CN1305636C - 气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝 - Google Patents

气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，其中包括用于改进焊丝直线度的接缝区，从而防止出现焊缝弯曲。根据本发明的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，其制造是通过成形金属外皮，在金属外皮内装入熔剂，然后成形为金属管状并进行拔丝，其中熔剂药芯焊丝满足下面的关系(1)：1.4≤(Rrcts/Ructs)≤4.0……(1)式中，Rrcts表示实际截面的拉伸强度范围(装入熔剂状态下的实际拉伸强度范围)，Ructs表示未包装截面的拉伸强度范围(未装入熔剂状态下的实际拉伸强度范围)。

Description

气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝
技术领域
本发明涉及用于低碳钢、低温钢、低合金钢、高拉伸强度钢等类似钢种焊接的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝。更具体地说，本发明涉及气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，它沿纵向具有接缝区，用于提高焊丝的直线度，从而防止焊缝弯曲的发生。
背景技术
在防止传统焊丝出现焊缝弯曲方面，从多个方面做了很多工作，例如，一种将焊丝的拉伸强度降低到一个任意值的方法，一种通过控制焊丝的屈服强度比提高焊丝直线度的方法，以及一种控制名义焊丝直径比的方法，其中名义焊丝直径比是沿圆周方向测量的焊丝最大直径与最小直径之比。
将焊丝拉伸强度降低到一个任意值的方法的一个例子是在日本特许公报2542266中披露的。根据这个专利，当焊丝退火降低其拉伸强度时，焊丝拉伸试验过程中得到的应力-应变曲线的弹性区减小，从而促进了焊丝的塑性变形。当低拉伸强度的焊丝经过大弯曲的导管用于焊接时，焊丝变形成导管的形状。因此，为了防止出现焊缝弯曲，从导电管前端按直线形式拉出直线焊丝。
通过控制焊丝的屈服强度比提高焊丝直线度的方法的一个例子披露于日本公开特许公报No.2002-301590中，其中通过从导电管前端拉出焊丝保证焊丝的直线度。
日本公开特许公报No.5-185232公开了控制名义焊丝直径比的方法的一个例子，这里名义焊丝直径比是指沿圆周方向测量的焊丝直径的最大直径与最小直径之比，焊丝的最大直径部分的方向变化，即变形角(distortionangle)控制在60°或小于60°，从而从一桶包装中拉出焊丝时防止出现焊缝弯曲。
但是，由于焊丝的制造是将金属外皮形成U形，在金属外皮内部装入熔剂，将其制成金属管形，沿焊丝长度方向在焊丝表面必须形成接缝区。上述的方法在防止出现焊缝弯曲方面存在限制。
熔剂药芯焊丝包括沿横截面方向的金属管以及装在U形金属管中的熔剂成分，这种熔剂药芯焊丝，由于接缝区的存在，在管成形以及随后的拔丝过程产生的拉伸强度偏差方面大于实心焊丝。
装入焊丝的熔剂也影响熔剂药芯焊丝的拉伸强度，使偏差变大。
由于熔剂药芯焊丝拉伸强度的偏差大，因此焊丝过程中在导电管前端的焊丝直线度变差，引起已焊接部分出现焊缝弯曲。
这样，为了提高焊接过程的直线度并防止出现焊缝弯曲，需要降低熔剂药芯焊丝拉伸强度的偏差。
发明内容
因此，考虑到上述问题提出本发明。本发明的一个目的是提供一种气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，它具有改进的直线度，甚至在高速焊接或者焊接用导管高度弯曲的情况下也不出现焊缝弯曲。
为了达到本发明的上述目的，提供一种气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，其制造是通过成形金属外皮，在金属外皮内装入熔剂，然后成形为金属管状并进行拔丝，其中熔剂药芯焊丝的范围比(Rrcts/Ructs)满足下面的关系(1)：
1.4≤(Rrcts/Ructs)≤4.0……(1)
式中，Rrcts表示实际截面的拉伸强度范围(即，装入熔剂状态下的实际拉伸强度范围)；
Ructs表示未包装截面的拉伸强度范围(即，未装入熔剂状态下的实际拉伸强度范围)。
附图说明
结合附图，并通过以下的描述，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。在附图中：
图1是扫描电子显微镜(SEM)图像，表示未装入熔剂时焊丝的截面；
图2是扫描电子显微镜(SEM)图像，表示装入熔剂后焊丝的截面；
图3a、4a、5a和6a是显微镜(电子或光学的)图像，分别表示试验样品1、2、3、4的截面；
