根部焊道焊接方案的制作方法
【專利說明】根部焊道焊接方案
[0001] 相關(guān)申請的參見引用
[0002] 本申請要求2012年7月30日提交的標(biāo)題為"根部焊道焊接解決方案"的美國臨 時(shí)申請序列號61/677, 143的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，為了所有目的該申請的全部內(nèi)容以參見的方 式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 本系統(tǒng)和方法總體上涉及焊接系統(tǒng)領(lǐng)域，并且更具體地涉及具有自保護(hù)電極的藥 芯焊絲電弧焊系統(tǒng)（FCAW-S)。
[0004] 焊接是在各種行業(yè)的多種應(yīng)用中已變得普遍存在的工藝。例如，焊接經(jīng)常被用于 諸如造船、海上平臺、建筑、乳管機(jī)等應(yīng)用中、弧焊系統(tǒng)通常將電流施加到電極以在電極和 工件之間形成弧，從而在工件上形成焊接沉積物。一般來說，電極可以是推進(jìn)焊接系統(tǒng)到達(dá) 工件的連續(xù)的焊絲。進(jìn)一步地，焊絲的化學(xué)組分和成分的物理狀態(tài)可顯著地影響焊縫質(zhì)量。
[0005] 例如，在藥芯焊絲電弧焊（FCAW)過程中，隨著電極和工件被電弧加熱，電極的一 部分和工件的一部分可熔化并混合以形成焊接沉積物。對于某些焊接應(yīng)用，工件被焊接在 一起的部分可被設(shè)置為間隔開。通過具體范例，在管道的根部焊道焊接過程中，根部焊道焊 縫可橫穿根部開口與管道的一部分熔融在一起；然而，焊根間隙增加了焊接工藝的復(fù)雜性。 例如，在根部焊道焊接過程中，可使用襯墊以在焊接過程中支撐在根部開口中的熔融材料， 該熔融材料可增加與各焊接操作相關(guān)的成本和時(shí)間。此外，在根部焊道焊接過程中，可使用 保護(hù)氣體替換圍繞熔融的焊接沉積物的環(huán)境以改善焊接沉積物的特性（如限制孔隙度和 脆性）。然而，使用保護(hù)氣體增加了焊接系統(tǒng)的重量、復(fù)雜性和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個實(shí)施例中，管狀焊絲包括芯體和圍繞芯體設(shè)置的護(hù)套。進(jìn)一步地，管狀焊絲 包括重量大于約2. 4%的玻璃狀熔渣催化劑。
[0007] 在另一個實(shí)施例中，一種焊接電極的制造方法，包括：提供顆粒狀芯體，其中提供 顆粒狀芯體包括將第一團(tuán)聚物和第二團(tuán)聚物與玻璃狀熔渣催化劑混合。該方法進(jìn)一步包括 將顆粒狀芯體設(shè)置在金屬護(hù)套內(nèi)以形成焊接電極，其中焊接電極包括重量大于約2. 4%的 玻璃狀熔渣催化劑。
[0008] 在另一個實(shí)施例中，一種焊接方法，包括：將焊絲饋送到焊接設(shè)備內(nèi)，以及在短路 傳輸模式下在工件上形成至少部分焊絲的焊接沉積物。該方法進(jìn)一步包括在多個階段將電 流供給到焊接設(shè)備。該多個階段包括球狀階段，該球狀階段配置為通過將電流增加到第一 電流電平，以在焊絲末端處形成熔融球并將焊池推至工件中。
【附圖說明】
[0009] 本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)變得更 好理解，全部附圖中相同標(biāo)記代表相同部件，其中 ：
[0010] 圖1是根據(jù)本公開的各方面的具有控制電路和送絲器的焊接系統(tǒng)的框圖；
[0011] 圖2是根據(jù)本公開的各實(shí)施例的管狀焊絲的橫截面視圖；
[0012] 圖3是根據(jù)本公開的各方面的管接頭的實(shí)施例的示意圖；
[0013] 圖4是根據(jù)本公開的各方面的V形-凹槽接合處的實(shí)施例的示意圖；
[0014] 圖5是根據(jù)本公開的各方面的J形-凹槽接合處的實(shí)施例示意圖；
