CN102176997A

CN102176997A - 具有包括锂铝合金的焊剂的焊条以及制造焊条的方法

Info

Publication number: CN102176997A
Application number: CN2009801405036A
Authority: CN
Inventors: J·M·基根
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: WO2010046769A1; US20100102049A1; DE202009018969U1; CN102176997B; EP2361167A1

Abstract

提供了一种焊条(110，210)以及制造所述焊条的方法。所述焊条(110，210)可以包括焊剂部分(120，220)，所述焊剂部分(120，220)具有可以包括锂铝合金的材料。

Description

具有包括锂铝合金的焊剂的焊条以及制造焊条的方法

技术领域

本发明提供分别根据权利要求1和10的前序部分的焊条和制造焊条的方法。此外，为了获得改进的焊缝性能提供焊条和方法。更特殊地，提供包含锂铝合金的焊条和方法。

背景技术

常规的焊条以及制造这样的焊条的方法已出现多年。然而，尽管这样的常规焊条和方法略微阻止氮在焊接工艺期间进入焊缝，但它们不足以从焊弧等离子体排除氮以防止铝热反应。铝热反应的消除将会改进焊缝金属延展性。因此，本发明的目的是提供改进的焊条以及制造焊条的方法。

发明内容

本发明提供分别根据权利要求1和10的焊条和制造焊条的方法。

依照一个实施方案，焊条包括金属电极部分和相邻并且附接该金属电极部分的焊剂部分。焊剂部分包括包含锂铝合金的金属。

依照另一个实施方案，制造焊条的方法包括将焊剂部分附接金属电极部分以形成焊条。焊剂部分包括包含锂铝合金的材料。

进一步的实施方案可从本说明书，权利要求书，以及附图推出。

附图说明

尽管本说明书以特殊指出并且明显要求保护本发明的权利要求书作结，据信的是，本说明书将会通过以下与附图结合的描述被更好地理解，附图中：

图1是铁-碳相图的示意图；

图2是描绘依照一个实施方案的焊条的剖视图；以及

图3是描绘依照另一个实施方案的焊条的剖视图。

具体实施方式

本文中，多个实施方案结合附图的图1至图3被详细地描述，其中相似的数字(例如110，210)在整个附图指示相同的或相应的要素。

图1描绘一般地示出钢的热力学有区别的γ，δ，以及α相的每个平衡相的铁-碳相图。图1作为帮助进一步理解以下涉及如本文中讨论的焊条和制造方法的讨论的参考被提供。

图2和图3图示说明焊条110和210的剖面。如图2图示说明的焊条110，描绘焊剂芯焊条的实施方案，其中焊剂部分120可以基本上被金属电极部分130围绕并且焊剂部分120可以用作焊条110的芯。图3描绘具有一般地被称为“手工焊条”(stick electrode)的结构的的自保护焊条210，其中金属电极部分230可以基本上被敷有金属电极部分230的焊剂部分220围绕。在每个如图2和图3中图示说明的构型中，焊剂部分120和220被采用，以在焊接操作期间为了阻止氮进入焊缝金属提供保护气体，这可以通过保护焊池在焊接操作期间远离空气来完成。这些焊条的类型被一般地已知为自保护焊条。自保护焊条用于许多不同类型的焊接操作中，如保护金属电弧焊(“SMAW”)和焊剂芯电弧焊(“FCAW”)。在一个实施方案中，焊剂部分可以在焊条的从约5％至约50％重量的范围内。在另一个实施方案中，焊剂部分可以在焊条的从约10％至约30％重量的范围内。

为实现从焊缝金属排除氮，常规的自保护焊条在焊剂部分，或在金属电极部分，或者在二个部分包括一定质量的铝。铝的存在帮助阻挡氮和氧进入焊缝金属。然而，焊缝金属中铝的存在具有闭合铁-碳相图上γ环(loop)的倾向(γ环在图1中一般地图示说明)。归因于此，铝的存在趋于限制从δ到γ到α相的相变。这种限制的结果是在焊缝金属结构中生成大的粗颗粒(unrefined grains)，这又导致具有不理想的延展性并且是脆性的焊缝。锂铝合金中锂的存在从焊池蒸发和移动氮和氧。在这种情况中，存在于锂铝合金中的锂可以与氮和氧反应形成锂的氧化物或氮化物。锂还可以生成金属蒸气并且减少焊缝等离子体中氧和氮的分压。脆性的焊缝在许多应用中是不合乎期望的。这样，焊条需要具有在焊接操作期间阻挡氮进入焊缝金属中并且不闭合或显著干扰焊缝金属的相变的组成。

在以上一般地讨论的焊接过程中，焊条经由材料形成焊剂生成其自身的保护气体，以从焊接熔池区去除氧和氮。保护气体由包括在焊剂部分中的在焊接期间分解和/或蒸发的化合物生成。释放的气体降低焊接电弧环境中氮和氧的分压以使来自焊池的氮和氧的吸收降低。

