CN1262387C - 用于二氧化碳气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝。通过控制焊丝表面的10点平均粗糙度(Rz)为0.10-9.00μm以及焊丝表面的维氏显微硬度(Hv(1g))为125-310，得到具有优异可喂入性的用于CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，保证在较低电流区焊接时减小飞溅产生的数量。因此，可以进行高效率的焊接操作，并且焊接质量高。

Description

用于二氧化碳气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝
技术领域
本发明涉及用于二氧化碳气体保护弧焊的实心焊丝，焊丝表面没有镀铜；更具体地涉及用于二氧化碳气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，通过控制焊丝表面的粗糙度和显微硬度，提高焊丝的喂入性能或可喂入性。
背景技术
最近，随着自动焊接系统的引入，用于二氧化碳(CO2)气体保护弧焊的实心焊丝已经广泛地应用于很多领域，特别是钢结构、汽车、船舶和建筑。
对于用于CO2气体保护弧焊的实心焊丝，通常使用所谓的镀铜实心焊丝，其中铜镀在焊丝表面。镀铜的原因是为了提高导电性、焊丝可喂入性以及耐蚀性。
由于制造焊丝时在拉拔过程中存在焊丝与拔丝模之间的摩擦，将一部分镀铜从焊丝表面剥离，另一部分镀铜以铜粉的形式沉积在焊丝表面的凹陷处。
在焊接过程中，由于焊丝与焊嘴之间的摩擦，铜粉从焊丝表面脱落并在焊嘴上积累。结果，焊嘴堵塞，从而导致焊接不稳定，产生大量的飞溅。
除了铜粉外，镀铜焊丝还有以下问题：
(1)铜镀层比焊丝表面软，由于焊丝与焊嘴之间的摩擦，镀铜不可避免地从焊丝表面剥离，从而使焊接不稳定；
(2)铜的熔点低，为1083℃，在焊接过程的超高温下容易蒸发，从而产生大量的烟。
尽管镀铜焊丝有这些缺点，但焊丝表面的镀铜被认为必然能达到提高导电性的目的。
考虑到上述问题，需要开发能满足各种特性的具有镀铜焊丝优势特性的非镀铜焊丝。
同时，已经提出了没有镀铜的焊丝，例如日本特许公报2682814(电弧焊焊丝)，日本公开特许公报平11-147174(钢材用非电镀焊丝)。这些先前技术提出了在焊丝表面使用至少一种润滑粉末，如MoS2、WS2和C，或者润滑油涂层，用于提高焊丝的可喂入性。
日本公开特许公报2000-117483公开了一种焊丝，在焊丝表面沿圆周方向具有预定波长的波状粗糙部分，因为将能谱测量中的峰值强度控制在所需的数值，其起弧性能优异。日本公开特许公报2000-317679公开了一种电弧焊的非电镀焊丝以及电弧焊方法，其中使用水溶性的高分子物质将预定数量的粒度较小的绝缘无机物粉末和导电无机物粉末粘结在焊丝表面，从而减少了烟或飞溅的数量。
另外，日本公开特许公报平11-342494公开了一种用于二氧化碳弧焊的实心焊丝，其中焊丝的成分，在产生的飞溅中包含的C、Si和Mn，满足以下关系：(10C+2Si+Mn)＝2.4至5.25重量％(wt％)，从而减少了飞溅的数量。
上述焊丝已经改进为非镀铜焊丝，但并没有满足焊丝所需的所有特性。特别是，为了提高非镀铜焊丝的性能在焊丝表面涂覆细粉末的情况下，涂覆在焊丝表面的粉末不可避免地造成烟的产生。而且，由于难以将涂覆的粉末控制在适当的水平，涂覆在焊丝表面的粉末不均匀，从而增大了飞溅数量。
同时，在自动焊接中，焊丝的可喂入性定义为由焊嘴前端送出的焊丝长度与进料辊旋转送出的焊丝长度之比。在焊接过程中，差的可喂入性可以增大电弧长度并造成焊接电流波动，从而增大飞溅的数量。
由此，产生的飞溅数量可以用作反映焊丝可喂入性的标准。
发明内容
因此，考虑以上问题提出本发明。本发明的目的是提供一种CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，提高了可喂入性，并且由于没有镀铜，从而减少了烟和飞溅的数量。
根据本发明，本发明的上述目的和其它目的可以通过以下措施实现，即提供一种CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，其中焊丝表面的10点平均粗糙度(Rz)为0.10-9.00μm，焊丝表面的维氏显微硬度(Hv(1g))为125-310。
附图说明
结合附图，从以下的详细描述中可以更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点。在附图中：
图1表示不同10点平均粗糙度下维氏显微硬度与产生的飞溅数量之间的关系。
