將含氟氣體用于埋弧焊接的系統及方法
【專利摘要】本公開內容通常涉及焊接，并且更具體地涉及埋弧焊接(SAW)。在一實施方案中，焊接系統(10)包括構造成提供含氟氣流的供氣系統(16)。所述系統還包括構造成提供焊絲的供絲系統(14)和構造成在埋弧焊接(SAW)期間靠近焊接電弧提供焊劑的焊劑供給系統(17)。所述系統進一步包括構造成在SAW期間接收含氟氣流和焊絲并靠近焊接電弧遞送含氟氣流和焊絲的焊接炬組件(18)。
【專利說明】將含氟氣體用于埋弧焊接的系統及方法
相關申請的交叉參考
[0001]本申請是2011年4月4日提交的標題為“System and Method of ReducingDiffusible Hydrogen in Weld Metal”的第13/079，521號美國專利申請的部分繼續申請，上述專利申請出于所有的目的以引用的方式并入本文。
【背景技術】
[0002]本公開內容通常涉及焊接，并且更具體地涉及埋弧焊接(SAW)。
[0003]焊接過程在各行各業中對于各種應用來說已經是非常普遍了。例如，焊接經常用在諸如造船、海上平臺、建筑、乳管機等的應用中。某些焊接技術(例如，氣體金屬電弧焊接(GMAW)、氣體保護藥芯電弧焊接(FCAW-G)和氣體保護鎢極電弧焊接(GTAW))通常使用保護氣體(例如，氬、二氧化碳或氧)以在焊接過程期間在焊接電弧和焊接熔池內部及周邊提供特定的局部氣氛。相反，其它焊接技術(例如，埋弧焊接(SAW))通常使用在電弧條件下分解或放氣的粒狀焊劑以提供靠近焊接電弧和焊接熔池的局部氣氛。此外，SAW能提供其它優點，如與其它焊接技術相比增大的沉積速率。
[0004]—般而言，對于涉及鋼的焊接應用來說，人們關心的是在焊接期間和在焊接過程完成之后存在于焊縫中的可擴散氫的量。氫可由若干來源引入焊縫，包括來自氣氛的水分、金屬表面、焊接電極或焊劑。在焊接操作期間，氫也可由金屬或焊絲表面上的油、潤滑劑或其它涂料引入。在焊接過程期間，氫易溶于暴露于高溫的鋼；然而，在焊縫冷卻時，氫可能會變得越來越不溶于鋼，并且從溶液中被排斥。這可造成氫聚集在焊縫金屬內的間斷點和顆粒邊界處。這些高壓力及應變的區域可造成焊縫變脆并破裂，這最終可導致焊接失敗。
[0005]限制焊縫中的可擴散氫的一種方法是通過預加熱金屬，例如以在焊接操作期間限制存在于金屬的表面上的水分的量，和/或通過調節金屬冷卻的速率對金屬微結構提供更好的控制。這種預加熱方法可常用于涉及焊接較厚鋼板或高強度鋼的情況。然而，在某些情況下，如水下焊接應用，在焊接過程期間控制存在的水分量可能是困難的或者是不可能的。此外，金屬加工廠為減少氫開裂的可能性而預加熱鋼，與此相關聯可產生高成本(例如，能量、設備、時間等)。在其它情況下，預加熱可能會應用不當，并且只達到了表面預加熱而不是滲透預加熱。
【發明內容】
[0006]在一實施方案中，焊接系統包括構造成提供含氟氣流的供氣系統。該系統還包括構造成提供焊絲的供絲系統和構造成在埋弧焊接(SAW)期間靠近焊接電弧提供焊劑的焊劑供給系統。該系統進一步包括構造成在SAW期間接收含氟氣流和焊絲并靠近焊接電弧遞送含氟氣流和焊絲的焊接炬組件。
[0007]在另一實施方案中，一種方法包括經由圍繞埋弧焊接(SAW)電弧的多個通道遞送含氟氣流，使得焊接熔池上方的焊劑底盤(bed)基本上不受擾動。
[0008]在另一實施方案中，一種系統包括具有焊接炬主體的焊接炬，所述焊接炬主體帶有構造成使含氟氣體流過焊接炬主體的氣體導管。焊接炬進一步包括具有一個或多個構造成使含氟氣體在焊接電弧周圍流動的氣體導管的接觸端頭。此外，接觸端頭被構造成連結于焊接炬主體，使得焊接炬主體的氣體導管與接觸端頭的一個或多個氣體導管流體連通。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]當參考附圖閱讀以下【具體實施方式】時將會更好地理解本發明的這些及其它特征、方面和優點，其中在全部附圖當中，同樣的記號代表同樣的部件，其中:
[0010]圖1是根據本公開內容的實施方案的混合型埋弧焊接(HSAW)焊接系統的方框圖；
[0011]圖2是示出根據本公開內容的實施方案的HSAW焊接系統的內部電路的方框圖；
[0012]圖3是根據本公開內容的實施方案的HSAW焊接炬的透視圖；
[0013]圖4是根據本公開內容的實施方案的圖3中所示的焊接炬在線4-4內截取的截面視圖；
[0014]圖5是根據本公開內容的實施方案的圖4中所示的接觸端頭的放大截面視圖；
[0015]圖6是根據本公開內容的實施方案的接觸端頭的遠端的透視圖；以及
