专利名称:用于高屈服强度母材金属的焊料组合物的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种制备满足高屈服强度需要的焊接方法。特别涉及与含Co的消耗型药芯焊丝焊条，用于在药芯焊丝电弧焊过程中控制焊接金属形态。
背景技术：
药芯焊丝电弧焊(Flux-cored arc welding，FCAW)是一种焊接方法，其中通过在连续地进入焊接机的管状焊条和被加工工件之间的电弧产生热量。用于FCAW方法的焊条包括金属鞘和化合物，其中，金属鞘包围着助熔药芯和/或合金元素。典型地，电弧和熔融金属通过使用保护气体而屏蔽于周围环境。鞘的化学组成、药芯焊丝和保护气决定了所得到的焊接的组成和性能。消耗型焊条在电弧中熔化，并形成金属流被传送穿过电弧而形成沉积的焊料金属。或者通过包含在管状焊条中的助熔剂，或者通过在外部设置保护气，来提供电弧的保护。
使用利用电力驱动的焊接机来完成FCAW(药芯焊丝电弧焊)过程。焊接机供给消耗型焊条并在焊接过程中提供保护气。焊接器使用电源来驱动，其能提供维持电弧所需的电压和电流的电能。大多用于FCAW方法的焊接机在110、230或者460伏特输入功率下工作。在FCAW方法中使用的电源通常是直流稳压电源，但是也经常使用比气体-金属电弧焊接方法中电流更大的电流，需要更大的电源。
FCAW是直流电焊接方法。用于FCAW的与保护气共同使用的消耗型焊条一般在直流反接(dirrect current electron positive，DCEP)焊接方法中使用。直流正接(DCEN)通常用于自保护电弧焊接中。
由于在FCAW方法中必须向焊接机供给消耗型焊条，需要一种焊丝输送系统来提供连续的供给。有数种焊丝输送系统，并且可以在FCAW方法中使用。大多数系统提供恒定的供给速度，并且使用恒压电源。如果使用变速焊丝输送系统，需要提供一种电压传感回路，通过改变焊丝的供给速度来维持电弧的期望长度。焊丝输送系统通常包括与带有若干驱动轮的齿轮箱相连接的电转子。
在外部保护的FCAW焊接机中，保护气系统向工作空间提供来自气源(储存罐中或压缩在气筒中的液体)的保护气，从而保护电弧隔离于周围环境。典型地，保护气系统包括气源、气体供给管、气体调节器、控制阀和向焊接器提供气体的管。保护气可以是惰性和/或活性气体，环绕着电弧和熔融金属糊。在FCAW方法中通常所使用的保护气是Ar、CO2、Ar-O2混合气、Ar-CO2混合气。选择特定保护气或混合气取决于被焊接金属的种类、电弧和金属迁移参数、焊接的特性和焊珠的形状。
已知只有很少几种金属焊料适用于焊接具有100ksi或更高屈服强度的结构钢，需要在低温下的良好的冲击韧性。已知金属焊料的问题是焊接金属韧性差，以及最终焊接金属的氢致开裂和高温开裂。低温和高温开裂问题在结构焊接中需要引起特别的注意，例如用于管道线或石油钻塔的支撑结构，其中不希望在连接两个金属件的焊接金属中出现任何开裂。在手工焊条电弧焊方法(stick-metal arc welding process，SMAW)中使用手工焊条，该方法可以在结构钢中提供所希望的机械性能，但是SMAW方法非常慢，因此相比较于FCAW方法(药芯焊丝加热和熔化较快，较快地在被加工工件上传递和沉积金属焊料)具有较低的产率。由于这个原因，当需要高沉积速率时，FCAW常常用于焊接含铁金属，例如钢。
例如低温和高温开裂的问题，在结构型钢的焊接连接中是尤其不希望有的。引起低温开裂的原因之一是在消耗型焊条中具有高含量的氢或水，从而导致所得到的焊接金属中的含氢量足以引起低温开裂。在药芯焊丝中存在的水分子在焊接电弧中分解成氢和氧。部分分解出的氢和氧在焊接过程中扩散进入熔融焊池。当金属冷却时，内部容纳的氢会扩散并集中在金属内部的缺陷。如果在结构缺陷上氢的浓度和在焊接过程中所引起的残余应力足够高，将在焊接金属中形成裂缝。
