专利名称：一种焊剂和焊条的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铜-镍合金，更详细地说，是涉及一种能在仰焊中使用而不会产生有害焊接气孔的铜-镍焊接制品。
如熟悉本技术领域的人们所周知，一般来说，铜-镍焊接制品并不陌生。它们已广泛地在许多商业和工业中使用了几十年。一种相当重要的特殊用途是在船舶设备领域里，无论是对海洋大气还是海水，铜-镍焊接制品都具有显著的抗腐蚀能力，因而得到广泛应用。其中，一种最熟知的用于海洋环境的焊接制品，是美国专利3，124，479(′479)中叙述的187焊条(说明书中的187N)。这种焊条是下文叙述问题的焦点。
187焊条(本文称WE187)被称为是全方位焊条，也就是一种能在平焊、横焊、立焊、仰焊、全部四个焊接位置上进行满意焊接的焊条。然而，它的特性没经得住考验，最近发现在仰焊位置中焊接有困难。如一家同美国海军有商业来往的著名的造船公司表示了对WE187的不满，因为它不能使焊工在仰焊位置上的焊接获得合格。涉及的问题是焊缝气孔太多，这一问题已经由实际的现场检验所确证。
对于上述说明，应该提到过去对187N焊条的验收试验包括一种5G管接头，也就是一种至少焊接操作的某些部分要求在仰焊位置上进行的固定位置焊接件。在这个常常被称作是6点钟的位置，大多数焊缝出现一些气孔。但是，由于检验标准是考虑焊缝的整个长度，其大部分，没有气孔，6点钟位置上的气孔不足以造成焊接接头不合格。因此该问题变成一个在整个焊缝长度上克服有害气孔效应问题;否则就不会获得质量合格认可。
为解决该问题寻求了各种途径但都未成功。例如监视整个187焊芯加工过程的质量控制以测定是否可能产生表皮下氧化物、裂纹、缩孔等等。因此，对WE 187焊芯进行清洗，在HNO3中急剧浸洗，水冲洗和干燥。将焊药涂敷到该焊芯和来自相同合金熔炼炉次的未清洗样品焊芯上。进行仰焊得到焊接接头。经X射线检验，表明两种情况下都有气孔存在。气孔总计数看不出改进，因而两种焊芯间没有明显差别。
另一种方法是在氢中用900°F(482℃)热处理2小时，此法将减少表面氧化物。结果是气孔并没明显改进。在WE187上使用不同的焊药皮进行试验评价，但也不成功。
由于要克服有害的气孔同时还要求保持简易的操作性而使问题进一步复杂化。这要求达到电弧稳定，飞溅最小，电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、满意的焊渣分布等等。电弧稳定性和电弧的平滑是转移焊剂组分穿过电弧时的重要要求。除渣是重要的，其目的是在断开电弧时焊接金属上的渣能松脱下来。而满意的焊池粘度是使焊渣在电弧产生之后而不是在它之前产生的重要条件等等。可能还需要在所有的焊接位置而不单是仰焊位置上保持合适的焊渣分布。可以说，即使一种完好的熔敷结果，但由于使用不同的焊剂组分和百分比，上述任何一种因素都可能成为不希望的困难。
目前已发现如下文所述的一种特殊的涂敷焊剂和铜-镍焊芯，它可以在仰焊位置上进行持续焊接操作而不会产生有害气孔，而且不会对简易的操作性带来不利影响。这种新型焊条在满足海军技术规范MIL-E-22200/4c要求方面已经获得合格证明。
一般而言，按照本发明，这种焊芯是由含有以下成分的铜-镍合金构成约25-35%镍、高达约1%或1.5%铁，高至低于0.12%碳，高达2%或3%锰，高达1%钛，高达约1%硅，高达约0.5%或0.75%铝，高达0.03%硼，高达约1%钴、余量基本为铜。一种最佳合金含有约29～32%镍，约0.3～0.75%铁，高达约0.04%或0.05%碳，约0.5-1%锰，约0.2-0.4%钛，高达约0.25%硅，高达约0.2%铝，高达0.02%硼，余量基本为铜。由于存在铁，因此后者组成特别有利。某些工厂以前生产的WE187电焊条根据焊条直径，即一种3/32和1/8英寸以及另一种3/16和5/32英寸，要求两种不同的配方。按照本发明则可省去这种要求。因此带来经济上的利益。
