CN105189031A - 用于被特别地覆盖的金属的消耗品 - Google Patents

Abstract

一种用于在弧焊应用中在具有金属覆盖层(52)(例如锌)的工件(50)上使用的消耗性焊条(40、100)，所述弧焊应用例如气体保护金属极弧焊(GMAW)应用或气体保护焊药芯弧焊(FCAW-G)应用。所述焊条(40、100)包括金属鞘(110)和填充材料，所述金属鞘(110)围绕芯(120)，所述填充材料被置于所述芯(120)中。所述填充材料包括焊药材料(140)，所述焊药材料(140)便利将所述工件(50)的所述覆盖层(52)分配到至少部分地由所述焊药材料形成的熔渣中。所述焊药材料包括在所述焊条(40、100)的重量的2％至6％的范围内的脱氧材料。所述脱氧材料可以包括铝和/或镁。为了减少烟尘形成，在所述芯(120)中形成熔渣的材料的浓度被限定为将足够的锌从焊缝/熔渣界面分配出去以产生几乎不具有或不具有孔隙度的焊缝所需要的浓度。

Description

用于被特别地覆盖的金属的消耗品

技术领域

某些实施方案涉及在弧焊应用中使用的消耗性焊条。更特别地，某些实施方案涉及在气体保护金属极弧焊(GMAW)或气体保护焊药芯弧焊(FCAW-G)应用中，在具有金属覆盖层的工件上使用的抗孔隙度的(porosityresistant)、低烟尘的消耗性焊条。再更特别地，本发明涉及分别根据权利要求1、10、12以及13的前序部分的使用于涉及具有锌覆盖层的工件的弧焊应用的消耗性焊条、包括所述焊条的焊接系统、焊接方法以及所述焊条的用途。

背景技术

金属，比如铁或钢，可以被镀锌(galvanized)，例如，用锌覆盖。锌覆盖层通过形成物理屏障防止下面的铁或钢腐蚀。另外，即使当屏障被刮坏或损坏时，锌可以充当保护铁或钢的牺牲阳极。镀锌钢可以被焊接，但是锌覆盖层造成许多问题。除了被产生的氧化锌烟尘，锌覆盖层可能产生能够不利地影响焊缝质量的挥发物和氧化物。例如，锌蒸气可能被困在焊接熔池中，这随后可能导致在完成的焊缝中的高孔隙度。当焊接熔池在蒸气能够逸出之前冷却时，当没有蒸气的逸出路径时，和/或当有高浓度的锌挥发物时，这种情况发生。另外，锌挥发物和锌氧化物可能干扰电弧并且产生高度飞溅，造成不稳固的(unsound)焊缝。由于这些问题，镀锌工件通过(例如通过在主要的焊接操作之前磨削)去除锌覆盖层来被常规地准备。然而，在焊接之前准备工件是耗时的且效率低的。因此，趋势是在所述覆盖层之上焊接而不是首先去除所述覆盖层。然而，这种方法造成具有显著的飞溅的焊缝，当工件之后被涂覆时所述显著的飞溅会引起问题和/或所述显著的飞溅可能引起内部孔隙度，所述内部孔隙度造成差的机械性质(疲劳寿命)。

通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。

发明内容

本发明的实施方案包括使用于弧焊的，使用在具有金属覆盖层(例如锌覆盖层)的工件上的消耗性焊条，所述弧焊比如气体保护弧焊(GMAW)应用或气体保护焊药芯弧焊(FCAW-G)应用。这样的应用可以包括钎焊(brazing)、熔敷(cladding)、堆焊(buildingup)、填充、表面硬化(hard-facing)熔覆、接合以及焊接应用中的任一个。所述焊条包括围绕芯的金属鞘，以及被置于所述芯中的填充材料。所述填充材料可以包括例如在焊条的重量的8％至12％的范围内的铁。当然，除了在填充材料中的铁，金属鞘也可以包括铁。例如，金属鞘可以是100％的铁。填充材料还包括焊药材料，所述焊药材料便利将工件的覆盖层分配(partition)到至少部分地由焊药材料形成的熔渣中。所述焊药材料包括在焊条重量的2％至6％的范围内的脱氧材料。所述脱氧材料可以包括铝和/或镁。为了减少烟尘形成，在所述芯中形成熔渣的材料的浓度被限定为将足够的覆盖金属从焊缝/熔渣界面分配出去以产生几乎不具有或不具有孔隙度的焊缝所需要的浓度。本发明的进一步的实施方案和优势可以从后续的说明书、附图和权利要求推断。

从如下的说明书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。

附图简要描述

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1图示说明与本发明一致的用于GMAW应用或FCAW-G应用的示例性系统的功能性示意框图；

