CN1035243C - 药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种具有通常与T5型焊丝相关的抗裂性的T1型药芯焊丝，其与外部保护气一起使用，其中焊丝包含外铁皮和颗粒状填充料，填充料含有酸性焊剂系统和合金添加剂，填充料包含稳弧剂、二氧化钛、氟化钙、控制焊丝的填充百分比的铁和占焊丝重量的0.2-1.0%的聚四氟乙烯粉；本发明的另一种药芯焊丝与第一种相比，不包括氟化钙。

Description

药芯焊丝
本申请是1991年12月12日提出的在先申请S.N.806777的部分继续申请，而申请S.N.806777是1990年11月2日提出的申请S.N.608300的继续，而申请S.N.608300是1989年9月11日提出的申请S.N.405727的一部分，现在美国专利No.5003155和1990年3月29日提出的在先部分继续中请S.N.501167并作为美国专利5118919而颁布，申请S.N.501167是1990年3月19日提出的在先中请S.N.495696的部分继续，而在先部分申请S.N.495696又是1989年9月11日提出的在先申请S.N.405727，现为美国专利No.5003155的部分继续申请。
以前涉及到的专利No.5118919和No.5003155结合在此做参考，这些公开的文件的公开内容不必在此重复，它只用于说明本发明的内容。
本发明涉及药芯焊丝，该药芯焊丝尤其适合于对裂纹敏感的钢的焊接。
本发明涉及AWS5.20-79技术规程中的焊接，该技术规程定义了E70T-1和E70T-5焊丝。这两种焊丝基本上有同样的规定的机械特性，最小屈服强度为60,000psi，最小拉伸强度为72,000psi和22％的最小延伸率。T1焊丝和T5焊丝的区别在于抗裂性和所用的焊渣系。而且，T1焊丝在0°F时的规定的最小Charpy-V型槽(CVN)冲击值为20ft-1b。T5焊丝在-20°F时的规定的CVN值为20ft-1b。因而在抗裂性方面对T5焊丝的技术要求实际上更严格些。过去，T1焊丝和T5焊丝管内的焊剂的成分是不同的。T1焊丝含有一种酸性焊剂，它的可焊性好，高的熔敷率，焊接烟尘排放率低。然而，为达到T5技术要求中的抗裂性，T5焊丝含有的是一种碱性焊剂。该T5型焊丝仅用于难于焊接的钢板，该钢板对裂纹是敏感的，以及该焊丝具有极低的裂纹倾向。因而，在该领域中，有两种类型的气体保护的药芯焊丝有助于AWS A5.20-79的应用。T1焊丝一般超过最小的强度要求，但最后得到的焊缝金属的裂纹倾向较高。所以，T5焊丝被广泛应用于需要高强度和低裂纹倾向的难于焊接的应用中。
当一个应用需要AWS A5.20-79技术规程时，焊工必须在T1和T5两种类型的气体保护式的多层焊丝之间选择。由于T1焊丝产生的焊接特性较好，熔敷率高且焊接烟尘率低，它已多被选用。然而，某些特定的应用必须舍弃T1型焊丝的酸性焊剂的优点而采用碱性焊剂型的焊丝T5。
本发明的目的为提供一种焊接工艺性和抗裂性都优良的药芯焊丝。
为此目的，本发明提供一个T1型药芯焊丝，它与一种外部保护气体一起使用。本焊丝包括一个外铁皮和颗粒填充料，该颗粒填充料包括酸性焊剂系统和合金添加剂。该填充料包括稳弧剂，二氧化钛，氟化钙，用于控制填充百分比的铁，焊丝重量的0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
本发明还提供一种与外部保护气体一起使用的药芯焊丝，该焊丝包括外铁皮和颗粒状的填充料，填充料包含酸性焊剂系统和合金添加剂，该填充料包括占该焊丝重量0.2-0.5％的稳弧剂，占该焊丝重量3.0-6.0％的二氧化钛，占该焊丝重量0.08-0.15％的氟化钙，用于控制填充百分比的铁和占焊丝重量0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
