CN103418929A - 具有实心中芯部的焊丝以及该焊丝的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊丝（1），所述焊丝包括：中芯部（4），所述中芯部由实心金属丝形成；管状金属外壳（2），所述管状金属外壳（2）形成围绕所述实心金属丝（4）的套管；位于所述中芯部（4）和所述管状金属外壳（2）之间且含有一种或多种化合物的中间层（3）。本发明还涉及一种用于制造这种焊丝的方法以及这种焊丝在电弧焊工艺中、特别是在MIG或者MAG焊接工艺或者埋弧焊接工艺中的应用。

Description

具有实心中芯部的焊丝以及该焊丝的制造方法

技术领域

本发明涉及一种实心金属芯焊丝，该实心金属芯焊丝是金属丝（例如钢丝）的形式，该金属丝被含有一种或多种化合物（如，硅酸盐、金红石等）的中间层包围，且被由金属、特别是钢制成的外壳包围。本发明还涉及一种用于制造这种焊丝的方法，以及这种焊丝在电弧焊中的应用，特别是在MIG/MAG焊接中或在埋弧焊中的应用。

背景技术

特定的焊接工艺特别是电弧焊（例如MIG/MAG焊接）或埋弧焊的需要使用一种或多种焊丝，该焊丝逐渐地被一个或多个电弧熔化以得到焊接熔池，该焊接熔池一旦冷却便在待焊接的部件之间形成焊接接头。

目前的电弧焊焊丝主要是两种类型，即，实芯焊丝和药芯焊丝（flux-cored wire）。实芯焊丝由例如碳钢丝或者不锈钢丝的实心金属丝形成，然而，药芯焊丝由管状外壳（也称为“箔”）形成，其中该管状外壳包含由颗粒状或细粉状材料（例如由诸如TiO2，CaF2等矿物成分形成的粉末）形成的内部焊剂。

然而，实芯焊丝和药芯焊丝存在缺陷，如特别是有时不充分或者有限的焊接速度、过低的沉积速率、中等或偏下水准的焊接能力、可能导致待焊接的部件变形的过高能量需求，以及特别是对于实芯焊丝而言，不可能添加微量合金以改善电弧电离以及沉积物的机械性能。

所针对的问题是提供一种改进的焊丝，该焊丝能够降低能量需求且因此防止部件变形，从而改善焊接能力、焊接速度和沉积速率，并且获得较好的能够用在电弧焊（特别是MIG/MAG类型的焊接）或埋弧焊中的电弧电离。

发明内容

本发明的解决方案是一种焊丝，该焊丝可被称为“实心丝”，所述焊丝包括由实心金属丝形成的中芯部，形成围绕所述实心金属丝的套管的管状金属外壳，位于所述中芯部和所述管状金属外壳之间的且包括一种或多种化合物的中间层。

换句话说，本发明的焊丝包括中芯部或“心部”，该中芯部包括被中间层围绕的实心金属丝，因此而得到的组件自身被外壳包围，所述外壳形成围绕中间层和形成中芯部的所述金属丝的套管，即，中间层夹在形成中芯部的内部实心丝和外壳之间。

根据情况，本发明的实芯焊丝可以包括如下的一个或多个技术特征：

-所述中间层是电绝缘的，即，所述中间层包括一种或多种电绝缘的和/或具有高电阻抗的元素或化合物；该电阻抗能够对抗电流的流通。

-所述中间层具有比所述管状金属外壳的电阻抗大的电阻抗。

-形成箔的金属壳具有在大约1.6×10^-8Ωm和10×10^-6Ωm之间、优选在大约1.6×10^-8Ωm和0.5×10^-6Ωm之间的较低电阻抗。

-所述中间层具有典型地在大约5×10^-6Ωm和5×10⁺¹⁸Ωm之间的高电阻抗。

-所述管状金属外壳由钢制成。

-形成中芯部的实心金属丝由钢制成。

-形成所述中芯部的内部实心金属丝和所述管状金属外壳由碳钢、低合金钢（按重量计合金成分<5%）或不锈钢制成。

-所述中间层包含选自如下成分中的一种或多种：Na、K、Zr和Li的硅酸盐或盐，金红石（TiO₂），聚四氟乙烯/特氟隆（Teflon^TM），CaF₂，氟盐，石英，MoS₂，WS₂，云母，石墨，下列金属的碳酸盐或金属氧化物：Bi、Zr、Fe和Al，下列成分中的金属及各成分的合金：B、Ti、Sn、Mn、Ni、Cr和Mo，以及硅合金。

