CN102076457A - 添加稀土铝化物以改进自保护焊条的性能 - Google Patents

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Abstract

提供了自保护焊接焊条(100/200)和制造所述自保护焊接焊条的方法。所述自保护焊接焊条包含稀土铝化物，所述稀土铝化物在焊条的焊剂或电极部分中。所述自保护焊接焊条包含占所述焊剂重量的至少约0.5％的稀土铝化物。

Description

添加稀土铝化物以改进自保护焊条的性能
技术领域
与本发明相一致的装置、系统和方法涉及改进自保护焊条的焊接性能的方法和设备。
背景技术
从自保护焊条引入焊接以来，所述自保护焊条的使用迅速地发展。自保护焊条在许多不同类型的焊接操作中被使用，例如保护的金属极电弧焊(“SMAW”)和焊剂芯电弧焊(“FCAW”)。这些焊接方法的许多优点是众所周知的，本文将不再重复。在这些焊接方法的每一个中，焊条通过焊剂产生它自己的保护气体，以从焊接熔池区域移除氧和氮并且“灭杀”熔池。保护气体由包含在焊接焊剂中的化合物产生，所述化合物在焊接期间分解。释放的气体降低氮和氧在焊弧环境中的分压，由此降低由熔池对氮和氧的吸收。
从焊接熔池移除氧和氮和“灭杀”熔池的需要及其原因也是众所周知的。
为了实现从焊接金属移除氧和氮，传统自保护焊条在焊剂或金属电极或两者中都包含一定数量的铝。铝的存在有助于防止焊接金属接触氮和氧，以及“灭杀”熔池。具体地，添加的铝通过与氮反应生成氮化铝来帮助从熔池取走氮。接着，一些氮化铝浮出熔池，同时一些氮化铝残存在焊接金属内。然而，铝的使用不是没有它的缺点。
具体地，参见图1，铝在焊接金属中的存在有关闭铁-碳相图上γ环(gamma loop)的趋势。由于这个原因，铝的存在趋向于限制从δ到γ到α相的相变。这种限制的结果是在焊接金属的结构中生成大的粗晶粒。大的粗晶粒结构在焊接金属中的存在导致具有差延展性的焊缝，即焊缝是脆性的。在许多应用中，脆性焊缝是不合期望的。
因此，需要这样的焊条组合物，即防止氮和氧进入焊接金属并且不会关闭或显著干涉焊接金属中的相变。
发明内容
出乎意料地，所述问题可以通过提供具有权利要求1的特征的焊接焊条来解决。权利要求8和13公开优选的实施方案。本发明的不同示例性实施方案在从属权利要求中限定并且将在下面详细讨论。依据本发明实施方案的焊接焊条包含金属电极部分和邻近金属电极部分的焊剂部分。金属电极部分和焊剂部分中的至少一个包含稀土铝化物。
附图简要说明
通过参考附图对本发明的示例性实施方案的详细描述，本发明的以上和/或其他方面将更加清晰，其中：
图1示出铁-碳相图的示意性表示；以及
图2A和2B示出依据本发明实施方案的焊条的横截面的示意性表示。
具体实施方式
下面参考附图来描述本发明的示例性实施方案。描述的示例性实施方案旨在辅助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的保护范围。类似的标号在整个附图中表示类似的要素。
图1描述铁-碳相图，示出钢在热力学上有区别的γ、δ和α相的每一个平衡相。由于本领域普通技术人员了解铁-碳相图中说明的信息，本文将省略详细的讨论。图1仅仅作为参考，以有助于进一步理解本发明的以下讨论。
现在转至图2A和2B，描述自保护焊接焊条100/200的横截面。在图2A中，焊条100是焊剂芯焊条，其中焊剂芯101被金属电极部分103围绕。图2B描述经常被称为“手工焊条(stick electrode)”的自保护焊条200，其中金属芯电极部分203被焊剂覆层(coating)201围绕。在每一个构型中，焊剂101/201被采用以在焊接操作期间建立保护气体，以尤其是从焊接金属移除氧和氮。这个是通过保护熔池远离空气来完成的。应注意的是，焊条的整体实际尺寸(例如直径等)与已知焊条的尺寸相似，并且在这方面本发明是非限制性的。
