使用含铝焊丝的增材制造制造技术

所披露的技术总体上涉及可消耗电极焊丝，并且更具体地涉及具有芯壳结构的可消耗电极焊丝，其中所述芯包含铝。在一个方面，焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包含基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)，其中，Al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。所披露的技术还涉及被适配成用于使用含铝电极焊丝的焊接方法和系统。

Additive manufacturing with aluminum wire

【技术实现步骤摘要】
使用含铝焊丝的增材制造
技术介绍

所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及含铝的可消耗焊接电极焊丝，并且涉及被适配成用于使用含铝电极焊丝的焊接方法和系统。相关领域的描述多种不同焊接技术(包括传统的连结技术以及新兴的增材制造技术)利用焊丝作为金属源。例如，在金属电弧焊中，当在可消耗焊接电极焊丝(充当朝向工件前进的一个电极)与工件(充当另一个电极)之间施加电压时产生电弧。电弧熔化金属焊丝的尖端，从而产生沉积到工件上的熔融金属焊丝的液滴，以形成焊件的焊道或通过增材制造形成的制品。对这些焊接技术的技术要求和经济要求继续增加复杂性。例如，在外观和机械性能方面对更高的焊道质量的需求持续增长，包括高屈服强度、延展性和断裂韧性。同时，在保持经济可行性的同时通常需要更高的焊道质量。一些焊接技术旨在通过改进消耗品、例如通过改进电极焊丝的物理设计和/或组分来解决这些竞争性要求。解决此类竞争性需求的一种途径是将添加剂结合到可消耗电极中。一种示例性添加剂是铬(Cr)，可以添加铬以改善所得焊件的抗氧化/耐腐蚀性。然而，添加此类添加剂可能不足以同时满足一组竞争性焊接特性，所述焊接特性除了耐腐蚀性之外还可以包括例如耐热裂性和高断裂韧性。此外，可能需要在保持经济可行性的同时满足这组竞争性焊件性能，这在主要添加剂包括诸如Cr等相对昂贵的元素时可能是困难的。在下文中，描述了能够满足焊件和增材制造制品的这些和其他竞争性特性以及生产率和经济考虑的可消耗焊接电极焊丝、焊接工艺和系统的多个不同实施例。专利
技术实现思路
所披露的技术总体上涉及可消耗焊接电极焊丝，并且更具体地涉及具有芯壳结构的含铝焊接可消耗电极焊丝，其中所述芯包含铝。所披露的技术还涉及焊接和增材制造方法、以及被适配成用于使用含铝电极焊丝的方法的系统。在第一方面，一种焊丝被配置成用于在焊接(例如药芯电弧焊(FCAW))期间充当焊接金属源。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包含基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)，其中，Al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。在第一方面的焊丝中，所述芯进一步包括基于所述焊丝的总重量浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(Mn)，其中，Mn是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。在第一方面的焊丝中，所述焊丝被配置成用于在自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)工艺中充当电极，其中，所述芯包括熔剂，所述熔剂包括不同于Al或Mn的金属的氧化物、或不同于Al或Mn的金属的氟化物。在第一方面的焊丝中，所述芯进一步包括以下各者中的一者或多者：基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％的铜(Cu)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％的钴(Co)，其中，Cu和Co中的所述一者或多者的总浓度为基于所述焊丝的总重量大于零重量％且小于约10重量％。在第一方面的焊丝中，所述焊丝进一步包括以下各者中的一者或多者：基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约50重量％的镍(Ni)；基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约2.5重量％的碳(C)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约2重量％的氮(N)。在第一方面的焊丝中，Mn、Ni、C、Ni、Cu和Co的浓度使得2[Mn]+[Ni]+30[C]+20[N]+0.3[Cu]+0.3[Co]在约10重量％与约80重量％之间，其中[Mn]、[Ni]、[C]、[N]、[Cu]和[Co]表示相应元素基于所述焊丝的总重量的重量百分比。在一些实施例中，皮和芯被配置使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在约4重量％与约6.5重量％之间的铝(Al)和浓度在约15重量％与约25重量％之间的锰(Mn)。在一些其他实施例中，皮和芯被配置成使得使用所述焊丝形成的焊道具有大于20ft-1bs的断裂韧性(当在温度低于0°F时测量)。在一些其他实施例中，皮和芯被配置成使得使用所述焊丝形成的焊道具有在1与125之间的铁素体数。在第二方面，一种被配置成用于在焊接期间(例如药芯电弧焊(FCAW))充当焊接金属源的焊丝包括由皮包围的芯和组合物，使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在约50重量％与约85重量％之间的铁(Fe)和浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)。在第二方面的焊丝中，所述焊道进一步包括浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(Mn)。在第二方面的焊丝中，所述焊丝是自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)焊丝，其中，所述芯包括熔剂，所述熔剂包括不同于Al或Mn的金属的氧化物或不同于Al或Mn的金属的氟化物。在第二方面的焊丝中，所述芯包括：基于所述焊丝的总重量浓度在约8重量％与约20重量％之间的铝(Al)；基于所述焊丝的总重量浓度在约30重量％与约60重量％之间的锰(Mn)；以及基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约50重量％的镍(Ni)，其中，Al、Mn、和Ni中的每一者是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括碳(C)和镍(Ni)，使得使用所述焊丝形成的焊道具有浓度在大于0重量％且小于约0.5重量％的碳(C)和浓度在大于约0重量％且小于约30重量％的镍(Ni)。在第二方面的焊丝中，所述组合物使得2[Mn]+[Ni]+30[C]>20重量％，其中，[Mn]、[Ni]和[C]表示相应元素基于所述焊道的总重量的重量百分比。在第二方面的焊丝中，所述焊道具有以体积计超过30％的面心立方(FCC)奥氏体。在第二方面的焊丝中，所述焊丝被配置成用于在没有保护气体的情况下沉积时形成具有所述Al浓度和所述Mn浓度的焊道。在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括铁素体稳定化元素中的一种或多种铁素体稳定化元素，所述铁素体稳定化元素选自下组，所述组由铬(Cr)、钼(Mo)、硅(Si)、钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)以及钨(W)组成，使得所述焊道所具有的所述铁素体稳定化元素的总浓度大于0重量％且小于约10重量％。在第二方面的焊丝中，所述芯进一步包括奥氏体稳定化元素中的一种或多种奥氏体稳定化元素，所述奥氏体稳定化元素选自下组，所述组由铜(Cu)和钴(Co)组成，使得所述焊道所具有的所述奥氏体稳定化元素的总浓度大于0％且小于约10重量％。在第三方面，一种焊接(例如药芯电弧焊(FCAW))方法包括提供被配置成用于在焊接过程中充当焊接金属源的焊丝。所述焊丝包括具有钢组合物的皮和由所述皮包围的芯。芯包括基于焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)，其中，Al是元素形式或与不同金属元素合金化。所述方法另外包括施加足够的能量以产生稳定的熔融焊丝液滴流。所述方法进一步包括使熔融液滴沉积到工件上。在第三方面的方法中，所述焊丝进一步包括基于所述焊丝的总重量浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(Mn)，其中，Mn是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。在第三方面的方法中，沉积包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过增材制造来制备制品的方法，所述方法包括：/n提供焊丝，所述焊丝被配置成用于充当形成所述制品的至少一部分的金属的来源，所述焊丝包括：/n皮，所述皮具有钢组合物，以及/n芯，所述芯由所述皮包围，所述芯包括基于所述焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)，/n其中，Al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的；/n施加足以形成所述金属的熔融液滴的能量；以及/n沉积所述熔融液滴以形成焊道层，所述焊道层形成所述制品的所述至少一部分。/n