[0015] 圖6是根據(jù)本公開的各方面的短路焊接自保護(hù)管狀焊絲的實(shí)施例的流程圖；以及
[0016] 圖7是根據(jù)本公開的各方面的短路焊接循環(huán)的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 要介紹，在說明書中可以不描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。應(yīng)當(dāng)意識到在開發(fā)任 何這樣的實(shí)際實(shí)施方式時(shí)，例如在任何的工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，都必須做出大量的實(shí)施方式 專用決策，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束條件，而這些 特定目標(biāo)在不同的實(shí)施方式中可能有所不同。而且，應(yīng)該意識到盡管這樣的開發(fā)工作可能 是復(fù)雜且耗時(shí)的，但對受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說這仍然是一種從事設(shè)計(jì)、 制造和加工的常規(guī)手段。
[0018] 如前所述，在根部焊道焊接過程中，根部開口使得焊接工藝復(fù)雜化。例如，在典型 的根部焊道焊接過程中，可使用襯墊以在焊接操作期間支撐在根部開口中的熔融材料，并 且可使用保護(hù)氣體替換圍繞熔融的焊接沉積物的周圍環(huán)境。然而，如上所述，襯墊和/或保 護(hù)氣體的使用增加了焊接系統(tǒng)和焊接操作的復(fù)雜性、重量和成本。
[0019] 同樣地，當(dāng)前實(shí)施例包括管狀焊絲，該管狀焊絲通?？赏ㄟ^從根部焊道焊接操作 和/或其他類似的焊接操作中消除襯墊、保護(hù)氣體或兩者來改善根部焊道焊接。因此，在此 公開的管狀焊絲的實(shí)施例包括通常改變焊接工藝和/或所得的焊縫的特性的許多成分。例 如，在某些實(shí)施例中，管狀焊絲的一種或多種成分可在被加熱時(shí)提供靠近焊弧的保護(hù)環(huán)境、 影響焊弧的傳輸特性、將工件的表面脫氧和/或脫氮和/或其他需要的效果。進(jìn)一步地，自 保護(hù)管狀焊絲的某些成分，例如某些氧化物（如二氧化硅）可被配置為在焊接操作過程中 確實(shí)地增強(qiáng)焊池，使得在此公開的管狀焊絲的某些實(shí)施例能夠在沒有襯墊的情況下實(shí)施敞 開根部焊道焊縫。
[0020] 因此，當(dāng)前公開的焊接系統(tǒng)和方法的實(shí)施例使得自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊系統(tǒng) (FCAW-S)能夠在沒有襯墊和/或外部保護(hù)氣體供給的情況下實(shí)施敞開根部焊道焊接。同樣 地，公開的FCAW-S焊接系統(tǒng)實(shí)施例可以比使用外部保護(hù)氣體供給的焊接系統(tǒng)更加不復(fù)雜， 重量更輕和/或成本更低。進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)意識到，除了焊絲所提供的特征外，焊接系統(tǒng)的 焊接工藝也需要具有某些特性。例如，在此公開的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例可被配置為使用短路 傳輸模式（如調(diào)整的金屬沉積模式，RMD?)，該短路傳輸模式提供用于焊接操作的持續(xù)時(shí)間 內(nèi)對電流的完全控制（如控制焊絲的一部分在工件上的沉積）。例如，在某些實(shí)施例中，使 用前述的電流控制，焊接系統(tǒng)可被配置為以相對低的飛濺率在液滴或精細(xì)液滴短路傳輸模 式下沉積焊縫金屬。進(jìn)一步地，在某些實(shí)施例中，如將在下文中詳細(xì)描述的，電流可在消除 短路前立即降低以在消除之后減少由弧產(chǎn)生的飛濺。
