CN1432448A - 低碳高速金属焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种焊丝，它包括一层包裹由粉末状金属制成的金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比不低于大约12％。金属芯包括一种芯组成物，组成物熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种合金元素或它们的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成物中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约1％。在一种具体实施方案中，合金元素是Mo，其重量百分比在0％到5％的范围内，且金属芯的填充百分比在大约12％到大约30％的范围内。在本发明的一种具体实施方案中，多元素组合的总百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围内。

Description

低碳高速金属焊丝
技术领域
本发明主要涉及气体保护金属极电弧焊，更具体地，本发明涉及碳钢气体保护金属极电弧焊的自耗电极系列的组成和特性。
背景技术
为了满足日益增长的提高电弧焊生产率的需要，要求我们不断地努力在提高结构制造生产率的同时减少焊接时间，特别是对于机器人应用系统。为了使机器人焊接机的工作能力最大化，自耗焊接电极应该能够以最大的行进速度提供优质焊珠而不会增加焊接缺陷的数量。提高生产率且缩短焊接时间的方法之一是在给定焊接尺寸的情况下提高沉积速率和行进速度。遗憾的是，随着焊接过程中行进速度的增加，经常伴随着焊接缺陷数量的增加。
解决这一问题的另一途径是尝试控制焊接电极的组成和结构以改变其特性，使焊接过程的沉积速率和行进速度能有效地提高。电弧焊过程经常使用管状焊丝形式的自耗金属电极。这些金属芯焊丝通常由管状复合材料制成，管状复合材料有着金属包覆层和由多种粉状材料制成的焊丝芯。已知的管状焊丝类型可以分为金属芯焊丝或者焊剂芯焊丝。有着比较简单的化学组成和已知冶金术的金属芯焊丝电极具有高的沉积速率和高的沉积效率，且它产生的熔渣较少，因此，它日益成为固体或传统焊剂芯焊丝的替代品以提高结构制造的效率。如果金属芯焊丝所呈现的较高沉积速率能与高行进速度和高质量的焊珠相结合，这样的金属芯焊丝焊接电极将会很大程度地提高在汽车、造船和普通制造工业中有广泛应用的电弧焊的生产率。
在许多美国专利中描述的传统金属芯焊丝涉及焊接电极的元素组成的不同类型、结构或者组合。例如，美国专利3,656,918涉及一种适于用作焊丝填充材料的合金，它有着大约2％的Mo作为合金元素之一与Cr和Ni相组合。美国专利3,635,698涉及一种由Ni、Cr和Mo组合而成的低合金钢制成的焊丝填充金属。美国专利4,782,211涉及一类焊接电极装置，其焊棒包覆有一层由一定量的Mo和W熔合成的焊剂。该专利提到，钨的不同控制含量，最好是以铁钨合金的形式出现，可以改变焊接金属的工作特性。美国专利5,523,540涉及一种由一定元素组成范围内的组成物制成的焊接电极。该专利的焊接电极形成的焊接沉积有着低碳贝氏铁素体微结构，它有着足够的强度，可用于高强度钢的焊接。美国专利5,824,992涉及一种金属芯焊丝，它的芯组成物占金属芯焊丝总重量的大约2.5-6.0％或者2.5-12％。
金属芯焊丝的制造通常包括成形、填充和焊丝的拉制或者轧制。第一步，制成钢皮并将其弯曲形成U形管道，然后将一定量的金属粉末，例如铁粉，灌入U形管中。在随后的成形和拉制工序中封入并压紧该粉末以形成焊丝并将焊丝轧制到最终的形状。如果能够提供一种用如前所述的制作方法制造的有较高沉积速率和行进速度的改进金属芯焊丝，机器人电弧焊机的生产率将会有显著的提高。
发明内容
因此，本发明的目的之一是提供一种金属芯焊丝和一种制造此类焊丝的方法，使沉积速率有15-20％的提高。
本发明另一目的是提供一种金属芯焊丝电极组成物，使焊接电极的行进速度能有45-50％的增加。
本发明还有一个目的是提供同时具有高熔点和合适的焊丝熔化后表面张力这两种性质的碳钢合成金属芯焊丝，上述两种性质能够提高焊接过程中的沉积速率和行进速度。
