CN101130219B - 高强度电焊条 - Google Patents

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Abstract

一种用于在工件上沉积高强度金属焊珠的气体保护金属极电弧焊，该强度满足美国焊接学会A5.5标准的E11018M分类下的强度要求，并且未将铬添加到焊条的成分中。

Description

高强度电焊条
优先权
本申请是2006年2月21日提交的美国专利申请No.11/357,862的后续部分，该申请的全部公开通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及电弧焊技术，尤其涉及用于在工件上沉积金属的焊钢焊条的新型气体保护金属极电弧焊(SMAW)，并涉及在其成分中具有少量铬的高强度SMAW焊条，其中该电弧焊具有在85ksi到125ksi的一般范围内的抗屈强度、而且抗屈强度对沉积熔融金属的冷却速率具有降低的灵敏度。
背景技术
在许多军用与一些商用中，SMAW焊条以生成高抗屈强度的的方式执行焊接。这些应用中所使用的焊条必须生成在85ksi到125ksi的一般范围内的抗屈强度。为了达到这种高抗屈强度，电焊条的涂层必须含有诸如镍、锰和钼的相当量的合金添加剂。对于任意给定合金，抗屈和抗张强度都取决于冷却速率，因为冷却速率与特定钢合金的连续冷却转变曲线(CCT)相关。金属焊珠的强度和冷却速率灵敏度都与成分、钢的碳含量以及熔融和固化的焊接金属的实际冷却速率相关。已了解到：冷却速率根据工件的厚度和预热、以及气体保护金属极电弧焊工艺中所使用的电能量急剧变化。期望最小化抗屈强度对不同冷却速率的灵敏度，同时保持焊接金属的合金成分，从而可在合成焊接中确保在85ksi到125ksi范围内的高抗屈强度。因此，需要制造最小化冷却速率灵敏度的电焊条，从而合成焊接落在用于极高冷却速率和极低冷却速率两者的高抗屈强度规范内。
另外，当前用于焊接高强度钢的所有高强度焊条都将铬(Cr)添加到焊条成分中以增加焊接的抗张和抗屈强度。然而，因为Cr被添加到焊条成分中，所以在焊接期间，Cr作为烟气排出。这些铬排放物可能是有害的，因而导致职业安全与保健管理总署(OSHA)和美国焊接协会(AWS)命令限制焊接烟气中存在的六价铬的量。因此，需要能被用来生成未将Cr添加到焊条成分中的高强度电焊条。
发明内容
在本申请中所讨论了的本发明的两个方面，第一方面涉及最小化抗屈强度对冷却速率的灵敏度、同时获得高抗屈强度焊接金属沉积的气体保护金属极电弧焊焊条，而第二方面涉及并非有意将Cr添加到焊条成分中从而导致具有高强度的低Cr焊接沉淀。
以下讨论涉及本申请中所讨论的本发明的第一方面。
在最小化合成焊接金属的冷却速率灵敏度的同时，焊条仍在最终抗屈强度上满足军用规范。因而，焊条落在可适用的军用规范内，并使用新型合金组成。这种组成在焊接金属沉积中生成最低可能的碳当量，同时在使用新型焊条以用生成低冷却速率的焊接参数在工件上焊接时，仍满足最小强度要求。这种焊接操作导致在工件相对薄时，板被加热到诸如约为300°F的高层间温度。这种焊接具有低冷却速率。新型焊条仍生成具有在85ksi到125ksi的规范范围内的抗屈强度的焊接金属。因而，甚至在为焊接金属固有地提供最小抗屈强度的低冷却温度下，使用当前焊条的合成焊接金属也落在期望强度范围内。因此，本发明的新型焊条允许以低冷却速率焊接，因为焊条的冷却速率灵敏度得到最小化。在一类似方式中，当使用了高冷却速率时，新型焊条仍实现高抗屈强度，但并非为极高的抗屈强度。因而，本发明涉及不管由高温造成低冷却速率、还是使用高能量以及小于在低温下用于焊接寒冷工件的最大抗屈强度来焊接薄工件而由此导致高冷却速率，都可获得至少最小抗屈强度的新型焊条。
根据本发明，这里提供了用于在工件上沉积高强度金属焊珠的一种焊条，其中不管冷却速率如何，焊接金属的抗屈强度都在85ksi与125ksi之间。焊条具有以重量计为0.80-1.85％的锰、以重量计为0.25-0.50％的钼、以重量计为1.25-2.5％的镍以及以重量计少于0.07％的碳。碳、锰和钼的相对比例被调节成提供0.17-0.30范围内的碳当量。碳当量最好是在0.20-0.22范围内。这样，电焊条最小化碳当量，同时使用正常量的碳、锰和钼来生成高强度焊接金属。这种焊条被用于诸如规范MIL-E-22200/10C的军事应用。焊条的焊芯具有在3/32-5/32英寸的一般范围内的直径。新型焊条具有低冷却速率灵敏度，从而焊接金属的强度对冷却速率通常不灵敏。新型焊条的这种特性通过以下两个来提供证明：在相对薄的工件上使用高温热输入焊条，即高能量工艺具有低冷却速率；以及使用生成高冷却速率的低热输入在厚工件上进行小电流工艺。这些冷却速率的两种极端导致了焊接金属落在可适用的军用规范期望的高抗屈强度要求内。因而，不管高冷却速率还是低冷却速率，使用新型电焊条的焊接金属沉积都落在军用规范的抗屈强度内。因此，不管工件还是焊接参数，合成焊接金属的抗屈强度仍在约为88ksi到122ksi的范围内。