[0016]圖7是示出被認為是根據本公開內容的實施方案在SAW期間使用含氟氣體自焊縫金屬移除可擴散氫所涉及的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]如下面詳細描述的那樣，本文提供在埋弧焊接(SAW)或混合型埋弧焊接(HSAW)期間利用氣流來控制靠近(例如，圍繞或鄰近)電弧和/或焊接熔池的氣氛的焊接系統和方法的實施方案。此外，本文提供具體而言在埋弧焊接(SAW)或混合型埋弧焊接(HSAW)期間利用含氟氣體來減少焊縫金屬中的可擴散氫的量的焊接系統和方法的實施方案。如此，術語“混合型埋弧焊接”或“HSAW”通常可用來指所公開的系統，其結合了一種或多種氣體(例如，保護氣體、含氟氣體，或它們的任意混合物)，類似于GMAW，但通常仍將焊縫埋在焊劑底盤中。應當理解的是，所公開的實施方案一般針對的是對通常不涉及提供氣流的電弧焊接過程(例如，SAW)提供一種或多種氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)。進一步應當理解的是，雖然本討論可能特別是集中于SAW，但如本文所討論的包含含氟氣體可有益于旨在最大程度地減少焊縫中的可擴散氫的任何電弧焊接過程。
[0018]如本文所用，含氟氣體為每個氣體分子基本上具有至少一個氟原子的單一氣體或氣體的混合物。例如，含氟氣體可以是基于碳的氣體，如四氟化碳(CF4)、全氟乙烷(C2F6)或三氟氯甲烷(CF3Cl)，或者可以是無機氣體，如三氟化氮(NF3)、三氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟(F2)、六氟化鎢(WF6)，或它們的任意混合物。如本文所用，保護氣體可以指可提供給電弧和/或焊接熔池以便提供特定的局部氣氛(例如，保護電弧、提高電弧穩定性、限制形成金屬氧化物、提高金屬表面的潤濕性、改變焊縫熔敷的化學性質，等等)的任何氣體或氣體的混合物。在某些實施方案中，保護氣體可以是單一的保護氣體或保護氣體混合物(例如，氬(Ar)、氦(He)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、氮(N2)、類似合適的保護氣體，或它們的任意混合物)。例如，保護氣流可包括Ar、Ar/C(yg合物、Ar/CO 2/02混合物、41"/拖混合物，等等。此外，除非另有指示，否則所有所指的氣體混合物百分比均表示按體積計的百分數。
[0019]一般來說，所公開的HSAW實施方案結合了氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)，所述氣流可(單獨或與焊劑組合)提供靠近電弧和/或焊接熔池的特定局部氣氛。因此，所公開的HSAW實施方案使得能夠以較大的自由度來選擇焊劑組分，因為在焊接過程期間，此氣流可提供一些或全部的局部氣氛。此外，某些公開的實施方案結合了含氟氣流，并且因此能以比其它解決方案(如上述的預加熱方法)更劃算的方式提供有效地減少焊縫中的可擴散氫的量的方法。然而應當理解的是，所公開的利用含氟氣流的實施方案可以與預加熱方法結合使用以提供對焊縫中的可擴散氫含量的聯合作用，并且還可減少通常用于給定焊接操作的預加熱的量(或程度)。還應當指出的是，本發明公開的實施方案可采用含氟氣體而不是含氟固體。含氟氣體對焊接操作員提供有優勢，如選擇焊絲有較大的靈活性，并且在焊接操作期間飛濺減少。
[0020]轉向附圖，圖1示出根據本公開內容的實施方案在焊接過程期間利用氣流來提供至少一部分的局部氣氛的混合型埋弧焊接(HSAW)系統10的實施方案。系統10包括焊接供電單元12、焊接送絲機14、供氣系統16、焊劑供給系統17和焊接炬18。焊接供電單元12通常對焊接系統10供電，并且可經由電纜束20連接于焊接送絲機14，以及使用具有夾具26的引線電纜24連接于工件22。在所示的實施方案中，焊接送絲機14經由電纜束28連接于焊接炬18，以便在焊接系統10的操作期間對焊接炬18供給焊絲(例如，實芯焊絲或焊劑芯焊絲)和電力。在另一實施方案中，焊接供電單元12可連接于焊接炬18并直接對其供電。
[0021]在所描述的實施方案中，焊接系統10包括對焊接炬18供給氣流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)的供氣系統16，其中該氣流提供在焊接電弧和/或焊接恪池處或者靠近焊接電弧和/或焊接恪池(例如，相距大約0.5mm、I mm、2mm、3mm、4mm、5mm或不到大約30mm)的至少一部分局部氣氛。在所描述的實施方案中，供氣系統16經由氣體導管30直接連接于焊接炬18。在另一實施方案中，供氣系統16可改為連接于送絲機14，并且送絲機14可調節氣體從供氣系統16向焊接炬18的流動。所示HSAW系統10的焊劑供給系統17經由焊劑導管31對焊接炬18提供焊劑。因此，所示的焊接炬18通常接收來自焊接送絲機14的焊絲和電力、來自供氣系統16的氣體流和來自焊劑供給系統17的焊劑流，以便進行工件22的HSAW。在操作期間，可以使焊接炬18靠近工件22，使得可以在焊接炬18與工件22之間形成電弧32。應當理解的是，本公開內容的一方面是在工件22的表面處控制對焊炬18、電弧32和/或焊接熔池遞送電力、焊絲、氣體和焊劑以控制焊接過程。
