專利名稱：焊縫外觀控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及弧焊領(lǐng)域，更特別的涉及控制電弧能量。本發(fā)明特別針對補充較低能量弧焊技術(shù)，從而獲得來自較高能量焊接的焊接性能和特征。
背景技術(shù)：
在使用藥芯焊條的弧焊中，希望使電弧的長度盡可能短。短電弧使來自周圍環(huán)境或者保護氣體的氧和氫引起的焊接金屬的污染最小化，因此降低了焊接中對消除劑(killing agent)的需要，例如鎂、鋁、硅、鈦和/或鋯。由于污染和消除試劑對焊接沉積的物理性能會是有害的，因此將電弧的長度最小化是輔助提高這些性能的一個方法。
然而，縮短電弧的長度，或者通過簡單的降低電弧電壓或者通過高級的波形控制技術(shù)，就可以得到冷焊接熔池，其導(dǎo)致差的焊縫外形(例如凸起或者“破舊的”外形)以及缺陷例如缺少融合和熔渣卷入。因此，需要一種技術(shù)，其中電弧長度可以被縮短，而避免一些問題例如以其它方式來自短電弧長度的不完美焊縫外形。另外，希望提供焊接消費品，例如焊條，其被特別加工成在給定焊接功率水平或者降低的水平下提供具有預(yù)定系列特征的焊接熔池，例如期望的外形和輪廓。
在焊接過程中金屬沉積的速率影響所得到焊接的性能和整個產(chǎn)率。然而，來自較高沉積速率的產(chǎn)率的提高，被與高能量弧焊工藝相關(guān)的提高的能量需求所抵消。因此，有利的是提供一種策略，通過其可以獲得提高的沉積速率而沒有額外增加的焊接能量需求。
焊接金屬性能至少被焊接組裝部件的冷卻速率影響，其反之依賴于在焊接過程中組裝部件達到的溫度。正如已知的，可以通過調(diào)節(jié)輸入到弧焊器中的能量來調(diào)節(jié)焊接溫度。然而，從能量成本的角度來看，通常希望的是使用降低的能量水平。因此，期望的是提供一種技術(shù)，以達到特別的焊接溫度而無需提高焊接能量水平。
而且，得到特別的焊接金屬組合物是焊接技術(shù)中持續(xù)的目標。盡管在先技術(shù)已經(jīng)在這些方面取得了顯著的進步，但是通過選擇特別焊接消費品來生產(chǎn)期望的焊接金屬組合物，而不是通過考慮焊接器的能量需求。如前面所提到的，增加的能量成本一直是受關(guān)注的。因此，如果可以制備某些焊接金屬組合物并且降低焊接器的能量需求，這將是有利的。因此，需要一種策略，其中可以生產(chǎn)特別的焊接金屬組合物，結(jié)合了減少對焊接單元的全部能量需求。
所有提到的目標涉及獲得特別的焊接特征或者性能，優(yōu)選不提高輸入到焊接單元的電功率。

發(fā)明內(nèi)容
在第一個方面，本發(fā)明提供了一種將焊接單元的熱能量輸出提高到特定量的方法，而沒有增加輸入到焊接單元的電功率。該方法包括利用焊接消費品，其包括(i)至少一種活性金屬以及(ii)至少一種氧化物。對這些組分在數(shù)量和性能方面進行選擇以便在弧焊操作過程中(i)和(ii)之間發(fā)生至少一種放熱反應(yīng)，其進而產(chǎn)生特定量的能量。
在另一個方面中，本發(fā)明提供了一種用于從弧焊操作過程中得到相同的熱能輸出而降低輸入到弧焊儀的電功率特定量的方法。該方法包括利用一種焊接消費品，其包括(i)至少一種活性金屬以及(ii)至少一種氧化物。對這些組分在數(shù)量和性能方面進行選擇以便在弧焊操作過程中(i)和(ii)之間發(fā)生至少一種放熱反應(yīng)，其進而產(chǎn)生特定量的能量。
通過下面的描述結(jié)合附圖
，這些和其它目標和優(yōu)勢將變得清楚。
優(yōu)選實施方式根據(jù)本發(fā)明，在焊接操作過程中，通過適當選擇焊接消費品中特別的組分、它們的量和/或比例，對焊接進行加熱。加入的熱量不是通過使用相對長的弧長度實現(xiàn)的從而獲得令人滿意的焊縫外形。這就是，通過使用這里所述的優(yōu)選實施方式，可以避免本領(lǐng)域已知不期望的焊縫外形例如凸起或者“破舊的”外形，而使用相對短的電弧長度。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過適當?shù)剡x擇焊接消費品的組分、它們的量和/或比例，也可以改善在電弧中所產(chǎn)生的熱，這導(dǎo)致通過使用相似的能量輸出改善金屬沉積的速率。
本發(fā)明的策略還使對冷卻速率的改善成為可能，從而在相同的焊接程序中改善了焊接金屬性能。通過對焊接消費品中的組分、它們的量和/或比例進行適當選擇得到了改善的冷卻速率和焊接金屬性能。
