CN1919521A - 气体保护电弧焊的无铜焊丝 - Google Patents

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Abstract

公开了一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，该焊丝具有优异的电弧稳定性、优秀的沉积效率和高熔融速率，所述焊丝具有平坦的加工表面以及相对于加工表面为负向(朝向焊丝中心)且沿表面圆周方向形成的凹陷，其中，圆弧实际长度(dr)与圆弧表观长度(di)之比(dr/di)处于1.015－1.515的范围内，化学成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100在0.10－0.80的范围内。

Description

气体保护电弧焊的无铜焊丝
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年8月22日提交的韩国专利申请10-2005-0076593的优先权，该申请的全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半自动焊接或自动焊接的无铜焊丝。更具体地，本发明涉及一种焊接低碳钢和高强度钢的无铜焊丝，与镀铜焊丝相比，本发明提供的无铜焊丝可以在低电流短路过渡(transfer)时，在焊接速度不低于100厘米/分钟(下面称为CPM)的高速焊接条件下具有优秀的电弧稳定性，并且在不低于350安的高电流焊接条件下表现出优秀的沉积效率和高熔融速率。
背景技术
为了保证焊丝性能，如导电性、送丝性、耐锈性等等，一般在焊丝表面镀铜。在焊丝表面镀铜的情况下，需要在焊丝表面形成均匀的铜镀层，以便保证导电性、送丝性和耐锈性。在焊丝表面镀铜不均匀的情况下，由于焊接时导电嘴(contact tip)内焊丝与导电嘴的磨擦，微小的铜片从焊丝表面脱落(或分离)，并集中在导电嘴内的一个部分上，从而造成导电嘴阻塞的现象。这种导电嘴阻塞的现象导致送丝性差和电弧不稳定，同时增大飞溅(spatter)的生成量。除了上述问题以外，镀铜焊丝在电镀过程中产生有害废水，从而加剧环境污染。
为了解决包括环境污染在内的这些问题，开发了表面不镀铜的焊丝，即无铜焊丝。对于镀铜焊丝，铜镀层薄膜能够使焊丝与导电嘴稳定接触，从而提供相当稳定的电弧性能。但对于将用作铜镀层替代物的无铜焊丝，需要赋予焊丝表面层特殊的性能，例如，与导电嘴稳定接触。
为了满足这些需求，传统技术已经开发了一种焊丝，这种焊丝由孔和在瓶颈状凹陷内侧膨大的内部分，和/或延伸到焊丝表面层内的洞穴状凹陷，即包括入射光从外部不能照到的部分的洞穴状凹坑。这些凹坑用于稳定地锚固粉状功能涂层剂。为了保证电弧稳定性和送丝性，这种涂层剂必须存在于焊丝表面。另外，同时使用聚异丁烯油作为稳定地锚固粉状功能涂层剂的附加手段。
同时，本发明的发明人发现，由于本质上不可能均匀地控制瓶颈状或洞穴状凹坑的尺寸(体积)，即凹陷的内部体积，因此仅仅利用瓶颈状或洞穴状凹坑以及垂直入射光从外部不能照到的部分长度与焊丝基准圆弧长度之比，不可能在焊丝表面，即沿圆周方向(360°)，均匀地涂覆功能涂层剂。因此，当长时间执行焊接工艺时，粉状功能涂层剂在送丝导管和导电嘴内积累，造成送丝性差，妨碍导电嘴与焊丝之间的稳定接触，造成电弧不稳定。结果，飞溅生成量增大。此外，由于焊接时的电阻热以及辐射热，粉状功能涂层剂易于熔化和粘附，或者其副产物可以特别积累在导电嘴的前端。尤其是，凹陷是瓶颈状或洞穴状，因此在最终拉拔之后的去油过程中不能有效地进行去油，润滑剂残留量增多。
发明内容
因此，为了至少解决上述问题和/或缺点，以及为了至少提供下面所述的优点，本发明的一个目的是提供一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，所述焊丝可以在其表面没有铜镀层的情况下与导电嘴稳定接触，从而在长时间焊接时铜片不会堵塞在送丝导管和导电嘴内，从而提供优秀的电弧稳定性、稳定的送丝性以及飞溅生成量的减少。
本发明的另一个目的是提供一种具有恰当化学成分的无铜焊丝，从而焊接过程中液滴的表面张力减小，由此便于短路过渡模式以及高电流焊接条件的液滴过渡。
为了达到上述目的和优点，提供一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，该焊丝具有平面状加工表面，以及在表面的圆周方向上形成的且相对于加工表面为负向(朝向焊丝中心)的凹陷；其中圆弧实际长度(dr)与圆弧表观长度(di)之比(dr/di)在1.015-1.515的范围内；并且化学成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100在0.10-0.80的范围内。
在一个典型实施例中，存在于焊丝表面的润滑剂残留量为每千克焊丝不大于0.50克。
在一个典型实施例中，焊丝表面涂覆的表面处理剂为每千克焊丝0.03-0.70克，并且表面处理剂优选含有动物油、植物油、矿物油、混合油以及合成油中的至少一种。
附图说明
通过参考附图描述本发明的一些实施例，本发明的上述方面和特征将变得更加明显。在附图中：
图1是表示表面张力与熔融金属(溶质)之间关系的曲线图；
图2是示意性表示温度与合金元素表面张力之间的关系；
图3是表示电弧焊接过程中熔融金属过渡行为的示意图；
图4是表示电阻率与焊丝熔融速率之间关系的曲线图；
图5和6是SEM显微照片，每幅照片表示根据本发明一个实施例的，不存在加工表面的焊丝表面；
图7和8是SEM显微照片，每幅照片表示根据本发明一个实施例的，完全由加工表面形成的焊丝表面；
图9和10是SEM显微照片，每幅照片表示根据本发明的焊丝表面，其中焊丝表面具有加工表面以及相对于加工表面沿负向(朝向焊丝中心)在其中形成的凹陷；
图11是SEM显微照片，表示根据本发明一个实施例的，测量计算圆弧表观长度(di)所需的弦长(l)的图像；
图12示意性表示弦长(l)、焊丝半径(r)、圆弧内角(θ)和圆弧表观长度(di)之间的关系；以及