图3b、4b、5b和6b分别是利用图像分析系统处理图3a、4a、5a和6a的图像之后得到的图像；
图7是示意图，表示评价本发明气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝的直线度的设备；以及
图8是表示直线度随比例Rrcts/Ructs变化的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝。
熔剂药芯焊丝直线度的改进可以通过减小熔剂药芯焊丝的名义拉伸强度的最大值与最小值之差，即表观拉伸强度范围来获得。但是，通过这种方法没有得到令人满意的熔剂药芯焊丝的直线度。
由于装入熔剂时在金属管状熔剂药芯焊丝的截面内部形成空腔，因此熔剂药芯焊丝的拉伸强度与截面整体均匀的实心焊丝的拉伸强度不同。
名义拉伸强度已经应用于实心焊丝，但应用于熔剂药芯焊丝具有难度。这样，本发明者通过很多实验发现，当熔剂药芯焊丝的实际拉伸强度范围得到适当控制时，能改进熔剂药芯焊丝的直线度，并且防止焊接时出现焊缝弯曲。
名义拉伸强度是指最大载荷与焊丝名义截面积之比，而这里使用的术语“实际拉伸强度”是指最大载荷与焊丝实际截面积之比。即，实际拉伸强度由下面的表达式定义：
实际拉伸强度＝最大载荷/实际截面积
焊丝的实际拉伸强度稳定地保持在低水平，能提高焊接时在导电管前端的焊丝直线度，并防止出现焊缝弯曲。
为了这个目的，本发明者测量了装入熔剂时改变的焊丝实际拉伸强度，并测定了实际拉伸强度范围。
首先，将未装入熔剂的金属管以及装入熔剂的熔剂药芯焊丝进行拔丝。此时，测量金属管部分的实际拉伸强度，并考察装入熔剂对实际拉伸强度的影响。
为了排除熔剂的影响，在未装入熔剂的情况下制得了金属管状的焊丝，然后测量了焊丝的实际拉伸强度。此后，测量了50个连续焊丝样品的拉伸强度，并去掉了最大值和最小值。这个程序重复5次，然后将得到的数值进行平均。结果，平均值被证实是2.0。金属管未装入熔剂的状态下的实际拉伸强度范围被记作“Ructs(未包装截面的拉伸强度范围)”。
使用扫描电子显微镜拍摄了未装入熔剂的焊丝截面。照片如图1所示。另一方面，使用扫描电子显微镜拍摄了装入熔剂时焊丝的截面。照片如图2所示。其中，图1和图2中的实际横截面区1和2仅表示熔剂药芯焊丝横截面上除了包装的熔剂以外的金属管。
对比图1和图2，由于焊丝内部装入的熔剂在拔丝过程中对金属管内壁产生压力，这里金属管是装有熔剂的焊丝的外皮，因此金属管的厚度变薄，与此同时，金属管内壁形成不规则粗糙面。
从图1和图2可以看出，装入的熔剂大大影响了拔丝过程中焊丝的横截面积，即实际横截面积。由于实际横截面积的变化也影响实际拉伸强度的偏差，因此制造具有所需质量的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝时，可以根据熔剂对实际拉伸强度的影响，适当控制实际拉伸强度。
为了考虑熔剂对实际拉伸强度的影响，将Rrcts(实际截面的拉伸强度范围)除以Ructs(未包装截面的拉伸强度范围)。
因此，在制造具有改进的直线度并且不出现焊缝弯曲的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝时，可以将比例适当控制在下面关系式(1)限定的范围内：
1.4≤(Rrcts/Ructs)≤4.0……(1)
其中，Rrcts表示在装入熔剂的状态下最大载荷与实际横截面积之比，Ructs为2.0。
Rrcts和Ructs是根据下面的程序得到的。
首先，将沿纵向具有接缝区的焊接用熔剂药芯焊丝，沿垂直于焊丝长度方向的平面切割，得到试验样品。将试验样品的切割截面镶起来，接着在砂纸上研磨并抛光。研磨所用的砂纸在#200到#1500砂纸中选择。
利用光学显微镜或扫描电子显微镜得到截面研磨并抛光的试验样品的横截面图像。利用图像分析系统对这些图像进行处理，得到试验样品的实际横截面积。具体地，将用放大的试验样品横截面图像得到的横截面积，除以电子显微镜的放大倍数，或者利用图像上所附的校准条，即可得到实际横截面积。
图3a、4a、5a和6a分别表示试验样品1、2、3、4的横截面的显微图像，图3b、4b、5b和6b分别是利用图像分析系统处理图3a、4a、5a和6a的图像得到的图像。本发明用于获得实际横截面积的图像分析系统是由Media cybernetics制造的Image-pro plus 4.0。利用图像分析系统，金属管和熔剂的横截面图像被清楚地彼此分离。试验样品的实际横截面积是由金属管的横截面积得到的，这里的金属管已经将熔剂和其它杂质分离出去。结果如下面的表1所示。
表1  试验样品1～4的实际横截面积(mm2)
  编号    试验样品1    试验样品2    试验样品3    试验样品4
    1     0.7855     0.7792     0.7762     0.8034
