以包括經(jīng)由控制線86連接至焊絲進給器14中控制器72的控制開關80，該控制開關可以提供信號到控制器72以允許操作者開始和停止焊接操作。這些開始/停止信號可以從控制器72傳輸?shù)搅髁靠刂葡到y(tǒng)60和焊接電源12。因此，激活控制開關80可以使氣流開始流動，提供焊藥，使焊絲前進，并且將電力用于前進的焊絲。
[0037]在另一個實施例中，焊炬18還可以包括連接至焊絲進給器14的控制器72的一個或多個傳感器。在工作期間，傳感器可以被配置成測量來自焊炬18的表示焊接環(huán)境的一個或多個參數(shù)。為此，一個或多個傳感器(例如，熱傳感器、氣體流速傳感器、化學傳感器、光學傳感器等)可以在整個焊接操作中連續(xù)地或者以所需的間隔測量所需的參數(shù)。隨著傳感器采集這種數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以傳送到焊絲進給器14中的控制器72，使得在系統(tǒng)工作期間可以通過控制器72調(diào)節(jié)焊接系統(tǒng)40的參數(shù)(例如，含氟氣體的濃度和流速、送絲速率、焊藥速率、電弧電壓和電流等)。
[0038]應當理解，一般希望調(diào)節(jié)來自焊炬18的接觸末端的含氟氣流(例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)使得由焊藥供應系統(tǒng)17供應的焊藥墊在焊接過程期間不會在工件22的表面上受到干擾(例如，在工件22的表面移動或從該表面去除)。然而，還應當理解，在某些實施例中，希望提供給焊炬18的氣流與焊藥供應系統(tǒng)17供應的粒狀焊藥完全混合。因此，以下討論了一般地可以提供這些所需特征的改進的焊炬18(參照圖3至圖6)。也就是說，以下描述的改進的焊炬實施例提供了一種改進的接觸末端，該接觸末端使輸送氣體(例如，保護氣體、含氟氣體后它們的任意混合物)在被輸送到焊弧32時能穿過包圍焊絲76的多個導管。按照目前公開的那樣經(jīng)由導管輸送氣流，可以使用較低的壓力和流速。這一般防止焊藥墊受到干擾，同時氣流(例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)可以仍然足夠提供所需的一種或多種效果(例如，清除殘余的氫、控制焊縫的化學成分、穩(wěn)定電弧、控制工件的表面化學成分等)。此外，以下討論的焊炬實施例使粒狀焊藥和氣流在到達電弧和/或熔池之前在焊炬的接觸末端能完全混合。應當理解，盡管參照圖3至圖6討論的焊炬是HSAW焊接的焊炬的具體實施例，但是還考慮了在焊弧和/或熔池所處位置處或附近輸送氣流的其他焊炬的實施例(例如，具有相對于焊炬本體設置在內(nèi)部或外部的單種導管的焊炬)。
[0039]在考慮上述的基礎上，圖3是混合埋弧焊(HSAW)焊炬18的實施例的透視圖，該焊炬被配置成提供氣流、焊絲和焊藥到工件22的表面。圖示的HSAW焊炬18包括容納多個通道的本體90 (以下進行詳細討論)，焊絲和氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)在出來之前在焊炬18的末端92附近可以穿過這些通道。也就是說，由焊絲進給器14單獨提供給焊炬18的焊絲76和氣流68通?？梢詮囊粋€端(例如，近端)部93進入焊炬并且通常可以靠近在焊炬18的遠端92處的接觸末端出來。另外，對于圖3所示的焊炬的實施例，焊藥傳送元件85經(jīng)由夾緊機構(gòu)94連接到焊炬18的本體90上，使得焊藥傳送元件85包圍焊炬18遠端92附近的接觸末端。在其他實施例中，焊藥傳送元件85可以是附在焊炬18的本體90上的導管，該導管在不包圍接觸末端的情況下在焊弧附近沉積焊藥。此外，圖示的焊藥傳送元件85包括導管96，該導管可以連接至導管75，以便接收來自焊藥供應系統(tǒng)17的焊藥。一般來講，圖示的焊藥傳送元件85使能夠在接觸末端周圍輸送焊藥使得來自焊炬18的接觸末端的氣體可以與焊藥完全混合，并且使得氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)可以代替粒狀焊藥中包括的大量的氣體。此外，應當理解，由于圖示的焊藥傳送元件85包圍接觸末端，所以通?？梢允褂玫蜌鈮汉?或氣流速率來替換空氣，這是通常希望的以便限制氣流對焊藥墊的干擾。
