提供具有增加的耐磨性焊缝的热焊丝消耗品

申请号 CN201380038456.0 申请日 2013-07-19 公开(公告)号 CN104640669A 公开(公告)日 2015-05-20
申请人 林肯环球股份有限公司; 发明人 P·E·丹尼; M·怀特黑德; P·普莱彻; L·M·拜阿尔;
摘要 在用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、 焊接 以及接合应用的系统(100、1400)中用于沉积耐磨材料(142)的 填充 焊丝 (消耗品)(140、140A、140C、240)被提供。所述消耗品(140、140A、140C、240)由符合通常已知组成的 基础 填充材料(141)构成。例如,所述基础填充材料(141)可以包括在许多标准低 碳 钢 焊丝中使用的标准材料。除了所述基础填充材料,所述消耗品包括耐磨材料(142)。所述耐磨材料(142)包括无定形 金属粉末 、金刚石晶体(142)、金刚石粉末(143)、碳化钨和 铝 化物中的至少一种。
权利要求

1.一种热焊丝消耗品,所述消耗品包括:
基础填充材料,以及
耐磨材料,所述耐磨材料包括金刚石晶体、金刚石粉末、化钨和化物中的至少一种。
2.如权利要求1所述的消耗品,其中所述耐磨材料包括颗粒和粉末中的至少一种,所述颗粒在200微米至400微米范围内,所述粉末具有在5微米至200微米范围内的公称直径。
3.如权利要求1或2所述的消耗品,其中在所述消耗品中所述颗粒和粉末中的所述至少一种表征在5%至50%范围内的组合体积百分比。
4.如权利要求1至3中的一项所述的消耗品,所述消耗品还包括:
焊剂,所述焊剂被设置于所述基础填充材料之上以形成外层,所述基础填充材料形成所述填充焊丝的实心的芯部分,
其中在所述消耗品的所述外层中,颗粒和所述粉末中的所述至少一种与所述焊剂混合。
5.如权利要求1至4中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品是实心型焊丝,并且其中所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种与所述基础材料混合,并且使所述混合物被烧结来形成所述实心型焊丝。
6.如权利要求1至4中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品是有芯型焊丝,所述基础材料形成围绕芯的护套,并且
其中所述芯包括所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种。
7.如权利要求6所述的消耗品,其中所述芯包括焊剂,并且
其中在所述芯中,所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种与所述焊剂混合。
8.如权利要求1至4中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品是有芯型焊丝,所述基础材料与所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种的一部分形成围绕芯的护套。
9.如权利要求6或8所述的消耗品,其中所述芯包括焊剂,并且
其中在所述芯中,所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种的剩余部分与所述焊剂混合。
10.如权利要求1至9中的一项所述的消耗品,其中所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种是被包覆的。
11.如权利要求10所述的消耗品,其中所述包覆层包括镍和镍合金中的至少一种,并且所述包覆层的厚度在1至30微米范围内。
12.如权利要求1至11中的一项所述的消耗品,其中所述颗粒和所述粉末中的所述至少一种的熔化温度或燃烧温度高于所述基础填充材料的熔化温度。
13.如权利要求1至12中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品包括所述粉末和所述颗粒两者,并且在所述消耗品中所述粉末和所述颗粒的组合体积百分比在5%至50%范围内。
14.如权利要求1至13中的一项所述的消耗品,其中所述粉末和所述颗粒中的所述至少一种是金刚石。
15.如权利要求1至14中的一项所述的消耗品,其中所述粉末和所述颗粒中的所述至少一种是所述金刚石、碳化钨和铝化物中的至少两种的组合。
16.如权利要求1至15中的一项所述的消耗品,其中所述粉末和所述颗粒中的所述至少一种是金刚石与所述碳化钨和铝化物中的一种的组合,并且其中,在所述消耗品中,所述粉末和所述颗粒的所述消耗品的组合体积百分比不超过80%。
17.如权利要求1至16中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品包含具有在20微米至200微米范围内的公称直径的碳化钨颗粒,并且在所述消耗品中所述碳化钨颗粒的体积百分比在30%至80%范围内。
18.如权利要求1至17中的一项所述的消耗品,其中所述消耗品包含具有在20微米至300微米范围内的公称直径的铝化物颗粒,并且在所述消耗品中所述铝化物颗粒的体积百分比在10%至80%范围内。