图2图示说明可以在图1的系统中使用的消耗性焊条的示例性实施方案；以及

图3图示说明使用图2的消耗品的由图1的系统产生的焊缝/熔渣界面的指导性剖视图。

具体描述

现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。

图1图示说明用于GMAW应用或FCAW-G应用的示例性系统的功能性示意框图。虽然本发明是关于使用于GMAW/FCAW-G应用的消耗品被描述的，但是本发明也可以被使用在其他类型的方法中。所述系统包括焊接电源供应器80。所述电源供应器80是脉冲直流(DC)电源供应器，尽管交流(AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。电源供应器80的配置是本领域公知的，为了简要起见，将不进一步讨论。

电源供应器80被可操作地连接到被容纳在焊炬10中的导电管(contacttube)20。导电管20与消耗性焊条40进行接触。电源供应器80可以包括电弧引发电路(未示出)以在消耗性焊条40和工件50之间创建电弧30。一旦电弧30被形成，电源供应器80经由导电管20、消耗性焊条40以及电弧30提供电流以加热工件50并且形成焊接熔池45。在操作期间，电弧30熔化消耗性焊条40，这为接合、焊接、钎焊、熔敷等提供填充材料。随着焊条40被消耗，焊丝输送系统90朝工件50输送消耗性焊条40。工件50还具有锌覆盖层52，所述锌覆盖层52在加热过程期间被电弧30熔化或蒸发。为了帮助减少归因于大气氮和氧的在完成的焊缝层中的孔隙度，气体供应器60向焊炬10提供保护气体70。保护气体70取代大气而在电弧30和焊接熔池45周围形成保护物。如下面进一步讨论的，在焊接过程期间，在消耗性焊条40中的填充材料与覆盖层52和工件50的相互作用产生焊缝/熔渣层54。

如上面讨论的，锌覆盖层52问题在于其在完成的焊缝中产生孔隙度。为了解决该问题，如在图2中图示说明的，本发明提供抗孔隙度的低烟尘的消耗性焊条100，所述焊条100被设计用于被覆盖的金属，例如，镀锌钢。在本发明的示例性实施方案中，消耗性焊条100可以是具有钢鞘110的有芯填充焊丝。所述鞘110围绕具有铁粉130、焊药材料140以及合金剂150的芯120。在一些示例性实施方案中，消耗性焊条100可以是焊药芯填充焊丝。在其他的示例性实施方案中，焊条100是金属芯填充焊丝。在本发明的示例性实施方案中，焊条100可以被特别地设计以在焊接时与保护气体一起使用。在再其他的实施方案中，消耗性焊条100被设计使用在直流电极接负(DCEN)配置中。

在本发明的示例性实施方案中，鞘110可以由具有鞘110的重量的0.05％至0.1％的碳的低碳钢构成。关于在芯120中的填充材料，所述芯的主要组分是铁130。在芯120中的铁130的填充百分比在芯120的重量的49％至80％的范围内。所述芯还含有焊药材料140。如下面进一步讨论的，焊药材料140被包括以至少产生熔渣，这便利锌的去除和/或帮助防止氮进入焊接熔池。焊药材料140可以包括金属氟化物(或酸性氧化物)以及脱氧金属。在本发明的一些示例性实施方案中，所述氟化物可以是，例如，氟化钡、氟化钙和/或氟化锶。当然，本发明不仅限于这些氟化物，而可以包括其他氟化物，只要它们便利熔渣的形成。在一些实施方案中，所述脱氧材料可以是镁和/或铝。同样地，本发明不仅限于这些脱氧剂，而可以包括其他脱氧金属，只要它们如下面讨论的便利将锌分配在熔渣中。基于焊接方法和期望的焊缝特点，焊条100还可以含有合金剂150，比如碳、锰、硅、钛、铬、镍、硼、钼、锆、钙和/或钡。当然，合金剂150不限于上面的元素和化合物，而可以基于期望的焊缝特点包括其他的合金剂。

如上面讨论的，当焊接镀锌金属时，重要的考虑是归因于被困住的锌蒸气的孔隙度。然而，所述孔隙度也可能由当填充焊丝被转移到焊接熔池时被困在所述焊接熔池中的大气氮而引起。就这一点而言，上面讨论的金属氟化物(或酸性氧化物)和脱氧金属可以帮助防止大气氮和氧与焊接熔池进行接触。在焊接过程期间，氟化物和脱氧剂从消耗性焊条100被释放以帮助形成熔渣。熔渣富含氧化物并且将在铝、镁以及其他材料与大气中的氧反应时形成。熔渣先于焊接熔池以及在焊接熔池顶上的漂浮物冷却并固化。随后熔渣充当帮助防止大气氮和氧进入焊接熔池45的屏障。