图13和14是SEM显微照片，分别表示根据本发明一个实施例的，测量圆弧实际长度之前的图像以及测量之后的图像，每幅图像是用图像分析系统得到的。
具体实施方式
下面参考附图详细地描述本发明优选的实施例。
如上所述，与传统技术的镀铜焊丝不同，无铜焊丝在其表面应当具有作为铜镀层的替代物的特殊性能，与导电嘴稳定接触。
为了使焊丝表面具有特殊性能，焊丝表面可以分成三类，即，仅由加工表面形成的平坦表面(在说明书中，术语“加工表面”是指由SEM放大1000倍、从与焊丝长度成90度方向观察焊丝的横截面图像时，拉拔时通过模具在焊丝表面沿圆周方向形成的平面部分)，不存在加工表面的不规则表面(凹凸)，以及由加工表面和凹陷组成的组合表面，凹陷是相对加工表面沿负向(朝焊丝中心)在圆周方向形成的。
如图5和6所示，不规则表面是指不存在加工表面的表面。根据传统技术，焊丝具有在其表面上形成的孔以及内部比横截面上形成的孔宽的瓶颈形和/或洞穴状凹坑。但是，根据本发明的分类，这对应于不规则表面。
虽然这种不规则表面能提供对表面处理剂或功能涂层剂的优秀锚固能力，但导电嘴与焊丝之间的稳定接触由于缺少加工表面而得不到保证，并且由于焊接时在送丝导管(feeding cable)内的摩擦增大送丝载荷，导致送丝性变差。另外，最终拉拔之后在除油过程中不能有效地执行除油，使润滑剂残留量增大。
同时，图7和8所示的平面仅包括加工表面，保证导电嘴与焊丝之间的稳定接触。但是，表面处理剂或功能涂层剂的锚固能力下降，造成由于润滑不充分引起的送丝性差的问题。
相反，如图9和10所示，根据本发明的焊丝组合表面具有沿圆周方向是平坦的加工表面和凹陷，凹陷为相对于加工表面沿负向(朝向焊丝中心)而不是在与焊丝纵向成90度方向形成的，形状为凹凸或凸的不规则横截面。如果加工表面的总长度与随机圆周方向的测量长度之比在一个适当范围内，则此类型的焊丝表面可以保证焊接时导电嘴与焊丝之间的稳定接触，并提供稳定电弧，从而减少飞溅。
但是，将加工表面总长度的比例修改到适当范围，不足以有效减小焊接时形成的飞溅量。虽已知焊接时形成的飞溅量随润滑剂残留量正比增大，然而，将加工表面总长度的比例设定在适当范围内，不是解决润滑剂残留量相关问题的完美方式，而润滑剂残留量随凹陷的深度、体积和形状而变。
根据本发明，当焊丝具有包括加工表面和相对于加工表面为沿负向(朝焊丝中心)且在圆周方向形成的凹陷的组合表面时，并且当圆弧实际长度(dr)与圆弧表观长度(di)之比(dr/di)在1.015-1.515范围内时，可以得到优异的电弧稳定性和优秀的可焊接性，并且润滑剂残留量减少。
这里，圆弧实际长度是通过使用图像分析系统测定相应于用SEM放大1000倍的、与焊丝纵向成90°的截面图像上待测面积的圆弧实际长度获得的(即，焊丝表面中形成的凹陷圆周长度与加工表面长度之和)。另外，圆弧表观长度是在限定的测量区域与实际焊丝直径对应的圆弧长度的理论计算值。此计算过程将在下面解释。
对于圆弧实际长度与圆弧表观长度之比(dr/di)小于1.015的情况，这在实际制造工艺中几乎不可能达到，并且焊丝表面由几乎全部是平面一样的加工表面构成。当这种情况出现时，即使可以保证导电嘴与焊丝之间的稳定接触，表面处理剂或功能涂层剂的锚固能力也变差，从而由于润滑不充分导致送丝性差。同时，在圆弧实际长度与圆弧表观长度之比(dr/di)超过1.515的情况下，焊丝横截面变粗糙(不规则)，从而提高表面处理剂的锚固能力。然而，导电嘴与焊丝之间的稳定接触由于缺少加工表面而得不到保证，并且由于焊接过程中送丝导管内的摩擦增大送丝载荷，使送丝性变差。
另一方面，如果像本发明一样，圆弧实际长度与圆弧表观长度之比(dr/di)在1.015-1.515范围内，则焊丝横截面变光滑，保证有足够的加工表面。此外，由于对应于瓶颈状或洞穴状部分的凹陷体积减小，润滑剂残留量也减少。这种方式可以保证焊接过程中导电嘴与焊丝之间的稳定接触，润滑剂残留量减少，并且飞溅生成量明显减少。
在本发明中，润滑剂残留量设定为等于或小于0.50克/千克焊丝(每千克焊丝的润滑剂重量)。当润滑剂残留量超过本发明极限0.50克/千克焊丝时，焊接过程生成的飞溅量增大，从而电弧稳定性变差。
拉拔工序使用的润滑剂应在最后拉拔工序之后彻底去除。除油操作通常机械完成或者通过基于碱溶液的除油或者电解除油。润滑剂残留量不但受除油方法影响，也受焊丝表面形成的凹陷形状影响。特别是，如果凹陷形成得深或者具有瓶颈状或洞穴状，就非常难以去除润滑剂。
根据本发明，当圆弧实际长度与圆弧表观长度之比(dr/di)在1.015-1.515范围内时，可能保持润滑剂残留量不超过本发明设定的0.50克/千克焊丝。但是，如果比例dr/di超过1.515，虽然可以进行电解除油作业，但仍难以在内嵌系统中将润滑剂残留量降低到等于或小于0.50克/千克焊丝。
而且，根据本发明，焊丝表面涂覆0.03-0.70克/千克焊丝表面处理剂。这里，表面处理剂使焊丝具有稳定送丝性，从而进一步增强电弧稳定性。
如果每千克焊丝存在的表面处理剂小于0.03克，则由于表面处理剂的量过少而不能保证充分的润滑，从而送丝性变差。相反，如果每干克焊丝存在的表面处理剂大于0.70克，则由于焊接过程中送丝器部分内的打滑现象使送丝性变差。
根据本发明，表面处理剂含有动物油、植物油、矿物油、混合油和合成油中的至少一种。当使用粉末表面处理剂时，经过长时间焊接后，粉末表面处理剂阻塞在送丝导管和导电嘴内。但是，当使用油类表面处理剂时，避免了表面处理剂的积累，从而进一步稳定电弧，同时更有效地抑制飞溅生成。
与镀铜焊丝不同，在低电流高速焊接过程不容易提高无铜焊丝的电弧稳定性，或者在高电流焊接时不容易提高沉积效率和熔融速率。因此，本发明人研究了能调节焊丝表面张力和电阻率的化学成分，而表面张力和电阻率影响焊接过程的焊丝过渡行为。
气体保护电弧焊的无铜焊丝含有C、Si、Mn、P、S、Cu和Fe作为主要成分以及不可避免的杂质。为了达到焊接过程的电弧稳定性，将这些成分分成液滴过渡阻止因素(inhibiting factor)和液滴过渡促进因素(motivatingfactors)，并分别设定它们的极限范围。
