用于防腐蝕焊條的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于防腐蝕焊條的系統(tǒng)和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年10月9日提交、標(biāo)題為"用于防腐蝕焊條的系統(tǒng)和方法"的序 列號為61/888,965的美國臨時申請以及2014年9月24日提交、標(biāo)題為"用于防腐蝕焊條的系 統(tǒng)和方法"的序列號為62/054，818的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。這些臨時申請的全部 內(nèi)容通過引用并入本文以用于所有目的。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明總體涉及焊接，更具體而言，涉及用于電弧焊，例如，氣體保護(hù)金屬極電弧 焊(GMAW)或藥芯焊絲電弧焊(FCAW)的焊條。
[0004] 焊接是各個行業(yè)中為各種應(yīng)用普遍采用的一種過程。例如，焊接通常用于如造船、 海上平臺、建筑、乳管機(jī)等應(yīng)用。特定焊接技術(shù)(例如，氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)、氣體 保護(hù)藥芯焊絲電弧焊(FCAW-G)和鎢極氣體保護(hù)電弧焊(GTAW))-般在焊接過程中采用保護(hù) 氣體(例如，氬氣、二氧化碳或氧氣)在焊弧和焊池之內(nèi)和周圍提供特定局部氣體，而其他焊 接技術(shù)(例如，藥芯焊絲電弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)和自動保護(hù)金屬極電弧焊(SMAW))并非 如此。另外，特定焊接類型可能涉及焊絲形式的焊條。焊絲一般可在焊接過程中為焊接提供 填充金屬，并為電流提供路徑。另外，特定類型的焊絲(例如，管狀焊絲)可包括一種或多種 成分(例如，焊劑、電弧穩(wěn)定劑或其他添加劑），這些成分一般可改變焊接過程和/或產(chǎn)生的 焊縫的特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在一個實施例中，管狀焊絲具有外皮和焊芯，所述管狀焊絲包括有機(jī)穩(wěn)定劑成分、 稀土成分和防腐蝕成分，所述防腐蝕成分包括鎳、鉻和銅的一種或多種。
[0006] 在一個實施例中，在涂層工件上形成防腐蝕熔敷焊縫。所述熔敷焊縫包括約0.5% 至約21 %重量的鉻、約0.02%至約12%重量的鎳，以及約0.05%至約1 %重量的銅。另外，熔 敷焊縫的孔隙率小于約〇. 25英寸/英寸熔敷焊縫。
[0007] 在一個實施例中，制造管狀焊絲的方法包括在金屬外皮中布置焊芯。所述焊芯包 括有機(jī)穩(wěn)定劑成分，該成分包括有機(jī)分子或有機(jī)聚合物的鈉鹽或鉀鹽。所述焊芯包括稀土 成分，該成分包括鑭系中的一種或多種元素或化合物。所述焊芯還包括燒結(jié)塊，所述燒結(jié)塊 具有鉀、鈉、硅、鈦和錳中的一種或多種的氧化物。所述焊芯進(jìn)一步包括防腐蝕成分，該成分 包括鎳、鉻和銅中的一種或多種。所述方法還包括繞焊芯壓縮金屬外皮，以形成管狀焊絲。
【附圖說明】
[0008] 通過參考附圖閱讀下面的【具體實施方式】，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其他特 征、方面和優(yōu)點，在附圖中，相似符號代表相似部件，其中：
[0009] 圖1是根據(jù)本公開的實施例的氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)系統(tǒng)的框圖；
[0010] 圖2是根據(jù)本公開的實施例的管狀焊絲的截面圖；
[0011] 圖3是根據(jù)本公開的實施例的可使用管狀焊絲來焊接工件的過程;以及
[0012] 圖4是根據(jù)本公開的實施例的管狀焊絲的制造過程。
【具體實施方式】
[0013] 下文將對本公開的一個或多個具體實施例進(jìn)行說明。為了提供這些實施例的簡要 描述，說明書中可能并未描述實際實施方式的所有特征。應(yīng)理解的是，在任何這種實際實施 方式的開發(fā)過程中，例如，在任何工程或設(shè)計項目中，必須做出特定于實施方式的許多決 定，以實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，例如，遵從系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)約束條件，這些條件在各個 實施方式之間可能有所不同。另外，應(yīng)理解的是，這種在開發(fā)上的努力可能很復(fù)雜、耗時，但 是，對得益于本公開的普通技術(shù)人員而言是在設(shè)計、制造和生產(chǎn)過程中的例行任務(wù)。