此外，在本发明中，熔渣还帮助从焊接熔池45去除在焊接过程期间形成的锌挥发物和锌氧化物。如在图3中图示说明的，当焊接镀锌钢时，两相熔渣层310/320在焊缝层300的顶上形成。在焊缝/熔渣界面305，铝和/或镁氧化物形成相对致密的熔渣层310。较不致密的并且主要由锌氧化物构成的第二熔渣层320在所述致密的熔渣层310的顶上形成。也就是，锌从焊缝/熔渣界面305被分配出去，被分配到熔渣的更多孔的区中。锌的分配类似于炼钢中的脱硫过程。在该过程中，助熔添加剂增加熔渣的硫容量，由此减少被困在钢中的硫。类似地，通过使用铝和镁将锌从焊缝/熔渣界面305分配出去，更少的锌被困在焊接熔池45中。在这种情况下，焊缝/熔渣界面305将主要地是氧化物，所述氧化物富含铝和/或镁。

虽然熔渣在充当阻隔大气氮和氧的屏障以及将锌从焊缝分配出去方面具有有益作用，但是被用来产生熔渣的氟化物、氧化剂以及氧化物中的一些形成烟尘。例如，比如氟化钙、氟化钡和氟化锶的氟化物以及比如镁的脱氧剂产生显著的熔渣并产生烟尘。另外，由于必须将熔渣从完成的焊缝移除，过多的熔渣使得制造过程低效。因而，在本发明的示例性实施方案中，为了减少烟尘和熔渣形成，在芯120中形成熔渣的材料的浓度被限定为将足够的锌从焊缝/熔渣界面305分配出去以产生几乎不具有或不具有孔隙度的焊缝300所需要的浓度。这样的焊缝可以达到在450MPa至900Mpa范围内的抗拉强度。在本发明的示例性实施方案中，在消耗性焊条100中的氟化物可以在焊条100的重量的0％至2.2％的范围内。在一些实施方案中，氟化物在焊条100的重量的0.43％至0.52％的范围内。在本发明的示例性实施方案中，脱氧剂可以在焊条100的重量的2％至6％的范围内，而在一些实施方案中，脱氧剂在焊条100的重量的4.15％至5.03％的范围内。附加地，在本发明的示例性实施方案中，在填充材料中的碳可以在焊条100的重量的0％至0.5％的范围内，而在一些实施方案中，碳是焊条100的重量的约0.003％。在一些示例性实施方案中，消耗性焊条100可以具有如在表1中示出的填充材料：

表1

表1的第一栏具有可以使用在与本发明一致的焊条中的填充材料的示例性列表。当然，可以使用其他材料而不背离本发明的精神。接下来两栏示出每种填充材料基于焊丝(焊条)的重量的最小和最大百分比。如在最小％栏中的0％所表明的，不是所有列出的材料都必需存在于本发明的每个实施方案中。然而，在本发明的一些示例性实施方案中，填充材料的组合构成焊条100的重量的大约15.5％。在表1中公开的示例性实施方案中，最后两栏示出以基于总填充材料的重量的百分比计的每种填充材料的最小和最大百分比。

表2示出焊条100的示例性实施方案的化学组成。“填充”栏示出总填充材料的重量的百分比，其中填充材料构成焊条100的重量的约15.5％。接下来两栏示出在本发明的示例性实施方案中，每种填充材料的以基于焊丝(焊条)的重量的百分比计的变化量(variance)(即，最小百分比和最大百分比)。因此，在这些实施方案中的填充材料的百分比的范围可以从约14％至约17％。

表2

在本发明的示例性实施方案中，消耗性焊条100可以被使用在GMAW系统或FCAW-G系统(比如在图1中图示说明的系统)中。焊条100的分类是金属芯焊条还是焊药芯焊条将取决于焊药材料140在芯120中的量。

在上面的实施方案中，焊条100被设计用于减少的熔渣形成。因此，在一些应用中，可能有较大的大气氮被转移到焊接熔池45以及由此焊道的孔隙度的风险。因而，与本发明一致，消耗性焊条100可以被设计与如在图1中示出的保护气体70一起使用以提供附加的孔隙度保护。保护气体70通过在电弧30和焊接熔池45周围形成包封来取代在电弧30和焊接熔池45周围的大气氮和氧。保护气体70可以是氩、氦、二氧化碳或任何其他惰性气体或其任何共混物。例如，保护气体70可以是二氧化碳和氩的组合，其中二氧化碳在氩中的浓度的范围从10％至25％。

在一些示例性实施方案中，GMAW或FCAW-G系统可以被设置为直流电极负接(DCEN)。在直流电极正接(DCEP)模式中有工件的高度渗透，所述高度渗透产生“穿透(keyhole)效应”。因此，使用DCEP方法可能在焊缝的根部与锌覆盖层有增加的相互作用。通过使用DCEN方法，有最小的渗透，即，没有穿透效应，而焊缝强度不受到危害。由于没有穿透效应，有与锌覆盖层减少的相互作用以及较低的孔隙度风险。