在一个实施方案中，焊剂部分可以包括包含锂铝合金的材料。焊剂部分120和220中锂铝合金的存在提供用于图2和图3中图示说明的焊条110和210的铝的减少。在应用(如焊接)中，锂铝合金可以作为脱氮剂和脱氧剂，以从焊池消除氮和氧。然而，锂铝合金还可以作为脱氮剂和脱氧剂而具有最低限度的或没有对于铁-碳系统的相变的负面影响。由此，在一个实施方案中，通常会存在于焊条的焊剂部分中的铝的至少一些被锂铝合金替代。在一个实施方案中，锂铝合金可以包括从约0.5％至约15％的锂和从约85％至约99.5％的铝。在另一个实施方案中，锂铝合金可以包括从约1.0％至约5.0％的锂和从约87％至约95％的铝，其中该锂铝合金的剩余部分包括其他的化合物(例如，铜、镁、锰或锆)。例如，在一个实施方案中，锂铝合金可以包括具有约2.45％的锂，约0.12％的锆，约1.3％的铜，约0.95％的镁和剩余部分铝的粉末。

在焊条的焊剂部分使用的锂铝合金可以提供存在于焊条中的铝的量的减少，而不减少焊条的保护性能并且在导致的焊缝中没有任何不利的冶金学效应。事实上，由于残留在焊缝中的铝的总量被减少，使用依照本文中讨论的各种实施方案的焊条可以导致优于常规焊条的改进的冶金学性能。

如以上讨论的，存在于焊池中的铝可以干扰钢从它的δ相到γ相到α相的相变。特别地，铝的存在趋于闭合铁-碳相图中的γ环。这导致焊缝中大的粗颗粒结构的生成，这能够导致缺乏韧性和耐久性的脆性焊缝。由此，常规的焊条通常最小化在焊接过程中作为脱氮剂和脱氧剂使用的铝的量。取决于焊条的应用和类型，常规的焊条一般地包括在该焊条的从8％至15％的重量的范围内的量的铝。这些常规焊条的使用能够导致在最终焊缝内高达铝的约1.5％的重量的焊缝沉积物。然而，由于焊缝沉积物中的铝的量接近如1.5％重量的量，最终焊缝可以变为脆性的并且缺乏足够的韧性。

具有锂铝合金组分的焊条，如在本文中所讨论的，可以防止上述不利的冶金学效应，而同样维持期望的保护能力。再次说明，这是由于在焊接应用中作为脱氮剂和脱氧剂，而不趋于闭合焊缝金属的γ环的锂铝合金。由此，本文中描述的焊条的实施方案允许更少的铝被用于焊条中或使铝的量被完全地消除，而几乎没有或没有危害焊条的保护性能并且没有不利的冶金学效应。事实上，依照这样的实施方案的焊条可以导致优于常规使用的焊条的上佳的冶金学性能，如焊缝韧性。

在一个实施方案中，锂铝合金可以存在于形成焊条的焊剂部分的材料中。由于锂铝合金可以一般为粉末和/或颗粒形式，从制造的视角，将锂铝合金置于形成焊条的焊剂部分的材料中是方便的。锂铝合金粉末能够在混合过程期间被加入到焊条的焊剂部分，以形成被添加到焊条的焊剂部分。然后，焊剂部分在制造过程期间被添加，以形成最终焊条。如本文中讨论的，焊剂部分能够基本上被金属电极部分围绕，并且用作焊条的芯；或者焊剂部分可以被制造，以基本上围绕金属电极部分从而形成焊条。将会被理解的是，金属电极部分可以由用于任何可应用的焊接应用的任何适合的金属化合物和/或合金形成。而且，焊条可以被制造，以用于许多焊接应用，并且，这样，本领域技术人员将会理解的是，焊条的物理尺寸(例如，焊条的直径)以及将焊剂部分作为焊条的部分的一体化与已知焊条的这些相似。

在一个实施方案中，焊剂部分包括直至约15％重量的锂铝合金。再进一步的实施方案中，焊剂部分包括直至约10％重量的锂铝合金。在再一个实施方案中，焊剂部分包括约1％至约5％重量的锂铝合金。在附加的实施方案中，焊剂部分包括至少约0.5％重量的锂铝合金。当然，存在于焊条的焊剂部分的锂铝合金的总体百分比可以是焊条类型、期望的性能和构造的函数。例如，理解的是，针对FCAW的焊条中采用的锂铝合金的量可以与针对SMAW采用的量不同，以达到相同的或相似的焊缝质量和性能。

在一个实施方案中，锂铝合金可以完全地替代总体焊条中的铝。由此，如果常规的焊条包括焊剂部分的约10％重量的铝，焊条的一个实施方案能够包括焊剂部分的约10％重量的锂铝合金，而没有添加的铝。当然，本领域技术人员将会理解的是，归因于各种制造技术，痕量的铝可能根据制造工艺和所用材料存在于焊条中。由此，有意添加的铝的量可以由锂铝合金替代。

