CN1970212A - 气体保护电弧焊的实心焊丝 - Google Patents

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CN1970212A CNA2006101500289A CN200610150028A CN1970212A CN 1970212 A CN1970212 A CN 1970212A CN A2006101500289 A CNA2006101500289 A CN A2006101500289A CN 200610150028 A CN200610150028 A CN 200610150028A CN 1970212 A CN1970212 A CN 1970212A
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Abstract

提供了一种气体保护电弧焊的实心焊丝，该焊丝具有良好的送丝性和电弧稳定性。该焊丝的硬化因子在0.25到0.55之间。

Description

气体保护电弧焊的实心焊丝
本申请要求于2005年11月23日提交的韩国申请10-2005-112305的优先权，因此该申请在此全部并入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种气体保护电弧焊的实心焊丝。更具体地，涉及一种能够在焊接过程中提高焊丝的送丝性而改善电弧稳定性的气体保护电弧焊的实心焊丝。
背景技术
当使用焊丝进行焊接时，电弧稳定性对于获得良好的焊接质量和平滑的焊缝是一个非常重要的因素。特别是，为了改善电弧稳定性，应当提高焊丝的送丝性。
当使用可得到的常规焊丝，即卷轴(spool)105和包装桶(pail pack)104，进行焊接时，如图1所示，焊丝由送丝导管(feeding cable)102经过接触焊嘴(contact tip)输送到焊接部分，从而利用接触焊嘴末端产生的电弧热进行焊接。
此时，焊丝接触送丝导管102和接触焊嘴的内壁，在接触部分产生的送丝阻力大大影响送丝性。考虑到焊丝与送丝导管102和接触焊嘴之间的接触部分产生的送丝阻力，以及因此而造成的送丝性下降，很明显，焊丝的力学性能是非常重要的因素。通过限制传统焊丝的拉伸强度、拉伸强度的变化、屈强比(yield ratio)、弹性极限比(弹性极限比＝弹性极限/拉伸强度)和/或表面处理剂的用量，可以增大焊丝的强度，从而在焊接过程中提高焊丝的送丝性。上述参数是使用在拉伸试验过程中观察到的应力-应变曲线提取的。但是，现有技术的参数公式不能准确地反映焊丝性质，从而难以控制焊丝送丝性和电弧稳定性。
发明内容
本发明通过提供一种气体保护电弧焊的实心焊丝而解决上述问题，该焊丝能最佳地控制准确反映焊丝应变硬化速率(strain hardening rate)的硬化因子，从而提高焊接过程的焊丝送丝性，因此提高电弧稳定性。
根据本发明的一个方面，一种气体保护电弧焊的完全实心焊丝的由下式1定义的硬化因子在0.25-0.55范围内，
[式1]
硬化因子＝(最大拉伸强度一屈服强度)/屈服强度
其中，所述屈服强度表示偏移0.05％的屈服强度(offset yield strength)。
在此过程中，焊丝可以含有0.03-0.10重量％的C、0.45-1.05重量％的Si、0.90-1.90重量％的Mn、等于或小于0.030重量％的P、等于或小于0.030重量％的S、和余量的Fe及其它杂质。
另外，通过从最终拉拔工序之后的弯曲辊和倾斜校直辊中选择的至少一种与纵向/横向校正辊的组合，可以控制气体保护电弧焊实心焊丝的硬化因子。
附图说明
通过参考附图描述本发明某些代表性实施方式，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加清楚。在附图中：
图1是焊丝送丝线的示意图；
图2是表示从拉伸试验过程观察到的应力-应变曲线推导的应变硬化速率的曲线图；
图3是在拉伸试验过程中观察到的应力-应变曲线；
图4是表示镀铜焊丝的硬化因子、焊接电流的标准偏差和焊丝拉伸强度的曲线图；
图5是根据本发明的代表性实施方式的、适于最后拉拔之后的弯曲辊的透视图；
