CN105612024B - 用于防腐蚀焊条的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明总体涉及焊接，更具体而言，涉及用于电弧焊，例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)或药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊丝。公开的管状焊丝具有外皮和焊芯，所述管状焊丝包括有机稳定剂成分、稀土成分和防腐蚀成分，所述防腐蚀成分包括镍、铬和铜的一种或多种。

Description

用于防腐蚀焊条的系统和方法

交叉引用

本申请要求于2013年10月9日提交、标题为“用于防腐蚀焊条的系统和方法”的序列号为61/888,965的美国临时申请以及2014年9月24日提交、标题为“用于防腐蚀焊条的系统和方法”的序列号为62/054,818的美国临时申请的优先权和权益。这些临时申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

背景技术

本发明总体涉及焊接，更具体而言，涉及用于电弧焊，例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)或药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊条。

焊接是各个行业中为各种应用普遍采用的一种过程。例如，焊接通常用于如造船、海上平台、建筑、轧管机等应用。特定焊接技术(例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)和钨极气体保护电弧焊(GTAW))一般在焊接过程中采用保护气体(例如，氩气、二氧化碳或氧气)在焊弧和焊池之内和周围提供特定局部气体，而其他焊接技术(例如，药芯焊丝电弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)和自动保护金属极电弧焊(SMAW))并非如此。另外，特定焊接类型可能涉及焊丝形式的焊条。焊丝一般可在焊接过程中为焊接提供填充金属，并为电流提供路径。另外，特定类型的焊丝(例如，管状焊丝)可包括一种或更多种成分(例如，焊剂、电弧稳定剂或其他添加剂)，这些成分一般可改变焊接过程和/或产生的焊缝的特性。

发明内容

在一个实施例中，管状焊丝具有外皮和焊芯，所述管状焊丝包括有机稳定剂成分、稀土成分和防腐蚀成分，所述防腐蚀成分包括镍、铬和铜的一种或更多种。

在一个实施例中，在涂层工件上形成防腐蚀焊缝熔敷物。所述焊缝熔敷物包括约0.5％至约21％重量的铬、约0.02％至约12％重量的镍，以及约0.05％至约1％重量的铜。另外，焊缝熔敷物的孔隙率小于约0.25英寸/英寸焊缝熔敷物。

在一个实施例中，制造管状焊丝的方法包括在金属外皮中布置焊芯。所述焊芯包括有机稳定剂成分，该成分包括有机分子或有机聚合物的钠盐或钾盐。所述焊芯包括稀土成分，该成分包括镧系中的一种或更多种元素或化合物。所述焊芯还包括烧结块，所述烧结块具有钾、钠、硅、钛和锰中的一种或更多种的氧化物。所述焊芯进一步包括防腐蚀成分，该成分包括镍、铬和铜中的一种或更多种。所述方法还包括绕焊芯压缩金属外皮，以形成管状焊丝。

附图说明

通过参考附图阅读下面的具体实施方式，可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，相似符号代表相似部件，其中：

图1是根据本公开的实施例的气体保护金属极电弧焊(GMAW)系统的框图；

图2是根据本公开的实施例的管状焊丝的截面图；

图3是根据本公开的实施例的可使用管状焊丝来焊接工件的过程；以及

图4是根据本公开的实施例的管状焊丝的制造过程。

具体实施方式

下文将对本公开的一个或更多个具体实施例进行说明。为了提供这些实施例的简要描述，说明书中可能并未描述实际实施方式的所有特征。应理解的是，在任何这种实际实施方式的开发过程中，例如，在任何工程或设计项目中，必须做出特定于实施方式的许多决定，以实现开发者的具体目标，例如，遵从系统相关和业务相关约束条件，这些条件在各个实施方式之间可能有所不同。另外，应理解的是，这种在开发上的努力可能很复杂、耗时，但是，对得益于本公开的普通技术人员而言是在设计、制造和生产过程中的例行任务。

在介绍本公开的各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“所述”和“该”旨在表示有一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”、“具有”表示“包含”的意思，表示除所列元件之外，可能还有额外元件。应理解的是，本文中使用的术语“管状焊条”或“管状焊丝”可指具有金属外皮和粒状或粉末状焊芯的任何焊丝或焊条，例如，金属芯或药芯焊条。还应理解的是，术语“稳定剂”或“添加剂”一般可用于指改善电弧质量、焊缝质量，或以其他方式影响焊接过程的管状焊丝的任何成分。另外，本文使用的“约”一般可指近似值，在特定实施例中，所述近似值可表示与实际值不到0.01％、不到0.1％或不到1％的偏差(例如，高于或低于)。即，在特定实施例中，近似值可精确到设定值的0.01％、0.1％或1％以内(例如，加或减)。本文使用的“不锈钢”是包含至少10.5％重量的铬和至少50％重量的铁的任何钢。不锈钢的非限制性示例列表包括：200系列不锈钢、300系列不锈钢和400系列不锈钢。

如上所述，特定类型的焊条(例如，管状焊丝)可包括一种或更多种成分(例如，焊剂、电弧稳定剂或其他添加剂)，这些成分一般可改变焊接过程和焊缝的特性。例如，当前公开的特定焊条实施例包括一种或更多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或混合物)，这些防腐蚀成分可使焊缝熔敷物具有增强的或改善的防腐蚀性或防氧化性。另外，当前公开的特定焊条实施例包括有机稳定剂(例如，基于纤维素衍生物的成分)，有机稳定剂一般可提高电弧的稳定性，同时提供对焊接涂层工件(例如，镀锌或氮化的工件)有益的还原气氛。本文使用的“有机稳定剂”可指具有有机部分(例如，碳基分子或聚合物链)和稳定剂部分(例如，第I/II族金属铁)的有机盐或有机金属化合物。当前公开的特定焊条实施例还包括稀土成分(例如，镧系元素合金、镧系元素硅化物)，稀土成分一般可有助于控制焊接期间电弧的形状和熔深。在特定实施例中，可使用低碳含量的金属外皮，以在焊接期间产生(例如)较低的飞溅率、较少的焊接烟尘和/或较小的工件焊缝熔深。另外，在特定实施例中，公开的管状焊丝可具有合适成分，以形成铬含量相对较高(例如，4-6wt％的铬)的焊缝熔敷物，铬可将氮保留在焊缝熔敷物内的溶液中，以减少或防止焊缝气孔。可理解的是，焊接较高氮含量的工件(例如，氮化钢)时，提供低孔隙率焊缝熔敷物(例如，孔隙率小于约0.25英寸或小于约0.10英寸/英寸焊缝)特别有用。

由此，在特定实施例中，当前公开的管状焊丝增强了涂层(例如，镀锌、镀锌退火、镀铝、氮化、涂漆等)工件和/或较薄(例如，20、22、24规格或更薄)工件的可焊性，即使在高运行速度下(例如，大于30in/min或大于40in/min)也是如此。进一步，需要防腐蚀焊缝时，公开的管状焊丝的特定实施例的外皮和/或焊芯中的上述防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或混合物)与低碳钢焊缝熔敷物相比，可提高焊缝熔敷物的防腐蚀性。在特定实施例中，公开的管状焊丝的外皮可为防腐蚀外皮，例如，美国焊接协会(AWS)A5.22规定的不锈钢外皮(例如，304、409、410或430不锈钢)。另外，在特定实施例中，公开的管状焊丝形成的防腐蚀焊缝熔敷物可为AWS A5.22规定的不锈钢焊缝熔敷物(例如，304、409、410或430不锈钢)。通过公开的管状焊丝的特定实施例实现的提高的防腐蚀性可免除或补充特定焊后过程步骤，例如，在沉积后制备焊缝熔敷物并对其进行涂覆(例如，镀锌)。另外，当前公开的特定管状焊丝可拉伸为特定直径(例如，0.024in、0.030in、0.035in、0.0375in、0.040in或其他合适直径)，以提供良好传热和沉积速率和/或实现较薄工件的焊接。