研究了作为液滴过渡阻止因素的Si、Mn、P、S和作为促进因素的Cu之间的关系。本发明人发现，当比例[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100调节在0.10-0.80范围内时，低电流短路过渡模式的电弧稳定性以及高电流焊接过程的沉积效率和熔融速率得到改善。
在焊丝成分的元素中，C是焊接过程生成飞溅的主要因素。因此，本发明人从焊丝成分中去除碳，因为它将破坏电弧稳定性，与本发明目的相矛盾。
此外，为了使沉积效率最大，尽可能避免焊接过程降低沉积效率的烟尘、飞溅和渣生成物质。
通过控制焊丝表面性能，控制焊丝表面的润滑剂残留量，以及限制表面处理剂为液态，本发明人成功抑制了烟尘、飞溅和渣的生成。特别是，本发明人试图通过抑制无铜焊丝的铜含量，调节Si和Mn含量达到优秀的电弧稳定性，并且通过尽可能抑制烟尘、飞溅和渣的生成物质提高沉积效率。
下面将详细解释焊丝的每种成分及其在成分比例中的作用。
C：0.03-0.07重量％(元素重量与焊丝总重量之比)
C是提高沉积金属拉伸强度的元素。但是，如果焊丝中的C含量增大，则焊接过程生成的飞溅增多。当C含量小于0.03重量％时，沉积金属的强度变得太弱。同时，当C含量超过0.07重量％时，焊接过程生成的飞溅增多。
Si：0.50-1.00重量％
Si提高熔融金属的流动性并抑制焊缝(welding beads)的铺展。另外，Si是保证金属强度的重要元素，并对熔融金属有脱氧作用，从而在熔融金属上面形成渣。当Si含量小于0.50重量％时，沉积金属的拉伸强度和熔融金属的流动性下降。另一方面，当Si含量超过1.00重量％时，高电流焊接过程的焊缝铺展以及焊接过程的金属流动性增大，导致熔体波动和电弧不稳定。
Mn：1.10-1.80重量％
Mn像Si一样具有脱氧作用，在焊接金属上形成渣，并提高沉积金属的强度。当Mn含量小于1.10重量％时，不能保证沉积金属的拉伸强度和恰当的表面张力。另一方面，当Mn含量超过1.80重量％时，焊接过程中液滴的活性氧含量减小，熔体的表面张力增大。
P：0.01-0.03重量％
P作为杂质存在于金属中，并生成低熔点化合物，增大高温裂纹生成倾向(high-temperature crack receptivity)。但是，当钢中的P含量高时，熔融金属的表面张力下降，如图1所示。具体地，当P含量小于0.01重量％时，其对焊接过程液滴表面张力影响不明显。另一方面，当P含量超过0.03重量％时，将导致高温裂纹。
S：0.01-0.03重量％
与P类似，S也产生低熔点化合物并增大高温裂纹生成倾向。但是，S与O和N都是典型的表面活性元素，能降低熔融金属的表面张力，如图1所示。当S含量小于0.01重量％时，其对焊接过程液滴表面张力影响不明显。另一方面，当S含量超过0.03重量％时，将导致高温裂纹。
如图2所示，随温度升高，合金的典型元素的表面张力下降。但是，当加入表面活性元素时，其表面张力随温度正比增大。因此，可以达到深的渗透，同时有利于焊丝前端的过渡。
Cu：0.003-0.030重量％
Cu作为杂质存在于钢中。当镀在表面时，Cu改善焊丝与导电嘴之间的导电性，但在焊接过程中具有与表面张力调节剂(surface tension conditioner)一样的作用。当Cu含量小于0.003重量％时，不能在焊接过程调节液滴的表面张力。另一方面，当Cu含量超过0.030重量％时，表面张力增大太多，阻碍液滴过渡。
下面说明熔融金属在电弧焊接过程的过渡现象。如图3所示，过渡促进因素包括低熔融金属的表面张力(FS)、熔融金属液滴的静负荷(重力，FG)、与焊接电流平方成正比的收缩力(FEM)。另一方面，过渡阻止因素包括使用二氧化碳气体抑制液滴前端过渡的载弧能力(FB)、电磁力(FEC)、高熔融金属的表面张力(FS)等。
此外，通过液滴过渡促进因素以及焊丝末端与导电嘴之间产生的电阻热控制电弧焊过程中的焊丝熔融速率。熔融速率可以用下面的式1表示。
[式1]熔融速率＝电弧热+电阻热＝aI+bLeI2
式中，a、b是常数，Le是焊丝延伸长度，I是焊接电流。
电阻热随电弧焊过程中焊接电源提供的电流的平方以及从导电嘴到焊丝末端的焊丝延伸长度成比例增大。式1可以按电阻热表示，得到下面的式2。
[式2]电阻热＝aLeI2
式中，a是常数，Le是焊丝延伸长度，I是焊接电流。
由于电阻热随电阻率成比例增大是物体的一种固有(内在)性能，因此很明显，电阻率和电阻热随焊丝种类和表面层状态而变化。图4表示电阻率和熔融速率之间的关系。
一般地，对于导电金属，金属中的自由电子在金属温度升高时运动活跃。自然地，内部电子的相互碰撞更加频繁，很多电子因此而不能容易运动。这导致电阻增大，并进一步导致电阻率增大。因此，受焊接过程高温电弧热作用，焊丝末端的电阻大于室温的电阻，并且很显然，如果室温电阻已经高，则高温的电阻更高。
因此，为了控制确定制造工艺质量的焊丝表面性能，同时将液滴过渡促进因素和焊丝熔融速率促进因素综合在一起，本发明人将Si、Mn、P和S的含量限制在特定范围，并重复进行优化实验。然而，他们不能将传统镀铜焊丝铜镀层的典型作用即调节导电性和表面张力赋予无铜焊丝。因此，作为表面张力调节剂，将Cu成分与熔融速率控制成分Si、Mn、P和S之比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100控制在0.10-0.80范围内。通过这种方式，本发明人可以在低电流短路过渡模式下促进液滴过渡，从而有利于高速焊接。另外，本发明人能得到气体保护电弧焊的无铜焊丝，使高电流焊接过程的液滴过渡得到稳定。
这里，如果[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100的值小于0.10，意味着分母(Si+Mn+P+S)含量较大。换言之，钢中含有大量杂质，即P和S，或者大量脱氧剂，即Si和Mn。当形成低熔点化合物的P和S含量高时，难以恰当地控制表面张力，并且焊接过程产生高温裂纹的危险增大。类似地，如果Si和Mn含量高，表面张力增大，不容易实现液滴的顺利过渡。