另外，本發(fā)明使對焊接金屬組合物的改善成為可能，從而控制了焊接金屬某些相的形成。這是通過對焊接消費品中的組分、它們的量和/或比例進行適當選擇得到的。例如，通過將填充物中的鋁提高到焊條填充物的20％，并提高反應(yīng)性氧化物到適當?shù)暮?；防止多余量的鋁以其它方式進入固體溶液中，這樣通過固化形成了δ鐵素體。已經(jīng)建立了δ鐵素體以引起焊接金屬中的差韌性。
而且，本發(fā)明可以對焊條的操作范圍進行改善到適當?shù)膽?yīng)用，其通過適當選擇焊接消費品中的組分、它們的量和/或比例。對于需要高沉積速率的應(yīng)用，可以選擇焊接消費品中的組分，進而允許焊條在較高的速率下操作而沒有電弧不穩(wěn)定性。也就是電弧越熱，等離子體越穩(wěn)定。例如，在每分鐘110英寸的弧焊應(yīng)用操作中，使用本發(fā)明的焊條組合物能夠使操作速率提高達到150英寸每分鐘，提高了大約36％。對于需要快速冷卻熔池的應(yīng)用，可以選擇焊接消費品中的組分以使焊條在足夠低的熱量輸出下進行操作，其產(chǎn)生的熱恰好足夠用于電弧中穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明通過選擇和使用焊接消費品的特別組合物得到了前面的所有策略。術(shù)語“焊接消費品”是指焊條、焊劑以及其他通常用作各種焊接操作中焊接供給的材料。本發(fā)明的組合物使用材料在特定量和/或比例的特別結(jié)合以促進在焊接過程中發(fā)生的放熱反應(yīng)的熱能釋放，以及對焊接消費品的高溫加熱。
更特別的，通過在焊接消費品中包含一些材料，例如藥芯焊條的芯，其能夠互相發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，可以達到各種目標，例如為焊接加熱而不加長電弧。例如，已知鋁金屬與鐵鱗(氧化鐵)可以用作如下。所形成的氧化鋁變成部分熔渣，所形成的鐵成為焊接金屬。鋁和氧化鐵之間的反應(yīng)是焊接領(lǐng)域中最常見的放熱反應(yīng)。該反應(yīng)也被稱作“鋁熱”反應(yīng)。盡管這是放熱反應(yīng)的例子，但是如果這里沒有特殊說明的話，其通常適合用于電弧焊中，并特別的用于使用藥芯焊條的應(yīng)用中。
根據(jù)本發(fā)明，提供了各種特別優(yōu)選用于焊接消費品的組合物，特別用于焊條組合物，其由于特別含有了反應(yīng)物和/或一定反應(yīng)物的量，經(jīng)歷了一個或者多個放熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生了用于所得到焊接的熱。所產(chǎn)生的熱降低了電功率輸入(以其他方式電弧所必需的)，從而使電弧長度能夠相對的短。
特別的，優(yōu)選的實施方式方法和焊條組合物表示了各種活性金屬和氧化物的結(jié)合，其可以進行放熱反應(yīng)。這些放熱反應(yīng)的例子包括但不限于；；；；；；；；。
除了調(diào)節(jié)焊接熔池的溫度和流動性外，與這些類似的反應(yīng)可以用于調(diào)節(jié)焊接金屬的合金含量。這些或相似的反應(yīng)可以添加期望的合金化元素例如錳(通過與上述類似的反應(yīng))或者鉻。
這些或者相似的反應(yīng)也可以用于控制或者去除在某些情況或者某些量的不希望的元素，例如鋁、硅或者鈦。也就是，這些或者相似的反應(yīng)可以用于焊接操作中以選擇性地從焊接環(huán)境中消耗元素。
在焊接消費品例如焊條組合物中含有的活性金屬的非限制性例子包括鎂、硅、鈦、鋯、鋁及其組合。
在焊接消費品例如焊條組合物中含有的氧化物的非限制性例子包括氧化鐵、氧化錳及其組合。
根據(jù)本發(fā)明，可以以這種相同的方式使用活性金屬和氧化物的組合。理論上，任何熱力學(xué)上可能的反應(yīng)都能夠吸收熱(吸熱的)或者產(chǎn)生熱(放熱的)。前面所述的金屬鋁和氧化鐵之間的反應(yīng)是最強的放熱反應(yīng)之一。但是，除了鐵、錳、氧化硅外，鋁也可以和硼、碳、鈦、釩、鉻、鈷、鎳、銅、鋯、鈮和鉬的氧化物發(fā)生放熱反應(yīng)，例如命名的那些元素在鋼鐵冶金中發(fā)揮重要作用。鎂可以和硼、碳、硅、鋯、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鈮和鉬的氧化物發(fā)生放熱反應(yīng)。鋯可以和硼、碳、硅、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮和鉬的氧化物發(fā)生放熱反應(yīng)。鈦可以和硼、碳、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮和鉬的氧化物發(fā)生放熱反應(yīng)。硅可以和碳、錳、鐵、鈷、鎳和銅的氧化物發(fā)生放熱反應(yīng)。