【技术特征摘要】
20181001 US 16/148,9361.一种通过增材制造来制备制品的方法，所述方法包括：
提供焊丝，所述焊丝被配置成用于充当形成所述制品的至少一部分的金属的来源，所述焊丝包括：
皮，所述皮具有钢组合物，以及
芯，所述芯由所述皮包围，所述芯包括基于所述焊丝的总重量浓度在约3重量％与约20重量％之间的铝(Al)，
其中，Al是呈元素形式或与不同金属元素合金化的；
施加足以形成所述金属的熔融液滴的能量；以及
沉积所述熔融液滴以形成焊道层，所述焊道层形成所述制品的所述至少一部分。


2.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，沉积所述熔融液滴包括形成多个堆叠的焊道层，所述多个堆叠的焊道层形成所述制品的主要部分。


3.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，施加所述能量包括施加足以在所述焊丝与工件之间产生等离子弧以引起所述熔融液滴的形成的能量。


4.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，施加所述能量包括电阻加热所述焊丝，同时将激光束引导到工件上以引起所述熔融液滴的形成。


5.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，所述方法包括施加所述能量并且根据气体保护金属电弧焊(GMAW)工艺进行沉积。


6.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，所述方法包括施加所述能量并且在没有保护气体的情况下根据自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)工艺进行沉积。


7.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，所述方法包括施加所述能量并且根据气体保护钨极电弧焊(GTAW)工艺或等离子弧焊(PAW)工艺进行沉积，其中施加所述能量包括将所述能量施加到不同于所述焊丝的电极。


8.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，提供所述焊丝包括提供金属芯焊丝。


9.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，提供所述焊丝包括提供自保护的药芯电弧焊(FCAW-S)焊丝，其中，所述芯包括熔剂，所述熔剂包括不同于Al或Mn的金属的氧化物或不同于Al或Mn的金属的氟化物。


10.根据权利要求1所述的制备制品的方法，其中，所述芯进一步包括基于所述焊丝的总重量浓度在约10重量％与约60重量％之间的锰(Mn)，其中，Mn是呈元素形式或与不同金属元素合金化的。


11.根据权利要求10所述的制备制品的方法，其中，所述芯进一步包括以下各者中的一者或多者：
基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％的铜(Cu)；以及
基于所述焊丝的总重量浓度在大于零重量％且小于约10重量％...

【专利技术属性】
技术研发人员：张申甲，J·B·谢弗，巴德里·K·纳拉亚南，迈克尔·A·科特曼，
申请(专利权)人：林肯环球股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US