[0022]所示焊接系統10的供氣系統16包括氣體源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)可例如一起儲存在其中的氣瓶中。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)可儲存在氣體源34中以提供保護氣流。此外，一種或多種含氟氣體可另外或可選地儲存在氣體源34中以提供含氟氣流。含氟氣體的非限制性例子可包括以下中的任一種:CmFnXp、NF3、BF3、31?4、&或WF 6，或它們的任意混合物。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、CF3Cl,CF2H2, CFC13、C2F6, C2F4, C2F5Cl、C2F4H2、C3F7H, C4Fltl等中的任一種，或它們的任意混合物。例如，在某些實施方案中，供氣系統16可包括含大約95% CF4和大約5% F2的單個氣瓶。如此，在某些實施方案中，由氣體源34提供的含氟氣體的濃度可以為零(即，基本上為0% )或介于大約 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，余者為保護氣體或保護氣體混合物。在一實施方案中，含氟氣體在供給焊接炬18的總氣流中的百分比介于大約0.5%與5%之間。在一實施方案中，含氟氣體在總氣流中的百分比低于大約0.1%、1%、2%、3%、4%或
[0023]焊劑供給系統17可經由導管31在電弧32處或靠近電弧32 (例如，相距1mm、2mm、3mm>5mm以內或大約不到30mm)提供粒狀焊劑流。在焊劑流被遞送到電弧32附近時，其可靠近(例如，在上方、覆蓋和/或鄰近)焊接熔池收集為焊劑層或底盤。焊劑的至少一部分可在電弧32和/或焊接熔池處或靠近電弧32和/或焊接熔池部分地分解和/或放氣(例如，經加熱釋放一種或多種氣體)，并與供氣系統16協同工作以在焊接熔池處或靠近(例如，相距lmm、2mm、3mm以內或大約不到30mm)焊接恪池提供合適的局部氣氛。焊劑可另外或可選地促進工件22的潤濕、限制金屬氧化物的形成、去除焊縫中的化學雜質和/或起到類似的作用以促進焊接過程。焊劑通常可包括諸如典型團聚的、粘結的或熔融的焊劑之類的焊劑。這些焊劑可以是中性、半中性或活性焊劑，并且可具有一系列不同的酸度或堿度水平。示例焊劑的非限制性清單包括:鋁酸鹽金紅石型(AR)焊劑、鋁酸鹽堿型(AB)焊劑、鋁酸鹽氟化物堿型(AF)焊劑、氟化物堿型(FB)焊劑或硅酸鈣(CS)焊劑。此外，在某些實施方案中，焊劑可選自根據EN760規格的焊劑。
[0024]此外，本公開內容的一方面是，在某些實施方案中，在焊接過程期間，焊劑可以在電弧32處或靠近(例如，相距1mm、2mm、3mm以內或大約不到30mm)電弧32與氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)基本上混合。也就是說，如下文針對圖3-6所詳細討論的那樣，HSAW系統10的某些實施方案可包括焊接炬18，其被構造成在焊劑到達電弧32之前或之時確保氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)通常排擠分散在粒狀焊劑內的正常空氣。在其它實施方案中，焊劑供給系統17可另外或可選地在保護氣體和/或含氟氣體的氣氛下儲存焊劑，使得遞送給焊接炬18的焊劑可以與氣流(例如，保護氣流和/或含氟氣流)預混入口 ο
[0025]通常應當理解的是，在HSAW系統10的某些實施方案中，使用氣流(例如，包括保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)通常可允許使用不同類型的焊劑(例如，它們可不與典型的SAW過程相容)。也就是說，氣流(例如，包括保護氣體和/或含氟氣體)可有助于控制靠近(例如，相距大約1mm、2mm、3mm或大約不到30mm)在工件22的表面處的電弧32、焊接熔池和/或焊劑底盤的局部氣氛。如此，焊縫的質量可較少依賴于由焊劑提供的局部氣氛。如此，采用本發明的HSAW系統10可使用較低成本的焊劑。此外，通過使用含氟氣流可減少通常在焊劑或電極(例如，焊劑芯的、金屬芯的或實心的焊絲)中使用的其它組分，如氟化物鹽或其它固體氟源，或者可將其一并消除。這通常可使得能夠基于其它的考慮(例如，有關焊劑和/或焊絲的成本、期望的焊接特性、期望的焊接化學過程、除渣、焊道形狀、滲透、沉積速率，等等)而更自由地來選擇焊劑和/或焊絲電極。例如，在利用含氟氣流的實施方案中，可由更堿性的焊劑代替通常選擇來減少焊縫中產生的氫含量的酸性焊劑，同時仍能提供具有類似氫含量的焊縫。
[0026]如所提到的那樣，所示的HSAW系統10通過控制對在工件22的表面處的焊炬18、電弧32和/或焊接熔池遞送電力、焊絲、氣體和焊劑來控制焊接過程。此外，在某些實施方案中，通過控制保護氣體和/或含氟氣體的化學性質，可以調整電弧32和/或所產生的焊縫的化學性質。例如，當焊接金屬對可擴散氫的存在特別敏感時，供氣系統16可提供較高的含氟氣體流速，或者采用較高的含氟氣體的相對濃度(例如，在保護氣體中介于5%與10%之間的含氟氣體)以最大程度地清除可擴散氫。例如，當使用基于碳的含氟氣體時，利用具有較高碳數的氣體(即，m值較大)可對所產生的焊縫貢獻較多量的碳，這對于某些鋼應用來說可能是可取的，同時仍能減少可擴散氫的量。進一步舉例而言，當使用基于碳的含氟氣體時，使用具有一些氫的氣體(即，X是氫原子且P大于O)可對電弧提供有益效果，如提高電弧溫度和電弧向工件里的穿透性，同時仍能限制在焊接操作期間可能對焊縫金屬貢獻的氫的量。然而，并非所有的含氟氣體都與涉及特定金屬的應用相容。例如，雖然六氟化硫(SF6)可用作保護氣體的添加劑以減少焊縫中存在的可擴散氫的量，但一些材料(例如，鋼)與SF6不相容，因為在焊接過程之后留在焊縫中的硫(例如，硫化鐵)的量可導致在縫焊固化期間由于硫偏析而發生開裂。如此，本發明某些公開的實施方案所使用的含氟氣體基本上不含硫。
