专利名称：条状焊条的制作方法
技术领域：
本发明涉及电弧焊技术，更详细地涉及新条状焊条，其在加工件上沉积金属，所述金属具有通常在85ksi 125ksi范围内的屈服強度，并具有降低的屈服强度对所沉积熔融金属冷却速度的敏感度。
背景技术：
在ー些军事应用中，需要以产生高屈服強度的方式使用条状焊条来进行焊接。在军事应用中所使用条状焊条必须产生通常在85ksi 125ksi范围内的屈服強度。为了达到这样的高屈服強度，条状焊条的药皮必须含有实质量的合金化试剂如镍、锰和钥。对于任何给定的合金，抗张强度是由冷却速度決定的，因为由于它与特定钢合金的连续冷却变化曲线(CCT)有夫。焊接金属焊珠的強度与冷却速度敏感度同样与组合物以及钢的碳含量和熔融焊接金属的实际冷却速度有夫。已发现，冷却速度根据加工件的尺寸和预热以及在条状焊接过程中所使用电能的量而剧烈变化。期望的是降低屈服强度对不同冷却速度的敏感度，同时保持焊接金属的合金组合物，以便在最終的焊接中确保85ksi 125ksi范围内的高屈服強度。因此，需要创造ー种条状焊条以降低冷却速度敏感度，这样最終的焊接对于非常高的冷却速度及非常低的冷却速度都在高屈服強度的规范内。
发明内容
本发明涉及ー种条状焊条，其将屈服强度对冷却速度的敏感度降至最低，同时获得高屈服強度的焊接金属沉积物。在将最终焊接金属对冷却速度敏感度降至最低的同吋，该焊条仍满足最終屈服強度的军事规范。因此，要求焊条符合所应用的军事规范且使用新的合金配方。该配方在焊接金属沉积物中产生最低的可能的碳当量，同时当使用使用造成低冷却速度的焊接热利用新焊条来焊接加工件时，仍满足最低的屈服強度要求。当加工件是相对薄的板吋，该焊接操作使其加热到高程间温度，如约300 T。该焊接具有低冷却速度。新焊条还产生具有度在85ksi 125ksi的规范限定内的屈服强的焊接金属。因此，SP使在本来对焊接金属提供最小屈服強度的低冷却速度下，使用本发明条状焊条的最终焊接金属仍在所要求的強度范围内。因此，本发明的新条状焊条，由于焊条的冷却速度敏感度降低了，所以允许在低冷却速度下进行焊接。同样，当使用高冷却速度时，新焊条仍可达到高屈服強度，但并不是非常高的屈服強度。因此，本发明包括一种新条状焊条，其与由于高温、使用高能量焊接薄加工件而产生的低冷却速度无关，能达到至少最低的屈服強度，且对由于低温下冷焊接加工件而导致的高冷却速度也小于最大屈服強度。按照本发明，提供了ー种条状焊条，其用于沉积高強度金属焊珠于加工件上，此处焊接金属的屈服强度与冷却速度无关在85ksi 125ksi之间。焊条具有0. 80-1. 85重量％的锰、0. 25-0. 50重量％的钥、1. 25-2. 5重量％的镍以及小于0. 07重量％的碳。调节碳、锰、钥的相对比例以提供0. 17 0. 30范围内的碳当量。优选地，碳当量范围是0. 20-0. 22。使用这种方式，条状焊条降低了碳当量，而使用通常量的碳、锰及钥来产生高强度焊接金属。该焊条用于军事应用，如MIL-E-22200/10C规范。该焊条的金属杆具有通常在3/32-5/32英寸范围内的直径。由于新焊条具有低冷却速度敏感度，所以焊接金属的強度通常对冷却速度不敏感。新焊条的该特性通过在以下两种情况下使用而得到证明在具有低冷却速度的热的高热量输入于相对薄的加工件上高能量加工吋，以及产生高冷却速度的在具有低热量输入的厚加工件上的低电流加工时。这些冷却速度极端情况所产生的焊接金属满足可以应用的军事规范所要求的高屈服強度的要求。因此，无论高冷却速度或低冷却速度，使用新条状焊条的焊接金属沉积物的屈服強度均满足军事规范。因此，与加工件及焊接设置无关，最终焊接金属的屈服強度仍然处于约88ksi 122ksi的范围内。通过将焊条的碳当量降到最低同时还保持所需要的合金组合物，实现了能够将冷却速度敏感度降至最低的能力，以使最終的焊接金属达到高屈服強度。用Pcm公式来定义碳当量，该公式包括碳含量、锰含量、钥含量及镍含量。其他合金组成的量是最低的，且对所计算的碳当量有较小的影响。碳含量对于碳当量的贡献最大。因为本发明包括具有大量锰、钥、镍的钢合金，所以这些组分与碳是确定碳当量的基本因素。使用的锰、钥、镍允许实际的元素碳降低到小于焊接金属的0. 050重量％，而仍保持与高碳合金相关的高屈服強度。