专利名称：气体保护电弧焊的无铜焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体保护电弧焊的无铜焊丝，并且更具体地涉及这样的气体保护电弧焊的无铜焊丝，该焊丝在半自动焊接或自动焊接时具有良好的电弧稳定性，从而保证较好的送丝性并减小焊渣的量。
背景技术：
最近，随着自动焊接的发展，气体保护电弧焊焊丝的应用快速增长，结果，气体保护电弧焊焊丝特别是在汽车工业、造船工业、建筑工业等领域得到广泛使用。这样，焊丝在上述各种领域得到大量使用，并且为了保证焊丝性能，如导电性、送丝性、耐锈性等，焊丝一般在其表面镀铜。在焊丝表面镀铜的情况下，必须在焊丝表面形成均匀的镀层，以保证导电性、送丝性和耐锈性。在焊丝表面镀铜不均匀的情况下，由于焊接时焊丝与接触焊嘴在接触焊嘴内的磨擦，微小的铜片从焊丝的表面脱落，并集中在接触焊嘴内的一个部分上，从而造成接触焊嘴的阻塞现象。这种接触焊嘴的阻塞现象导致了送丝和电弧的不稳定性，同时增大了飞溅量。除了上述问题以外，镀铜焊丝在电镀过程中产生有害的废水，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，开发了在其表面不镀铜的焊丝，即无铜焊丝。对于镀铜焊丝，铜镀层薄膜使焊丝与接触焊嘴稳定地接触，从而提供相当稳定的电弧性能；但对于无铜焊丝，需要为替代铜镀层的焊丝表面层提供特殊性能，以保证与接触焊嘴的稳定接触。
日本公开特许公报2003-191092号、日本公开特许公报2003-225793号、日本公开特许公报2003-170293号以及日本公开特许公报2004-001061号公开了为焊丝表面层提供特殊性能的传统技术的例子。
根据这些传统技术，焊丝在其表面形成瓶颈状凹陷，所述凹陷包括孔和在该孔内膨胀的里面部分；和/或延伸到焊丝表面层内的洞穴状凹陷，即洞穴状凹坑，所述凹坑包括入射光从外部不能照到的部分。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所述功能涂层剂必须存在于焊丝表面。另外，同时使用聚异丁烯油状物作为稳定地锚固粉状功能涂层剂的附助手段。
本发明的发明人研究了如上所述的传统技术，结果发现，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，因此如同传统技术中公开的，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的长度与焊丝基准圆弧长度之比，不可能沿圆周方向在焊丝表面均匀地涂覆功能涂层剂。因此，在传统技术中，当长时间焊接时，粉状功能涂层剂在送丝导管和接触焊嘴中积累，造成送丝不稳定，并且粉状功能涂层剂妨碍接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触，造成电弧不稳定，导致焊渣产生量增大。由于焊接时的电阻加热以及辐射加热，粉状功能涂层剂可以熔化或粘附，或者其副产物可以异常地积累在接触焊嘴的前端。
发明内容
为了解决上述问题提出本发明，本发明的一个目的是提供一种气体保护电弧焊无铜焊丝，其设计在焊丝表面具有特殊性能，使焊丝在其表面没有铜镀层的情况下稳定地与接触焊嘴接触，在长时间焊接时铜片不会在送丝导管和接触焊嘴中积累，从而提供良好的电弧稳定性，得到稳定的送丝性和减小的飞溅。
根据本发明的一个方面，通过提供一种气体保护电弧焊无铜焊丝实现上述和其它目的，其中该焊丝具有平坦的加工表面以及相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷，并且所述凹陷沿圆周方向分布于焊丝表面上。
加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比在50-95％的范围内。
每1千克焊丝的焊丝表面可以涂覆0.03-0.70克表面处理剂，并且表面处理剂可以包括动物油、植物油、矿物油、混合油以及合成油中的至少一种。
结合附图，通过下面详细说明可以更加清楚地理解本发明的上述和其它目的和特征。