图6和7是根据本发明的代表性实施方式的、与水平面倾斜45°的校直辊的透视图；以及
图8是表示根据本发明的代表性实施方式的纵向/横向校直辊的透视图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的代表性实施方式。
首先说明硬化因子的提取(extraction)，硬化因子的提出是作为一个能反映焊丝的拉伸强度和应变硬化速率的新参数。
如上所述，在考虑到焊接过程中焊丝的拉伸强度大大影响送丝性和电弧稳定性时，本发明的发明人试图提取能使焊丝的送丝性和电弧稳定性在焊接过程中保持在最佳状态的焊丝拉伸强度，并控制拉伸强度。
因此，使用具有相同化学成分的原始棒材，在焊丝卷绕到卷轴或包装桶之前，改变焊丝的拉拔方法、拉拔速度和校直方法，观察完成的焊丝的拉伸强度变化，并且根据焊丝的拉伸强度进行送丝性和电弧稳定性的试验。
此时，可以观察到，具有类似拉伸强度的焊丝在送丝性和电弧稳定性之间存在差异。为了理解这个结果，分析通过焊丝拉伸试验得到的应力-应变曲线。
结果，可以从应力-应变曲线观察到，在拉伸强度类似时，屈服强度不同。
下面的表1表示，在焊接拉伸强度为126千克力/毫米2至132千克力/毫米2的镀铜焊丝的过程中，具有不同送丝性和电弧稳定性的焊丝的屈服强度与拉伸强度之间的关系。
表1
    类别     送丝性 电弧稳定性 屈服强度(千克力/毫米2) 拉伸强度(千克力/毫米2)
    1     × × 104.3 126.2
    2     △ × 103.6 126.4
    3     ○ ○ 94.8 128.1
    4     ○ ○ 89.2 131.2
    5     ○ ○ 87.1 131.5
    6     △ △ 83.5 130.3
    7     × × 83.5 132.0
    8     × × 79.3 126.1
这里，屈服强度表示偏移0.05％的屈服强度。
如表1所示，甚至在拉伸强度均匀一致时，可以看出焊接过程的焊丝送丝性和电弧稳定性随屈服强度而变化。
即，通过将拉伸强度和应变硬化速率控制在适当范围，以及通过简单地调节拉伸强度，可以在焊接过程中得到好的送丝性和电弧稳定性。此概念在此可以表示为硬化因子。
在此过程中，应变硬化速率是从屈服点到最大拉伸强度的应力增大率(Δ应力/Δ应变)，其曲线图表示在图2中。
例如，虽然焊丝具有相同的拉伸强度，但是在缠绕到卷轴或包装桶之前，在经过校直辊的校直过程中作用于焊丝的外力可以改变其应变硬化速率，从而改变焊丝的性能。即，虽然焊丝具有相同的拉伸强度，但作用于焊丝的外力使其应变硬化速率改变，使焊丝的性能随屈服强度而改变。
为了理解硬化因子，参看图3所示的拉伸试验过程中观察到的应力-应变曲线，可以看出，弹性区的应力与相同区(A区)的应变完全成正比。
当载荷大于与屈服强度对应的数值时，产生塑性形变。接着，当连续产生塑性形变时，产生应变硬化，使应力随塑性形变速率的增大而增大。由于拉伸试验试样的体积在塑性形变过程中不变，即，满足下面的式2，因此试验试样的横截面积随其长度增大而减小。
[式2]
AL＝AoLo
其中，A表示拉伸试验过程中试验试样的横截面积，L表示试验试样的长度，Ao表示试验试样的起始横截面积，Lo表示试验试样的起始长度。
虽然起始应变硬化大于横截面积减小得到的补偿，并且应力随应变增大而连续增大，但在起始应变硬化之后，试验试样横截面积的减小由于应变硬化而变得大于应变载荷的增大。
这种状况是从试验试样的弱点产生的。然后，塑性形变集中在B区，并且试验试样可以在B区颈缩或局部变薄。
从该点开始，与应变载荷增大相比，试验试样的横截面积由于应变硬化而急剧减小，因此试样形变所需的实际载荷减小，并且应力连续减小直至断裂(C区)。
如上所述，应变硬化速率大大影响试样的拉伸强度，并且试样的最终强度由应变硬化速率而定。
下面将详细说明提取硬化因子的方法，以及限制一个范围的原因。
硬化因子是一个衡量(scale)，用于表示从拉伸试验过程中观察到的应力-应变曲线推导的应变硬化速率，并且由下式1定义。
[式1]
硬化因子＝(最大拉伸强度-屈服强度)/屈服强度
其中，屈服强度表示偏移0.05％的屈服强度。