將所提到進行放熱反應(yīng)的活性金屬和氧化物加入到焊接消費品中，優(yōu)選芯焊條。
芯焊條被連續(xù)供給具有粉末焊劑和/或合金成分芯的管狀金屬外殼。這些可以包括焊劑成分、除氧和除氮試劑、合金材料以及提高韌性和強度、改進抗腐蝕性和穩(wěn)定電弧的成分。典型的芯材料可以含有鋁、鈣、碳、鉻、鐵、錳以及其他的成分和材料。盡管藥芯焊條是更廣泛使用的，在焊接合金鋼時，金屬芯產(chǎn)品對于調(diào)節(jié)填充物金屬組合物是有用的。金屬芯焊條中的粉末通常是金屬和合金粉末，而不是化合物，其只是在焊接的表面產(chǎn)生小的熔渣島。相反，在焊接的過程中，藥芯焊條焊條產(chǎn)生延長的熔渣覆蓋，其支持和塑形焊縫。
通過使用焊接消費品例如藥芯焊條中活性金屬和氧化物的特定組合、量和/或比例，可以選擇性地調(diào)節(jié)電弧中所產(chǎn)生的熱以及電弧的溫度。對電弧溫度的選擇性調(diào)解和控制能夠改善和控制金屬沉積的速率，而無需借助于調(diào)節(jié)輸入到焊接單元的功率水平。
另外，通過使用焊接消費品例如藥芯焊條中活性金屬和氧化物的特定組合、量和/或比例，可以選擇性地獲得期望的冷卻速率，從而獲得相應(yīng)的焊接金屬性能，而無需借助于調(diào)節(jié)輸入到焊接單元的功率水平。
而且，通過使用焊接消費品例如藥芯焊條中活性金屬和氧化物的特定組合、量和/或比例，可以選擇性地改善焊接金屬組合物，從而控制了焊接金屬中某些相的組成。此外，這種選擇性控制無需借助于調(diào)節(jié)輸入到焊接單元的功率水平。
而且，通過使用焊接消費品例如藥芯焊條中活性金屬和氧化物的特定組合、量和/或比例，可以改善這樣消費品的操作范圍用于特定的應(yīng)用。這種選擇性加工焊接消費品以進行期望的應(yīng)用無需借助于調(diào)節(jié)輸入到焊接單元的功率水平而完成。
能夠提高來自電弧焊接單元所產(chǎn)生的電弧的熱能輸出，而不增加輸入到焊接單元的電功率。提高的熱能輸出是通過利用焊接組合物達到的，該焊接組合物含有至少一種活性金屬和至少一種氧化物，其在焊接過程中進行一種或者多種放熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生了提高的電弧輸出熱能?？梢詫钚越饘俸脱趸锏牧亢捅壤M行選擇以生產(chǎn)期望量的提高的電弧熱能輸出，其通過適當?shù)丶雍透髯苑磻?yīng)的熱。提高的程度可以為大約1％～大約100％或者更多，通常為大約5％～大約15％?？梢越邮艿氖牵ǔ?yōu)選獲得盡可能大的提高，只要產(chǎn)生期望的焊接特征和性能。
除了提高電弧的熱能輸出而不提高電功率需求外，還提供了一種方法以獲得相同的電弧熱能輸出，而不降低電功率需求。該方法包括使用一種焊接消費品，其含有至少一種活性金屬和至少一種氧化物，在電弧焊接過程中進行一種或者多種放熱反應(yīng)。放熱反應(yīng)所放出的熱貢獻為電弧的能量，這樣降低了電弧焊接器對電功率的需求。可以對活性金屬和氧化物的量和比例進行選擇以生產(chǎn)期望量的提高的電弧熱能輸出，其通過適當?shù)丶雍透髯苑磻?yīng)的熱。對電功率需求的降低的程度可以為大約1％～大約100％或者更多，通常為大約5％～大約15％。通常優(yōu)選的是獲得盡可能大的提高，只要產(chǎn)生期望的焊接特征和性能。
對照實施例在使用典型“傳統(tǒng)”自保護藥芯電弧焊(FCAW-S)焊條進行焊接時，將0.078英寸直徑的焊條補給入電弧，其速率為90英寸每分鐘。該工藝使用直流電，焊條為負極。將電弧電壓設(shè)定在19～20伏。電流有某些變動以維持穩(wěn)定的焊劑熔出速率。在這些條件下，電弧產(chǎn)生了大約4.4千瓦或者264,000焦耳每分鐘的平均功率。