另一方面，如果此比例值超过0.80，意味着分母(Si+Mn+P+S)含量小或者分子Cu含量大。由于本发明是无铜焊丝，原料的Cu含量非常小，低于预定范围，因此Cu含量不应该大。
那么，人们就可以怀疑(Si+Mn+P+S)含量小。如果赋予脱氧作用或者为焊接金属提高强度的Si和Mn含量低，则由于缺少脱氧作用，难以得到好的焊接部分或所需的强度。此外，与焊接金属焊缝铺展性直接相关的Si元素的缺乏，使最终焊接部分的焊缝具有凸起形状，将导致角焊接时咬边(undercut)以及多层焊接时混入熔渣。
而且，如果作为表面活性元素的P和S的含量太低，熔融金属的表面张力增大，焊丝不容易在高温电弧中熔化，导致短路过渡模式下过渡频率下降。
因此，通过将[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100控制在0.10-0.80范围内，本发明人得到的无铜焊丝在短路过渡条件下表现优异的高速焊接性，以及在高电流焊接条件下表现优秀的沉积效率和高熔融速率。
下表1总结了镀铜焊丝和无铜焊丝之间的组分、化学成分比即[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100、表面张力和电阻率的对比结果。
表1
  分项   化学成分(重量％)   {Cu/(Si+Mn+P+S)}×100   表面张力(10-3牛/米)   电阻率(微欧姆·厘米)
C Si Mn P S Cu *其它
  镀铜   0.058   0.85   1.54   0.014   0.014   0.160   余量   6.62   1050   32.3
  无铜   0.050   0.95   1.46   0.013   0.025   0.010   余量   0.41   980   33.6
*其它：Fe和不可避免的杂质
●表面张力试验方法：Inagaki(4.3*I*V)/(烧穿厚度)*√焊接速度
●电阻率测量方法：利用4点探针法将100毫安电流施加在试样两端。根据表1所示结果，取决于是否具有铜镀层，镀铜焊丝和无铜焊丝的铜镀层表面具有不同的元素、不同的化学成分和不同的电阻率值。因为这些差异，焊丝在低电流短路过渡模式下具有不同焊接速度，在高电流焊接条件下具有不同的焊接性。
下面说明将表示焊丝表面性能的dr/di值控制在1.015-1.515范围内的方案。
首先，为了保证加工表面和加工表面总长度的比例，拉拔工序之前的粗糙度，即用于拉拔工序的棒的粗糙度，应保持在等于或小于0.40微米(Ra)。这可以通过盐酸酸洗或硫酸酸洗来实现，或者通过机械除皮工序之后的研磨工序来实现。
接着，必须适当调整拉拔方法和拉拔速率。拉拔方法的例子包括所有干式拉拔(dry drawing，DD)、所有盒式辊模拉拔(cassette roller die，CRD)，CRD与DD组合的内嵌方法(in-line method)，以及两步拉拔法，包括DD(初次拉拔)-光亮平整(SP)(二次拉拔)、DD(初次拉拔)-湿拉拔(WD)(二次拉拔)、CRD(初次拉拔)-SP(二次拉拔，SD)以及CRD(初次拉拔)-WD(二次拉拔)。
对于内嵌法，拉拔速率应当不超过1000米/分钟；对于两步拉拔法，初次拉拔速率越高，二次拉拔速率越低。
最后，通过适当调节棒的粗糙度、拉拔方法以及拉拔速率，使成品焊丝的粗糙度在0.10-0.25微米(Ra)范围内。
下面通过实施例更加详细地解释本发明。
表2表示由不同的棒的粗糙度、拉拔方法以及拉拔速率得到的成品焊丝的表面粗糙度。此时，除CRD之外，使用带孔模具用于拉拔。为了使成品焊丝的表面粗糙度在0.10-0.25微米(Ra)范围内，棒的表面粗糙度应当保持在等于或小于0.40微米(Ra)。当使用内嵌法时，无论使用DD、CRD或它们的组合，拉拔速率应不超过1000米/分钟。另外，从表2可以看出，当使用两步拉拔法时，如果初次拉拔速率在1000-1500米/分钟范围内，则二次拉拔速率等于或小于400米/分钟；如果初次拉拔速率在500-1000米/分钟范围内，则二次拉拔速率控制在等于或小于600米/分钟。换言之，初次拉拔速率越高，二次拉拔速率越低。例外的是，从初次拉拔速率设定为等于或小于500米/分钟，二次拉拔速率设定为等于或小于200米/分钟的对比例18可以看出，如果初次拉拔速率和二次拉拔速率都设定得太低，将导致拉拔工序后表面粗糙度不超过0.10微米(Ra)。因此，需要适当地组合拉拔速率。
表2
  分项   拉拔前表面粗糙度(SRB)(微米)   拉拔方法   拉拔速度(米/分钟)   拉拔后表面粗糙度(SRA)(微米)
  初次拉拔(PD)   二次拉拔(SD)
  对比例1   0.61 DD，CRD，CRD+DD   ＞1500   -   0.35
  对比例2   0.54   ＞1500   -   0.46
  对比例3   0.47   ＞1500   -   0.45
  对比例4   0.41   ＞1500   -   0.33
  对比例5   0.35   ＞1000-1500   -   0.31
  对比例6   0.36   ＞1000-1500   -   0.42
对比例7 0.31   ＞1000-1500   -   0.27
  对比例8   0.40   ＞1000-1500   -   0.37
  实施例1   0.32   500-1000   -   0.21
  实施例2   0.35   500-1000   -   0.25
  实施例3   0.33   500-1000   -   0.22
  实施例4   0.34   500-1000   -   0.24
  实施例5   0.40   ＜500   -   0.24
  对比例9   0.39   ＜500   -   0.19
  实施例6   0.37   ＜500   -   0.20