在焊接过程中，消耗型焊条进入电弧，熔化并被传送到被加工工件，形成熔融焊池以及熔融熔渣池。熔渣池首先凝固，然后熔融金属顺着凝固熔渣的形状凝固。当金属凝固时，形成枝晶并沿着凝固的方向生长，该方向与焊接方向相同。枝晶的形成与生长导致不同合金浓度区域的形成，已知称为“分配(partitioning)”。对于具有小原子半径的合金元素，例如硼，其高扩散速率使得其能以足够高的浓度向焊接的枝晶间区域扩散，引起枝晶间区域和焊接金属母材的熔点的不同。具有低熔点温度的区域不能经受凝固所引起的应力，形成高温开裂。高浓度硼使得高温开裂更容易发生。如果裂缝通过焊接而传播，通过这样焊接而连接的结构不能满足希望的强度要求。
在焊接结构钢时，为了得到焊接连接所需的机械性能，使用合金系统，能够提供这些机械性能，但是只包括有限含量的元素，降低在焊接连接中马氏体转化的起始和结束温度。因为马氏体结构承担着冷却时开裂的高风险，因此不希望形成由高冷却速率引起的坚硬的马氏体热影响区域。这样的合金元素可以是C、Mn、Cr和Ni。例如，在Avt.Svarka 1984，No.7，第45～48页，“钴对高强度焊接金属的结构和性能的影响”一文中描述了一种不带保护气的埋弧焊方法(SAW)。使用埋弧焊进行焊接高强度母材金属，该埋弧焊使用药芯焊丝，或者实心焊丝和不包含在焊丝中但是由外部提供的助熔材料。在焊接过程中，经过熔解和在熔融焊接金属池中形成熔渣，助熔材料提供焊接金属隔离于大气的保护。所述的SAW方法限定于平面和水平的焊接位置。
因此，非常需要一种通过具有高沉积速率的焊接方法在钢的焊接连接位置减少低温和高温开裂的焊接方法。由于许多工业领域中为了减少完成一个项目所需的钢的数量，倾向使用高强度钢，所以尤其希望在例如100ksi或更高的高强度钢中减少低温和高温开裂。因此，对高强度的合金金属焊料的需求增加。
发明内容本发明是在钢的FCAW中使用的消耗型焊接焊丝。该焊条的钢鞘组合物除了Fe之外，还包括大约0.02％的C，大约0.5％的Mn。在FCAW方法中，焊接金属形态是由向焊丝的药芯焊丝中加入的Co来控制的。更特别地，本发明涉及具有C、Mn、Ni、Co、Zr、Ti和B一起作为加入到药芯焊丝的合金元素的焊接焊丝。
本发明的焊接焊丝包括钢鞘，其包裹具有助熔化合物和合金元素组合的助熔药芯。该助熔化合物包括最多2％重量的氟化物和最多49％重量的氧化物。合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C。Co的量要足够以使所得到的焊接具有铁素体-贝氏体焊接金属形态。
一种FCAW装置，其使用新型焊丝，具有焊枪，该焊枪具有将焊丝输送进入焊枪的设备。焊丝具有包裹这助熔药芯组合物的鞘，该组合物具有最多2％重量的氟化物、最多49％重量的氧化物、Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C。非常重要需要指出的是，Co的量应当要足够以使所得到的焊接具有铁素体-贝氏体焊接金属形态。焊接装置与电源耦合以向焊条提供电流，与气源耦合以向焊接装置提供保护气。
一种FCAW方法，其使用新型药芯焊丝，使用一种焊接装置，该装置带有将焊条输送进入焊接装置的设备和将保护气提供给焊接装置的设备。在焊条和母材金属之间，通过将焊接装置与电源耦合以及焊条进入焊接装置而形成电弧，向焊接装置中提供保护气以保护焊条和电弧隔离于周围环境。所述组合物的焊条具有足够量的Co来形成焊接的铁素体-贝氏体焊接金属形态。
图1是本发明药芯焊丝的剖面图。
图2是使用本发明药芯焊丝的FCAW方法的示意图。
图3是列举药芯焊丝中组合物和合金元素的百分比的表。
图3a是焊接金属成分的列表。