[0027]對于一些實施方式來說，可能期望供氣系統16由獨立的氣體源遞送含氟氣流(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、CO 2、
02、N2或它們的任意混合物)。轉到圖2，所示為HSAW系統40的另一實施方案的方框圖。更具體地，圖2示出根據本公開內容的某些實施方案可使用含氟氣流以減少焊縫中的可擴散氫的焊接系統40的一些內部構件。此外，類似于圖1的HSAW系統10，圖2中示出的HSAW系統40通常包括焊接供電單元12、焊接送絲機14、焊接炬18、供氣系統16和焊劑供給系統17。
[0028]在圖2所示的實施方案中，焊接供電單元12包括電力轉換電路42，其接收來自交流電源44(例如，AC電力網、發動機/發電機組或它們的組合)的輸入電力、調節輸入電力并經由電纜46提供輸出電力以給焊接送絲機14供電，后者繼而根據系統40的需要給焊接炬18供電。因此，在一些實施方案中，電力轉換電路42可包括能夠由系統40的需要決定而將AC輸入電力轉換成直流電極正(DCEP)輸出、直流電極負(DCEN)輸出或可變平衡AC輸出的電路元件(例如，變壓器、整流器、開關，等等)。端接于夾具26的引線電纜24將電力轉換電路42耦接到工件22，并閉合焊接供電單元12、工件22與焊接炬18之間的電路。
[0029]焊接供電單元12還包括控制電路48，其被配置成接收并處理有關焊接系統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可包括易失性或非易失性存儲器，如ROM、RAM、磁存儲器、光存儲器或它們的組合。此外，可以將各種控制參數連同配置成在操作期間提供特定輸出(例如，啟動送絲、使氣體流動、使焊劑流動等)的代碼儲存在存儲器52中。處理電路50還可接收來自用戶接口 54的一個或多個輸入，用戶通過其可選擇過程和輸入所需的參數(例如，電壓、電流、特定的脈沖或非脈沖焊接方案，等等)。例如，在某些實施方案中，用戶接口 54可使用戶能設定有關電極正(EP)或電極負(EN)電流的大小和幅度的參數(例如，用于涉及可變平衡AC電流的焊接應用)。
[0030]基于接收自操作員的此類輸入，控制電路48進行操作以控制焊接電力輸出的產生，焊接電力輸出施加于焊絲，用于例如經由發送到電力轉換電路42的控制信號實施所需的焊接操作。基于此類控制命令，電力轉換電路42適于產生最終將施加于焊接炬18處的焊絲的輸出電力。為此目的，如上面所指出的那樣，可以使用各種電力轉換電路，包括斷路器、升壓電路(boost circuitry)、降壓電路(buck circuitry)、逆變器、轉換器，等等。更進一步地，在圖2的實施方案中，控制電路48還包括配置成在操作期間與焊接送絲機14的電子設備接合的接口電路56。接口電路56連接于處理電路50也連接于焊接送絲機14的構件。進一步地，處理電路50經由連接于接口電路56的電纜58對焊接送絲機14提供與焊接操作相關的控制信號。如前所述，焊接供電單元12和焊接送絲機14可經由電纜束20彼此連接，并且焊接炬18可經由電纜束28連接于焊接送絲機14。
[0031]在所示的實施方案中，供氣系統16包括一個或多個含氟氣體源57和一個或多個保護氣體源59。也就是說，所示的供氣系統16被構造成對位于焊接送絲機14中的流控系統60供給含氟氣流(例如，包括CF4、F2、CF2Cl2、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41"、抱、0)2、02、隊或它們的任意混合物)。在其它實施方案中，可以不使用(多個)保護氣體源59，并且由焊劑供給系統17供給的焊劑可基本上提供焊接熔池上方的保護氣氛，同時含氟氣體清除來自焊接熔池的殘留氫。在所描述的實施方案中，供氣系統16經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)對流控系統60分別地遞送氣體。在另一實施方案中，供氣系統16可連接于單個預混合氣體源(例如，98% Ar中2% CF4/C021:1)，后者可經由單個氣體導管連結于流控系統60，類似于圖1的實施方案。
[0032]在圖2的HSAW系統40中，流控系統60可連接于多個含氟氣體源57以及多個保護氣體源59。例如，流控系統60可經由保護氣體導管束62中的不同導管接收來自兩個保護氣體源59 (例如，Ar和CO2)的單獨氣流，以及經由含氟氣體導管束64中的不同導管接收三個含氟氣體源(例如，CF4XF3Cl和F2)，并提供來自五個分開的氣體源的混合氣流。應當理解的是，某些實施方案可使用任意數目的氣體導管和氣體源。在另一實施方案中，流控系統60可接收和調節來自一個或多個保護氣體源59和一個或多個氟氣體源57的氣流，并且不是將氣體混合在一起，而是將氣體分別地(即，經由不同的導管)輸出到焊接炬18。此外，流控系統60包括多個閥66，并且可有多個調節器、氣流傳感器，等等，它們調節進入氣流以及穿過氣體導管68以到達焊接炬18的流出氣流的流量。