在本发明的实施方案中，焊剂101/201和电极部分103/203中的至少一个包含稀土铝化物。在本发明中，稀土铝化物在焊剂101/201和/或电极部分103/203中的存在允许存在于焊条100/200中的铝的整体减少。业已发现，稀土铝化物在例如焊接的应用中充当脱氮剂和脱氧剂，用以从熔池清除氮和氧(和铝的作用一样)。然而，还发现充当脱氮剂和脱氧剂的稀土铝化物对铁-碳体系的相变具有最小的或没有负面影响。因此，在本发明的实施方案中，至少一些通常在焊条中存在的铝被至少一种稀土铝化物取代。
在本发明中，稀土铝化物的使用允许在整个焊条100/200中铝的量减少，而没有降低焊条的保护性能并且对从而发生的焊缝没有不利的冶金学影响。实际上，由于减少了在焊缝中残存的铝的总量，使用依据本发明各种实施方案的焊条将导致优于现有技术焊条的改进的冶金特性。
正如在前所讨论的，铝在熔池中的存在能够干涉钢从其δ相到γ相到α相的相变(参见图1)。特别地，铝的存在趋向于关闭铁-碳相图(图1)上的γ环。这导致在焊缝中生成大的粗晶粒结构，所述大的粗晶粒结构导致焊缝缺乏韧性和耐久性(即，焊缝会是脆性的)。然而，在现有的焊条中需要最少量的铝来在焊接过程期间充当脱氮剂和脱氧剂。
通过采用本发明的焊条，避免和/或消除了上述不利的冶金学影响，同时维持期望的焊条保护能力。再次地，这是因为业已发现，稀土铝化物在焊接应用中充当脱氮剂和脱氧剂且不趋向于关闭焊接金属的γ环。因此，本发明允许要在焊条中使用的铝的量被减少或被消除，同时在焊条的保护性能方面几乎没有或没有妥协并且没有不利的冶金学影响。实际上，依据本发明实施方案的焊条可以导致优于现有技术焊条的优秀的冶金特性，例如焊缝韧性。
在本发明的实施方案中，稀土铝化物可以选自但不限于以下中的任何一种：铝化铈(CeAl)、铝化镧(La Al)、铝化钕(Nd Al)、铝化锂(Li Al)、铝化铁铈(Fe Ce Al)、铁铈(Fe Ce)或任何其他稀土铝化物或其他稀土合金。本发明还预期采用上述参考的稀土铝化物、其他稀土铝化物和稀土合金的组合。
在本发明的再一实施方案中，焊条100/200包含多种稀土铝化物、一种稀土合金和/或稀土硅化物的组合，包括但不限于前面所指的那些。采用的稀土铝化物组合以及使用的每种稀土铝化物的比率是性能和设计标准的函数，并且在本领域技术人员的水平和知识内。此外，在本发明的另一个实施方案中，稀土铝化物可以与稀土硅化物组合。例如，在本发明的实施方案中，铝化铈与稀土硅化物组合并且被添加到焊剂材料/电极。由于硅的存在，应该限制稀土硅化物的使用。但是，在非限制示例性实施方案中，占焊剂重量的直到约1％的稀土硅化物和占焊剂重量的直到约6％的稀土铝化物被采用。当然，本发明不限于这些被确定的百分数，因为这些百分数的意图本质上是示例性的。采用的组合和/或百分数是性能和设计参数的函数。
在本发明的一实施方案中，稀土铝化物或其组合仅在焊条100/200的焊剂101/201中存在。在本发明的另一个实施方案中，至少部分稀土铝化物在焊条100/200的电极部分103/203中存在。由于稀土铝化物经常可以以粉末和/或颗粒形式获得，从可制造性上考虑，稀土铝化物在焊条100/200的焊剂101/201中的布置是最便利的。在这样的实施方案中，稀土铝化物粉末可以在焊剂混合过程期间被添加到焊剂，并且接着在制造过程期间被添加到焊条100/200。然而，在这个方面，本发明不受限制，并且稀土铝化物可以在电极部分103/203的制造期间仅被添加到电极部分103/203。再有，如上文指出的，稀土铝化物或多种稀土铝化物的组合可以在焊剂101/201和电极部分103/203各自的制造步骤期间被添加到焊剂101/201和电极部分103/203两者。