拉伸试验是根据KS B 0802对焊丝进行的。从拉伸试验得到的应力-应变曲线中得出最大拉伸强度和屈服强度，以计算硬化因子。按这种方式计算的硬化因子可以控制在0.25-0.55的范围内。
如果硬化因子低于0.25，由于焊丝的弹性形变区比塑性形变区宽得多，当送丝载荷高时，即，当进行大电流或高速焊接时，焊丝不容易根据送丝导管的形状而变形。另外，由于焊丝的弹性强，必须使用大的应变力将焊丝绕在卷轴和包装桶上，并且得到的缠绕焊丝具有过大的弹性力。因此，当焊丝在焊接过程中经过导管和接触焊嘴时，产生大的接触阻力，并且送丝性可能不稳定并且电弧稳定性变差。
另外，如果硬化因子大于0.55，由于焊丝的弹性形变区比塑性形变区窄得多，当送丝载荷高时，即，当进行大电流或高速焊接时，焊丝可能太容易根据送丝导管的形状而变形。因此，焊丝在经过导管时容易弯曲，并且接触焊嘴中的送丝阻力增大。另外，焊线的直线度变差，使送丝性和电弧稳定性下降。
图4是表示镀铜焊丝的硬化因子、焊接电流的标准偏差和焊丝的拉伸强度的曲线图。当硬化因子在0.25-0.55的范围内时，可以看出焊接电流的标准偏差非常小。
焊丝可以镀铜或不镀铜，并且其成分可以为普遍使用的成分。特别是，焊丝可以含有0.03-0.10重量％的C、0.45-1.05重量％的Si、0.90-1.90重量％的Mn、等于或小于0.030重量％的P、等于或小于0.030重量％的S和余量的Fe或其它杂质。另外，如果需要，可以添加Cu或Ti。
这里，C是提高焊丝和沉积金属的强度的元素。当焊丝的C含量增大时，焊接过程生成的飞溅(spatter)增多。当C含量小于0.03重量％时，焊丝和沉积金属的强度太低；并且当C含量高于0.10重量％时，焊接过程产生的飞溅增多。
Si是提高熔融金属流动性和金属强度的关键元素，所述熔融金属流动性用于增大焊接过程中焊缝的铺展性。另外，Si有助于熔融金属脱氧，在熔融金属上形成渣。当Si含量低于0.45重量％时，焊丝和沉积金属的拉伸强度以及熔融金属的流动性下降；并且当Si含量高于1.05重量％时，大电流焊接过程的焊缝凹陷以及焊接过程的液滴流动性增大，使液滴摇动，从而降低电弧稳定性。
Mn与Si类似，也有助于熔融金属脱氧，在熔融金属上形成渣，并提高焊丝和沉积金属的强度。当Mn含量低于0.90重量％时，不可能得到焊丝的拉伸强度和适当的沉积金属表面张力；并且当Mn含量高于1.90重量％时，焊接过程中液滴的活性氧量下降，增大液滴的表面张力。
P在金属中作为杂质存在，并降低熔点，从而增大高温裂纹敏感性。当P含量高于0.030重量％时，可以产生高温裂纹。
S与P类似，也降低熔点，增大高温裂纹敏感性。当S含量高于0.030重量％时，可以产生高温裂纹。
下面将说明在制造焊丝的过程中控制拉伸强度和硬化因子的方法。原始棒的化学成分、拉拔方法、拉拔速度等等，可以影响焊丝的拉伸强度。
拉拔方法一般可以分成两步拉拔法和在线拉拔法(inline drawingmethod)。首先，两步拉拔法包括以下工序：酸洗、初次拉拔、热处理消除应力、酸洗、二次拉拔、除油、(电镀)和三次拉拔(包括表面平整)。其次，在线拉拔法包括以下工序：酸洗、初次拉拔、(电镀)和二次拉拔。这里，具有热处理工序的两步拉拔法由于消除了应力而具有比在线拉拔法低的拉伸强度。另外，拉拔速度越快，可加工性越高，由此拉伸强度越高。对于两步拉拔法，二次拉拔速度应控制为低速 ，因为初次拉拔速度较快。对于在线拉拔法，镀铜焊丝的拉拔速度应控制为等于或小于1500米/分钟，并且无镀层(non-plated)焊丝的拉拔速度应控制在等于或小于1000米/分钟。如上所述，可以控制拉拔方法和拉拔速度来控制拉伸强度。
另外，最终拉拔之后在将焊丝卷绕到卷轴或包装桶之前，通过用于校直焊丝的弯曲辊和校直辊控制得到的焊丝的硬化因子。特别是，硬化因子的控制是通过1)弯曲辊和纵向/横向辊的组合，2)从水平面倾斜45°的校直辊(下面将之称为“倾斜校直辊”)和纵向/横向辊的组合，3)弯曲辊、倾斜校直辊和纵向/横向辊的组合，等等。
图5表示弯曲辊，图6和7表示倾斜校直辊，图8表示纵向/横向辊。图5所示的弯曲辊略微增大焊丝的拉伸强度。特别是，热处理的焊丝具有较高的拉伸强度。另外，拉伸强度增大导致硬化因子增大，因为弯曲辊导致焊丝的应变硬化，从而增大应变硬化速率。