[0033](多個)保護氣體源59可含有Ar、He、C02、02、N2中的任一種或它們的任意混合物。例如，保護氣體源59可含有100% CO2、大約85% Ar/15% CCV混合物、大約75% Ar/24%CO2/1 % O2混合物、大約95% C02/5%隊混合物、100% 0)2等。(多個)含氟氣體源57可含有CmFnXp、NF3、BF3、SiF4、F^ WF 6中的任一種或它們的任意混合物。對于C mFnXp，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、CF2C12、CF3Cl、CF3H、C2F4H2、C2FC13、C2F4H2、C2F6、C3F6Cl2, C4F7H3等中的任一種或它們的任意混合物。或者例如，含氟氣體可含有大約98% CF4/2 % CF2Cl2混合物、大約 90% CF β/10% BFjg合物、大約 85% C2F4/13% CF4/2 %WF6混合物等。在一實施方案中，含氟氣體在由流控系統60供給焊接炬18的總氣流中的百分比介于大約0.01%與10%之間。在一實施方案中，含氟氣體在總氣流中的百分比小于大約 0.1%、1%、2%、3%，4%或5%。
[0034]如圖2中所示，除了流控系統60之外，焊接送絲機14還包括用戶接口 70，其允許對焊接送絲機14設定系統參數(例如，送絲速度、過程、選定電流、電壓或功率水平、相對保護/含氟氣體濃度和流速、焊劑流速，等等)。如此，用戶接口 70連接于控制器72，后者允許根據操作員的選擇控制送絲速度，并容許經由接口電路56將這些設置反饋給供電單元12。控制器72還基于用戶定義的設置控制流控系統60，并調節各單獨氣體的相對比例和流速，以產生要經由氣體導管68遞送給焊接炬18的所需混合氣流。如上面所提到的那樣，在一實施方案中，流控系統60可經由多個氣體導管68對焊接炬18單獨地遞送含氟氣體和保護氣體。此外，在某些實施方案中，控制器72可連結于焊劑供給系統17，使得可經由自用戶接口 70輸入的用戶設置來控制焊劑供給系統17 (例如，焊劑料斗73)的操作。
[0035]焊接送絲機14還包括用于在控制器72的控制下對焊接炬18并從而對焊接應用送絲的構件。例如，焊絲76的一個或多個供絲裝置74(例如，線軸)安置在焊接送絲機14中。送絲機驅動單元78可自線軸74解開焊絲76并逐步地將焊絲76送到焊接炬18。為此目的，送絲機驅動單元78可包括以適合確立起適當送絲的方式配置的構件，如電路、電機、輥，等等。例如，在一個實施方案中，送絲機驅動單元78可包括給送電機，其與給送輥接合以將焊絲從焊接送絲機14朝焊接炬18推送。來自焊接供電單元12的電力通常是通過電纜46施加于給送的焊絲。
[0036]所示的HSAW系統40包括具有焊劑料斗73的焊劑供給系統17。焊劑供給系統17通常可經由導管75對焊接炬18提供粒狀焊劑流。如下面詳細討論的那樣，在某些實施方案中，焊接炬18可包括接觸端頭，其被構造成用由流控系統60提供的保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物排擠粒狀焊劑中的任何空氣。在其它實施方案中，焊劑供給系統17可連接于供氣系統16，使得儲存在焊劑供給系統中(例如，在焊劑料斗73中)的焊劑在經由導管75被提供給焊接炬18之前可以被保持在包括含氟氣體、保護氣體或含氟氣體/保護氣體混合物的氣氛下。此外，如所提到的那樣，在某些實施方案中，可通過控制器72來控制焊劑供給系統17，使得用戶可以控制對焊接炬18和/或工件22遞送焊劑的速率。
[0037]在所示的實施方案中，焊接炬18可包括控制開關80、焊絲傳送構件82、氣體傳送構件84和焊劑遞送構件85。下面根據圖3-6詳細討論焊接炬18的某些實施方案的其它方面。一般來說，在焊接系統操作期間，焊絲可穿過電纜束28朝焊接炬18推進。在焊接炬18內可設置另外的焊絲傳送構件82，如另外的牽引電機和相關的驅動輥。可調節牽引電機以提供所需的送絲速度。此外，氣體傳送構件84(例如，噴嘴、控制閥、氣體擴散器等)可包括在焊接炬18中，以控制和引導經由氣體導管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)的流動。焊接炬18還可包括經由控制線86連接于焊接送絲機14中的控制器72的控制開關80，其可對控制器72提供信號以允許由操作員來起動和停止焊接過程。這些起動/停止信號可從控制器72傳導至流控系統60和焊接供電單元12。因此，啟動控制開關80可以使氣體開始流動，提供焊劑，推進焊絲，并且對推進中的焊絲施加電力。