最小化冷却速率灵敏度的能力通过最小化焊条的碳当量、同时仍保持获得合成焊接金属的高抗屈强度所需的合金成分来实现。碳当量通过包括碳含量、锰含量、钼含量以及镍含量的Pcm公式来定义。其它合金组分的量为最小值，并且对所计算的碳当量具有较小的影响。碳含量是碳当量最大的贡献者。因为本发明涉及具有较大量的锰、钼和镍的钢合金，所以这些组分对用于固定碳当量的碳来说是主要因素。使用锰、钼和镍允许实际碳元素被减至小于以重量计为焊接金属的0.050％，同时仍获得高抗屈强度和较高的碳合金。
本发明的碳当量被最小化至小于给定值，由此由高冷却速率导致的高强度小于可适用的军用规范的最大可允许抗屈强度。因为碳当量仅仅略受到镍的影响，所以用来调节碳当量并且也为高抗屈强度所必需的两个主要元素是锰和钼。锰是强脱氧剂；因此，合成焊接金属合金中的锰通过焊接过程来减少。因此，锰对合成碳当量的影响略为无法预测。认识到这个事实，本发明在协调元素以生成低碳当量时，着重于锰的增加和钼的减少。然而，不能从焊条中彻底消除锰，因为需要(用)它来使合成焊接金属脱氧。换言之，本发明涉及低碳量并控制锰和钼的量，以便不使用碳就在沉积焊接金属中生成低碳当量。合成焊接金属的冷却速率灵敏度随着碳当量的减小而降低。锰被包含在沉积焊接金属中以确保最小抗屈强度，然后添加钼以获得期望的可预测的低碳当量。这样，碳当量被最小化，但是强度保持在大于88ksi的水平。已了解到：碳当量应当在0.18到0.30的一般范围内，并且在一示例性实施例中减小至0.20到0.22的范围。这种低碳当量通过调节锰钼比来获得，从而这个比值在2-7比1的一般范围内，并且在一示例性实施例中在3-4到1的范围内。这个比值生成期望抗屈强度和低碳当量，以降低合成焊接金属的冷却速率灵敏度。
在本发明的另一个方面，焊接金属的碳含量在以重量计为0.03％到0.05％的范围内。对于具有最大值为0.07％的碳(含量)的规范来说，这是相对低量的。通过使用低碳量并通过控制锰和钼的量获得碳当量，碳当量被选择成获得期望高抗屈强度。根据本发明，碳当量通过减少碳并控制锰钼比来减小。使用工件的层间加热来测试本发明的效能；然而，在使用根据本发明所配制的焊条时，并非必需。
本发明的一个方面是用于将所沉积的金属焊珠中的锰钼比控制在2-7比1的范围内的SMAW焊条。这结合了其中焊接金属的碳以重量计小于0.05％的低水平的碳。这样，焊接金属中的碳当量被减至约小于0.3；然而，为了最小化碳当量，它被减至0.17到0.22的一般范围。碳当量为最小值而同时仍使用可适用的军用规范的期望合金导致了高抗屈强度具有极低的冷却速率，甚至在由热量和工件决定的焊接过程中。
本发明的另一个方面提供了使用SMWA焊条在工件上焊接的一种方法。焊条用于沉积具有以重量计为0.80-1.85％的锰、以重量计为0.25-0.50％的钼以及以重量计小于0.07％的碳、并具有在0.17到0.30的一般范围内的碳当量的金属焊珠。碳当量将被最小化，并且在本发明的以实施例中为0.20-0.22。这种方法包括使用生成30-60kJ/in的热输入范围的电能熔化焊条并沿工件移动该焊条，同时焊条被熔化并沉积在工件上。锰钼比在2-7比1的范围内。本发明也提前将工件预热至规范所需的100°F到300°F的一般范围内的一温度。
在本发明的焊条中，硬化度主要通过增加钼而非锰来获得。在焊接期间，镍和钼被回收。将钼增加到焊条同时减少锰，以使合成焊接金属获得给定抗屈强度。
已在两个极端条件下测试了提供满足可适用的军用规范的沉积焊接金属的焊条。第一条件包括使用300°F的层间温度和55kJ/in的热输入在3/4英寸的板上进行平焊位置(1G)中的具有低冷却速率的热焊。所测试的另一极端条件包括使用125°F的层间温度和31kJ/in热输入在1英寸的板用垂直进给进行立焊位置(3G)中的具有高冷却温度的冷焊。这两个极端条件的测试示出了对沉积焊接金属使用低碳当量、同时仍保持合成焊接金属的期望抗屈强度的益处。焊接强度对两个极端条件测试的约束是：最小容许抗屈强度为88ksi，而最大容许抗屈强度为122ksi。使用将各个焊条控制的热输入控制在4.0kJ/in的目标热输入内、同时沿焊道的热输入保持在2.0kJ/in的期望焊接热输入内的数据采集系统来进行这两个测试。两个极端条件测试证实了减小焊接金属的碳当量降低了冷却速率对合成焊接金属的抗屈强度的影响。焊接金属将其合金配方保持成与可适用军用规范中所定义的一样。