图3b是显示药芯焊丝中助熔组合物的实际重量的表。
图4(a)-(d)是不同焊接金属样品所得到的微观结构。
图5是示例药芯焊丝的物理测试的数据。
具体实施方式本发明的药芯焊丝包括金属鞘和具有优选为大约16％重量填料的助熔组合物。如果优选采用不同金属母材的特定应用，其他百分比也是可以的。助熔剂是以组合物为特征，该组合物可以导致在形成的焊接金属中针状铁素体+贝氏体的细微晶粒的形态。本发明焊丝的助熔组合物的具体化学和元素组成在图3的表1中显示。
助熔组合物中Si的主要功能是在焊接过程中对焊接池进行脱氧。如果氧存在于焊接过程中并残留在得到的焊接金属中，将导致焊接金属中的气孔，这不是希望的结果。Si也可以在得到的焊接的替代增强和增加硬度方面起作用。本发明限制焊接金属组合物中Si的浓度为大约.3％重量，从而将夹杂物含量的增长及其对焊接微观结构的负面影响降到最低。Mn的主要功能是影响焊接微观结构的替代增强和增加硬度，其也可以从焊接池中去除S(S在焊接金属的晶界形成不希望的低熔点夹杂物)。C作为本发明主要合金成分，其主要作用在于晶隙增强。Ni的主要作用是增加得到的焊接金属的韧性。当Ni在合金中含量增加时，低自冲击能(lower shelf impact energy)增加，而高自冲击能(upper shelf impact energy)降低。
在本发明助熔组合物中，Ti和Zr的主要功能是控制氧化物夹杂物的尺寸和分布，由于这两种元素都有很强的形成氧化物和氮化物的能力。在焊接微观结构中较小氧化物夹杂物的形成对于针状铁素体的异相成核是非常关键的，因为这样需要较少的能量。较低能量导致在焊接金属中具有较小晶粒尺寸的针状铁素体晶粒。通过提供对晶界的拉力，使得氧化物夹杂物在高温下的晶粒生长达到最小，延缓它们的生长并减少固态下晶粒的尺寸。所得的针状铁素体的小晶粒尺寸增加了形成的晶界的表面积，这引起焊接金属中存在的杂质较少集中，从而减少对焊接冲击韧性的损害。焊接金属中较小晶粒尺寸和较多数的晶粒也可以增加韧性，因为大量的较小晶粒阻止裂缝的集中和生长，以及阻止在焊接中位错的形成和移动。
在本发明焊丝的助熔药芯中使用合金元素Co，对于控制FCAW方法制备的焊接金属的形态是重要的。本发明测定的在药芯中Co的含量最多为4.98％重量。尤其，焊丝的助熔药芯组合物包括Ni和Co的组合。图3a的表2显示了在试验焊接过程中制备的焊接的最终成分(％重量)。最佳配方是序号17-020，其形成的焊接连接具有良好的屈服强度和可接受的冲击强度(以ksi为单位)。图3b中的表3提供了药芯化合物和元素的实际重量。对于所有的配方(从17-019到17-024)来说药芯混合物的总重量是大约5lbs。
本发明药芯焊丝的制备方法包括一系列的步骤，其中条带(或鞘材料)向成形模进料，将条带弯曲使其成型成可以被填入助熔组合物的形状。通常，形状是U型。然后将具有助熔组合物和合金元素的药芯成分填入成型的鞘然中。助熔化合物包括最多2％重量的氟化物和最多49％重量的氧化物。合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C。然后焊丝穿过封闭模，将其封闭形成管状，使得鞘完全包围芯，形成如图1所示的药芯焊丝。助熔组合物的成分经常是粉末，当包裹的焊丝通过牵引模进料时，粉末被压实，从而缩小焊丝的直径到最后希望的尺寸。
加入表1中所列的不同助熔组分，从而制备焊接，其特征为可以用于高、低热输入焊接的100ksi的最小屈服强度，以及在-40℃下30 ft-lbs的最小摆式冲击试验值。本发明药芯焊丝使得焊接可以在低温200F(93℃)的焊接层间温度下制备焊接，同时将产生高温和低温开裂危险降到最低。(层间温度是在焊接过程中维持的温度，直到完成焊接连接。最小和最大层间温度通常与最小和最大预热温度相同)。尤其，助熔化合物在氢进入熔融焊接池之前与之反应，减少在焊接金属中氢洞的聚集，因此，也减少低温开裂的可能性。得到的焊接金属具有低浓度的分散氢，通常小于4ml/100g。