现有的焊接焊条可以具有占焊剂重量的直到约12％的铝。其他焊条取决于焊条的应用和类型可以具有8到15％重量范围的量的铝。这些现有焊条的使用可以导致焊接沉积物具有约1.12％重量的铝，并且一些焊条的使用导致焊接沉积物具有高达约1.5％重量的铝。然而，已知当铝在焊接沉积物中的量接近占焊接沉积物重量的约1.5％或更高时，焊缝趋向于变脆并且缺乏需要的韧性。
通过采用本发明的焊条100/200，可以减少在焊接沉积物中从而发生的铝的量，由此提供具有改进的冶金特征(例如韧性)的焊缝。
在本发明的实施方案中，稀土铝化物完全取代整个焊条中的铝。因此，如果现有焊条包含占焊剂重量的约10％的铝，依据本发明的焊条将包含约10％重量的稀土铝化物，并且没有添加的铝。在本发明的再一实施方案中，焊条包含稀土铝化物与另一稀土合金的组合。例如，在本发明的非限制性实施方案中，焊条包含占焊剂重量的约9％的稀土铝化物和占焊剂重量的约1％的稀土硅化物。
当然，本领域普通技术人员理解，由于不同制造技术，由于制造工艺和使用材料的影响，微量的铝可能存在于焊条中。为了上述实施方案的目的，本发明预期用稀土铝化物来取代的是有意添加的铝的量。
在本发明的再一实施方案中，由于本发明的益处可以通过在整个焊条中使用铝和稀土铝化物的组合来获得，不必要用一种或多种稀土铝化物取代添加铝的全部量。例如，如果现有技术焊条包含占焊剂重量的约10％的铝，本发明的实施方案可以包含约5％重量的铝和约5％重量的稀土铝化物。
注意，取决于稀土铝化物和其组分(例如铈)的反应性，稀土铝化物的百分数可能需要调整以获得期望的性能。这在本领域技术人员的水平内的。例如，为获得具有约10％重量的铝的焊条的相似性能，取决于稀土铝化物(也就是铈)的反应性，可能需要采用具有约5％重量的铝和约6％重量的稀土铝化物的焊剂。以不同的方式来表述，取决于稀土铝化物的反应性，现有焊条中使用的铝的量和依据本发明使用的稀土铝化物/合金之间没有必要是“1对1(one-to-one)”的比率。确定采用的稀土铝化物的适当的量、稀土铝化物是与铝、其他稀土合金结合或是单独使用在本领域技术人员的知识和水平内的。
针对稀土铝化物提供需要的脱氧作用和脱氮作用以及生产具有合乎期望的冶金特性(例如韧性)的焊缝的能力，使用的稀土铝化物的总量可以是焊条100/200的期望性能的函数。由于稀土铝化物通常比铝贵，预期本发明的实施方案将具有大于1的铝对稀土铝化物比率。即，使用的铝的重量％大于使用的稀土铝化物的重量％。
通过采用本发明的各种实施方案，可以明显减少焊接金属中铝的量，而不降低保护性能。例如，具有约1的铝对稀土铝化物比率的焊条可以导致这样的焊缝，即焊缝中的铝减少约50％。就是说，如果使用现有焊条导致具有约1.12％重量的铝的焊缝，本发明的实施方案可以产生具有约0.56％重量的铝的焊缝。这改进了焊缝的一些冶金特性，且没有牺牲焊条的保护性能。
因此，在本发明的实施方案中，焊条100/200可以具有占焊剂重量的直到约15％的稀土铝化物。在再一实施方案中，焊条100/200包含占焊剂重量的直到约10％的稀土铝化物。在另一实施方案中，焊条100/200包含占焊剂重量的约1％到约5％的稀土铝化物。在本发明的附加实施方案中，特别地，a.)焊条或b.)电极部分或c.)焊剂部分或d.)电极和焊剂部分包含占焊剂重量的至少约0.5％的稀土铝化物。再有的实施方案包含占焊剂重量的约0.5％到约15％之间的稀土铝化物、约0.5％到约10％的稀土铝化物和约0.5％到约5％的稀土铝化物。当然，在焊条中存在的总百分数是焊条类型、期望的性能和结构的函数，并且是那些本领域的技术人员能够确定的。例如，被理解的是，在FCAW中采用的稀土铝化物的量可以与在SMAW中采用的量不同，以获得相同或相似的焊缝品质和性能。优选是焊接焊条，其中所述焊条(100/200)包括占焊剂部分(101/201)重量的约0.5％和约15％之间的所述稀土铝化物、更优选的是在约0.5％和约10％重量之间、最优选的是在约0.5％和约5％重量之间。在其他实施方案中，所述焊剂部分包含占所述焊剂部分重量的约0.5％到约15％之间的稀土铝化物、占焊剂部分重量的约0.5％和约10％之间或约0.5％和约5％之间的所述稀土铝化物。在本发明的所有实施方案中，所述金属电极部分和焊剂部分中的至少一个还可以包括稀土合金或包括稀土硅化物。