19.特别地根据权利要求1至18中的一项的一种热焊丝消耗品,所述消耗品包括:
围绕芯的护套;
基础填充材料;以及
耐磨材料,所述耐磨材料包括在被沉积材料的体积的10%至85%范围内的无定形金属粉末

说明书全文

提供具有增加的耐磨性焊缝的热焊丝消耗品

[0001] 优先权
[0002] 本申请是2013年3月7日递交的美国专利申请No.13/789,205的部分继续申请,并且要求所述美国专利申请No.13/789,205的优先权,所述美国专利申请No.13/789,205要求2012年7月19日递交的美国临时专利申请61/673,496的优先权,所述美国专利申请No.13/789,205和所述美国临时专利申请61/673,496通过引用被全部并入本文。

技术领域

[0003] 某些实施方案涉及在钎焊(brazing)、熔敷(cladding)、堆焊(building up)、填充、表面硬化(hard-facing)熔覆、焊接以及接合应用中的任一个中使用的填充焊丝(消耗品)。更特别地,某些实施方案涉及在用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接应用中的任一个的系统中,使用填充焊丝来沉积耐磨材料的系统和方法。

背景技术

[0004] 在传统弧焊或表面堆焊(surfacing)(熔敷等)操作中,填充焊丝可以被用来使用高温电弧沉积金属到接头中。来自电弧的热量熔化填充焊丝,并且熔化的填充焊丝液滴被添加到焊接熔池。然而,因为电弧的存在,填充焊丝的组成可能由于使用电弧时某些材料和成分不容易转移,或者根本不转移而被限制。这可能由于多种原因,包括电弧的高温,或者由于存在于电弧中的电弧/等离子体学。然而,非常符合期望的是使这些组分中的一些沉积到表面堆焊操作或焊接接头中,并且同样地有能够使用其中具有各种组成和组分的填充焊丝的需要。
[0005] 通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比,对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。

发明内容

[0006] 本发明的实施方案包括在用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个的系统中,使用至少一个填充焊丝(消耗品)来沉积耐磨材料的系统和方法。所述填充焊丝由基础填充材料构成,所述基础填充材料符合在各种钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中使用的通常已知的消耗品组成。例如,所述基础填充材料可以包括在许多标准低实心焊丝(比如,例如ER70S-6)中使用的标准材料,比如、碳、、镍、铬、、硫等。除了所述基础填充材料,本发明的消耗品包括耐磨材料。所述耐磨材料包括金刚石晶体、金刚石粉末、碳化钨和化物中的至少一种。
[0007] 所述系统包括高强度能量源,至少在使用激光或热焊丝电源供应器来加热至少一个符合本发明的填充焊丝(消耗品)的同时,所述高强度能量源加热至少一个工件。所述方法包括至少在使用激光或热焊丝电源供应器来加热至少一个符合本发明的填充焊丝(消耗品)的同时,将来自高强度能量源的能量施加到至少一个工件来加热所述至少一个工件。所述高强度能量源可以包括激光装置、等离子弧焊(PAW)装置、气体保护钨极弧焊(GTAW)装置、气体保护金属极弧焊(GMAW)装置、焊剂芯弧焊(FCAW)装置以及埋弧焊(SAW)装置中的至少一个。
[0008] 从如下的说明书权利要求书和附图,所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
[0009] 附图简要描述
[0010] 通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案,本发明的上述和/或其他方面将会更加明显,在所述附图中:
[0011] 图1图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图,所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个;
[0012] 图2A-图2B图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝的示例性实施方案;
[0013] 图3A-图3B图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝的示例性实施方案;
[0014] 图4图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝的示例性实施方案;
[0015] 图5A图示说明可以使用图2A和图3A中图示说明的填充焊丝的示例性实施方案形成的示例性焊缝的横截面图;
[0016] 图5B图示说明可以使用图2B和图3B中图示说明的填充焊丝形成的示例性焊缝的横截面图;