图2显示了使用本发明焊丝的FCAW焊接装置的一个示例。该焊接装置包括直流电源50，焊枪10，其带有焊条14和向焊枪输送焊条的装置。如图2所示，输送焊条装置的示例是焊丝驱动器20和焊丝轴22。需要注意的是，其他向焊枪输送焊条的方式也落入本发明的范围和精神内。保护气通过气嘴12在焊接过程进入焊枪。焊条14具有鞘和带有助熔组合物的芯，该组合物包括助熔化合物和合金元素，其百分比如表1和2所示。对于FCAW方法，焊枪与直流电源耦合与，优选的保护气是Ar和CO2的混合物，混和比例是75％Ar/25％CO2，或者90％Ar/10％CO2，或者95％Ar/5％CO2。也可以使用100％CO2作为保护气，以及95％Ar/最多5％的O2来稳定电弧。电弧在本发明焊条和被加工工件之间形成(图2中的片状物11和13)。如图2所示，保护气也可由外源17提供给焊接过程。
为了使用带有本发明药芯焊丝的焊接装置在被加工工件上形成焊接，一种焊接方法使用带有输送焊条设备和向装置提供保护气的装置。向焊接装置输送焊丝的设备包括焊丝驱动器和焊丝轴，或者其他任何合适装置，以足够替换在焊接过程中消耗焊丝的速度向装置提供焊丝。向焊接装置输送的设备可以是内部的，或者设在装置的外部。焊接装置与直流电源耦合，并且电弧在焊条和被加工工件之间形成，被加工件上形成焊接。焊接过程中保护气的提供可以由外部气体源来完成，其向焊接装置的气嘴输送气体。
向焊接装置输送本发明焊条，焊条为带鞘和具有如表1和表3b所示助熔成分的焊丝。保护气的优选混合物是Ar和CO2的混合物，混和比例是75％Ar/25％CO2，或者90％Ar/10％CO2，或者95％Ar/5％CO2。也可以使用100％CO2作为保护气，以及95％Ar/最多5％的O2来稳定电弧。
上述的焊接方法优选在直流FCAW方法中使用。在FCAW方法中使用的被加工工件为两块母材钢板。用于试验的钢板是HY-100型号和HY-80型号，2.5厘米厚。钢板组分的重量百分比如表4所示。
表4.母材金属成分
参考图4，焊接的典型形态(在不同分辨率下标号为P22549的拉伸样品的剖面图)在样品的微观结构照片4(a)-(b)中显示，该样品是使用焊条配方17-005来焊接的。这种形态对于图3a中表2所示的药芯焊丝来说是典型的。使用1英寸(2.5cm)厚HY-100级钢焊接拉伸板，使用22焊接通道来连接钢板。完成焊接所用的焊接参数如下表4所示。
表4.用于焊接P22549的焊接参数
配方17-005的药芯焊丝的助熔组合物如下表5所示图5.配方17-005的助熔成分的重量比
在图4(a)-(b)所示的微观结构中，白色区域对应于铁素体和上贝氏体相，黑色蚀刻区域显示为带有在晶体组织中以黑色斑的形式弥散的碳化物夹杂物的下贝氏体作为。在微观结构中没有显著的马氏体的存在。图5显示了相同样品的物理试验的结果。
权利要求
1.一种焊接焊丝，包括包裹助熔药芯的钢鞘；该助熔药芯包括助熔化合物与合金元素的组合；该助熔化合物包括最多2％重量的氟化物和最多49％重量的氧化物；以及该合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C；Co的量要足够用于形成焊接的铁素体—贝氏体焊接金属形态。
2.权利要求
1的焊接焊丝，其中铁素体—贝氏体焊接形态是通过药芯焊丝电弧焊的方法制备的。
3.权利要求
1的焊接焊丝，其中焊接的屈服强度是从大约95ksi到大约111ksi。
4.权利要求
1的焊接焊丝，其中助熔药芯的组合物选自具有以下含量范围的组合物。
5.权利要求