图1和2是扫描电子显微镜(SEM)显微图像，表示不存在加工表面的焊丝的表面；图3和4是SEM显微图像，表示完全地存在加工表面的焊丝的表面；图5和6是SEM显微图像，表示根据本发明的焊丝的表面，所述焊丝具有加工表面以及相对于所述加工表面基准沿反方向在表面中形成的凹陷；以及图7是SEM图像，是通过图像分析系统对图5所示的焊丝表面图像进行分析而识别的，用于得到加工表面的总长度。
具体实施例方式
下面结合附图详细地描述优选的实施方案。
如上所述，与传统技术的镀铜焊丝不同，虽然为了使焊丝稳定地与接触焊嘴接触，无铜焊丝必须在其表面具有特殊性能，但迄今为止，为其提供特殊性能的方法局限于将焊丝表面的表面粗糙度、比表面积等等控制在指定范围内，并且利用这些方法不能实现接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触。
为替代焊丝表面铜镀层，在给焊丝表面提供特殊性能的方法的不断研究中，本发明人发现焊丝表面可以分为三类表面，即仅由加工表面组成的平坦表面(在本说明书中，术语“加工表面”是指观察由SEM放大1000倍的焊丝横截面图像时，通过模具拉拔在焊丝表面沿圆周方向形成的平坦部分)，不存在加工表面的不规则表面(凹凸)，以及由加工表面和相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷所组成的组合表面，所述凹陷同时沿圆周方向分布于焊丝表面上，并且在焊丝具有组合表面的情况下，焊丝的电弧稳定性和焊接性良好，因此得到本发明。
在此，术语“不规则表面”是指如图1和2所示的不存在加工表面的表面。同时，根据日本公开特许公报2003-191092号、日本公开特许公报2003-225793号、日本公开特许公报2003-170293号以及日本公开特许公报2004-001061号公开的传统技术，焊丝在其表面形成瓶颈状和/或洞穴状凹坑，每个凹坑包括孔以及在孔内膨胀的里面部分，这对应于本发明分类中的不规则表面。
虽然这种不规则表面能提供良好的表面处理剂或功能涂层剂保持性，但由于缺少加工表面而使接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触得不到保证，并且由于焊接时送丝导管内的摩擦使送丝载荷增大而破坏送丝性。
同时，如图3和4所示的平坦表面由加工表面组成，它保证接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触，却破坏了表面处理剂或功能涂层剂的保持性，由于润滑不充分而破坏了送丝性。
相反，如图5和6所示，根据本发明的焊丝组合表面具有加工表面和凹陷，所述加工表面沿圆周方向是平坦的，所述凹陷从焊丝横截面观察时相对于所述加工表面基准在表面中(朝向焊丝中心)形成，而不是不规则(凹凸)表面。
根据本发明的焊丝表面保证了焊接过程中接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触，并提供电弧稳定性，从而减小了飞溅。
此时，优选地，在焊丝具有组合表面的情况下，加工表面总长度与焊丝基准圆弧长度之比在50-95％的范围内。
当所述比例小于50％时，虽然表面处理剂的保持性良好，但焊丝表面变得粗糙，因此不能保证接触焊嘴与焊丝之间的稳定接触，并且由于焊接时送丝导管内的摩擦使送丝载荷增大而破坏送丝性。但是，当所述比例在50-95％的范围内时，焊丝表面变平坦，同时保证足够的加工表面，从而提供电弧稳定性并减小飞溅。
此外，每1千克焊丝的焊丝表面涂覆0.03-0.70克上述表面处理剂。表面处理剂为焊丝提供稳定的送丝性，从而进一步增强电弧稳定性。
如果每1千克焊丝存在的表面处理剂少于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，从而破坏送丝性。相反，如果每1千克焊丝存在的表面处理剂多于0.70克，则在焊接过程中由于送丝器区域内的滑动现象而破坏送丝性。