[0038]在另一實施方案中，焊接炬18還可包括一個或多個連接于焊接送絲機14的控制器72的傳感器。在操作期間，傳感器可以被配置成測量來自焊接炬18的指示焊接環境的一個或多個參數。為此目的，在整個焊接操作當中，一個或多個傳感器(例如，熱傳感器、氣體流量傳感器、化學傳感器、光學傳感器等)可連續地或以所需的時間間隔測量所需的參數。在傳感器取得這種數據時，數據可以被傳遞給焊接送絲機14中的控制器72，使得在系統操作期間可通過控制器72來調節焊接系統40的參數(例如，含氟氣體濃度和流速、送絲速率、焊劑流速、電弧電壓和電流等)。
[0039]應當理解的是，通常可能期望的是調節來自焊接炬18的接觸端頭的含氟氣流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物的流動)，使得在焊接過程期間由焊劑供給系統17提供的焊劑底盤在工件22的表面上不受擾動(例如，在工件22的表面上移動或從其上移除)。然而，還應當理解的是，在某些實施方案中，可能期望的是使提供給焊接炬18的氣流與由焊劑供給系統17提供的粒狀焊劑充分地混合。因此，下面(根據圖3-6)討論改進的焊接炬18，其通常可提供這些可取的特征。也就是說，下面描述的改進的焊炬實施方案提供改進的接觸端頭，其使氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)在遞送給焊接電弧32時能夠穿過圍繞焊絲76的若干導管遞送。通過如本發明公開的那樣經由導管遞送氣流，可以采用相對低的壓力和流速。這通常防止了焊劑底盤受擾動，同時氣流(例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)仍可足以提供所需的一種或多種效果(例如，清除殘留氫、控制焊縫的化學性質、穩定電弧、控制工件的表面化學性質等)。此外，下面討論的焊接炬實施方案使得粒狀焊劑和氣流在到達電弧和/或焊接熔池之前能夠在焊接炬的接觸端頭處充分混合。應當理解的是，雖然根據圖3-6討論的焊接炬是用于HSAW焊接的焊接炬的特定實施方案，但在焊接電弧和/或焊接熔池處或者靠近焊接電弧和/或焊接熔池遞送氣流的其它焊接炬實施方案(例如，具有相對于焊接炬主體為內部或外部布置的單個氣體導管的焊接炬)也在考慮之內。
[0040]考慮到上述情況，圖3為混合型埋弧焊接(HSAW)焊炬18的實施方案的透視圖，焊炬18被構造成對工件22的表面提供氣流、焊絲和焊劑。所示的HSAW焊炬18包括封裝若干通道(下面將詳細討論)的主體90，焊絲和氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)在靠近焊接炬18的遠端92離開前可穿過所述通道。也就是說，由焊接送絲機14對焊接炬18分別地提供的焊絲76和氣流68通常可從一端(例如，近端)部分93進入焊炬，并且通常可靠近在焊炬18的遠端92處的接觸端頭離開。此外，對于圖3中所示的焊炬實施方案，焊劑遞送構件85已經由夾緊機構94附接于焊炬18的主體90，使得焊劑遞送構件85圍繞靠近焊接炬18的遠端92的接觸端頭。在其它實施方案中，焊劑遞送構件85可以是附連于焊接炬18的主體90的導管，其靠近焊接電弧而不圍繞接觸端頭沉積焊劑。此夕卜，所示的焊劑遞送構件85包括導管96，其可連結于導管75以便自焊劑供給系統17接收焊劑。一般來說，所示的焊劑遞送構件85使得能夠在接觸端頭周圍遞送焊劑，使得自焊接炬18的接觸端頭放出的氣體可與焊劑充分混合，并且使得含在粒狀焊劑中的相當量的空氣可以被氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)排擠。此外，應當理解的是，由于所示的焊劑遞送構件85包圍接觸端頭，因此通常可采用較低的氣體壓力和/或氣體流速來排擠這種空氣，為了限制氣流對焊劑底盤的擾動，這樣通常是可取的。
[0041]在某些實施方案中，通過在埋弧焊接期間在焊接熔池處或靠近焊接熔池增加含氟氣流，可以實現較低的氫水平以及改進的機械性能。也就是說，在SAW過程中增加含氟氣流對焊接化學過程提供了比單獨使用保護氣體或粒狀焊劑所能實現的情況更好的控制。此夕卜，在某些實施方案中，通常可取的是盡可能靠近地對電弧32遞送足夠高流量的含氟氣體，以確保氣體能夠到達電弧等離子體流而基本上不擾動焊劑底盤。如此，所示的HSAW焊接炬18通常提供改進的系統，其允許就在電弧32處遞送氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)、焊絲和焊劑，達到在電弧32處或靠近電弧32提供所需量的所有成分的混合物的結果。
[0042]圖4是圖3中所示的焊接炬18在線4-4內截取的截面視圖。特別地，圖4示出了裝入焊炬主體90的一部分并由焊劑遞送構件85包圍的接觸端頭100。焊炬主體90包括通道102 (例如，縱向通道)，其可連結于導管68 (例如，來自于焊接送絲機14的流控系統60)并且可提供氣流103 (例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)穿過焊炬18的主體90的路徑。此外，焊炬主體90包括另一通道104，其可提供用于將(例如，由焊接送絲機14提供的)焊絲76遞送到在焊接炬18的遠端92處的接觸端頭100的導管。所示的焊接炬主體90的實施方案進一步包括通常為錐形的腔體106 (例如，配合腔體)，接觸端頭100適于牢固地裝配于其內。焊劑遞送構件85通常可提供進入焊劑遞送構件85與焊接炬主體90和/或接觸端頭100之間的腔體109的焊劑流107，使得從接觸端頭100離開的氣流103可以與遞送的焊劑流107在到達焊接熔池之前充分混合(例如，以排擠任何空氣)。
