气体保护的药芯焊丝的制作方法

专利名称：气体保护的药芯焊丝的制作方法
本申请是系列号为902，020的未审查的在先申请的连续的一部份，申请902，020是1992年7月22日提出的，是与本申请的代理承认的委托概要No.L-8793相同的。
本申请涉及到一种利用熔化钢焊丝的电弧焊技术，特别涉及到一种改进的气体保护的药芯焊丝。
做为一种背景资料，1992年7月22日提出的系列在先申请No.902，020，有联系的概要No.L-8793结合在这里做为背景资料的参考。在先的未审查的申请指出一种利用气体保护的药芯焊丝，该药芯焊丝在该焊丝的芯中使用了少量的铝粉，以便减少电弧焊过程中产生的烟尘。这种粉末化的铝与在焊丝的包皮和芯料中的其它成分在一区域或者反应区反应确定了电弧由保护气体环绕。该反应区位于该焊丝与熔化金属焊道之间。当发展一种新型的具有减少烟尘特性的药芯焊丝时，在气体保护的药芯焊丝工艺中的产生了相当多的一般性的发明。在药芯焊丝技术中的最新进展就涉及到本发明。该在先申请包含的本发明的背影资料和某些状况这里就不需要重复了。
Oku的专利3，558，851结合在这里参考做为背景资料，少量的铝铁加到填充材料中，做为一种强脱氧成份。少量的铝铁或者铝粉用于焊道的钢材脱氧和不在焊道的熔化金属之上的电弧区域进行反应。在这个专利中的铝铁的量实际上小于本发明的实践中发现的必需的量。这个专利没有指出为了合金化而利用铝还原二氧化钛和/或氧化硼，在Oku的专利的焊丝中也没有足够量的铝用于实现利用本发明的氮的去除功能。
Kobayashi的专利4，510，374涉及到用于在保护电弧焊过程中使用的焊丝的低碳包皮。还有，铝被描述为一种脱氧剂，该脱氧剂是一般的，然而，在先专利使用的铝是用于合金化目的铝铁或者铝粉。另外，这里并没有指出为了实现本发明的功能而必需的铝的量，这本发明中铝粉在焊接金属的熔化金属之上起反应，以便在离开熔化金属的一位置上实现还原作用。在该在先申请中，这种铝铁或者铝粉进入焊接金属然后做为一种脱氧剂。这种作用产生了氧化铝，该氧化铝必须涂在焊道表面上并且包含在复盖在表面上的渣中。本发明采用的铝粉用于在焊道上当铝进入焊道前进行化学反应。这样，通过在焊道以外的反应区域铝的作用而实现了一种化学还原的效果。然而，在本发明中铝适用于清除焊接金属中的氮。
Mun2的专利4，723，061是针对药芯焊丝而采用氧化铝控制复盖在焊道上的熔化渣的物理性能。该氧化铝仅仅用于形成渣。大量的氧化铝用于包括在填充料中的渣粘度的控制成份。铝粉可以提供用于氧化和用于控制渣。这个发明没有指出用于产生氧化铝的铝量，这是由于供应氧化铝仅仅是用于该在先专利说明的目的。这里没有与形成氧化铝不同的以任何比例利用铝而得到在气体保护焊丝中的任何特殊作用的例子。
Bushey的专利5，095，191说明了一种利用铯的气体保护电弧焊丝。建议相当量的铝做为许多合金化元素中的一种;然而，这里没有指出铝除了合金化目的之外能够用于任何特殊目的方法。
许多年来，铝合金系统就成功的用于自保护药芯焊丝，以便产生具有特殊冲击的焊接沉积和强度性能。当采用自保护的药芯焊丝和熔敷金属具有大约为0.5%的铝含量时可以产生一种特殊的机械性能。可以认为，铝形成一种氮化物，该氮化物沉淀在焊道的金属中，并且增加了焊接金属的机械性能。该铝用于焊缝金属的合金化，以便从凝固的焊道中去除氧和氮。在用于产生自保护药芯焊丝的特殊发展的工艺中，利用铝加到焊道的合金中，结果在焊道合金中具有大约0.5-1.0%的铝。利用这样的合金成份形成氮化铝，以及游离的氮一般是不适用的。当合金化的铝量在焊缝金属中减少时，发现焊缝金属的气孔增加，这样焊接接头的强度和冲击性能就下降了。因此认为，当铝做为一种合金剂用于自保护焊接的焊缝金属时，在焊缝金属中的铝的量必须大于0.5%。这种铝用于控制焊道的性能允许铝在焊道中做为一种合金成份相互作用。由于这种焊丝是自保护的，这种由电弧驱逐空气产生的气体和予防氧和氮由于电弧而产生的气体的快速外溢，而由入口进入熔化金属。所以，在电弧中不存在反应区域，在该区域铝主要与其它成份反应。铝进入焊道和使焊道金属合金化。
当利用气体保护的药芯焊丝做为本发明的一种企图时，焊缝金属的脱氧或者在焊缝金属中氮的控制并不主要依赖于铝。这种特殊的焊丝主要是一种碳-锰-硅系统型，该焊丝依靠气体借助于排除周围的大气而阻止氮对焊接熔池金属的污染。锰和硅做为合金剂用于在焊道金属中脱氧或者镇静。在保护气体焊丝中可利用任何类型的铝，这种铝在实践中已不是一种概念性的应用，但仅仅是建议做为焊缝金属合金化的许多可能的方法中的一种。这里并没有建议铝用于在保护气体类型的电弧焊接方法中位于焊接熔池金属之上的电弧反应区域的反应。因此，在用于气体保护电弧焊的焊丝中故意的避免铝进入焊缝熔敷金属中，并认为在熔敷金属中无铝可以有助于改善机械性能。以前铝合金剂在实践中没用于气体保护的焊丝，在焊缝金属中通常没有铝。这被认为可以保证较好的强度和冲击性能。当利用气体保护型的药芯焊丝时并没有尝试在焊道中铝做为一种合金剂。
