CN1374167A - 金属芯铝焊丝及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成铝焊道的金属芯铝焊丝,所述焊丝包括一个外皮和一个芯部,外皮用铝或铝合金制成,而芯部含有一种包括金属和合金粉末的组分。一种生产金属芯铝焊丝的方法,包括以下步骤:将芯部组分放在铝条带上;将铝条带成形为容纳芯部组分的管子;在管子表面涂覆无机润滑剂;以及将管子拉拔通过一组缩径拉模。一种用于形成金属芯铝焊丝的铝管,该铝管包括一个在其内部容纳有一种芯部组分的铝外皮,该铝外皮的外表面涂覆有无机润滑剂。一种用于产生铝焊道的铝焊丝,该焊丝由铝或铝合金制成的管状外皮构成。

Description

金属芯铝焊丝及其形成方法
相关申请参引
本申请是于2000年10月10日提交的序列号为09/685,106的美国申请的部分继续申请。
发明背景
本发明涉及一种新型并改进的铝焊丝，以及更具体地涉及一种金属芯铝焊丝，当采用该用来焊接铝制品部件时，该金属芯铝焊丝能够形成高质量的焊珠。
铝焊丝通常制成实心，一般用连铸圆棒加工，根据具体合金将其加热到一定温度并轧制为，例如，3/8英寸的直径。然后该圆棒通过一组拉模拉拔从而使其直径减到所需尺寸。
铝焊丝形成的焊道所存在的问题之一是多孔性。焊珠不含孔隙是非常重要的。在铝焊缝里看到的孔隙归因于许多来源，但是其中最显著的一个来源是通过氢气泡从逐渐凝固的焊接金属中释放出来所形成的孔隙。这些气泡是由于含氢材料进入焊珠内而产生的。焊接时，含氢材料被分解从而氢溶解于熔化的金属里。凝固时，氢在固态金属里的低溶解性导致了溶液中氢的释放以及在焊缝里的小孔隙。据称含氢材料可以通过各种来源进入焊缝但主要来源之一是焊丝自身。
美国专利3,676,309披露了一种铝基合金焊丝，该焊丝涂覆有一层含少量氢的磷酸铝涂层，从而可以得到基本无孔的焊缝。可以通过将金属丝浸在含有一个阳极带的第一碱水溶液里；继而将金属丝浸在含有一个阴极带的第二碱水溶液里；以及当金属丝浸入溶液里时向电解液通入电流，由此制备铝焊丝。其后，金属丝要在冷水中漂洗；浸入起钝化和中和作用的酸洗槽；以及再次漂洗。该过程的第二部分是酸电解处理。
美国专利4,913,927披露了一种铝焊丝，该焊丝具有一个超净铝表面，涂有基本无水的低烷醇和胶状干膜涂料两种涂层。
授予五十铃汽车株式会社(Isuzu Motors Ltd.K.K.)的日本专利公开(OPI)6-304780-A披露了一种铝焊丝，该焊丝是管状结构并填充有焊剂。根据该专利公开，该焊剂含有5-10％的钠、40-50％的钾、5％或更少的氧、5％或更少的硫、5-10％的氟、以及35-40％的氯。
发明内容
本发明的一个实施例是一种金属芯铝焊丝。金属芯焊丝通常是一个含有一个外皮和一个芯部的复合管状金属电极，其中芯部包含各种粉末材料的芯部组分。这里所讲的词组“金属芯”如其用于焊丝业一样指一种芯部组分，主要含有金属合金粉末及少量(不超过大约5％)的非金属焊剂以在焊道里形成熔渣。例如，参见无药皮不锈钢焊接电极和焊条(Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods)的ANSI/ANS A5.9规程。在本发明的更具体的实施例中，金属芯铝焊丝包括一个铝外皮以及一个按焊丝重量含量不超过大约5％非金属成分的芯部组分。词组“非金属”指不是金属或类金属的元素；例如，指氢、碳、氮、氧、磷、硫、硒以及卤化物。本发明的金属芯铝焊丝可用于接缝和堆焊。金属芯焊丝的一些优点在于较好地熔透母材金属以及较好的电弧转移特性(相比于实心焊丝)。较好的电弧转移特性包括较好的电弧稳定性、低飞溅以及较好的电弧引燃。尽管金属芯钢焊丝广为人知并广泛用于焊接工业，作为管状金属芯焊丝的铝焊丝还没有工业化应用。
在本发明的更具体的实施例中，芯部组分含有氮化锰和/或钡。通过在芯部组分里加入钡和/或氮化锰，可以形成少孔并在某些时候基本无孔的焊缝。钡被认为通过溶解氢而避免了焊缝凝固时氢从其中释放出从而可以减少孔隙。氮化锰被认为通过在焊接时释放氮从而减少孔隙。氮可以从熔融的焊接金属里清除氢。
生产金属芯焊丝时，芯部组分被混合并附着在金属条带上，该金属条带是由成形机制成的包围芯部组分的管子或外皮。包围芯部组分的外皮通过缩径拉模拉拔以形成规定的直径。为了进行拉拔操作，在外皮通过缩径拉模拉拔时有必要在外皮的外表面施以润滑。通常用于成形钢管焊条的润滑剂是有机的并含氢。这种润滑剂在成形金属芯铝焊丝时存在不足，这是因为润滑剂残留在焊丝表面并且当焊接时分解并释放氢。不同于钢，熔融的铝对氢有高溶解性。当焊道凝固时，氢释放出来并在焊缝中形成孔隙和沟槽致使焊缝不适合于绝大部分应用。根据本发明的一个实施例，这一生产难题通过在缩径拉模里使用无机润滑剂而得以解决。一种可选润滑剂是二硫化钼。
本发明的另一个实施例是一种生产金属芯铝焊丝的方法，包括以下步骤：将含不超过5％非金属元素(按焊丝重量)的金属芯部组分附着在铝条带上；将铝条带成形为容纳芯部组分的管子；在管子表面涂覆无机润滑剂；以及将管子通过一组缩径拉模拉拔。