本发明提供的另一种与外部保护气体一起使用的药芯焊丝，包括外铁皮和颗粒状的填充料，填充料包含酸性焊剂系统和合金添加剂，该填充料包括稳弧剂，二氧化钛，用于控制填充百分比的铁和占焊丝重量的0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
本发明的药芯焊丝可按常规的T1标准制作，该焊丝改型成可以产生T5的抗裂性。因而本发明的焊丝可焊性好，熔敷率高且产生焊接烟尘少，至今为止仍然只有A5.20-79技术规程中T5型焊丝才能达到的抗裂纹性。本发明采用酸性焊剂制造的焊丝在一个GBOP(板上的有裂口的焊珠)试验板上进行了试验并产生了至今为止只有T5型焊丝才能达到的抗裂性。该焊丝实际上降低了含氢量和增加了形成焊缝的抗裂性。
通过对本发明最佳实施例的描述，本发明的上述目的、优点等都将更加清楚明白。
按本发明的更详细情况，用于本发明的稳弧剂是氧化钠和/或氧化钾，它们按焊丝的尺寸按比例配成。在最佳实施例中，焊丝被设计为用于平焊和横焊，尺寸为3/32英寸。在这一例子中用的是氧化钠。焊丝中仅含有极少量的氧化钾。这种焊丝又可以利用氧化钠和氧化钾以便稳弧和快速凝固的渣系，产生较小尺寸如045到1/16″的焊丝的结合制成用于全位置焊接的焊丝。然而，较小和较大直径的焊丝也许适合于全位置焊接，取决于特定的焊丝的成分。
在本发明的一个最小百分比为23％最大百分比为26％的范围的实施例中，对下面的例子进行了试验。氧化钠稳弧剂占焊丝总重量的0.26至0.29％。氧化钛形成碱性焊剂系统，以及在最佳实施例中，它介于焊丝总重量的最小百分比4.06％到最大百分比4.59％之间。本试验的试件中还含有少量的氟化钙。在本发明的被测实施例中，氟化钙的含量介于焊丝总重量的0.10％到0.2％间。在本发明的这一实施例中，合金剂是铝，硅和锰。铝最多掺入焊丝重量的0.57％。硅占焊丝重量的0.61％至0.69％。合金系统的主要成份是锰，它超过填充料的10％，在该最佳实施例中，它占焊丝重量的2.51至2.84％。铁粉含于芯中，以便控制填充料的百分比，基本上超过整个焊丝的20％。在最佳实施例中，铁占填充料的54.46％，按芯料中填充料占23％至26％，则铁粉占铁粉焊丝重量的12.53％或14.61％。这在焊丝总重量的23％至26％范围内产生一高填充百分比。在该最佳实施例中，特氟隆或聚四氟乙烯约占填充料的1.0％。这使得焊丝总重量的0.23到0.26％是聚四氟乙烯。在最佳实施例中，掺入的氧化铝占焊丝重量的0.42至0.48％。同样，掺入的氧化硅占焊丝重量的1.14％至1.29％。在本发明的最佳实施例中，采用这些成分的百分比，其直径为3/32英寸，已经用GBOP标准试验进行了测试并发现有通常与用于AWS A5.20-79应用中的T5型焊丝相关的抗裂性。
本发明的一个例子已经做过试验且在上面已讨论过，当填充料最少占整个焊丝的23％，最大占26％时，包括一个用于平焊的3/32
英寸直径的焊丝。按填充料的重量将各种成分列表如下：
             填料的百分比氧化钠             1.13氧化铝             1.84二氧化硅           4.97氧化钾             0.05二氧化钛           17.66氧化硼             0.15氟化钙             0.45特氟隆             100铝                1.18硅                2.66锰                10.93铁粉              54.46
上面列出的药芯焊丝的填充料的各种成分配以一定的微量元素和少量的其它成分如氧化锆和碳。碳量为0.05。该焊丝GBOP试验发现具有T5型药芯焊丝的抗裂性，而采用的是有T1型焊丝的可焊性特征的酸型焊剂。
在本发明的这一例子中，所用的氧化钠为填充料的1.13％，当该填充料是焊丝的23％时氧化钠是焊丝的0.26％，当该填充料是焊丝的26％时，氧化钠是焊丝的0.29％。氧化钠作为稳弧剂通过各种供给速度用来控制电弧。它也用来作为焊渣改性剂来降低焊渣的总的熔点。稳弧剂可以按焊丝重量的0.2-0.5％的量使用，且稳弧剂的一部分可以是氧化钾，尤其是当用小直径焊丝时使用。这样，稳弧剂是具有氧化钠的氧化钠和氧化钾的混合物用在大直径，如被试验的特殊样品，而小直径焊丝用较多的氧化钾。确实，在被试验的样品中，所用氧化钾的百分比为填充料的0.05％。