最近发现，少量的粉末状铝位于焊丝芯中在没有内部保护气体时有助于减少在高焊丝给进速度条件下的烟尘水平并改善电弧作用。发现在芯中利用一直到达约1.0-2.0%铝粉能改善传统的碳-锰-硅系统以减少烟尘。现在发现与一般的看法相反，在气体保护的药芯焊丝中，焊丝芯中的铝粉能够导致拉伸强度和Charpy冲击特性接近实芯焊丝达到的水平。这是药芯焊丝技术的一个主要目的。到目前为止，药芯焊丝具有方便的优点，但损失了机械性能。接近实芯焊丝的性能的目的是按照本发明、利用铝粉在气体保护的药芯焊丝的芯中的控制量而加以解决。因此，本发明涉及到一种在气体保护的药芯焊丝的碳-锰-硅系统中铝的使用，在焊缝金属上的电弧中铝强烈的反应，以便实现希望的作用，并在任何的残余物之前进入焊缝金属。人们发现铝在电弧中可以还原二氧化钛和氧化硼，以及允许微量的钛和硼做为合金化元素进入焊缝金属的熔池中。在与C-Mn-Si-Ti系统比较时可看出降低了在焊接熔敷层中总的氮含量。大量的铝(在本发明中定义为百分比)在焊缝金属中产生一定量的残余铝。利用本发明而引起的焊缝金属的这样的铝成份的量是特别有益的。这种残余的铝用于减少焊缝金属中的游离的氮。由于焊接熔敷金属的缺口的韧性和“CTOD”性能，当游离的氮在焊缝金属中增加时将迅速的变坏，所以这种焊缝金属的铝成份是有利的。
利用本发明，铝还原了二氧化钛和/或氧化硼，其目的是在焊缝金属中产生一定量的元素钛和/或硼。钛和/或硼在气体保护的药芯焊丝技术中的优点是公知的。本发明也可用于钛-硼型焊丝。此外，本发明允许氧化硼和受控量的铝粉的结合以便控制在焊缝金属中的实际的硼。这一概念比利用硼做为一种在焊丝的钢包皮中的合金要好，并且比在焊芯中使用元素硼要容易控制。
在本发明中，最重要的一些特点之一是与在药芯焊丝中给定氮量的传统的C-Mn-Si-Ti系统相比，本发明是通过铝的使用来减少在焊缝金属中的总氮量。这或者是通过减少在电弧中形成氧化氮而减少氮进入焊缝金属来实现，或者借助于阻止在焊缝金属表面形成氧化铁而帮助氮由焊缝金属释放出来实现。
而且，在本发明中，在焊缝金属中的残余的铝小于焊缝金属重量的0.1%。在焊缝金属中受控制量的铝足以减少在焊道中的游离的氮量。这种在焊缝金属中的总的游离的氮量的减少可增加其机械性能。在焊缝金属中氮的状态的详细情况对说明这种概念将是有益的。在焊道中的总氮量表现为如下的形式游离的氮和间隙式的氮，即弥散的或者集中的分布在晶界周围，以简单的或复杂形式的氮化物存在的氮，以及分子气态中的附着氮，而这种分子气态氮有助于产生焊缝金属的气孔。在气体保护的系统中，在焊缝金属中的总氮量由于电弧的保护和焊缝金属与大气隔绝而变得很低。利用本发明，在焊丝的芯中的铝的量为1-5%，在焊接熔敷金属中总氮量甚至可以进一步降低。这将不用阻塞氮进入焊缝金属。所以，在该系统中焊缝金属中的总氮量是游离氮和在氮化物中的氮的总和，其相对量是由实用的氮化物形成剂确定的。因为钛和硼是强氮化物形成剂，所以若干氮将做为氮化钛和氮化硼而固定。剩余的氮以游离氮存在，这种游离仅氮适合于与铝结合。利用本发明，小于焊缝金属的0.1%的微量的铝和最好小于焊缝金属0.03%的铝存在于熔敷金属中。该铝与游离氮反应并形成氮化铝。由于在焊缝金属中铝和氮的量很低，该氧化铝实际上产生的晚一些，大概在固态焊缝金属中产生。无论如何铝降低了在焊缝金属中的游离的氮。然而，包含在焊缝金属中的氮化物的量是很低的。这两个因素都改善了焊缝金属的冲击性能。
按照本发明，在焊缝金属中的残余铝小于焊缝金属重量的0.10%。在焊缝金属中铝的控制量足以降低在焊道中的游离氮量，以便增加焊道的物理性能。
氮形成的细节的概念说明是有益的。氮可以以游离的、间隙的氮存在于焊道中，它可以弥散的或集中的在晶界的周围。氮又可以以氮化物存在，该氮化物或者以简单的沉淀相或者以复杂的沉淀相存在。此外，吸收的氮可以以分子气体状态存在，该分子气体有助于焊缝金属的气孔产生。利用本发明，小于焊缝金属的0.10%的微量的铝和最好小于大约焊缝金属的0.03%的微量的铝在熔敷金属中。人们发现通过靠稳定的氮化铝的形成来进一步降低游离的氮，该铝量可以在焊接熔敷金属中产生优良的机械性能。
由于该氮化物产生在凝固过程的后期，当利用本发明时氮化物形成与以前形成的标准的碳-锰-硅系统的氮化物不同。在药芯焊丝的一般系统中这样的氮化物与在本发明的氮化物相比，前者在凝固过程中较早的形成。这就产生相关的沉淀颗粒，这将在凝固的焊缝金属的晶格中造成一种应变，这种应变产生一种力，这种力倾向于破坏焊缝金属的晶体结构。因此，当利用本发明时，为破坏CharpyV型缸口试件的焊接接头所需要的能量实际上增加了，这是因为由不连贯的氮化物沉淀产生的内部应变能量产际上小于在一般的碳-锰-硅焊丝系统中氮化物化合物的相连接的粒。