本发明是一种具有包覆层的焊丝，包覆层内封装有由金属粉末制成的金属芯，其中金属芯的填充百分比不少于大约12％。金属芯包括一种芯组成物，该组成物熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素中多种元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中芯组成物中合金元素或者多元素组合的总重量百分比不超过大约1％。在一种具体实施方案中，合金元素为Mo，其重量在大约0％到大约0.5％的范围内，而金属芯的填充百分比在大约12％到大约30％的范围内。在本发明的一种具体实施方案中，多元素组合的总百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围内。
为使焊丝沉积速率有15-20％的提高，本发明提供一层封装钢芯的包覆层，钢芯的填充百分比在12％以上并且其组成中包含从Cr、Mo、V、W、Hf和Nb组成的一组元素中选出的一种合金元素和这些元素的多种组合物。当焊丝用于焊接过程中时，这种焊丝的沉积速率随着芯填充百分比的增加而增加。特别是，沉积速率从芯填充的百分比为大约12％时的15lb/h提高到芯填充的百分比为大约30％时的20lb/h。在某些具体实施方案中，Mo的总重量百分比的变化范围是大约0％到大约0.4％，而一种合金元素的总重量百分比不超过大约1％。
为使行进速度有40-50％的提高，本发明的焊丝包括一层封装金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比高于12％，金属芯的合金组成中有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或元素组合物的总重量百分比不超过大约1％，而焊丝用于焊接时的行进速度范围为大约65％英寸/分钟到大约145英寸/分钟。焊丝用于焊接时的行进速度可以用最大行进速度来表示，当芯填充百分比的变化范围在大约12％到30％之间时，最大行进速度的变化范围在大约80英寸/分钟到大约145英寸/分钟之间。本发明在焊接实验中测得的焊丝的最大行进速度对应于含有大约0％到大约0.4％的Mo的组成。
制造焊丝的方法包括：制作包覆层使之成为能够用金属粉末填充的形状；用金属粉末填充包覆层，金属粉末的组成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约1％。此外，在制造过程中金属粉末被压紧以形成金属芯；然后焊丝被拉制以使得金属芯的填充百分比不少于12％。按照本发明，芯填充百分比在大约12％到大约30％之间，合金元素是Mo，其含量在大约0％至大约0.4％之间。组合物的总重量百分比在大约0.4％到大约0.8％之间。
通过对本发明的下述详细说明及附图的研究，本发明的这些及其它的目的、特性和优点将会变得更为明显。
附图说明
图1是金属芯焊丝的剖视图。
图2是显示电压和焊丝进给速度之间关系的图形。
图3是显示沉积速率和芯填充百分比之间关系的图形。
图4是显示转化频率和芯填充百分比之间关系的图形。
图5(a)-(h)是表5中给出的焊接试样的照片。
具体实施方式
本发明基于含有Fe、Mn和Si的低碳钢金属芯焊丝，其中，Mn和Si是主要的合金元素。焊丝更为详细的组成示于表1中，其组成相当于American Welding Society(AWS)(美国焊接协会)规范A5.18的E70C-6C型电极。
表1传统低碳钢金属芯电极焊接金属组成(AWSA.5.18)表1
 组成元素 AWS A5.18
 Mn 不超过1.7
 Si 不超过0.9
 Cu 不超过0.5
 S 不超过0.03
 P 不超过0.03
 Fe 均衡的
这种焊丝中Mn和Si的作用是还原焊接过程中沉积的金属并改变沉积金属的微结构以获得所需的机械性能。另外，Si能增加焊珠的湿润度，因而可以改善沉积焊丝的可焊性。如表1所示，金属粉末中的少量金属和非金属添加物(Cu、S、P)在焊接过程中可以稳定电弧并减少可扩散氢的量。焊丝电极中的金属部分通常不少于电极总重量的大约95％，而芯组成物的重量占焊丝总重量的大约10％到大约20％。
本发明的金属芯焊丝的特点在于一种特定的元素组成，这种组成能减小在前一段中所说明的复合焊丝熔融态焊接金属的表面张力。表面张力的减小是由于焊丝芯组成物中添加有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或一种元素组合。表面张力的减小有利于电弧沟区(已被电弧熔化但还没有被熔融态焊接或填充金属填充的基底金属部分)中的熔融态焊接金属的扩散。本发明金属芯电极焊丝的组成如表3所示。
表3.(Cr、Mo、V、W、Hf和Nb的总百分比不超过1％)
本发明的金属芯电极焊接金属组成物的元素组成。表3
 Mn 不超过1.7
 Si 不超过0.9
 Hf 不超过0.5
 Cr 不超过0.5
 Mo 不超过0.5
 W 不超过0.5
