CN100469514C - 气体保护电弧焊用实芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用表面处理油处理的气体保护电弧焊用实芯焊丝，表面处理油包括：含有钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)和锌(Zn)的金属盐，以及非金属磷(P)，和碳氢化合物，碳氢化合物含有选自酯基、羧酸基和链烷基组成的组中的至少两种官能团。根据本发明，用特殊液体表面处理剂处理的实芯焊丝比传统实芯焊丝表现出更优异的耐锈性和送丝性。
Description
技术领域
本发明一般地涉及气体保护电弧焊用实芯焊丝，更具体地涉及用表面处理油表面处理的焊丝，从而为焊丝提供好的耐锈性和送丝性。
背景技术
一般地，气体保护电弧焊用实芯焊丝(solid wire)应用于卷绕单元中需要一卷焊丝或者一包装桶焊丝的各种类型产品中。但是，这些产品在制造后过去一段较长的时间才能被消费者实际使用。因此，需要制造具有抗锈性(即，好的耐锈性)的实芯焊丝。
另外，高效率和机器人焊接中使用的气体保护电弧焊用实芯焊丝需要平稳的送丝性。特别是，如果电焊线(welding cable)为长的刻痕(much intended)电焊线，并在恶劣的(rough)焊接环境(例如，大电流和高电压条件)中使用，则好的送丝性是绝对需要的。
根据制造方法，气体保护电弧焊用实芯焊丝大致分为两类。
一类是镀铜实芯焊丝。镀铜实芯焊丝的表面涂覆有镀铜层，用于保证好的导电性(或载流稳定性)、耐锈性(或耐蚀性)以及送丝性。但是，仅仅在镀层致密并且厚度均匀的情况下才能得到这些性能。
不幸的是，实际上，在线批量生产(in-line mass production)系统与实验室的镀铜罐的完美环境相差很大，在线批量生产系统不可能得到这样完美的镀层。
当镀铜厚度不均匀时，在实际焊接过程中，镀层在管道电缆(conduitcable)内剥落，并且剥落的镀层在管道电缆中聚集，造成对送丝性的破坏。此非均匀的镀层削弱了耐锈性，并导致焊丝表面生锈。
另一类是无镀铜实芯焊丝。
与镀铜实芯焊丝不同，无镀铜实芯焊丝需要粘附在表面上的一层稳定表面涂层来代替镀铜层的作用。此表面涂层为无镀铜焊丝提供耐锈性和送丝性。
但是，由于非电镀(无镀铜)焊丝的钢基体暴露在空气中，因此表面生锈是不可避免的。特别是，无镀铜焊丝(copper free wire)的不均匀表面涂层不仅易于生锈，而且由于实际焊接过程中在电焊线中的摩擦而增大送丝载荷。
为了解决镀铜和无镀铜焊丝的这些问题，目前已经开展了对焊丝表面的研究以及表面处理剂的开发。
首先，实芯焊丝用表面处理剂一般有多种。例如，日本专利申请特开11-147194和11-147195披露了一种使用表面处理剂提高送丝性的方法。具体地，将由含有5-12个碳原子的碳氢化合物制成的润滑油应用到焊丝表面，润滑油和润滑颗粒化学结合在一起。
另外，日本专利申请特开平6-262389披露了通过在焊丝表面涂覆防锈剂、抗锈润滑剂来改善送丝性的方法，其中抗锈润滑剂使用润滑油作为基质油并含有5-30％的有机钼化合物。
日本专利申请特开平8-281471披露了通过在焊丝表面涂覆润滑剂来改善送丝性的方法，其中该润滑剂使用润滑油作为基质油并含有2-40％的含氯烃(chlorocarbon)。