按照本发明的最佳的实施例，二氧化钛和氧化硅包含在焊丝的芯中。在焊丝芯中的铝粉在该区域起化学反应，通过电弧而还原氧化硼和部分二氧化钛。这就允许一种钛和硼的控制量，该钛和硼的控制量要引入焊缝金属中。这两种用于焊缝金属的合金剂是有资料证明的。本发明通过在焊丝芯中适当的选择铝粉量能够精确的控制焊缝金属中钛和硼。这是本发明的一个特点，这一特点没有在其它的气体保持的药芯焊丝中应用。
本发明所用的控制的铝粉量，该铝粉量添加到有点标准化和药芯焊丝中。利用本发明由焊丝中去除铸造级的钛铁不会降低最终的焊缝金属的冲击性能，通过在芯材料中利用铝粉才保持了这样的机械性能。我们认为通过本发明才得到优良的机械性能，这是因为以控制量填加铝，这就在焊接熔敷金属中产生了适当量的钛和硼，为了最佳的机械性能通过填加铝而直接还原二氧化钛和氧化硼。因此，金属钛例如钛铁和金属硼不需要存在于填加料中。铝在焊缝金属上面的电弧区域进行反应，就产生了用于熔敷到焊道中的控制量的钛和硼，从而得到了希望的机械性能。通过利用本发明，只要在芯中的填加料具有足够的氧化物，该足够的氧化物具有的负自由能比氧化铝的负自由能大得多，那么焊接熔敷金属的残余铝含量就可以很低。因此本发明在芯中利用了控制量的铝粉。该铝粉在熔池金属上部区域反应，以便还原二氧化钛或氧化硼，或者两者都还原，从而这两元素合金化到焊道中。该铝粉如此选择，即在焊道中的残余铝量小于焊道金属量的0.1%。这样的铝量是用于在焊道中与氮进行反应形成氮化铝。对于给定焊丝填料成份的条件下，在焊道熔敷金属中还原的钛和硼的量与在焊丝的芯中的金属铝量成比例。增加铝量将导致在焊丝的填料中，由二氧化钛和氧化硼更多地还原钛和硼。因此，铝粉量选择成可以在焊缝金属中产生所希望的钛、硼量和希望的残余铝。已发现在填料中需要铝粉的百分比大约是填料重量的1.0-5.0%。
铝粉基本的百分数在电弧的反应区域消耗掉，按照本发明仅有微量铝实际上进入焊缝金属。按照本发明，焊道的氮含量比在利用碳-锰-硅和钛的一般的焊丝系统的氮含量要低。最初看来填加铝由于产生氮化铝将导致高水平沉积的氮，然而，正如前面说明的那样，铝降低了在电弧中的氧化能，这大概减少了氧化氮的生成，也就减少了在焊缝中对氮的敏感性。铝又可以减少在焊缝金属表面形成氧化铁，这将有助于氮由焊缝金属析出。残余的铝与保持在焊缝金属中的游离的氮结合形成氮化铝。因此，利用本发明通过减少总的和自由的氮和具有控制的低铝量而增加了焊道金属的机械性能。一种实际上高百分比的铝用于填料中，这样铝用于在熔池金属上反应，以便为合金化而还原钛和硼，微量的残余铝看来以很小量存在于焊道金属中。在气体保护的药芯焊丝的芯中应用低水平的粉末化的铝能减少焊丝的烟尘发放。随着铝粉量增加到一个控制量，该控制量依赖于希望要还原的二氧化钛或者氧化钛或者它们两者，能够得到一种最佳的机械性能。在焊缝金属中的钛和硼的量也是控制的。在焊缝金属中的钛应当是焊缝金属重量的0.070-0.080%，在焊缝金属中钛最好是焊缝金属重量的0.025-0.055%。硼的量应当至少是熔敷金属重量的0.002%，且最好是熔敷金属重量的0.0025-0.065%。选择铝以便得到焊道金属希望的性能是本发明的一个方向。
利用本发明的铝系统将提供的机械性能实际上大于仅仅利用碳、锰和硅的一般的合金系统而得到的机械性能。当由焊丝A形成的焊道与现有技术相同的例子Ⅱ的焊道相比较时，上述的结果被证实了。利用本发明的铝系统将导致实际上增加的机械性能，且有其它的优点。正如前面说明的那样，利用本发明的一种铝系统的熔敷金属中的氮比利用一般的系统在药芯焊丝中得到的给定氮含量要低。当利用在芯中具有足够铝而使铝熔敷到焊缝金属中的焊丝A与没有利用铝的现有技术的例子Ⅱ相比较时，就证明了上述观点。这样的数据与按照本发明说明的不同的其它焊丝A-E的数据是一致的。本发明的一个优点是，与由于铝在焊缝金属上的反应区使二氧化钛和氧化硼还原而得到的钛和硼用于焊缝金属的合金化这一现象一起降低在焊缝金属中的总氮量。在焊缝金属中总的氮量降低大概是由于铝在电弧区域与在该区域存在的氧结合。因此，氧不能吸收氮形成氧化氮，该化合物将在焊缝金属中产生氮。此外，氧在焊缝金属上的反应区域生成FeO、这种氧化物在焊接熔池表面在形成一个层。该层阻止氮由凝固的焊缝金属析出。因此，该氧化铁的阻挡层导致在焊缝金属中的较高的氮含量。利用发明的铝倾向于阻止在焊接熔池的表面上形成做为一阻挡层的氧化铁。
由于本发明产生了一处与用于气体保护的药芯焊丝的一般的系统相比较低的氮的焊接熔敷金属，本发明将使得焊接过程对保护气体的损失较不敏感。以前，用于保护气体的焊丝当保护气体中断时存在一系列问题，焊缝金属增加了由大气中吸收的氮，这就引起相应的降低焊接熔敷金属的缺口韧性。这样，有害的现象通过在焊丝的芯中的铝粉，吸收在熔化金属上电弧中的氮和氧而减轻，从而阻止氮进入熔化金属，即使是围绕在焊丝周围的保护气体不当心的中断。