将本发明的碳当量降到最低使其小于给定值，借以由高冷却速度而造成的高強度会低于可以应用的军事规范的最大允许屈服強度。由于镍对碳当量的影响非常小，所以两种调节碳当量且对高屈服强度焊接所必需的主要元素是锰和钥。锰是强还原剂；因此，最終焊接金属合金中的锰由于焊接过程而減少。因此，在某种程度上，锰对最终碳当量的影响是不可预见的。认识到这个事实，本发明重点在于增加钥且减少锰，因为它们协同作用达到低碳当量。然而，锰不能完全从焊条中排除，因为它对还原最终焊接金属是必要的。换句话说，本发明包括低含量碳和控制量的锰和钥，以达到在不使用碳的沉积焊接金属中具有低碳当量。因为碳当量的降低，所以最终焊接金属的冷却速度敏感度也降低了。包括在沉积焊接金属中的锰来确保最低屈服強度，然后，加入钥来保持所需要的低碳当量。以这种方式，来降低碳当量，但是强度保持在大于88ksi的水平。已经发现，碳当量通常应在0. 18到0. 30的范围内，且优选降低到0. 2到0. 22的范围内。该低碳当量要通过调节锰与钥的比率来获得，因此，该比率通常在2-7 1的范围内，且优选在3-4 1的范围内。该比率产生所期望的屈服強度和低碳当量以降低最终焊接金属的冷却速度敏感度。本发明的另ー个方面，焊接金属的碳含量的范围是0.03 0.05重量％。对具有最大0. 07%碳的规范，这是一个相对低的量。通过使用低碳量，以及通过控制锰和钥的量而获得的碳当量，来选择获得所需要的高屈服強度的碳当量。按照本发明，通过减少碳及控制锰与钥的比来降低碳当量。使用加工件的程间加热来测试本发明的效果；然而，当使用按照发明配制的焊条时，这不是必须的。本发明的ー个方面是控制沉积焊接金属焊珠中锰与钥的比率的范围为2-7 :1。这与低水平碳相结合，其中碳小于焊接金属的0.05重量％。用这种方式，焊接金属中的碳当量降低到小于约0.3 ;然而，对于最低的碳当量，它要降低到通常为0. 17 0. 22的范围内。将碳当量降到最低，同时还使用可以应用的军事规范的必要合金产生高屈服強度，即便当由热量及加工件決定的焊接过程具有非常低的冷却速度时，也是如此。本发明的另ー个方面，是提供了一种用条状焊条在加工件上焊接的方法。条状焊条用于沉积焊接金属焊珠，该焊珠具有0. 80-1. 85重量％的锰，0. 25-0. 50重量％的钥以及小于0. 07重量％的碳，其碳当量通常在0. 17-0. 30范围内。要最小化碳当量，且优选0. 20-0. 22。该方法包括用所产生的范围为30-60kJ/in的电能熔化焊条，而且当焊条熔化且沉积于加工件上时，沿加工件移动焊条。锰与钥的比率范围为2-7比I。本发明还预先将加工件预热到规范所要求的通常范围为100 T 300 的程间温度。在本发明的焊条中，硬化能力主要是通过增加钥代替锰而得到的。镍和钥在焊接期间被可预知地补充。对于焊条，増加钥协同減少锰而使最终焊接金属达到指定的屈服强度。一种满足可以应用的军事规范的提供沉积的焊接金属的焊条已经在两种极端条件下得到测试，。第一条件包括具有低冷却速度的热焊接在具有300 T程间温度的3/4英寸的板和55kJ/in热输入到IG位置下进行。另ー个测试的极端条件包括具有高冷却速度的冷焊接在具有125 °F程间温度的1. 0英寸的板和31kJ/in热输入到3G位置使用垂直向上前进的方式进行。两个极端条件的测试表明对沉积焊接金属使用低碳当量的好处，同时还保持最终焊接金属所需要的屈服強度。受两极端条件测试限制的焊接强度是最小允许屈服强度为88ksi和最大允许屈服强度为122ksi。这两个测试是这样进行的使用数据采集系统控制每个焊条的热量输入在目标热量的4. OkJ/in内，同时沿焊道的热量输入保持在所需焊接热的2.0kJ/in内。两个极端条件下的测试确认减少焊接金属的碳当量会降低冷却速度对最终焊接金属屈服強度的影响。焊接金属保持其可以应用的军事规范中所规定的合金配方。本发明的基本目的是提供ー种条状焊条，用于以下应用中，其中所沉积的焊接金属的屈服強度在约85ksi到125ksi之间。焊条的合金组合物保持在使焊接金属获得该屈服強度，然而，适当地调节锰与钥，以减少并最小化由焊条沉积的焊接金属的碳当量。以这种方式，焊接金属具有对冷却速度相对低的敏感度，并且由热量输入和加工件限制而决定的冷却速度不会造成屈服強度偏离规范。本发明的另ー个目的是提供ー种使用焊条的方法，如上所述的，在各种热量输入及各种加工件限制下达到焊接的目的。这些或其他目的及优点将在随后的结合附图的说明中变得清晰。