[0040]在某些實施例中，通過在埋弧焊期間在熔池所處位置處或附近增加含氟氣流，可以實現(xiàn)更低的氫水平以及改進的力學性能。也就是說，向SAW過程增加含氟氣體比單獨使用保護氣體或粒狀焊藥提供對焊縫化學成分更好地控制。此外，在某些實施例中，通常希望盡可能靠近電弧32輸送足夠高流量的含氟氣體，以確保氣體在基本上不干擾焊藥墊的情況下能到達電弧等離子體流。這樣，圖示的HSAW焊炬18總體上提供了一種改進的系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許直接在電弧32處輸送氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)、焊絲和焊藥，以便在電弧32所處位置處或附近提供所需量的所有成分的混合物。
[0041]圖4是沿著線4-4截取的圖3所示的焊炬18的剖視圖。具體地講，圖4圖示了裝載到焊炬本體90的一部分中并且被焊藥傳送元件85包圍的接觸末端100。焊炬本體90包括通道102 (例如，縱向通道)，該通道連接至導管68 (例如，從焊絲進給器14的控制系統(tǒng)60)，并且可以給氣流103 (例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)提供穿過焊炬18的本體90的通道。此外，焊炬本體90包括另一個通道104，該通道可以提供輸送焊絲76(例如，來自焊絲進給器14)到焊炬18的遠端92的接觸末端100的導管。圖示的焊炬本體90的實施例進一步包括總體上圓錐形的腔體106 (例如，匹配腔體)，接觸末端100適于牢固地安裝在該腔體中。焊藥傳送元件85 —般可以提供焊藥流107到焊藥傳送元件85和焊炬本體90和/或接觸末端100之間的腔體109中，使得從接觸末端100出來的氣流103可以在到達熔池之前與輸送的焊藥流107完全混合(例如，以替代任何空氣)。
[0042]圖示的接觸末端100在插入焊炬本體90中時可以提供緊密密封連接，使得容易促進氣流(例如，保護氣體、含氟氣流或它們的任意混合物)從焊炬主體90進入并穿過接觸末端100。圖示的接觸末端100通過常規(guī)裝置(例如，螺紋環(huán)或螺母108、插銷、扣環(huán)或類似機構(gòu))保持在焊炬本體90內(nèi)，這些常規(guī)裝置可以強有力地結(jié)合接觸末端100并將其保持在工作位置。一般來講，接觸末端100的精確匹配的腔體有助于確保在電弧32( S卩，焊炬18的遠端92)的方向上的正向氣流并且不朝著焊炬本體90返回。當接觸末端100位于焊炬本體90的圓錐形腔體106中時，隨著焊炬本體90的機加工溝槽112與接觸末端100的機加工溝槽114對齊而在兩者之間形成室110，如圖所示。另外，圖示的室110連接至通道102，該通道輸送氣體穿過焊炬本體90 ( S卩，三者全部流體連通)。室110在引導氣流到接觸末端100之前總體上接收來自通道102的氣體。由于接觸末端100和圓錐形腔體106緊密安裝的配合面，室110和通道102彼此隔離以防止氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)經(jīng)由通道102逸出。
[0043]接觸末端100具有供焊絲穿過的中央通道114，并且提供電接觸以便與工件22形成電弧32。接觸末端100進一步包括輸送氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)到接觸末端100的遠端92的多個通道116(例如，繞著中央通道114設置)。在某些實施例中，這些通道116可以繞著中央通道114呈放射狀或同軸地定向。此外，可以存在任何合適數(shù)量的通道116以便給氣體提供從室110到焊炬18的遠端92的通路。例如，某些焊炬實施例可以包括繞著中央通道114設置的1、2、3、4、5、6、8、10或12個通道116，以便有效地將氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)分散到焊弧和焊藥中。