本发明的一个目的是提供一种用于其中沉积焊接金属的抗屈强度将在约为85ksi与125ksi之间的应用的SWAW焊条。焊条的合金成分被保持成在焊接金属中获得这种抗屈强度；然而，按比例调节锰和钼以减小和最小化由焊条沉积的焊接金属的碳当量。这样，焊接金属对冷却速率具有相对低的灵敏度，并且通过热输入和工件约束确定的冷却速率不会导致抗屈强度偏离规范。
为了使用各种热输入和各种工件约束进行焊接起见，本发明上述方面的又一个目的是提供使用如上所定义的焊条的一种方法。
以下的讨论将立刻转到本发明的第二方面。
本发明的第二方面涉及高强度气体保护金属极电弧焊(SMWA)焊条，该焊条至少满足商用的美国焊接学会(AWS A5.5)E110118M分类规范、以及军用的军用规范MIL-E-22200/1F，但是不将Cr添加到焊条成分中。本发明的此方面的一实施例提供了具有85与125ksi之间的抗屈强度的焊接强度，而本发明的此方面的另一个实施例提供另外超过110ksi的最大抗张强度和在98到110ksi之间的抗屈强度(0.2％YS)的焊接强度，同时由于未将Cr添加到焊条组分中从而具有低Cr含量。另外，类似于前述实施例，本发明的此实施例通过控制焊接金属的碳当量来最小化合金和强度变化。
本发明的一个实施例实现了无Cr沉积，该沉积通过沉积焊接金属中包括碳(C)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)和钒(V)的其它合金的平衡来满足AWS A5.5 E11018M分类。
根据以下描述以及附图，这些和其它目的及优点将变得显而易见。
附图说明
基于图中示意性描述的本发明的示例性实施例，将更全面地呈现本发明的优点、特性和各种附加特征，其中：
图1A是示出根据本发明的第一方面、在使用具有低热输入的冷板以在沉积焊接金属中生成高冷却速率时的测试工件的部分横截面视图。
图1B是类似于图1A的视图，其中测试工件进行预热，并且高焊接能量被用来对于生成低冷却速率焊条沉积的焊接金属。
图2是被用来在根据本发明的任一方面构造的焊条上执行两个测试的一些焊条的碳当量与焊接金属的抗屈强度之间的关系曲线图，它示出了降低碳当量、降低焊接金属对冷却速率的灵敏度的参数的影响，以及
图3是根据本发明的第二方面一实施例的焊条的一实施例的截面。
具体实施方式
如上所述，本申请涉及本发明的两个方面。以下立即阐述的讨论涉及本发明的第一方面，而随后将更详细地讨论第二方面。
第一方面：
本发明的第一方面涉及新型电焊条，该焊条具有合金组分以沉积由军用规范定义的焊接金属，从而生成具有88ksi到122ksi之间的抗屈强度的焊接金属。这种新焊条沉积具有如由Pcm公式所定义的降低碳当量的焊接金属，从而焊接金属对冷却速率中的变化具有低灵敏度。此公式是：
Pcm = C + Si 30 + Mn + Cu + Cr 20 + Mo 15 + Ni 60 + 5 B
为了测试这种新焊条的功效，已采用了两个极端条件测试过程。第一极端条件测试过程使用图1A示意性示出的工件。在此测试过程中，带有两个板12、14的工件10具有厚度a并具有垫模板16。厚度a被选择成1.0英寸。在此第一测试中，执行第一极端焊接过程，其中工件相对较厚，并且低焊热被用来生成极高冷却速率。这种高冷却速率在具有给定碳含量的特定沉积钢中生成高抗屈强度。在第一极端条件测试下，工件10具有125°F的层间温度。对具有不同碳当量的许多焊条进行测试。低热输入被用在各个焊条的焊接过程中以沉积焊接金属通道20。与这种新型焊条一起使用的热输入被设置成大约产生30kJ/in。因而，各个焊条的沉积焊接金属通道20易于具有高冷却速率。为了测试新型焊条的其它极端冷却速率，使用如图1B所示的工件30进行第二测试。在此第二极端冷却速率，通过预热由各自具有厚度b的薄板32、34和垫模板36形成的工件30获得低冷却速率。在第二测试中，厚度b为3/4英寸。将工件30预热至300°F的层间温度，并结合使用51-55kJ/in的高焊热来对具有不同碳当量的一些焊条设置焊接金属通道40。在两个极端测试的每一个中，或者生成如图1A中所示的高冷却速率，或者如图1B中所示低冷却速率，在整个焊接过程中，对焊接过程的热输入被保持在4kJ/in内。这些测试使用根据本发明构造的、并具有落在表格1中所示的百分数内的成分的一些1/8英寸直径的焊条。
表格1
  热板   冷板   军用规范
  标准偏差   平均值   标准偏差   平均值
  ％B   0.000   0.000   ％B   0.000   0.000
  ％C   0.004   0.042   ％C   0.002   0.046   0.07(最大值)