  实施例7   0.29   ＜500   -   0.15
  对比例10   0.38   DD(PD)+SP(SD)，DD(PD)+WD(SD)，   ＞1500   ＞600   0.35
  对比例11   0.35   ＞1500   400-600   0.37
  对比例12   0.33   CRD(PD)+SP(SD)，CRD(PD)+WD(SD)   ＞1500   200-400   0.24
  实施例8   0.38   ＞1500   ＜200   0.240.25
  对比例13   0.40   ＞1500   ＜200
  对比例14   0.42   ＞1000-1500   ＞600   0.36
  对比例15   0.41   ＞1000-1500   400-600   0.33
  实施例9   0.35   ＞1000-1500   200-400   0.22
  实施例10   0.37   ＞1000-1500   200-400   0.20
  实施例11   0.38   ＞1000-1500   ＜200   0.15
  实施例12   0.34   ＞1000-1500   ＜200   0.22
  对比例16   0.46   500-1000   ＞600   0.31
  实施例13   0.39   500-1000   400-600   0.21
  实施例14   0.33   500-1000   200-400   0.24
  实施例15   0.39   500-1000   200-400   0.23
  实施例16   0.34   500-1000   ＜200   0.19
  实施例17   0.28   500-1000   ＜200   0.16
  对比例17   0.37   ＜500   ＞600   0.27
  实施例18   0.37   ＜500   400-600   0.25
  实施例19   0.32   ＜500   200-400   0.18
  实施例20   0.30   ＜500   200-400   0.24
  对比例18   0.29   ＜500   ＜200   0.09
下表3表示各个焊丝的焊丝横截面形状、圆弧实际长度(dr)与圆弧表观长度(di)之比(dr/di)、润滑剂残留量、表面处理剂用量、送丝性和电弧稳定性的测量结果。
表3
分项 横截面形状 dr/di   润滑剂残留量(克/千克焊丝)   表面处理剂使用量(克/千克焊丝) 送丝性 电弧稳定性
  对比例1   凹凸   1.529   0.64   0.33   ×   ×
  对比例2   凹凸   1.536   0.66   0.12   ×   ×
  对比例3   凹凸   1.545   0.75   0.03   ×   ×
  对比例4   凹凸   1.519   0.52   0.24   ×   ×
  对比例5   凹   1.521   0.57   0.42   △   ×
  对比例6   凹凸   1.541   0.72   0.02   ×   ×
  对比例7   凹   1.516   0.55   0.35   △   ×
  对比例8   凹凸   1.533   0.68   0.01   ×   ×
  实施例1   凹   1.515   0.49   0.56   ○   ○
  实施例2   凹   1.479   0.50   0.70   ○   ○
  实施例3   凹   1.467   0.44   0.45   ○   ○
  实施例4   凹   1.415   0.41   0.37   ○   ○
  实施例5   凹   1.366   0.42   0.22   ○   ○
  对比例9   凹   1.295   0.37   0.75   △   ○
  实施例6   凹   1.325   0.35   0.15   ○   ○
  实施例7   凹   1.221   0.34   0.09   ○   ○
  对比例10   凹凸   1.558   0.82   0.21   ×   ×
  对比例11   凹凸   1.524   0.71   0.35   ×   ×
  对比例12   凹   1.518   0.54   0.41   ○   ×
  实施例8   凹   1.154   0.31   0.31   ○   ○
  对比例13   凹   1.517   0.53   0.52   ○   ×
  对比例14   凹凸   1.602   0.85   0.33   ×   ×
  对比例15   凹凸   1.534   0.61   0.34   ×   ×
  实施例9   凹   1.181   0.38   0.47   ○   ○
  实施例10   凹   1.289   0.39   0.61   ○   ○
  实施例11   凹   1.023   0.30   0.03   ○   ○
  实施例12   凹   1.310   0.33   0.11   ○   ○
  对比例16   凹凸   1.518   0.52   0.45   ×   ×
  实施例13   凹   1.016   0.28   0.64   ○   ○
  实施例14   凹   1.027   0.36   0.55   ○   ○
  实施例15   凹   1.382   0.42   0.28   ○   ○
  实施例16   凹   1.021   0.33   0.42   ○   ○
  实施例17   凹   1.261   0.29   0.18   ○   ○
  对比例17   凹凸   1.519   0.54   0.54   ×   ×
  实施例18   凹   1.026   0.21   0.38   ○   ○