[0017] 图6图示说明可以使用图4中图示说明的填充焊丝形成的示例性焊缝的横截面图;
[0018] 图7图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示意方框图,所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中的任一个;
[0019] 图8A和图8B描绘示例性熔敷层,所述示例性熔敷层描绘本发明的实施方案的使用;以及
[0020] 图9和图10图示说明可以在图1的系统中使用的填充焊丝的示例性实施方案。
[0021] 具体描述
[0022] 现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明,而不意图以任何方式限制本发明的范围。尽管以下讨论中的许多将涉及“焊接”操作和系统,但本发明的实施方案并不仅限于接合操作,而是可以被类似地用于熔敷、钎焊、熔覆等类型的操作。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
[0023] 在焊接操作中,焊接/接合操作典型地将多个工件接合在一起,其中填充金属与工件金属中的至少一些相结合来形成接头。在这样的操作中,填充金属可以没有与工件完全相同的组成。相应地,具有与工件的其余部分相比不同的性质的接头不是不常见的。例如,鉴于工件由耐磨的材料制成,接头可能更易受磨损。在这样的情况中,使接头由至少与工件一样耐磨的材料构成是符合期望的。然而,因为传统方法使用电弧来转移填充材料,所以将耐磨材料添加到填充材料的能力可能由于这些材料可能在电弧中消耗,而非沉积在焊接熔池中而受到限制。如下面描述的,本发明的示例性实施方案能够沉积耐磨材料到焊缝中并且相比于现在存在的焊接技术提供显著的优势。
[0024] 图1图示说明组合填充焊丝送进器和能量源系统100的示例性实施方案的功能性示意方框图,所述系统100用于执行钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆以及接合/焊接应用中的任一个。系统100包括高能量热源,所述高能量热源能够加热工件115来形成焊接熔池145。高能量热源可以是激光子系统130/120,所述激光子系统130/120包括可操作地相互连接的激光装置120和激光电源供应器130。激光器120能够将激光束110聚焦到工件115上并且电源供应器130提供功率来操作激光装置120。激光子系统130/120可以是任何类型的高能量激光源,包括但不限于二化碳、Nd:YAG、Yb-片(disk)、YB-光纤、光纤传递或直接二极管激光器系统。另外,甚至如果白光或石英激光器类型的系统具有足够2
的能量,可以使用它们。例如,高强度能量源可以提供至少500W/cm。
[0025] 下面的说明书将反复地涉及激光子系统130/120、光束110和激光电源供应器130,然而,应该理解的是,这种涉及是示例性的,因为任何高强度能量源可以被使用。例如,高能量热源的其他实施方案可以包括电子束、等离子弧焊子系统、气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属极弧焊子系统、焊剂芯弧焊子系统以及埋弧焊子系统中的至少一个。应该注意的是,高强度能量源(比如本文所讨论的激光装置120)应该是具有足够的功率来为所期望的焊接操作提供必需的能量密度的类型。就是说,激光装置120应该具有改变来自激光电源供应器(或者其他来源)的能量的能力,以贯穿焊接工艺创建并且保持稳定的焊接熔池,并且也达到所期望的焊接熔深。例如,针对一些应用,激光器应该具有“穿透(keyhole)”到被焊接的工件中的能力。这意味着激光器应该具有足够的功率密度来(部分地或完全地)熔透到工件中,同时在激光器沿工件行进时保持所述熔深平。示例性激光器应该具有1kW至20kW范围内的功率容量,并且可以具有5kW至20kW范围内的功率容量。
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在其他示例性实施方案中,功率密度可以在10至10 瓦特(watts)/cm 范围内。更高功率的激光器可以被利用,但这可以变得非常昂贵。
[0026] 系统100还包括热填充焊丝送进器子系统,所述热填充焊丝送进器子系统能够提供至少一个填充焊丝140,以在靠近激光束110处与工件115接触。当然,理解的是,关于本文的工件115,熔池(即焊接熔池145)被认为是工件115的一部分,因此涉及到与工件115接触包括与熔池145接触。热填充焊丝送进器子系统包括填充焊丝送进器150、导电管(contact tube)160以及热焊丝电源供应器170。根据本发明的实施方案,热焊丝焊接电源供应器170是直流(DC)电源供应器(例如,可以是脉冲的),然而交流(AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。焊丝140通过导电管160从填充焊丝送进器150被朝向工件115送进,并且延伸超过管160。在操作期间,填充焊丝140的延伸部分由来自热焊丝焊接电源供应器170的电流电阻加热,所述热焊丝焊接电源供应器170被可操作地连接在导电管