其次，有镀铜实芯焊丝用表面处理剂。例如，日本专利申请特开平1-166899披露了通过在焊丝表面涂覆润滑剂来保证送丝性的方法，其中该润滑剂是通过将高级脂肪金属盐或高级脂肪酸金属盐与高级脂肪酸的混合物分散到矿物油中形成的。
另外，日本专利申请特开平2-284792披露了通过在焊丝表面施用含有羧酸钾盐或羧酸钠盐的油性润滑剂来改善送丝性和耐锈性的方法。
第三，有无镀铜实芯焊丝用表面处理剂。例如，日本专利申请特开昭55-141395披露了通过在焊丝表面涂覆硫粉、MoS2和石墨的混合物来改善耐锈性的方法。
另外，日本专利申请特开平11-147174披露了通过在焊丝表面铺展MoS2来改善送丝性的方法。
而且，日本专利申请特开昭58-090397披露了通过在焊丝表面涂覆石蜡薄膜来保证送丝性和耐锈性的方法。
日本专利申请特开昭58-135795和58-184095披露了通过使用固体表面处理剂来改善送丝性的方法，例如，分别使用石墨和MoS2。
并且，日本专利申请特开平2001-252786披露了通过使用液体表面处理剂和上述固体表面处理剂的混合物来改善送丝性的方法。
这些传统的表面处理剂在使用润滑油作为基质油的基础上含有润滑颗粒或粉状固体润滑剂。
作为另一个例子，表面处理剂可以含有诸如MoS2或石墨的粉状固体润滑剂，或者这个或这些固体润滑剂和液体润滑剂的混合物。
但是，含有粉状固体润滑剂的表面处理剂具有以下问题：
(1)当输送焊丝一段较长时间时，固体润滑剂在管道电缆中聚集并导致送丝性变差；
(2)固体润滑剂比液体润滑剂的耐锈性差；
(3)当施用在焊丝圆周表面时，固体润滑剂吸收空气中的潮气，并使用于焊接的焊接金属的氢含量增大；以及
(4)含有碳族(carbon group)的固体润滑剂增大发烟量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种使焊丝具有好的耐锈性和送丝性且不损坏焊丝可焊性的用于气体保护电弧焊用实芯焊丝的适当液体表面处理剂。
上述目的通过开发一种含有金属盐、非金属化学元素例如磷和碳氢化合物的均匀液体表面处理剂来实现。
通过将此均匀液体表面处理剂以特定范围的量铺展在焊接用焊丝上，可以改善气体保护电弧焊用实芯焊丝的耐锈性和送丝性。
根据本发明的第一方面，提供一种用表面处理油处理的气体保护电弧焊用实芯焊丝，表面处理油包括：含有钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)和锌(Zn)的金属盐，非金属磷(P)，以及含有选自由酯基、羧酸基和链烷基(alkanegroup)组成的组中的至少两种官能团的碳氢化合物。
根据本发明的第二方面，提供一种用本发明第一方面的表面处理剂处理的实芯焊丝，其中，以表面处理油的总重量为基准，该表面处理油包括：分别转换成金属元素，含有0.05-0.85重量％Na+Ca、0.05-0.70重量％K和0.02-0.55重量％Zn的金属盐；0.10-0.80重量％的P；以及97.10-99.78重量％的碳氢化合物，碳氢化合物含有选自由酯基、羧酸基和链烷基组成的组中的至少两种官能团。
根据本发明的第三方面，提供一种用根据本发明第一或第二方面的表面处理油处理的实芯焊丝，其中，表面处理油以每千克焊接用焊丝0.03-0.60克的量施用于焊丝表面。
具体实施方式
下面将详细描述本发明。首先，解释构成本发明表面处理油的每种成分的功能及其添加方法。
本发明使用的Na盐牢固地吸附在焊丝表面形成抗锈膜，从而起到防止焊丝表面生锈的功能。优选的Na盐是用[RSO3]Na表示的磺酸钠，其中R可以是任意的烷基，例如可以是碳原子数为3-20的各种烷基。