具体实施方式
本发明者旨在开发一种非镀铜焊丝，在没有镀铜或者将作为表面处理剂的粉末应用于焊丝表面的情况下表现出镀铜焊丝优异的可喂入性。结果发现，通过调节焊丝表面的维氏显微硬度和10点平均粗糙度(Rz)可以控制产生飞溅的数量，需要注意的是焊丝的可喂入性取决于焊接过程中产生的飞溅数量。
详细地，当CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝具有10点平均粗糙度(Rz)为0.10-9.00μm，维氏显微硬度(Hv(1g))为125-310时，所产生的飞溅数量明显减少，从而表现出优良的可喂入性。
在维氏显微硬度试验中，如同所公知的，金刚石压头为四方棱锥形，在顶点处相对表面之间的夹角为136°，使用预定的力将金刚石压头压入试样的表面，去除压力后，测量压痕的对角线长度。这里所用的术语“维氏显微硬度Hv”是指用压力除以压痕表面积所表示的硬度，其计算公式为：
Hv = 2 P d 2 sin a 2 = 1.854 P d 2
式中，P是压力(kg)，d是压痕的对角线长度(mm)。
这里所用的Hv(1g)是表示使用1g的压力测量的维氏显微硬度。
至于10点平均粗糙度(Rz)，在表示焊丝表面粗糙轮廓的轮廓曲线中，在焊丝的长度内以中心线为基准选出第三个最高峰以及第三个最低谷。10点平均粗糙度(Rz)定义为，轮廓中第三最高峰与第三最低谷之间的垂直距离，以微米为单位。
下面描述调节焊丝表面的10点平均粗糙度和维氏显微硬度。
焊丝的制造过程概括如下：制备起始焊丝(ROD)，酸洗，喷砂，涂层，干拉拔，除油，湿拉拔和卷取。通过上述过程可以将焊丝表面的10点平均粗糙度和维氏显微硬度控制在本发明所需的范围内。
下面，考虑到调节焊丝表面的10点平均粗糙度和维氏显微硬度，详细描述各个过程。
为了增大最终焊丝的10点平均粗糙度，将起始焊丝用硫酸电解酸洗(在线)，去除起始焊丝表面的氧化膜。此时，通过改变电流密度，可以腐蚀起始焊丝的表面，从而使焊丝表面粗糙。
对酸洗后的焊丝可以进行涂层或喷砂。喷砂明显增大焊丝表面的粗糙度。
涂层、干拉拔和去油过程是焊丝制造的传统过程，对本发明的特征没有影响。
如同下面将要详细描述的，焊丝表面的维氏显微硬度主要由湿拉拔过程控制。
焊丝表面的维氏显微硬度一般随焊丝拉伸强度的提高而增大。但是，仅仅提高拉伸强度不能增大焊丝表面几微米到几十微米深的表面区域的显微硬度。
在这一点上，可以考虑在拉丝模中压缩面积。如果在湿拉拔过程中最终拉丝模的压缩角(2α)增大到8°-40°，就可以增大焊丝表面几微米到几十微米深的表面区域的显微硬度。
拉拔过程中较大的拉拔力可以在焊丝上产生模具的痕迹。为了避免这一现象，必须通过调节拉拔的次数将各个模具的可加工性降低到5-12％。
具体地，为了将每个模具的可加工性降低到5-12％，如果最终模具的压缩角(2α)为8°，则拉拔次数控制在1-4次；如果大于8°，则拉拔次数控制在2-5次。
作为实施例，当模具的压缩角(2α)为40°，2-5次弱的湿拉拔过程可以防止模具痕迹的出现。此时，由于焊丝的表面层基本已经加工硬化，拉拔过程造成的焊丝表面层硬化增大了维氏显微硬度，这是与焊丝总加工性成比例的。结果，优选地增大了焊丝表面的维氏显微硬度，由此表面硬度(Hv)可以达到300或300以上。
另一方面，通过执行以下的过程可以将焊丝的维氏显微硬度(Hv)降低到100，所进行的过程顺序为：干拉拔，退火，酸洗和湿拉拔。
维氏显微硬度也与焊丝的拉伸强度有关。因此，可以理解的是，通过改变起始焊丝(ROD)的直径可以控制表面硬度。
实施例
下面通过本发明的实施例以及非限制性的对比实施例描述本发明的效果。
制造了含有，按照焊丝的化学成分，0.06wt％的C，0.9wt％的Si，1.4wt％的Mn，0.014wt％的P，0.009wt％的S，以及0.11wt％的Ti，并且直径分别为8mm，6.4mm和5.5mm的起始焊丝(ROD)。这些焊丝在45℃的15％H2SO4溶液中电解酸洗。
一些酸洗后的焊丝被进行喷砂，其它的则不进行喷砂。在喷砂过程中，通过改变不同的喷砂速度，如慢、中、快，可以改变焊丝的表面粗糙度。
接着，用传统的磷酸盐膜(磷酸盐处理层)对焊丝进行涂覆，再用15％硼砂进行涂覆，然后干燥并卷取。从酸洗到涂层的过程是在线过程。
随后，在传统条件下将焊丝干拉拔，从而得到1.3mm到2.5mm中等直径的干拉拔焊丝。在600m/min的速度下重复干拉拔12到16次。干拉拔模具是碳化钨模具。
将干拉拔焊丝进行碱性电清洗。在碱性电清洗之前，使用钢刷物理去除焊丝表面的润滑剂。