  实施例19   凹   1.015   0.28   0.05   ○   ○
  实施例20   凹   1.018   0.32   0.07   ○   ○
  对比例18   Flat surface   1.013   0.09   0.20   △   ○
焊丝横截面形状是从与焊丝纵向成90度的焊丝横截面的图像上得到的，图像是放大1000倍的SEM显微照片，其中标记“凹凸”表示不存在加工表面的不规则表面，标记“凹”表示本发明的组合表面，它包括加工表面和凹陷，凹陷是相对于加工表面为沿负向(朝焊丝中心)且在圆周上方向形成的，“FS”表示仅包括加工表面的平坦表面。从表3可以看出，当表2的焊丝中的成品焊丝的表面粗糙度在0.10-0.25微米(Ra)范围内时，可以得到本发明的组合表面。
下面将说明如何测量圆弧实际长度(dr)与圆弧表观长度(di)之比(dr/di)。
首先，使用图像分析系统(Image-pro plus 4.5，Media cybernetics)，在放大1000倍的条件下测量圆弧实际长度(dr)。这里，使用图像分析系统得到的圆弧实际长度对应于形成于焊丝表面的凹陷的周长与加工表面长度之和。
图13和14是SEM显微照片，分别表示测量圆弧实际长度之前和之后的图像。为了计算圆弧表观长度(di)，使用图像分析系统在放大1000倍的条件下测量焊丝限定测量区的弦长(l)。图11是SEM显微照片，表示计算计算圆弧表观长度(di)所需的图像。一旦得到弦长(l)后，如图12所示，利用三角函数计算出焊丝半径(r)与弦之间的内角(θ)。圆弧表观长度(di)等于焊丝半径(r)×圆的内角(θ)。换言之，通过测量焊丝的实际直径得到焊丝半径(r)，可以计算出圆弧的表观长度(di)。
使用图像分析系统的实际测量如下述进行。
首先，取最终焊丝样品，并在有机溶剂中通过超声波清洗去除焊丝表面污物。将焊丝样品在400℃加热2-3小时，从而在焊丝样品表面形成氧化薄膜。随后，使用热固性树脂对具有氧化薄膜的每个焊丝样品在与焊丝纵向呈90°的垂直方向进行镶样(mounting process)，然后将焊丝样品抛光。最后，使用SEM的背散射电子观察每个焊丝样品的抛光横截面，用图像分析系统测量圆弧表观长度和圆弧实际长度，计算dr/di的值。此时，放大倍数为1000倍。
按照如下方法测量表面处理剂用量：
1.制备长度为4-6厘米和重量为50-80g的焊丝样品；
2.在烧杯中倒入1000毫升溶剂CCl4；
3.除油前用1克/10000天平称量每个焊丝样品的重量(Wb)；
4.将焊丝样品放入到装有CCl4的烧杯中，对焊丝样品的表面进行处理油除油10分钟，同时搅动焊丝样品两到三次；
5.在干燥箱中将除油的焊丝样品干燥10分钟，在干燥器内将焊丝样品冷却到室温；
6.用1克/10000天平称量除油后焊丝样品的重量(Wa)；
7.由测量值Wb和Wa按下式3计算表面处理剂用量：
[式3]表面处理剂用量(克/千克焊丝)＝[(Wb-Wa)/Wa]×1000
按如下方法测量焊丝表面的润滑剂残留量：
1.执行与上述表面处理剂用量测量方法的1-6步相同的步骤；
2.将上述第6步的重量Wa定义为重量Wb’；
3.将焊丝样品在70℃的5％铬酸酐(CrO3)溶液中沉积20分钟；
4.用开水冲洗除油的焊丝样品，然后用酒精清洗；
5.在干燥箱中将用酒精清洗的焊丝样品干燥10分钟，并在干燥器内将焊丝样品冷却到室温；
6.用1克/10000天平称量除油后焊丝样品的重量(Wa’)；
7.根据Wb’和Wa’按照下式4计算润滑剂残留量：
[式4]润滑剂残留量(克/千克焊丝)＝[(Wb’-Wa’)/Wa’]×1000
下面说明评价电弧稳定性和送丝性的方法。
表4表示评价电弧稳定性的焊接条件，其中使用3米长的直送丝导管评价电弧稳定性。
表4
  评价电弧稳定性的焊接条件   焊接位置
  电流(安)：210   电压(伏)：23   平板上的焊缝
  焊接速度(厘米/分钟)：120   焊接时间(秒)：12
  保护气体：100％CO2   气体流速(升/分钟)：20
根据电弧稳定性的评价结果，当粒子直径等于或大于1毫米的飞溅重量超过1.6(％)或者总飞溅重量占总沉积金属重量的比例(％)超过9(％)时，电弧稳定性的评价为差，在表中表示为“×”；当飞溅重量低于上述数值时，电弧稳定性的评价为优，在表中表示为“○”。用于评价电弧稳定性的焊丝是JIS Z 3312 YGW 12(AWS A5.18 ER70S-6)1.2mm。
表5表示评价送丝性的焊接条件，其中使用长度为5米并缠绕两次(环形)形成直径300毫米的新的送丝导管评价送丝性。
表5
  评价送丝性的焊接条件   焊接位置
  电流(安)：420   电压(伏)：44 平板上的焊缝，Z形摆动焊
  焊接速度(厘米/分钟)：50   焊接时间(秒)：-
  保护气体：100％CO2   气体流速(升/分钟)：20
根据送丝性评价结果，当连续焊接时间小于80秒时，送丝不能平稳进行，从而导致焊接失败，并将送丝性评价为差，在表中表示为“×”。同时，当连续焊接时间等于或大于100秒时，送丝性评价为优，在表中表示为“○”。最后，当连续焊接时间在80-100秒范围内时，送丝性评价为中，在表中表示为“△”。用于评价送丝性的焊丝也是JIS Z 3312 YGW 12(AWS A5.18ER70S-6)1.2mm。
虽然用于本发明实施例的焊丝是JIS Z 3312 YGW 12(AWS A5.18ER70S-6)1.2mm，但使用JIS YGW 11、14、15、16、18和21也得到相同的结果。
从表3中可以看出，对比例1-3、4、10、11、14、15、16和17(包括二次拉拔的高速拉拔条件)，由于高速拉拔而使焊丝在横截面上具有表面形状“凹凸”，从而导致即使表面处理剂的量在本发明的范围内，得到的焊丝的送丝性和电弧稳定性也很差。另外，由于比例dr/di超出本发明的设定范围，润滑剂残留量也超出本发明范围，飞溅量增大。这导致电弧不稳定。在对比例5、7、12和13中，由于使用稳定的拉拔条件，并且表面处理剂量在本发明范围内，焊丝在其横截面上具有“凹”表面形状。虽然以这种方式保证了基本好的送丝性，但是比例dr/di超出本发明的设定范围。也即，由于除了加工表面以外有很多其它表面，因此焊接过程中导电嘴和焊丝之间的接触不稳定；同时，由于拉拔工序的润滑剂残留量增多，从而飞溅生成量增大。