[0044]圖5圖示了從焊炬本體90去除的接觸末端100的剖視圖。因此接觸末端100的匹配部分包括帶機加工溝槽112的總體錐形的部分118，該總體錐形的部分通常在形狀上匹配以便當裝載到焊炬18的本體90中時提供穩(wěn)固安裝。接觸末端100包括用于供應焊絲和電力到電弧32的中央通道114，而周圍通道116將來自室110的氣流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)輸送到電弧32以及由焊藥傳送元件85提供的焊藥流107，該焊藥傳送元件設置在接觸末端100附近(例如，接近、周圍或包圍)。另外，圖6圖示了接觸末端100的實施例的遠端92的透視圖。圖示的接觸末端實施例包括用于提供焊絲和電力到電弧32的中央通道114，而周圍通道116提供氣流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)到電弧32和/或由焊藥傳送元件85提供的焊藥。此外，圖示的接觸末端100包括環(huán)繞中央通道114的六個氣體傳送通道116,然而,應當理解,可以使用任意數(shù)量的通道116來傳送氣流。另外，應當理解，盡管圖示的通道116形成繞著中央通道114對稱分布的圓孔，但是目前也預想到在電弧32和/或焊藥(例如，橢圓形通道、與中央通道114同軸的一個或多個通道、非對稱布置等)附近提供氣流的任意數(shù)量的通道形狀或布置。
[0045]對于某些實施例，一旦輸送焊藥、焊絲和含氟氣體到焊炬18的接觸末端100，據(jù)信會發(fā)生圖7的方框流程圖所描述的一系列事件以去除焊縫的擴散氫。過程130的第一步是引導(方框132)焊藥流和含氟氣流(方框134)到焊炬18的接觸末端100的電弧32和/或熔池所處位置處或附近。應當理解，可以控制含氟氣流和焊藥流兩者的流速使得含氟氣體可以總體上代替粒狀焊藥中可能存在的任何殘余空氣，同時仍然產(chǎn)生基本上未分散的焊藥墊(例如，盡管有含氟氣流，粒狀焊藥墊總體上保持覆蓋熔池，并且未被明顯去除)。還應當理解，對于單獨利用保護氣流(即，沒有含氟氣體)的HSAW實施例，焊接過程可以總體上結(jié)合在焊弧附近提供焊藥流并且使保護氣體與粒狀焊藥完全混合以在基本上不干擾設置在熔池上的焊藥墊的情況下替代任何殘余空氣的類似步驟。
[0046]接下來，電弧32中及其附近的條件，即，高電壓和高溫環(huán)境，然后可能開始破壞含氟氣體的化學鍵并且從含氟氣體分子釋放(方框136)活性物質(zhì)。本文中所使用的活性物質(zhì)可以是從含氟氣體分解產(chǎn)生的任何殘余的自由基(即，F(xiàn).、CF3.、C1.)或離子(S卩，CF3+、F_、Cr等)或它們的任意組合。然后，釋放的活性物質(zhì)可以滲透(方框138)熔池的熔融金屬。在一個實施例中，含氟氣體的一部分可以在釋放活性物質(zhì)之前進入熔池。無論何時釋放，熔池中釋放的活性物質(zhì)與熔池中溶解的擴散氫鍵合(方框140)，從而與其發(fā)生反應以形成析出氣體(例如，冊、此1、0&!1等)。由于析出氣體比氫更不易溶于熔融金屬中，所以可以在焊縫冷卻之前或者當焊縫冷卻時從熔融的熔池中釋放出來(方框142)，從而得到具有減少的擴散氫含量的焊縫。應該指出的是，釋放的活性物質(zhì)還可以在到達熔池之前與電弧中存在的氫發(fā)生反應，從而還可以以預防性的方式減少熔池中的氫含量。
[0047]應當理解，在圖7所示的實施例的含氟氣體中的氟原子的作用是雙重的。首先，氟基氣體分解產(chǎn)生活性物質(zhì)，例如，F(xiàn)—和F.，這些非常適合于在熔覆或形成焊縫金屬時與擴散氫發(fā)生反應。然而，其次，氟基氣體分子結(jié)構(gòu)中的氟原子的更微妙的作用是電子穩(wěn)定還可以與焊縫中的擴散氫反應的其他反應物質(zhì)，例如，CF3+。
[0048]盡管本文中說明并描述了本發(fā)明的僅僅某些特征，但是本領域的技術(shù)人員可以進行許多修改和變化。因此，應當理解所附權(quán)利要求書旨在涵蓋落入本發(fā)明的真正精神的范圍內(nèi)的所有這些修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種焊接系統(tǒng)，其包括: 供氣系統(tǒng)，被配置成提供氣流； 供絲系統(tǒng)，被配置成提供焊絲； 焊藥供應系統(tǒng)，被配置成在埋弧焊(SAW)期間在焊弧附近提供焊藥；以及 焊炬組件，被配置成接收所述氣流和所述焊絲并且在所述埋弧焊(SAW)期間在所述焊弧附近輸送所述氣流和所述焊絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述氣流和所述焊藥兩者在所述電弧附近至少部分地提供局部氣氛。