    2     0.7967     0.7955     0.7710     0.7855
    3     0.7992     0.8301     0.7427     0.8127
    4     0.8315     0.8117     0.7579     0.8274
    5     0.8017     0.7986     0.7590     0.7953
    6     0.7677     0.7426
  平均     0.8029     0.7971     0.7582     0.8048
图1所示的未装入熔剂的焊丝的实际横截面积是按照与上面程序相同的方式得到的。
关系式(1)所示的实际拉伸强度范围(R)是通过测量50个连续切割焊丝的样品的拉伸强度得到的，其中分别去掉了最大值和最小值。
下面参考图7解释评价直线度的设备。绕在线轴7或桶包装7’上的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝3经过一根5m长的导管4，并从导电管5的前端抽出。测量焊丝3前端部分的行进方向。
按照下面的程序测量焊丝3前端部分的行进方向。首先，将坐标面6与焊枪的导电管5分开150mm的间距。首先从导电管5前端出来的焊丝3与坐标面6之间的接触点被记为原点。当随后从导电管5中出来的焊丝3在150mm间隔被切断时，记录焊丝3与坐标面6之间的接触点。
此时，导管4成形为W形。导管4的弯曲部分的直径为300mm，这是焊接工艺通常使用的尺寸。
为了与传统焊丝进行对比，此程序对每个样品重复300次。
当记录下从导电管5出来的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝3与坐标面6之间的接触点之后，将记录的数值进行统计处理，用于得到其方差。
当每个接触点的坐标记为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(X3，Y3)，……，(X300，Y300)时，焊丝的直线度(T)由下面的方程定义：
T＝[{(X1-Xa)2+(X2-Xa)2+…+(X300-Xa)2}/300]+[{Y1-Ya}2+(Y2-Ya)2+…+(Y300-Ya)2]/300]
(其中，Xa和Ya分别是X和Y值的平均值)
为了确定气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝焊缝弯曲的出现，将一根5m长的焊丝在向下位置进行板上焊缝(bead-on-plate)焊接。基于以下标准，通过感官测试判断焊缝弯曲的出现：
○：观察到很多弯曲焊缝
△：观察到一些弯曲焊缝
×：未观察到弯曲焊缝
焊接条件表示在下面的表2中。
表2  焊接条件
    项目     条件
    焊接电流(A)     320
    焊接电压(V)     36
    保护气体     CO2 100％，201/min.
    焊接速度(CPM)     50
    焊缝长度     板上焊缝，5m长直线
    导管状况     5m，W形，弯曲直径：300mm
从下面的表3可以看出，未控制拔丝过程、拔丝速度和Rts(原材料拉伸强度的范围)制造的对比实施例焊丝，其直线度(T)的方差为20或大于20，这超出了本发明限定的范围。另外，观察到很多弯曲焊缝。
尽管适当控制了拔丝速度，但由于对比实施例1、4和7的焊丝具有较高的Rts值，比例Rrcts/Ructs超出了本发明限定的范围。
在对比实施例2、5和8的拔丝过程中使用了旋转模具。但是，拔丝速度太高，比例Rrcts/Ructs未能在本发明限定的范围内。
由于对比实施例8和9的焊丝实际横截面积，对于拔丝太大，因此出现断丝。
相反，由于实施例10到18的焊丝的比例Rrcts/Ructs保持在本发明限定的范围内，并且与直线度(T)有关的比例方差保持在20或小于20，因此防止了焊缝弯曲的出现。
如果比例Rrcts/Ructs超过4.0，则方差超过20，从而出现焊缝弯曲。另一方面，偏差的控制需要将比例Rrcts/Ructs减小到小于1.4。但是，由于装入熔剂时限制了偏差控制，因此本发明中比例Rrcts/Ructs的下限调整到1.4。
表3  根据药芯焊丝的比例Rrcts/Ructs的直线度(T)的变化以及焊缝弯曲的出现
数据种类                        制造条件 Rrcts Ructs Rrcts/Ructs 直线度(T)   出现焊缝弯曲 备注
  拔丝   拔丝速度(m/min)   原材料的Rts
  对比实施例   1   PCD，未烧型   500～1000     0.4     8.1     2     4.1     25     △
  2   PCD+旋转模具，未烧型   ＞1500     0.3     8.4     2     4.2     27     △