特别是，在对比例5、7、12和13中，虽然焊丝在拉拔之前或之后的表面粗糙度在本发明范围内，但由于没有恰当地控制拉拔速率，比例dr/di超出本发明范围。在对比实施例6和8中，由于拉拔速率高，使得焊丝横截面上具有表面形状“凹凸”，同时由于表面处理剂用量偏离本发明范围，从而导致送丝性和电弧稳定性差。由于比例dr/di超过本发明的设定范围，导致飞溅生成量由于润滑剂残留量增大而增大。
在对比例9中，由于拉拔条件稳定，焊丝横截面具有表面形状“凹”，同时，由于比例dr/di和润滑剂残留量在本发明范围内，从而得到好的电弧稳定性。但是，由于表面处理剂用量超出本发明范围，导致焊接过程中送丝器区域出现焊丝滑动问题，从而不能保证送丝性。在对比例18中，焊丝横截面为平坦表面，从而焊接过程中导电嘴与焊丝之间接触稳定，能保证电弧稳定性。虽然表面处理剂用量也在本发明范围内，但是，由于焊丝横截面为平坦表面，焊丝在焊接过程中在送丝器区域出现滑动，导致送丝性差。
同时，通过优化调节拉拔前表面粗糙度、拉拔方法、拉拔速率和拉拔后表面粗糙度处于本发明的各自范围内，本发明实施例1-20具有相对加工表面沿负向(朝焊丝中心)的表面形状“凹”，并且圆弧实际长度与圆弧表观长度之比(dr/di)控制在本发明范围内。另外，润滑剂残留量也在本发明范围内，从而减少飞溅生成量。
另外，将表面处理剂用量调节到0.03-0.70克/千克焊丝范围内，从而同时满足送丝性和电弧稳定性。
下面将说明获得无铜焊丝的实施方式，这种无铜焊丝即使在低电流短路过渡模式下也具有优异的高速焊接性，以及啊高电流焊接条件下具有优秀的沉积效率和高熔融速率。
如上所述，通过恰当地控制焊丝表面性能，控制焊丝表面的润滑剂残留量以及仅仅使用液体表面处理剂，可以减小烟尘、飞溅和熔渣的生成量。通过抑制Cu含量，也即使用无铜焊丝，并且通过调节元素Si和Mn的含量，也能得到相同结果，从而提高沉积效率。这样，如下表6所示，通过调节化学成分和组分，借助提高熔融速率达到本发明的目的。
表6
  分项   化学成分 {Cu/(Si+Mn+P+S)}×100   dr/di   表面张力(10-3牛/米) 电阻率(微欧姆厘米) 沉积效率(％) 熔融速率(克/分钟)
C Si Mn P S Cu 其它
  实施例1   0.050   0.95   1.46   0.013   0.025   0.010   余量   0.41   1.020   980   33.6   98.8   129
  实施例2   0.080   0.89   1.47   0.014   0.010   0.010   余量   0.42   1.018   1020   33.4   98.5   125
  实施例3   0.055   0.91   1.43   0.010   0.022   0.010   余量   0.42   1.325   1010   34.1   98.8   127
  实施例4   0.061   0.87   1.48   0.013   0.013   0.007   余量   0.29   1.231   1015   33.3   98.7   126
  实施例5   0.060   0.96   1.46   0.011   0.015   0.004   余量   0.16   1.450   990   33.9   98.8   129
  实施例6   0.066   0.82   1.48   0.010   0.013   0.012   余量   0.52   1.501   1005   34.1   98.6   124
  实施例7   0.051   0.76   1.53   0.016   0.019   0.017   余量   0.73   1.025   1017   33.1   98.5   123
  实施例8   0.058   0.79   1.57   0.016   0.011   0.013   余量   0.54   1.510   997   34.3   98.7   128
  实施例9   0.071   0.61   1.25   0.014   0.010   0.005   余量   0.27   1.380   1002   33.8   98.6   124
  实施例10   0.074   0.58   1.19   0.012   0.016   0.014   余量   0.78   1.490   1015   34.1   98.5   121
  对比例1   0.066   0.85   1.42   0.011   0.008   0.180   余量   7.86   1.005   1100   31.8   98.3   115
  对比例2   0.050   0.95   1.46   0.013   0.015   0.160   余量   6.56   1.010   1080   32.1   98.4   115
  对比例3   0.058   0.85   1.54   0.014   0.014   0.160   余量   6.62   1.011   1050   32.3   98.3   116
  对比例4   0.058   0.79   1.57   0.016   0.011   0.200   余量   8.38   1.009   1105   32.0   98.2   113
  对比例5   0.071   0.61   1.25   0.014   0.010   0.210   余量   11.15   1.007   1075   31.9   98.1   117