为了制造一些具有低的维氏显微硬度的焊丝，干拉拔后进行880℃中间退火以及电解酸洗。
在最后的湿拉拔中，使用压缩角为8°、12°、18°、25°、30°、35°和40°的模具控制每根焊丝的维氏显微硬度。最终焊丝的直径为1.2mm。
随着压缩角(2α)增大，湿拉拔模具的面积压缩百分数(可加工性)下降，如表1所示。因此，焊丝的表面层基本加工硬化，拉拔力减小，从而防止产生模具痕迹。
表1
  压缩角(2α)   面积压缩(％)
  8121825303540   1816128555
通过利用上述的处理条件，制备了表面粗糙度和维氏显微硬度不同的多种焊丝。每种焊丝在表2所示的焊接条件下焊接，并测定所产生的飞溅数量。
表2
  焊丝直径   焊接电压   焊接电流   焊接速度   保护气体   焊接位置
1.2mm 22V 160A 20m/min   CO2100％(20l/min) 向下的位置
将厚12mm、宽10cm、长50cm的钢板放入80cm×15cm×20cm的盒中。在板上的40cm长的焊缝的焊接进行2分钟，接着收集产生的飞溅，从而测定单位时间的重量(mg/min)。
通过将沿焊丝圆周测量的四个粗糙度平均，计算每种焊丝表面的10点平均粗糙度(Rz)。
与测量10点平均粗糙度相似，通过将总共16个硬度测量值平均，即焊丝的4个圆周，每个圆周4个测量值，计算显微镜下看到的焊丝表面的维氏显微硬度(Hv)。所用的压力为1g。
在不同的10点平均粗糙度(Rz)下产生的飞溅数量与维氏显微硬度(Hv)的关系列在表3中。
表3
实施例 Rz(μm) Hv(1g)   飞溅量(mg/min)   烟量(mg/min) 备注
  1   0.08   90   810   0   对比实施例
  2   123   630   0
  3   150   560   0
  4   250   505   0
  5   300   570   0
  6   350   650   0
  7   0.10   95   610   0
  8   122   405   0
  9   125   400   0   本发明实施例
  10   130   394   0
  11   175   330   0
  12   250   325   0
  13   306   389   0
  14   310   400   0
  15   315   407   0   对比实施例
  16   350   625   0
  17   378   718   0
  18   0.39   100   480   0
  19   122   406   0
表3(续)
实施例 Rz(μm) Hv(1g)   飞溅量(mg/min)   烟量(mg/min) 备注
  20   0.39   125   398   0   本发明实施例
  21   130   390   0
  22   185   280   0
  23   280   300   0
  24   306   390   0
  25   310   400   0
  26   316   406   0   对比实施例
  27   377   625   0
  28   1.98   75   475   0
  29   100   450   0
  30   122   404   0
  31   125   400   0   本发明实施例
  32   127   395   0
  33   200   210   0
  34   290   311   0
  35   306   390   0
  36   315   408   0   对比实施例
  37   360   470   0
  38   8.05   100   428   0
表3(续)
实施例 Rz(μm) Hv(1g)   飞溅量(mg/min)   烟量(mg/min) 备注
  39   8.05   122   405   0   对比实施例
  40   127   397   0   本发明实施例
  41   166   180   0
  42   250   168   0
  43   300   289   0
  44   307   392   0
  45   310   399   0
  46   316   406   0   对比实施例
  47   360   450   0
  48   9.00   100   750   0
  49   110   560   0