160和工件115之间。在它进入工件115上的焊接熔池145之前,焊丝140的延伸部分可以被电阻加热,以使所述延伸部分在接触工件115上的焊接熔池145之前接近或达到熔点。因为填充焊丝140被加热到它的熔点或接近它的熔点,它在焊接熔池145中的出现将不会明显使熔池145冷却或凝固并且焊丝140被迅速地消耗到焊接熔池145中。激光束110(或其他能量源)用于熔化工件115的基底金属的一些以形成焊接熔池145,并且完成将焊丝
140熔化到工件115上。然而,电源供应器170提供电阻加热填充焊丝140至熔化温度或接近熔化温度所需要的能量。
[0027] 系统100还包括感测和控制单元195。所述感测和控制单元195可以被可操作地连接到电源供应器170、焊丝送进器150和/或激光电源供应器130,来控制系统100中的焊接过程。题为“启动和使用用于焊接的组合填充焊丝送进和高强度能量源的方法和系统(Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding)”的美国专利申请No.13/212,025通过引用被全部并入,提供示例性启动和启动后控制算法,所述启动和启动后控制算法可以被并入用于操作系统100的感测和控制单元195。
[0028] 与大多数的焊接工艺不同,本发明将填充焊丝140熔化到焊接熔池145中而不是使用焊接电弧来将填充焊丝140加热、熔化并且转移到焊接熔池145中。因为在本文描述的工艺中不使用电弧来转移填充焊丝140,所以填充焊丝可以包括这样的材料,所述材料通常会以这样的方式在电弧中被消耗或者与电弧相互作用,以至于在凝固之后不存在于熔池中。例如,为了增加焊缝的耐磨性,填充焊丝140可以包括耐磨材料,比如金刚石、碳化钨、铝化物等。由于在电弧中的加热或化学活性,这些结构可能改变它们的结构、组成和/或性质。应该注意的是,虽然以下讨论中的一些涉及金刚石晶体和/或粉末,这意图的是示例性的并且提及的“金刚石”可以用本文认定的其他材料中的任何一种替代。另外,术语“晶体”可以用术语“颗粒”替代。
[0029] 在本发明的示例性实施方案中,耐磨材料由小金刚石晶体/颗粒构成。如图2A中所示,填充焊丝140由基础填充材料141构成,所述基础填充材料可以是任何适用于焊接工艺的标准填充材料。例如,基础填充材料141可以包括在许多标准低碳钢实心焊丝(比如,例如ER70S-6)中使用的标准材料,比如铁、碳、硅、镍、铬、铜、硫等。除了所述基础填充材料,本发明的消耗品包括耐磨材料。例如,被嵌入所述基础填充材料141中的是金刚石晶体142,所述金刚石晶体142可以具有,例如,在5微米至200微米范围内的公称直径,在其他实施方案中,所述晶体更大并且可以具有在200至400微米范围内的公称直径。当然,其他颗粒尺寸可以被使用而不偏离本发明的范围,只要所述颗粒能够被沉积并且提供期望的性能。在填充材料141中的金刚石晶体142的密度将取决于工件将要经历的环境。例如,被暴露于高度磨蚀环境的工件相比于在较小磨蚀环境中的工件,在填充材料141中的金刚石
142的密度将更高。在本发明的示例性实施方案中,在焊丝140中的金刚石的体积百分比将在5%-30%范围内,并且在其他实施方案中可以在5%至50%范围内。然而,取决于被完成工件的环境,实施方案可以具有不同密度。在其他示例性实施方案中,比如在图2B中示出的那个中,金刚石粉末143与填充材料141混合来产生填充焊丝140。金刚石粉末143比金刚石晶体142更细,并且金刚石粉末143可以具有在5至200微米范围内的公称直径,并且在其他实施方案中可以在10至50微米范围内。此外,在焊丝140中的金刚石粉末的体积百分比可以在5%至50%范围内。当然,填充焊丝140可以包括金刚石晶体142和金刚石粉末143的组合。在这样的实施方案中,在填充焊丝140中的组合的金刚石晶体142和金刚石粉末143的体积百分比可以在5%至50%范围内。具有嵌入的金刚石晶体142和/或金刚石粉末143的填充焊丝140,可以使用已知的方法制造,比如将金刚石晶体或金刚石粉末与填充金属粉末结合并且然后烧结它们。金刚石的类型是不限制的并且可以是天然或合成的。应该注意的是尽管以下讨论经常涉及“金刚石”,这仅仅意图是示例性的,因为其他耐磨材料可以被使用。例如,在填充焊丝140中可以使用碳化钨颗粒,所述碳化钨颗粒可以具有在20至200微米范围内的公称直径。在焊丝140中的碳化钨颗粒的体积百分比可以在30%至80%范围内,并且在其他实施方案中可以在30%至60%范围内。此外,具有公称直径在20至300微米范围内的铝化物可以以10%至80%范围内的体积百分数被使用在填充焊丝140中,在其他示例性实施方案中所述百分比在10%至50%范围内。当然,以上材料的任何组合也可以被使用,其中材料组合的组合体积百分比不超过消费品的80%。另外,任何比例的组合材料可以被使用,例如所述材料可以是50%金刚石和50%碳化钨。还注意的是耐磨材料不限于两种材料的组合,但是可以是多于两种耐磨材料的组合。再次说明,耐磨材料的混合物的比例可以基于性能和其他期望的特性被选择。