本发明的另一个实施例是一种用于形成金属芯铝焊丝的铝管，该焊丝包括一个在其内部容纳有一个芯部组分的铝外皮，其中，该铝外皮的外表面涂覆有无机润滑剂，并且更具体地，在本发明的一个实施例中，涂覆有二硫化钼。本发明的另一个实施例是一种生产用于形成金属芯铝焊丝的铝管的方法，其中成形的外皮在一个四氯乙烯(TCE)洗槽里清洗并在大约280-500°F之间的温度下典型地烘烤1到4个小时，以从焊丝表面除去诸如水份和四氯乙烯(TCE)等含氢材料。
本发明的又一个实施例是一种用于形成铝焊缝的方法，包括在金属芯铝焊丝的附近区域或工作面上施加电压以产生电弧，该电弧熔化电极和工作面并形成焊缝。
除了提供包含有芯部组分的金属芯铝焊丝外，还提供一种由中空铝管或外皮构成且不含芯部组分的金属芯铝焊丝。这种焊丝用于那些需要金属芯的优点而不需芯部组分去改变焊缝成分的应用中。发明详述
本发明的金属芯铝焊丝是由铝条带形成的，该铝条带制成管状。用于本发明的铝条带可以由市场可得的铝或任何铝合金制成。一般使用4000系列和5000系列的铝合金(由铝协会Aluminum Association分类)来制成铝条带。具体理想地用于制成铝条带的两种合金是5056和5052。后者特性在于含有2.2％到2.8％的镁以及前者特性在于含有0.05％到0.2％的锰、4.5％到5.6％的镁、和0.02％到0.2％的铬。铝条带可以有各种厚度。0.4英寸宽0.028厚的铝条带可以合乎需要地用于本发明的一个实施例中。本发明的某些实施例中需要使用较厚的铝条带以增加焊丝硬度。在这些实施例中，需要使用大约0.039英寸厚的铝条带。用于本发明的一个实施例中的铝条带宽度范围为大约0.250英寸到0.650英寸以及厚度范围为大约0.010英寸到0.040英寸。
可以以业界共知的方式调整焊丝成分以提供各种焊缝性能并/或与工件相匹配。很多这些成分已被标有AWS(美国焊接学会AmericanWelding Society)号码。最广泛使用的铝焊丝中的两种是ER5356和ER4043。这些焊丝含有至少约4％并且更典型地约4％到6％的镁或硅。在其中两个实施例中，本发明焊丝的构成符合这些焊丝规格。
根据本发明的一个更通用的实施例，除了铝，本发明的金属芯铝焊丝可以包含以下元素中的一种或几种(按焊丝重量百分比)：
     表1
％
    硅     0-15
    铜     0-7.0
    锰     0-1.5
    镁     0-5.5
    钛     0-10
    钡     0-0.5
                   表2
    ER4043     ER5356
    硅     4.5-6.0     0.25最大
    铁     0.8最大     0.4最大
    铜     0.3最大     0.1最大
    锰     0.15最大     0.05-0.20
    镁     0.1     4.5-5.5
    铬     -     0.05-0.20
    钛     0.2最大     0.06-0.20
注：后面有“最大”(max.)词组的数字表示最大允许的不纯度。
除了表1和表2所示的金属外，根据工业标准，焊丝可以包含有限数量的锌、钒、铍、锡、硅、铁、锆。通常，这些金属不会超过0.005％到0.45％。随着工业标准的变化和/或新标准的采用，焊缝、焊丝、外皮、以及芯部组分的成分可以容易地调整以与之相适应。
在本发明的更具体的实施例中，焊丝含有氮化锰和/或钡。单独使用钡和氮化锰或二者混合使用足够量可以提供基本没有孔隙的焊缝。氮化锰可以按达到芯部组分约6％的量使用并且通常按大约1％到6％的量使用。钡可以按达到芯部组分约1.5％的量使用并且通常按大约0.1％到1.5％的量使用。钡优选地以钙硅钡合金(CalSiBar)方式按芯部组分重量的10％的量加在芯部组分里并且通常按大约1％到10％的量使用。
用于本发明优选实施例的外皮成分除了铝以外可以按近似重量百分比(基于外皮)包含以下元素中的一种或几种，如表3所示：
              表3
    一般     典型
    硅     0-16.00     0-11
    铁     0-1.10     0-0.8
    铜     0-0.71     0-0.5
    锰     0-0.71     0.5
    镁     0-7.10     0-5.0
    铬     0-0.50     0-0.35
    锌     0-0.40     0-0.25
    钛     0-0.40     0-0.30
本发明的焊丝中采用芯部组分的实施例中，芯部组分可以根据外皮合金的成分来调整，从而提供一种焊丝可以达到所希望的焊缝的特性，并且更具体地达到在AWS A5.10上公布的美国焊接学会(AWS)铝电极和焊丝类别中的一种。本发明一个实施例中的按近似重量百分比的芯部组分如表4表示(“典型”配方指AWS标准)。
芯部组分可以利用K3AlF6、Ca-Si、Mn-N、Zr-Si和/或CalSiBar等合金制备。这些合金具有如表5所示的成分。
                  表4
             粉末芯部组分(％)
    一般     典型