然而，當以相同的焊劑熔出速率使用控制波形交流電進行焊接的時候，電弧功率為大約4.1千瓦或者246,000焦耳每分鐘，小于傳統(tǒng)工藝大約7％。這種較低的電弧功率是與較短的物理電弧長度相關(guān)，其在減少電弧和焊接熔池的暴露免受大氣污染方面有優(yōu)勢。然而，該較低的功率也意味著焊接熔池和熔渣傾向于更快地冷卻，有時在焊接金屬有機會適當濕潤和熔合連接之前。這可以導(dǎo)致“冷隔”、熔渣卷入以及其他的焊接缺陷。
除了由于電流經(jīng)過焊接電弧所產(chǎn)生的熱外，將熱加入到焊接的另一個策略是通過焊條芯中材料之間的化學(xué)反應(yīng)。上面所提到的“傳統(tǒng)”FCAW-S焊條含有金屬鋁以及2.8重量％的氧化鐵。在傳統(tǒng)焊條中，加入氧化鐵以提供對由于某些其他化合物所引起吸濕的穩(wěn)定性，而不必要產(chǎn)生熱。然而，通過對焊接金屬和熔渣的分析，已知大約60％的氧化鐵和鋁發(fā)生下面的反應(yīng)
所產(chǎn)生的金屬鐵成為焊接沉積中鋼的一部分，而氧化鋁形成了部分熔渣。當以每分鐘90英寸焊絲的熔出速率進行焊接時，該反應(yīng)每分鐘釋放大約3,800焦耳。
已經(jīng)向使用控制波形交流電的FCAW-S焊條的芯中加入額外的反應(yīng)物以彌補較低的電弧功率。這種類型的代表焊條含有6重量％的氧化鐵，加1.85％的氧化錳，加0.7％的二氧化硅，同時有充足的金屬鋁。錳和硅的氧化物也會和鋁發(fā)生反應(yīng)
。
通過對焊接金屬和熔渣的分析，已知大約60％的氧化錳和50％的二氧化硅與鋁發(fā)生反應(yīng)。在以每分鐘90英寸焊絲的熔出速率進行焊接時，這三種反應(yīng)共同每分鐘產(chǎn)生了總共19,300焦耳。
對于傳統(tǒng)的工藝264,000J/分鐘(電弧能量)+3,800J/分鐘(放熱反應(yīng))＝267,800J/分鐘(總共)對于控制波形交流電工藝246,000J/分鐘(電弧能量)+19,300J/分鐘(放熱反應(yīng))＝265,300J/分鐘(總共)
這兩種工藝之間所產(chǎn)生熱的差別只有大約1％。通過放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱產(chǎn)生了外形、濕潤和熔合能夠與傳統(tǒng)工藝相比較的焊接。
在美國專利5,369,244、5,365,036、5,233,160、5,225,661、5,132,514、5,120,931、5,091,628、5,055,655、5,015,823、5,003,155、4,833,296、4,723,061、4,717,536、4,551,610和4,186,293中提供了用于焊接的電弧焊接材料以及特別的藥芯焊條的進一步詳細描述，所有這些在此作為參考加以引用。
前面的描述目前被認為是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。然而，可以預(yù)見的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行各種顯而易見的改變和改善，而不離開本發(fā)明的范圍。因此，前面的描述用于覆蓋包括在本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的所有這些改變和改善，其包括所有等價的方面。
權(quán)利要求
1.一種用于將來自電弧焊單元的電弧焊操作的熱能輸出提高到特定量的方法，其不增加輸入到焊接單元的電功率，該方法包括利用一種焊接消費品，其包括(i)至少一種活性金屬以及(ii)至少一種氧化物，其中對(i)和(ii)在數(shù)量和比例方面進行選擇，以便在電弧焊操作過程中(i)和(ii)之間發(fā)生至少一種放熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生特定量的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)選自鎂、硅、鈦、鋯、鋁及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中氧化物(ii)選自氧化鐵、氧化錳及其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)是鋁，氧化物(ii)選自氧化鐵、氧化錳、氧化硅、氧化硼、氧化碳、氧化鈦、氧化釩、氧化鉻、