在本发明中，氧化铝用做渣改性剂提供更好的可焊性、有光泽的焊道及所形成焊缝的全部更好的外表。由于这一材料用于成形堆积焊道及外表焊道，因而该氧化铝可以取消；然而，宁愿在焊丝重量的0-0.6％范围内使用氧化铝，这一百分比产生出好的焊渣特性和所形成的焊接金属的好的焊道外表。
本发明利用占焊丝重量大约1.0-1.5％范围内的二氧化硅作为另一种渣改性剂，二氧化硅产生更光滑的焊道并调节渣的总粘度以便得到更好的焊接特性。该焊丝提供一硅/碳/锰合金系统；因而，填充料中的二氧化硅含量影响焊接金属中所有锰合硅的还原。不用二氧化硅作为掺合金成分；然而，它控制所形成的焊道的整个合金化。由于试验样品用于平焊发现减少二氧化硅并加入更大量的二氧化钛便于非常规姿势焊接。因此，用于本发明的非常规姿势的应用，二氧化硅减少到低于焊丝重量的1.0％。
本发明的焊丝是一种酸性焊剂型药芯焊丝，其中二氧化钛是一种焊丝的碱性剂。在现有技术中选用最佳的二氧化钛，然后，在用于平焊的一种E70T-1型焊丝中，提供的二氧化钛为焊丝重量的3.0-6.0％，最好该百分比为4.0-5.0％。在一种E71T-1型焊丝中，这种焊丝用于非常规姿势焊接，其中二氧化钛可以双倍甚至于再增加。在该实施例中，在一种E71T-1型焊丝中用于非常规姿势焊接的二氧化钛量可以占焊丝重量的5.0-12.0％。
在最佳实施例中，填充料是15-20％的二氧化钛，而16.5-18％的二氧化钛更为可取。在所有例子中，二氧化钛是焊剂的主要成分并形成具有所希望的T1型焊丝的可焊性、熔敷率等的酸性焊剂系统。
在被试验的焊丝中，铁粉占填充料的50％还多。在按本发明制造的E70T-1焊丝的芯中，铁粉至少占焊丝总重量的10％。通常这样的焊丝的15-19％是填充料，在芯材料中实际掺入更多的铁粉，填充料的百分比增加到大于焊丝总重量的20％。更可取的是填充料占焊丝总重量的22％以上且在20-30％范围内。在最佳实施例中，填充料在焊丝重量的22-30％范围内。焊丝中填充料百分比的调整是靠在芯料中加入铁粉来完成的。以这种方法，在小电流时可以提高熔敷率。在填充料中实际加入更多的铁粉，其外皮可以相当薄，熔化所需的电流小。总的说来，本发明的改进的E70T-1焊丝相对于普通的E70T-1焊丝提高了填充百分比。
为了在所形成的焊道中形成钛-硼合金系统，本发明的最佳实施例包含了氧化硼。这对所形成的焊道产生了较高的Charpy-V型缺口特性。然而，已经发现氧化硼对焊道的整个的裂纹特性有一些有害的影响。由于这一原因，氧化硼的百分比可以在焊丝的0-0.6％之间。其调节可以兼顾所形成焊道的希望的Charpy V型缺口值和希望的裂纹特性。对于将硼加入到所形成焊道的合金系统中，氧化硼是最佳的选择；然而，在某些例子中硼合金化也可以由铁合金或元素硼完成。以氧化硼、硼合金或元素硼的形式的硼的量最好高至0.02％。
本发明所含有的氟化钙比通常用于E70T-1型焊丝中的要低，它用来作为渣改性剂增加由焊接金属上的有机物或焊接头的铁锈引起的抗气孔性。
在氟化钙含量非常低时，氟能除掉氢；然而，氟化钙含量较高时，电弧造成颗粒状过渡是引起飞溅，增加焊接烟尘产生。因此，按照本发明，氟化钙维持相对低的量。不用它作为除氧剂。在最佳实施例中，氟化钙占焊丝重量为0.05-0.30％，更为可取的范围是占焊丝重量的0.08-0.15％。对E70T-1型焊丝来说，氟化钙的这一百分比相对较低，它与聚四氟乙烯一起减少所形成焊道的氢污染。
按本发明，焊丝重量的0.2-1.0％是聚四氟乙烯，通常称为特氟隆。这种特氟隆是小颗粒状的粉末，所以它可以均匀地分布在焊丝的整个芯中。特氟隆的量高到接近于焊丝重量的1.0％时，能引起更多的飞溅且更昂贵；然而，焊接中的燃烧作用使特氟隆倾向被消耗掉。电弧引起聚四氟乙烯分解并产生元素氟，元素氟对氢有的化合力而产生氟化氢。不需要更多量的特氟隆只要足以产生所需要的氟即可。用聚四氟乙烯控制焊缝，金属中的氢含量是本发明的一个重要特点。按本发明的另一特性，为了进一步从焊缝金属中去除氢，特氟隆可与少量的氟化钙混合。低于焊丝重量的0.2％的特氟隆释放出足够的氟以在氢被焊缝金属吸收前由电弧中清除。