通过限定如上面讨论的熔渣和烟尘，本发明的示例性实施方案能够以高行进速度(例如，40英寸(in)/分钟或更高)在镀锌金属上生产稳固的焊缝。另外，用与本发明一致的消耗性焊条形成的焊缝可以达到符合汽车片金属的高强度的大于700MPa的抗拉强度。

尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

参考编号

10焊炬

20导电管

30电弧

40焊条

45焊接熔池

50工件

52锌覆盖层

54焊缝/熔渣层

60气体供应器

80电源供应器

100焊条

110钢鞘

120芯

130铁粉

140焊药材料

150合金剂

300焊缝层

305焊缝/熔渣界面

310熔渣层

320熔渣层

Claims (13)

1.一种使用于涉及具有锌覆盖层(52)的工件(50)的弧焊应用的消耗性焊条(40、100)，所述焊条(40、100)其特征在于：

金属鞘(110)，所述金属鞘(110)围绕芯(120)；以及

填充材料，所述填充材料被置于所述芯(120)中，所述填充材料包括焊药材料(140)，

其中所述焊药材料(140)便利将所述工件(50)的所述锌覆盖层(52)分配到至少部分地由所述焊药材料(140)形成的熔渣中，并且

其中所述焊药材料(140)包括在所述焊条(40、100)的重量的2％至6％的范围内的脱氧材料。

2.如权利要求1所述的消耗性焊条，其中所述填充材料还包括不多于所述焊条的重量的2.2％的氟化物、不多于所述焊条的重量的0.5％的碳以及不多于所述焊条的重量的0.1％的钡。

3.如权利要求2所述的消耗性焊条，其中所述氟化物包括不多于所述焊条的重量的1.5％的氟化钡和不多于所述焊条的重量的0.04％的氟化锶。

4.如权利要求1至3之一所述的消耗性焊条，其中所述脱氧材料包括在所述焊条的重量的2％至5％的范围内的铝以及不多于所述焊条的重量的1％的镁。

5.如权利要求1至4之一所述的消耗性焊条，其中所述填充材料还包括直至所述焊条的重量的0.5％的钙、直至所述焊条的重量1.2％的锰、在所述焊条的重量的0.1％至0.3％的范围内的硅、直至所述焊条的重量的0.03％的钛、直至所述焊条的重量的0.04％的氧化铝以及直至所述焊条的重量的约0.01％的氧化硅。

6.如权利要求1至5所述的消耗性焊条，其中所述铝的所述范围是3.78％至4.59％，所述镁在0.37％至0.44％的范围内，所述钡在0.04％至0.05％的范围内，所述碳是0.003％，所述钙在0.05％至0.06％的范围内，所述锰在0.02％至0.03％的范围内，所述硅的所述范围是0.19％至0.23％，所述钛是0.002％，所述氧化铝是0.02％，并且所述氧化硅是0.01％。

7.如权利要求2至4之一所述的消耗性焊条，其中所述氟化物包括不多于所述焊条的重量的1.5％的氟化钡和不多于所述焊条的重量的0.3％的氟化钙。

8.如权利要求6所述的消耗性焊条，其中所述填充材料还包括优选地在所述焊条的重量的9.09％至11.04％的范围内的铁，并且

其中所述填充材料的范围为所述焊条的重量的14％至17％。

9.如权利要求1至8之一所述的消耗性焊条，其中所述消耗性被设计在气体保护应用中使用。

10.一种使用于涉及具有锌覆盖层(52)的工件(50)的弧焊应用的系统，所述系统包括：

焊接电源供应器(80)，所述焊接电源供应器(80)被可操作地连接到消耗性焊条(40、100)来在所述消耗性焊条(80)和所述工件(50)之间创建电弧(30)；以及

焊丝输送器系统，所述焊丝输送器系统输送所述消耗性焊条(40、100)至所述工件(50)；

其特征在于，根据权利要求1至9之一所述的消耗性焊条(40、100)。

11.如权利要求10所述的系统，所述系统还包括：

保护气体系统(60)，所述保护气体系统(60)提供保护气体至所述焊条(40、100)和所述电弧(30)，

其中所述电源供应器(80)被设置用于直流电极接负配置。

12.一种在涉及具有锌覆盖层(52)的工件(50)的应用中的弧焊方法，所述方法包括：

在消耗性焊条(40、100)和所述工件(50)之间创建电弧(30)；以及

将所述消耗性焊条(40、100)输送至所述工件(50)；

其特征在于，使用根据权利要求1至9之一所述的消耗性焊条(40、100)。

13.根据权利要求1至9之一所述的焊条用于便利将工件(50)的覆盖层(52)在所述工件(50)的焊接期间分配到熔渣中并由此减少所产生的焊缝的孔隙度的用途。