[0043]所示的接觸端頭100在插入焊接炬主體90時可提供緊密的密封連接，使得易于促進氣體流(例如，保護氣流、含氟氣流或它們的任意混合物)從焊接炬主體90進入并穿過接觸端頭100。通過可有力地接合接觸端頭100并將其固持在操作位置的常規裝置(例如，螺紋環或螺母108、鎖銷、保持環或類似的機構)使所示的接觸端頭100保持在焊接炬主體90內。一般來說，用于接觸端頭100的精確配合腔體有助于確保在電弧32(即，焊炬18的遠端92)的方向上的正向氣流，并且不朝焊接炬主體90回流。當將接觸端頭100置于焊接炬主體90的錐形腔體106中時，如圖所示，隨著將焊接炬主體90的機加工凹槽112與接觸端頭100的機加工凹槽114對準，在兩者之間形成膛室110。此外，所示的膛室110連接于攜帶氣體穿過焊接炬主體90的通道102 (即，所有三者流體連通)。這個膛室110通常自通道102接收氣體，之后才將氣流引入到接觸端頭100。由于接觸端頭100和錐形腔體106的配合表面裝配緊密，膛室110和通道102被相互隔開以防止氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)經由通道102逸散。
[0044]接觸端頭100具有中央通道114，其用于使焊絲通過以及提供與工件22的電接觸以形成電弧32。接觸端頭100進一步包括(例如，布置在中央通道114附近的)若干通道116，它們將氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)攜帶至接觸端頭100的遠端92。在某些實施方案中，這些通道116可在中央通道114附近徑向或同軸地定向。此夕卜，可以有任意合適數目的通道116以提供氣體從膛室110到焊接炬18的遠端92的路徑。例如，某些焊炬實施方案可包括布置在中央通道114附近的1、2、3、4、5、6、8、10或12個通道116，以便使氣體(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)有效地分散進入焊接電弧和焊劑。
[0045]圖5示出自焊接炬主體90取出的接觸端頭100的截面。相應地，接觸端頭100的配合部分包括帶有機加工凹槽112的通常為錐形形狀的部分118，機加工凹槽112通常在形狀上是匹配的，以在裝入焊接炬18的主體90時提供緊固的裝配。接觸端頭100包括中央通道114，用于對電弧32提供焊絲和電力，同時圍繞的通道116將氣體流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)從膛室110遞送給電弧32以及遞送給由靠近(例如，鄰近、圍繞或包圍)接觸端頭100布置的焊劑遞送構件85提供的焊劑流107。此外，圖6示出接觸端頭100的實施方案的遠端92的透視圖。所示的接觸端頭實施方案包括中央通道114，用于對電弧32提供焊絲和電力，同時圍繞的通道116將氣體流(例如，保護氣體、含氟氣體或它們的任意混合物)提供給電弧32和/或由焊劑遞送構件85提供的焊劑。此外，所示的觸頭100包括六個包圍中央通道114的氣體遞送通道；然而應當理解的是，可以采用任意數目的通道116來遞送氣流。此外，應當理解的是，雖然所示的通道116形成在中央通道114附近對稱分布的圓形孔，但本發明也可設想靠近電弧32和/或焊劑提供氣體流的任意數目的通道形狀或布置(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，等等)。
[0046]對于某些實施方案，一旦已將焊劑、焊絲和含氟氣體遞送給焊接炬18的接觸端頭100，則據信會發生圖7的方框流程圖中所描述的一系列事件以自焊縫移除可擴散氫。過程130的第一步是在焊接炬18的接觸端頭100處的電弧32和/或焊接熔池處或者靠近焊接炬18的接觸端頭100處的電弧32和/或焊接熔池引入焊劑流(方框132)和含氟氣體流(方框134)。應當理解的是，可以控制含氟氣流和焊劑流兩者的流速，使得含氟氣體通常可排擠粒狀焊劑中可能存在的任何殘留空氣，同時仍產生基本上未受擾動的焊劑底盤(例如，盡管有含氟氣流，但粒狀焊劑底盤通常保持覆蓋焊接熔池，并且不會顯著地被移除)ο還應當理解的是，對于單獨利用保護氣流的HSAW實施方案(即，沒有含氟氣體)，焊接過程通常可結合類似的步驟，即靠近焊接電弧提供焊劑流，并使保護氣體與粒狀焊劑充分混合以排擠任何殘留的空氣而基本上不擾動布置在焊接熔池上方的焊劑底盤。