  ％Cr   0.0112   0.080   ％Cr   0.005   0.061   0.4(最大值)
  ％Cu   0.015   0.030   ％Cu   0.015   0.032
  ％Mn   0.047   1.493   ％Mn   0.058   1.608   0.80-1.85
  ％Mo   0.019   0.416   ％Mo   0.014   0.422   0.25-0.5
  ％Ni   0.055   2.219   ％Ni   0.031   2.217   1.25-2.5
  ％P   0.003   0.017   ％P   0.003   0.016   .025(最大值)
  ％Si   0.027   0.395   ％Si   0.031   0.469   0.6(最大值)
  ％S   0.002   0.006   ％S   0.001   0.007   0.017(最大值)
  ％V   0.000   0.008   ％V   0.000   0.008   0.05(最大值)
  Ceq   0.007   0.204   Ceq   0.007   0.214   n/a
在用于两个极端条件测试的焊条中，碳含量保持相对较低并在0.03-0.06的范围内，而且在一个实施例中是在0.04-0.05的范围内。焊条中的锰钼比保持在4-8比1的范围内。这提供了约为2-7比1的焊接金属比。锰和钼对形成焊接金属20、40的合金的碳当量产生影响。锰略为不稳定，并且被部分用来对焊接金属脱氧；因此，在本发明中，在如表格1中所示规范内减少锰以及增加钼。使用略为变化的锰和钼的重量百分数和不同的焊接金属碳当量来多次执行图1A、1B中所述的用于论证本发明的实施例的两个极端条件测试。碳当量通过Pcm公式来确定，其中指定合金中对碳当量做出贡献的主要元素是碳、锰和钼以及较少的镍。本发明涉及焊接金属中的低碳(量)以及由锰和钼控制的碳当量。
在计算用于焊接金属通道20、40的碳当量中，镍的量对碳当量的影响仅为钼的1/4。因而，在许多焊条上进行一系列测试以确定不同碳当量的焊接金属20、40的抗屈强度的过程中，根据标准配方调节锰、钼和镍的量。此调节必须使这些元素保持在确定规范内。锰钼比被减少至2-7比1的范围。此范围的比提高了锰对保持连续焊条的计算所得碳当量的更好一致性的影响，该焊条被用于执行图1A的极高冷却速率过程或图1B的极低冷却速率过程的测试中。焊条的锰、钼和镍的调节落在表格2所述的、用于不同尺寸的焊条的范围内。
表格2
Figure GSB00000220137300071
根据本发明的一实施例，使用涂层中所用合金的最小规范和带芯焊条及所允许最小％(百分数)涂层的最小规范计算焊条的最小重量百分数。它们被四舍五入成接近的.01％。用于3/32英寸和5/32英寸焊条的其它元素类似于表格1中所公开的量。
使用涂层中所用合金的最大规范和带芯焊条及所允许最大％(百分数)涂层的最大规范计算焊条的一个实施例的最大重量百分数。它们被四舍五入成接近的.01％。
当将焊条的锰和钼的水平调节成落在表格2所示的范围内时，则沉积焊接金属中保持的锰钼比在约为2-7比1的范围内，而在另一个实施例中在约为3-4比1的范围内。使用极高冷却速率或极低冷却速率对具有某些碳素比的一些这样的焊条进行测试。在极端低冷却速率下所进行的这些焊条的测试通过测试抗屈强度、以及然后测量每次测试的各个单独焊接金属的组分来评估。在表格1的左侧两列中列出了重量平均百分数和其标准偏差。如图1B中所示进行的低冷却速率的测试具有表格1的下一列中所述的平均焊条组分和标准偏差。这些百分数必须落在表格1的最后一列中所规定的军用规范内。各次测试与被调节成改变焊接金属的碳当量以允许图2中所示的示图的构造的焊条相关，图2是具有不同经调节的碳当量的各种测试焊条的经测量抗屈强度。根据使用图1A的工件解释的过程对一些焊条进行测试。使用一些碳当量的这些测试生成与高水平110(122ksi)相交于如图2所示点100a的抗屈强度线100。该点100a对应于如线120所指示的为0.3的一般区域中的碳当量。使用图1B中所述的过程进行的测试被用来生成与低水平抗屈强度112相交于点130a的曲线130。图2的曲线100、130被表示成直线；然而，这是为了简化两个水平之间的碳当量的基本概念，诸如线140上的0.17和线120上的0.30仍保持军用规范内的抗屈强度。