图6和7所示的倾斜校直辊起到校直最终拉拔的焊丝的功能，从而增大硬化因子。
图8所示的纵向/横向校直辊也起到校直最终拉拔的焊丝的功能，但是没有大大影响硬化因子。虽然纵向/横向校直辊本身可以不影响硬化因子，但它们与倾斜校直辊一起可以增大硬化因子。
[实施方式]
下面将详细地说明根据本发明的代表性实施方式，这是仅仅为了使本发明得到完全实施，而不限制其范围。
评价焊丝送丝性的方法
表2表示本发明所用焊丝的化学成分，并且表3表示焊接条件。如表2所示，焊丝包括镀铜焊丝和无镀层焊丝。
[表2]
类别 类型 焊丝成分(重量％)
C Si Mn P S Cu Ti
YGW 11 镀铜 0.05 0.88 1.52 0.012 0.006 0.25 0.19
无镀层 0.06 0.79 1.57 0.016 0.011 0.01 0.16
YGW 12 镀铜 0.06 0.86 1.50 0.018 0.009 0.23 -
无镀层 0.07 0.85 1.52 0.014 0.012 0.01 -
[表3]
  焊丝直径 极性   焊接电流   焊接电压   保护气体  气体流速   导管长度
1.2毫米 DC-EP(直流且焊丝为正) 300安 34伏 CO2100％ 20升/分钟 5米
使用表4所示的评价标准评价焊丝的送丝性。这里，“可能”是指在表3的条件下连续进行焊接60秒或60秒以上；“不可能”是指焊接不能连续保持60秒以上。
[表4]
评价符号     送丝导管条件 评价
    W     1个弯(turn)     2个弯
○     可能     可能     可能     好
△     可能     可能     不可能     正常
×     可能     不可能     不可能     差
评价焊接过程电弧稳定性的方法
在表5所示的焊接条件下进行焊接，并且使用表6所示的方法评价焊丝的电弧稳定性。
表2的镀铜焊丝和无镀层焊丝都用作焊丝。在表5的焊接条件下进行在线自动焊接20秒，并且使用电弧监视系统(WAM400D Ver.2.0)每秒监测5000次。
[表5]
焊接条件 焊接类型
焊接电流300安 焊接电压32伏 焊接速度40厘米/分钟 平板上的焊缝
保护气体CO2 100％ 气体流速20升/分钟 CTWD(接触焊嘴到工件的距离)15-20毫米
如表6所示，这里使用焊接电流的标准偏差评价电弧稳定性。参看表6，当没有断弧并且焊接电流的标准偏差小于15时，产生的飞溅量少，并且得到平滑的焊缝形状。另一方面，当断弧两次以上并且焊接电流的标准偏差大于50时，飞溅产生量多并且焊缝形状差。
[表6]
    评价符号     监测时间(秒)   断弧 焊接电流的标准偏差     评价
    ○     20   无 小于15     好
    △     20   小于或等于1次 15-50     正常
    ×     20   等于或大于2次 大于50     差
表1到6的结果列在表7和8中。这里，表7列出根据焊丝类型的制造方法，以及最终拉拔之后弯曲辊和校直辊的应用方法。表8列出通过表7的方法制造的焊丝的硬化因子、送丝性和电弧稳定性的评价。
[表7]
编号 制造方法 初次拉拔速度(米/分钟) 热处理 二次拉拔速度(米/分钟)     A：弯曲辊B：倾斜校直辊C：纵向/横向校直辊 产品类型
  CE1   在线 ≤500     × -     -   镀铜
  CE2   在线 ≤1500     × -     C   镀铜
  CE3   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     -   镀铜
  CE4   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     C   镀铜
  IE1   两步拉拔 500-1000     ○ ≤600     B+C   镀铜
  IE2   在线 ≤1500     × -     B+C   镀铜
  IE3   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     A+C   镀铜