  对比例6   0.065   0.66   1.23   0.014   0.011   0.007   余量   0.37   1.010   1020   33.3   98.4   118
  对比例7   0.051   0.89   1.44   0.012   0.022   0.007   余量   0.30   1.570   1010   34.5   98.2   117
  对比例8   0.038   0.74   1.58   0.012   0.008   0.008   余量   0.34   1.630   1024   34.8   98.3   119
  对比例9   0.071   0.91   1.49   0.011   0.011   0.038   余量   1.57   1.550   1035   33.9   98.1   119
  对比例10   0.074   0.86   1.49   0.006   0.009   0.036   余量   1.52   1.320   1040   33.3   98.4   114
*其它：Fe和不可避免的杂质
测量沉积效率和熔融速率的焊接条件表示在下表7中，沉积效率和熔融速率是按照下面的式5和6计算的：
[式5]沉积效率(％)＝(沉积金属的重量/焊接过程消耗的棒的重量)×100
[式6]熔融速率(克/分钟)＝(焊接过程消耗的棒的质量/起弧时间)
表7
  测量沉积效率和熔融速率的焊接条件   焊接位置
  电流(安)：350   电压(伏)：32   平板上的焊缝
  焊接速度(厘米/分钟)：30   焊接时间(秒)：60
  气体：80％Ar-20％CO2   气体流速(升/分钟)：20
从表6的结果可以看出，当焊丝成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100处于0.10-0.80范围内，并且当比例dr/di满足设定范围1.015-1.515时，可以得到优异的电弧稳定性和优秀的焊接性。此外，熔融金属的表面张力下降，同时其电阻率增大。结果，可以保证在低电流短路过渡模式下的高速焊接性，以及在高电流焊接条件下的优秀电弧稳定性。
另一方面，当焊丝成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100不满足0.10-0.80范围内，并且当比例dr/di偏离设定范围1.015-1.515时，送丝性或电弧稳定性变差。在这种情况下，由于P和S含量小，而P和S是降低熔融金属表面张力的表面活性元素，从而表面张力高。此外，由于Cu含量降低，因此难以恰当地控制表面张力。对于镀铜焊丝，由于存在铜镀层使Cu含量增大，这反过来使得电阻率、沉积效率和熔融速率减小。
对比例1-5是镀铜焊丝。如上所述，因为其中存在铜镀层这些焊丝含有超过预定量的铜。与本发明实施例1-10的无铜焊丝不同，镀铜焊丝的电阻率低，熔融金属的表面张力增大。结果，与无铜焊丝相比，镀铜焊丝表现出低的熔融速率以及焊接材料变成沉积金属的速率更低(即，低的沉积效率)。因此，在短路过渡模式下不可能得到高速焊接性，在高电流焊接条件下不可能得到优异的电弧稳定性。
对比例6-8是无铜焊丝。从表6可以看出，虽然焊丝成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100处于设定范围0.10-0.80内，作为表面性能控制数值的比例dr/di也偏离设定范围1.015-1.515。结果，不能保证作为焊丝基本性能的送丝性和电弧稳定性，或者产生沉积阻碍因素。这使焊丝难以得到所需的焊接性能。
对比例9和10也是无铜焊丝。但是，由于Cu含量过量，焊丝成分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100超出设定范围0.10-0.80内，因此，熔融金属的表面张力增大，不能得到所需的焊接性能。
总之，本发明人通过恰当地控制焊丝的表面性能以及通过调节焊丝的化学成分和组分，成功制造了如同本发明实施例1-10的无铜焊丝，这些焊丝即使在低电流短路过渡模式下也具有高速焊接性，以及在高电流焊接条件下具有优异的电弧稳定性。
由上面描述可以清楚看出，根据本发明，在焊丝表面没有铜镀层的情况下，气体保护电弧焊的无铜焊丝与导电嘴稳定接触，从而在长时间焊接过程中铜片不会阻塞在送丝导管和导电嘴内，因此提供优秀的电弧稳定性，稳定的送丝性，以及飞溅生成量减少。
此外，本发明的无铜焊丝增大导电嘴与焊丝之间的电阻热出现频率，同时在低电流短路过渡模式下具有高速焊接性以及高电流焊接条件下优秀的电弧稳定性，这些优点是通过恰当地控制焊丝的表面性能以及调节焊丝的化学成分和组分达到的。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员应该理解的是，本发明并不限于所述的优选实施例，在不偏离权利要求限定的本发明精神和范围的情况下可以做出不同的变化和修改。

Claims (4)

1.一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，该焊丝具有平坦的加工表面以及相对于加工表面为负向(朝向焊丝中心)且沿表面圆周方向形成的凹陷，其中，圆弧实际长度dr与圆弧表观长度di之比dr/di处于1.015-1.515的范围内，化学组分比[Cu/(Si+Mn+P+S)]×100在0.10-0.80的范围内。
2.根据权利要求1所述的无铜焊丝，其中，存在于焊丝表面的润滑剂残留量为每千克焊丝不大于0.50克。
3.根据权利要求1或2所述的无铜焊丝，其中，焊丝表面涂覆有表面处理剂，表面处理剂的涂覆量为每千克焊丝0.03-0.70克。
4.根据权利要求3所述的无铜焊丝，其中，所述表面处理剂含有动物油、植物油、矿物油、混合油和合成油中的至少一种。
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