正如以上所述，本发明涉及通常等同于E70T-1型焊丝的酸性焊剂的药芯焊丝。这一焊丝的芯料经常包含合金化系统。按本发明的特点，由一种或多种合金添加剂如铝，硅，钛，碳和锰组成的合金系统混合为一个占焊丝重量0.0-0.40％的系统。焊丝的总含碳量少于0.05％。更为可以的是，所用的铝为颗粒状的纯铝粉。这种铝粉提供更好的电弧稳定性并减少焊接过程中的焊接烟尘。铝粉还原二氧化钛以便使钛熔敷在焊缝金属中。钛和硼产生焊缝金属的钛-硼(Ti-B)合金系统，在一些实例中，可以用钛铁来产生所希望的焊缝金属的熔敷化学特性；然而，在本发明中，为还原用于焊缝金属的钛的二氧化钛，铝是更好的选择。所有铝粉的量低于焊丝重量的1.0％。合金组织也能包含低于焊条重量1％的硅。合金化系统包括硅作为主要的还原剂而锰作为次要的还原剂。将硅减到零而增加铝和/或减少铝而增加硅都是可能的；然而，所用铝的量不能高于一个控制量，如焊丝重量的1.0％。锰能够由氧化锰被硅或另一还原剂还原成合金系统中的锰。因而，铝、硅和锰合金化系统是还原剂并能够按照焊丝希望的特性来调节。
本发明涉及当采用AWS A4.3-86水银法时产生低扩散氢含量低于焊缝金属3.0ml/100g的气体保护焊丝。以这种方式，E70T-1型焊丝能够通过通常要求T5型焊丝的GBOP试验。特氟隆降低氢而铝用于降低焊接烟尘。通过增加填充百分比高于约总焊丝的20％，在通常重型设备制造厂利用的高送丝率下能得到较高的熔敷率。对一个给定的送丝来说，薄的外皮允许较低的焊接电流。作为一个实例，具有正常的填充百分比的标准E70T-1焊丝在500安培的焊接电流下能够产生大约21磅小时的焊接熔敷率。利用本发明，直充百分比高于焊丝总重量的22％，发现500安培的焊接电流能够产生25-26磅/小时的焊接熔敷率。这对于现有焊丝是一个巨大的改进。

Claims (26)

1.与外部保护气一起使用的药芯焊丝，该焊丝包括外铁皮和颗粒状的填充料，该填充料包含酸性焊剂系统和合金添加剂，其特征在于，填充料有下列成分：
(a)稳弧剂
(b)二氧化钛
(c)氟化钙
(d)用于控制填充百分比的铁；和，
(e)焊丝重量的0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
2.按照权利要求1所限定的药芯焊丝，其特征在于，它还包括由铝、硅、钛、碳和锰选出的一种或几种合金元素，其总量为所述焊丝重量的0-4.0％。
3.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述填充百分比在所述焊丝重量的20-30％的范围内。
4.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述填充百分比在所述焊丝重量的22-30％的范围内。
5.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝中产生所述填充百分比的所述铁的量为所述焊丝重量的10.8-16.3％。
6.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，它还包含从氧化硼、含铁硼合金或元素硼及其混合物中选出的一种或几种材料，其总量占所述焊丝重量的0-0.02％。
7.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述稳弧剂是从由氧化钠、氧化钾或它们的组合构成的组中选择的，其含量占焊丝重量的0.2-0.5％。
8.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，含有氧化铝的量在该焊丝重量的0-0.6％范围内。