[0014] 在介紹本公開的各個實施例的元件時，冠詞"一"、"一個"、"所述"和"該"旨在表示 有一個或多個元件。術(shù)語"包括"、"包含"、"具有"表示"包含"的意思，表示除所列元件之外， 可能還有額外元件。應(yīng)理解的是，本文中使用的術(shù)語"管狀焊條"或"管狀焊絲"可指具有金 屬外皮和粒狀或粉末狀焊芯的任何焊絲或焊條，例如，金屬芯或藥芯焊條。還應(yīng)理解的是， 術(shù)語"穩(wěn)定劑"或"添加劑" 一般可用于指改善電弧質(zhì)量、焊縫質(zhì)量，或以其他方式影響焊接 過程的管狀焊絲的任何成分。另外，本文使用的"約"一般可指近似值，在特定實施例中，所 述近似值可表示與實際值不到0.01 %、不到0.1 %或不到1 %的偏差（例如，高于或低于）。 即，在特定實施例中，近似值可精確到設(shè)定值的0.01%、0.1%或1%以內(nèi)（例如，加或減）。本 文使用的"不銹鋼"是包含至少10.5%重量的鉻和至少50%重量的鐵的任何鋼。不銹鋼的非 限制性示例列表包括:200系列不銹鋼、300系列不銹鋼和400系列不銹鋼。
[0015] 如上所述，特定類型的焊條(例如，管狀焊絲)可包括一種或多種成分(例如，焊劑、 電弧穩(wěn)定劑或其他添加劑），這些成分一般可改變焊接過程和焊縫的特性。例如，當(dāng)前公開 的特定焊條實施例包括一種或多種防腐蝕成分(例如，鎳、鉻、銅和/或其合金或混合物），這 些防腐蝕成分可使熔敷焊縫具有增強的或改善的防腐蝕性或防氧化性。另外，當(dāng)前公開的 特定焊條實施例包括有機(jī)穩(wěn)定劑(例如，基于纖維素衍生物的成分），有機(jī)穩(wěn)定劑一般可提 高電弧的穩(wěn)定性，同時提供對焊接涂層工件(例如，鍍鋅或氮化的工件)有益的還原氣氛。本 文使用的"有機(jī)穩(wěn)定劑"可指具有有機(jī)部分(例如，碳基分子或聚合物鏈)和穩(wěn)定劑部分(例 如，第I/II族金屬鐵)的有機(jī)鹽或有機(jī)金屬化合物。當(dāng)前公開的特定焊條實施例還包括稀土 成分(例如，鑭系元素合金、鑭系元素硅化物），稀土成分一般可有助于控制焊接期間電弧的 形狀和熔深。在特定實施例中，可使用低碳含量的金屬外皮，以在焊接期間產(chǎn)生(例如)較低 的飛濺率、較少的焊接煙塵和/或較小的工件焊縫熔深。另外，在特定實施例中，公開的管狀 焊絲可具有合適成分，以形成鉻含量相對較高(例如，4-6wt%的鉻）的熔敷焊縫，鉻可將氮 保留在熔敷焊縫內(nèi)的溶液中，以減少或防止焊縫氣孔?？衫斫獾氖?，焊接較高氮含量的工件 (例如，氮化鋼)時，提供低孔隙率熔敷焊縫(例如，孔隙率小于約0.25英寸或小于約0.10英 寸/英寸焊縫)特別有用。
[0016] 由此，在特定實施例中，當(dāng)前公開的管狀焊絲增強了涂層(例如，鍍鋅、鍍鋅退火、 鍍鋁、氮化、涂漆等)工件和/或較薄(例如，20、22、24規(guī)格或更薄)工件的可焊性，即使在高 運行速度下（例如，大于30in/min或大于40in/min)也是如此。進(jìn)一步，需要防腐蝕焊縫時， 公開的管狀焊絲的特定實施例的外皮和/或焊芯中的上述防腐蝕成分(例如，鎳、鉻、銅和/ 或其合金或混合物）與低碳鋼熔敷焊縫相比，可提高熔敷焊縫的防腐蝕性。在特定實施例 中，公開的管狀焊絲的外皮可為防腐蝕外皮，例如，美國焊接協(xié)會(AWS)A5.22規(guī)定的不銹鋼 外皮(例如，304、409、410或430不銹鋼）。另外，在特定實施例中，公開的管狀焊絲形成的防 腐蝕熔敷焊縫可為AWS A5.22規(guī)定的不銹鋼熔敷焊縫(例如，304、409、410或430不銹鋼）。通 過公開的管狀焊絲的特定實施例實現(xiàn)的提高的防腐蝕性可免除或補充特定焊后過程步驟， 例如，在沉積后制備熔敷焊縫并對其進(jìn)行涂覆(例如，鍍鋅）。另外，當(dāng)前公開的特定管狀焊 絲可拉伸為特定直徑（例如，0.024丨11、0.030丨11、0.035丨11、0.0375丨11、0.040丨11或其他合適直 徑），以提供良好傳熱和沉積速率和/或?qū)崿F(xiàn)較薄工件的焊接。