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述焊炬組件被配置成接收所述焊藥并且在所述焊弧附近使所述焊藥與所述氣流混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述氣流包括氬氣、氦氣、二氧化碳、氧氣、氮氣、氫氣或它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述氣流包括含氟氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述焊藥供應系統(tǒng)連接至所述供氣系統(tǒng)并且被配置成將與所述氣流預混合的所述焊藥提供至所述焊炬組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，包括焊接電源，所述焊接電源被配置成將直流反接(DCEP)輸出、直流正接(DCEN)輸出或可變平衡交流輸出提供至所述焊炬組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述焊藥包括金紅石鋁酸鹽(AR)、堿性鋁酸鹽(AB)、堿性氟化鋁(AF)、堿性氟化物(FB)或硅酸鈣(CS)焊藥。
9.一種系統(tǒng)，其包括: 焊炬組件，包括: 焊炬本體，包括被配置成使一種或多種氣體流過所述焊炬本體的氣體導管； 接觸末端，包括被配置成使所述一種或多種氣體在焊弧附近流動的一個或多個氣體導管，其中所述接觸末端被配置成連接至所述焊炬本體使得所述焊炬本體的所述氣體導管與所述接觸末端的所述一個或多個氣體導管流體連通；以及 焊藥傳送元件，被配置成在所述焊弧附近傳送粒狀焊藥，其中所述焊藥傳送元件連接至所述接觸末端附近的所述焊炬本體并且被配置成使所述粒狀焊藥與所述一種或多種氣體混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述接觸末端包括被配置成將焊絲供應提供至所述焊弧的中央焊絲導管，并且其中所述一個或多個氣體導管繞著所述中央焊絲導管設置成環(huán)狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，包括形成在所述焊炬本體與所述接觸末端之間的室，當所述接觸末端連接至所述焊炬本體時，所述室使所述焊炬本體的所述氣體導管連接至所述接觸末端的所述一個或多個氣體導管。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述一種或多種氣體包括保護氣體、含氟氣體或它們的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述焊炬組件是埋弧焊焊炬組件或混合埋弧焊焊炬組件。
14.一種方法，包括: 在進行的埋弧焊(SAW)熔池附近輸送氣流和粒狀焊藥流；以及 在所述進行的埋弧焊熔池上沉積所述粒狀焊藥流以形成焊藥墊。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述氣流和所述粒狀焊藥流在沉積所述粒狀焊藥流以形成所述焊藥墊之前混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述氣流和所述粒狀焊藥流在沉積所述粒狀焊藥流以形成所述焊藥墊之前在焊炬組件內(nèi)混合在一起。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述氣流具有被配置成防止所述氣流將所述焊藥墊的粒狀焊藥移位的流速。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述粒狀焊藥流包括中性、半中性、酸性、堿性或活性粒狀焊藥流。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括輸送焊絲到工件，其中所述焊絲被配置成當在所述焊絲上施加電流時與所述工件形成焊弧。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述電流包括直流反接(DCEP)電流、直流正接(DCEN)電流或可變平衡交流電流。
【文檔編號】B23K9/18GK104169036SQ201380015643
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月27日
【發(fā)明者】肯尼斯·艾倫·費舍爾, 馬里奧·阿馬塔, 史蒂芬·巴霍斯特, 約瑟夫·邦迪 申請人:伊利諾斯工具制品有限公司