-所述中间层包括一种或多种可能改进电弧电离的化合物，特别是基于K，Na，或Li等的化合物。

-所述中间层包括一种或多种可能改善沉积物的金相的化合物，所述化合物选自基于Ti，B，N，Na，Mg，Si等的化合物。

-形成所述芯部的内部实心金属丝大约占焊丝的截面/横截面的表面积的50%至95%，所述中间层大约占焊丝的截面的表面积的0.0001%至20%、优选在大约1%至8%之间，所述管状金属外壳占焊丝的截面的表面积的其余部分，也就是大约占焊丝的截面的5%至45%、典型地大约10%至20%。

-形成所述芯部的内部实心金属丝大约占焊丝的截面的表面积的50%至95%。

-所述焊丝具有小于或者等于约10mm、优选在约0.8mm至5mm之间的外径。

-所述管状金属外壳具有铜镀或青铜镀/铜锡合金镀类型的表面处理。

-所述焊丝具有数十米、或者甚至数百米长的长度。

-所述焊丝卷绕在焊丝卷轴上和/或包装在焊丝筒中。

-中间层具有小于1.5mm的厚度。

本发明还涉及一种用于制造根据本发明的焊丝的方法，所述方法包括如下的步骤：

a）在金属丝的外表面上涂覆或者沉积至少一个中间层，从而得到覆盖有/被覆有由一种或多种化合物形成的层的金属丝，所述由一种或多种化合物形成的层形成位于所述金属丝的外表面上的中间层，

b）将在步骤a）中得到的覆盖有所述中间层的所述金属丝引入槽中，所述槽由具有“U”形截面且具有两个彼此靠近的、平行的纵向边缘的金属条组成，以及

c）使在步骤b）中获得的由覆盖有所述中间层的所述金属丝填充的具有“U”形截面的槽的所述纵向边缘彼此靠近，直到它们彼此接触或者几乎彼此接触，从而获得具有“O”形截面的预制焊丝。

根据情况，用于制造本发明的焊丝的方法可以包括一个或多个的如下技术特征：

-所述方法包括继步骤c）之后的步骤d），在此步骤d）中，优选地通过高频、激光束或TIG焊接将具有“O”形截面的预制焊丝的纵向边缘彼此焊接。该步骤使得可能通过在具有“O”形截面的预制焊丝的两个纵向边缘之间产生不透气的焊接接头而密封焊丝。

-所述方法包括继步骤c）或步骤d）之后的步骤e），在此步骤e）中，减小具有“O”形截面的预制焊丝的直径从而获得最终直径小于10mm、优选在0.8mm和5mm之间的焊丝。

-在步骤a）中，通过将所述金属丝浸没在待涂覆的化合物中、通过喷雾法或者通过挤出法/压出法或其它适当的技术而将所述中间层沉积在所述金属丝的外表面上。尤其是根据待沉积在金属中芯部上（即内部金属丝的表面上）的化合物的特性来选择所要使用的技术。

-在沉积中间层之后，可以在线地或者离线地进行该中间层的干燥处理，从而选择性地去除可能存在于该层中的水或其它任何液体，例如通过用作待沉积在金属中芯部上的化合物的“运输者”而用于所述中间层的沉积的任何液体。

-借助于压力辊或类似物来完成所述金属条的“U”形和“O”形构型。

-施加到焊丝的管状金属外壳上的还有铜镀或青铜镀/铜锡合金镀类型的表面化学处理。

-在步骤a）之前，去除能在金属丝的外表面上发现的任何杂质，尤其是，利用机械弯曲、利用玻璃砂纸或者合成金刚砂纸打磨来使得金属丝经历除垢处理，和/或利用化学蚀刻和/或盐处理来清洁该焊丝。