根据本发明，焊接金属的碳当量低于诸如0.30的上部水平。因此，本发明的实施例可使用具有示出为线段150的范围的碳当量来实现。另一实施例涉及最小化碳当量。例如，焊条的碳当量被控制成约为0.20到0.22。实现本发明的碳当量甚至可被减小成诸如由线140表示的约为0.17或0.18的低水平。在又一实施例中，碳当量的范围在图2所示示图的线140和线142之间。因而，本发明涉及SMAW焊条，该焊条落在所需组分中以在焊接金属中获得在约为88ksi(水平112)与122ksi(水平110)之间的抗屈强度，并且锰和钼被调节为生成小于诸如0.30的高水平的焊接金属的低水平碳当量。在另一个实施例中，水平约为0.17-0.22。为了降低焊条的碳当量的不确定性，焊条中的锰钼比在2-7比1的范围内，而在又一实施例中，在3-4比1之间。因而，锰被减少而钼被增加。焊条中的碳本身和焊接金属被保持在诸如小于0.06的低水平，而在另一实施例中，在0.04到0.06的一般范围内。这为根据本发明的一实施例构造的SMWA焊条和沉积焊接金属定义了约束。表格3中列出了由许多焊条通过图1A、1B的两个极端条件测试获得的沉积焊接金属的平均抗屈强度、抗张强度和伸长率。
表格3
Figure GSB00000220137300091
根据本发明的此方面的焊条满足E10718M焊条的规范，并且满足这些焊条必需的强度要求。
在制造本发明第一方面的SMAW焊条中，为了进行导致图2中的曲线100、103的测试，用于沉积焊接金属的金属合金被选择成落在规范内。锰的量被减少至仍将确保88ksi的高抗屈强度的量。然后，钼的量被调节成沉积中的锰钼比在2-7比1的范围内，并且也可在3-4比1的范围内。锰钼比一般为5-8比1。钼被使用成用着重于如表格2所示的锰、钼和镍的Pcm公式来调节化学当量。焊接金属的碳当量在0.15-0.35的范围内，即0.20到0.22。
如以下将进一步详细讨论的，本发明的第二方面的一实施例提供了满足军用和商用两者的强度要求的焊条，但是未添加铬。军用规范在沉积焊接金属中允许高达0.40％的铬，但是根据本发明的第二方面的焊条导致具有0.20％或更少的Cr的沉积焊接金属。又一实施例导致了0.10％或更少的Cr的沉积焊接金属，而另一个实施例导致了0.06％或更少的Cr的沉积焊接金属。因为在本发明的此方面中，并非故意将铬添加到焊条，所以焊条中的铬的水平是制造焊条中所使用的一些其它成分中存在暂时或残余的铬的结果，例如在诸如铁粉的铁合金中。这些低水平的铬确保焊接烟柱或烟气更可能遵照当前OSHA安全指南对六价铬的个人暴露限制(PEL)，同时实现高强度焊接。铬也可通过基本金属稀释引入到焊接金属。
现在回到本发明的第一方面，在已配制出焊条合金并已制成焊条之后，在参照图1A、1B所解释的两个极端冷却速率条件下测试具有相同碳当量的两个焊条。然后，连续测试具有相同当量的两个焊条，并处于两个极端下以生成图2中所示的曲线100、130。此测试过程示出了本发明的优点，其中减小焊接金属的碳当量以最小化冷却速率灵敏度，并且仍获得焊条将应用的规范所必需的抗屈强度。在本发明的焊条中，碳的范围在0.03到0.06、锰的范围在1.80到2.30以及钼的范围在0.25到0.40。这些是焊条重量的百分数。焊接金属的碳当量可以是0.20-0.22。在测试之后，使用表格1的配方和以上列出的范围制造焊条的实施例。这个过程生成沉积具有如通过图2示图中所包含的数据和表格3中所公开的特性形成的低冷却速率灵敏度的焊接金属的焊条。
表格4提供了与军用规范相比的、使用根据本发明构造的焊条的焊接金属沉积。
表格4
Figure GSB00000220137300101
表格4的碳、锰、镍和钼的范围表示本发明的一个实施例。此外，表格5中列出了本发明的另一实施例的这些成分的范围。
表格5
Figure GSB00000220137300102
因而，本发明的此方面涉及高抗屈强度的SMAW焊条，该强度对焊条保持期望的冶金约束，同时降低其对冷却速率中的变化的灵敏度。因而，不管通过各种热输入还是各种类型工件和其温度(来获得)的极端冷却速率，焊条仍保持期望范围内的抗屈强度，在本发明中该范围在约为85ksi与125ksi之间。
第二方面：
如上所述，本发明的第二方面涉及提供85与125ksi之间的抗屈强度、以及在又一实施例中为98与110ksi(根据军用和AWS规范)之间的焊条，该焊条未添加铬，但是它满足军用和商用两者的规范。具体是按照AWS A5.5规范的MIL-E222200/1F和E110181M焊条规范。为此，根据本发明的此第二方面的焊条制成的沉积焊接金属中的铬的水平为0.20％或更低，并且又一实施例中可为0.10％或更低，以及在另一个实施例中为0.06％或更低。
如前所示，过去曾将铬添加到电焊条中以帮助增加沉积焊接金属的强度(即抗屈和抗张)。然而，因为焊接烟柱中的铬的存在会致使烟气有害，所以期望并在一些情况下要求将铬保持成低水平。本发明并未以强度为代价实现了这个(目的)。