最佳实施方案中的焊剂组成如表Ⅰ所示表Ⅰ成分一般%最佳%额定%碳酸钙约5-3520-3026RufluxP约1-51.5-32冰晶石约20-4025-3530二氧化钛约10-3014-2016铝粉约1-51.5-32锰粉约2-83-64霞石正长岩约5-126-108氟化钙约2-82.5-64碳酸锂约0-82-43膨润土约2-73-54藻朊酸盐TX-120约0-20.5-10.075Natrosol约0-0.50.15-0.350.25硅约0.25-20.5-1.51正如熟悉本技术领域的人所周知，同焊剂一起通常使用一种粘结剂，以便在干燥和烘焙时得到一种理想的硬质药皮。一种合适的粘结剂如下约20-40%硅酸钠，约4-10%硅酸钾，少量的约0.5-2%多硅酸锂-钠和1-3%水。
焊剂中碳酸钙、冰晶石、二氧化钛和膨润土的一般作用对本领域的技术人员来说是已知的，并且在′479中叙述过。但是，关于碳酸钙，最好是由粗细两种颗粒组成，粗颗粒与细颗粒之比约为1～3，最好是1.5～2.5。这样做的原因是较细颗粒有助于使药皮结构平滑，而较粗颗粒有助于控制焊剂结构。
关于锰粉，最好使用与铁锰截然不同的电解锰粉。由于优选的焊芯含有铁，使用铁锰会在焊接溶敷中导致不必要的高铁含量。如下文所述，焊接熔敷中铁含量不应超过约1%或1.25%。
关于其它的焊剂组分Ruflux P，(主要为71-73%TiO2，19-21%K2O和约1%ZrO2)，有利于排除对碳酸钡的需要。使用碳酸钡有助于电弧平滑。但是钡的存在是有害的，因为它被认为是一种对环境有害的物质，即它产生焊接烟尘，如果吸入太多则是有毒的。总之Ruflux P并不降低操作性，而且尽管是在较小程度上，但仍然是有助于减少气孔量。当含量为6%时，Ruflux P会降低操作性，特别是因为使焊渣在定位焊接位置外的流动性太大。
鉴于某些原因，铝粉是最重要的焊剂成分。仰焊时的气孔被认为主要是由于被夹带在溶敷中的气体发展所致。铝和气体反应，特别是与氧反应，形成氧化铝，从而大大地减少了气孔数量。已经知道完全去除气孔的例子。此外，氧化物还可能不被焊缝吸收而导致生成劣质焊接熔敷。从理论上讲，要求一种焊剂成分，这种焊剂成分可以通过与夹带气体结合而使气孔率降至允许水平，但是却不会形成可以穿过电弧从而破坏焊接溶敷的化合物。
霞石正长岩(基本上为59-61%SiO2，23-25%Al2O3，9-11%Na2O，5.5-6.5%K2O，再加上约1%CaO，1%Fe2O3和0.5%MgO)可改善操作性。它还有助于焊接熔敷中硅含量，但它受到的注意却远远不及以下讨论的硅。
氟化钙是有益的，因为放出的氟可用于清洁电弧周围的区域，从而有助于形成完美的焊缝。
硅能改善焊接熔敷的某些机械性能，尤其是机械强度。它还能提高其操作简易性。它可以称为NISILOY的商业产品的形式添加，该产品含有大致64.5%镍、32.5%硅、2%钙和各为0.5%的铜和铁。由于焊接熔敷含有大量的镍，还由于只需添加少量NISILOY，因此操作性并未受到不利影响。当允许较低屈服强度的焊接熔敷时，则可省去硅。通常硅不应超过0.5%，最好不超过0.3%，因为高于上述含量将降低延伸率。
碳酸锂，并非是绝对不可少的，它是二氧化碳的构成物，它有助于防止焊接操作污染大气。
最后，现用商业产品藻朊酸盐(Alginate)TX-120和Natrosol是促使焊剂挤压到焊芯上去的挤压辅剂。它们也能改善湿料强度。最好是至少加入一种这样的辅剂。
在生产焊条时，可通过本技术领域里众所周知的挤压或其它的合适方法涂覆焊剂。可以在约250-400°F(121～204℃)这种能使粘结剂中水份大量蒸发的温度下干燥/烘焙、随后在较高温度550～850°F(288-545℃)下加热/烘焙直到生成牢固粘着药皮，从而完成干燥和烘焙。烘焙时间1或1.5至3小时是适宜的。
通过以下详述和数据说明本发明。
将一种焊剂挤压到焊芯上去，该焊剂组成为约9%细颗粒碳酸钙，约17%粗粒碳酸钙，约30%冰晶石，约4%氟化钙，约4%膨润土，约16%二氧化钛，约3%碳酸锂，约4%锰粉，约2%铝粉，约8%霞石正长岩，约0.25%Natrosol，约2%RufluxP，和约0.75%藻朊酸盐TX-120;而焊芯则大约含0.03%碳，0.8%锰，0.5%铁，0.1%硅，1.1%钛，67.8%铜和30.4%镍以及杂质。上述焊剂还可含有以3%NiSiloy添加的硅以及大致由20.6%硅酸钠，0.7%多硅酸锂/钠，4.1%硅酸钾和水组成的粘结剂。该复合焊条，如上所述，放在炉内烘焙和干燥。