  50   123   408   0
  51   125   400   0   本发明实施例
  52   130   390   0
  53   175   355   0
  54   250   357   0
  55   300   389   0
  56   308   393   0
  57   310   400   0
表3(续)
实施例 Rz(μm) Hv(1g)   飞溅量(mg/min)   烟量(mg/min) 备注
  58   9.00   318   408   0   对比实施例
  59   350   580   0
  60   9.10   95   688   0
  61   121   580   0
  62   126   518   0
  63   150   455   0
  64   260   448   0
  65   308   470   0
  66   322   510   0
  67   368   625   0
  68   13.00   116   740   0
  69   120   670   0
  70   127   625   0
  71   150   590   0
  72   250   575   0
  73   300   585   0
  74   310   590   0
  75   340   670   0
  76   375   750   0
表3(续)
  实施例   Rz(μm)   Hv(1g)   飞溅量(mg/min)   烟量(mg/min)   备注
  77   14.90   110   800   0   对比实施例
  78   121   760   0
  79   125   750   0
  80   150   692   0
  81   225   703   0
  82   300   685   0
  83   310   678   0
  84   350   730   0
下面的表4列出了产生的飞溅数量以及焊丝的可喂入性，可以看出，可喂入性可以接受时的最大飞溅产生量为400mg/min。
表4
  飞溅量(mg/min)   可喂入性
  0-250250-400400-700700-850850以上   优秀良好中等稍差差
图1是表示表3数据的曲线。从图1中可以看出，仅当焊丝的10点平均粗糙度(Rz)为0.10-9.00μm以及维氏显微硬度(Hv(1g))为125-310时，产生的飞溅数量为400mg/min或小于400mg/min，从而保证良好的可喂入性。
焊丝在被进料辊送入时，与进料带内部和焊嘴内部紧密接触。因此，可以认为焊丝表面的粗糙度和/或硬度与焊丝的可喂入性密切相关。具体地，仅在特定的表面粗糙度和硬度值范围内，焊丝具有优异的可喂入性。
特别是，根据本发明，焊丝的可喂入性与焊丝在微小压力下测量的最表面层的显微硬度密切相关，而不是与与焊丝拉伸强度成比例的总表面硬度相关。
同时，当传统镀铜实心焊丝，1.2mm直径的JIS Z3312 YGW12，在焊接电流250A的条件下焊接时，产生5-6mg的铜烟。日本职业与环境卫生学会没有推荐一个铜烟的允许浓度。但是，根据美国职业与环境卫生学会会议上发表的论文，铜烟的允许浓度为0.2mg/m3。
在实际的焊接操作中，通过穿戴适当的保护面罩以及使用适合的抽气设备，可以避免产生过量的铜烟。但是，应该理解的是，由于本发明使用的是非镀铜焊丝，因此不必考虑铜烟的产生。
从上面的描述可以清楚地看出，本发明提供一种CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，通过控制焊丝表面的10点平均粗糙度(Rz)为0.10-9.00μm以及焊丝表面的维氏显微硬度(Hv(1g))为125-310，得到具有优异可喂入性的焊丝，在较低电流区焊接时减小飞溅产生的数量。因此，可以进行高效率的焊接操作，并且焊接质量高。
尽管为了解释的目的描述了本发明的优选实施例，但本领域一般技术人员应该认识到，在不偏离如所附权利要求所述的本发明的范围和精神的情况下，可以做出不同的修改、增添和替代。

Claims (1)

1.一种用于CO2气体保护弧焊的非镀铜实心焊丝，其中焊丝表面的10点平均粗糙度Rz为0.10-9.00μm，并且焊丝表面的维氏显微硬度Hv(1g)为125-310。
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