    铝粉     0-100.00     75-95.00
    硅     0-4.0     0-4.0
    钙     0-2.0     0-2.0
    锰     0-6.0     0-1.60
    锆     0-2.5     0-1.00
    铬     0-3.33     0-0.40
    钛     0-10     0-3.00
    钡     0-1.5     0-1.5
                                               表5
                                           合金成分(％)
  合金  钙  硅  铁  氮  硫  氧  锰  锆  碳  铝     钡
  Ca-Si  31.5  62.5  5.5  0  0  0  0  0  0.50  0     0
  Mn-N  0  0  0  6.00  0.30  0.50  余量  0  0  0     0
  Zr-Si  0  50.8  10.3  0  0  0  0  38.4  0.50  0     0
  CalSiBar  17.1  57.6  8.16  0  0.39  0  0  0  0.50  1.06     15.5
芯部组分，如果有，通常占金属芯铝焊丝总重量的大约6％到25％，更典型地占大约7％到9％。在本发明更典型的实施例中，组成芯部组分的粉末和颗粒将具有平均粒度为大约45微米到250微米。拉拔出来的铝焊丝中的芯部组分的均匀分布可使焊道均匀。
金属芯铝焊丝可以用线材加工设备生产，并且其生产条件与现有金属芯焊丝生产中的条件类似。铝条带通过成形辊拉拔。成形辊典型地包括3对轧辊，其上设有成型辊槽将铝条带轧制成“U”形管。管子填以金属粉末并形成焊丝。尾辊典型地具有如下直径系列：0.160英寸、0.150英寸、0.140英寸、以及0.130英寸。铝条带在其通过这一成型拉模装置时必须要施以润滑，但是由于在由大到小的拉拔操作后只有极其少量的润滑剂残留在焊丝表面，该润滑剂可以是常用的润滑剂，例如类似Dow Corning 200的硅油。铝条带通常以大约每分钟40到200英尺的速度运行通过成形辊并且更典型地是以每分钟44英尺的速度。
从成型辊往下，铝条带通过一组缩径拉模拉拔，典型地大约7到8个直径逐渐减小的拉模，其直径由最初直径约0.146英寸减小到最后直径约0.062。一种情形是，这些拉模按直径(英寸)分以下系列：0.146、0.120、0.109、0.097、0.082、0.069、以及0.062。当铝条带通过缩径拉模拉拔时铝条带用无氢润滑剂润滑。在本发明的一个实施例中，润滑剂是二硫化钼。在另一个实施例中，润滑剂是二硫化钨。轧制成型的铝条带通常以大约每分钟100到1000英尺的速度拉拔通过缩径拉模。
利用下面的非限制性举例将更加详细地描述本发明。
举例。金属芯铝焊丝通过采用5056铝合金来形成外皮以及以下芯部组分来制备。
                                         表6
                                       芯部组分
    示例号     1     2     3     4     5     6
    铝粉   78.00   87.00   86.00   80.00   92.00   77.00
    Ca/Si合金   2.00   0.00   2.00   2.00   2.00   0.00
    钛   10.00   2.00   2.00   10.00   3.00   10.00
    Mn-N合金   6.00   6.00   0.00   6.00   1.60   6.00
    Zr/Si合金   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00
    铬   1.00   1.00   1.00   1.00   0.40   0.00
    硅   0.00   1.00   0.00   0.00   0.00   0.00
    KAlF   2.00   2.00   2.00   0.00   0.00   0.00
    Mn   0.00   0.00   6.00   0.00   0.00   0.00
    Ba/Si   0.00   0.00   0.00   0.00   0.00   6.00
    总计   100.00   100.00   100.00   100.00   100.00   100.00
利用示例5和6可以得到最好的焊接性及最少的孔隙。示例1-3存在一些孔隙。示例4没有孔隙。
以上参照本发明的具体实施例详细描述了本发明，应当理解可以做出许多修改和变型而不脱离以下权利要求书所定义的本发明的范围。

Claims (25)

1.一种用于形成铝焊道的金属芯铝焊丝，所述焊丝包括一个外皮和一个芯部，外皮用铝或铝合金制成，而芯部含有一种包括金属和合金粉末的组分。