实施例1制备表Ⅱ列出的四种焊条。
表Ⅱ焊芯长度药皮直径焊芯直径120.1500.093140.1950.125140.2350.156140.2750.187四种焊芯直径的焊条全部用来评价由美国海军标准建立的用于QPL(合格产品目录)目的机械性能。于是，对1/2英寸×3英寸×12英寸的铜-镍板使用0.093英寸和0.125英寸直径的焊芯，而对3/4英寸×3英寸×12英寸的板使用0.156英寸和0.187英寸直径的焊芯，以60°的坡口进行手工电弧(SMAW)对接焊，其相应的电流强度如下表所示表直径(英寸)安培(DCRP)0.09360-850.12570-1700.156100-1450.187130-190对焊接熔敷进行光谱和湿式化学分析，其组成列于表Ⅲ(包括对焊芯直径为0.156英寸和0.187英寸焊条的熔敷分析)，而其机械性能示于表Ⅳ。对3/4英寸平板使用直径为0.156英寸和0.187英寸焊芯的焊条，对其进行X射线分析，因为这是美国海军标准要求的试验。X射线分析结果表明全部合格。请看表Ⅴ。
表Ⅲ焊缝金属分析元素.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焊条直径3/32″1/8″5/32″3/16″拉伸强度千磅/英寸2) 60.7 60.2 54.6 55.3拉伸强度千磅/英寸2) 60.2 59.7 56.0 55.70.2%屈服强度(千磅/英寸2) 38.6 34.9 34.8 34.20.2%屈服强度(千磅/英寸2) 38.9 35.4 36.6 34.9延伸率(%)39404440延伸率(%)36444739面缩率(%)71656970面缩率(%)71716770
表Ⅴ最大允许值最大测量值总气孔面积气孔熔渣气孔熔渣允许值测量值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全部机械性能都令人十分满意。MIL-0022200/B4(船舶)所要求的焊接接头拉伸强度为50，000磅/英寸，本方法则远远超过此要求。
实施例Ⅱ对第二组平板进行类似的焊接，但却是在垂直向上的位置焊接以证明焊条的工艺性。仍使用焊芯直径为0.093″和0.125″的焊条。板材分别为1/4英寸×6英寸×10英寸和3/8英寸×6英寸×10英寸。
对焊接溶敷进行X检验，其结果是完全符合NAVSHIPS0900-003-9000技术规范。没有观察到裂纹或气孔。
实施例Ⅲ使用焊芯直径为0.093英寸和0.125英寸的焊条再次进行手工电弧焊(SMAW)，此次评价仰焊位置的焊接工艺。被焊接的板材为3/8英寸×6英寸×10英寸，坡口角度为60°。结果是各方面的操作性都十分令人满意，焊接熔敷的X-射线分析反映出气孔率极低，因而完全符合技术规范要求。
然后根据MIL-E-0022200/4B(SHIPS)技术规范进行弯曲试验。根据这个试验，在弯曲处的凸形表面上对焊接熔敷进行肉眼检验。验收要求是在任何方向上裂痕长度不得超过1/8英寸。对3/32英寸、1/8英寸，5/32英寸和3/16英寸的每一种焊接件进行了三次弯曲试验。对所有规格尺寸焊条所做的12个弯曲试件都未测到裂纹。
除上述试验外，还按照MIL-E-2200F技术规范测定了焊条的绝缘强度，发现这种焊条的绝缘强度极好。在室温和“干燥”条件下的焊条药皮必须具有足以有效地绝缘110伏电位差(击穿电压)的绝缘强度。每一种焊条的平均击穿电压列入表Ⅵ中。
表Ⅵ焊条直径(英寸)3/321/85/323/16平均击穿电压(伏特)646758876955由上表可清楚地看出，每一个例子的绝缘强度都大大超过110伏。