本发明使用的K盐起到降低焊接过程中电离电压的作用，从而保证电弧稳定性和平稳的送丝性。优选的K盐是以C7H15COOK为代表的羧酸钾。
类似于Na盐，本发明使用的Ca盐牢固地吸附在焊丝表面形成抗锈膜，从而防止焊丝表面生锈。优选的Ca盐是用[RSO3]2Ca表示的磺酸钙，其中R可以是任意的烷基，例如可以是碳原子数为3-20的各种烷基。
本发明使用的Zn盐在用于焊接的焊丝表面形成保护膜，防止焊丝表面在通过管道电缆时被划伤，从而实现平稳的送丝性。优选的Zn盐是用RO4[P2S4]Zn表示的磷酸锌，其中R可以是任意的烷基，例如可以是碳原子数为3-20的各种烷基。
本发明使用的非金属成分磷，是以磷酸酯的形式使用的。磷酸酯吸附在焊丝表面，并在金属之间形成低的摩擦系数。换言之，磷起到在焊接过程中为焊丝提供送丝性的作用。
本发明使用含有至少两种官能团的碳氢化合物，其中的官能团选自酯基、羧酸基和链烷基。碳氢化合物的碳原子数可以为3-20。碳氢化合物吸附在焊丝表面，主要用于降低表面能，并在金属之间提供低的摩擦系数。另外，它们在焊丝表面形成均匀的液体涂层，改善耐锈性和润滑性能。
这种碳氢化合物是从以下组中选择的至少一种或多种物质：羊毛脂肪(wool fats)、羊毛蜡、羊毛脂、硬脂酸、油酸、二聚酸、己二酸、二羧酸酯、多元醇酯(polyol ester)、复合酯(complex ester)、磷酸酯、散蜡(slackwax)、鳞状蜡、半精练石蜡和微晶蜡。
下面将解释限制本发明表面处理油的每种成分含量的原因。成分含量表示为表面处理油总重量的百分数。
(1)Na+Ca：0.05-0.85重量％
Na和Ca是分别以磺酸钠和磺酸钙的形式加入的。如果在表面处理油中这两种成分在其转换成金属元素后的含量小于0.05重量％，耐锈性变差。并且，如果这种成分在其转换成金属元素后的含量在表面处理油中大于0.85重量％时，焊丝表面的吸附性变差，从而不能保证好的耐锈性。
(2)K：0.05-0.70重量％
K是以羧酸钾盐的形式加入的。如果在表面处理油中转换成金属元素后的钾含量小于0.05重量％，将不能在焊接过程中降低电离电压。因此，电弧变得不稳定，这导致送丝性变差。如果含量大于0.70重量％，对稳定电弧以及提供平稳的焊丝稳定性也并无益处。
(3)Zn：0.02-0.55重量％
Zn是以磷酸锌的形式加入的。如果在表面处理油中转换成金属元素后的锌含量小于0.02重量％，不能在焊丝表面形成保护膜，其结果是，焊丝表面容易在焊接过程中被划伤。另一方面，如果含量大于0.55重量％，表面处理油的粘度增大，从而使其难以得到均匀的液体涂层。
(4)P：0.10-0.80重量％
P以磷酸酯的形式加入。如果在表面处理油中转换成P元素后的鳞含量小于0.10重量％，则焊丝表面的表面处理油的吸附性下降，由此造成不能改善送丝性。另一方面，如果含量大于0.80重量％，表面处理油的粘度快速增大，从而使其非常难以得到均匀的液体涂层。因此，不能改善送丝性。
(5)碳氢化合物：97.10-99.78％
本发明使用的碳氢化合物具有选自酯基、羧酸基和链烷基中的至少两种官能团，并且将金属盐溶解在表面处理油中。其主要作用是在焊丝表面形成牢固的耐锈膜和均匀的液体涂层。碳氢化合物的优选含量在从97.10-99.78重量％的范围内，从而为焊丝提供好的耐锈性和送丝性。
上述每种成分的含量通过以下的分析方法得到。