9.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，含有二氧化硅的量在该焊丝重量的1.0-1.5％范围内。
10.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，改性后用于非常规姿势焊接且含有二氧化硅的量占该焊丝重量的0-1.0％。
11.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述二氧化钛在该焊丝重量的3.0-6.0％范围内。
12.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述二氧化钛在该焊丝重量的4.0-5.0％范围内。
13.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述氧化硼的量占焊丝重量的0-0.6％。
14.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述氟化钙在该焊丝重量的0.05-0.30％范围内。
15.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述氟化钙在该焊丝重量的0.08-0.15％范围内。
16.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有锰的量占该焊丝重量的2.51-2.84％。
17.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有铝的量占该焊丝重量的0-1.0％。
18.按照权利要求1或2所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有硅的量占该焊丝重量的0-1.0％。
19.与外部保护气一起使用的药芯焊丝，该焊丝包括外铁皮和颗粒状的填充料，该填充料包含酸性焊剂系统和合金添加剂，其特征在于，填充料有下列成分：
(a)稳弧剂，在该焊丝重量的0.2-0.5％范围内；
(b)二氧化钛，在该焊丝重量的3.0-6.0％范围内；
(c)氟化钙，在该焊丝重量的0.08-0.15％范围内；
(d)用于控制填充百分比的铁；和，
(e)焊丝重量的0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
20.按照权利要求19所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述填充料还包含由铝、硅、钛、碳和锰选出的一种或几种合金元素，其总量为所述焊丝重量的0-4.0％。
21.按照权利要求20所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述填充百分比在所述焊丝重量的22-30％范围内。
22.按照权利要求20所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有锰的量为焊丝重量的2.51-2.84％。
23.按照权利要求20所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有铝的量占焊丝重量的0-1.0％。
24.按照权利要求20所限定的药芯焊丝，其特征在于，所述合金系统含有硅的量占该焊丝重量的0-1.0％。
25.与外部保护气一起使用的药芯焊丝，该焊丝包括外铁皮和颗粒状的填充料，该填充料包含酸性焊剂系统和合金添加剂，其特征在于，填充料有下列成分：
(a)稳弧剂
(b)二氧化钛
(c)用于控制填充百分比的铁；和，
(d)占焊丝重量的0.2-1.0％的聚四氟乙烯粉末。
26.按照权利要求25所限定的药芯焊丝，其特征在于，它还含有由铝、硅、钛、碳和锰选出的一种或几种合金元素，其总量为所述焊丝重量的0-4.0％。
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