本发明可用于焊接铜-镍合金，尤其是70-30型铜-镍合金，这种合金含有25-35%镍，高达2%铁，高达3%锰，高达1%或更多的钛，高达1%硅，高达0.2%碳，高达0.02%硼，高达0.5%锆，高达2%铌，高达2%钒，余量基本上是铜和杂质。它还可用于焊接90-10型铜-镍合金，这种合金大体上含有高达15%镍、高达2%硅，高达2%锰、高达2%铁，余量基本为铜。本发明还可用于堆焊金属基材。这种焊剂/焊芯组合还导致在所有焊接位置上都为气孔率极少的优良焊接溶敷，这种溶敷的特征在于它具有大大超过50，000磅/英寸2的高拉伸强度，如54，000～55，000磅/英寸以上;还具好良好的延展性且几乎没有有害裂纹。这种熔敷含有25-35%镍;高达0.2或0.3%铝，例如0.005～0.15%;高达2%铁，例如0.2～0.8或1%;高达3%锰，例如0.75～2.5%;高达1%硅，最好是0.25～0.75%硅;高达1%钛，例如0.02～0.5%;余量基本是铜。还应提到，焊条中的铝不会大量过渡到熔敷中，因为它不穿过电弧。因此，根据焊剂组成，如果有的话，也只可能是少量地被过渡。无论是焊剂或焊芯中都不主张使用铁-铝合金。
虽然结合最佳实施方案叙述了本发明，但熟知本技术领域的人都知道，只要不违背本发明的精神和范围，可以允许某些修改和变化。就合金成分范围而论，一种元素的给定百分比可以和一种或多种其它元素的给定百分比一起使用。这种技术规定包括了给定元素范围内和任何给定热处理范围内的任一数值。
权利要求
1.一种焊剂，该焊剂形成的焊条有焊接操作性并在仰焊位置时产生的气孔率为最小，所述焊剂基本上由约5～约35%碳酸钙，约1～约5%RufluxP，约20～约40%冰晶石，约10～约30%二氧化钛，约1～约5%铝粉，约2～约8%锰粉，约5～约12%霞石正长岩，约2～约8%氟化钙，高达约8%碳酸锂和约2～7%膨润土所组成。
2.权利要求1所述之焊剂，它含有约0.25～2%硅。
3.权利要求1所述之焊剂，它至少含有高达约2% Alginate TX-120和高达约0.5% Natrosol中的一种。
4.权利要求1所述之焊剂，其中，碳酸钙包括细颗粒和粗颗粒两种。其比例约为1-3。
5.权利要求1所述之焊剂，其中，锰粉是电解锰。
6.权利要求1所述之焊剂，它含有约20～30%碳酸钙，约1.5～3%Ruflux P，约25～35%冰晶石，约14～20%二氧化钛，约1.5～3%铝粉，约3～6%锰粉，约6～10%霞石正长岩，约2.5～6%氟化钙，约2～4%碳酸锂，约3～5%膨润土，约0.5～1.5%硅，以及至少为约0.15～0.35% Natrosol和0.5～1%藻朊酸盐TX-120中的一种。
7.一种焊条，该焊条具有含以下组分的焊芯约25～35%镍，高达约1.5%铁，高达约0.12%碳，高达3%锰，高达约1%钛，高达约1%硅，高达约0.75%铝，高达约0.03%硼，高达约1%钴和余量的铜及杂质;该焊芯具有权利要求1所述之焊药皮。
8.权利要求7所述之焊条，其中，焊芯具有权利要求2所述之焊药皮。
9.权利要求7所述之焊条，其中，焊芯具有权利要求3所述之焊药皮。
10.权利要求7所述之焊条，其中，焊芯具有权利要求4所述之焊药皮。
11.权利要求7所述之焊条，其中，焊芯具有权利要求5所述之焊药皮。
12.权利要求7所述之焊条，其中，焊芯具有权利要求6所述之焊药皮。
13.一种铜-镍焊接熔敷，其特征在于，它具有低的气孔率，至少为50，000磅/英寸2的拉伸强度和良好的延展性，所述熔敷基本上有如下组成25～35%镍，高达0.3%铝、高达2%铁，高达3%锰，高达1%硅，高达1%钛，余量基本上为铜。
14.权利要求13所述之熔敷，其中，铝含量大约为0.005～0.15%。
15.权利要求14所述之熔敷，它含有0.2～1%铁，0.75～2.5%锰和0.25～0.75%硅。
全文摘要
本发明涉及一种焊剂和焊芯为铜-镍合金的焊条，当它们用于仰焊和其它所有焊接位置时都会得到气孔率极低的焊接熔敷。
文档编号B23K35/36GK1046866SQ90102569
公开日1990年11月14日 申请日期1990年4月27日 优先权日1989年4月27日
发明者托马斯·奥特兰·贝茨 申请人:英科合金国际有限公司