转向附图，图1图解了根据本公开的使用焊条(例如，管状焊丝)的气体保护金属极电弧焊(GMAW)系统10的一个实施例。应理解的是，虽然本讨论具体的重点在于图1所示的GMAW系统10，但当前公开的焊条可用于使用焊条的任何电弧焊工艺(例如，FCAW、FCAW-G、GTAW、SAW、SMAW或类似电弧焊工艺)。焊接系统10包括焊接电源12、焊丝进给器14、气源系统16和焊炬18。焊接电源12一般向焊接系统10提供电力，可通过电缆束20与焊丝进给器14耦接，并可利用具有线夹26的引线电缆24与工件22耦接。在所示实施例中，焊丝进给器14通过电缆束28与焊炬18耦接，以在焊接系统10运行期间向焊炬18提供可消耗的管状焊丝(即，焊条)和电力。在另一个实施例中，焊接电力单元12可与焊炬18耦接并直接向其提供电力。

焊接电源12一般可包括功率转换电路，所述功率转换电路从交流电源30(例如，交流电网、发动机/发电机组，或其组合)接收输入功率，调节输入功率，并通过电缆20提供直流或交流输出功率。这样，焊接电源12可向焊丝进给器14提供电力，所述焊丝进给器进而根据焊接系统10的需求向焊炬18提供电力。在线夹26中终止的引线电缆24将焊接电源12与工件22耦接，以闭合焊接电源12、工件22与焊炬18之间的电路。焊接电源12可包括电路元件(例如，变压器、整流器、开关等)，电路元件能按焊接系统10的命令的指示将交流输入功率转换成直流正电极(DCEP)输出、直流负电极(DCEN)输出、直流可变极性、脉冲直流或可变平衡(例如，平衡或非平衡)交流输出。应理解的是，当前公开的焊条(例如，管状焊丝)可实现对多种不同电力配置下的焊接过程的改进(例如，提高电弧稳定性和/或提高焊缝质量)。

所示焊接系统10包括气源系统16，所述气源系统将一个或更多个保护气源17的保护气体或保护气体混合物提供给焊炬18。在所示实施例中，气源系统16通过气体导管32与焊炬18直接耦接。在另一个实施例中，气源系统16可与焊丝进给器14耦接，焊丝进给器14可对从气源系统16到焊炬18的气体的流量进行调节。本文使用的“保护气体”可指为了提供特定局部气氛(例如，为了保护电弧、提高电弧稳定性，限制金属氧化物的形成，改善金属表面的润湿，改变焊缝熔敷物的化学性质等)而提供给电弧和/或焊池的任何气体或气体混合物。在特定实施例中，所述保护气体流可为保护气体或保护气体混合物(例如，氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO₂)、氧气(O₂)、氮气(N₂)、类似合适保护气体或其任何混合物)。例如，保护气体流(例如，通过导管32输送)可包括Ar、Ar/CO₂混合物(例如，Ar中CO₂的含量为1％至99％)、Ar/CO₂/O₂混合物、Ar/He混合物等。根据具体示例，在特定实施例中，所述保护气体流可包含100％Ar；75％Ar和25％CO₂；90％Ar和10％CO₂；或98％Ar和2％O₂。

由此，所示焊炬18一般从焊丝进给器14接收焊条(即，管状焊丝)、电力，从气源系统16接收保护气体流，以对工件22执行GMAW。在操作期间，所述焊炬18可靠近工件22，以便在可消耗焊条(即，离开焊炬18的接触尖端的焊丝)与工件22之间形成电弧34。另外，如下文所述，通过控制焊条(即，管状焊丝)的成分，可改变电弧34和/或形成的焊缝的化学性质(例如，成分和物理特性)。例如，所述焊条可包括助熔或合金化成分，这些成分可影响焊接过程(例如，起电弧稳定剂的作用)，并进一步地可至少部分融合在焊缝中，影响焊缝的机械特性。另外，所述焊条(即，焊丝)的特定成分还可在电弧附近提供额外的保护气氛，影响电弧34的转移特性，将工件表面脱氧，限制焊缝熔敷物的氧化或腐蚀等。

当前公开的焊丝的一个实施例的断面如图2所示。图2图解了包括金属外皮52的管状焊丝50，所述金属外皮封装粒状或粉末状焊芯54(也称为填料)。在特定实施例中，管状焊丝50可符合一个或更多个AWS标准。例如，在特定实施例中，可根据AWS A5.18(“气体保护电弧焊碳钢焊条和焊棒规范”)，或AWS A5.20(“药芯焊丝电弧焊碳钢焊条”)，或AWS A5.29(“药芯焊丝电弧焊低合金钢焊条规范”)，或AWS A5.36(“药芯焊丝电弧焊碳钢和低合金钢药芯焊条及气体保护电弧焊金属芯焊条规范”)，或AWS A5.22(“不锈钢药芯和金属药芯焊条和焊棒规范”)，或适用于涂层(例如，镀锌、镀铝、氮化等)或非涂层低碳钢、低合金钢或耐候钢工件的其他合适的AWS标准而对管状焊丝50进行分级。另外，在特定实施例中，公开的管状焊丝可不属于现有AWS标准的范围。例如，在特定实施例中，公开的管状焊丝可形成马氏体焊缝熔敷物，因此不属于现有AWS标准的范围。然而，这种管状焊丝实施例可用作(例如)硬面式焊丝，用于形成硬面焊缝熔敷物。应理解的是，对于这种实施例，随后可将形成的马氏体焊缝熔敷物进行热处理(例如，在约1200°F的温度下，持续约1小时或以下)，以提高焊缝熔敷物的延展性同时仍保持其高强度。但是，还应理解的是，这种焊后热处理可能增加焊接操作的时间和成本，并可能对特定类型的工件造成有害变形。

特别地，管状焊丝50的特定实施例可对涂层(例如，镀锌、镀铝、氮化等)和非涂层低碳钢工件提供高质量焊缝。应理解的是，管状焊丝50的上述防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其混合物或合金)可形成防腐蚀焊缝熔敷物，从而减少或免除特定的过程步骤(例如，对焊缝熔敷物的表面进行清理和涂覆)。进一步，这些过程步骤的免除可缩短焊接过程时间和/或提高焊接过程的效率。还应理解的是，在特定实施例中，所述管状焊丝50可设计用于单道次或多道次焊接操作。应理解的是，一般来说，单道次焊接金属可能会被工件的基底材料稀释大约15％和50％，由此，可调节管状焊丝50的成分，以对特定类型(例如，单道次或多道次)的焊接操作在形成的焊缝熔敷物中提供特定目标浓度的防腐蚀成分。根据具体示例，在特定实施例中，使用管状焊丝50，可获得具有铁素体不锈钢化学性质的焊缝熔敷物，其中，可利用单道次焊接操作对焊缝熔敷物提供最小铬含量(例如，焊缝熔敷物重量至少2.5％的铬)，以在涂层(例如，镀锌、镀铝、氮化)或非涂层低碳钢工件，包括厚度为0.3英寸或以下(例如，测厚仪测量的厚度)的工件上形成防腐蚀焊缝熔敷物。

