CN1346727A - 气体保护电弧焊接用管状焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种气体保护电弧焊接用管状焊丝,由Ti、Si、Mg、K、Na等金属及氧化物组成、并满足K2O、Na2O及SiO2等特定成份间的特定相关关系式的焊剂填充,在焊接软钢及高强度钢时具有良好的性能。通过调节焊剂成份组成和各成份等的含量比,不仅有提高焊接速度的效果,而且有在横向角焊及向上立焊姿势焊接时防止焊蚕流淌现象、焊接作业后的修整作业最少化、确保提高焊接作业效率和稳定性的优点。

Description

气体保护电弧焊接用管状焊丝
技术领域
本发明涉及管状焊丝，特别是一种由Ti、Si、Mg、K、Na等金属及氧化物组份、并满足K2O、Na2O及SiO2等特定成份关系的焊剂填充于金属鞘内，具有焊接软钢及高强度钢性能优良的气体保护电弧焊接用管状焊丝。
背景技术
一般焊接金属使用最广泛的焊接法是在焊接材(电极或焊填金属)与被焊接金属(母材)之间给予低电压、高电流，通过产生的电弧热熔化上述两种材料，使母材与母材连接的电弧焊接，电弧焊接大致分为两种形式；其中一种是焊极式电弧焊，将焊条作为电极使用，通过母材与电极之间产生的电弧热使焊条和母材熔化，形成焊缝金属，即是在焊接部形成焊蚕形态，有屏敝电弧焊、埋弧焊、二氧化碳保护电弧焊、惰性气体保护电弧焊等。另一种方法是非焊极式电弧焊，因电极仅起到发生电弧的作用，所以为了得到焊缝金属，必须将另外的焊填金属加到电弧发生范围内使之熔化。这种方法的代表有钨极惰性气体保护电弧焊和氢原子电弧焊等，上述的电弧焊接法中，除屏敝电弧焊外，为了防止其它焊接法焊接时由于电弧热熔化形成液状金属熔池氧化，应调节熔化金属周围空气，在熔池附近供给的非活性气体和二氧化碳气体，遮断熔化金属与空气的接触，因此也称为气体保护电弧焊(gas-shielded arc welding)；气体保护电弧焊，如惰性气体保护电弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊，大致分为使用非活性气体的焊接法和使用价格便宜的二氧化碳气体的焊接法，作为使用这种焊接法的焊接金属，使用实心焊丝或管状焊丝，但无特殊目的时，使用焊蚕形状好、焊渣涂布性及去除性也好、熔敷速度快的管状焊丝正在增加；高效率焊接的方法，广泛的适用于汽车、造船、建筑等各种产业的气体保护电弧焊的焊接介质，上述管状焊丝是将由恰当组份的焊剂填充于金属鞘内，因为这种焊丝的焊接作业性好、电弧稳定性佳，所以其优点不仅是飞溅物发生量少，而且可获得均一的焊蚕形状；因为气体保护电弧焊接作业具有省力和高效率化，所以使用平焊及横向角焊等焊接时，比起其它焊接方法的速度增加50％以上，因此探索调节管状焊丝主成份焊剂粒度分布、调整焊渣形成剂的构成比，使电弧稳定、焊接速度增加的方法，比起提高焊接速度在焊蚕外观改善方面其效果更大；另外，为了提高焊接速度，可实施多电极焊接，但由于焊接设备和外周设备复杂，有焊接设备投资费用上升的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有管状焊丝的诸多问题，提供所有焊接姿势焊接性优良，尤其是方便向上立焊和通过单电极可进行高速横向角焊，同时焊蚕形状良好的气体保护电弧焊接用管状焊丝。
本发明是这样实现的，是通过由焊剂量占焊丝总重量的10～20％，被焊剂填充的鞘占焊丝总重量的80～90％这种构成，在上述焊剂中含有其它成份铁质和脱氧剂及电弧稳定剂，其它成份占焊丝总重量的5～15％后，将含有其它成份的焊剂填充于软钢制鞘内的管状焊丝实现的。
本发明的管状焊丝的技术特征是，其构造是在软钢制鞘中空填充一定范围组成的焊剂，构成填充焊剂的成份，以焊丝总重量为基准，由以下组份及重量百分比组成；TiO2换算值Ti及Ti氧化物3.0～8.0％、SiO2换算值Si及Si氧化物0.5～2.0％、Mn换算值金属Mn及合金1.5～3.5％、C：0.02～0.10％、MgO换算值Mg及Mg氧化物0.5～1.5％、Na2O和K2O化合物之和0.2％以下、ZrO2换算值Zr及Zr氧化物：0.1～0.5％、Al2O3换算值Al及Al氧化物0.2～0.8％；另外，在上述组成范围内构成焊剂的各种组份必须满足如下数学式1和2；
[数学式1]
   0.1≤(2K2O+Na2O)/SiO2≤0.3
[数学式2]
   1.6≤(FeO+MnO+MgO)/(SiO2+Al2O3+0.4TiO2)≤2.1
构成上述焊剂的各种组份的含量对焊接性的影响如下；