-形成所述中芯部的实心金属丝由钢制成，和/或所述管状金属外壳由钢制成，特别是由碳钢、低合金钢（按重量计合金成分<5%）或不锈钢制成。

-在步骤a）中，沉积在构成中芯部的金属丝的表面上的中间层包括选自如下化合物中的一种或多种：钠、钾、锆和锂的硅酸盐或盐，金红石（TiO₂），聚四氟乙烯/特氟隆（Teflon^TM），氟化钙，氟盐，石英，二硫化钼，二硫化钨，云母，石墨，下列金属的碳酸盐或金属氧化物：铋、锆、铁、和铝，下列金属及合金：硼、钛、锡、锰、镍、铬和钼，以及硅合金。

-优选在连续的生产线上连续地执行步骤a）至c），在该生产线上使用机动化辊/电动辊例如使该焊丝以至少10m/min的速度平移运动。

附图说明

通过以下参考附图而做出的说明能够更好地理解本发明，其中

图1是根据本发明的实芯焊丝的截面的示意图；

图2示意性示出了制造根据本发明的实芯焊丝的方法；以及

图3示出了使用根据本发明的实芯焊丝的MIG/MAG焊接装置。

具体实施方式

图1表示根据本发明的、特别是旨在用于MIG/MAG气体下的电弧焊或者用于埋弧焊中、具有实芯/固体芯部4的焊丝1的截面图。

本发明的焊丝1包括由实心金属丝4（即，实心丝）形成的内部中芯部，该中芯部被至少一个中间层3包围，所述中间层3自身被金属外壳2包围，该金属外壳2形成围绕所述中间层3和中央实心丝4的套筒。

至于形成中芯部4的中央实心丝，优选由金属丝制成，所述金属丝例如为由钢、特别是由碳钢、低合金钢（即，按重量计合金成分<5%）或不锈钢制成的线，该金属丝的外表面已经被清洁以去除结垢或者其它任何能够形成在其上的污染性物质，诸如油脂。

中间层3包括电绝缘的和/或具有很高阻抗的一种或多种成分或化合物，也就是说，阻抗至少为5×10^-6Ωm且总是比金属外壳2的阻抗大。

因此，被“夹”在外壳2和内丝4之间的中间层3可以由各种元素或化合物、特别是选自如下成分中的一种或多种的一种或多种化合物构成：钠、钾、锆和锂的硅酸盐或盐，金红石（TiO₂），聚四氟乙烯/特氟隆（Teflon^TM），CaF₂，氟盐，石英，MoS₂，WS₂，云母，石墨，下列金属的碳酸盐或金属氧化物：铋、锆、铁和铝，下列金属及合金：硼、钛、锡、锰、镍、铬和钼，以及硅合金。

此外，外围的壳2或“箔”一般由钢制成，特别是由碳钢、低合金钢（按重量计合金成分<5%）或不锈钢制成。

如图1所示，当考虑根据本发明的焊丝1的截面（横截面视图）时，可以观察到焊丝的截面的表面积主要由中芯部4占据，也就是说，内部金属丝典型地占所述截面的大约50%至95%，优选占所述截面的大约70%至90%。

此外，外壳或箔2形成根据本发明的焊丝1的外壁，并且一方面包围形成中芯部4的金属丝，另一方面包围中间层，该外壳或箔2占焊丝的截面的大约5%至45%。该外壳2使得可以在焊接操作期间提供用于熔化焊丝1的电触点和焊接电流通路。

外壳2可以由成形为管状的金属箔形成，然后沿着焊丝的整个长度焊接该管状金属箔以获得密封的管，或者简单地使得金属箔的两个纵向边缘彼此接触，由此获得不密封的管。

如图1所示，中间层3占本发明的焊丝1的截面的表面积的0.0001%至20%。

优选地，中间层3形成绝缘层或者具有高阻抗的层，即，根据绝缘层的厚度典型地在5×10^-6Ωm至5×10⁺¹⁸Ωm之间的阻抗。

图3是用于在保护气体流环境下的MIG/MAG焊接的装置的总体示意图，该装置能够利用根据本发明的焊丝1在待焊接的两个部分/部件之间生成焊接接头11。

该MIG/MAG焊接装置包括根据本发明的焊丝1的卷轴5，该焊丝1连接到电源/电流源6（即，焊接电流发生器），以便在焊丝1的自由端12和待焊接部9和10之间产生电弧，从而逐渐地熔化焊丝1的自由端并得到焊接熔池，该焊接熔池一旦冷却便固化从而在待组装部9、10之间生成焊接接头11。