图1A是说明当使用具有低热量输入的冷板而在所沉积的焊接金属中获得高冷却速度时，用于本发明的测试加工件的局部横剖图；图1B与图1A的视图相似，其中测试加工件是预热过的且使用高焊接能量，用于产生按照本发明构成的焊条所沉积的焊接金属的低冷却速度；并且图2是用于对按照本发明构成的焊条进行两个测试的多根焊条的焊接金属的碳当量相对于屈服強度的曲线图，表明降低碳当量的作用，减少焊接金属对冷却速度敏感度的參数。
具体实施例方式本发明涉及一种新条状焊条，具有来沉积由军事规范所规定的焊接金属的合金组合物，以产生具有在88ksi 122ksi之间的屈服強度的焊接金属。这种新焊条沉积物具有由Pcm公式所定义的降低的碳当量，因此，焊接金属对冷却速度的变化具有低的敏感度。该公式是
权利要求
1.一种条状焊条，用于在加工件上沉积高强度焊接金属焊珠，与冷却速度无关，其上的焊接金属的屈服强度为约85 125ksi，所述焊接金属具有约0. 8-2. 3重量％的锰、约0.25-0. 5重量％的钥、约1. 25-2. 5重量％的镍和小于约0. 07重量％的碳，其中，调节碳、锰和钥的比率以提供所沉积的焊接金属约为0. 15 0. 35范围内的碳当量。
2.如权利要求1所述的条状焊条，其中，焊条中的所述锰的范围是焊条的约1.8 2. 3重量％。
3.如权利要求1或2所述的条状焊条，其中，焊条中的所述钥的范围是焊条的约0.25 0. 4重量％。
4.如权利要求1 3中任一项所述的条状焊条，其中，焊条中的所述镍的范围是焊条的约1. 5 1. 8重量％。
5.如权利要求1 4中任一项所述的条状焊条，其中，在焊接金属中锰与钥的比率的范围是约2_7 :1。
6.如权利要求1 5中任一项所述的条状焊条，其中，焊条中的所述碳的范围是约0.03 0. 06 重量 ％。
7.如权利要求6所述的条状焊条，其中，焊条中的所述碳的范围是约0.04 0. 05重量％。
8.如权利要求1 7中任一项所述的条状焊条，其中，沉积的焊接金属的所述碳当量的范围是约0. 2 0. 3。
9.如权利要求1 8中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条的中心金属棒的直径范围是约3/32 5/32英寸。
10.一种用条状焊条在加工件上焊接的方法，其中，所述焊条沉积焊接金属，该焊接金属具有约0. 8-2. 3重量％的锰、约0. 25-0. 5重量％的钥和小于约0. 07重量％的碳，具有碳当量约为0. 15到0. 35，所述方法包括 Ca)使用约30-60kJ/in范围内的产生的能量熔化所述焊条； (b)当所述焊条熔化并沉积入所述加工件时，沿所述加工件移动所述焊条。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述焊条具有约1.5-1. 75重量％的镍。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，在焊接金属中所述锰与钥的比率的范围是约 2-7 :1。
13.如权利要求10 12中任一项所述的方法，其中，所述焊条的中心金属棒的直径范围是约3/32 5/32英寸。
14.如权利要求10 13中任一项所述的方法，其中，包括预热加工件到范围为约100 °F 300 °F的程间温度的步骤。
15.—种条状焊条，用于在加工件上沉积高强度焊接金属焊珠，其中，所述焊条具有小于约2. 3重量％的锰、至少约0. 25重量％的钥、至少约1. 8重量％的镍和小于约0. 06重量％的碳，并且其中，调节碳、锰和钥的比率以提供焊接金属的碳当量范围约为0. 20 0. 22。
16.如权利要求15所述的条状焊条，其中，焊接金属的锰和钥的比率的范围是约2-7Io
17.如权利要求15或16所述的条状焊条，其中，焊条中所述碳的范围是约0.03 0. 06重量％。
18.如权利要求15 17中任一项所述的条状焊条，其中，所述碳当量小于约0.22。