  3   CRD+PCD，未烧型   ＞1500     0.3     8.5     2     4.3     27     △
  4   PCD，烧型   500～1000     0.5     8.8     2     4.4     30     △
  5   PCD+旋转模具，烧型   ＞1500     0.3     9.2     2     4.6     36     △
  6   CRD+PCD，烧型   ＞1500     0.3     9.5     2     4.8     40     △
  7   PCD，烧型之后表皮通过   500～1000     0.6     9     2     4.5     30     ○
8   PCD+旋转模具，烧型之后表皮通过 ＞1500 0.3 10.5 2 5.3 52 ○ 拔丝时出现断丝
9   CRD+PCD，烧型之后表皮通过 ＞1500 0.3 15 2 7.5 60 ○ 拔丝时出现断丝
  实施例   10   CRD，未烧型   500～1000     0.2     3.4     2     1.7     10     ×
  11   PCD+压力模具，未烧型   1000～1500     0.3     3.2     2     1.6     10     ×
  12   CRD+PCD，未烧型   800～1000     0.3     2.8     2     1.4     8     ×
  13   CRD，烧型   500～1000     0.2     5.4     2     2.7     15     ×
  14   PCD+压力模具，烧型   1000～1500     0.3     4.8     2     2.4     15     ×
  15   CRD+PCD，烧型   800～1000     0.3     6     2     3     16     ×
  16   CRD，烧型之后表皮通过   500～1000     0.2     8     2     4     20     ×
17   PCD+压力模具，烧型之后表皮通过 1000～1500 0.3 7.4 2 3.7 18 ×
18   CRD+PCD，烧型之后表皮通过 800～1000 0.3 6.8 2 3.4 18 ×
注：CRD：盒式碾压模具(Cassette roller die)，
PCD：金刚石聚晶模具，
原材料Rts：原材料的拉伸强度范围，
Rrcts：实际截面的位置强度范围，
Ructs：未包装截面的拉伸强度范围。
在表3所示的一些实施例中，在拔丝后，焊丝(烧型)通过一个适当温度的焙烧装置，例如热空气炉或焙烧炉，温度范围为200到600℃，将焊丝表面残余的润滑剂去除。实心焊丝在化学除油溶液中进行湿法除油，去除焊丝表面残余的润滑剂。但是，由于本发明气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝包括沿焊丝长度在外表面上形成的纵向接缝区以及装在其中的熔剂，除油溶液通过接缝区渗入焊丝并且损坏熔剂药芯焊丝的性能。因此，在热空气炉或焙烧炉中在200到600℃范围的适当温度下去除熔剂药芯焊丝外表面上残余的润滑剂。在拔丝过程具有低的面积缩小率的情况下，这表示为“表皮通过”(skin pass)。
从表3可以看出，通过控制拔丝过程、拔丝速度和原材料Rts，实施例中熔剂药芯焊丝的比例Rrcts/Ructs保持在本发明限定的范围内。图8是表示直线传播随比例Rrcts/Ructs变化的图。
由上面描述可以清楚看出，尽管根据本发明的气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝外表面上形成接缝，但是，甚至在高速度进行焊接或者焊丝高度弯曲的情况下，改进了熔剂药芯焊丝的直线传播，而不出现焊缝弯曲。
尽管为了解释的目的给出了本发明的优选实施例，但是本领域的一般技术人员应该理解的是，在不偏离所附权利要求给出的本发明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)

1.一种气体保护弧焊的熔剂药芯焊丝，其制造是通过成形金属外皮，在金属外皮内装入熔剂，然后成形为金属管状并进行拔丝，
其中熔剂药芯焊丝满足下面的关系(1)：
1.4≤(Rrcts/Ructs)≤4.0……  (1)
式中，Rrcts表示实际截面的拉伸强度，即装入熔剂状态下的实际拉伸强度，
Ructs表示未包装截面的拉伸强度，即未装入熔剂状态下的实际拉伸强度。
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