应当指出，待组装部9、10是两个彼此独立的部件或者是同一个部件上的需要被彼此焊接的两个部分，例如，管体的两个纵向边缘。

焊丝1穿过MIG/MAG焊炬的喷嘴8，此外，在该喷嘴8中循环的是用在MIG焊接中的惰性保护气体（例如氮气、氩气、氦气或这些气体中的几种的混合物）、或者是用在MAG焊接中的氧化保护气体（包括氧气、CO₂），或者两者兼有（例如，氩气/CO₂或氩气/O₂混合物）。

该气体源自外部气体源7，例如一个或多个气罐、液体或气体形式的储气、一个或多个气体管线等。

该保护气体使得可能在焊丝1的端部12、以及最重要的是在旨在形成接头11的焊接熔池的上方创建保护气氛，使得可能防止焊接熔池被包含在周围大气中的杂质（例如，水蒸气）污染或减至最低。

根据开始操作时的操作条件（即，待执行的焊接类型，待焊接的材料的特性，焊接位置，接头构造类型等），由操作者基于具体情况并按照常规方式设定焊接参数，即，焊接电流的强度和电压、焊接能量、焊接速度、焊丝速度、等等。

图2示出了用于制造根据本发明的焊丝1的主要步骤，即：

-步骤A，对旨在构成本发明的焊丝1的中芯部的钢丝4进行除垢和清洁，以使该钢丝4的表面非常干净。

-步骤B，例如通过将钢丝4浸没在含有待涂覆的化合物的容器13中而涂覆中间层3，其中该待涂覆的化合物旨在形成夹在外壳2和中芯部4之间的绝缘涂层3。然而，应当强调的是，形成中间层3的化合物也可以通过适于在中芯部4上获得由所述化合物构成的层的其它任何技术（例如，通过喷雾法或通过挤出法）来涂覆。

-步骤C，例如使用压力辊或类似物使得具有两条平行的纵向边缘的金属条14的所述边缘彼此靠近而成形为“U”形，从而获得槽构型。

-步骤D，将覆盖有中间层3的中芯部4引入到旨在构成外壳2的槽中。

-步骤E，通过使得金属条14的纵向边缘彼此靠近直到它们彼此接触或者几乎彼此接触，将在步骤D中得到的填充有焊丝的、具有“U”形截面的槽成形为“O”形，从而获得具有“O”形截面的预制焊丝15。

-第一可选步骤，例如通过高频、激光束或TIG焊接纵向焊接预制焊丝15的彼此接触或者几乎彼此接触的边缘，以便密封所述边缘。

-步骤F，通过轧制和/或拉延减小预制焊丝的直径，直到使得根据本发明的焊丝具有小于10mm、优选在0.8mm和5mm之间的最终直径，。

-第二可选步骤，在该步骤期间，对本发明的焊丝1进行最后的表面处理，例如化学铜镀或者青铜镀/铜锡合金镀。

一般地，与已知的实芯焊丝相比，当根据本发明的实芯焊丝1用在MIG/MAG类型的电弧焊中或者埋弧焊中时，根据本发明的实芯焊丝1尤其具有如下优点中的全部或部分：

-焊接电流集中在构成外壳的外环中，该外壳通过具有高的电阻抗的绝缘中间层与焊丝的内部金属“心”绝缘，该电阻抗典型地从200至600A/mm²，比标准实芯焊丝的通常仅为50至90A/mm²的阻抗高得多。这将使得获得的沉积速率大体上增加约20%至50%，因此提高了焊接速度和焊接效率。

-由于使用更低的电压，熔化更加温和，从而改进了焊接能力。

-外壳的良好的导电率也可以大于内部实心丝的导电率，这对于焊接诸如不锈钢的特定材料而言特别有利。

-电流需求更低，因此能耗更低。

-降低的热增益能限制或者甚至消除基础材料的变形，并且防止例如在窄接头焊接（也称为“窄隙焊接”）中存在的某些相关问题。

-能向中间层中添加受控量的特定成分例如基于K或Na的元素或化合物以改善电弧电离，或者例如元素Ti和B以改善金相。

-通过改变外壳和内部实心丝之间的重量比以及等级，能根据需求改变由熔化焊丝而得到的焊接接头的常量化学/宏观化学性质。

-由于使用了外壳即由不绣钢制成的外部箔，能保护形成焊丝的心的内部实心丝以免氧化。

本发明的焊丝能够用在包括MIG或者MAG类型或埋弧焊工艺的任何电弧焊工艺中，用于焊接一个（如，管、管线，软管等）或多个由钢制成、特别是由选自碳钢、低合金钢、中合金钢或高合金钢、或者不锈钢的钢材料制成的部件。