2.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，除了铝，焊丝按重量百分比约包含：     硅     0-15     铜     0-7.0     镁     0-6.0     锰     0-1.5     钡     0-0.5
3.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，除了铝，焊丝按重量百分比约包含：     硅     0-15     铜     0-7.0     镁     0-6.0     锰     0-1.5
4.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，除了铝，焊丝按重量百分比约包含：     硅     0-15     铜     0-7.0     镁     0-6.0     钡     0-0.5
5.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，焊丝以焊丝重量的至少4％的量含有镁或硅。
6.如权利要求5所述金属芯铝焊丝，其特征在于，除了铝，焊丝按重量百分比约包含：     硅   4.5-6.0     铁   0.8最多     铜   0.3最多     锰   0.15最多     镁   0.1     钛   0.2最多
7.如权利要求5所述金属芯铝焊丝，其特征在于，除了铝，焊丝按重量百分比约包含：     硅   0.25最多     铁   0.4最多     铜   0.1最多     锰   0.05-0.20     镁   4.5-5.5     铬   0.05-0.20     钛   0.06-0.20
8.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，外皮由一种4000或5000系列的铝合金制成。
9.如权利要求8所述金属芯铝焊丝，其特征在于，外皮由5052或5056铝合金制成。
10.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分按重量百分比约包含以下成分：     ％     铝粉     0-100.00
    硅     0-4.0     钙     0-2.0     锰     0-6.0     锆     0-2.5     铬     0-3.33     钛     0-10     钡     0-1.5
11.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分按重量百分比约包含以下成分：     ％     铝     75-95.00     硅     0-4.0     钙     0-2.0     锰     0-1.60     锆     0-1.00     铬     0-0.40     钛     0-3.00     钡     0-1.5
12.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分含有钡。
13.如权利要求10所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分含有达1.5％的钡。
14.如权利要求13所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分含有一种含钡合金的粉末。
15.如权利要求14所述金属芯铝焊丝，其特征在于，含钡合金选自硅化钡(BaSi)或钙硅钡合金(CalSiBar)
16.如权利要求1所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分含有氮化锰(MnN)。
17.如权利要求16所述金属芯铝焊丝，其特征在于，芯部组分含有达6％的氮化锰(MnN)。
18.一种生产金属芯铝焊丝的方法，包括以下步骤：将芯部组分放在铝条带上；将铝条带成形为容纳芯部组分的管子；在管子表面涂覆无机润滑剂；以及将管子拉拔通过一组缩径拉模。
19.如权利要求18所述方法，其特征在于，润滑剂是二硫化钼。
20.如权利要求18所述方法，其特征在于，该方法包括另一步骤，即用四氯乙烯清洗管子表面。
21.如权利要求18所述方法，其特征在于，该方法包括一个烘干管子的步骤。
22.一种用于形成金属芯铝焊丝的铝管，该铝管包括一个在其内部容纳有一种芯部组分的铝外皮，其特征在于，该铝外皮的外表面涂覆有无机润滑剂。
23.如权利要求22所述铝管，其特征在于，润滑剂是二硫化钼。
24.一种用于形成铝焊缝的方法，包括在金属芯铝焊丝的附近区域或铝工作面上对金属芯铝焊丝施加电压以产生电弧，该电弧熔化焊丝和工作面并形成焊缝。
25.一种用于产生铝焊道的铝焊丝，该焊丝由铝或铝合金制成的管状外皮构成。
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