本发明在要利用保护气体的药芯焊丝导致得到需要的熔敷的化学成份，包括涉及到的钛和/或硼，以及提供了一种更加一致的焊接熔敷金属。在一般的系统中，特别小心地以很小的控制的量在焊丝芯中使用钛和硼化金属化元素，以便阻止焊接熔敷金属的化学成份沿着其长度方向偏折和变化。利用本发明，用于焊缝金属的钛和硼更容易以微量控制，它可以阻止焊缝金属的有害作用。
利用本发明允许由连续的铸钢生产用于焊丝的钢包皮。以前如此便宜的钢不可能用于气体保护的药芯焊丝，这是因为这种钢包含一定量的铝和氮。本发明允许利用本来就有较高的氮含量的连续的铸钢，由于铝进入焊丝将感少进入焊缝金属的总量，并且把残留的游离氮固定在无害的氮化铝颗粒中。
主要关心的是利用气体保护焊的药芯焊丝当熔敷金属的锰和硅水平能达到最佳化冲击性能时得到最后的高强度水平。锰和硅当其使用量产生一种希望的冲击性能时，在焊缝金属中引起相当高的强度。这就特别涉及到当焊丝设计成利用二氧化碳保护气体时，实际上使用保护气体的氩气混合物。这样的混合物由于在焊缝金属中的锰和硅的较高的敏感性而引起较高的强度。因此，在锰和硅系统中为达到希望的冲击性能，强度水平将超过希望值。利用本发明，焊接熔敷金属的强度与一般的锰和硅系统产生的强度相比明显的低。因此，假若焊丝设计成用于二氧化碳，以及氩气混合物用来做为保护气体，则该强度将不超过希望的参数。当利用焊丝A的熔敷金属与现有技术的焊条Ⅱ相比较时，就证明了这一特征。按照本发明控制的芯的铝含量，提供一种能限制焊接熔敷金属的强度水平的机制，从而使锰和硅水平是高的强度冲击性能所必需的。可以认为当利用本发明时，降低强度水平是由于与一般标准的碳-锰-硅系统相比较焊接熔敷金属具有较少量的微型夹渣。这样的夹渣用于阻止内部晶片的滑移并且增加最终焊缝金属的强度。
本发明的另一个优点是在焊丝的芯中包含铝，该铝的在焊接过程早期反应，从而分离开和放出形成任何一个含水材料。因此，该焊丝与其它类型的用于气体保护焊的焊丝相比对水份和润滑剂污染是较不敏感的。这种下降从对水份的敏感性又提供了焊丝中给定的水份含量时较低的氢含量。因此，本发明降低了对焊丝驱动水份的要求。
在新型焊丝中铝粉用于在焊接烟尘中减少氧化铁，这样，就如在先申请中指出的那样，降低了烟尘水平，该在先申请结合在这里做参考。
按照本发明，提供了一个用于由气体保护电弧焊熔敷成焊道金属的药芯焊丝。这种新型的焊丝具有由铁管围绕的填料的芯。该填料包括合金化剂和氧化物造渣成份，以及1.0-5.0%的铝粉，其中铝粉与填料的合金化剂和氧化物渣成分相比对氧有较高的亲合力。铝粉量选择成在最终的焊缝金属中产生小于0.10%的铝。适当的选择铝粉仅仅产生用于合金化的少量的残余铝，从而允许降低焊缝金属中的氮并在焊缝金属上的电弧反应区域对合金化剂脱氧。
按照本发明仅另一个方向，在填料中提供40-60%的二氧化钛和该铝粉选择成在焊缝金属中产生0.02-0.08%的钛。
按照本发明的另一个方向，该填料包括填料重量为0.3-0.5%的氧化硼，以及该铝选择成焊缝金属至少含有重量的0.002%的硼，在焊缝金属中的硼最好为焊缝金属重量的0.0025-0.0065%。
本发明的还有另外一个方向是提供一个药芯焊丝，该药芯焊丝的填料包括二氧化钛和氧化硼，其焊缝金属的钛与硼的比一般为9-11.1。该比的范围最好大约是10∶1。
按照本发明的还有另一个方向，提供了一种气体保护焊方法和用一种药芯焊丝熔敷焊道金属。该方法包括利用一种填料芯被铁管环绕的一焊丝的步骤。该填料包括的40-60%的二氧化钛和1.0-5.0%的铝粉。选择铝粉量使在焊缝金属中能产生0.02-0.08%重量的钛和小于0.10%重量的铝。
按照本发明的最概括的方向，在最新方法的范围内，一种方法提供了利用药芯焊丝的气体保护电弧焊，以便熔敷焊道金属。这个方法包括利用具有填料芯被铁管环绕的一种焊丝的步骤。该填料包括为填料重量的1.0-5.0%的铝粉和选择铝粉量使在焊缝金属中产生小于0.10%的铝。
本发明进一步包括一种利用保护气体的电弧焊方法，该方法用于熔敷焊道金属。这个方法包括提供带有填料的铁管焊丝的步骤，该填料包括金属氧化物和占填料重量的1.0-5.0%的铝粉;产生位置焊道金属与焊丝之间的电弧，以便在焊丝与焊道之间的电等离子或电弧的反应区熔化该铁管，以及把铝粉引到电弧反应区，以便在反应区还原金属氧化物，利用铝的残余量的一部份进入焊道，形成的铝合金，铝的量小于焊道中金属重量的0.10%。
按照本发明还有另一个方向，当实施本发明时，在焊缝金属中的铝是焊道金属重量的0.01-0.05%。
本发明的重要目的是提供一种以气体保护电弧焊形式使用的药芯焊丝，该焊丝的强度和冲击特性接近于以电弧焊形式使用的实芯焊丝的上述特征。
本发明的另一个目的是提供一种药芯焊丝，该焊丝在芯中使用粉末化的铝，该一定量的铝在电弧或等离子区反应以便合金化金属，而在该焊道中又熔敷微量控制的残余的铝。
本发明的又一个目的是提供气体保护药芯焊丝，正如上面指出的那样，该焊丝在焊道合金系统中控制钛或硼的量，或者控制两者。
本发明还有一个目的是提供一种药芯焊丝，正如上面指出的那样，该药芯焊丝可以利用一种由连续铸钢制造的包皮，以及实际上不需要去除水份。