根据本发明，表面处理剂包括动物油、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，粉末表面处理剂在送丝导管和接触焊嘴中积累。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，同时更有效地减小飞溅。
下面说明具有加工表面和凹陷的焊丝的制造方法，所述加工表面沿圆周方向是平坦的，在观察焊丝横截面时，所述凹陷相对于所述加工表面基准在表面中(朝向焊丝中心)形成，而不是不规则表面(凹凸或凸)，从而加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比在50-95％的范围内。
首先，为了保证本发明的加工表面总长度与焊丝基准圆弧长度的比例，拉拔工序之前的表面粗糙度，就是说将要经历拉拔工序的原始棒的表面粗糙度必须调节到低于0.40微米(Ra标准)。这可以通过使用盐酸、硫酸等等的酸洗工序实现，或者通过机械除锈工序之后的抛光工序实现。
接着，必须保证拉拔方法和拉拔速率的恰当结合。至于拉拔方法，可以依靠所有干式拉拔(称为“DD”)、所有盒式辊模拉拔(称为“CRD”)或者CRD+DD的组合而使用在线拉拔(in-line drawing)。作为选择，可以使用DD(初次拉拔)-表皮光轧(称为“SP”)(二次拉拔)、DD(初次拉拔)-湿式拉拔(称为“WD”)(二次拉拔)、CRD(初次拉拔)-SP(二次拉拔)或CRD(初次拉拔)-WD(二次拉拔)来进行两步拉拔。
在在线拉拔的情况下，拉拔速率必须控制在等于或小于1000米/秒；在两步拉拔的情况下，必须控制拉拔速率以使得初次拉拔速率增大，二次拉拔速率下降。
最后，经过拉拔后的最终焊丝必须处理，以通过适当地调节原始棒的粗糙度、拉拔方法以及拉拔速率使最终焊丝的表面粗糙度为0.25-0.10微米(Ra标准)。
下面说明本发明的一个例子。
表1表示由不同表面粗糙度、拉拔方法以及拉拔速率得到的精拉拔后最终焊丝的表面粗糙度。此时，当拉拔棒时，使用除CRD之外的带孔模具。从表1可以看出，为了在拉拔之后使最终焊丝具有0.25-0.10微米(Ra标准)的表面粗糙度，当在线拉拔时，无论是DD、CRD或它们的组合，拉拔速率必须控制在等于或小于1000米/分钟，对于两阶段拉拔，拉拔速率的控制必须使初次拉拔速率增大，二次拉拔速率减小，在此条件下，原始棒的表面粗糙度必须维持到等于或小于0.40微米(Ra标准)。例如，当初次拉拔速率在1000-1500米/分钟的范围内时，二次拉拔速率等于或小于400米/分钟，当初次拉拔速率在500-1000米/分钟范围内时，二次拉拔速率等于或小于600米/分钟。特别地，从对比例15和16的情况可以看出，使用初次拉拔速率等于或小于500米/分钟以及二次拉拔速率等于或小于一个极低的速率200米/分钟，将导致拉拔后的表面粗糙度等于或小于0.10微米(Ra标准)，从而需要恰当地组合拉拔速率。
表1
注CE＝对比例，IE＝本发明实施例，SRB＝拉拔前表面粗糙度，SRA＝拉拔后表面粗糙度，P＝初次，S＝二次，PD＝初次拉拔，SD＝二次拉拔表2表示焊丝横截面的表面形状、有限测量面积上焊丝加工表面总长度与焊丝基准圆弧长度之比(％)、表面处理剂数量、各焊丝的送丝性和电弧稳定性的测量结果，对表1得到的焊丝测量上述的每一项。
表2
注CE＝对比例，IE＝本发明实施例，FS＝平坦表面，STA＝表面处理剂焊丝表面形状是从垂直于焊丝长度得到的焊丝横截面的图像上测定的，所述图像为放大1000倍的SEM显微图像，其中标记“凹凸”表示不存在加工表面的不规则表面，标记“凹”表示本发明的由加工表面和相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷所组成的组合表面，所述凹陷同时沿圆周方向分布于焊丝表面上，“FS”表示仅由加工表面组成的平坦表面。从表2可以看出，在表1的焊丝中，本发明的组合表面使焊丝的表面粗糙度在0.25-0.10微米(Ra标准)范围内。