 V 不超过0.5
 Nb 不超过0.5
 Cu 不超过0.5
 S 不超过0.03
 P 不超过0.03
 Fe 均衡的
在金属芯焊丝电极中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或一种元素组合的原因是为了提高焊接速度，这是因为其增大了熔融态焊接金属的凝固范围(并且，因而减小了固化速率)。因为高行进速度导致高固化速率，所以填充时间不足通常造成熔融态焊接金属不能完全填充电弧沟，这又会导致可能形成电弧沟区的下陷、突起或其它缺陷。增大焊丝的凝固范围，正如本发明能够做到的，改善了基底金属的湿润性并减缓了固化过程，使得有充足的时间让熔融态焊接金属填满电弧沟。多个试验焊丝的例子及它们的组成如表2所示。特别是，试验焊丝在填充百分比为12％到30％之间时熔合了不同百分比的Mo(大约0％、大约0.2％和大约0.4％)。
表2：试验焊丝(直径1.4毫米)及它们的组成：表2
填充％(重量百分比)  C％(重量百分比)  Mn％(重量百分比)  Si％(重量百分比)  N％(重量百分比)  Mo(重量百分比)
试验067     12  0.041  1.437  0.549  0.018  0.026
试验068     18  0.028  1.394  0.540  0.028  0.027
试验069     24  0.025  1.693  0.662  0.032  0.032
试验070     30  0.024  1.018  0.325  0.033  0.030
试验066     12  0.043  1.314  0.497  0.016  0.219
试验056     18  0.033  1.256  0.456  0.022  0.196
试验058     24  0.027  1.183  0.428  0.023  0.206
试验059     30  0.031  1.320  0.456  0.021  0.192
试验071     12  0.021  1.278  0.419  0.016  0.403
试验072     18  0.039  1.246  0.456  0.019  0.421
试验073     24  0.036  1.275  0.489  0.016  0.418
试验074     30  0.035  1.173  0.414  0.020  0.415
应该理解的是，尽管列出的试验结果是在试验焊丝中熔合有Mo的情况下测得的，但已经证明，在焊丝中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或它们的一种元素组合的情况下得到的试验结果可以与熔合有Mo的情况相比。通常合金组合物的重量百分比不超过1％，且在大多数情况下合金组合物的重量百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围之内。
表1中试验焊丝的合金元素的高填充百分比对于同时改善沉积速率和熔融态金属的湿润作用是显著的。在350A、34V、DCEP、试验焊丝直径为1.4毫米的条件下，根据焊丝填充百分比，测取了表2中列出的12种不同试验焊丝的沉积速率。表2中分别熔合有大约0％、0.2％和0.4％的Mo的系列焊丝的填充百分比在大约12％到大约30％之间变化。
图3显示的是067-070试验焊丝的沉积速率的测试结果，这些试验焊丝对应于其组成物中只有几乎为0％的Mo。从图3可以看出，芯填充大约为30％的070焊丝的沉积速率大约是20英镑/小时，这远远高于芯填充只有大约12％的060焊丝的大约15.6英镑/小时的沉积速率。所观察到的沉积速率的提高是由于有较高芯填充百分比的焊丝的电阻增大了。更具体地，较高的芯填充使得焊丝横截面内金属粉末物质相对于总的焊丝横截面的比例较高。因为粉末金属芯焊丝所呈显的电阻比同直径实心金属芯焊丝为高，所以有较高填充的金属粉末芯焊丝在焊接过程中产生更多的热量，从而导致更高的沉积速率。应注意的是，在本发明的说明中术语“实心金属芯”的意思是金属芯由整块金属而不是由压紧的金属粉末制成。
