CN1172712A - 焊接镀锌钢用金属芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种可用于在低碳和低合金镀锌及镀锌扩散退火钢上用气体保护电弧焊焊接无缝隙接头的金属芯焊丝。该金属芯焊丝包括低碳钢外壳及所包围的芯部焊剂。在一个实施方案中,低碳钢外壳含有占金属芯焊丝总重量约0.01—0.03%的C,而芯部焊剂含有占金属芯焊丝约0.05—0.20%的Ti,约0.05—1.00%的Nb,铁粉以及Mn,其所含Mn使得金属芯焊丝含有约0.1—1.0%的Mn,该金属芯焊丝含有约0.1—1.0%的Si。芯部焊剂占金属芯焊丝总重量约0.001—12.0%。

Description

焊接镀锌钢用金属芯焊丝
本发明概括地说涉及金属芯焊丝，更具体地说涉及可用于以较高的焊接速度对低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保扩电弧焊从而在无缝隙搭接或对接工件上产生改进的焊缝的金属芯焊丝。
在很多应用气体保护电弧焊的情况中，低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢都采用单焊道高焊速焊接，要求无缝隙接头上的焊缝有最少的热裂、最少的气孔形成及基本无孔洞、少的焊渣形成及飞溅、良好的浸润特性及耐腐蚀性、无液态金属脆化、改进的冲击强度，及最低为约85,000psi的拉伸强度。
镀锌钢通过以热浸镀、喷镀或电镀工艺在钢上镀覆或沉积锌而制成。镀锌金属有时经退火形成镀锌扩散处理金属，其性能有所改善，包括降低了常发生于金属成形工序中的镀层剥落。但是当焊接镀锌或镀锌扩散处理金属时，锌蒸汽有进入焊接熔池中的倾向，造成有缺陷的焊缝。更具体地说，从金属表面蒸发的锌镀层在保护中产生湍流从而将空气中的氮和氧带入焊接熔池造成焊缝的氮和氧污染并增加飞溅。另外，锌蒸汽不易溶于钢液，而在固化前未从焊接熔池中逸出的蒸汽都会造成焊缝中形成气孔及孔洞。气孔及孔洞的形成当焊接工件间没有缝隙的接头时特别严重，这是因为容许蒸汽从焊接熔池中逸出的面积极为有限。
镀锌金属有较好的耐腐蚀性，且越来越多地应用于制造汽车车架、保险杠、支架组件、翼子板、轴、热水器及其它部件，常常需要焊接无缝接头。这些金属通常是有良好的压力成型性能的低碳低合金钢。在有些应用场合，工业上使用厚度为约0.030至0.250英寸、镀层重量约45g/m2的低碳低合金镀锌钢。较薄尺寸的钢常常必须以高焊速单道次焊成，以避免焊弧烧穿金属。流水线也要求单道次高焊速以提高生产率。有时要求高至约150cm/min的焊速。但是，在高焊速下，焊接熔池冷却速度常较快因而减少了蒸汽从熔池中逸出的时间，增加了焊缝中气孔和孔洞的形成。高焊速情况下形成快冷焊缝也会使得焊缝形状即润温性差。高焊速还是保护气湍流的一个原因，会象上文所述使得空气中的氮和氧进入焊接熔池中的量增加。
目前镀锌钢采用含镁和钡的自保护焊丝焊接，镁去除氮和氧以减少孔洞。但镁也与锌镀层反应而造成液态金属脆化，这在许多工业应用中是不能接受的。自保护焊丝还会产生太多的烟，这是我们所不希望的，另外还产生太多的飞溅和焊渣，这在给焊缝处加镀层之前必须去除。形成焊渣还会使蒸汽不能从熔池中逸出造成气孔和孔洞增加，这在焊接无缝接头时可更为严重。另外，钡还被认为是有毒的，能造成不可接受的对健康的危害。
日本专利申请61-21432号讨论了一种用于气体保护电弧焊的实心焊丝。但是实心焊丝产生太深的“指状”焊透且与金属芯焊丝相比生产率降低。另外，日本专利申请61-21432号的实心焊丝碳含量较高，可能降低塑性并提高了热裂敏感性及飞溅。这种实芯焊丝的钛含量较高，会增加焊渣形成，且含有铝，会增加飞溅并使润温性差。因此日本专利申请61-21432号的实心焊丝较昂贵且不适合于在高焊速下焊接。
日本专利申请1989-3833号讨论了一种用于在高焊速下气体保护电弧焊焊接镀锌钢的实心焊丝。但是日本专利申请1989-3833指出，在实心焊丝中添加铝、钛、硅及其它脱氧剂是不利的，因为据称脱氧剂会提高焊接熔池中锌的活性造成气孔的形成，日本专利申请1989-3833号的实心焊丝还会产生焊渣，这可能是由于要从焊丝中大量去除脱氧剂所致。日本专利申请1989-3833号的实心焊丝中含有铌和钒用以在气体保护效果下降时减少气孔和孔洞的形成，但是日本专利申请1989-3833号公开的铌和钒的含量会造成热裂的加重并对塑性有不利影响，另外，这种实芯焊丝强度及可硬化率高，造成焊丝生产时拉丝模负荷提高，因而使成本提高。