图2所示的管状焊丝50的金属外皮52可用任何合适金属或合金(例如，钢)制成。应理解的是，金属外皮52的成分可影响形成的焊缝的成分和/或电弧34的性质。在特定实施例中，金属外皮52可占管状焊丝50的总重量的大约80％至90％。例如，在特定实施例中，金属外皮52可占管状焊丝50的总重量的大约84％至大约86％。如上所述，在特定实施例中，金属外皮52可由AWS A5.22规定的304、409、410或430不锈钢制成。

在特定实施例中，金属外皮52可包含被选择用于提供预期焊缝特性的特定添加剂或杂质(例如，合金化成分、碳、碱金属、锰，或类似化合物或元素)。例如，在特定实施例中，管状焊丝50的金属外皮52可为包含相对较少量(降低或减少)的碳的低碳带钢。在特定实施例中，金属外皮52的碳含量可占整个管状焊丝50的重量的约0.01％以下、约0.02％以下、约0.03％以下、约0.04％以下、约0.05％以下、约0.06％以下、约0.07％以下、约0.08％以下、约0.09％以下或约0.1％以下。另外，在特定实施例中，金属外皮52可由一般具有少量夹杂物的钢(例如，低碳钢)制成。例如，在特定实施例中，金属外皮52的锰含量可占管状焊丝50的总重量的约0.25％至约0.5％、或约0.34％至约0.35％。根据进一步示例，在特定实施例中，金属外皮52可具有为管状焊丝50的总重量的约0.02％以下的磷含量和/或为管状焊丝50的总重量的约0.02％以下的硫含量。在特定实施例中，金属外皮52还可提供为管状焊丝50的重量的约0.04％以下的硅含量、为管状焊丝50的重量的约0.05％以下的铝含量、为管状焊丝50的重量的约0.1％以下的铜含量，和/或为管状焊丝50的重量的约0.02％以下的锡含量。由此，在特定实施例中，金属外皮52的铁含量可占管状焊丝50的重量的约80％以上(例如，84％、85％)。如上所述，在特定实施例中，可在金属外皮52中添加一种或更多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜)，代替粒状焊芯54或作为其补充。

所示管状焊丝50的粒状焊芯54一般可为压实粉末。在特定实施例中，粒状焊芯54可占管状焊丝50的总重量的约5％至约40％，或约10％至约20％。例如，在特定实施例中，粒状焊芯54可占管状焊丝50的总重量的约14％、约15％、约16％或约20％。另外，在特定实施例中，下文所述的粒状焊芯54的成分可均匀或非均匀地(例如，以块或簇56的形式)添加到粒状焊芯54内。例如，特定药芯和金属芯焊条实施例的粒状焊芯54可包括一种或更多种金属(例如，铁、铁-钛、铁-硅或其他合金或金属)，可为焊缝熔敷物提供至少一部分填充金属。根据具体示例，在特定实施例中，粒状焊芯54可包含约0％至约60％的铁粉末，以及其他合金化成分，例如，铁-钛(例如，40％级别)、铁-镁-硅和铁-硅粉末(例如，50％级别，不稳定)。管状焊丝50可包含的成分的其他示例(即，除一种或更多种碳源和一种或更多种碱金属和/或碱土金属化合物之外)包括其他稳定、助熔和合金化成分，例如，从Illinois Tool WorksInc.购买的METALLOY X-CEL^TM焊条中发现的成分。

在管状焊丝50的特定实施例中，一种或更多种碳源和一种或更多种碱金属和/或碱土金属化合物的组合的总百分率可为粒状焊芯54或整个管状焊丝50的重量的约0.01％至约10％。例如，在特定实施例中，一种或更多种碳源和一种或更多种碱金属和/或碱土金属化合物的组合的总百分率可为粒状焊芯54或管状焊丝50的重量的约0.01％至约8％、约0.05％至约5％，或约0.1％至约4％。根据具体示例，在特定实施例中，粒状焊芯54可包含碳源和钾源，碳源和钾源总体占粒状焊芯54的重量的约10％或以下。应理解的是，在电弧34的条件下，焊丝50的成分(例如，金属外皮52、粒状焊芯54等)可改变焊接过程基本没有改变的焊缝的物理状态，与其产生化学反应(例如，氧化、分解等)，或融入其中。

在特定实施例中，管状焊丝50可包括(例如，在金属外皮52和/或粒状焊芯54中)一种或更多种金属或合金，所述金属或合金可限制、阻碍或防止焊缝熔敷物在沉积之后腐蚀。例如，在特定实施例中，金属外皮52和/或粒状焊芯54可包括镍(Ni)、铬(Cr)、铜(Cu)及其混合物或合金的一种或更多种，其可限制焊缝熔敷物被活性反应组分(例如，氧)腐蚀。根据具体示例，在特定实施例中，铬可占管状焊丝50的重量的约0.1％至约20％、约0.2％至约18％、约0.3％至约17％、约0.4％至约16％、约0.5％至约15.8％、约0.6％、约4％至6％、约2.5％，或约16％。进一步，在特定实施例中，铬可占焊芯54的重量的约0.5％至约90％，或约4％至约80％。如上所述，在特定实施例中，管状焊丝50可被设计为用于提供铬含量相对较高的焊缝熔敷物(例如，具有至少3％、4％或5％重量的铬的焊缝熔敷物)，以在氮含量较高的基底材料(例如，氮化钢基底材料)上形成低孔隙率焊缝。

根据进一步示例，在特定实施例中，镍可占管状焊丝50的重量的约0％至约5％、约0.1％至约2.5％、约0.2％至约2％、约0.3％至约1％、约0.4％至约0.8％，或约0.6％。在特定实施例中，镍可占焊芯54的重量的约0.5％至约10％、约1％至约5％，或约4％。在特定实施例中，铜可占管状焊丝50的重量的约0％至约2％、约0.1％至约1％、约0.25％至约0.9％、约0.3％至约0.75％，或约0.6％。进一步，在特定实施例中，铜可占焊芯54的重量的约0.5％至约10％、约1％至约5％，或约4％。

另外，在特定实施例中，管状焊丝50中可包含钼(Mo)，以在焊接过程中捕捉碳，从而可增加铬在防腐蚀性上的可用性。例如，在特定实施例中，钼的量可为管状焊丝50中的铬的量(重量)的约40％。根据具体示例，在特定实施例中，钼可占管状焊丝50的重量的约0.01％至约5％、约0.02％至约4％、约0.03％至约3％、约0.05％至约1.5％、约0.08％至约1.2％，或约0.09％。在其他实施例中，可使用相似量的钛或铌代替钼，以提供相似效果。

另外，管状焊丝50的当前公开实施例可包括布置在粒状焊芯54中的有机稳定剂。有机稳定剂可为任何有机分子，包含一个或更多个碱金属离子(例如，I族：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs))或碱土金属离子(例如，第II族：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)或钡(Ba))。即，在特定实施例中，有机稳定剂包含有机子成分(例如，有机分子或聚合物)，有机子成分包含碳、氢和氧，可与碱金属或碱土金属离子化学键合(共价键合或离子键合)。在其他实施例中，有机稳定剂可包含已与碱金属和/或碱土金属盐(例如，氧化钾、硫酸钾、氧化钠等)混合(例如，非化学键合)的有机子成分(例如，有机分子或聚合物，例如，纤维素)。