为了在焊接过程中得到连贯的高沉积速率和高行进速度的结果，重要的是有一种能为这些焊接过程确定和选择优化焊接参数的方法。在使用自耗电极的电弧焊过程中，感兴趣的参数是焊丝进给速度、电压和行进速度。如果选择了非优化的焊接参数，那么很可能会出现高缺陷率和低焊接质量。对于使用恒定电压的固定尺寸的角焊过程，在假定沉积率恒定的情况下，焊丝的进给速度通常与焊丝的行进速度成正比。沉积率是指实际沉积在基底金属上而不是浪费在熔渣、溅沫或烟雾中的焊丝重量百分比。多数金属芯自耗焊丝的沉积率通常在90-98％的范围内，并会在焊接过程中有微小变化。考察一个1/8英寸接缝角焊的示例性例子，行进速度大约等于焊丝速度的20-25％且电压近似恒定。图2提供了许多被列样品的焊丝进给速度和电压数据。图2给出了优化电压和焊丝进给速度之间的关系，试验中试验焊丝直径为1.4毫米，固定电弧长度约为1/8英寸。用于获得图2所示结果的其它焊接参数是1/8英寸搭接、DCEP、100％CO2保护气体和在15度下倾方位上的1F电极配置。电弧的长度用高速CCD相机来校准。在用表5中列出的样品进行焊接后，得到的焊接质量显示于图5(a)-(h)中。
显示高芯填充金属焊丝的优点的另一方法是在焊接过程中分析它们的熔滴转化频率。熔滴转化频率是评价电弧稳定性的一个重要指标。较高的熔滴转化频率既能导致较好的电弧稳定性，也能导致较好的焊接池内部对流、增强的液态金属湿润作用和较低的焊丝溅沫程度。表2中067-070试验焊丝的熔滴转化频率随焊丝芯填充百分比的提高而显著提高，如图4所示。图4中的熔滴频率数据是用高速CCD相机获得的，测量条件为350A、43V、DCEP。
从图4可看出，焊丝的总体可焊性通过增加焊丝芯填充百分比和使用具有本发明所述化学组成的焊丝而得到了改善。为了进一步显示这一发现，表4列出了一些数据，这些数据表明使用试验焊丝的焊接过程提高了沉积速率和焊接速度。实验是针对含有大约0％、0.2％和0.4％的Mo的系列焊丝的不同填充百分比进行的。
              表4试验焊丝的沉积速率和最大行进速度。表4
  Mo％(重量百分比) 填充％(重量百分比) 沉积速率(英镑/小时) 最大行进速度(英寸/分钟)
试验067   0.026     12     15.6     80
试验068   0.027     18     16.7     80
试验069   0.032     24     18.7     80
试验070   0.030     30     20.0     100
试验066   0.219     12     15.4     95
试验056   0.196     18     15.8     100
试验058   0.206     24     18.2     140
试验059   0.192     30     19.5     145
试验071   0.403     12     16.0     95
试验072   0.421     18     17.1     110
试验073   0.418     24     19.0     140
试验074   0.415     30     20.8     140
表4中行进速度的测量是按照AWS/ANSI D8.8-89(SAE HS J1196)：汽车和轻型卡车部件焊接质量(电弧焊)规范进行的，这里引用该规范以作参考。表4中067试验焊丝是一个传统金属芯焊丝的例子，其芯填充百分比为10-20％，并且除Mn和Si外没有超过0.1％含量的合金元素。它的沉积速率大约是15.6lb/h，最大行进速度是80英寸/分钟。从表4中可以清楚地看到，作为本发明一个例子的058试验焊丝显示了18.2英镑/小时的较高沉积速率和140英寸/分钟(最大行进速度)的非常高的沉积速度。很明显，同时具有高芯填充百分比和添加有受控量合金元素Mo的试验焊丝显示了最佳沉积速率和行进速度。
根据本发明，制作具有所述组成和高芯填充百分比的金属芯焊丝包括准备包覆层(例如钢皮)和使包覆层成形为(通常是弯曲)能用诸如铁粉之类的金属粉末填充的形状。通常这种形状是U形的。金属粉末的组成成分中含有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或者一种元素组合，这些金属粉末被填入包覆层。合金元素组合物的百分比通常不超过1％，而最佳百分比则在大约0.4％到大约0.8％的范围内。当Mo被用作唯一的合金元素时，其百分比在大约0％到大约0.4％之间变化。随后的成形和拉制过程是，如前所述封入并压紧粉末，形成焊丝并使焊丝缩小到最终形状，使其芯填充百分比高于12％。
因此，已经表明，添加多达0.4％的Mo到芯填充百分比高于12％的金属芯电极焊丝中，将显著提高其沉积速率和行进速度而不会降低焊接质量，这就能显著提高焊接过程的生产率。本发明的书面说明使本领域的技术人员能利用和使用那些被认为是当前的本发明的最佳方法。本领域的技术人员也应清楚认识到，只要不超出这里公开的具体示例性实施方案的精神和范围，可以对其进行改变、组合、修改和等效替换。还应认识到，所述的说明性例子决不能理解为对本发明的限制。所附权利声明书中声明的本发明的目的、特点和优点适用于所有类型的金属芯焊丝，例如低碳金属芯、不锈钢金属芯和低合金金属芯焊丝。