尽管已经参照本发明的示例性实施方案具体示出和描述了本发明，但本发明不限于这些实施方案。本领域普通技术人员将理解，可以做出形式上和细节上的各种改变而不背离如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
参考标号：
100焊条
101焊剂芯
103电极部分
200焊条
201焊剂
203电极部分

Claims (15)

1.一种焊接焊条(100/200)，包括：
金属电极部分(103/203)，以及
焊剂部分(102/201)，所述焊剂部分邻近所述金属电极部分，
其中，所述金属电极部分和/或焊剂部分中的至少一个包含稀土铝化物。
2.如权利要求1所述的焊接焊条，其中所述稀土铝化物选自包括铝化铈、铝化镧、铝化钕、铝化锂、铝化铁铈、铁铈和其组合的组。
3.如权利要求1所述的焊接焊条，其中所述金属电极部分(103/203)和焊剂部分(101/201)中的至少一个还包括稀土合金。
4.如权利要求1至3中任一项所述的焊接焊条，其中所述金属电极部分(103/203)和焊剂部分(101/201)中的至少一个还包括稀土硅化物。
5.如权利要求1至4中任一项所述的焊接焊条，其中所述稀土铝化物被包含在所述焊剂部分(101/201)中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的焊接焊条，其中所述焊条(100/200)包括占焊剂部分(101/201)重量的至少约0.5％的所述稀土铝化物。
7.如权利要求1至6中任一项所述的焊接焊条，其中所述焊条(100/200)包括占焊剂部分(101/201)重量的约0.5％和约15％之间的所述稀土铝化物。
8.一种焊接焊条(100/200)，包括：
金属电极部分(103/203)，以及
焊剂部分(101/201)，所述焊剂部分邻近所述金属电极部分，
其中所述电极部分和/或焊剂部分中的至少一个包含占所述焊剂部分重量的约0.5％到约15％之间的稀土铝化物，并且
其中所述稀土铝化物选自包括铝化铈、铝化镧、铝化钕、铝化锂、铝化铁铈、铁铈和其组合的组。
9.如权利要求8所述的焊接焊条，其中所述金属电极部分(103/203)和焊剂部分(101/201)中的至少一个还包括稀土合金。
10.如权利要求8至9所述的焊接焊条，其中所述金属电极部分(103/203)和焊剂部分(101/201)中的至少一个还包括稀土硅化物。
11.如权利要求10所述的焊接焊条，其中所述稀土铝化物被包含在所述焊剂部分(101/201)中。
12.如权利要求10所述的焊接焊条，其中所述焊条(100/200)包括占焊剂部分(101/201)重量的约0.5％和约10％之间的所述稀土铝化物。
13.一种焊接焊条(100/200)，包括：
金属电极部分(103/203)，以及
焊剂部分(101/201)，所述焊剂部分邻近所述金属电极部分，
其中所述焊剂部分包含占所述焊剂部分重量的约0.5％到约15％之间的稀土铝化物，并且
其中所述稀土铝化物选自包括铝化铈、铝化镧、铝化钕、铝化锂、铝化铁铈、铁铈和其组合的组。
14.如权利要求13所述的焊接焊条，其中所述焊剂部分(101/201)包括占所述焊剂部分重量的约0.5％和约10％之间的所述稀土铝化物。
15.如权利要求13或14所述的焊接焊条，其中所述焊剂部分(101/201)包括占所述焊剂部分重量的约0.5％和约5％之间的所述稀土铝化物。
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