根据具体示例，在特定实施例中，有机稳定剂可为基于纤维素(例如，有纤维质的)的成分，包括已进行了衍生，以形成钠盐或钾盐(例如，羧甲基纤维素钠或钾)的纤维素链。例如，在特定实施例中，基于纤维素的有机稳定剂可为取代度(DS)为约0.5至约2.5的羧甲基纤维素钠。一般来说，纤维素衍生物的取代度可为0至3之间的实数，该实数代表每个单体单位的多糖中的取代羟基基团的平均数。在其他实施例中，有机稳定剂可为包含一个或更多个第I/II族离子的其他有机分子。例如，在特定实施例中，有机稳定剂可包含糖衍生物(例如，蔗糖衍生物、葡萄糖衍生物等)或多糖，多糖具有一种或更多种羧酸或硫酸盐基团，可用于形成碱金属或碱土金属盐。在其他实施例中，有机稳定剂可包含皂状分子(例如，十二烷硫酸钠或硬脂酸钠)或海藻酸盐。另外，在特定实施例中，有机稳定剂可占粒状焊芯54的重量的约10％以下、约0.05％至约5％、约0.1％至约3％、约0.25％至约2.5％，约0.5％至约1.5％、约0.75％或约1％。另外，在特定实施例中，有机稳定剂可占管状焊丝50的重量的约5％以下、约0.05％至约3％、约0.08％至约2％、约0.1％至约1％，或约0.15％。

应理解的是，可将管状焊丝50的有机稳定剂成分保持在合适级别，以便在焊接电弧附近提供还原环境(例如，富氢的)，但不会向焊缝中引入孔隙。进一步应理解的是，如当前公开的使用有机分子作为将至少一部分I/II族离子输送到焊接电弧中的输送载体，这种方法可能未经过广泛使用，因为有机分子会在电弧条件下生成氢气，从而导致用于低碳钢的多孔和/或不强固焊缝。但是，如下文所述，即使在较高移动速度下对涂敷的(例如，镀锌、镀铝、氮化)和/或较薄的工件进行焊接，使用当前公开的有机稳定剂也可提供优质焊缝(例如，低孔隙率焊缝)。

另外，管状焊丝50的当前公开的特定实施例还可包括布置在粒状焊芯54中的碳成分。例如，粒状焊芯54和/或金属外皮52中的碳源可为多种形式，可稳定电弧34和/或增加焊缝的碳含量。例如，在特定实施例中，可使用石墨、石墨烯、纳米管、富勒烯和/或类似充分sp²杂化碳源作为管状焊丝50中的碳源。另外，在特定实施例中，石墨烯或石墨还可用于提供碳薄片之间的孔隙空间中存在的其他成分(例如，水分、气体、金属等)。在其他实施例中，可使用充分sp³杂化碳源(例如，微晶或纳米金刚石、碳纳米管、巴基球)作为碳源。在其他实施例中，可使用充分无定形碳(例如，碳黑、灯黑、烟灰和/或类似无定形碳源)作为碳源。另外，本公开将该成分称为“碳源”，但应理解的是，碳源可为可含有除碳之外的其他元素(例如，氧、卤素、金属等)的化学改性碳源。例如，在特定实施例中，管状焊丝50可在粒状焊芯54中包含碳黑成分，所述碳黑成分可以包含约为20％的锰含量。在特定实施例中，管状焊丝50的碳成分可为粉末状或粒状石墨。

在特定实施例中，碳成分可占粒状焊芯54的重量的约0.01％至约9.9％、约0.05％至约5％、约0.1％至约3％、约0.25％至约2％，约0.4％至约1％，或约0.5％。另外，在特定实施例中，所述碳成分可占粒状焊芯54的重量的约10％以下、约0.01％至约5％、约0.05％至约2.5％、约0.1％至约1％，或约0.5％。在特定实施例中，所述碳成分可占管状焊丝50的重量的约5％以下、约0.01％至约2.5％、约0.05％至约0.1％，或约0.08％。在特定实施例中，粒状焊芯54可不包含碳成分。

另外，除上述有机稳定剂之外，管状焊丝50还可包含一种或更多种无机稳定剂，用于进一步稳定电弧34。即，管状焊丝50的粒状焊芯54可包含1族和2族元素(例如，Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba)的一种或更多种化合物。示例化合物的非限制性列表包括：1族(即，碱金属)和2族(即，碱土金属)硅酸盐、钛酸盐、锰酸锰、海藻酸盐、碳酸盐、卤化物、磷酸盐、硫化物、氢氧化物、氧化物、高锰酸盐、卤化硅、长石、铯榴石、辉钼矿和钼酸盐。例如，在一个实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54可包含钛酸钾锰、硫酸钾、钠长石、钾长石和/或碳酸锂。根据具体示例，粒状焊芯54可包含硅酸钾、钛酸钾、藻酸钾、碳酸钾、氟化钾、磷酸钾、硫化钾、氢氧化钾、氧化钾、高锰酸钾、氟硅酸钾、钾长石、钼酸钾或其组合，作为钾源。在特定实施例中，一种或更多种碱金属和/或碱土金属化合物可包含羧甲基纤维素的1族和2族盐(例如，羧甲基纤维素钠或羧甲基纤维素钾)。可使用的稳定化合物的类似示例如标题为“用于焊条的系统和方法”的序列号为13/596,713的美国申请、标题为“正极性金属芯焊丝”的第7,087,860号美国专利，以及标题为“正极性金属芯焊丝”的第6,723,954号美国专利所述，出于所有目的，这些申请和专利的全部内容通过引用并入本文。

另外，对于当前公开的管状焊丝50的特定实施例，粒状焊芯54可包括烧结块或熔块形式的一种或更多种无机稳定剂。即，管状焊丝50的特定实施例可包括可在焊接期间稳定电弧的烧结块或熔块形式的上述一种或更多种无机稳定剂。本文使用的“烧结块”或“熔块”指在煅烧炉或烘炉中经过燃烧或加热，使混合物中的成分互相紧密接触的化合物的混合物。应理解的是，烧结块的化学和/或物理性质可与用于形成烧结块的混合物的单个成分有轻微的或很大的不同。例如，当前公开的烧结过程可提供与非烧结材料相比更适合焊接环境的熔块。

在特定实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54可包括一种或更多种碱金属或碱土金属化合物(例如，氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁或其他合适碱金属或碱土金属化合物)的烧结块或熔块。在其他实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54可包括碱金属或碱土金属化合物与其他氧化物(例如，二氧化硅、二氧化钛、二氧化锰或其他合适金属氧化物)的混合物的烧结块。例如，管状焊丝50的一个实施例可包括由氧化钾、硅土和二氧化钛的混合物构成的烧结钾源。根据进一步示例，管状焊丝50的另一个实施例可在粒状焊芯54中包含另一种稳定烧结块，所述稳定烧结块包含氧化钾(例如，约22％至约25％重量)、二氧化硅(例如，约10％至约18％重量)、二氧化钛(例如，约38％至约42％重量)和氧化锰或二氧化锰(例如，约16％至约22％重量)。在特定实施例中，烧结块可包含约5％至75％重量的碱金属和/或碱土金属化合物(例如，氧化钾、氧化钙、氧化镁或其他合适碱金属或碱土金属化合物)，或约5％至95％重量的碱金属和/或碱土金属(例如，钾、钠、钙、镁或其他合适碱金属和/或碱土金属)。另外，在特定实施例中，选择烧结块混合物中的每种成分的相对含量时，可考虑其他化学和/或物理因素(例如，将烧结块中的碱金属和/或碱土金属的负载量、酸度、稳定性和/或吸湿性最大化)。在特定实施例中，烧结块可占粒状焊芯54的重量的约0.01％至约9.9％、约0.05％至约5％、约0.1％至约4％、约1％至约3％，约1.5％至约2.5％，或约2％。另外，在特定实施例中，烧结块可占粒状焊芯54的重量的约10％以下、约0.1％至约6％、约0.25％至约2.5％、约0.5％至约1.5％，约1％，或约0.75％。在特定实施例中，烧结块可占管状焊丝50的重量的约5％以下、约0.05％至约2.5％、约0.1％至约0.5％，或约0.75％。