Ti是以金属Ti及氧化物的形态添加，如果以金属粉末或铁合金的形态添加，由于强力脱氧作用生成TiO2，这时生成的TiO2作为焊渣形成剂，起到了改善焊蚕覆盖性的作用。另外，因为以氧化物形态添加的Ti作为焊渣形成剂与改善焊蚕覆盖性一起实现调节焊蚕形状的机能，所以TiO2换算含量不足3.0％时，焊渣形成量不足，在平焊及横向角焊高速焊接时不仅焊渣覆盖性恶化、焊蚕形状不良，而且向上立焊时发生焊蚕流淌现象；如果其含量超过8.0％，横向角焊姿势焊接时焊蚕焊熔性下降。单独或以化合物形态添加的Si与金属鞘内含有的Si一起促进熔敷金属脱氧，同时不仅起到作为焊渣形成剂的作用，而且是给焊渣以恰当的流动性成份，当其含量换算成SiO2不足0.5％时，不仅焊渣的流动性下降，而且发生气泡一样的焊接部缺陷；如果超过2.0％，熔敷金属的低温冲击特性恶化。
Mn是熔敷金属的脱氧剂，抑制代表性焊接缺陷气泡及渣坑的发生，是提高焊接部机械强度和韧性的成份，但其含量不足1.5％时，作为脱氧剂的机能恶化，焊接部的强度和韧性的提高效果也微乎其微；如果超过3.5％，由于熔敷金属过分脱氧，造成焊蚕外观不良。
在焊剂和金属鞘内含有C，可提高焊缝金属的强度，总含量不足0.02％时，其效果几乎没有；如果超过0.10％，焊接时发生的飞溅物和烟雾增加，焊接作业性下降。
Mg一般与Al、Ti一起作为强力脱氧剂使用，MgO是作为焊渣形成剂使用的成份，换算成MgO的总含量如果超过1.5％，焊渣对焊蚕的覆盖性下降，焊蚕外观不良；如果达不到0.5％，对焊缝金属无脱氧作用，横向角焊时焊蚕形状不良。
Zr主要是以Fe-Zr或Zr砂添加的成份，焊接时生成的ZrO2尤其对提高横向角焊时焊蚕的焊熔性有效果；ZrO2换算量不足0.1％时，其效果微乎其微；超过0.5％时，横向角焊时焊蚕形状不良。
Al是代表性的脱氧剂，有助于熔化金属的脱氧，通过脱氧生成的Al2O3使焊渣的凝固点上升，因此在向上立焊作业时起到抑制焊蚕流淌、改善焊蚕形状的作用；Al2O3换算量不足0.2％时，其效果极小；如果超过0.8％，横向角焊时导致焊蚕形状不良。
另外，如在上述说明那样，SiO2是焊渣形成剂，通过调节焊渣覆盖性和粘性调节焊蚕形状；K2O和Na2O可起到使焊渣熔点降低、改善焊渣的流动性、提高电弧稳定性的作用；在上述数学式1值不足0.1时，电弧稳定性几乎没有提高；如果超过0.3，焊接时焊渣的熔点降低，向上立焊作业时不仅容易引起焊蚕流淌现象，而且使焊接时发生的烟雾增加。
本发明的气体保护电弧焊接用管状焊丝的优点是；不仅对焊剂组份，而且对各种组份的含量比例进行恰当的调节，因此即使焊接速度更快也可进行焊接，还可以防止横向角焊或向上立焊姿势时焊蚕发生流淌现象，焊接作业后修整作业最少化，有确保提高焊接作业效率和稳定性的效果。
具体实施方式
使用有上述那样组成范围的焊剂和KSD 3512 SPCC规格的金属鞘，制造直径1.4mm的本发明气体保护电弧焊接用管状焊丝，与对照例焊丝进行焊接作业性和性能对照试验，这时的焊接条件和实施例及对照例焊丝的化学组成如表1及表2所示；
【表1】
      分类            焊接条件
    焊接姿势    横向角焊    向上立焊
    母材种类                           KSD 3515 SM490A
    母材厚度                                12mm
    焊接电压     38V     26V
    焊接电流     380A     240A
    焊接速度     100cm/分      -
    遮敝气体                              100％ CO2
    气体供给量                               20 l/分
【表2】
区分                      管状焊丝的化学成份(％)
 TiO2  SiO2  MgO  ZrO2  Al2O3  Mn  C  K2O+Na2O
实施例  1  6.0  1.5  1.0  0.2  0.6  3.0  0.04  0.16
 2  5.8  1.2  1.0  0.2  0.4  3.0  0.04  0.16
 3  6.2  1.2  0.8  0.2  0.4  3.0  0.04  0.14
 4  6.0  1.0  0.8  0.2  0.6  3.0  0.03  0.16
 5  6.2  1.4  0.8  0.2  0.6  3.0  0.03  0.16
 6  6.0  1.4  0.8  0.2  0.4  2.5  0.03  0.14
 7  5.0  1.5  1.0  0.2  0.4  2.5  0.03  0.18