Na、Ca、K、Zn和P的定量分析如下：
1.将0.05-0.1克的样品放入250毫升烧杯中，并加入10毫升硫酸。
2.将烧杯放在350℃或高于350℃的热板上，使热解反应发生，然后冷却到室温。
3.按混合比3：1加入10毫升盐酸和硝酸，将混合物再次在热板上加热，然后冷却至室温。
4.用高纯度定量滤纸No.5B过滤冷却的混合物，将滤液倒入100毫升容量瓶中，作为测量样品。
5.用ICP-AES进行定量分析。
此处ICP-AES是电感耦合等离子体原子发射谱仪的缩写。测量时，使用Thermo Elemental Company制造的IRIS先进设备。
另外，碳氢化合物的官能团可以用红外分光光度计分析。
下面将描述如何将表面处理油施用或铺展在焊接用的焊丝上。
表1表示焊接用的焊丝成分。详细地，将镀铜实芯焊丝和无镀铜实芯焊丝，JIS Z3312定义的YGW11和YGW12，制成直径1.2毫米，并用本发明的表面处理油处理。表1中的其余成分为Fe和不可避免的杂质。
表面处理油可以通过使用毡(felt)或静电油涂层方法(electrostatic oilcoating method)施用到焊丝表面，或者可以将焊丝浸在表面处理油中，并且随后可以从焊丝表面去除适量的油。
表1
*CC：镀铜焊丝
**CF：无镀铜焊丝
限制表面处理油用量的原因如下：
例如，如果油的用量小于每千克焊丝0.03克，则用量太少，焊接过程中在管道电缆中的焊丝输送载荷增大。
另外，如果表面处理油用量大于每千克焊丝0.60克，则用量太多，在焊丝输送器中出现打滑问题，从而使得难以保证平稳的送丝性。
表面处理油用量的测量如下：
1.将焊丝切成4-6厘米长，并准备50-80克这样的焊丝。
2.用天平(1克/10000)称出去油之前的焊丝重量，得到重量(Wb)(精确到4位小数)。
3.将150毫升CCl4倒入250毫升烧杯中。
4.将焊丝放入装有CCl4的烧杯中，并进行超声去油处理10分钟。
5.在干燥箱中将去油的焊丝干燥10分钟，并在干燥器中冷却到室温。
6.用天平(1克/10000)称出去油之后的焊丝重量，得到重量(Wa)(精确到4位小数)。
7.基于测量值Wb和Wa使用以下方程计算表面处理油用量：
式1
表面处理油用量＝(克/千克焊丝)＝{(Wb-Wa)/Wa}×1000
将本发明表面处理油应用到表1的焊丝进行对比(例如，实施例和对比例)。
下面将解释耐锈性和送丝性的测量方法，这是本发明实现的主要优点。
I.耐锈性
盐雾试验(salt water spray test)条件列于表2，60分钟后观察焊丝表面形成的锈蚀。如果在焊丝表面观察到锈蚀，则耐锈性标记为“X”，而未观察到锈蚀的，耐锈性标记为“○”。
表2
| 盐水浓度 | 工作室温度(℃) | 罐温度(℃) | 盐雾压力 |
| NaCl 5％ | 35 | 50 | 0.15兆帕 |
II、送丝性
送丝性试验条件列于表3，用于评价和分级送丝性。
当小于100秒送丝中断，从而电弧熄灭时，送丝性标记为“X”。另一方面，当可以连续送丝100秒或更长时间时，送丝性标记为“○”。
如上所述，这里所用的焊丝直径为1.2毫米。
表3
表4a
*CF：无镀铜焊丝 **CC：镀铜焊丝
RR：耐锈性 WF：送丝性
表4b
*CF：无镀铜焊丝 **CC：镀铜焊丝
RR：耐锈性 WF：送丝性
表4c
*CF：无镀铜焊丝 **CC：镀铜焊丝
RR：耐锈性 WF：送丝性
表4d