本发明仍有进一步的目的是提供气体保护的药芯焊丝，正如上面已指出的，该焊丝降低焊道中的氮量而铝量的增加没有超出小量范围。该小量范围对焊缝金属的晶粒特性没有害作用。
本发明的另一个目的是提供气体保护电弧焊的一个新的方法，该方法得到具有低氮量的和控制的小量残余铝的焊道金属，利用具有钛或硼、或者利用两者的焊缝金属的控制的合金化。
这样的或其它的目的和优点下面结合附图的说明将变得更加清楚。


图1，按照本发明的优选的实施例而给出的一焊丝的概略的横截面图，以及图示了该反应区，这有助于本发明的实践，以及图2.示出了本焊缝金属中氮量的减少与焊道金属或接头的冲击特性之间关系图。
参考附图，在这里所示出的仅仅是为了用图说明优选的实施例，并不为了限制本发明。图1示出了一个消耗焊丝10，该焊丝10具有一个钢质外包皮12，该外包皮由低碳钢构成，最好含碳量小于包皮的钢重量的0.07%。焊缝10利用保护气体20，最好是最便宜的二氧化碳;然而保护气体的成份，例如氧、氮、氩等的混合物也可以使用。在焊丝10的芯30中提供了合金化剂。造渣剂形式的特殊材料，以及当电弧50压焊丝10的一端与焊接熔池金属之间产生时为形成复盖在焊道上或者熔池金属上的适当的渣所必须的其它成份。按照本发明的优选的实施例，芯30包括的铝粉，概略的用分散在整个芯中的颗粒60来说明，并且具有构成芯30的填料的重量的1.0-5.0%。来自芯30的金属铝在被指为反应区70的区域反应。按照本发明，铝量选择成能还原二氧化钛或者氧化硼，以便释放出用于在焊道金属40中合金化的一定量的钛和硼。足够量的铝粉如此的配置到芯30中，以致于有少量的残余铝参与在熔池40中焊缝金属的合金化。实际上，铝量选择成产生小于在熔池40的焊缝金属的0.10%。因此，1.0-5.0%的铝粉直接用于在区域70与芯料反应。这样的化学和热作用释放出一定的合金化剂，例如钛和硼，同样允许少量的残余铝用于合金化，去除氮以及与在焊缝金属中溶解的氧反应。
发现在芯料中的铝能降低焊缝金属中的总的和游离的氮，正如公知的那样，在焊缝金属中的氮影响焊缝金属的冲击特性。图2表示在熔敷焊缝中总氮量增加而降低了焊道金属的CharpyV型缺口强度。在芯料中的铝可以在区域70减少氧的位能，减少氧化氮生成。按照本发明，残余铝当其熔化且与游离的氮形成氮化铝时，由在电弧区70反应进入焊缝金属，所以大部份氮在焊缝金属中是以不变的氮化物的形式存在。因此，当利用本发明时，铝和氮对焊缝金属的强度和冲击特性没有实质性的影响。
本发明在碳-锰-硅焊丝系统利用了控制量的铝粉。这种铝可还原二氧化钛，该二氧化钛是焊丝的最佳的成渣成份。铝量控制在焊缝金属中还原和熔敷的钛量。该钛量相当小一直到为给定的焊缝金属重量为大约0.02-0.08%。该铝粉又还原包含在芯30中的氧化硼，以便在焊缝金属中提供控制的硼量。仅仅需要少量的硼，所以仅仅少量的氧化硼配置在芯30中，该量为填料重量的0.30-0.50%，这样的铝量用以在焊缝金属中产生希望的钛和/或硼。此外，铝可以减少在电弧区70的电弧气体的氧化的位能，因此，根据以前说明的原因，氮不能有效的从大气中吸收。金属铝可以利用于由焊缝金属中去除氧，然而，应当需要一个基本的铝量，这时在焊缝金属中控制钛和硼变得困难了。此外，最终的氧化物并不能把渣的特性增加到由氧化铝达到的程度。
至今为直认为铝用于药芯的气体保护焊缝不能不降低最终的熔敷焊缝金属的机械性能。当一种焊丝特别说明用于具有外部保护气体时，至今为止，在焊缝金属中残余的元素形式的铝产生一种不希望的微观组织，然而，利用本发明这一问题以独特的方式解决了。残余铝由未结合的游离的铝和以氧化物形式结合的铝构成。本发明的一个目的是通过仔细的控制在芯中的铝量并在焊缝金属中保留一定量的残余铝。按照本发明，焊缝金属具有小于0.1%的铝，最好小于0.05%的铝。该残余铝的一部份是游离的(没有与氧结合)，它与存在的游离的氮结合而形成氮化铝。所以在焊缝金属中元素铝的量是减少的，由此，限制了不希望的微观组织，在焊缝金属中的游离氮量也降低了。因此在焊缝金属中的两种过量的元素铝和游离的氮的有害作用就避免了。
当利用本发明时，在芯中选择铝粉的控制量是全新的。铝粉小于焊缝金属重量的0.10%，最好小于焊缝金属的0.05%。在芯中的铝是粉末状的金属铝，这样，它直接并立即在反应区70的与芯30的成份反应。铝铁和其它的铝合金在进入熔池金属40之后反应，这些合金通常不在区70反应，这与本发明予料的一样。本发明主要用于具有二氧化钛的消耗药芯焊丝，然而本发又可以用于碱性药芯的药芯焊丝。铝粉在最后的焊缝金属中提供了一种均匀性，因为它还原了氧化物，减少了氧，这样就减少了焊道中的氮量。当利用二氧化钛时，选择铝量使在焊缝金属中产生希望的钛量。实际上至少0.1%的铝填加到焊丝芯中并且小于0.10%的铝熔致在焊缝金属中。发现最终的焊丝对水份有些敏感且若不当心会损失保护气体。
