專利名稱：一種焊劑和焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅-鎳合金，更詳細(xì)地說，是涉及一種能在仰焊中使用而不會產(chǎn)生有害焊接氣孔的銅-鎳焊接制品。
如熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所周知，一般來說，銅-鎳焊接制品并不陌生。它們已廣泛地在許多商業(yè)和工業(yè)中使用了幾十年。一種相當(dāng)重要的特殊用途是在船舶設(shè)備領(lǐng)域里，無論是對海洋大氣還是海水，銅-鎳焊接制品都具有顯著的抗腐蝕能力，因而得到廣泛應(yīng)用。其中，一種最熟知的用于海洋環(huán)境的焊接制品，是美國專利3，124，479(′479)中敘述的187焊條(說明書中的187N)。這種焊條是下文敘述問題的焦點。
187焊條(本文稱WE187)被稱為是全方位焊條，也就是一種能在平焊、橫焊、立焊、仰焊、全部四個焊接位置上進(jìn)行滿意焊接的焊條。然而，它的特性沒經(jīng)得住考驗，最近發(fā)現(xiàn)在仰焊位置中焊接有困難。如一家同美國海軍有商業(yè)來往的著名的造船公司表示了對WE187的不滿，因為它不能使焊工在仰焊位置上的焊接獲得合格。涉及的問題是焊縫氣孔太多，這一問題已經(jīng)由實際的現(xiàn)場檢驗所確證。
對于上述說明，應(yīng)該提到過去對187N焊條的驗收試驗包括一種5G管接頭，也就是一種至少焊接操作的某些部分要求在仰焊位置上進(jìn)行的固定位置焊接件。在這個常常被稱作是6點鐘的位置，大多數(shù)焊縫出現(xiàn)一些氣孔。但是，由于檢驗標(biāo)準(zhǔn)是考慮焊縫的整個長度，其大部分，沒有氣孔，6點鐘位置上的氣孔不足以造成焊接接頭不合格。因此該問題變成一個在整個焊縫長度上克服有害氣孔效應(yīng)問題;否則就不會獲得質(zhì)量合格認(rèn)可。
為解決該問題尋求了各種途徑但都未成功。例如監(jiān)視整個187焊芯加工過程的質(zhì)量控制以測定是否可能產(chǎn)生表皮下氧化物、裂紋、縮孔等等。因此，對WE 187焊芯進(jìn)行清洗，在HNO3中急劇浸洗，水沖洗和干燥。將焊藥涂敷到該焊芯和來自相同合金熔煉爐次的未清洗樣品焊芯上。進(jìn)行仰焊得到焊接接頭。經(jīng)X射線檢驗，表明兩種情況下都有氣孔存在。氣孔總計數(shù)看不出改進(jìn)，因而兩種焊芯間沒有明顯差別。
另一種方法是在氫中用900°F(482℃)熱處理2小時，此法將減少表面氧化物。結(jié)果是氣孔并沒明顯改進(jìn)。在WE187上使用不同的焊藥皮進(jìn)行試驗評價，但也不成功。
由于要克服有害的氣孔同時還要求保持簡易的操作性而使問題進(jìn)一步復(fù)雜化。這要求達(dá)到電弧穩(wěn)定，飛濺最小，電弧平滑以及良好的焊池粘度，容易去除焊渣、良好的焊道外形、滿意的焊渣分布等等。電弧穩(wěn)定性和電弧的平滑是轉(zhuǎn)移焊劑組分穿過電弧時的重要要求。除渣是重要的，其目的是在斷開電弧時焊接金屬上的渣能松脫下來。而滿意的焊池粘度是使焊渣在電弧產(chǎn)生之后而不是在它之前產(chǎn)生的重要條件等等?？赡苓€需要在所有的焊接位置而不單是仰焊位置上保持合適的焊渣分布?？梢哉f，即使一種完好的熔敷結(jié)果，但由于使用不同的焊劑組分和百分比，上述任何一種因素都可能成為不希望的困難。
目前已發(fā)現(xiàn)如下文所述的一種特殊的涂敷焊劑和銅-鎳焊芯，它可以在仰焊位置上進(jìn)行持續(xù)焊接操作而不會產(chǎn)生有害氣孔，而且不會對簡易的操作性帶來不利影響。這種新型焊條在滿足海軍技術(shù)規(guī)范MIL-E-22200/4c要求方面已經(jīng)獲得合格證明。
