專利名稱：低碳高速金屬焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及氣體保護金屬極電弧焊，更具體地，本發(fā)明涉及碳鋼氣體保護金屬極電弧焊的自耗電極系列的組成和特性。
解決這一問題的另一途徑是嘗試控制焊接電極的組成和結(jié)構(gòu)以改變其特性，使焊接過程的沉積速率和行進速度能有效地提高。電弧焊過程經(jīng)常使用管狀焊絲形式的自耗金屬電極。這些金屬芯焊絲通常由管狀復(fù)合材料制成，管狀復(fù)合材料有著金屬包覆層和由多種粉狀材料制成的焊絲芯。已知的管狀焊絲類型可以分為金屬芯焊絲或者焊劑芯焊絲。有著比較簡單的化學(xué)組成和已知冶金術(shù)的金屬芯焊絲電極具有高的沉積速率和高的沉積效率，且它產(chǎn)生的熔渣較少，因此，它日益成為固體或傳統(tǒng)焊劑芯焊絲的替代品以提高結(jié)構(gòu)制造的效率。如果金屬芯焊絲所呈現(xiàn)的較高沉積速率能與高行進速度和高質(zhì)量的焊珠相結(jié)合，這樣的金屬芯焊絲焊接電極將會很大程度地提高在汽車、造船和普通制造工業(yè)中有廣泛應(yīng)用的電弧焊的生產(chǎn)率。
在許多美國專利中描述的傳統(tǒng)金屬芯焊絲涉及焊接電極的元素組成的不同類型、結(jié)構(gòu)或者組合。例如，美國專利3,656,918涉及一種適于用作焊絲填充材料的合金，它有著大約2％的Mo作為合金元素之一與Cr和Ni相組合。美國專利3,635,698涉及一種由Ni、Cr和Mo組合而成的低合金鋼制成的焊絲填充金屬。美國專利4,782,211涉及一類焊接電極裝置，其焊棒包覆有一層由一定量的Mo和W熔合成的焊劑。該專利提到，鎢的不同控制含量，最好是以鐵鎢合金的形式出現(xiàn)，可以改變焊接金屬的工作特性。美國專利5,523,540涉及一種由一定元素組成范圍內(nèi)的組成物制成的焊接電極。該專利的焊接電極形成的焊接沉積有著低碳貝氏鐵素體微結(jié)構(gòu)，它有著足夠的強度，可用于高強度鋼的焊接。美國專利5,824,992涉及一種金屬芯焊絲，它的芯組成物占金屬芯焊絲總重量的大約2.5-6.0％或者2.5-12％。
金屬芯焊絲的制造通常包括成形、填充和焊絲的拉制或者軋制。第一步，制成鋼皮并將其彎曲形成U形管道，然后將一定量的金屬粉末，例如鐵粉，灌入U形管中。在隨后的成形和拉制工序中封入并壓緊該粉末以形成焊絲并將焊絲軋制到最終的形狀。如果能夠提供一種用如前所述的制作方法制造的有較高沉積速率和行進速度的改進金屬芯焊絲，機器人電弧焊機的生產(chǎn)率將會有顯著的提高。
本發(fā)明另一目的是提供一種金屬芯焊絲電極組成物，使焊接電極的行進速度能有45-50％的增加。
本發(fā)明還有一個目的是提供同時具有高熔點和合適的焊絲熔化后表面張力這兩種性質(zhì)的碳鋼合成金屬芯焊絲，上述兩種性質(zhì)能夠提高焊接過程中的沉積速率和行進速度。
本發(fā)明是一種具有包覆層的焊絲，包覆層內(nèi)封裝有由金屬粉末制成的金屬芯，其中金屬芯的填充百分比不少于大約12％。金屬芯包括一種芯組成物，該組成物熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一種合金元素，或者這些元素中多種元素的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中芯組成物中合金元素或者多元素組合的總重量百分比不超過大約1％。在一種具體實施方案中，合金元素為Mo，其重量在大約0％到大約0.5％的范圍內(nèi)，而金屬芯的填充百分比在大約12％到大約30％的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的一種具體實施方案中，多元素組合的總百分比在大約0.4％到大約0.8％的范圍內(nèi)。
為使焊絲沉積速率有15-20％的提高，本發(fā)明提供一層封裝鋼芯的包覆層，鋼芯的填充百分比在12％以上并且其組成中包含從Cr、Mo、V、W、Hf和Nb組成的一組元素中選出的一種合金元素和這些元素的多種組合物。當焊絲用于焊接過程中時，這種焊絲的沉積速率隨著芯填充百分比的增加而增加。特別是，沉積速率從芯填充的百分比為大約12％時的15lb/h提高到芯填充的百分比為大約30％時的20lb/h。在某些具體實施方案中，Mo的總重量百分比的變化范圍是大約0％到大約0.4％，而一種合金元素的總重量百分比不超過大約1％。
為使行進速度有40-50％的提高，本發(fā)明的焊絲包括一層封裝金屬芯的包覆層，其中金屬芯的填充百分比高于12％，金屬芯的合金組成中有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一種合金元素，或者這些元素的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中，芯組成成分中合金元素或元素組合物的總重量百分比不超過大約1％，而焊絲用于焊接時的行進速度范圍為大約65％英寸/分鐘到大約145英寸/分鐘。焊絲用于焊接時的行進速度可以用最大行進速度來表示，當芯填充百分比的變化范圍在大約12％到30％之間時，最大行進速度的變化范圍在大約80英寸/分鐘到大約145英寸/分鐘之間。本發(fā)明在焊接實驗中測得的焊絲的最大行進速度對應(yīng)于含有大約0％到大約0.4％的Mo的組成。
制造焊絲的方法包括制作包覆層使之成為能夠用金屬粉末填充的形狀；用金屬粉末填充包覆層，金屬粉末的組成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一種合金元素，或者這些元素的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中，芯組成成分中合金元素或者多元素組合物的總重量百分比不超過大約1％。此外，在制造過程中金屬粉末被壓緊以形成金屬芯；然后焊絲被拉制以使得金屬芯的填充百分比不少于12％。按照本發(fā)明，芯填充百分比在大約12％到大約30％之間，合金元素是Mo，其含量在大約0％至大約0.4％之間。組合物的總重量百分比在大約0.4％到大約0.8％之間。
通過對本發(fā)明的下述詳細說明及附圖
的研究，本發(fā)明的這些及其它的目的、特性和優(yōu)點將會變得更為明顯。
圖2是顯示電壓和焊絲進給速度之間關(guān)系的圖形。
圖3是顯示沉積速率和芯填充百分比之間關(guān)系的圖形。
圖4是顯示轉(zhuǎn)化頻率和芯填充百分比之間關(guān)系的圖形。
圖5(a)-(h)是表5中給出的焊接試樣的照片。
具體實施例方式
本發(fā)明基于含有Fe、Mn和Si的低碳鋼金屬芯焊絲，其中，Mn和Si是主要的合金元素。焊絲更為詳細的組成示于表1中，其組成相當于American Welding Society(AWS)(美國焊接協(xié)會)規(guī)范A5.18的E70C-6C型電極。
表1傳統(tǒng)低碳鋼金屬芯電極焊接金屬組成(AWSA.5.18)表1

這種焊絲中Mn和Si的作用是還原焊接過程中沉積的金屬并改變沉積金屬的微結(jié)構(gòu)以獲得所需的機械性能。另外，Si能增加焊珠的濕潤度，因而可以改善沉積焊絲的可焊性。如表1所示，金屬粉末中的少量金屬和非金屬添加物(Cu、S、P)在焊接過程中可以穩(wěn)定電弧并減少可擴散氫的量。焊絲電極中的金屬部分通常不少于電極總重量的大約95％，而芯組成物的重量占焊絲總重量的大約10％到大約20％。
本發(fā)明的金屬芯焊絲的特點在于一種特定的元素組成，這種組成能減小在前一段中所說明的復(fù)合焊絲熔融態(tài)焊接金屬的表面張力。表面張力的減小是由于焊絲芯組成物中添加有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種元素或一種元素組合。表面張力的減小有利于電弧溝區(qū)(已被電弧熔化但還沒有被熔融態(tài)焊接或填充金屬填充的基底金屬部分)中的熔融態(tài)焊接金屬的擴散。本發(fā)明金屬芯電極焊絲的組成如表3所示。
表3.(Cr、Mo、V、W、Hf和Nb的總百分比不超過1％)本發(fā)明的金屬芯電極焊接金屬組成物的元素組成。表3

在金屬芯焊絲電極中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種元素或一種元素組合的原因是為了提高焊接速度，這是因為其增大了熔融態(tài)焊接金屬的凝固范圍(并且，因而減小了固化速率)。因為高行進速度導(dǎo)致高固化速率，所以填充時間不足通常造成熔融態(tài)焊接金屬不能完全填充電弧溝，這又會導(dǎo)致可能形成電弧溝區(qū)的下陷、突起或其它缺陷。增大焊絲的凝固范圍，正如本發(fā)明能夠做到的，改善了基底金屬的濕潤性并減緩了固化過程，使得有充足的時間讓熔融態(tài)焊接金屬填滿電弧溝。多個試驗焊絲的例子及它們的組成如表2所示。特別是，試驗焊絲在填充百分比為12％到30％之間時熔合了不同百分比的Mo(大約0％、大約0.2％和大約0.4％)。
表2試驗焊絲(直徑1.4毫米)及它們的組成表2

應(yīng)該理解的是，盡管列出的試驗結(jié)果是在試驗焊絲中熔合有Mo的情況下測得的，但已經(jīng)證明，在焊絲中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種元素或它們的一種元素組合的情況下得到的試驗結(jié)果可以與熔合有Mo的情況相比。通常合金組合物的重量百分比不超過1％，且在大多數(shù)情況下合金組合物的重量百分比在大約0.4％到大約0.8％的范圍之內(nèi)。
表1中試驗焊絲的合金元素的高填充百分比對于同時改善沉積速率和熔融態(tài)金屬的濕潤作用是顯著的。在350A、34V、DCEP、試驗焊絲直徑為1.4毫米的條件下，根據(jù)焊絲填充百分比，測取了表2中列出的12種不同試驗焊絲的沉積速率。表2中分別熔合有大約0％、0.2％和0.4％的Mo的系列焊絲的填充百分比在大約12％到大約30％之間變化。
圖3顯示的是067-070試驗焊絲的沉積速率的測試結(jié)果，這些試驗焊絲對應(yīng)于其組成物中只有幾乎為0％的Mo。從圖3可以看出，芯填充大約為30％的070焊絲的沉積速率大約是20英鎊/小時，這遠遠高于芯填充只有大約12％的060焊絲的大約15.6英鎊/小時的沉積速率。所觀察到的沉積速率的提高是由于有較高芯填充百分比的焊絲的電阻增大了。更具體地，較高的芯填充使得焊絲橫截面內(nèi)金屬粉末物質(zhì)相對于總的焊絲橫截面的比例較高。因為粉末金屬芯焊絲所呈顯的電阻比同直徑實心金屬芯焊絲為高，所以有較高填充的金屬粉末芯焊絲在焊接過程中產(chǎn)生更多的熱量，從而導(dǎo)致更高的沉積速率。應(yīng)注意的是，在本發(fā)明的說明中術(shù)語“實心金屬芯”的意思是金屬芯由整塊金屬而不是由壓緊的金屬粉末制成。
為了在焊接過程中得到連貫的高沉積速率和高行進速度的結(jié)果，重要的是有一種能為這些焊接過程確定和選擇優(yōu)化焊接參數(shù)的方法。在使用自耗電極的電弧焊過程中，感興趣的參數(shù)是焊絲進給速度、電壓和行進速度。如果選擇了非優(yōu)化的焊接參數(shù)，那么很可能會出現(xiàn)高缺陷率和低焊接質(zhì)量。對于使用恒定電壓的固定尺寸的角焊過程，在假定沉積率恒定的情況下，焊絲的進給速度通常與焊絲的行進速度成正比。沉積率是指實際沉積在基底金屬上而不是浪費在熔渣、濺沫或煙霧中的焊絲重量百分比。多數(shù)金屬芯自耗焊絲的沉積率通常在90-98％的范圍內(nèi)，并會在焊接過程中有微小變化?？疾煲粋€1/8英寸接縫角焊的示例性例子，行進速度大約等于焊絲速度的20-25％且電壓近似恒定。圖2提供了許多被列樣品的焊絲進給速度和電壓數(shù)據(jù)。圖2給出了優(yōu)化電壓和焊絲進給速度之間的關(guān)系，試驗中試驗焊絲直徑為1.4毫米，固定電弧長度約為1/8英寸。用于獲得圖2所示結(jié)果的其它焊接參數(shù)是1/8英寸搭接、DCEP、100％CO2保護氣體和在15度下傾方位上的1F電極配置。電弧的長度用高速CCD相機來校準。在用表5中列出的樣品進行焊接后，得到的焊接質(zhì)量顯示于圖5(a)-(h)中。
顯示高芯填充金屬焊絲的優(yōu)點的另一方法是在焊接過程中分析它們的熔滴轉(zhuǎn)化頻率。熔滴轉(zhuǎn)化頻率是評價電弧穩(wěn)定性的一個重要指標。較高的熔滴轉(zhuǎn)化頻率既能導(dǎo)致較好的電弧穩(wěn)定性，也能導(dǎo)致較好的焊接池內(nèi)部對流、增強的液態(tài)金屬濕潤作用和較低的焊絲濺沫程度。表2中067-070試驗焊絲的熔滴轉(zhuǎn)化頻率隨焊絲芯填充百分比的提高而顯著提高，如圖4所示。圖4中的熔滴頻率數(shù)據(jù)是用高速CCD相機獲得的，測量條件為350A、43V、DCEP。
從圖4可看出，焊絲的總體可焊性通過增加焊絲芯填充百分比和使用具有本發(fā)明所述化學(xué)組成的焊絲而得到了改善。為了進一步顯示這一發(fā)現(xiàn)，表4列出了一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明使用試驗焊絲的焊接過程提高了沉積速率和焊接速度。實驗是針對含有大約0％、0.2％和0.4％的Mo的系列焊絲的不同填充百分比進行的。
表4試驗焊絲的沉積速率和最大行進速度。表4