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)是鎂，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化鈦、氧化釩、氧化鉻、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)是鋯，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化釩、氧化鉻、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)是鈦，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化釩、氧化鉻、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中活性金屬(i)是硅，氧化物(ii)選自氧化碳、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅及其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焊接消費品是藥芯焊條。
10.一種在使用電弧焊單元的電弧焊操作中獲得相同熱能輸出的方法，其將輸入到電弧焊單元的電功率降低特定量，該方法包括利用一種焊接消費品，其包括(i)至少一種活性金屬以及(ii)至少一種氧化物，其中對(i)和(ii)在數(shù)量和比例方面進行選擇，以便在電弧焊操作過程中(i)和(ii)之間發(fā)生至少一種放熱反應(yīng)，從而產(chǎn)生特定量的能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是選自鎂、硅、鈦、鋯、鋁及其組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中氧化物(ii)選自氧化鐵、氧化錳及其組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是鋁，氧化物(ii)選自氧化鐵、氧化錳、氧化硅、氧化硼、氧化碳、氧化鈦、氧化釩、氧化鉻、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是鎂，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化鈦、氧化釩、氧化鉻、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是鋯，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化硅、氧化釩、氧化鉻、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是鈦，氧化物(ii)選自氧化硼、氧化碳、氧化釩、氧化鉻、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鈮、氧化鉬及其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中活性金屬(i)是硅，氧化物(ii)選自氧化碳、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅及其組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述焊接消費品是藥芯焊條。
全文摘要
公開了用于焊接消費品的技術(shù)和組合物，該技術(shù)和焊條組合物能夠降低在電弧焊操作中焊接金屬的污染程度。這些技術(shù)和組合物促進了焊接工藝過程中的放熱反應(yīng)，其降低了其他方式所必需的電弧能量。較低能量的電弧具有較短長度，從而減少了來自大氣或保護氣體的試劑所造成的焊接污染的可能性。這些技術(shù)和組合物還可以用于選擇性地制作得到焊接的外形，獲得特定的焊接沉積速率，獲得特定的冷卻速率，從而影響焊接性能，并能夠形成焊接金屬中的某些相。
文檔編號B23K35/22GK1872476SQ200610085100
公開日2006年12月6日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者帕特里克·T.·索爾蒂斯, 巴德利·K.·那拉亞男 申請人:林肯環(huán)球公司