在进一步的实施方案中，由于本文中讨论的益处还可以通过在总的焊条中使用铝和锂铝合金的组合来实现，由锂铝合金替代添加的全部量的铝不是必要的。例如，如果常规的焊条包括焊剂部分的约10％重量的铝，一实施方案可以包括使焊条包括焊剂部分的约5％重量的铝和该焊剂部分的约5％重量的锂铝合金。还将会被理解的是，在一个实施方案中，所用铝的重量百分比可以大于焊条中所用锂铝合金的重量百分比。

要注意的是，取决于锂铝合金的反应性，应用于焊条的锂铝合金的百分比可能需要被调整，以达到期望的性能。由此，将会被理解的是，本领域技术人员能够确定采用的锂铝合金的恰当的量，无论该锂铝合金与铝组合还是独自用于形成特定的焊条。如此，所用锂铝合金的总量可以是焊条关于它的提供所需要的脱氧作用和脱氮作用并且产生具有合乎期望的冶金学性能(如韧性)的焊缝的能力的期望的性能的函数。

通过采用各种实施方案，焊缝金属中的铝的量可以明显地减少，而没有在焊接过程期间保护性能的降低。铝在焊弧和焊池中与氧和氮反应，并且由此，Al-N和Al₂O₃将作为夹杂物形成。这些夹杂物中的一些浮出焊池，而一些保留在焊缝金属中。事实上，与铝形成Al-N的反应在固态中继续进行。例如，具有为约1的铝-比-锂铝合金的比率的焊条能够导致在焊缝中具有约50％的铝的减少的焊缝。所以，如果常规焊条的使用导致具有约1.5％重量的铝的焊缝，本文中描述的焊条的实施方案可以产生具有约0.75％重量的铝的焊缝。由此，焊缝的冶金学性能能够被改进，而不牺牲焊条的保护性能。

在进一步的实施方案中，焊条可以包括锂铝合金与另一具有锂源的化合物的组合，所述化合物包括，但不限于，铝酸锂，氟化锂，以及高铁酸锂。例如，在一个实施方案中，焊条的焊剂部分能够包括约9％重量的锂铝合金和约1％重量的高铁酸锂。

以上实施方案和实施例的描述已出于图示说明和描述的目的呈现。不是意图为穷尽的或将本发明限制到所描述的形式。根据以上教导，众多的修改是可能的。这些修改的一些已被讨论，并且其他的修改将会被本领域技术人员理解。为了最好地图示说明适于特定使用考虑的各种实施方案，实施方案被挑选和讨论。在此意图的是，本发明的范围由所附的权利要求书限定。

参考标号：

110焊条

120焊剂部分

130电极部分

210焊条

220焊剂部分

230电极部分

Claims

1.一种焊条(110，210)，包括：

金属电极部分(130，230)；以及

相邻于且附接到所述金属电极部分(130，230)的焊剂部分(120，220)，

其特征在于，

所述焊剂部分(120，220)包括包含锂铝合金的材料。

2.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述金属电极部分(230)包括外表面，且其中所述焊剂部分(220)基本上围绕所述金属电极部分(230)的所述外表面。

3.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述金属电极部分(130)界定芯，其中所述焊剂部分(120)位于所述金属电极部分(130)的所述芯内且所述金属电极部分(130)基本上围绕所述焊剂部分(120)。

4.如权利要求1或2所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)在所述焊条(110，210)的从约5％至约50％重量的范围内。

5.如权利要求4所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)在所述焊条(110，210)的从约10％至约30％重量的范围内。

6.如权利要求1至5之一所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)的所述材料包括直到约15％重量的量的所述锂铝合金。

7.如权利要求6所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)的所述材料包括从约1％至约5％重量的所述锂铝合金。

8.如权利要求1至7之一所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)的所述材料包括至少约0.5％重量的量的所述锂铝合金。

9.如权利要求1至8之一所述的焊条，其特征在于，所述焊剂部分(120，220)的所述材料还包括高铁酸锂。

10.一种制造焊条(110，210)的方法，所述方法包括：

附接焊剂部分(120，220)到金属电极部分(130，230)以形成焊条(110，210)，

其特征在于，

使用包括包含锂铝合金的材料的焊剂部分(120，220)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述金属电极部分(230)包括外表面，且其中附接所述焊剂部分(120)的步骤包括用所述焊剂部分(220)基本上围绕所述金属电极部分(230)的所述外表面。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述金属电极部分(130)界定芯，且其中附接所述焊剂部分(120)的步骤包括使所述焊剂部分(120)位于所述金属电极部分(130)的所述芯内以使所述金属电极部分(130)基本上围绕所述焊剂部分(120)。