[0017] 轉(zhuǎn)向附圖，圖1圖解了根據(jù)本公開的使用焊條(例如，管狀焊絲）的氣體保護(hù)金屬極 電弧焊(GMAW)系統(tǒng)10的一個實施例。應(yīng)理解的是，雖然本討論具體的重點在于圖1所示的 GMAW系統(tǒng)10,但當(dāng)前公開的焊條可用于使用焊條的任何電弧焊工藝（例如，F(xiàn)CAW、FCAW-G、 GTAW、SAW、SMAW或類似電弧焊工藝）。焊接系統(tǒng)10包括焊接電源12、焊絲進(jìn)給器14、氣源系統(tǒng) 16和焊炬18。焊接電源12-般向焊接系統(tǒng)10提供電力，可通過電纜束20與焊絲進(jìn)給器14耦 接，并可利用具有線夾26的引線電纜24與工件22耦接。在所示實施例中，焊絲進(jìn)給器14通過 電纜束28與焊炬18耦接，以在焊接系統(tǒng)10運行期間向焊炬18提供可消耗的管狀焊絲（即，焊 條)和電力。在另一個實施例中，焊接電力單元12可與焊炬18耦接并直接向其提供電力。
[0018] 焊接電源12-般可包括功率轉(zhuǎn)換電路，所述功率轉(zhuǎn)換電路從交流電源30(例如，交 流電網(wǎng)、發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組，或其組合)接收輸入功率，調(diào)節(jié)輸入功率，并通過電纜20提供直 流或交流輸出功率。這樣，焊接電源12可向焊絲進(jìn)給器14提供電力，所述焊絲進(jìn)給器進(jìn)而根 據(jù)焊接系統(tǒng)10的需求向焊炬18提供電力。在線夾26中終止的引線電纜24將焊接電源12與工 件22耦接，以閉合焊接電源12、工件22與焊炬18之間的電路。焊接電源12可包括電路元件 (例如，變壓器、整流器、開關(guān)等），電路元件能按焊接系統(tǒng)10的命令的指示將交流輸入功率 轉(zhuǎn)換成直流正電極(DCEP)輸出、直流負(fù)電極(DCEN)輸出、直流可變極性、脈沖直流或可變平 衡(例如，平衡或非平衡)交流輸出。應(yīng)理解的是，當(dāng)前公開的焊條(例如，管狀焊絲)可實現(xiàn) 對多種不同電力配置下的焊接過程的改進(jìn)(例如，提高電弧穩(wěn)定性和/或提高焊縫質(zhì)量）。
[0019] 所示焊接系統(tǒng)10包括氣源系統(tǒng)16,所述氣源系統(tǒng)將一個或多個保護(hù)氣源17的保護(hù) 氣體或保護(hù)氣體混合物提供給焊炬18。在所示實施例中，氣源系統(tǒng)16通過氣體導(dǎo)管32與焊 炬18直接耦接。在另一個實施例中，氣源系統(tǒng)16可與焊絲進(jìn)給器14耦接，焊絲進(jìn)給器14可對 從氣源系統(tǒng)16到焊炬18的氣體的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文使用的"保護(hù)氣體"可指為了提供特定 局部氣氛(例如，為了保護(hù)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?nèi)鄯蠛缚p的化學(xué)性質(zhì)等)而提供給電弧和/或焊池的任何氣體或氣體混合物。在 特定實施例中，所述保護(hù)氣體流可為保護(hù)氣體或保護(hù)氣體混合物（例如，氬氣(Ar)、氦氣 (He)、二氧化碳(C0 2)、氧氣(02)、氮氣(N2)、類似合適保護(hù)氣體或其任何混合物）。例如，保護(hù) 氣體流（例如，通過導(dǎo)管32輸送）可包括Ar、Ar/⑶2混合物（例如，Ar中⑶2的含量為1 %至 99% )、Ar/C〇2/〇2混合物、Ar/He混合物等。根據(jù)具體示例，在特定實施例中，所述保護(hù)氣體流 可包含 100%Ar;75%Ar 和 25%C02;90%Ar 和 10%C02;或 98%Ar 和 2%〇2。
[0020] 由此，所示焊炬18-般從焊絲進(jìn)給器14接收焊條（即，管狀焊絲）、電力，從氣源系 統(tǒng)16接收保護(hù)氣體流，以對工件22執(zhí)行GMAW。在操作期間，所述焊炬18可靠近工件22,以便 在可消耗焊條(即，離開焊炬18的接觸尖端的焊絲)與工件22之間形成電弧34。另外，如下文 所述，通過控制焊條(即，管狀焊絲)的成分，可改變電弧34和/或形成的焊縫的化學(xué)性質(zhì)(例 如，成分和物理特性）。例如，所述焊條可包括助熔或合金化成分，這些成分可影響焊接過程 (例如，起電弧穩(wěn)定劑的作用），并進(jìn)一步地可至少部分融合在焊縫中，影響焊縫的機(jī)械特 性。另外，所述焊條（即，焊絲）的特定成分還可在電弧附近提供額外的保護(hù)氣氛，影響電弧 34的轉(zhuǎn)移特性，將工件表面脫氧，限制熔敷焊縫的氧化或腐蝕等。
[0021]當(dāng)前公開的焊絲的一個實施例的斷面如圖2所示。圖2圖解了包括金屬外皮52的管 狀焊絲50,所述金屬外皮封裝粒狀或粉末狀焊芯54(也稱為填料）。在特定實施例中，管狀焊 絲50可符合一個