在有限的测量面积上，加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比(％)是从垂直于焊丝长度得到的焊丝横截面的图像上测定的，所述图像由SEM放大1000倍。即，图7是由图像分析系统(Image-pro plus 4.5，Mediacybernetics)分析图5所示焊丝表面图像而识别的图像，由此可以得到有限测量面积上加工表面的总长度，即d1+d2+…+dn值，以及焊丝基准圆弧长度，即d值(d值是由图像分析系统提供的虚构的圆的圆弧得到的)。
使用图像分析系统的实际测量如下所述。
首先，取出最终焊丝样品，并在有机溶剂中通过超声波清洗去除其表面的污物。将焊丝样品在400℃下加热2-3小时，从而在焊丝样品的表面形成氧化薄膜。随后，使用热固性树脂在焊丝纵向上对具有氧化薄膜的每个焊丝样品镶样，从而可以从包围焊丝样品的热固性树脂的顶面看到焊丝样品的横截面，然后将焊丝样品与热固性树脂一起抛光，从而在包围焊丝样品的热固性树脂顶面上露出焊丝横截面。最后，使用SEM的背散射电子观察每个焊丝的抛光截面，用图像分析系统测量加工表面的总长度。此时，放大倍数为1000倍。
在本发明中，按照如下方法测定表面处理剂的使用量1.制备长度为6-8厘米、质量为约50-80克的焊丝样品；
2.在烧杯中制备1000毫升CCl4溶剂；3.用1/10000的天平称量焊丝样品除油前的重量(Wb)；4.将焊丝样品浸入装有CCl4的烧杯中，从焊丝样品上除去表面处理油，持续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至室温；6.用1/10000的天平称量焊丝样品除油后的重量(Wa)；7.由测量值Wb和Wa按下式计算表面处理剂的使用量表面处理剂使用量(克/千克焊丝)＝[(Wb-Wa)/Wa]×1000如下将描述评价电弧稳定性和送丝性的方法。
表3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3
根据电弧稳定性评价的结果，当长度等于或大于1毫米的焊渣的质量超过0.2克或者总的焊渣质量超过2克时，电弧稳定性的评价为差，在表中表示为“×”；当焊渣质量低于上述数值时，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为JIS Z 3312YGW 12(AWS A5.18ER70S-6)1.2毫米。
表4表示评价送丝性的焊接条件，其中使用新的送丝导管评价送丝性，其长度为5米并缠绕两次(环形)以具有300毫米的直径。
表4
根据送丝性的评价结果，当连续焊接时间等于或小于80秒时，送丝不能平稳地进行，从而导致焊接失败，由此送丝性评价为差，在表中表示为“×”。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“○”。当连续焊接时间在80-100秒的范围内时，送丝性评价为正常，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)1.2毫米。
虽然用于本发明实施例的焊丝是JIS Z 3312 YGW12(AWS A5.18ER70S-6)1.2毫米，但使用JIS YGW 11、14、15、16、18和21也得到相同的结果。
从表2中可以看出，对比例1、2、3、8、9、11、12、13和14(包括二次拉拔的高速拉拔条件)，由于高速拉拔而在焊丝横截面上具有表面形状“凹凸”，从而甚至表面处理剂的量在本发明的范围内也得到较差的送丝性和电弧稳定性。对比例4、6和10在稳定拉拔条件下在焊丝横截面上具有表面形状“凹”，并且表面处理剂的量在本发明范围内，从而勉强保证较好的送丝性。但从表2中可以看出，在对比例4、6和10中，在有限测量面积上加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比分别为41％、45％和48％。即，由于各个焊丝的加工表面不足，接触焊嘴与焊丝之间的接触在焊接过程中不稳定，从而造成电弧不稳定。