  IE4   两步拉拔 500-1000     ○ ≤600     A+C   镀铜
  IE5   在线 ≤1500     × -     A+C   镀铜
  IE6   在线 ≤1500     × -     A+B+C   镀铜
  IE7   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     A+B+C   镀铜
  CE5   在线 ≥1500     × -     B+C   镀铜
  CE6   两步拉拔 500-1000     ○ ≤400     A+B+C   镀铜
  CE7   在线 ≥1500     × -     A+C   镀铜
  CE8   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤600     A+C   镀铜
  CE9   在线 ≥1500     × -     A+B+C   镀铜
  CE10   在线 ≤1000     × -     C   无镀层
  CE11   两步拉拔  500-1000     ○ ≤600     -   无镀层
  IE8   两步拉拔 500-1000     ○ ≤600     B+C   无镀层
  IE9   在线 ≤1000     × -     B+C   无镀层
  IE10   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     A+C   无镀层
  IE11   两步拉拔 500-1000     ○ ≤600     A+C   无镀层
  IE12   在线 ≤1000     × -     A+C   无镀层
  IE13   在线 ≤1000     × -     A+B+C   无镀层
  IE14   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤400     A+B+C   无镀层
  IE15   两步拉拔 500-1000     ○ ≤600     A+B+C   无镀层
  CE12   两步拉拔 500-1000     ○ ≤400     A+C   无镀层
  CE13   在线 ≥1000     × -     B+C   无镀层
  CE14   两步拉拔 1000-1500     ○ ≤600     A+B+C   无镀层
  CE15   在线 ≥1000     × -     A+C   无镀层
*CE：对比例，IE：本发明实施例
[表8]
编号 屈服强度(千克力/毫米2) 拉伸强度(千克力/毫米2) 硬化因子 送丝性 电弧稳定性
    CE1 104.3 126.2     0.21     × ×
    CE2 103.6 126.4     0.22     △ ×
    CE3 98.8 121.5     0.23     △ △
    CE4 98.9 122.6     0.24     △ △
    IE1 90.3 112.9     0.25     ○ ○
    IE2 94.8 128.1     0.35     ○ ○
    IE3 90.8 123.3     0.36     ○ ○
    IE4 83.4 114.3     0.37     ○ ○
    IE5 89.2 131.2     0.47     ○ ○
    IE6 87.1 131.5     0.51     ○ ○
    IE7 80.8 125.2     0.55     ○ ○
    CE5 83.5 130.3     0.56     △ △
    CE6 72.7 114.2     0.57     △ ×
    CE7 83.5 132.0     0.58     × ×
    CE8 79.3 126.1     0.59     × ×
    CE9 83.4 133.4     0.60     × ×
    CE10 102.3 123.8     0.21     × ×