*CF：无镀铜焊丝 **CC：镀铜焊丝
RR：耐锈性 WF：送丝性
下面将参考本发明的一种实施方式解释表4所示实施例和对比例的耐锈性和送丝性。
对比例1-3的焊丝的金属盐转换值和P值在本发明范围内。但是，由于碳氢化合物仅有一种官能团，因此焊丝表现出差的耐锈性和差的送丝性。
对比例4-9的焊丝的金属盐转换值中的Na+Ca值超出本发明范围。但是，由于其它成分K、Zn和P在本发明范围内，并且由于碳氢化合物具有两种不同官能团，因此焊丝表现出好的送丝性。
对比例10-15的焊丝，其金属盐转换值中的K值超出本发明范围，因此它们的送丝性差。但是，由于成分Na+Ca、Zn和P在本发明范围内，并且由于碳氢化合物具有两种不同官能团，因此焊丝表现出好的耐锈性。
对比例16-21的焊丝，其金属盐转换值中的Zn值超出本发明范围，因此它们的送丝性差。但是，由于成分Na+Ca、K和P在本发明范围内，并且由于碳氢化合物具有两种不同官能团，因此焊丝表现出好的耐锈性。
对比例22-27的焊丝的P值超出本发明范围，因此它们的送丝性差。但是，由于成分Na+Ca、K和Zn在本发明范围内，并且由于碳氢化合物具有两种不同官能团，因此焊丝表现出好的耐锈性。
对比例28-31的焊丝的Na+Ca、K、Zn和P值在本发明范围内，并且碳氢化合物具有两种不同官能团，因此焊丝表现出好的耐锈性。但是，由于表面处理油用量超出本发明范围，因此焊丝表现出差的送丝性。
特别是，由于对比例28和30的表面处理油用量太多，在送丝器中出现打滑问题。同时，由于对比例29和31的表面处理油用量太少，焊丝在导管中喂入的摩擦增大，因此其送丝性不好。
另一方面，实施例1-31的焊丝的Na+Ca、K、Zn和P值在本发明范围内，并且碳氢化合物具有两种不同官能团。而且，由于表面处理油用量在本发明范围内，因此焊丝表现出好的耐锈性和好的送丝性。
如上所述，使用上述成分的均匀液体表面处理剂进行处理，本发明气体保护电弧焊用实芯焊丝比传统实芯焊丝表现出更优异的耐锈性和送丝性。
虽然已经说明了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员应该理解的是，本发明并不限制在所述的优选实施方式中，而是在权利要求限定的本发明精神和范围内可以做出不同变化和修改。
Claims (6)
1.一种用表面处理油处理的气体保护电弧焊用实芯焊丝，该表面处理油为均匀液体表面处理油，且该表面处理油包括：含有钠、钾、钙和锌的金属盐，非金属磷，和碳氢化合物，碳氢化合物含有选自酯基、羧酸基和链烷基组成的组中的至少两种官能团；以表面处理油的总重量为基准，该表面处理油包括：分别转换成金属元素，含有0.05-0.85重量％Na+Ca、0.05-0.70重量％K和0.02-0.55重量％Zn的金属盐；0.10-0.80重量％P；以及97.10-99.78重量％碳氢化合物；该表面处理油以每千克焊接用焊丝0.03-0.60克的量施用于焊丝表面。
2、根据权利要求1所述的实芯焊丝，其中，所述钠的金属盐为磺酸钠。
3、根据权利要求1所述的实芯焊丝，其中，所述钙的金属盐为磺酸钙。
4、根据权利要求1所述的实芯焊丝，其中，所述钾的金属盐为羧酸钾。
5、根据权利要求1所述的实芯焊丝，其中，所述锌的金属盐为磷酸锌。
6、根据权利要求1所述的实芯焊丝，其中，所述非金属磷为磷酸酯。
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