一般而言，按照本發(fā)明，這種焊芯是由含有以下成分的銅-鎳合金構(gòu)成約25-35%鎳、高達(dá)約1%或1.5%鐵，高至低于0.12%碳，高達(dá)2%或3%錳，高達(dá)1%鈦，高達(dá)約1%硅，高達(dá)約0.5%或0.75%鋁，高達(dá)0.03%硼，高達(dá)約1%鈷、余量基本為銅。一種最佳合金含有約29～32%鎳，約0.3～0.75%鐵，高達(dá)約0.04%或0.05%碳，約0.5-1%錳，約0.2-0.4%鈦，高達(dá)約0.25%硅，高達(dá)約0.2%鋁，高達(dá)0.02%硼，余量基本為銅。由于存在鐵，因此后者組成特別有利。某些工廠以前生產(chǎn)的WE187電焊條根據(jù)焊條直徑，即一種3/32和1/8英寸以及另一種3/16和5/32英寸，要求兩種不同的配方。按照本發(fā)明則可省去這種要求。因此帶來經(jīng)濟(jì)上的利益。
最佳實施方案中的焊劑組成如表Ⅰ所示表Ⅰ成分一般%最佳%額定%碳酸鈣約5-3520-3026RufluxP約1-51.5-32冰晶石約20-4025-3530二氧化鈦約10-3014-2016鋁粉約1-51.5-32錳粉約2-83-64霞石正長巖約5-126-108氟化鈣約2-82.5-64碳酸鋰約0-82-43膨潤土約2-73-54藻朊酸鹽TX-120約0-20.5-10.075Natrosol約0-0.50.15-0.350.25硅約0.25-20.5-1.51正如熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人所周知，同焊劑一起通常使用一種粘結(jié)劑，以便在干燥和烘焙時得到一種理想的硬質(zhì)藥皮。一種合適的粘結(jié)劑如下約20-40%硅酸鈉，約4-10%硅酸鉀，少量的約0.5-2%多硅酸鋰-鈉和1-3%水。
焊劑中碳酸鈣、冰晶石、二氧化鈦和膨潤土的一般作用對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是已知的，并且在′479中敘述過。但是，關(guān)于碳酸鈣，最好是由粗細(xì)兩種顆粒組成，粗顆粒與細(xì)顆粒之比約為1～3，最好是1.5～2.5。這樣做的原因是較細(xì)顆粒有助于使藥皮結(jié)構(gòu)平滑，而較粗顆粒有助于控制焊劑結(jié)構(gòu)。
關(guān)于錳粉，最好使用與鐵錳截然不同的電解錳粉。由于優(yōu)選的焊芯含有鐵，使用鐵錳會在焊接溶敷中導(dǎo)致不必要的高鐵含量。如下文所述，焊接熔敷中鐵含量不應(yīng)超過約1%或1.25%。
關(guān)于其它的焊劑組分Ruflux P，(主要為71-73%TiO2，19-21%K2O和約1%ZrO2)，有利于排除對碳酸鋇的需要。使用碳酸鋇有助于電弧平滑。但是鋇的存在是有害的，因為它被認(rèn)為是一種對環(huán)境有害的物質(zhì)，即它產(chǎn)生焊接煙塵，如果吸入太多則是有毒的?？傊甊uflux P并不降低操作性，而且盡管是在較小程度上，但仍然是有助于減少氣孔量。當(dāng)含量為6%時，Ruflux P會降低操作性，特別是因為使焊渣在定位焊接位置外的流動性太大。
鑒于某些原因，鋁粉是最重要的焊劑成分。仰焊時的氣孔被認(rèn)為主要是由于被夾帶在溶敷中的氣體發(fā)展所致。鋁和氣體反應(yīng)，特別是與氧反應(yīng)，形成氧化鋁，從而大大地減少了氣孔數(shù)量。已經(jīng)知道完全去除氣孔的例子。此外，氧化物還可能不被焊縫吸收而導(dǎo)致生成劣質(zhì)焊接熔敷。從理論上講，要求一種焊劑成分，這種焊劑成分可以通過與夾帶氣體結(jié)合而使氣孔率降至允許水平，但是卻不會形成可以穿過電弧從而破壞焊接溶敷的化合物。
霞石正長巖(基本上為59-61%SiO2，23-25%Al2O3，9-11%Na2O，5.5-6.5%K2O，再加上約1%CaO，1%Fe2O3和0.5%MgO)可改善操作性。它還有助于焊接熔敷中硅含量，但它受到的注意卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及以下討論的硅。
氟化鈣是有益的，因為放出的氟可用于清潔電弧周圍的區(qū)域，從而有助于形成完美的焊縫。