[0021] 考慮到前述內(nèi)容，圖1是配置為將管狀焊絲12 (將在下文中詳細(xì)討論的）供給到 焊炬14的焊接系統(tǒng)10的框圖。在圖示實(shí)施例中，焊接系統(tǒng)10是FCAW-S焊接系統(tǒng)；然而， 本方法可為其他類型的焊接系統(tǒng)（如GMAW、SAW或其他類似的焊接系統(tǒng)）提供某些益處。 焊接系統(tǒng)10包括可操作地聯(lián)接到焊炬14的基本單元16。焊炬14靠近工件18 (如管接合 處）放置允許由電源20供給的電流形成從管狀焊絲12 (如焊接電極）到工件18的弧22。 弧22完成從電源20到管狀焊絲12,到工件18,然后通過接地夾24和接地線纜26回到地 面的電路。接地線纜26穿過控制電路28可操作地聯(lián)接到電源20。由弧22產(chǎn)生的熱可使 得管狀焊絲12和/或工件18轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)（如焊池），以促進(jìn)焊接操作。
[0022] 基本單元16為用于焊接應(yīng)用的焊炬14供電、控制焊炬14,并將耗材供給到焊炬 14。送絲器30將管狀焊絲12從電極供給裝置32 (如線軸）供給到焊炬14。電源20可包 括電路元件（如變壓器、整流器、交換器等），該電路元件能夠根據(jù)焊接系統(tǒng)10的要求所指 示的那樣將AC輸入電力轉(zhuǎn)換為直流正接（DCEP)輸出、直流反接（DCEN)輸出、DC可變極性、 脈沖DC或可變平衡（如平衡的或不平衡的）AC輸出。在一些實(shí)施例中，電源20可以是恒 流電源。
[0023] 應(yīng)當(dāng)意識到，當(dāng)實(shí)施敞開根部焊接工藝時(shí)，能夠改進(jìn)在此公開的基本單元16。例 如，為了精確地控制熔融材料從管狀焊絲12沉積在工件18 (例如，接合處72)上，控制電路 28控制電源20和送絲器28。該控制電路28可通過調(diào)節(jié)供給到焊炬14的電壓和電流的波 形來控制供給到焊炬14的電力。在某些實(shí)施例中，控制電路28可通過一系列階段控制電源 20,以將電力以所需的電平供給焊炬14,該一系列階段可限定管狀焊絲12的傳輸模式（例 如，液滴或小液滴傳輸模式）。電源20可通過快速調(diào)節(jié)供給到焊炬14的電流和電壓來將所 需電平提供給焊炬14?？刂齐娐?8可通過電壓傳感器34和電流傳感器36監(jiān)測供給電壓 和電流。
[0024] 通過改變供給到圖1所示的焊炬14的電壓和電流，控制電路28可控制弧22的強(qiáng) 度，以及相應(yīng)地控制熔融材料從管狀焊絲12沉積到工件18上的方式。在一個實(shí)施例中，控 制電路28可根據(jù)存儲在存儲器38并由處理器40執(zhí)行的預(yù)定的算法來改變供給到焊炬14 的電力。在某些實(shí)施例中，存儲器38可以是包括一個或多個有形的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的任何 合適的制品，該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)至少共同地存儲程序、應(yīng)用、模塊、進(jìn)程等形式的數(shù)據(jù)和指 令。例如，存儲器38可以包括只讀存儲器（ROM)，隨機(jī)存取存儲器（RAM)，磁存儲器，光存儲 器，或它們的任意組合。處理器40可被配置為執(zhí)行存儲在存儲器38中的指令。處理器40 還可被配置為處理來自電壓和電流傳感器34、36的信號以確定傳輸模式的階段。在某些實(shí) 施例中，處理器40可被配置為預(yù)測管狀焊絲12與工件18之間的短路的消除。應(yīng)當(dāng)意識到， 預(yù)測短路和短路的消除使得控制電路28通過在消除之后降低電流來減少飛濺。
[0025] 如圖1所示，控制電路28可聯(lián)接到操作員界面42。操作員界面42可包括配置為 使得操作員能夠調(diào)芐基本單元16的輸入設(shè)備44(例如刻度盤、按鈕