[0030] 在以上实施方案中,金刚石晶体142和/或金刚石粉末143被混合或嵌入基础填充材料141成分中并且以类似于实心型(solid-type)填充焊丝的制造方式来制造。然而,在本发明的一些实施方案中,填充焊丝是有芯的。如图3A和图3B中所示,填充材料141围绕被填充以焊剂144的芯形成护套。在此示例性实施方案中,金刚石晶体142和/或金刚石粉末143可以被混合或者被嵌入焊剂144中而不是填充材料141中(或者除了填充材料141以外)。在本发明的其他实施方案中,焊剂144不被包括在焊丝140A中,并且只有金刚石晶体142和/或金刚石粉末143存在于芯材料中。芯材料可以以类似于在弧焊有芯焊条中使用的焊剂材料的制造方式来制造。例如,所述芯可以是具有类似于现有焊剂芯焊条的组成的组成的粒状焊剂,只是耐磨颗粒和/或粉末也被添加到焊剂材料。在另外的示例性实施方案中,焊丝140A的构造类似于金属芯焊丝的构造,其中护套141和所述芯中的每个是实心的,但是所述芯具有包括如本文描述的耐磨颗粒(例如,金刚石、碳化钨颗粒、铝化物等)的实心组成。此外,本发明的示例性实施方案不限于附图中示出的配置,以至于具有耐磨颗粒的焊剂可以是在实心的芯部分之上沉积的焊丝140A的外层。这种构造类似于自保护(self-shielding)焊条的构造,所述自保护焊条具有被盖覆在实心的芯的外表面上的焊剂。
[0031] 图5A图示说明具有耐磨材料的焊缝焊丝140C的横截面图,所述焊缝使用图2A或图3A中图示说明的填充焊丝沉积。类似地,图5B图示说明具有耐磨材料的焊缝的横截面图,所述焊缝使用图2B或图3B中图示说明的填充焊丝沉积。如图5A和图5B中所示,耐磨材料遍及所述焊缝被找到。这样,由于热焊丝消耗品140A-C被沉积到焊接熔池中,耐磨颗粒遍及熔池被分布,并且当熔池凝固时,所述颗粒被遍及分布。注意的是尽管图5A和图5B示出典型的焊接接头,就这一点而言本发明的实施方案不被限制,因为焊丝还可以被使用于熔敷/表面堆焊操作,并且可以被使用在其他类型焊接接头中。这些附图意图是示例性的。例如,这些附图描绘示例性焊接接头,并且当然,本发明的实施方案可以被使用于熔敷或熔覆操作,而不偏离本发明的精神或范围。借助于耐磨颗粒遍及所述接头分布,随着所述接头通过暴露、机械摩擦等磨损,所述接头/沉积处将一致地暴露附加的颗粒层,以至于接头/沉积处的耐磨性贯穿其厚度是相对一致的。例如,如果填充物被使用在熔敷/表面堆焊操作中,随着熔敷层被磨耗,新的颗粒被暴露,因而贯穿熔敷层的厚度提供一致的耐磨性。
[0032] 在其他示例性实施方案中,可以使用这样的过程,以使焊丝140A-C被使用在填充过程的最后,以使只有顶层(即,焊道的最后道次(pass))或顶部多个层将包括耐磨材料。
[0033] 当然,耐磨材料(例如,金刚石、碳化钨、铝化物等)和填充材料不需要被包括在相同的填充焊丝140A-C中。根据本发明的某些其他实施方案,因为不使用电弧来将填充焊丝140转移到焊接熔池145,送进器子系统150可以被配置来同时提供多于一个焊丝到熔池。
(本文对于焊丝140的涉及意图包含本文公开的焊丝的全部实施方案,例如,140A/C。)例如,第一焊丝可以被使用于沉积耐磨材料(例如,金刚石晶体142或金刚石粉末143)到工件115,并且第二焊丝可以被使用于对工件增加构造。第一和第二焊丝(或额外的焊丝)还可以被使用于表面硬化和/或为工件115提供耐腐蚀性。此外,通过将多于一个填充焊丝引导到任何一个焊接熔池,焊接工艺的整体沉积率可以被显著地增加而不需要在热量输入上的显著增加。因此,考虑的是,留隙焊根(open root)焊接接头可以以单个焊道被填充。
另外,在其他示例性多焊丝实施方案中,焊丝中的一个(例如引导焊丝)可以沉积焊接接头的基体(matrix),而任何额外的焊丝添加如本文描述的耐磨颗粒。这样的实施方案可以提供定制或特制焊道轮廓或化学组成和性质来提供针对特定条件的期望性能的能力。
[0034] 如以上讨论的,填充焊丝140A/C被熔化到焊接熔池145中而无需电弧。因而,焊丝140A/C不经受电弧的可以高达8000℉的极热。然而,填充焊丝140A/C的熔化温度将取决于焊丝140A/C的尺寸和化学组成和性质变化并且可以超过1500℉。相应地,在本发明的一些示例性实施方案中,耐磨颗粒将要具有高于其余填充焊丝成分的熔化/燃烧温度。为了本申请的目的,燃烧温度可以是材料的气化沸腾温度。这有助于确保焊丝在耐磨颗粒的完整性受到危害之前熔化。然而,到耐磨材料被包括在具有高于颗粒的熔化温度的熔化温度的填充焊丝中(或者熔池温度将高于颗粒的熔化/燃烧温度)的程度,基于填充焊丝
140A/C的熔化温度,在填充焊丝140A/C内的颗粒可能需要被保护。
[0035] 例如,以上描述的一些示例性实施方案使用金刚石作为耐磨材料。金刚石在氧气的存在下可以燃烧并且形成二氧化碳。在空气中(约21%的氧气),金刚石将在约1550℉燃烧。相应地,在焊接熔池145的温度和/或焊丝140A/C的熔点超过金刚石燃烧的温度的情况下,必须采取保护措施来使在填充焊丝140A/C中的任何金刚石不暴露于氧气。