在反应区70名粉去除大多数氧，因此在焊缝金属的大部份铝通常是以氮化铝和氧化铝的形式存在，并没有元素铝。
铝粉主要用于钛硼型药芯焊丝，特别是用于具有保护气体的钛硼型药芯焊丝。这是一种专门的技术，在焊缝金属中钛和硼的结合减小奥氏体晶界的先共析体铁素体。此外，钛在先奥氏体晶粒产生细针状铁素体。该钛、硼和铝减少了在系统中游离的氮，所以钛、硼和铝由于利用了本发明都有助于合金系统改善强度和冲击特性。做为本发明的优选的实施例的焊丝A-E示出的药芯焊丝利用了镍。镍在低温改善延展性，然而镍在本发明的实践中并不是必需的。本发明的优选实施例的焊丝A-E的镍含量做为焊接镍的焊丝是希望的，然而，其它的合金化剂也应当用于本发明中。
以前，钛硼型气体保护药芯焊丝在最终的焊缝金属中包含少量的硼。利用各种机制使硼提供在焊缝金属中。按照本发明的一个方向，硼做为氧化硼包含在芯30中。氧化硼和用在芯中的金属铝粉还原，接着允许合金化的硼进入焊道金属。硼向右改变主要的铁素体的C曲线是公知的，铝形成氮化物和氧化物。钛在晶界保护硼不氧化。硼是氮化物形成剂，但钛与硼或铝相比更有能力形成氮化合物。然而，铝是一种强脱氧剂，以及在这里铝用在系统中是有效的。铝在电弧中可以减少NO，该NO能减少氮进入焊缝金属。铝又能帮助氮由焊缝金属表面析出，当氧化铁由于优选的氧与铝粉的反应不能在焊缝金属表面成形时可以促进上述特点。所以在焊缝金属中氮的水平在按照本发明利用铝时会降低。存在于金属中的氮化铝与游离的氮或固定住的氮相比也具有较小的有害的作用。
本发明造成铝粉的大部分在区域70形成氧化铝，这种化合物对于控制渣的特性是有利的。铝粉又控制进入焊缝金属的钛和硼的量。出自区域70的残余的铝用于焊缝金属中，以便与氮结合，从而利用形成稳定的氮化铝而从焊缝金属中去除游离的氮。在焊缝金属中优选的钛与硼的比大约为10∶1。在实践中钛比硅可以大约是9-11∶1。利用本发明是有利的和能够通过控制芯30中的钛和硼的量以及实现铝形成氮化合物，这在控制焊道金属的物理特性方面是有利的。
现有技术的保护气体的药芯焊丝在下面给出
实施例Ⅰ-40°F冲击(ft-Ibs)A侧73,67,65,70根部47,51,56,55B侧67,67,62,66这个实施例的焊道的化学分析为
实施例Ⅱ-40°F冲击(ft-Ibs)A侧73,71,64,67根部55,52,46,52B侧59,49,66,58这个实施例的焊道化学分析为
实施例Ⅲ-40°F冲击(ft-Ibs)A侧71,74,76,71根部61,45,52,39B侧84,81,82,90这个实施例的焊道的化学分析为
实施例Ⅰ和Ⅱ的焊丝的焊剂成份(重量百分比)如下焊剂成份IIIIIINa2O 2.86 2.85MgO3.913.91SiO24.21 4.20TiO253.45 53.45B2O30.26 0.28CaF21.80 2.07Al0.150.17Si2.092.10Ti3.133.49Mn12.7514.19Ni5.158.81Ca0.6710.0Fe其余其余实施例Ⅲ是一种商业性的产品，该产品在形成焊丝的金属包皮的芯中没有合金形式或者粉状的铝金属。
在一个优选的实施例中，焊道位于具有倾斜面边缘形成50°夹角的2英寸(50mm)厚的A537钢板之间，以及该钢板定位成其下部较光锐的边缘间隔为1/4英寸(6.4mm)。该钢板予热到212°F(100℃)，以及在每一个焊道之间前面的熔敷焊道的温度允许下降到大约325°F(163℃)。
在第9焊道，利用下面说明的焊丝A、B、C、D和E，得到了如下的冲击值-40°F冲击(ft-IBs)(对于cm-kg×1.3)焊丝AA侧71,76,70,72根部50,50,52,48B侧50,61,56,67焊丝BA侧61,60,56,54根部44,48,45,45B侧56,55,54,72焊丝CA侧52,53,59,62根部50,54,49,48B侧31,29,33,41焊丝DA侧47,55,52,55根部47,45,46,43B侧38,37,45,52焊丝EA侧66,75,72,73根部41,33,42,53B侧32,50,68,63
本发明的这些试件是利用以下的焊丝得到的，该焊丝的钢是一种低碳钢管(＜0.07)和该钢管的芯由如下的焊剂成份填充(重量百分比)ABCDENa2O 1.88 1.91 1.91 2.23 2.52Cr2O30.12 0.12 0.12 0.12 0.03V2O50.10 0.10 0.10 0.10 0.02Cb2O50.08 0.08 0.08 0.08 0.02SiO22.72 2.76 2.76 3.16 3.79TiO253.44 53.44 53.44 54.00 52.85Al2O30.0 0.0 0.0 0.0 0.01FeOx0.23 0.23 0.23 0.23 0.07ZrO20.56 0.56 0.56 0.56 0.12B2O30.26 0.15 0.15 0.24 0.18CaF21.22 1.23 1.23 1.32 1.98MgO0.00.00.00.03.91KF0.00.270.270.270.0Al3.273.483.482.491.33Cr0.040.030.030.030.03Mn14.5313.7413.7413.7412.64Ni8.918.918.918.918.91Ca0.00.00.00.00.67Si0.00.010.010.011.22Zr0.01.151.151.141.89Fe其余其余其余其余其余利用上述焊丝的典型的焊接规范