Claims (20)

1、一种焊丝包括：
包裹了由粉末状金属制成的金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比高于大约12％；和
金属芯的组成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种合金元素或这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约1％。
2、如权利要求1的焊丝，其中合金元素是Mo，其重量百分比在大约0％到大约0.5％的范围内。
3、如权利要求1的焊丝，其中金属芯的填充百分比在大约12％到大约30％的范围内。
4、如权利要求1的焊丝，其中多元素组合的总百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围内。
5、如权利要求1的焊丝，其中其组成主要包括：大约0.021-0.043％的C、1.0-1.690％的Mn、0.33-0.66％的Si和0.016-0.033％的Ni，并且金属芯的填充百分比高于大约12％。
6、如权利要求1的焊丝，其中合金组合物包括：大约不超过0.5％的Cr、不超过0.5％的Mo、不起过0.5％的W、不超过0.5％的V、不超过0.5％的Hf和不超过0.5％的Nb。
7、一种提高了生产率的焊丝包括：
包裹钢芯的包覆层，其芯填充百分比高于12％；和
钢芯的组成中包含有从Cr、Mo、V、W、Hf和Nb组成的一组元素中选出的一种合金元素，或者这些元素的多种组合，其中焊丝用于焊接时其沉积速率随芯填充百分比的增加而提高。
8、如权利要求7的提高了生产率的焊丝，其中沉积速率从芯填充大约为12％时的大约15英镑/小时提高到芯填充大约为30％时的大约20英镑/小时。
9、如权利要求7的提高了生产率的焊丝，其中一种合金元素的总重量百分比不超过大约1％。
10、如权利要求8的提高了生产率的焊丝，其中Mo的总重量百分比的变化范围是从大约0％到大约0.4％。
11、如权利要求7的提高了生产率的焊丝，其中钢芯由压紧的金属粉末制成。
12、一种提高了生产率的焊丝包括：
包裹金属芯的包覆层，其中金属芯的芯填充百分比高于大约12％；和
金属芯的组成成分中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种合金元素或这些元素的一种组合物，或者这些元素的多种组合物，其中，芯组成中合金元素或者多元素组合的总重量百分比不超过大约1％，用于焊接时，焊丝的行进速度在大约65英寸/分钟到大约145英寸/分钟的范围内。
13、如权利要求12的提高了生产率的焊丝，其中，当用于焊接时，焊丝的行进速度当芯填充在大约12％到大约30％的范围内时，其最大行进速度在大约80英寸/分钟到大约145英寸/分钟的范围内。
14、如权利要求12的提高了生产率的焊丝，其中，当用于焊接时，焊丝行进速度从大约65英寸/分钟提高到大约90英寸/分钟。
15、如权利要求13的提高了生产率的焊丝，其中，当用于焊接时，焊丝的最大行进速度对应于在其组成中所包含的Mo的百分比在大约0％到大约0.4％的范围内。
16、一种制造焊丝的方法包括：
将包覆层做成能够用金属粉末填充的形状；
用金属粉末填充包覆层，金属粉末的组成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种合金元素或这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约1％；
压紧金属粉末以形成金属芯；和
拉制焊丝以使金属芯的芯填充百分比不低于12％。
17、如权利要求16的方法，其中芯填充百分比的范围在大约12％到大约30％之间。
18、如权利要求17的方法，其中合金元素是Mo且Mo的总重量百分比在大约0％到大约0.4％的范围内。
19、如权利要求16的方法，其中元素组合的总重量百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围内。
20、如权利要求16的方法，其中合金元素组合包括：大约不超过0.5％的Cr、不超过0.5％的Mo、不超过0.5％的W、不超过0.5％的V、不超过0.5％的Hf和不超过0.5％的Nb。
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