    CE11 91.4 113.3     0.24     △ ×
    IE8 90.9 113.6     0.25     ○ ○
    IE9 95.5 126.1     0.32     ○ ○
    IE10 92.0 122.3     0.33     ○ ○
    IE11 84.6 114.2     0.35     ○ ○
    IE12 89.1 126.5     0.42     ○ ○
    IE13 86.5 126.3     0.46     ○ ○
    IE14 81.2 123.4     0.52     ○ ○
    IE15 74.1 114.9     0.55     ○ ○
    CE12 72.3 112.8     0.56     △ △
    CE13 82.5 129.5     0.57     △ ×
    CE14 78.4 123.9     0.58     × ×
    CE15 81.4 130.2     0.60     × ×
如表7和8所示，如焊丝的制造方法中所述，对于代表性实施例1到15，通过适当地控制拉拔速度和最终拉拔之后弯曲辊和校直辊的应用方法，使硬化因子保持在0.25-0.55的范围内，可以得到好的焊丝送丝性和电弧稳定性。
同时，对于对比例1到4以及10和11，虽然根据每种制造方法的拉拔速度是适当的，但在最终拉拔之后没有适当地选择辊，从而不能得到在适当范围内的硬化因子。即，在最终拉拔之后，未使用弯曲辊和校直辊，仅使用纵向/横向校直辊，从而使应变硬化速率太低。因此，弹性区增大，使硬化因子也太低。
当在高送丝载荷下进行焊接时，难以通过焊接导管使焊丝变形。最终，当焊丝在焊接过程中经过送丝导管时，产生大的送丝阻力。因此，焊丝的送丝性变得不稳定，并且电弧稳定性变差。
在对比例5、7到9以及13到15中，根据制造方法的拉拔速度太快，从而使焊丝的应变硬化速率增大。另外，当在最终拉拔之后使用弯曲辊和校正辊时，应变硬化速率进一步增大，导致硬化因子超过适当的上限值。因此，应变硬化速率的过分增大导致弹性区相对减小。结果，当在高送丝载荷下进行焊接时，焊丝容易在焊接导管内弯曲，从而产生断弧和差的送丝性并使电弧稳定性变差。
同时，在对比例6和12中，拉拔速度太低，使应变硬化速率太低，弹性区较大。但是，在两步拉拔法中，由于最终拉拔之后使用弯曲辊和校直辊，应变硬化速率高。因此，虽然应变硬化速率在拉拔过程中低，但在最终拉拔之后通过使用弯曲辊和校直辊使其明显增大，从而导致大的硬化因子。因此，可以理解的是，在以高送丝载荷进行焊接时，焊丝容易在焊接导管内弯曲，从而产生差的送丝性并使电弧稳定性变差。
从上面叙述可以看出，组合使用弯曲辊和校直辊，控制焊丝的化学成分、拉拔方法和拉拔速度，可以控制焊丝的拉伸强度，并使得到的焊丝的硬化因子在0.25-0.55的范围内，由此得到好的焊丝送丝性和电弧稳定性。
虽然已经参考本发明的某些代表性实施方式描述了本发明，但本领域一般技术人员应该理解的是，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对本发明做出各种修改。

Claims (3)

1.一种气体保护电弧焊的实心焊丝，该焊丝的由下式1定义的硬化因子在0.25-0.55范围内，
[式1]
硬化因子＝(最大拉伸强度-屈服强度)/屈服强度
其中，所述屈服强度表示偏移0.05％的屈服强度。
2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊的实心焊丝，其中，该焊丝含有0.03-0.10重量％的C、0.45-1.05重量％的Si、0.90-1.90重量％的Mn、等于或小于0.030重量％的P、等于或小于0.030重量％的S和余量的Fe及其它杂质。
3.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊的实心焊丝，其中，所述焊丝的硬化因子通过从弯曲辊和倾斜校直辊中选择的至少一种与纵向/横向校正辊的组合而控制。
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