另外，管状焊丝50的粒状焊芯54还可包含用于控制焊接过程的其他成分。例如，稀土元素一般可影响电弧34的稳定性和传热特性。由此，在特定实施例中，管状焊丝50可包含稀土成分，例如，稀土金属硅化物(Rare Earth Silicide，例如，可从Miller and Companyof Rosemont,Illinois购买)，该成分可包含稀土元素(例如，镧系元素)、非稀土元素(例如，铁和硅)，及其化合物(例如，硅化铈、硅化镧等)。在其他实施例中，可使用不会抵消当前方法的效果的量的任何镧系元素、合金或化合物(例如，硅化铈、硅化镧、镍镧合金等)。根据具体示例，在特定实施例中，稀土成分可占粒状焊芯54的重量的约10％以下、约0.01％至约8％、约0.5％至约5％、约0.25％至约4％、约1％至约3％，约0.75％至约2.5％，约2％，或约1.5％。在特定实施例中，所述稀土成分可占管状焊丝50的重量的约5％以下、约0.01％至约2.5％、约0.1％至约0.75％，或约0.3％。

另外，附加地，或可替代地，管状焊丝50可包含其他元素和/或矿物，用于提供电弧稳定性，并控制形成的焊缝的化学性质。例如，在特定实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54和/或金属外皮52可包含特定元素(例如，钛、锰、锆、氟或其他元素)和/或矿物(例如，黄铁矿、磁铁矿等)。根据具体示例，特定实施例可包括硅化锆、镍锆合金或钛、铝和/或锆组成的合金。特别地，粒状焊芯54中可包含含硫化合物，其包括各种硫化物、硫酸盐和/或亚硫酸盐化合物(例如，二硫化钼、硫化铁、亚硫酸锰、硫酸钡、硫酸钙或硫酸钾)或含硫化合物或矿物(例如，黄铁矿、石膏或类似含硫物质)，以通过改善焊珠形状并促进焊渣分离而提高形成的焊缝的质量，这在焊接镀锌工件时特别有用，如下文所述。另外，在特定实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54可包含多种硫源(例如，亚硫酸锰、硫酸钡和黄铁矿)，而管状焊丝50的其他实施例可仅包含单个硫源(例如，硫酸钾)，但不包含大量其他硫源(例如，黄铁矿或硫化铁)。例如，在一个实施例中，管状焊丝50的粒状焊芯54可包含粒状焊芯54的重量的约0.01％至约0.5％或约0.15％，或0.2％的硫酸钾。

一般来说，管状焊丝50一般可稳定电弧34在工件22上的成型。这样，公开的管状焊丝50可改善焊接过程的方面不止一个(例如，沉积速率、移动速度、溅出情况、焊珠形状、焊缝质量等)。进一步应理解的是，电弧34的改进稳定性一般可实现和改进涂层金属工件和较薄工件的焊接。例如，在特定实施例中，所述涂层金属工件可包括镀锌、镀锌退火(例如，镀锌和退火的组合)或类似镀锌工件。示例涂层工件的非限制性列表进一步包含涂漆、密封、浸渍、镀层(例如，镀镍、镀铜、镀锡，或电镀或使用类似金属进行化学镀)、镀铬、氮化、铝化或渗碳工件。例如，对于镀锌工件，当前公开的管状焊丝50一般可提高电弧34的稳定性并控制其熔深，因此，即使工件22外部有镀锌层，也可获得良好焊缝。另外，通过提高电弧34的稳定性，与可能使用其他焊条的情况相比，公开的管状焊丝50一般可焊接更薄的工件。例如，在特定实施例中，公开的管状焊丝50可用于焊接约14-、16-、18-、20-、22-、24-规格的金属，或更薄的工件。例如，在特定实施例中，公开的管状焊丝50可用于焊接厚度为约5mm以下、3mm以下、约1.5mm以下、约1.27mm以下(例如，约0.05英寸)、约1.11mm以下(例如，约0.0438英寸)或约1mm(例如，约0.0375英寸)的工件。

另外，当前公开的管状焊丝50可实现在每分钟30甚至40英寸以上的移动速度下进行的焊接(例如，薄规格镀锌钢的焊接)。例如，管状焊丝50可在每分钟40英寸以上(例如，每分钟35或45英寸)的移动速度下，以较低焊缝孔隙率获得高质量填角焊缝。即，与其他固体芯、金属芯或药芯焊丝相比，当前公开的管状焊丝50可获得较高(例如，高50％至75％)移动速度。应理解的是，较高的移动速度可实现较高的生产率(例如，生产线上)，并降低成本。另外，利用较宽的操作过程视窗，当前公开的管状焊丝50具有良好的焊接间隙处理能力，并提供优良的焊接特性(例如，强度、延展性、外观等)。进一步，与其他固体芯、金属芯或药芯焊丝相比，管状焊丝50一般产生较少的烟雾和溅射。

另外，公开的管状焊丝50还可与特定焊接方法或技术(例如，在焊接操作期间，焊条以特定方式移动的技术)相结合，这可进一步增加焊接系统10对特定类型工件的鲁棒性。例如，在特定实施例中，焊炬18可用于将焊条在焊炬18内以所需图案(例如，圆形、旋转弧或蛇形图案)循环或周期性移动，以将电弧34保持在管状焊丝50与工件22之间(例如，仅在管状焊丝50的外皮52与工件22之间)。根据具体示例，在特定实施例中，可将公开的管状焊丝50用于焊接方法，例如，标题为“直流焊条负极旋转电弧焊接方法和系统”的序列号为61/576,850的美国临时专利申请、标题为“直流焊条负极旋转电弧焊接方法和系统”的序列号为13/681,687的美国专利申请，以及标题为“自适应旋转电弧焊接方法和系统”的序列号为61/676,563的美国临时专利申请所述的焊接方法。出于所有目的，这些申请的全部内容通过引用并入本文。应理解的是，这种焊接技术对焊接较薄工件(例如，厚度为20-、22-或24-规格)特别有用，如上文所述。

图3图解了可利用公开的焊接系统10和管状焊丝50焊接工件22的过程60的一个实施例。所示过程60的第一步是向焊接装置(例如，焊炬18)进给(框62)管状焊条50(即，管状焊丝50)。如上所述，在特定实施例中，所示管状焊丝50可包括(例如)一种或更多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或混合物)、有机稳定剂成分(例如，羧甲基纤维素钠)和一种或更多种稀土成分(例如，稀土硅化物)。进一步，管状焊丝50的外径可为约0.024in至约0.062in、约0.030in至约0.060in、约0.035in至约0.052in，或约0.040in。还应理解的是，在特定实施例中，焊接系统10可以合适速率进给管状焊丝50，使移动速度大于30in/min或大于40in/min。

另外，过程60包括：在焊接装置的接触尖端(例如，焊炬18的接触尖端)附近提供(框64)保护气体流(例如，100％氩、100％二氧化碳、75％氩/25％二氧化碳、90％氩/10％二氧化碳，或类似保护气体流)。在其他实施例中，可使用不使用气源系统(例如，图1所示的气源系统16)的焊接系统，管状焊丝50的一种或更多种成分(例如，碳酸钾)可分解，以提供保护气体成分(例如，二氧化碳)。

接下来，可将管状焊丝50靠近(框66)工件22，以在管状焊丝50与工件22之间触发并保持电弧34。应理解的是，可使用(例如)GMAW系统10的直流反接、直流正接、直流可变极性、脉冲直流、平衡或非平衡交流电源配置产生电弧34。一旦在工件22上已产生了电弧34，一部分管状焊丝50(例如，填充金属和合金化成分)可被输送(框68)到工件22的表面上的焊池中，以形成焊缝熔敷物的焊珠。同时，管状焊丝50的其他成分可从管状焊丝50中分离(框70)，作为电弧稳定剂、造渣剂和/或脱氧剂，以控制电弧的电气特性和焊缝熔敷物的化学和机械特性。