图3示出了本发明的示例性实施例的焊条300的截面。焊条300包括焊条涂料310和焊芯320。注意：尽管这是用于焊接的焊条的典型结构，但是本发明并不限于此实施例，而且本发明的焊条可由单一固体组分构成，或可具有由多于一涂层包围的焊芯，或者甚至可能是使用焊剂填充的空心焊芯。另外，可以用各种尺寸制造本发明的焊条，以用于各种焊接应用。尺寸包括但不限于3/32″、1/8″、5/32″和3/16″。
此外，在本发明的一实施例中，焊条涂层310可在整个焊条300的约为32到约为48％的范围内(基于重量)。
以下的表格6列出了本发明的焊条组分的各种成分的范围(以焊条的重量％(百分数)计)。
表格6
  元素   范围％(以重量计)
  C   0.8到1.5
  Mg   0到0.2
  Si   1.9到3.0
  Zr   0.4到1.1
  Al   0.01到0.1
  Ti   0.9到1.5
  Ca   5.4到8.0
  F   2.5到3.5
  Ni   1.2到2.0
  Mo   0.01到0.5
  Mn   1.5到2.0
  K   0.2到0.4
  Li   0.01到0.05
  Na   0.1到0.3
  Cr*   -
  Fe&其它   剩余％(百分数)
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
注意：在本发明的各个实施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊条中，并且不改变本发明的整体获益。示例包括：S、P、N、Cu、V和Sn。
在本发明的一实施例中，并非故意将铬添加到焊条成分中，并且存在的铬的量是来自一些其它组分的铬的残余量的结果。另外，注意：本发明的上述范围可通过任意公知方法和使用公知以及诸如碳酸钙等常用材料来实现。换言之，本文所公开的元素范围仅仅表示焊条中的各个单独元素的量，而本申请并非旨在以任何方式在制造期间限定元素的来源。
此外，也预期被用来主要制造焊条的诸如K、Li、Na、Al、Zr和Mg的元素可替代成其它公知元素，这些公知元素允许容易地制造本发明的焊条，并且同时可被用来获得所要求的机械特性。
以下表格7中的数据为具有不同尺寸和不同涂层百分数的焊条的实施例提供了焊条成分的又一范围。
表格7
Figure GSB00000220137300131
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
注意：在本发明的各种实施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊条中，并且不改变本发明的整体获益。示例包括：S、P、N、Cu、V和Sn。
如上所示，表格6和7示出了根据本发明的焊条的全部元素组分。本发明并不限于使将焊条的任一组分、即涂层310或焊芯320中具有单个元素。上述表格仅仅提供焊条300的全部成分。另外，也认识到：上述表格6和7中的各种元素的各种范围可略为改变，或者可添加类似Nb、V和Cu等较新的元素，同时保持焊条的所需强度。此外，如上所述，并非故意将铬添加到成分，但低量铬的存在是由可能存在于用来制造焊条300的其它材料中的残余量所产生的。
如图3中所示，焊条300可由涂层310和焊芯320构成。在本发明的一实施例中，涂层310包含特定量的所需元素，并且焊芯320包含组分的剩余部分。以下的表格8和9类似于以上表格6和7，除它们涉及本发明的焊条涂层310的成分之外。表格8列出了通常用于本发明的涂层成分，然而表格9涉及不同尺寸的焊条的实施例。此外，这些表格的每一个中列出的百分数为涂层的％(百分数)重量。
至于表格6和7，并非故意将铬添加到焊条涂层成分，存在的铬的量是由于来自一些其它成分的铬的残余量。另外，注意：本发明的上述范围可通过任意公知方法和使用公知以及诸如碳酸钙的常用材料来实现。换言之，本文所公开的元素范围仅仅表示焊条中的各个单独元素的量，而本申请并非旨在以任何方式在制造期间限定元素的来源。
表格8
  涂层元素   范围％(以重量计)
  C   2.5到3.0
  Mg   0到0.5
  Si   5.0到7.0
  Zr   1.0到2.5
  Al   0.03到0.2
  Ti   2.5到3.2
  Ca   15.5到17.5
  F   7.0到8.0
  Ni   2.75到5.0
  Mo   0.5到1.2
  Mn   3.0到4.5
  K   0.5到0.8
  Li   0.05到0.1