[0047]接下來，電弧32中和電弧32周圍的條件(即高電壓和高溫環境)于是可開始使含氟氣體中的化學鍵斷裂并自含氟氣體分子中釋放(方框136)反應性物質。如本文所用，反應性物質可以是由含氟氣體分解所產生的任何殘留自由基(即，F.、CF3.、Cl.)或離子(即，CF3+、F_、C1_等)或它們的任意組合。然后，釋出的反應性物質可滲透(方框138)焊接熔池的熔融金屬。在一實施方案中，含氟氣體的一部分可在反應性物質被釋出前進入焊接熔池。無論何時被釋出，在焊接熔池中釋出的反應性物質都會與溶解在焊接熔池中的可擴散氫鍵合(方框140)，與之反應形成氣體產物(例如，冊、!1(:1、0?3!1等)。由于氣體產物可以比氫較少地溶于熔融金屬，因此其可以在焊縫冷卻之前或之時自熔融的焊接熔池中釋放出來(方框142)，導致焊縫具有的可擴散氫含量減少。應當指出的是，釋出的反應性物質在到達焊接熔池之前也可與電弧中存在的氫反應，并因此也可以預防性的方式減少焊接熔池中的氫的量。
[0048]應當理解的是，在圖7給出的實施方案中，基于氟的氣體中氟原子的作用可以是雙重的。首先，基于氟的氣體的分解產生諸如F—和F.的反應性物質，其可非常適合于與焊縫金屬的沉積或制備中的可擴散氫反應。然而，其次來說，基于氟的氣體分子結構中氟原子更微妙的作用是將也能夠與焊縫中的可擴散氫反應的其它反應性物質(如CF3+)電子穩定化。
[0049]雖然本文僅例示和描述了本發明的某些特征，但本領域技術人員可設想許多修改和變動。因此要理解的是，所附的權利要求書旨在涵蓋屬于本發明實質范圍內的所有此類修改和變動。
【權利要求】
1.一種焊接系統，包括: 構造成提供含氟氣流的供氣系統； 構造成提供焊絲的供絲系統； 構造成在埋弧焊接(^1)期間靠近焊接電弧提供焊劑的焊劑供給系統；和 構造成在埋弧焊接(^1)期間接收所述含氟氣流和所述焊絲并靠近焊接電弧遞送所述含氟氣流和所述焊絲的焊接炬組件。
2.根據權利要求1所述的焊接系統，其中所述含氟氣流和所述焊劑均至少部分地提供靠近所述電弧的局部氣氛。
3.根據權利要求1所述的焊接系統，其中所述焊接炬組件被構造成靠近所述焊接電弧混合所述焊劑和所述含氟氣流。
4.根據權利要求1所述的焊接系統，其中所述含氟氣流包含氬、氦、二氧化碳、氧、氮、氫或它們的組合。
5.根據權利要求1所述的焊接系統，其中所述含氟氣流是基于氮的含氟氣流、基于硅的含氟氣流、基于鎢的含氟氣流或它們的組合。
6.根據權利要求5所述的焊接系統，其中所述含氟氣流包含四氟化碳。
7.根據權利要求6所述的焊接系統，其中所述含氟氣流包含按體積計介于大約0.01 %與大約10%之間的含氟氣體。
8.根據權利要求1所述的焊接系統，包括配置成對所述焊接炬組件提供％電極正①⑶?)輸出、IX:電極負①⑶吣輸出或可變平衡…輸出的焊接電源。
9.根據權利要求1所述的焊接系統，其中所述焊劑包含鋁酸鹽金紅石型(…?)焊劑、鋁酸鹽堿型(仙)焊劑、鋁酸鹽氟化物堿型(八?)焊劑、氟化物堿型(即)焊劑或硅酸鈣￠3)焊劑。
10.一種方法，包括: 靠近進行中的埋弧焊接(^1)焊接熔池遞送含氟氣流和粒狀焊劑流；并 將所述粒狀焊劑流沉積在所述進行中的3八1焊接熔池上方以形成焊劑底盤。
11.根據權利要求10所述的方法，其中在沉積所述粒狀焊劑流以形成所述焊劑底盤之前使所述含氟氣流和所述粒狀焊劑流混合。
12.根據權利要求11所述的方法，其中在沉積所述粒狀焊劑流以形成所述焊劑底盤之前使所述氣流和所述粒狀焊劑流在焊接炬組件的內部混合在一起。
13.根據權利要求10所述的方法，其中所述氣流具有設置成防止所述氣流排擠所述焊劑底盤的粒狀焊劑的流速。
14.根據權利要求10所述的方法，其中所述粒狀焊劑包括中性、半中性、堿性、酸性或活性焊劑。
15.根據權利要求10所述的方法，包括對工件遞送焊絲，其中所述焊絲被配置成當對所述焊絲施加電流時形成到所述工件的焊接電弧。
16.—種系統，包括: 焊接炬組件，其包括: 焊接炬主體，其包括構造成使含氟氣體流過所述焊接炬主體的氣體導管；和 接觸端頭，其包括多個構造成使所述含氟氣體在焊接電弧周圍流動的氣體導管，其中所述接觸端頭被構造成連結于所述焊接炬主體，使得所述焊接炬主體的氣體導管與所述接觸端頭的所述多個氣體導管流體連通。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述接觸端頭包括構造成對所述焊接電弧提供焊絲供給的中央焊絲導管，并且其中所述多個氣體導管布置在所述中央焊絲導管周圍的環中。
18.根據權利要求16所述的系統，包括構造成靠近所述焊接電弧遞送粒狀焊劑的焊劑遞送構件，其中所述焊劑遞送構件連接于靠近所述接觸端頭的所述焊接炬主體并且構造成使所述粒狀焊劑與所述一種或多種氣體混合。
19.根據權利要求18所述的系統，其中所述粒狀焊劑被配置成形成靠近焊接熔池的焊劑底盤，并且其中所述接觸端頭被構造成防止所述含氟氣流排擠所述焊劑底盤的所述粒狀焊劑。
20.根據權利要求16所述的系統，其中所述焊接炬組件為埋弧焊接炬、混合型埋弧焊接炬或氣體金屬電弧焊接炬。
【文檔編號】B23K9/173GK104507626SQ201380026391
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年3月25日 優先權日:2012年3月27日
【發明者】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