[0036] 在一些示例性实施方案中,填充焊丝140A/C可以包括焊剂,所述焊剂保护焊接区域以防氧化。在这样的实施方案中,焊剂可以在焊接区域之上形成保护熔渣(slag)来保护焊接区域不接触大气和/或形成二氧化碳来保护焊接区域。这样的焊剂盖覆层是众所周知的并且经常与自保护焊条一起使用。在一些示例性实施方案中,焊剂是填充焊丝上的盖覆层(未示出)。在其他实施方案中,如图3A和图3B中图示说明的,焊剂被设置于填充焊丝的芯中。这样的焊剂的成分是众所周知的并且将不在本文中讨论。在其他示例性实施方案中,系统100可以包括保护气体系统,在操作期间所述保护气体系统将保护气体递送到熔池145来保护所述操作不接触大气。所述保护气体可以是惰性气体,比如氩,并且通常可以使用已知的不含有氧气的保护气体。
[0037] 在其他示例性实施方案中,耐磨颗粒142(例如,金刚石)可以被包覆来将所述颗粒与任何可能存在的氧气隔离,或者将所述颗粒与熔池145的热量和/或焊丝的加热隔离。当然,粉末143也可以被包覆。例如,如图4中图示说明的,金刚石晶体142使用适当的包覆层146被包覆或包封。在一些示例性实施方案中,包覆层146可以是金属合金,比如镍或镍合金。在示例性实施方案中,所述包覆层厚度可以在1至40微米范围内,并且在其他示例性实施方案中可以在5至30微米范围内,并且所述厚度可以取决于被包覆的颗粒的尺寸。
当然,本发明可以包括落在此范围以外的包覆层厚度。在一些实施方案中,包覆层146被这样选择,以使其熔化温度在填充材料141和/或焊接熔池145的熔化温度以上。相应地,因为在这些实施方案中包覆层146将不熔化,所以在焊接过程期间颗粒142将不被暴露于大气。可替换地,在其他实施方案中,包覆层146将仅在填充焊丝140(140A)与焊接熔池145接触之后熔化,所述焊接熔池145被保持在包覆层146的熔点以上的温度。因为在包覆层
146熔化之前颗粒142已经在焊接熔池145中,暴露于大气并且因而任何石墨燃烧被限制。
当然,也可以使用焊剂和惰性气体来进一步限制颗粒通过置换或消耗焊接熔池145周围的任何氧气而暴露于大气。
[0038] 另外,所述包覆层充当热屏障来阻止来自熔池145的热量和焊丝的加热到达颗粒。同样地,包覆层145可以是提供保护耐磨颗粒的热屏障的材料和厚度。就是说,在一些实施方案中,包覆层146可以是抵抗热量传递的组成,以使熔池在颗粒被热量破坏之前冷却并凝固。另外,包覆层146可以有这样的厚度和组成,以使包覆层146中的最少一些熔化并且被吸收到焊接熔池中,而包覆层146中的至少一些随着熔池冷却保留在颗粒上。这样,包覆层146可以有这样的组成,所述组成不仅与熔池145相容,而且阻止来自熔池和焊丝140中的热量破坏耐磨颗粒。如以上所述,这样的材料可以是在颗粒与焊丝140结合之前设置于所述颗粒上的镍或镍合金。各种制造方法可以被使用来包覆颗粒,包括使用气相沉积或者其他类似的包覆方法。图6图示说明具有被包覆的耐磨材料的焊缝的横截面图,所述焊缝使用图4中图示说明的填充焊丝沉积。
[0039] 在以上实施方案中,取决于被沉积的耐磨材料的类型,焊丝140A/C和/或焊接熔池145的温度可以是重要的操作参数。相应地,在图7中图示说明的本发明的再另一个示例性实施方案中,系统1400包括热传感器1410,所述热传感器1410被利用来监测焊丝140(140A、140C)的温度。系统1400类似于系统100,并且为了简化,将仅讨论相关差异。
热传感器1410可以是任何能够检测焊丝140的温度的已知类型。传感器1410可以与焊丝
140接触或者可以被耦合到导电管160的尖端,以检测焊丝的温度。在本发明的另外的示例性实施方案中,传感器1410是使用激光或红外光束而不接触焊丝140的类型,所述激光或红外光束能够检测小目标(比如填充焊丝的直径)的温度。在这样的实施方案中,传感器
1410被这样安置,以使焊丝140的温度可以在焊丝140的伸出处(其是在导电管160的尖端的末端和焊接熔池145之间的一些点处)被检测。传感器1410还应该被这样安置,以使针对焊丝140的传感器1410不感测焊接熔池145的温度。
[0040] 传感器1410被耦合到感测和控制单元195,以使温度反馈信息可以被提供到电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150,以致系统1400的控制可以被最优化。例如,电源供应器170的功率或电流输出可以至少基于来自传感器1410的反馈被调整。就是说,在本发明的实施方案中,使用者可以输入所期望的温度设定(针对给定的焊缝和/或焊丝140),或者感测和控制单元可以基于其他使用者输入数据(耐磨材料类型、耐磨材料的包覆层、焊丝送进速度、焊条(electrode)类型等等)设置所期望的温度,并且随后感测和控制单元195将至少控制电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150来保持所述所期望的温度。
[0041] 在这样的实施方案中,这样解释焊丝140的加热是可能的,所述焊丝140的加热可以在焊丝进入焊接熔池145之前由于作用于焊丝140的激光束110的缘故而发生。在本发明的实施方案中,焊丝140的温度可以仅经由电源供应器170通过控制焊丝140中的电流来控制。然而,在其他实施方案中,焊丝140的加热中的至少一些可以来自入射到焊丝140中的至少一部分上的激光束110。如此一来,单独来自电源供应器170的电流或功率可以不表征焊丝140的温度。从而,传感器1410的利用可以有助于通过电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150的控制来调节焊丝140的温度。