  Na   0.5到0.75
  Cr*   -
  Fe&其它   剩余％(百分数)
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
至于表格6和7，也预期被主要用来制造焊条涂层的诸如K、Li、Na、Al、Zr和Mg等元素可用其它公知元素替代，使得能够容易地制造本发明的焊条。
以下表格9中的数据为具有不同尺寸的焊条的实施例提供了焊条涂层组分的又一范围。
表格9
Figure GSB00000220137300151
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
另外，也认识到：各种元素的上述各种范围可略为改变，或者可添加类似Nb、V和Cu等新元素，同时保持焊条的所需强度。此外，如上所示，并非故意将铬添加到成分。
上述表格涉及本发明的焊条涂层310的成分，并且以下表格10示出了根据本发明的一实施例的焊芯320的组分。以下焊芯可与上述涂层成分一起使用。另外，以下百分数为焊芯的％(百分数)重量。
表格10
  焊芯元素   范围％(以重量计)
  C   0.06到0.08
  Mg   0到0.03
  Al   0到0.012
  Ti   0到0.01
  Ca   0到0.003
  Ni   0到0.05
  Mo   0到0.02
  Mn   0.45到0.55
  Cr*   -
  Fe&其它   剩余％(百分数)
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
注意：在本发明的各种实施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊条中，并且不改变本发明的整体获益。示例包括：S、P、N、Cu、V和Sn。
又注意：本发明并非限于使涂层310和焊芯320含有如以上表格8到10中所列出％(百分数)组分的，因为全部焊条300中所使用的各种元素可不同地分布于涂层310与焊芯320之间，只要满足焊条的全部百分数，或者沉积焊接金属的化学成分。
在使用根据本发明的焊条以获得达到至少根据AWS E11081M分类期望的焊接强度要求时，应当在焊接期间控制热输入。控制热输入(KJ/in)将有助于允许焊接强度获得期望特性。在本发明的一实施例中，热输入在约为35到约为55KJ/in的范围内。此外，因为本发明预期不同焊条尺寸的焊条，所以用于这些焊条的热输入可根据焊条的尺寸改变，以获得最优的强度结果。以下表格11提供了根据本发明的一实施例的不同尺寸的焊条的典型热输入范围。
表格11
本发明的另一个新方面是完成焊接操作时所留下的全部沉积焊接金属。具体地，因为未将铬添加到焊条成分中，所以焊接烟气中排出少量铬并在沉积焊接金属中结束。因而，因为电焊条的公开成分和元素的平衡，所以不以焊接强度为代价，并且使得不用铬而满足AWS E11018M分类的要求成为可能。
以下表格12列出了在本发明的焊条被用于焊接时，根据本发明一实施例的沉积焊接金属成分。焊接强度至少满足AWS E11018M分类。在一个实施例中，焊接具有85与125ksi之间的抗屈强度，而在另一个实施例中，焊接具有至少110ksi的极限抗张强度(UTS)和98与110ksi之间的0.2％抗屈强度。另外，在焊接中实现具有少量或没有铬。此外，以下组分百分数是基于未掺杂沉积焊接金属。
表格12
Figure GSB00000220137300172
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
注意：其它元素也可以存在于沉积焊接金属中，这不影响本发明的整体获益。示例包括：Al、B、Ca、Co、Sn、Ti、Zr和O。
以下表格13中的数据提供在使用本发明具有不同尺寸的焊条的实施例时，未掺杂沉积焊接金属元素的又一范围。
表格13
Figure GSB00000220137300181
*Cr的量是由于Cr的残余量而非故意添加。
此外，如上所述，沉积焊接金属中的铬的水平大大低于AWS规范的要求(最大为0.40)。然而，因为沉积焊接金属的元素之间达到的平衡，所以并非以沉积焊接金属强度为代价。即碳、锰、钼、镍、硅和钒。
通过使用根据本发明的焊条，未掺杂沉积焊接金属中的铬的水平以重量计可低于0.20％。通过使用另外的实施例，铬的水平以重量计可低于0.10％，并且如以上表格所示以重量计可低于0.06％。此外，预期：如果可从制造焊条300所使用的基本材料中消除铬的残余水平，则未掺杂沉积焊接金属中的铬的水平可接近0％。然而，如前所述，因为本文所公开和阐述的组分的平衡，所以并不以焊接强度为代价，从而至少满足AWS E11081M，或者适当的军用规范。