对照例  8  6.0  2.4  1.0  0.6  0.4  2.5  0.03  0.14
 9  2.5  1.5  1.0  0.2  0.4  2.5  0.03  0.14
 10  6.2  1.5  2.0  0.2  0.6  3.0  0.04  0.14
 11  6.0  1.4  0.8  0.2  0.0  3.0  0.04  0.12
 12  6.2  1.4  0.8  0.2  0.4  4.0  0.04  0.14
 13  6.0  1.4  0.8  0.2  0.6  3.0  0.03  0.24
   14  5.0   1.5   1.0     0.0     0.6     3.0   0.03   0.14
上述各焊接用管状焊丝的数学式1和数学式2的值如表3所示。
【表3】
分类      焊剂成份的数式比
数学式1値  数学式2値
实施例  1  0.10  1.86
 2  0.13  2.00
 3  0.12  2.00
 4  0.16  2.16
 5  0.11  1.94
 6  0.10  1.80
 7  0.12  1.84
对照例  8  0.06  1.38
 9  0.09  2.66
 10  0.09  1.94
 11  0.09  2.02
 12  0.10  2.33
 13  0.17  1.97
 14  0.09  2.16
对在上述焊接条件下实施的以横向角焊及向上立焊姿势进行焊接作业的评价结果如表4和表5所示。
【表4】
    分类                焊接作业性评价(横向角焊姿势)
  电弧稳定性 飞溅物发生量 焊渣剥离性   焊蚕形状
  实施例     1 ◎ ◎ ◎ ◎
    2 ○ ○ ○ ○
    3 ◎ ◎ ◎ ○
    4 ◎ ○ ◎ ○
    5 ◎ ◎ ◎ ○
    6 ○ ○ ◎ ○
    7 ○ ○ ◎ ○
  对照例     8 △ △ ○ △
    9 × × × △
    10 △ × ○ △
    11 ○ △ △ △
    12 △ △ ○ △
    13 ◎ ○ ◎ △
    14 △ △ ○ △
【表5】类
    分类                焊接作业性评价(向上立焊姿势)
  电弧稳定性 飞溅物发生量 焊渣剥离性   焊蚕形状
  实施例     1 ◎ ◎ ◎ ○
    2 ○ ○ ○ ○
    3 ◎ ◎ ◎ ○
    4 ◎ ○ ◎ ○
    5 ◎ ○ ◎ ○
    6 ○ ○ ◎ ○
    7 ○ ○ ○ ○
  对照例     8 △ △ ○ ×
    9 × × × △
    10 △ × ○ △
    11 ○ △ △ △
    12 △ × ○ ×
    13 ◎ ○ ○ ×
    14 △ △ ○ △
本发明的管状焊丝，如上述表4和表5所述的那样，无论横向角焊及向上立焊那一种姿势都显示出良好的结果，而对照例管状焊丝则得不到理想的结果。
根据本发明成份组成范围基准说明上述对照例管状焊丝的焊接结果如下。
对照例8未能满足SiO2含量及数学式1和数学式2，所以焊蚕形状不良，尤其是向上立焊姿势焊接时发生的熔化金属流淌现象，对照例9时TiO2含量不足，不仅电弧不稳定，而且飞溅物发生量多，焊渣覆盖性差。
对照例10时，MgO含量超过基准范围，焊剂组成比是处在不稳定区域的关系，电弧不稳定化，飞溅物发生量多；对照例11是几乎不含有Al2O3的状态，焊渣凝固点不易调节，横向角焊及立向上焊姿势焊接时，焊蚕形状形成不理想；对照例12至14，由于Mn和K2O+Na2O及ZrO2含量分别在基准范围之外，在电弧稳定性下降、飞溅物发生量多、焊接烟雾发生量大等焊接作业性方面不理想。

Claims (1)

1、一种气体保护电弧焊接用管状焊丝，其特征是以焊丝总重量为基准，由以下组份及重量百分比组成；TiO2换算值Ti及Ti氧化物3.0～8.0％、SiO2换算值Si及Si氧化物0.5～2.0％、Mn换算值金属Mn及合金1.5～3.5％、C：0.02～0.10％、MgO换算值Mg及Mg氧化物0.5～1.5％、Na2O和K2O化合物之和0.2％以下、ZrO2换算值Zr及Zr氧化物：0.1～0.5％、Al2O3换算值Al及Al氧化物0.2～0.8％，同时满足以下数学式：
[数学式1]
   0.1≤(2K2O+Na2O)/SiO2≤0.3
[数学式2]
   1.6≤(FeO+MnO+MgO)/(SiO2+Al2O3+0.4TiO2)≤2.1。
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