a.焊丝直径0.045英寸;
b.直流焊条正极性;
c.焊丝通电长度3/4英寸;
d.焊丝填充为总焊丝重量的百分之14-17;
e.焊丝给进速度大约为275英寸/分钟。
按照本发明制取的焊丝A-E，以及在芯中利用铝粉以便增加采用了一定量镍的消耗焊丝的焊缝金属的物理性能。
按照本发明的焊丝包括一定量的不同的合金化剂，例如铝、铬、锰、镍、镉、硅、锆和铁。其它的合金化剂也可以用在渣系统中。不同类型的合金化剂仅仅限于它们铝粉相比与氧或氮有较低的亲合力。铝粉在渣系统中设计成一种主要的脱氧剂和脱氮剂，以便得到希望的合金金属沉淀在焊缝金属中，而同时减少焊接时产生的烟尘。合金化剂，例如锰或锰合金，它们与铝粉相比具有与氧或氮更大的亲合力，利用铝粉反应的不利的作用和干扰发生在反应区70。与铝相比，锰、锰合金和/或对氧或氮具有较高亲合力的其它合金化剂的有害作用在焊接和/或较差的焊道质量时造成烟尘和飞溅增加。
本发明说明了优选的实施例及其变型。可以认为，讨论的对本实施例的许多改进和变形对本领域技术人员来说是显而易见的，所有这样的改进和变型都属于本发明的范围。
权利要求
1.一种用于熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝，该焊丝具有由铁管环绕的填料芯，该填料具有合金化剂和氧化物造渣成份，以及包括填料重量40-60%的二氧化钛和1.0-5.0%的铝粉，具有与该合金化剂相比对氧有较高亲合力的铝粉和该氧化物造渣成份，以及铝粉量选择成在焊缝金属产生0.02-0.08%的钛和小于0.10%的铝。
2.按照权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，该填料含有该填料重量的0.3-0.5%的氧化硼，该焊缝金属含有重量至少为0.002%的硼。
3.按照权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，在焊缝金属中的钛与硼的比为9-11∶1。
4.按照权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，该钛与硼的比大约10∶1。
5.按照权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，该二氧化钛是该填料重量的50-60%。
6.按照权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，该二氧化钛是该填料重量的50-60%。
7.按照权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，该二氧化钛是该填料重量的50-60%。
8.按照权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，该填料包括其量为填料重量2.0-4.5%的二氧化硅。
9.按照权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，该填料包括其量为填料重量2.0-4.5%的二氧化硅。
10.按照权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，该填料包括其量为填料重量2.0-4.5%的二氧化硅。
11.按照权利要求8所述的药芯焊丝，其特征在于，该填料包括其量至少为填料重量的大约10%的锰。
12.按照权利要求11所述的药芯焊丝，其特征在于，该锰合金化剂其量为填料重量的10-50%。
13.按照权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，包括其量为填料重量的至少大约10%的锰合金化剂。
14.按照权利要求13所述的药芯焊丝，其特征在于，该锰合金化剂其量为填料重量的10-15%。
15.按照权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，包括其量为该填料重量的至少大约10%的锰合金化剂。
16.按照权利要求15所述的药芯焊丝，其特征在于，锰合金化剂为填料重量的10-15%。
17.按照权利要求11所述的药焊丝，其特征在于，包括镍做为一种合金化剂。
18.按照权利要求17所述的药芯焊丝，其特征在于，该镍其量为该填料重量的8-10%。