[0042] 在另外的示例性实施方案中(同样在图7中被示出),温度传感器1420被引导来感测焊接熔池145的温度。在此实施方案中,焊接熔池145的温度也被耦合到感测和控制单元195。然而,在另一示例性实施方案中,传感器1420可以被直接耦合到激光电源供应器130。来自传感器1420的反馈可以被用来控制来自激光电源供应器130/激光器120的输出。就是说,激光束110的能量密度可以被更改,以确保所期望的焊接熔池温度被获得。
[0043] 在图1和图7中,为清楚起见,激光电源供应器130、热焊丝电源供应器170、焊丝送进器150以及感测和控制单元195被分开示出。然而,在本发明的实施方案中,这些部件可以被一体制成为单个焊接系统。本发明的方面不需要将上面各个所讨论的部件保持为分开的物理单元或独立的结构。
[0044] 图8A和图8B描绘示例性熔敷层,所述熔敷层可以用本发明的实施方案创建。图8A示出在工件上的熔敷层,其中颗粒遍及基体分布。如图所示,随着熔敷层被磨损,新的颗粒不断暴露,以使熔敷层可以贯穿所述熔敷层的整个厚度提供耐磨性。类似地,图8B示出类似的熔敷层,其中颗粒被颗粒保护套(如本文所描述的)覆盖,并且随着熔敷表面和保护套被磨耗,颗粒将暴露。
[0045] 在另一个示例性实施方案中,耐磨材料由不具有晶体结构的材料(例如,无定形粉末)构成。对于无定形粉末,比如无定形金属粉末,晶界的缺少允许更好的耐磨和耐腐蚀性。如图9中所示,填充焊丝240由护套241和芯242构成。对于所述填充焊丝240的示例性应用包括表面硬化和熔敷应用,但是本发明的实施方案还可以被使用在焊接/接合应用中。护套241由金属构成并且可以包括,例如,低碳钢、镍合金、不锈合金、其他钢合金、铜合金等。所述芯242含有无定形粉末243,所述无定形粉末243可以包括,例如,无定形金属粉末,比如铁、钢、镍、铝、镧、镁、锆、钯、铜、等,及其合金。芯242还可以含有其他材料244,所述其他材料244可以是任何适用于所述应用的标准填充材料,比如,例如,焊剂材料、铁等。无定形粉末243不具有晶体结构,并且可以具有例如,在10纳米至50微米范围内的公称直径。当然,其他直径尺寸可以被使用而不背离本发明的范围,只要无定形粉末243能够被沉积并且提供期望的性能。此外,无定形粉末243的密度可以是重要的。例如,在焊缝基体材料主要是铁的情况下,无定形铁可以是符合期望的,因为无定形铁会在焊接熔池145中均匀分布。当然,基于期望的分布特性,不同于焊缝基体密度的密度可以被使用。例如,小于焊缝基体密度的无定形粉末243可以集中在完成的焊缝或熔敷层的顶部,在表面硬化应用中这可能是符合期望的。填充焊丝240可以是焊剂芯焊丝或金属芯焊丝。
[0046] 在一些实施方案中,在最终被沉积材料(包括护套材料)中的无定形粉末243的体积百分比可以在10%至85%范围内。在焊丝240中的无定形粉末243的量将取决于应用。例如,对于暴露于高度磨蚀环境中的工件,无定形粉末243在最终被沉积材料中的体积百分比可以是例如60%至85%,而低磨蚀环境可以意味例如10%至40%的体积百分比,并且对于中等磨蚀环境来说意味例如40%至60%体积百分比。
[0047] 在一些实施方案中,无定形粉末243具有可以高达1400维氏硬度数(VHN)的硬度。然而,如果无定形粉末熔化,所述粉末将随其冷却开始结晶,并且因而将失去其一部分耐磨和耐腐蚀性特性。此外,如果熔化的粉末与在熔池中的其他材料相互作用,所述熔化的粉末可能形成新的结构。因而,类似于以上描述的实施方案,当被使用在比如,例如,表面硬化、熔敷、接合/焊接等应用时,无定形粉末必须保存(survive)完整或接近完整来保持其期望的特性。
[0048] 类似于以上讨论的填充焊丝140,填充焊丝240可以被使用在图1的热焊丝系统中。随着焊丝送进器将填充焊丝240送进到由激光光束110(或另一种高强度能量源,所述高强度能量源包括电弧型的来源,比如PAW、GTAW、GMAW、FCAW、SAW等)创建的熔池145,焊丝240可以被热焊丝电源供应器170加热至期望的温度。因为不使用电弧来将焊丝140转移到熔池145,所以如果无定形粉末243的熔化温度高于熔池145或者如果粉末243周围的基体材料被快速冷却以至于无定形粉末243不熔化(或者不明显熔化),无定形粉末243得以保存。
[0049] 当然,填充焊丝240的熔化温度可以取决于焊丝240的尺寸和化学组成和性质变化。但是,在一些示例性实施方案中,无定形粉末243可以包括无定形金属粉末,比如铁、钢、镍、铝、镧、镁、锆、钯、铜、钛、硼等,及其合金,取决于金属或合金,所述无定形金属粉末可以具有大约1200℉至3800℉的熔化温度。相应地,取决于应用,在本发明的一些示例性实施方案中,无定形粉末243具有高于其余填充焊丝成分的熔化温度和焊接熔池145的熔化温度的熔化温度。这有助于确保无定形粉末243不熔化并且保持完整,以使耐磨和耐腐蚀性特性不受到危害。然而,到无定形粉末243被包括在具有高于无定形粉末243的熔化温度的熔化温度的填充焊丝中(或者熔池温度将高于无定形粉末243的熔化温度)的程度,基于填充焊丝240的熔化温度,在填充焊丝240内的无定形粉末243可能需要被保护。