综上所述，存在发展金属芯焊丝生产技术的实际需要。
因此本发明的目的在于提供一种能解决现有技术存在的问题的新型金属芯焊丝。
本发明的目的还在于提供一种可用于以较高焊速对低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保护电弧焊的新型金属芯焊丝，用以在无缝接头上获得高质量的焊缝。
本发明的另一目的在于提供一种可用于以较高焊速对较薄尺寸的低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保护电弧焊的新型金属芯焊丝。
本发明的另一目的在于提供一种可用于以最高达150cm/min的焊速对低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保护电弧焊的新型金属芯焊丝，且在较高的熔敷速度下焊缝气孔及孔洞形成率低，无液态金属脆化及热裂。焊缝润湿性好、冲击强度及塑性好，耐腐蚀性强。
本发明还有另一个目的即提供一种可用于对低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保护电弧焊的新型金属芯焊丝，该金属芯焊丝在较高的熔敷速度下可产生较低的电弧电离电位，较少的飞溅及较好的保护。
因此，本发明涉及可用于对低碳和低合金镀锌及镀锌扩散处理钢进行气体保护电弧焊的金属芯焊丝。该金属芯焊丝在其芯部焊剂外包有一个低碳钢外壳。实施方案之一为，低碳钢外壳含有占金属芯焊丝总重量约0.01-0.03％的C，芯部焊剂中含有占金属芯焊丝总重量约0.05-0.20％的Ti及约0.05-1.00％的Nb，且金属芯焊丝含有0.40-0.50％的Si。实施方案之一为，芯部焊剂中含有占金属芯焊丝0.1-1.0％的Mn及铁粉。芯部焊剂中还可含有占金属芯焊丝总重量0.02-1.00％的Cu，而在另一实施方案中含有0.05-0.80％的V。芯部焊剂占金属芯焊丝总重量的0.001-12.0％，在另一实施方案中占5.0至7.0％。该焊丝可在最可达150cm/min的焊速下提供较低的电弧电离电位及飞溅，以及较好的电弧稳定性及保护。该焊丝在最高达150cm/min的焊速下产生的焊缝气孔及孔洞率低、无液态金属脆化、耐腐蚀性及塑性好，且其熔池表面张力低从而在焊接无缝接头时润湿性好。
本发明的上述及其它目的、特征、优点通过下面的发明详细说明及附图可获得更明确的了解。为便于理解，说明时详略不一，类似的结构或步骤参照相应的数码和标记。图1为搭接板间基本无缝的搭接接头的透视图。图2为以水平板及竖直板构成T型，其间有缝隙结构的端面视图。
本发明针对一种新型金属芯焊丝，或管状焊接电极，由低碳钢外壳及填充芯部焊剂的管状芯部组成。芯部焊剂占金属芯焊丝总重量约0.001-12.0％。低碳钢外壳含有极少量的碳以减少热裂及飞溅。该金属芯焊丝中，高于0.06％的碳含量容易导致热裂，这一点将在下文进一步讨论。实施方案之一为低碳钢外壳含有占金属芯焊丝总重量约0.01-0.10％的C，而在另一实施方案中含有约0.01-0.03％C。
在一个实施方案中，芯部焊剂仅包含铌或是还含有钒，以避免气孔或孔洞的形成。可预料钽在焊接镀锌扩散处理钢时有与铌和钒一样的避免气孔和孔洞形成的有利作用。铌和钒还能降低焊接熔池的表面张力，使得熔池的浸润性或润湿改善，从而获得更好的焊缝形状，这可使得容许的焊接速度提高。另外，铌和钒提高焊缝金属的淬透性，这对于提高焊缝强度是必要的。在一个实施方案中，芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.05-1.00％的Nb，而在另一实施方案中为0.30-0.40％的Nb，该金属芯焊丝中，大于0.73％的铌含量会增加热裂的可能。在一个实施方案中，芯部焊剂中含有约0.05-0.80％V，而在另一实施方案中为0.05-0.20％V。提高钒含量会增加热裂并降低焊缝金属塑性。
芯部焊剂中可单含钛或还含铌或钒或两者均含，以避免气孔或孔洞的形成。钛是一种脱氮剂，与进入熔池中的氮化合并降低孔隙率。与铌和钒相比，钛还可降低熔池表面张力，如上文所述允许更高的焊接速度。另外，钛的电离能低，因而可稳定焊弧。电弧越稳定保护气层就越稳定，从而使得由空气进入焊接熔池中的氮和氧更少。在一种实施方案中，芯部焊剂中含有占金属芯焊丝总重量约0.05-0.20％的Ti，而在另一实施方案中为约0.10-0.20％的Ti。大于0.15％的钛含量会使焊缝上生成的焊渣增多，这一点很不利，因为焊渣会吸收熔池中的水蒸汽从而增加了气孔的形成。焊渣之所以有害还在于在许多应用中最后都必须将其从焊缝上去除，这就增加了成本。将钛含量降至低于0.10％会增加飞溅，降低电弧稳定性并降低焊缝的润湿性。