人们相信，对于特定实施例，有机稳定剂的I族和II族金属(例如，钾和钠离子)一般可从有机稳定剂中分离，对电弧提供稳定效果。同时，可以相信，有机部分(例如，至少包括碳和氢，但也可包括氧)可在电弧的条件下分解，以在焊接现场内或其附近提供还原(例如，富氢)气氛。由此，当不希望受理论束缚时，可以相信的是，当前公开的所产生的还原气氛，以及I/II族稳定金属、稀土成分、循环运动等，即使在焊接涂层工件或进行空隙填充时，提供的焊接解决方案也能获得较高移动速度和较低孔隙率。例如，在特定实施例中，管状焊丝50一般可用于焊接较薄的工件，以及涂漆、镀锌、镀锌退火、电镀、铝化、氮化、镀铬、渗碳或其他类似涂层工件。例如，当前公开的管状焊丝50的特定实施例，即使在进行空隙填充(例如，1-3mm的空隙填充)时，也可用于焊接厚度为5mm以下或4mm以下的工件，或厚度为约1.3mm或1.2mm的工件，同时保持相对较高的移动速度(例如，超过30in/min或超过40in/min)和较低的孔隙率。

另外，应理解的是，对于需要防腐蚀的实施例，图3所示的过程60不一定必须包括制备和涂覆焊缝熔敷物的额外处理步骤。即，管状焊丝50的防腐蚀成分可用于形成焊接状态防腐蚀(例如，防锈或抗氧化)焊缝熔敷物，可免除通常用于涂层工件的额外处理步骤。换句话说，使用其他焊条焊接涂层(例如，镀锌、氮化)工件时，在形成焊缝熔敷物之后，需要清理焊缝熔敷物和工件的表面，以做好涂覆准备，随后涂上涂层，对工件提供防腐蚀效果。例如，使用其他焊条，形成焊缝熔敷物之后，需要用钢丝刷清理焊缝熔敷物和工件的表面，然后镀锌或涂上锌基喷漆。

应理解的是，上述额外处理步骤提供的防腐蚀性会受到操作者清理、准备和涂覆工件的方式的限制。对比而言，在使用当前公开的管状焊丝50形成焊缝熔敷物之后，焊缝熔敷物将包含管状焊丝50的防腐蚀成分的至少一部分，对焊缝熔敷物提供防腐蚀性，同时免除了额外的清理、准备和涂覆处理步骤。但是，还应理解的是，在本方法的特定实施例中，也可对利用公开的管状焊丝50形成的防腐蚀焊缝熔敷物进行上述清理、准备和涂覆处理步骤，以对工件提供更大的防腐蚀性。在这种情况下，防腐蚀焊缝熔敷物可保证，即使操作者对工件的清理、准备和/或涂覆不够充分，焊缝熔敷物和/或工件也可保持一定程度的防腐蚀性。

图4图解了可制造管状焊丝50的过程80的一个实施例。应理解的是，过程80仅提供制造管状焊丝50的示例；但是，在其他实施例中，可采用其他制造方法生产管状焊丝50，但不会抵消本方法的效果。即，例如，在特定实施例中，可通过滚轧成形法或通过将焊芯成分装填到空心金属外皮中的方法而形成管状焊丝50。图4所示的过程80的第一步是通过多个模具进给(框82)扁平金属条，将金属条成型为局部圆形的金属外皮52(例如，形成半圆或凹槽)。将金属条至少部分成型为金属外皮52后，可对其填充(框84)填料(例如，粒状焊芯54)。即，可对局部成型的金属外皮52填充各种粉末状合金化、防腐蚀、电弧稳定、造渣、脱氧和/或填充成分。例如，可在金属外皮52中添加各种助熔和合金化成分中的一种或更多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或组合)、一种或更多种有机稳定剂成分(例如，羧甲基纤维素钠)、一种或更多种碳成分(例如，石墨粉末)和一种或更多种稀土成分(例如，稀土硅化物)。另外，在特定实施例中，还可在局部成型的金属外皮52中添加其他成分(例如，稀土硅化物、磁铁矿、钛酸盐、黄铁矿、铁粉和/或其他类似成分)。

接下来，在所示过程80中，一旦已经将粒状焊芯材料54的成分添加到局部成型的金属外皮52中之后，可通过一个或更多个设备(例如，拉模或其他合适合模设备)进给局部成型的金属外皮52，所述设备一般可将金属外皮52合模，使其基本包围粒状焊芯材料54(例如，形成接缝58)。另外，随后可通过多个设备(例如，拉模或其他合适设备)进给合模的金属外皮52，以通过压缩粒状焊芯材料54而减小管状焊丝50的周长。在特定实施例中，随后可将管状焊丝50加热到约300°F至约650°F持续4至6小时，之后将管状焊丝包装到卷轴、卷盘或圆筒上以用于运输，而在其他实施例中，可在不进行该烘烤步骤的情况下包装管状焊丝50。

下文对根据本方法的实施例的管状焊丝50的五种示例配方(El、E2、E3、E4和E5)进行了说明。应理解的是，下文所述的配方E1-E5仅提供用作示例，并不限制本方法的范围。表1包括以相对于粒状焊芯54的重量的重量百分比计的粒状焊芯54的成分。进一步，表1包括管状焊丝50的实施例E1-E5中的金属条52和粒状焊芯54的经计算的化学成分，其中的值被提供为相对于整个管状焊丝50的重量百分比。应理解的是，对于表1中所述的管状焊丝50的实施例E1、E2、E4和E5，粒状焊芯54可占管状焊丝50的总重量的约15％，而对于实施例E3，粒状焊芯54可占管状焊丝50的总重量的约20％。另外，如上所述，在特定实施例中，管状焊丝50可包括铬(例如，0.1％至30％重量的铬)、铜(例如，0％至1％重量的铜)和镍(例如，0％至10％重量的镍)中的一种或更多种，或其任意组合，以提供防腐蚀性强的焊缝熔敷物。

应理解的是，AWS A5.29规范为B级和W2级规定了全焊金属(AWM)堆焊的化学性质，B级和W2级与典型的低碳钢化学性质相比，均具有较大的防腐蚀性。例如，B级的焊缝熔敷物可在发电厂用于高温应用，而W2级的焊缝熔敷物可形成于耐候钢工件上。就此而言，AWSA5.29规范一般针对在低碳钢和/或低合金钢工件上形成焊缝熔敷物。还应理解的是，AWSA5.22规范规定了单道次不锈钢焊缝熔敷物(例如，409级、304级和308级)的AWM化学性质，这种焊缝熔敷物，在无需对不锈钢工件进行表面处理的情况下，可提供充分的防腐蚀性。就此而言，虽然AWS A5.29和A5.22规范对防腐蚀焊缝熔敷物进行了规定，但这些标准并没有直接对焊接涂层工件(例如，镀锌、镀锌退火、电镀、铝化、镀铬、氮化、渗碳或其他类似涂层工件)进行规定。由此，应理解的是，管状焊丝50的实施例E1可包括与根据AWS A5.29W2等级分类的焊丝相似的防腐蚀成分，管状焊丝50的实施例E2可包括根据AWS A5.29W2和/或B等级分类的焊丝中使用的防腐蚀成分的组合。另外，管状焊丝50的实施例E3可包括与根据AWSA5.22 409等级分类的焊丝相似的防腐蚀成分，管状焊丝50的实施例E4可包括与根据AWSA5.22 308等级分类的焊丝相似的防腐蚀成分。另外，管状焊丝50的实施例E5可包括与根据AWS A5.22B3和/或W2等级分类的焊丝相似的防腐蚀成分。就此而言，在特定实施例中，管状焊丝50(例如，实施例E3)可归类为A5.22ECG焊丝(例如，根据AWS A2.2.3-8所述的分类系统)，可对各种厚度规格的低碳钢涂层或非涂层工件提供铁素体不锈钢AWM化学性质，其中，可在单道次焊接操作期间对焊缝熔敷物提供充分的铬(例如，在约15％至约50％的稀释度下)，以对焊缝熔敷物提供防腐蚀性。如上所述，在特定实施例中，管状焊丝50可不属于AWS等级(例如，由于延展性较低)，可形成可进行焊后热处理的焊缝熔敷物，以对焊缝熔敷物赋予所需机械特性。