19.如权利要求15 18中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条的直径是约3/32英寸，且所述焊条具有以下组分，占焊条的重量百分比为(a)0. 3-0. 5% 的碳；(b)1. 8-2. 2% 的锰；(c)0. 25-0. 4% 的钥。
20.如权利要求15 19中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条具有约1.5-1. 8%的镍。
21.如权利要求15 20中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条具有小于约0.1%的铬。
22.如权利要求15 20中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条的直径是约1/8英寸，并且所述焊条具有以下组分，占焊条的重量百分比为(a)0. 3-0. 5% 的碳；(b)1. 8-2. 2% 的锰；(c)0. 25-0. 4% 的钥。
23.如权利要求15 20中任一项所述的条状焊条，其中，所述焊条的直径是约5/32英寸，并且所述焊条具有以下组分，占焊条的重量百分比为(a)0. 3-0. 6% 的碳；(b)1. 9-2. 3% 的锰；(c)0. 3-0. 4% 的钥。
24.一种条状焊条，用于在加工件上沉积高强度焊接金属焊珠，其中，与由所述焊条形成的焊接焊珠的冷却速度无关，焊接金属的屈服强度在约85ksi 125ksi之间。
25.如权利要求24所述的条状焊条，包括控制锰、钥、镍与碳的量以达到所要求的与焊接焊珠的冷却速度无关的焊接金属的屈服强度。
26.如权利要求24或25所述的条状焊条，其中所述焊接金属具有约0.15 0. 35的碳=I里。
27.如权利要求24 26中任一项所述的条状焊条，其中所述焊接金属具有小于约0.07的碳含量。
28.如权利要求24 27中任一项所述的条状焊条，在所述条状焊条中锰与钥的比率为约 2-8:1。
29.如权利要求24 28中任一项所述的条状焊条，其包括最高达到2.3重量％的锰、最高达到2. 5重量％的镍、最高达到0. 5重量％的钥以及最高达到0. 06重量％的碳。
30.一种用条状焊条在加工件上焊接的方法，以在加工件上沉积高强度焊接金属焊珠，其中，与由所述条状焊条形成的焊接焊珠的冷却速度无关，焊接金属的屈服强度在约85ksi 125ksi之间，所述方法包括 Ca)至少部分熔化所述焊条；并且 (b)当所述焊条熔化并沉积入所述加工件时，沿所述加工件移动所述焊条。
31.如权利要求30所述的方法，其中，用范围是约30-60kJ/in的所产生能量至少部分熔化所述焊条。
32.如权利要求30或31所述的方法，其中，所述焊条包括控制锰、钥、镍与碳的量以达到所期望的与焊接焊珠的冷却速度无关的焊接金属的屈服强度。
33.如权利要求30 32中任一项所述的方法，其中，所述焊接金属具有约0.15 0. 35的碳当量。
34.如权利要求30 33中任一项所述的方法，其中，所述焊接金属碳含量小于约0.07重量％。
35.如权利要求30 34中任一项所述的方法，其中，在所述焊接金属中锰与钥的比率为约2-7:1。
36.如权利要求30 35中任一项所述的方法，其中，所述焊接金属含有最高达到1.85重量％的锰、最高达到0. 5重量％的钥、最高达到2. 5重量％的镍以及小于0. 07重量％的碳。
37.如权利要求30 36中任一项所述的方法，其中，包括预热加工件到范围为约·100 °F 300 °F的程间温度的步骤。
全文摘要
一种条状焊条，用于在加工件上沉积高强度焊接金属焊珠，与冷却速度无关，其上的焊接金属的屈服强度在85和125ksi之间。焊条沉积具有以下组分的焊接金属具有0.80-1.85重量%的锰、0.25-0.50重量%的钼、1.25-2.50重量%的镍和小于约0.07重量%的碳，其中，调节碳、锰和钼的比率以提供所沉积的焊接金属的碳当量范围约为0.17到0.30，且优选小于0.22。
文档编号B23K35/22GK103028860SQ20121057274
公开日2013年4月10日 申请日期2006年10月19日 优先权日2006年2月21日
发明者兰道尔·M.·博特, 乔恩·P.·基亚波恩, 克雷格·B.·达勒姆, 罗伯特·J.·韦弗 申请人:林肯环球公司