在另一实施方案中，芯部焊剂中含铜以避免气孔和孔洞的形成并减少热裂。铜的存在还可通过与锌形成合金、减少锌向焊缝晶界处富集来减轻液态金属脆化。另外，金属芯焊丝中的铜可使得在焊缝表面形成一个保护层，可提高耐腐蚀性。在一种实施方案中，芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.02-1.00％的Cu，而在另一实施方案中为约0.40-0.60％Cu。减少铜含量会增加热裂并降低耐腐蚀性。
本发明的金属芯焊丝有极少量的硅和镁，它们主要是作为脱氧剂减少气孔形成、减少热裂及改善焊缝的润湿性。金属芯焊丝的外壳或芯部焊剂或是它们两者都含占金属芯焊丝总重量约0.1-1.0％的Si，在一个备择实施方案中为约0.4-0.5％Si。该金属芯焊丝在其外壳和/或芯部焊剂中还含有占金属芯焊丝总重量约0.1-1.0％的Mn，在一个备择实施方案中为约0.6至0.8％Mn。芯部焊剂中还可含有铁粉作为填充材料。
在一个实施方案中，金属芯焊丝含有占金属芯焊丝总重量少于0.50％的铬，少于0.50％的钼及少于0.50％的钨。
芯部焊剂占金属芯焊丝总重量约0.001-12.0％，在一个备择实施方案中为约5.0至7.0％。芯部焊剂下限取决于芯部焊剂各组分的总重量百分比。一般地说，随着芯部焊剂百分比的增加气孔形成趋向于增加。通过减少焊丝氧含量可显著减少焊缝的氧含量，从而带来焊缝冲击强度提高等好处。焊丝氧含量的降低可通过在芯部焊剂中采用低氧铁粉，或通过减少芯部焊剂中铁粉填充材料的含量，或通过在惰性气氛中烘烤焊丝实现，该工艺公开于共同未决美国专利申请号____________申请日期______，题目为“芯部填充量少的金属芯焊丝”，转让于本发明的受让人，并在此引为参考。
本发明的成分适用于任意直径的金属芯焊丝，特别是直径在约0.076-0.157cm(0.030-0.062英寸)之间的焊丝。
实施例
表1所示为根据本发明的几个典型实施方案以及气孔形成、热裂、基于U型弯曲试验的塑性及下文将论及的可焊性值等相关数据。表1中的“-”表示未得出该特定试验的数据。
                                                                                                表I
   试验     C     Si     Mn     Ti     Cr     Ni     Cu     Nb     V   气孔     热裂纹 -60°F，U型弯曲    ％芯部    分值
    1     .02     .47     .70     .14     0     0     .47     .37     0     0     3/16英寸     合格     6.0     18
    2     0     .44     .70     .14     0     0     .47     .37     0     0     -     合格     6.0     15
    3     .02     .47     .37     .14     0     0     .47     .37     0     0     3/8英寸     合格     6.0     15
    4     0     .44     .37     .14     0     0     .47     .37     0     0     .1875英寸 合格，1/16英寸     6.0     14
    5     .09     .47     1.0     .14     0     0     .47     .37     0     1     4英寸     合格     6.0     13
    6     .02     .47     1.0     .14     0     0     .47     .37     0     0     2.25英寸     合格     6.0     14