Claims (15)

1.一种焊丝（1），所述焊丝包括：

-中芯部（4），所述中芯部由实心金属丝形成，

-管状金属外壳（2），所述管状金属外壳（2）形成围绕所述实心金属丝（4）的套管；以及

-位于所述中芯部（4）和所述管状金属外壳（2）之间且含有一种或多种化合物的中间层（3），

其特征在于，所述中间层（3）具有介于5×10^-6Ωm和5×10⁺¹⁸Ωm之间的高电阻抗，该中间层（3）的所述高电阻抗大于所述管状金属外壳（2）的低电阻抗。

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述管状金属外壳（2）具有介于1.6×10^-8Ωm和10×10^-6Ωm之间的低电阻抗。

3.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，所述金属壳（2）具有介于1.6×10^-8Ωm和0.5×10^-6Ωm之间的电阻抗。

4.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，所述管状金属外壳（2）和/或组成所述中芯部（4）的实心金属丝由钢制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，构成所述中芯部（4）的实心金属丝和所述管状金属外壳（2）由碳钢、低合金钢（按重量计合金成分<5%）或不锈钢制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，所述中间层（3）含有选自如下化合物中的一种或多种：Na、K、Zr和Li的硅酸盐或盐，金红石（TiO₂），特氟隆（Teflon^TM），CaF₂，氟盐，石英，MoS₂，WS₂，云母，石墨，下列金属的碳酸盐或金属氧化物：Bi、Zr、Fe和Al，下列金属及合金：B、Ti、Sn、Mn、Ni、Cr和Mo，以及硅合金。

7.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，组成所述中芯部（4）的实心金属丝占焊丝的截面的表面积的50%至95%，所述中间层（3）占焊丝的截面的表面积的0.0001%至20%，所述管状金属外壳（2）占焊丝的截面的表面积的其余部分。

8.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，所述管状金属外壳（2）具有铜镀或青铜镀类型的表面处理。

9.根据前述权利要求中任一项所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝具有小于或等于10mm、优选在0.8mm至5mm之间的外径。

10.一种制造根据前述权利要求中任一项所述的焊丝（1）的方法，其特征在于，所述方法包括如下的步骤：

a）在金属丝（4）的外表面涂覆或者沉积至少一个中间层（3），以获得覆盖有由一种或多种化合物构成的层的金属丝，所述层在所述金属丝（4）的外表面上形成中间层（3），

b）将在步骤a）中得到的覆盖有所述中间层（3）的所述金属丝（4）引入槽中，所述槽由具有“U”形截面且具有两个彼此靠近的、平行的纵向边缘的金属条（14）组成，以及

c）使在步骤b）中获得的由覆盖有所述中间层（3）的所述金属丝（4）填充的“U”形截面槽的所述纵向边缘彼此靠近，直到它们彼此接触或者几乎彼此接触，从而获得具有“O”形截面的预制焊丝（15）。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括继步骤c）之后的步骤d），在此步骤d）中，优选地通过高频焊接、激光束焊接或TIG焊接将所述具有“O”形截面的预制焊丝（15）的纵向边缘彼此焊接。

12.根据权利要求10或11所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括继步骤c）或步骤d）之后的步骤e），在此步骤e）中，减小所述具有“O”形截面的预制焊丝（15）的直径从而获得最终直径小于10mm、优选介于0.8mm和5mm之间的焊丝（1）。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤a）中，通过将所述金属丝（4）浸没在待涂覆的化合物中、通过喷雾法或通过挤出法将所述中间层（3）沉积在所述金属丝（4）的外表面上。

14.一种使用前述权利要求中任一项所述的焊丝的电弧焊工艺，其特征在于，所述电弧焊工艺是MIG或MAG焊接工艺，或者埋弧焊工艺。

15.根据权利要求14所述的电弧焊工艺，其特征在于，焊接一个或多个钢制部分（9，10）。

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