1的焊接焊丝，其中助熔药芯的组合物如下表所述。
6.权利要求
1的焊接焊丝，其中助熔药芯的填料百分比为大约16.5％。
7.权利要求
1的焊接焊丝，其中钢鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
8.一种用于药芯焊丝焊接方法的焊接装置，包括焊枪，其带有将焊条输送进入焊枪的装置；该焊条具有包裹助熔药芯的鞘，该助熔药芯包括最多2％重量的氟化物、最多49％重量的氧化物、Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C，其中，Co含量要足以形成焊接的铁素体-贝氏体焊接金属形态；电源，用于向焊条提供电流；以及气源，用于向焊接装置提供保护气的电流。
9.权利要求
8的焊接装置，其中保护气包括Ar和CO2的混合物，或者Ar和O2的混合物，或者纯CO2，或者纯Ar。
10.权利要求
8的焊接装置，其中焊接的屈服强度是从大约95 ksi到111ksi。
11.权利要求
8的焊接装置，其中焊接组合物选自如下含量范围的组合物。
12.一种药芯焊丝焊接方法，包括提供一种焊接装置，该装置带有向焊接装置输送焊条的设备和向焊接装置提供保护气的设备；通过耦合焊接装置与电源，在焊条和母材金属之间形成电弧；向焊接装置输送焊条，焊条具有包裹助熔药芯的鞘，该助熔药芯包括最多2％重量的氟化物、最多49％重量的氧化物、Mn、Ni、Co、Ti和最多大约0.98％重量的C，其中，Co含量要足以形成焊接的铁素体—贝氏体焊接金属形态；以及向焊接装置提供保护气用来保护焊条和电弧。
13.权利要求
12的焊接方法，其中母材金属是由HY-100或HY-80钢制备而成。
14.权利要求
12的焊接方法，其中焊接的屈服强度是从大约95ksi到111ksi。
15.权利要求
12的焊接方法，其中钢鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
16.权利要求
12的焊接方法，其中焊接组合物选自如下述含量范围的组合物。
17.权利要求
12的焊接方法，其中助熔药芯组合物选自如下含量的组合物。
表格，转下页表格，接上页
18.权利要求
12的焊接方法，其中提供保护气包括提供Ar和CO2的混合物，或者Ar和O2的混合物，或者纯CO2，或者纯Ar。
19.一种助熔药芯焊丝的制备方法，该方法包括将金属鞘成形为可被填充的形状；以及将助熔化合物与合金元素的组合物填充到鞘内以形成助熔药芯，该助熔化合物包括最多2％重量的氟化物、最多49％重量的氧化物；合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多大约0.98％重量的C，其中，Co含量要足以形成焊接的铁素体—贝氏体焊接金属形态。
20.权利要求
19的方法，其中钢鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
专利摘要
本发明焊接焊丝包括包裹助熔药芯的钢鞘，该助熔药芯包括助熔化合物与合金元素的组合。该助熔化合物包括最多2％重量的氟化物和最多49％重量的氧化物。该合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C。Co含量要足够用于形成所得焊接的铁素体－贝氏体焊接金属形态。所得焊接的屈服强度测量为大约95ksi到大约111ksi。
文档编号B23K35/40GK1997483SQ20048002095
公开日2007年7月11日 申请日期2004年6月15日
发明者詹姆斯·基干 申请人:霍伯特兄弟公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan