专利名称：低电流高速焊接用奥氏体系不锈钢焊丝的制作方法
技术领域：
本发明是关于奥氏体不锈钢焊丝的发明，具体说是关于提高低电流高速焊接时送丝性能和电弧稳定性，获得高的焊接质量的奥氏体系不锈钢焊丝的发明。
奥氏体系不锈钢是铬-镍不锈钢，其具有代表性的、最经济的成分为含18％的铬和8％的镍的18-8型不锈钢，在此基础上开发了一些改良的钢种。
最近整个产业界为了提高生产率，要求高速高效焊接，因此不锈钢的焊接也对薄板(3mm以下)的低电流高速焊接时电弧的稳定性提出了要求。
这种低电流高速焊接中的问题是电弧的稳定性和送丝性能有大的差别，电弧稳定性不好的情况下，起弧(arc start)时有时不进行焊接，焊接中也不能排除断弧的可能。
特别是自动焊接时如果发生上述情况，则需要增加研磨和补焊等工序，带来制造成本的增加，有时还会成为产生次品，使产品质量恶化的原因。
而且电弧稳定性不好的话，电弧的长度变化大，焊接电流的变化大，会产生大颗粒的飞溅，此时伴随着要进行去除飞溅的操作和飞溅造成火灾的危险。
为了改善电弧的稳定性，有的采用在炼钢中加入各种微量元素的方法，但是，在高速焊接中不能保证送丝性能的话，还存在着仅靠加入上述微量元素也难以保证得到稳定的焊接电弧的缺点。
另一方面送丝性能不好的话，由于高速焊接时送丝不好，通过焊接电缆困难，也担心产生断弧现象。
断弧现象使送丝不稳定，使电弧长度改变，使母材和焊接材料的电子移动不稳定。
这种不稳定的电子移动，伴随着高速焊接引起熔池的快速移动，成为断弧和焊道不连续的主要原因。
另一方面，为了改善送丝性能有在焊丝表面涂敷润滑油的方法(日本特许公报26828 14、日本公开特许公报11-147174、日本公开特许公报2000-94178等)，以及使表面形状均匀的方法(韩国专利134857号等)，但是在电焊电缆长、扭转的情况下，送丝的负荷大，仅仅通过对焊丝表面的控制仍会产生焊丝扭转、弯曲，还可能出现送丝不好的情况。
为了解决上述课题，本发明的目的是通过调节奥氏体系不锈钢焊丝断面中心部和表面的硬度差及长度方向的硬度差，改善送丝性能，而且把上述焊丝中的微量元素含量调节到一定范围，以提供有高焊接质量的奥氏体系不锈钢焊丝。
本发明的奥氏体系不锈钢焊丝的特征是在焊接速度30～70CPM(cm/minute)的低电流短路过渡焊接条件下，表现出优良的电弧稳定性的奥氏体系不锈钢焊丝，其硬度以维氏硬度计(Vickers hardness tester)为基准，上述焊丝断面上心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任意200mm间隔内测定的硬度差为15以下，此焊丝含有的微量元素中(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62。
图2为说明焊丝通过模具时减小面积的接触部位的图示。
本申请与2000年6月28日申请的韩国专利申请第2000-36126号(与此相应的是日本国专利申请第2001-189298号)有关，上述申请可作为本说明书的一部分以作为参考。
本说明书和专利申请范围中所涉及的焊丝是指MIG焊接用奥氏体系不锈钢焊丝，所说的任意区间是指在全部焊丝中，任意选择0.1秒的焊接区间时，其任意选择的区间。
本申请的发明人发现，奥氏体系不锈钢焊丝在低电流短路过渡(shortcircuiting transfer)焊接条件下，在焊接速度30～70CPM焊接时，任意区间的变动系数比(焊接电流的变动系数/焊接电压的变动系数)的值如果保持在0.3～0.7范围，则电弧稳定性显著提高。对符合上述条件的焊丝进行深入研究的结果表明其硬度以维氏硬度计(Vickers hardness tester)为基准，上述焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任何200mm间隔内测定的硬度差15以下，此焊丝含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62的情况下，送丝性能和电弧稳定性优良。
首先以本发明人的试验结果为基础，来说明奥氏体系不锈钢焊丝在低电流短路过渡焊接条件下，在焊接速度30～70CPM焊接时，任意区间的变动系数比，也就是焊接电流的变动系数/焊接电压的变动系数的变动系数值保持在0.3～0.7范围的话，电弧稳定性显著提高的现象。
首先，参照
图1对短路过渡进行说明。
如图1所示，电弧焊接是电弧短路的短路区间和保持电弧的产生电弧区间连续反复进行。在短路区间是熔滴从焊接材料移向母材的期间，没有电弧。可是熔滴移动一完成，产生新电弧，焊接材料溶解，生成新熔滴。此过程反复进行的同时进行电弧焊接。
另一方面变动系数比限定为0.3～0.7的原因如下。
变动系数比超过0.7的话，与焊接电压的变动系数相比，焊接电流的变动系数加大，这表明电弧长度相对应的焊接电压的变动过小，或焊接电流的变动过大，在这样的条件下进行测定的任意区间短路过渡不充分，或过渡的焊接电流变动中的电流最大值变大，生成大颗粒(1mm以上)的飞溅。
另外变动系数比小于0.3的话，与焊接电流的变动系数相比，焊接电压的变动系数加大，这表明电弧长度相对应的焊接电压的变动过大，或焊接电流的变动过小，在这样的条件下进行测定的任意区间中短路过渡过多，可能大量产生非正常短路的瞬间短路(2毫秒以下)，此外电流变动过小的话，起弧的时间延长，因此有时不能充分短路，所以变动系数比小于0.3时不能认为电弧稳定。
因此本发明人确定表示成焊接电流的变动系数/焊接电压的变动系数的变动系数比限定在0.3～0.7，作为确保电弧稳定性的条件。
此外，在短路区间为了使次电弧顺利生成，保持短路变动系数在规定范围内也是重要的，在短路区间的短路变动系数(标准偏差/平均时间)保持在0.25～0.6范围，能提高电弧稳定性。
其原因是短路变动系数小于0.25或超过0.6的话，次电弧的生成有些不规律，不能顺利地进行短路过渡，所以这种情况下难以得到漂亮的焊道。
因此本发明人在低电流短路过渡焊接条件下，在焊接速度30～70CPM焊接时，为了确保电弧稳定性和漂亮的焊道，选择能得到更有效结果的条件，定为把代表标准偏差/平均时间的短路区间的短路变动系数保持在0.25～0.6以内。
上述设定用于低电流短路过渡焊接条件下，奥氏体系不锈钢焊丝电弧稳定性的客观标准，对短路过渡焊接条件下保持变动系数比或变动系数比和短路变动系数都在上述范围内的方法，进行了仔细的研究，其结果表明，其硬度以维氏硬度计为基准，上述焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任意200mm间隔内测定的硬度差15以下，此焊丝含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62的情况下，变动系数比或变动系数比和短路变动系数都在本发明提出的范围内，完全能满足电弧稳定性的要求。
在本发明的焊丝中，以维氏硬度计为基准时，设定焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任何200mm间隔内测定的硬度差15以下的原因是使最终产品的焊丝残余应力均匀，是为了改善送丝性能，关于这一点在2000年6月28日申请的韩国专利申请2000-36126号(日本国专利申请2001-189298号)中做了详细说明，下面仅说明它的要点。
一般情况下，包括焊丝在内的各种丝材，从最初的原丝(ROD)到最终的制品丝材，都是通过很多尺寸的膜具，由粗直径至细直径的阶段性地减径，拔丝成最终成品丝的。
在拔丝(WIRE DRAWING)工序中，作为有关送丝性能的因素，通过调整拉拔(拔丝)到要求的最终产品直径的收缩率的拔丝规程、焊丝的抗拉强度和延伸率的偏差，得到内应力的分布和平直程度。其中焊丝内部应力分布的均匀性在送丝性能中是必须考虑的最重要的因素。
现在一般为了提高送丝性能，在拉丝工序的控制上，仅仅单纯地考虑从粗直径到细直径的收缩率，或者考虑通过调整焊丝的抗拉强度和延伸率的偏差使其内应力的分布均匀化。
可是在拉丝工序中，焊丝每反复延伸(拉丝)一次，焊丝的外部也就是与模具接触的表面部位与中心部位相比，组织就更细密而且硬化，这种硬化反复叠加直到焊丝不能再延伸的程度，还使焊丝外部和中心部的残余应力分布更加不均匀。
因此现在单纯从收缩率调整拔丝规程和对拔丝的抗拉强度进行控制，使最终产品的焊丝外部和内部的残余应力分布均匀是有限度的。
此外连续拔丝的焊丝表面硬化会引起与焊丝接触的模具的磨损，增加拉拔焊丝表面的损伤，对最终产品的质量带来不好的影响，结果焊接时造成不能平稳送丝。
这样表面硬化的焊丝与模具接触造成模具的磨损，是造成与焊丝接触面积不均匀的原因，因此在最终产品焊丝的长度方向上的残余应力分布也不均匀。
本发明人力图通过调整拔丝工序中焊丝断面的硬度偏差和焊丝长度方向的硬度偏差，使焊丝内部应力分布均匀化，以提高送丝性能。
另一方面如图2所示，把焊丝通过模具实际减小面积的接触部位称为减小面积的接触部位20，把它的面积称为减小面积的接触面积，把矫直焊丝直径的接触部位称为矫直接触部位200，它的面积称为矫直的接触面积，焊丝内部应力分布均匀。化的方法是通过对上述减小面积的接触部位和矫直接触面积的总面积的控制实现的。
参照图2对减小面积的接触部位和矫直接触面积进行详细说明。
决定焊丝(W)和模具(D)的接触面积的主要是i)焊丝实际进行减小面积的模具(D)和焊丝(W)的接触面积，ii)使焊丝平直产生的焊丝(W)和定径部位(200)的接触面积。用上述定径部位(200)对焊丝直径进行矫直，提高平直度。
首先看一下前者的情况，焊丝(W)实际减小面积部位(减小面积的接触部位)的接触面积过小的情况下，焊丝(圆形)断面上内部(中心)和外部(表面)的残余应力差大，焊丝一侧外部和另一侧外部的硬度差大，焊接时焊丝不能承受通过送料辊时受到的连续局部负荷，焊丝扭转导致前端摇动，成为电弧不稳定的原因。
接触面积过大的情况下，由于局部的加工硬化现象，给焊丝表面质量造成不好的影响，严重时焊丝的内部(中心)和外部的应力偏差大，使拔丝不能进行。
下面看一下后者的情况，经拔丝的焊丝(W)和定径部位(200)的接触面积过小的情况下，焊丝(W)的长度方向的内部应力偏差大，送丝不平稳，这是由于焊丝不能承受通过送料辊时受到的连续局部负荷，成为焊丝扭转缠绕或从送料辊脱离的原因，或焊丝(W)向前行走不够，焊接时通过送料辊后，或通过电缆后焊丝容易变形，这就导致焊丝通过焊炬口(Contact Tip)后，不能直线向前行走，产生焊接缺陷(蛇形焊道)。
现有的这种内部应力偏差的控制方法是利用稳定的收缩率来控制成品钢丝抗拉强度和延伸率偏差，用这种方法对成品钢丝的微小内部应力的控制是有限度的，也就是对送丝时承受负荷的外表面的应力和从这样的表面把负荷传递到焊丝心部的应力的控制是有限度的。
如图2所示，本发明人发现，焊丝通过模具时实际减小面积的接触部位称为减小面积的接触部位20，把它的面积称为减小面积的接触面积，把矫直焊丝直径的接触部位称为矫直接触部位200，它的面积称为矫直的接触面积，通过对上述减小面积的接触部位和矫直接触面积的总面积的控制，能实现焊丝内部应力分布均匀化。
此外还考虑了作为使变动系数比保持在上述范围内的一个因素，即焊丝所含成分对变动系数比的影响。
对加入微量的Mn、Si、S、N、P含量对电弧稳定性或奥氏体的稳定性的影响进行大量研究的结果表明，(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62的情况下，容易使上述变动系数比保持在上述范围。
对此微量元素各成分说明如下。
Mn对焊接金属有脱氧的效果，是具有使奥氏体稳定作用的元素。可是添加过量的Mn使耐蚀性、耐氧化性恶化，焊接中焊丝端部的表面张力大，在低电流短路过渡区间妨害熔滴的移动，这是使短路区间变长的原因。
Si是有效的脱氧剂，电弧稳定剂。加入Si可增加耐氧化性，具有提高熔融金属的浸湿性的效果，但添加过量是容易产生焊接凝固裂纹的原因。
S是为了在MIG焊接时使焊道形状良好，以及焊接电弧的稳定性和减少飞溅量而添加的。加入S的另一个目的是生成MnS，防止热加工时晶粒粗大化。添加过量的话在焊道上形成的熔渣量增加，形成低熔点化合物，引起产生高温裂纹，不希望过量加入S。
P和N一般是对提高焊接性能不起作用的元素，过量添加时会产生对制造线材时的热加工性有害的问题，一般是调整到最小的量，但是在本发明中为了焊接电弧的稳定性的效果，少量添加了P和N。
考虑到上述各点，本申请的发明人确定使焊丝中含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值在0.19～0.62范围。
下面对用本发明提出的含有上述范围内成分的发明示例和含有本发明范围外成分的对比示例，说明本发明的效果。
下面的表1表示试验中使用的奥氏体系不锈钢用实心焊丝，飞溅的发生量单位是g。表2中表示低电流短路过渡焊接条件。
表1的焊丝是以AWS ER309标准为基础，加入少量微量元素成分变化而成的，焊丝直径的减小为5.5mm→1.2mm。
表1的送丝试验为2匝，拔丝工序按1次拔丝→热处理→2次拔丝→热处理→3次拔丝(最终拔丝)顺序进行，最终拔丝阶段把拔丝(拉拔)分为2阶段进行，(最终拔丝工序中的)各拔丝阶段中改变接触面积比，对各焊丝用维氏硬度计(Vickers hardness tester，以下简称Hv1)测定了硬度。
在拔丝工序中，热处理是在第1次拔丝后和最终拔丝前进行，第1次拔丝后的热处理是消除加工硬化的热处理，最终拔丝前的热处理是是为了使最终制品的钢丝内部残余应力最小和均匀化的热处理。
这对焊丝通过模具时缓解应力也是重要的，对引线(引线的焊丝)的残余应力分布也是重要的。
最终道次前的热处理在1次拔丝后在一定程度上消除了应力，由于继续进行的2次拔丝，内部残余应力分布不均，难以得到表现出具有良好送丝性能的残余应力分布，所以最终拔丝前的热处理是重要的工序。
硬度偏差在断面硬度偏差的情况下，要测出焊丝断面中心和表面的硬度，求出它的差，在长度方向的情况下，焊丝任意的200mm间隔内连续测定5回硬度，算出它们的算术平均值(3个试样的算术平均值)。
把最终拔丝(也就是3次拔丝)中的拔丝分成2个阶段，第1阶段是减面接触比，也就是通过调整焊丝和模具的接触角，设定减面接触面积，在第2阶段矫直接触比，也就是在矫直拔丝的直径阶段中设定矫直接触面积，减少焊丝断面上的硬度偏差和长度上的硬度偏差，使焊丝的残余应力分布均匀。
也就是在第1阶段减小焊丝和模具接触的角度，使焊丝断面上的硬度偏差减小，防止焊接时焊丝扭转造成的尖端摇摆；在第2阶段中，加长模具的定位长度，也就是焊丝矫直的定位部位长度，减小焊丝长度方向的硬度偏差，防止焊丝通过电缆时由于弯曲或扭转造成的焊接缺陷(蛇形焊道)。上述对决定第1拔丝阶段中焊丝和模具接触角的大小和第2阶段中的定位部位的长度的接触面积比的作用大小，在接触面积比在3到3.5范围内，两者均要求约1/3(1到1.17)至1/2(1.5到1.75)。
下述表3、表4、表5为使用上述表1的焊丝，在表2的焊接条件下，边进行低电流短路过渡焊接，边对各焊丝测定的任意的13个区间的焊接电流、焊接电压和变动系数比。表3、表4、表5是分别表示焊接速度为30CPM、50CPM、70CPM的情况。
焊接电流、焊接电压和变动系数比是用モニテツクコルア公司的电弧监控WAM-4000D version 1.0测定。所谓变动系数比是指“焊接电流的变动系数/焊接电压的变动系数”。表示把表1的焊丝焊接25cm时，在任意区间的短路区间平均时间和它的标准差以及短路变动系数。其中短路变动系数是指“标准差/平均时间”。为了调查上述测定的变动系数比和短路变动系数对焊道的影响，焊接电弧开始后的1.5cm以后测定的焊接部位焊道宽度求出n＝50标准的标准偏差，其结果列于表中。另外在表3、表4、表5中，“电流”项目是指焊接电流的变动系数，“电压”项目是指焊接电压的变动系数，“时间”是指平均时间。
汇总表3、表4、表5可以看出首先在对比例1～3中，微量元素含量在本发明范围，而焊丝的硬度偏差超出本发明提出的范围，显示出送丝负荷大，此外变动系数比和短路变动系数的最小值和最大值的幅度也大。
在对比例4～6中，焊丝的硬度偏差在本发明提出的范围内，送丝负荷低了一些，但是微量元素在本发明提出的范围之外，显示出变动系数比及短路系数比的最小值和最大值的幅度与对比例1～3同样的大，并且与本发明例相比，飞溅也发生的相当多。
在对比例7～9中，焊丝的硬度偏差和微量元素含量都在本发明范围外，送丝负荷和飞溅生成量的评价项目都不好，此外变动系数比和短路变动系数的最小值和最大值的幅度也最大。
在发明例10～12中，焊丝的硬度偏差和微量元素含量都在本发明提出的范围内，送丝负荷小，飞溅生成量少，而且变动系数比和短路变动系数的最小值和最大值的幅度最小。
发明例焊道宽度标准偏差小于0.25，显示出能够得到大体一定的焊道宽度，而对比例焊道宽度的标准偏差在0.26以上，显示出很难得到尺寸大体相同的焊道宽度。
与对比例相比，变动系数比和短路变动系数保持一定范围的发明例焊接时很少生成1mm以上的飞溅量(参照表1)和送丝负荷。
从这样的结果可以看出，在焊接速度30～70CPM的低电流短路过渡焊接条件下，显示优良电弧稳定性的奥氏体系不锈钢焊丝其硬度以维氏硬度计为基准，应限定上述焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任何200mm间隔内测定的硬度差15以下，此焊丝含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值应为0.19～0.62的范围。
如上所述，采用本发明在低电流短路过渡焊接条件下，奥氏体系不锈钢焊接时，能够提高电弧稳定性，能得到良好的焊道形状，能减少飞溅的生成量，具有提高焊接质量和操作性的效果。
权利要求
1.奥氏体不锈钢焊丝，其特征为该焊丝是在焊接速度为30～70CPM的低电流短路过渡焊接条件下表现出优异的电弧稳定性的奥氏体系不锈钢焊丝，其硬度以维氏硬度计为基准，上述焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任意200mm间隔内测定的硬度差15以下，此焊丝含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62。
2.如权利要求1所述的奥氏体系不锈钢焊丝，其特征为上述焊丝断面上心部和表面的硬度差和上述焊丝长度方向的硬度差，利用使下式定义的接触面积比在3到3.5范围内来进行调整接触面积比＝减小面积接触比+矫直接触比其中，减小面积接触比＝减小面积接触面积/引入线截面积矫直接触比＝矫直接触面积/引出线截面积。
全文摘要
提供焊接速度为30～70CPM的低电流短路过渡焊接条件下表现出优异的电弧稳定性的奥氏体系不锈钢焊丝，其特征为其硬度以维氏硬度计为基准，上述焊丝断面上中心部和表面的硬度差为18以下，上述焊丝长度方向任意200mm间隔内测定的硬度差为15以下，此焊丝含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值为0.19～0.62。表现为通过提供奥氏体系不锈钢焊丝能够提高电弧稳定性，在奥氏体不锈钢焊接时能确保优良的焊接质量和操作性。
文档编号B23K35/30GK1400080SQ0212654
公开日2003年3月5日 申请日期2002年7月23日 优先权日2001年7月26日
发明者李在炯 申请人:基斯韦尔株式会社