    7     .09     .47     .70     .14     0     0     .47     .18     0     3     5英寸     合格     6.0     10
    8     .02     .47     .70     .14     0     0     .47     .18     0     1     1/8英寸     合格     6.0     11
    9     .02     .47     .70     .14     0     0     .47     .73     0     2     6英寸     合格     6.0     12
    10     .09     .47     .70     .30     0     0     .47     .37     0     0     1英寸     合格     6.0     15
    11     .02     .47     .70     .30     0     0     .47     .37     0     0     1/8英寸     合格     6.0     13
    12     .09     .47     .70     .41     0     0     .47     .37     0     0     1/2英寸 合格，3/32英寸     6.0     14
    13     .02     .47     .70     .14     .30     0     .47     .37     0     0     1/2英寸     合格     6.0     15
    14     .02     .47     .70     .14     0     .30     .47     .37     0     0     5.5英寸     合格     6.0     11
    15     .09     .47     .70     .14     0     .30     .47     .37     0     1     6英寸     合格     6.0     13
    16     .09     .47     .70     .14     .30     0     .47     .37     0     4     2.25英寸     合格     6.0     13
    17     .09     .47     .70     .14     0     0     .47     .37     0     0     1/2英寸     合格     6.0     14
    18     .09     .47     .70     .14     0     0     0     .37     0     -     10英寸     -     6.0     -
    19     .09     .47     .68     0     0     0     .47     .37     .37     6     -     破坏     14.0     9
    20     .09     .47     .67     .42     0     0     .47     .37     .37     2     -     破坏     14.0     14
    21  Al0.22％     .09     .46     .67     .14     0     .28     .47     0     0     1     1/4英寸     合格     14.0     8
    22     .09     .47     .67     .14     0     0     .47     .37     0     6     -     合格     14.0     10
气孔数据通过对搭接的1.7mm厚镀锌扩散处理板进行长度约8.9cm(3.5英寸)的搭接焊之后的目测来确定。搭接部分最小保持为约0.64cm(0.25英寸)。钢板通过在上面的一块钢板上放置重物来实现无缝焊接。图1所示为无缝搭接板的配置情况。焊接工序在下述条件下进行：