19.按照权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，包括镍做为一种合金化剂。
20.按照权利要求19所述的药芯焊丝，其特征在于，该镍其量为填料重量的8-11%。
21.按照权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，包括镍做为一种合金化剂。
22.按照权利要求17所述的药芯焊丝，其特征在于，该镍其量为填料重量的8-10%。
23.一种用于熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝，该焊丝具有由铁管环绕的焊丝芯，该填料具有合金化剂和氧化物造渣成份，以及包括填料重量0.3-0.5%的氧化硼和1.0-5.0%的铝粉，具有与该合金化剂相比与氧有较高亲合力的铝粉和该氧化物造渣成份，以及铝粉量选择成在焊缝金属中产生至少为0.002%的硼和小于0.10%的铝。
24.按照权利要求23所述的药芯焊丝，其特征在于，该造渣氧化物包括二氧化钛。
25.按照权利要求24扔述的药芯焊丝，其特征在于，该二氧化钛其量为填料重量的40-60%。
26.一种熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝的方法，该方法包括利用填料芯环绕铁管的步骤，该填料包括其量为填料重量40-60%的二氧化钛和1.0-5.0%的铝粉，该铝粉量用于在焊缝金属中生成0.02-0.08%的钛和小于0.10%的铝。
27.一种熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊接方法，该方法包括利用由铁管环绕填料芯的步骤，该填料包括其量为填料重量0.3-0.5%的氧化硼和1.0-5.0%铝粉，铝粉量选择成在焊缝金属中产生至少0.002%的硼和小于0.10%的铝。
28.一种熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝的方法，该方法包括利用电铁管环绕填料芯的步骤，该填料包括其量为填料重量1.0-5.0%的铝粉，以及铝粉量选择成在焊缝金属中产生小于0.10%的铝。
29.一种用于熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝，该焊丝具有由铁管环绕的填料芯，该填料具有合金化剂和氧化物造渣成份，以及包括其量为填料重量1.0-5.0%的铝粉，该名粉具有比该合金化剂与有较高的亲合力和该氧化物造渣剂成份，以及铝粉量选择成在焊缝金属中产生小于0.10%的铝。
30.一种用于熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝，该焊丝具有由铁管环绕的填料芯，该填料具有合金化剂造渣剂成份，以及包括其量为该焊丝重量0.1-0.5%的铝粉，以及该铝粉量选择成在焊缝金属中产生小于0.10%的铝。
31.一种用于熔敷焊道金属的气体保护电弧焊方法，该方法包括提供具有填料芯的铁管的焊丝，该填料芯包括氧化物和其量为填料重量1.0-5.0%的铝粉;在该焊缝金属与该焊丝之间产生一个用于位于该焊丝与该焊道金属之间的反应区之后的熔化该铁管的电弧，以及使该氧化铝粉引入到该反应区，以便在该反应区还原金属氧化物，具有该铝的一部分进入该熔敷金属，以便形成小于该焊道金属的铝重量的0.10%的铝合金。
32.按照权利要求31所述的方法，其特征在于，该在焊道金属中合金化的铝其量小于该焊道金属重量的0.03%。
33.按照权利要求31所述的方法，其特征在于，在焊道金属中合金化的铝其量为焊道金属重量的0.01-0.05%。
34.一种用于熔敷焊道金属的保护气体的药芯焊丝，该焊丝具有由铁管环绕的填料芯，该填料芯具有合金化剂和氧化物造渣成份，以及包括其量为填料重量0.3-0.5%的氧化硼和1.0-5.0%的铝粉，铝粉量选择成产生的硼小于0.002%并且造成小于该焊缝金属的0.10%的铝。
35.按照权利要求34的药芯焊丝，包括二氧化钛做为一种造渣剂成份。
36.按照权利要求35的药芯焊丝，包括40-65%的二氧化钛。
全文摘要
一种用于熔敷焊道金属的气体保护的药芯焊丝具有由铁管环绕的填料芯，该填料具有合金化剂和氧化物造渣成分，该造渣成分包括其量为填料重量40—60％的二氧化钛，0.3—0.5％的氧化硼，以及铝粉，该铝粉与氧化物造渣成分相比与氧有较高的亲合力，以及铝粉量选择成在焊缝金属中产生0.02—0.08％的钛、小于0.002％的硼和小于0.10％的铝。
文档编号B23K35/30GK1090804SQ9311453
公开日1994年8月17日 申请日期1993年11月16日 优先权日1992年11月16日
发明者丹尼斯D·克罗克特, 罗纳德J·戈迪师, 卡尔J·库利克斯凯, 罗伯特P·芒兹 申请人:林肯电学公司