[0050] 例如,在一些情况下焊接熔池145的温度和/或焊丝240的熔点超过无定形粉末243熔化的温度(例如,大约1200℉至3800℉),所述温度取决于所使用的无定形金属或合金(例如,铁、钢、镍、铝、镧、镁、锆、钯、铜、钛、硼等,及其合金)。在那些情况下,必须采取保护措施来在延长的一段时间中使无定形粉末243不暴露于焊接熔池240的高热量。相应地,在一些示例性实施方案中,无定形粉末243可以被包覆来将无定形粉末243与熔池145的热量和/或焊丝240的加热隔离。例如,如图10中图示说明的,无定形粉末243使用适当的包覆层246被包覆或者包封。在一些实施方案中,包覆层246被这样选择,以使其熔化温度在填充材料241和/或焊接熔池145的熔化温度以上。相应地,因为在这些实施方案中包覆层246将不熔化,所以包覆层可以充当热屏障来阻止来自熔池145的热量和焊丝240的加热达到无定形粉末243。为此,包覆层246可以是提供保护无定形粉末243的热屏障的材料和厚度。就是说,在一些实施方案中,包覆层246可以是抵抗热量传递的组成,以使熔池145在无定形粉末243被所述热量熔化(或显著熔化)之前冷却并凝固。另外,包覆层
246可以是这样的厚度和组成,以使所述包覆层246中的最少一些熔化并且被吸收到焊接熔池145中,而所述包覆层246中的至少一些随着熔池145冷却保留在无定形粉末243上。
因而,包覆层246可以有这样的组成,所述组成不仅与熔池145相容,而且阻止来自熔池145和在焊丝240中的热量破坏无定形粉末243。在一些示例性实施方案中,取决于应用,仅举几例来说,包覆材料可以是铁基的、铜基的、铝基的、镍基的或其合金。在无定形粉末243与焊丝240结合之前,包覆层246被沉积到无定形粉末243上。各种制造方法可以被使用来包覆颗粒,包括使用气相沉积,或者其他类似的包覆方法。在无定形粉末243上的包覆层厚度可以在颗粒尺寸的从5%至100%范围内。实际厚度将取决于被使用的颗粒、其尺寸、被使用的基体和处理参数。
[0051] 另外,到全部包覆层熔化或者无定形粉末243必须保持未包覆的程度,无定形粉末243的公称直径可以是这样的,以至于只有较大尺寸颗粒被使用,例如,公称直径在从1至50微米范围内。因而,如果焊接熔池145的热量开始熔化无定形粉末243,通过使用较大尺寸颗粒,所述熔化可以被限制在颗粒的边缘。当然,只要可能,无定形粉末243和焊接基体材料应该被这样选择以使它们是相容的,以至于如果无定形粉末243熔化或“分解”,碳化物或其他脆性(brittle)结构不形成。
[0052] 在以上实施方案中,焊丝240和/或焊接熔池145的温度可以是重要的操作参数。通常,提供最小热量输入到焊接熔池145的工艺是被期望的,因为较低温度将最小化无定形粉末243熔化和/或从无定形状态向结晶状态转化的量。为此,如图1中图示说明的热焊丝工艺帮助最小化到焊接熔池145中的热量输入。当然热焊丝工艺不限制于串联(tandem)激光组合而可以包括电弧型高能量热源比如PAW、GTAW、GMAW、FCAW、SAW等。此外,在一些电弧电极是消耗性焊条的电弧型实施方案中,热量输入可以通过使用短弧工艺比如,例如,短弧转移、表面张力转移等被最小化。另外,如以上对于图7所讨论的,为了最小化无定形粉末243的熔化和/或转化的量,感测和控制单元195可以控制电源供应器170、激光电源供应器130和/或焊丝送进器150来保持焊丝240和/或焊接熔池145的期望的温度。
[0053] 尽管已经参照某些实施方案描述了本发明,但是本领域技术人员将理解,可以进行各种改变并且等同方案可以被替代,而不偏离本发明的范围。另外,可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导,而不偏离其范围。因此,并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案,本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
[0054] 参考编号
[0055] 100 系统 150 焊丝送进器
[0056] 110 激光光束 160 导电管
[0057] 115 工件 170 电源供应器
[0058] 120 激光装置 195 控制单元
[0059] 130 激光电源供应器 240 填充焊丝
[0060] 140 填充焊丝 241 护套
[0061] 140A 焊丝 242 芯
[0062] 140C 焊丝 243 (无定形)粉末
[0063] 141 填充材料 244 材料
[0064] 142 金刚石(晶体)/耐磨颗粒 246 包覆层
[0065] 143 (金刚石)粉末 1400 系统
[0066] 144 焊剂 1410 传感器
[0067] 145 焊接熔池 1420 传感器
[0068] 146 包覆层
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