硅能改善焊接熔敷的某些機(jī)械性能，尤其是機(jī)械強(qiáng)度。它還能提高其操作簡易性。它可以稱為NISILOY的商業(yè)產(chǎn)品的形式添加，該產(chǎn)品含有大致64.5%鎳、32.5%硅、2%鈣和各為0.5%的銅和鐵。由于焊接熔敷含有大量的鎳，還由于只需添加少量NISILOY，因此操作性并未受到不利影響。當(dāng)允許較低屈服強(qiáng)度的焊接熔敷時，則可省去硅。通常硅不應(yīng)超過0.5%，最好不超過0.3%，因為高于上述含量將降低延伸率。
碳酸鋰，并非是絕對不可少的，它是二氧化碳的構(gòu)成物，它有助于防止焊接操作污染大氣。
最后，現(xiàn)用商業(yè)產(chǎn)品藻朊酸鹽(Alginate)TX-120和Natrosol是促使焊劑擠壓到焊芯上去的擠壓輔劑。它們也能改善濕料強(qiáng)度。最好是至少加入一種這樣的輔劑。
在生產(chǎn)焊條時，可通過本技術(shù)領(lǐng)域里眾所周知的擠壓或其它的合適方法涂覆焊劑?？梢栽诩s250-400°F(121～204℃)這種能使粘結(jié)劑中水份大量蒸發(fā)的溫度下干燥/烘焙、隨后在較高溫度550～850°F(288-545℃)下加熱/烘焙直到生成牢固粘著藥皮，從而完成干燥和烘焙。烘焙時間1或1.5至3小時是適宜的。
通過以下詳述和數(shù)據(jù)說明本發(fā)明。
將一種焊劑擠壓到焊芯上去，該焊劑組成為約9%細(xì)顆粒碳酸鈣，約17%粗粒碳酸鈣，約30%冰晶石，約4%氟化鈣，約4%膨潤土，約16%二氧化鈦，約3%碳酸鋰，約4%錳粉，約2%鋁粉，約8%霞石正長巖，約0.25%Natrosol，約2%RufluxP，和約0.75%藻朊酸鹽TX-120;而焊芯則大約含0.03%碳，0.8%錳，0.5%鐵，0.1%硅，1.1%鈦，67.8%銅和30.4%鎳以及雜質(zhì)。上述焊劑還可含有以3%NiSiloy添加的硅以及大致由20.6%硅酸鈉，0.7%多硅酸鋰/鈉，4.1%硅酸鉀和水組成的粘結(jié)劑。該復(fù)合焊條，如上所述，放在爐內(nèi)烘焙和干燥。
實施例1制備表Ⅱ列出的四種焊條。
表Ⅱ焊芯長度藥皮直徑焊芯直徑120.1500.093140.1950.125140.2350.156140.2750.187四種焊芯直徑的焊條全部用來評價由美國海軍標(biāo)準(zhǔn)建立的用于QPL(合格產(chǎn)品目錄)目的機(jī)械性能。于是，對1/2英寸×3英寸×12英寸的銅-鎳板使用0.093英寸和0.125英寸直徑的焊芯，而對3/4英寸×3英寸×12英寸的板使用0.156英寸和0.187英寸直徑的焊芯，以60°的坡口進(jìn)行手工電弧(SMAW)對接焊，其相應(yīng)的電流強(qiáng)度如下表所示表直徑(英寸)安培(DCRP)0.09360-850.12570-1700.156100-1450.187130-190對焊接熔敷進(jìn)行光譜和濕式化學(xué)分析，其組成列于表Ⅲ(包括對焊芯直徑為0.156英寸和0.187英寸焊條的熔敷分析)，而其機(jī)械性能示于表Ⅳ。對3/4英寸平板使用直徑為0.156英寸和0.187英寸焊芯的焊條，對其進(jìn)行X射線分析，因為這是美國海軍標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗。X射線分析結(jié)果表明全部合格。請看表Ⅴ。
表Ⅲ焊縫金屬分析元素.093″.125″.156″.187″C0.0100.0100.0100.010Mn1.741.601.481.49Fe0.550.540.540.55S0.0060.0040.0040.005Si0.400.380.350.36Cu67.6767.8567.9567.21Ni29.5929.5729.6130.32Ti0.040.050.060.06P0.0080.0080.0080.007Al0.0350.0300.0280.029表Ⅳ焊條直徑3/32″1/8″5/32″3/16″拉伸強(qiáng)度千磅/英寸2) 60.7 60.2 54.6 55.3拉伸強(qiáng)度千磅/英寸2) 60.2 59.7 56.0 55.70.2%屈服強(qiáng)度(千磅/英寸2) 38.6 34.9 34.8 34.20.2%屈服強(qiáng)度(千磅/英寸2) 38.9 35.4 36.6 34.9延伸率(%)39404440延伸率(%)36444739面縮率(%)71656970面縮率(%)71716770
表Ⅴ最大允許值最大測量值總氣孔面積氣孔熔渣氣孔熔渣允許值測量值0.0500.1560.0000.0350.0150.0000.0750.1870.0000.0000.2250.00600.1250.3120.0250.0000.0450.00150.1250.3120.0000.0000.0450.0000全部機(jī)械性能都令人十分滿意。MIL-0022200/B4(船舶)所要求的焊接接頭拉伸強(qiáng)度為50，000磅/英寸，本方法則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此要求。
實施例Ⅱ?qū)Φ诙M平板進(jìn)行類似的焊接，但卻是在垂直向上的位置焊接以證明焊條的工藝性。仍使用焊芯直徑為0.093″和0.125″的焊條。板材分別為1/4英寸×6英寸×10英寸和3/8英寸×6英寸×10英寸。
對焊接溶敷進(jìn)行X檢驗，其結(jié)果是完全符合NAVSHIPS0900-003-9000技術(shù)規(guī)范。沒有觀察到裂紋或氣孔。
實施例Ⅲ使用焊芯直徑為0.093英寸和0.125英寸的焊條再次進(jìn)行手工電弧焊(SMAW)，此次評價仰焊位置的焊接工藝。被焊接的板材為3/8英寸×6英寸×10英寸，坡口角度為60°。結(jié)果是各方面的操作性都十分令人滿意，焊接熔敷的X-射線分析反映出氣孔率極低，因而完全符合技術(shù)規(guī)范要求。
然后根據(jù)MIL-E-0022200/4B(SHIPS)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行彎曲試驗。根據(jù)這個試驗，在彎曲處的凸形表面上對焊接熔敷進(jìn)行肉眼檢驗。驗收要求是在任何方向上裂痕長度不得超過1/8英寸。對3/32英寸、1/8英寸，5/32英寸和3/16英寸的每一種焊接件進(jìn)行了三次彎曲試驗。對所有規(guī)格尺寸焊條所做的12個彎曲試件都未測到裂紋。
除上述試驗外，還按照MIL-E-2200F技術(shù)規(guī)范測定了焊條的絕緣強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)這種焊條的絕緣強(qiáng)度極好。在室溫和“干燥”條件下的焊條藥皮必須具有足以有效地絕緣110伏電位差(擊穿電壓)的絕緣強(qiáng)度。每一種焊條的平均擊穿電壓列入表Ⅵ中。
表Ⅵ焊條直徑(英寸)3/321/85/323/16平均擊穿電壓(伏特)646758876955由上表可清楚地看出，每一個例子的絕緣強(qiáng)度都大大超過110伏。
本發(fā)明可用于焊接銅-鎳合金，尤其是70-30型銅-鎳合金，這種合金含有25-35%鎳，高達(dá)2%鐵，高達(dá)3%錳，高達(dá)1%或更多的鈦，高達(dá)1%硅，高達(dá)0.2%碳，高達(dá)0.02%硼，高達(dá)0.5%鋯，高達(dá)2%鈮，高達(dá)2%釩，余量基本上是銅和雜質(zhì)。它還可用于焊接90-10型銅-鎳合金，這種合金大體上含有高達(dá)15%鎳、高達(dá)2%硅，高達(dá)2%錳、高達(dá)2%鐵，余量基本為銅。本發(fā)明還可用于堆焊金屬基材。這種焊劑/焊芯組合還導(dǎo)致在所有焊接位置上都為氣孔率極少的優(yōu)良焊接溶敷，這種溶敷的特征在于它具有大大超過50，000磅/英寸2的高拉伸強(qiáng)度，如54，000～55，000磅/英寸以上;還具好良好的延展性且?guī)缀鯖]有有害裂紋。這種熔敷含有25-35%鎳;高達(dá)0.2或0.3%鋁，例如0.005～0.15%;高達(dá)2%鐵，例如0.2～0.8或1%;高達(dá)3%錳，例如0.75～2.5%;高達(dá)1%硅，最好是0.25～0.75%硅;高達(dá)1%鈦，例如0.02～0.5%;余量基本是銅。還應(yīng)提到，焊條中的鋁不會大量過渡到熔敷中，因為它不穿過電弧。因此，根據(jù)焊劑組成，如果有的話，也只可能是少量地被過渡。無論是焊劑或焊芯中都不主張使用鐵-鋁合金。
雖然結(jié)合最佳實施方案敘述了本發(fā)明，但熟知本技術(shù)領(lǐng)域的人都知道，只要不違背本發(fā)明的精神和范圍，可以允許某些修改和變化。就合金成分范圍而論，一種元素的給定百分比可以和一種或多種其它元素的給定百分比一起使用。這種技術(shù)規(guī)定包括了給定元素范圍內(nèi)和任何給定熱處理范圍內(nèi)的任一數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種焊劑，該焊劑形成的焊條有焊接操作性并在仰焊位置時產(chǎn)生的氣孔率為最小，所述焊劑基本上由約5～約35%碳酸鈣，約1～約5%RufluxP，約20～約40%冰晶石，約10～約30%二氧化鈦，約1～約5%鋁粉，約2～約8%錳粉，約5～約12%霞石正長巖，約2～約8%氟化鈣，高達(dá)約8%碳酸鋰和約2～7%膨潤土所組成。
2.權(quán)利要求1所述之焊劑，它含有約0.25～2%硅。
3.權(quán)利要求1所述之焊劑，它至少含有高達(dá)約2% Alginate TX-120和高達(dá)約0.5% Natrosol中的一種。
4.權(quán)利要求1所述之焊劑，其中，碳酸鈣包括細(xì)顆粒和粗顆粒兩種。其比例約為1-3。
5.權(quán)利要求1所述之焊劑，其中，錳粉是電解錳。
6.權(quán)利要求1所述之焊劑，它含有約20～30%碳酸鈣，約1.5～3%Ruflux P，約25～35%冰晶石，約14～20%二氧化鈦，約1.5～3%鋁粉，約3～6%錳粉，約6～10%霞石正長巖，約2.5～6%氟化鈣，約2～4%碳酸鋰，約3～5%膨潤土，約0.5～1.5%硅，以及至少為約0.15～0.35% Natrosol和0.5～1%藻朊酸鹽TX-120中的一種。
7.一種焊條，該焊條具有含以下組分的焊芯約25～35%鎳，高達(dá)約1.5%鐵，高達(dá)約0.12%碳，高達(dá)3%錳，高達(dá)約1%鈦，高達(dá)約1%硅，高達(dá)約0.75%鋁，高達(dá)約0.03%硼，高達(dá)約1%鈷和余量的銅及雜質(zhì);該焊芯具有權(quán)利要求1所述之焊藥皮。
8.權(quán)利要求7所述之焊條，其中，焊芯具有權(quán)利要求2所述之焊藥皮。
9.權(quán)利要求7所述之焊條，其中，焊芯具有權(quán)利要求3所述之焊藥皮。
10.權(quán)利要求7所述之焊條，其中，焊芯具有權(quán)利要求4所述之焊藥皮。
11.權(quán)利要求7所述之焊條，其中，焊芯具有權(quán)利要求5所述之焊藥皮。
12.權(quán)利要求7所述之焊條，其中，焊芯具有權(quán)利要求6所述之焊藥皮。
13.一種銅-鎳焊接熔敷，其特征在于，它具有低的氣孔率，至少為50，000磅/英寸2的拉伸強(qiáng)度和良好的延展性，所述熔敷基本上有如下組成25～35%鎳，高達(dá)0.3%鋁、高達(dá)2%鐵，高達(dá)3%錳，高達(dá)1%硅，高達(dá)1%鈦，余量基本上為銅。
14.權(quán)利要求13所述之熔敷，其中，鋁含量大約為0.005～0.15%。
15.權(quán)利要求14所述之熔敷，它含有0.2～1%鐵，0.75～2.5%錳和0.25～0.75%硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種焊劑和焊芯為銅-鎳合金的焊條，當(dāng)它們用于仰焊和其它所有焊接位置時都會得到氣孔率極低的焊接熔敷。
文檔編號B23K35/36GK1046866SQ90102569
公開日1990年11月14日 申請日期1990年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月27日
發(fā)明者托馬斯·奧特蘭·貝茨 申請人:英科合金國際有限公司