230-240安培；
24.4伏特；
0.045丝，其电极伸出长度(ESO)1.90cm(0.75英寸)；
100cm/min的最小行进速度；
92％Ar/8％CO2的保护气，流量每小时40-45立方英尺；
20-27度的推进角。
表1中的热裂数据通过沿先与一水平板定位焊成T形结构的竖直板的两边焊接后测量热裂纹来获得。图2所示为该水平和竖直板，它们最初以至少约0.20cm(0.09英寸)的狭缝分开。板材约为0.60cm(0.25英寸)厚、5.1cm(2.00英寸)宽及25.4cm(10.0英寸)长。板材表面经喷砂，板材成分大致包含：
C  0.04％
Mn 0.24％
Si 0.001％，以及
Al 0.07％
焊接工序在下列条件下进行
220-240安培；
24伏特；
0.045丝，ESO为1.27-1.90cm(0.25-0.75英寸)
40cm/min最小行进速度；以及
92％Ar/8％CO2的保护气，流量每小时40-45立方英尺。
上述热裂纹试验被认为是一项严格的焊接试验。小于约1.27cm(0.5英寸)的裂纹对于使用此类金属芯焊丝的大多数应用场合来说一般不会造成什么问题，预计表1中的所有典型金属芯焊丝成分当用于在低碳镀锌扩散处理钢上焊制无约束搭接接头时都不会造成热裂。表1中热裂纹测量数据的单位是英寸。
表1中U型弯曲数据通过沿其间无缝隙的两块1.7mm厚、5.1cm(2英寸)宽及20.32cm(8英寸)长的搭接镀锌扩散处理板进行搭接焊之后的目测来确定。焊接板沿纵向切成5.1cm(2英寸)宽的条，使沿长度方向取下的搭焊缝大致处于条的中心。然后将该焊接条在-60华氏度的温度以半径2.54cm(1英寸)的模具压成U型弯头。该弯头沿焊缝长度方向成型，焊缝在弯曲条的外侧。大于约0.159cm(0.062英寸)的裂纹以英寸为单位示出。
表1中的可焊性数据通过以0-6的值来评定1)“飞溅”2)“焊缝润湿”和3)“电弧稳定性”三类指标，并对每种金属焊丝成分将其分值加起来得到。最低分值为0而最高分值为6。
鉴于前述本发明的书面说明使任何熟悉该项技术的人得以掌握和采用目前认为的本发明的最佳模式，熟悉此项技术的人应知道并理解在此处所公开的特定实施方案的精神及范围之内还存在各种变化、组合、调整及等效方案。因此本发明并不限于此处所公开的特定典型实施方案，而是由所附权利要求书范围之内的所有实施方案限定。

Claims (6)

1.一种可用于低碳及低合金镀锌和镀锌扩散处理钢的气体保护电弧焊的金属芯焊丝，该金属芯焊丝包括：
低碳钢外壳；以及
低碳钢外壳所包围的芯部焊剂，该芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.05-0.20％的Ti及约0.05-1.00％的Nb，芯部焊剂占金属芯焊丝总重量的2.5-12.0％；以及
痕量Ni，
该焊丝在最高达100cm/min的焊速下，可提供较小的电弧电离电位及飞溅，以及较高的电弧稳定性和保护效果，并且，
该焊丝在最高达100cm/min的焊速下产生的焊缝其气孔及孔洞少，且熔池表面张力小因而润湿较好。
2.权利要求1中的金属芯焊丝，其中芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.02-1.00％的Cu。
3.权利要求1中的金属芯焊丝，另外还含有约0.1-1.0％的Si和0.1-1.0％的Mn，其低碳钢外壳含有占金属芯焊丝总重量约0.01-0.03％的C。
4.权利要求1中的金属芯焊丝，其中芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.05-0.80％的V。
5.权利要求1中的金属芯焊丝，另外还含有约0.1-1.0％的Si及约0.1-1.0％的Mn，
低碳钢外壳含有占金属芯焊丝总重量约0.01-0.03％的C，以及
芯部焊剂含有占金属芯焊丝总重量约0.30-0.40％的Nb，约0.10-0.20％的Ti和铁粉，其芯部焊剂占金属芯焊丝总重量约5.0-7.0％。
6.权利要求5中的金属芯焊丝，其中芯部焊剂含有金属芯焊丝总重量约0.40-0.60％的Cu。
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