表4中行進速度的測量是按照AWS/ANSI D8.8-89(SAE HS J1196)汽車和輕型卡車部件焊接質(zhì)量(電弧焊)規(guī)范進行的，這里引用該規(guī)范以作參考。表4中067試驗焊絲是一個傳統(tǒng)金屬芯焊絲的例子，其芯填充百分比為10-20％，并且除Mn和Si外沒有超過0.1％含量的合金元素。它的沉積速率大約是15.6lb/h，最大行進速度是80英寸/分鐘。從表4中可以清楚地看到，作為本發(fā)明一個例子的058試驗焊絲顯示了18.2英鎊/小時的較高沉積速率和140英寸/分鐘(最大行進速度)的非常高的沉積速度。很明顯，同時具有高芯填充百分比和添加有受控量合金元素Mo的試驗焊絲顯示了最佳沉積速率和行進速度。
根據(jù)本發(fā)明，制作具有所述組成和高芯填充百分比的金屬芯焊絲包括準備包覆層(例如鋼皮)和使包覆層成形為(通常是彎曲)能用諸如鐵粉之類的金屬粉末填充的形狀。通常這種形狀是U形的。金屬粉末的組成成分中含有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種元素或者一種元素組合，這些金屬粉末被填入包覆層。合金元素組合物的百分比通常不超過1％，而最佳百分比則在大約0.4％到大約0.8％的范圍內(nèi)。當Mo被用作唯一的合金元素時，其百分比在大約0％到大約0.4％之間變化。隨后的成形和拉制過程是，如前所述封入并壓緊粉末，形成焊絲并使焊絲縮小到最終形狀，使其芯填充百分比高于12％。
因此，已經(jīng)表明，添加多達0.4％的Mo到芯填充百分比高于12％的金屬芯電極焊絲中，將顯著提高其沉積速率和行進速度而不會降低焊接質(zhì)量，這就能顯著提高焊接過程的生產(chǎn)率。本發(fā)明的書面說明使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能利用和使用那些被認為是當前的本發(fā)明的最佳方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)清楚認識到，只要不超出這里公開的具體示例性實施方案的精神和范圍，可以對其進行改變、組合、修改和等效替換。還應(yīng)認識到，所述的說明性例子決不能理解為對本發(fā)明的限制。所附權(quán)利聲明書中聲明的本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點適用于所有類型的金屬芯焊絲，例如低碳金屬芯、不銹鋼金屬芯和低合金金屬芯焊絲。
權(quán)利要求
1.一種焊絲包括包裹了由粉末狀金屬制成的金屬芯的包覆層，其中金屬芯的填充百分比高于大約12％；和金屬芯的組成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種合金元素或這些元素的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中，芯組成成分中合金元素或者多元素組合物的總重量百分比不超過大約1％。
2.如權(quán)利要求1的焊絲，其中合金元素是Mo，其重量百分比在大約0％到大約0.5％的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1的焊絲，其中金屬芯的填充百分比在大約12％到大約30％的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1的焊絲，其中多元素組合的總百分比在大約0.4％到大約0.8％的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1的焊絲，其中其組成主要包括大約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，并且金屬芯的填充百分比高于大約12％。
6.如權(quán)利要求1的焊絲，其中合金組合物包括大約不超過0.5％的Cr、不超過0.5％的Mo、不起過0.5％的W、不超過0.5％的V、不超過0.5％的Hf和不超過0.5％的Nb。
7.一種提高了生產(chǎn)率的焊絲包括包裹鋼芯的包覆層，其芯填充百分比高于12％；和鋼芯的組成中包含有從Cr、Mo、V、W、Hf和Nb組成的一組元素中選出的一種合金元素，或者這些元素的多種組合，其中焊絲用于焊接時其沉積速率隨芯填充百分比的增加而提高。
8.如權(quán)利要求7的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中沉積速率從芯填充大約為12％時的大約15英鎊/小時提高到芯填充大約為30％時的大約20英鎊/小時。
9.如權(quán)利要求7的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中一種合金元素的總重量百分比不超過大約1％。
10.如權(quán)利要求8的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中Mo的總重量百分比的變化范圍是從大約0％到大約0.4％。
11.如權(quán)利要求7的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中鋼芯由壓緊的金屬粉末制成。
12.一種提高了生產(chǎn)率的焊絲包括包裹金屬芯的包覆層，其中金屬芯的芯填充百分比高于大約12％；和金屬芯的組成成分中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種合金元素或這些元素的一種組合物，或者這些元素的多種組合物，其中，芯組成中合金元素或者多元素組合的總重量百分比不超過大約1％，用于焊接時，焊絲的行進速度在大約65英寸/分鐘到大約145英寸/分鐘的范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求12的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中，當用于焊接時，焊絲的行進速度當芯填充在大約12％到大約30％的范圍內(nèi)時，其最大行進速度在大約80英寸/分鐘到大約145英寸/分鐘的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求12的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中，當用于焊接時，焊絲行進速度從大約65英寸/分鐘提高到大約90英寸/分鐘。
15.如權(quán)利要求13的提高了生產(chǎn)率的焊絲，其中，當用于焊接時，焊絲的最大行進速度對應(yīng)于在其組成中所包含的Mo的百分比在大約0％到大約0.4％的范圍內(nèi)。
16.一種制造焊絲的方法包括將包覆層做成能夠用金屬粉末填充的形狀；用金屬粉末填充包覆層，金屬粉末的組成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種合金元素或這些元素的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中，芯組成中合金元素或者多元素組合物的總重量百分比不超過大約1％；壓緊金屬粉末以形成金屬芯；和拉制焊絲以使金屬芯的芯填充百分比不低于12％。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中芯填充百分比的范圍在大約12％到大約30％之間。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中合金元素是Mo且Mo的總重量百分比在大約0％到大約0.4％的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求16的方法，其中元素組合的總重量百分比在大約0.4％到大約0.8％的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求16的方法，其中合金元素組合包括大約不超過0.5％的Cr、不超過0.5％的Mo、不超過0.5％的W、不超過0.5％的V、不超過0.5％的Hf和不超過0.5％的Nb。
全文摘要
本發(fā)明是一種焊絲，它包括一層包裹由粉末狀金屬制成的金屬芯的包覆層，其中金屬芯的填充百分比不低于大約12％。金屬芯包括一種芯組成物，組成物熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一種合金元素或它們的一種組合物，或者它們的多種組合物，其中，芯組成物中合金元素或者多元素組合物的總重量百分比不超過大約1％。在一種具體實施方案中，合金元素是Mo，其重量百分比在0％到5％的范圍內(nèi)，且金屬芯的填充百分比在大約12％到大約30％的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的一種具體實施方案中，多元素組合的總百分比在大約0.4％到大約0.8％的范圍內(nèi)。
文檔編號C22C38/48GK1432448SQ0310040
公開日2003年7月30日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月13日
發(fā)明者陳富虎, 森迪拉姆·納加拉簡 申請人:伊利諾斯器械工程公司