例如，管状焊丝50的特定实施例(例如，E4)可在单道次焊接操作期间在约30％的稀释度下形成奥氏体不锈钢焊缝熔敷物。这种奥氏体焊缝熔敷物可包括与AWS A5.22 308或304等级相似的防腐蚀成分(例如，包含约18％至约21％的铬和约9％至约11％的镍)。对于该示例，为了对焊缝熔敷物提供上述水平的防腐蚀成分，当前公开的管状焊丝50的特定实施例(例如，E4)可包括管状焊丝50的重量的约20％以上(例如，约25％至约30％)的铬和/或约10％以上(例如，约12％至约18％)的镍。进一步，如下表1所示，管状焊丝50的特定实施例(例如，E4)可对管状焊丝50的金属外皮52采用不锈钢条(例如，根据AWS A5.22 304等级)。根据具体示例，在特定实施例中，管状焊丝50的金属外皮52可包含约0.02％重量的碳、约18.3％重量的铬、约70％重量的铁、约1.85％重量的锰和约9.8％重量的镍。由此，对于使用不锈钢金属外皮52的管状焊丝50的实施例，铬(例如，外皮52和焊芯54中)可占管状焊丝50的重量的约15％至约30％，镍(例如，外皮52和焊芯54中)可占管状焊丝50的重量的约5％至约10％。

表1：实施例E1-E5的金属外皮52和粒状焊芯54的成分和计算的化学成分。注意，粒状焊芯54的成分是按相对于粒状焊芯的总重量的重量百分比提供的。注意，化学成分值是按相对于管状焊丝50的总重量的重量百分比提供的计算值。进一步，化学成分列表并非穷举，因此，每种成分的量加起来可能不是一。

下表2列出了利用公开的管状焊丝50的实施例E1-E3形成焊缝熔敷物时可采用的示例焊接参数。例如，在管状焊丝的实施例E1-E3中，根据表2所述的参数，利用焊接机器人(例如，Miller Auto-Axcess 450和Motoman EA1400N机械手)和镀锌钢板金属工件来形成焊缝熔敷物。这些示例焊缝熔敷物没有表现出焊穿迹象，并提供了可接受的表面外观。实施例E1-E3中的每个实施例提供了良好的可焊接性和良好的送丝性能。另外，管状焊丝50的特定实施例(例如，E1)提供的焊缝熔敷物表现出基于纵向弯曲试验(例如，根据AWS A5.36中对单道次对焊焊缝进行的试验程序)的良好的延展性。进一步，相信实施例E1-E5中的每个实施例都能提供坚固的焊缝熔敷物，其抗拉强度大于约70ksi。

对于根据表2的参数形成的每种焊缝熔敷物，焊缝熔敷物的外部没有或几乎没有显示出外部孔隙，而焊接操作开始和结束时产生了微小的外部孔隙，这在镀锌涂层材料的焊接中很常见。对这些焊缝熔敷物进行的X光分析证实，仅存在细微的内部孔隙。由此，应理解的是，本方法使得即使在焊接涂层工件时，也可在较高移动速度(例如，超过30in/min或超过40in/min)下获得低孔隙率(例如，较低表面孔隙率和/或较低总孔隙率)焊缝。在特定实施例中，当前公开的管状焊丝50实现的低孔隙率可提供基本无孔隙的焊缝。在其他实施例中，公开的管状焊丝50可提供低孔隙率焊缝，这些焊缝仅有小空隙或孔隙(例如，直径约1.6mm以下)，空隙或孔隙以大于或等于每个孔隙的相应直径的间距彼此分离。进一步，在特定实施例中，孔隙率可表示为一个方向(例如，沿焊缝的轴线)上焊缝的每个距离内存在的孔隙的直径的总和。对于这种实施例，所述焊缝的孔隙率可为每英寸焊缝约0.3英寸以下、每英寸焊缝约0.25英寸以下、每英寸焊缝约0.2以下，或每英寸焊缝约0.1英寸以下。在特定实施例中，管状焊丝50中的铬含量可将工件中存在的大部分氮保留在溶液中，以提供这种低孔隙率焊缝，特别是在焊接高氮含量的工件(例如，氮化钢)时。应理解的是，所述焊缝的孔隙率可利用X光分析、显微镜分析或其他合适方法来测量。

表2.采用管状焊丝50的实施例E1-E3对镀锌工件进行的焊接操作的示例焊接参数。

但是，如上所述，管状焊丝50的特定实施例可形成最初具有高强度，但也具有相对较低的延展性和韧性的焊缝熔敷物。例如，在单(例如，1+1)道次对焊试验中，采用管状焊丝50的一个实施例(例如，E5)，利用药芯电弧焊工艺(例如，电流：～280A；电压：28V；移动速度：约12in/min；通电伸出：7/8in；保护气体混合物：90％Ar/10％CO₂)形成焊缝熔敷物。对于该示例，虽然焊后焊缝的强度可足以满足碳当量(CE)单道次强度等级(例如，约93,200磅/平方英寸(PSI))，但焊缝熔敷物的延展性可能不足以满足其他AWS等级。例如，对焊后焊缝进行纵向弯曲(例如，半径约0.75in)时，焊珠中可能会开始形成开口。但是，对于该示例，应理解的是，一旦对焊缝熔敷物进行了焊后热处理(例如，在约1200°F下处理约1小时或以下)，焊缝熔敷物便可通过类似的纵向弯曲试验，同时仍然保持高强度。但是，应理解的是，对于仅考虑强度的应用，可在不进行焊后热处理的情况下使用示例焊缝熔敷物。

另外，下表3包括对使用市售管状焊丝，F6(可从Hobart BrothersCompany of Troy,OH购买)，并且采用用于三个不同的焊接实验的当前管状焊丝50的实施例E1-E3(即，melt-button、AWM Chem Pad和1layer pad)形成的焊缝熔敷物进行的化学分析。如上所述，管状焊丝50(例如，实施例El、E2、E3和E5)可使上述一种或更多种防腐蚀成分沉积，以限制、阻碍或防止在形成的焊缝熔敷物内产生腐蚀。例如，在特定实施例中，焊缝熔敷物可包括镍、铬、铜及其混合物或合金的一种或更多种，其可限制焊缝熔敷物被活性反应组分(例如，氧)腐蚀。应理解的是，公开的管状焊丝50的特定实施例可产生具有马氏体和/或铁素体结构的低合金焊缝熔敷物，而其他实施例可产生具有马氏体和/或铁素体结构的高合金焊缝熔敷物。本文使用的“低合金焊缝熔敷物”是铁含量大于50％重量，合金(例如，铬、镍、铜等)总含量小于10％重量的焊缝熔敷物。本文使用的“高合金焊缝熔敷物”是铁含量大于50％重量，合金(例如，铬、镍、铜等)总含量大于10％重量的焊缝熔敷物。例如，在特定实施例中，焊缝熔敷物可为不锈钢。根据具体示例，在特定实施例中，焊缝熔敷物可为200系列不锈钢、300系列不锈钢或400系列不锈钢。

根据具体示例，如表3所述，在特定实施例中，铜可占焊缝熔敷物的重量的约0.05％至约2％、约0.07％至约1％、约0.08％至约0.9％、约0.09％至约0.8％、约0.1％至约0.8％，或约0.4％。根据进一步示例，在特定实施例中，铬可占焊缝熔敷物的重量的约0.4％至约20％、约0.5％至约16％、约0.6％至约11％、约0.7％至约10％。仍根据进一步示例，在特定实施例中，镍可占焊缝熔敷物的重量的约0.1％至约1％、约0.2％至约0.7％、约0.3％至约0.65％、约0.4％至约0.65％，或约0.35％。另外，在特定实施例中，管状焊丝50中可含有钼，钼的一部分可掺和到形成的焊缝熔敷物中。根据具体示例，在特定实施例中，钼可占焊缝熔敷物的重量的约0.001％至约0.2％、约0.01％至约0.15％、约0.01％至约1.2％，或约0.07％。在其他实施例中，附加地或可替代地，焊缝熔敷物中可含有钛和/或铌。

本公开的技术效果包括：在涂层工件上形成防腐蚀焊缝熔敷物。特别地，当前公开的管状焊丝包括一种或更多种防腐蚀成分(例如，镍、铬、铜和/或其合金或混合物)，这些防腐蚀成分可增强或提高焊缝熔敷物的防腐蚀性或防氧化性。另外，在特定实施例中，公开的管状焊丝可具有合适成分，用于形成具有相对较高铬含量(例如，4-6wt％的铬)的焊缝熔敷物，铬含量可将氮保存在焊缝熔敷物内的溶液中，以减少或防止焊接氮化钢工件时出现焊缝孔隙。由此，当前公开的管状焊丝增强了涂层(例如，镀锌、镀锌退火、镀铝、氮化、涂漆等)工件和/或较薄(例如，20-、22-、24-规格或更薄)工件的可焊性，即使在高移动速度下(例如，大于30in/min或大于40in/min)也是如此。

表3：对利用市售F6焊丝以及公开的管状焊丝50的实施例El、E2、E3和E5形成的焊缝熔敷物进行的化学分析。表中的值是相对于焊缝熔敷物的总重量按重量百分比计提供。注意，E5是以直流反接和直流正接偏差两种情况显示的，表中的1层垫焊接实验中也包含了基板的成分。进一步注意的是，斜体值较高，是因为在焊接操作期间，无意从电极和/或坩埚中获取了钨和/或铜。

本文仅对本发明的特定特征进行了图示和说明，但本领域的技术人员可对其做出多种修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神范围内的所有这种修改和变化。

Claims (33)

1.一种管状焊丝，包括外皮和焊芯，其中，所述管状焊丝包括：

有机稳定剂成分，所述有机稳定剂成分包括羧甲基纤维素的I族或II族盐；

稀土成分；以及

防腐蚀成分，所述防腐蚀成分包括镍、铬和铜中的一种或更多种。

2.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述一种或更多种防腐蚀成分包括铬，其中，所述管状焊丝包括0.05％至30％重量的铬。

3.如权利要求2所述的管状焊丝，其中，所述焊芯包括4％至80％重量的铬。

4.如权利要求2所述的管状焊丝，其中，所述外皮包括20％以下重量的铬。

5.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述一种或更多种防腐蚀成分包括镍，其中，所述管状焊丝包括0.1％至10％重量的镍。

6.如权利要求5所述的管状焊丝，其中，所述外皮包括10％以下重量的镍。

7.如权利要求5所述的管状焊丝，其中，所述焊芯包括4％以下重量的镍。

8.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述一种或更多种防腐蚀成分包括铜，其中，所述管状焊丝包括0.1％至1％重量的铜。

9.如权利要求8所述的管状焊丝，其中，所述焊芯包括4％以下重量的铜。

10.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述焊芯包括0.05％至5％重量的所述有机稳定剂成分。

11.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述稀土成分包括镧系元素的一种或更多种元素或化合物，其中，所述焊芯包括0.1％至3％重量的所述稀土成分。

12.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述管状焊丝的所述焊芯包括熔块，所述熔块包括I族或II族金属的氧化物、钛的氧化物和锰的氧化物，其中，所述焊芯包括0.1％至2％重量的所述熔块。

13.如权利要求1所述的管状焊丝，其中，所述外皮包括304不锈钢、409不锈钢、410不锈钢或430不锈钢，或其组合。

14.一种涂层工件上形成的防腐蚀焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物包括：

0.5％至21％重量的铬；

0.02％至12％重量的镍；以及

0.05％至1％重量的铜；

其中，所述焊缝熔敷物具有低于0.25英寸/英寸焊缝熔敷物的孔隙率。

15.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，包括：

0.6％至16％重量的铬；以及

0.02％至0.7％重量的镍。

16.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，包括：

18％至21％重量的铬；以及

9％至12％重量的镍。

17.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述孔隙率为低于0.10英寸/英寸焊缝熔敷物。

18.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物具有至少70千磅/平方英寸(ksi)的抗拉强度。

19.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物在大于30英寸/分钟的移动速度下形成。

20.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物在大于10英寸/分钟的移动速度下形成，其中，所述涂层工件的厚度为0.05英寸或以下。

21.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述涂层工件包括涂层低碳钢工件。

22.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述涂层工件包括镀锌低碳钢工件。

23.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述涂层工件是氮化的钢工件。

24.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物包括不锈钢。

25.如权利要求24所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物包括200系列不锈钢、300系列不锈钢或400系列不锈钢。

26.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物是硬面焊缝熔敷物。

27.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物是低合金焊缝熔敷物，所述低合金焊缝熔敷物的特征在于其马氏体结构、铁素体结构，或其组合。

28.如权利要求14所述的焊缝熔敷物，其中，所述焊缝熔敷物是高合金焊缝熔敷物，所述高合金焊缝熔敷物的特征在于其大致马氏体结构、大致铁素体结构，或其组合。

29.一种制造管状焊丝的方法，包括：

将焊芯布置在金属外皮内，其中，所述焊芯包括：

有机稳定剂成分，所述有机稳定剂成分包括羧甲基纤维素的I族或II族盐；

稀土成分，所述稀土成分包括镧系元素中的一种或更多种元素或化合物；

熔块，所述熔块包括钾、钠、硅、钛和锰中的一种或更多种的氧化物；以及

防腐蚀成分，所述防腐蚀成分包括镍、铬和铜中的一种或更多种；以及

围绕所述焊芯压缩所述金属外皮，以形成所述管状焊丝。

30.如权利要求29所述的方法，其中，镍占所述管状焊丝的重量的0.1％至10％，其中，铬占所述管状焊丝的重量的0.05％至30％，其中，铜占所述管状焊丝的重量的0.1％至1％。

31.如权利要求30所述的方法，其中，铬占所述焊芯的重量的4％至80％，其中，镍占所述焊芯的重量的4％以下，其中，铜占所述焊芯的重量的4％以下。

32.如权利要求29所述的方法，其中，所述有机稳定剂成分占所述焊芯的重量的0.05％至5％，所述稀土成分占所述焊芯的重量的0.1％至3％，所述熔块占所述焊芯的重量的0.1％至2％。

33.如权利要求29所述的方法，所述方法包括：将所述管状焊丝加热到300℉至650℉持续4小时至6小时。