已使用特定的实施例和应用描述了本发明。这些都可进行结合或交换而不背离附加权利要求所限定的本发明的范围。这些附加权利要求中所定义的焊条通过引用结合于此，作为相关发明的新特性的描述的一部分。

Claims (19)

1.一种用于高强度焊接的电焊条，所述焊条包括：
至少锰、钼、镍和碳，
所述碳的量在重量为0.8到1.5％的范围内；
所述镍的量在重量为1.2到2.0％的范围内；
所述钼的量在重量为0.01到0.5％的范围内；
所述锰的量在重量为1.5到2.0％的范围内；
其中在使用约为30KJ/in到约为60KJ/in范围内的热输入焊接时，所述电焊条提供具有重量不大于0.20％的铬、并具有至少110ksi的极限抗张强度和85到125ksi范围内的0.2％抗屈强度的未掺杂沉积焊接金属，
其中，所述电焊条的直径至少是3/16英寸。
2.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述抗屈强度在98到110ksi的范围内。
3.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述电焊条在所述沉积焊接金属中提供重量不大于0.10％的铬。
4.如权利要求3所述的电焊条，其特征在于，所述电焊条在所述沉积焊接金属中提供重量不大于0.06％的铬。
5.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述电焊条包括焊芯和围绕所述焊芯的涂层。
6.如权利要求5所述的电焊条，其特征在于，所述焊条的所述涂层在所述焊条的32到48％的范围内。
7.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供在重量为0.04到0.06％的范围内的碳的量。
8.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供在重量为1.5到2.25％的范围内的锰的量。
9.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供在重量为0.35到0.5％的范围内的钼的量。
10.如权利要求1所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供在重量为1.75到2.75％的范围内的镍的量。
11.一种用于高强度焊接的电焊条，包括：
焊芯；以及
围绕所述焊芯的焊条涂层，
其中所述焊条涂层包含至少锰、钼、镍和碳，
所述碳的量在重量为2.5到3.0％的范围内；
所述镍的量在重量为2.75到5.0％的范围内；
所述钼的量在重量为0.5到1.2％的范围内；
所述锰的量在重量为3.0到4.5％的范围内；以及其中在使用约为30KJ/in到约为60KJ/in范围内的热输入焊接时，所述电焊条提供具有重量不大于0.20％的铬、并具有至少110ksi的极限抗张强度和85到125ksi范围内的0.2％抗屈强度的未掺杂沉积焊接金属，
其中，所述电焊条的直径至少是3/16英寸。
12.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述抗屈强度在98到110ksi的范围内。
13.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述电焊条在所述沉积焊接金属中提供重量不大于0.10％的铬。
14.如权利要求13所述的电焊条，其特征在于，所述电焊条在所述沉积焊接金属中提供重量不大于0.06％的铬。
15.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述焊条的所述涂层在所述焊条的32到48％的范围内。
16.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供重量为0.04到0.06％的范围内的碳的量。
17.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供重量为1.5到2.25％的范围内的锰的量。
18.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供重量为0.35到0.5％的范围内的钼的量。
19.如权利要求11所述的电焊条，其特征在于，所述焊条在所述沉积焊接金属中提供重量为1.75到2.75％的范围内的镍的量。
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