特别地，如表2所示，可以看出，在对比例4、6和10中，即使焊丝在拉拔之前或之后的表面粗糙度固定在本发明范围内，但由于没有恰当地控制拉拔速率，因此在有限测量面积上加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度超出本发明范围。对比例5不但由于高速拉拔而在焊丝横截面上具有表面形状“凹凸”，而且表面处理剂的量偏离本发明范围，从而导致较差的送丝性和电弧稳定性。对比例7在稳定拉拔条件下在焊丝横截面上具有表面形状“凹”并且在有限测量面积上加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比为51％，从而得到较好的电弧稳定性。但是，表面处理剂的量超出本发明范围，导致焊接过程中送丝器区域出现滑动，从而不能保证送丝性。对比例15和16都在焊丝横截面上具有平坦表面，并且在有限测量面积上加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比超出95％，从而接触焊嘴与焊丝之间具有稳定接触，并保证电弧稳定性。但是，即使表面处理剂的量在本发明范围内，由于焊丝横截面是平坦表面，所以焊接过程中在送丝器区域出现滑动，因此不能保证送丝性。
同时，通过将拉拔前的表面粗糙度、拉拔方法、拉拔速度以及拉拔后的表面粗糙度最佳地调节在本发明范围内，本发明实施例1-16的焊丝横截面的表面形状由加工表面和相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷“凹”所组成，所述凹陷同时沿圆周方向分布于焊丝表面上，从而在有限测量面积上加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比在50-95％的范围内。另外，在本发明实施例1-16中，将表面处理剂的量调节到0.03-0.70克/千克焊丝，从而满足送丝性和电弧稳定性。
从上面描述可以清楚地看出，根据本发明的气体保护电弧焊的无铜焊丝，在焊丝表面没有铜镀层的情况下使焊丝与接触焊嘴稳定地接触，从而在长时间焊接过程中铜片不会在送丝导管和接触焊嘴中积累，因此提供良好的电弧稳定性，并且使送丝性稳定并降低飞溅。
应该理解的是，描述实施例和附图是为了达到解释的目的，本发明由权利要求来限定。此外，本领域的一般技术人员应该理解的是，在不偏离权利要求给出的本发明范围和精神的条件下可以有各种修改、增添和替代。
权利要求
1.一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，其特征在于，所述焊丝具有平坦的加工表面，以及相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷，并且所述凹陷沿圆周方向分布于焊丝表面上。
2.如权利要求1所述的无铜焊丝，其特征在于，在有限测量面积上，所述加工表面的总长度与所述焊丝基准圆弧长度之比在50-95％的范围内。
3.如权利要求1或2所述的无铜焊丝，其特征在于，每1千克所述焊丝在其表面上涂覆0.03-0.70克表面处理剂。
4.如权利要求3所述的无铜焊丝，其特征在于，所述表面处理剂包括动物油、植物油、矿物油、混合油和合成油中的至少一种。
全文摘要
一种气体保护电弧焊的无铜焊丝，该焊丝在半自动焊接或自动焊接时具有优异的电弧稳定性，从而保证较好的送丝性并减小焊渣量。该焊丝具有平滑的加工表面，和相对于所述加工表面基准在表面中(朝焊丝中心)形成的凹陷，所述凹陷沿圆周方向分布于焊丝表面上。所述加工表面的总长度与焊丝基准圆弧长度之比在50－95％的范围内。每1千克所述焊丝涂覆0.03－0.70克表面处理剂。所述表面处理剂包括动物油、植物油、矿物油、混合油和合成油中的至少一种。所述焊丝使焊丝与接触焊嘴稳定地接触，从而在长时间焊接过程中铜片不会在送丝导管和接触焊嘴中积累，因此提供良好的电弧稳定性，并且使送丝性稳定和减小飞溅。
文档编号B23K9/16GK1781650SQ200510007469
公开日2006年6月7日 申请日期2005年2月22日 优先权日2004年12月3日
发明者金容哲, 方焕喆 申请人:基斯韦尔株式会社