低電流高速焊接用奧氏體系不鏽鋼焊絲的製作方法

2023-09-23 09:49:45

專利名稱：低電流高速焊接用奧氏體系不鏽鋼焊絲的製作方法
技術領域：
本發明是關於奧氏體不鏽鋼焊絲的發明，具體說是關於提高低電流高速焊接時送絲性能和電弧穩定性，獲得高的焊接質量的奧氏體系不鏽鋼焊絲的發明。
奧氏體系不鏽鋼是鉻-鎳不鏽鋼，其具有代表性的、最經濟的成分為含18％的鉻和8％的鎳的18-8型不鏽鋼，在此基礎上開發了一些改良的鋼種。
最近整個產業界為了提高生產率，要求高速高效焊接，因此不鏽鋼的焊接也對薄板(3mm以下)的低電流高速焊接時電弧的穩定性提出了要求。
這種低電流高速焊接中的問題是電弧的穩定性和送絲性能有大的差別，電弧穩定性不好的情況下，起弧(arc start)時有時不進行焊接，焊接中也不能排除斷弧的可能。
特別是自動焊接時如果發生上述情況，則需要增加研磨和補焊等工序，帶來製造成本的增加，有時還會成為產生次品，使產品質量惡化的原因。
而且電弧穩定性不好的話，電弧的長度變化大，焊接電流的變化大，會產生大顆粒的飛濺，此時伴隨著要進行去除飛濺的操作和飛濺造成火災的危險。
為了改善電弧的穩定性，有的採用在煉鋼中加入各種微量元素的方法，但是，在高速焊接中不能保證送絲性能的話，還存在著僅靠加入上述微量元素也難以保證得到穩定的焊接電弧的缺點。
另一方面送絲性能不好的話，由於高速焊接時送絲不好，通過焊接電纜困難，也擔心產生斷弧現象。
斷弧現象使送絲不穩定，使電弧長度改變，使母材和焊接材料的電子移動不穩定。
這種不穩定的電子移動，伴隨著高速焊接引起熔池的快速移動，成為斷弧和焊道不連續的主要原因。
另一方面，為了改善送絲性能有在焊絲表面塗敷潤滑油的方法(日本特許公報26828 14、日本公開特許公報11-147174、日本公開特許公報2000-94178等)，以及使表面形狀均勻的方法(韓國專利134857號等)，但是在電焊電纜長、扭轉的情況下，送絲的負荷大，僅僅通過對焊絲表面的控制仍會產生焊絲扭轉、彎曲，還可能出現送絲不好的情況。
為了解決上述課題，本發明的目的是通過調節奧氏體系不鏽鋼焊絲斷面中心部和表面的硬度差及長度方向的硬度差，改善送絲性能，而且把上述焊絲中的微量元素含量調節到一定範圍，以提供有高焊接質量的奧氏體系不鏽鋼焊絲。
本發明的奧氏體系不鏽鋼焊絲的特徵是在焊接速度30～70CPM(cm/minute)的低電流短路過渡焊接條件下，表現出優良的電弧穩定性的奧氏體系不鏽鋼焊絲，其硬度以維氏硬度計(Vickers hardness tester)為基準，上述焊絲斷面上心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任意200mm間隔內測定的硬度差為15以下，此焊絲含有的微量元素中(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62。
圖2為說明焊絲通過模具時減小面積的接觸部位的圖示。
本申請與2000年6月28日申請的韓國專利申請第2000-36126號(與此相應的是日本國專利申請第2001-189298號)有關，上述申請可作為本說明書的一部分以作為參考。
本說明書和專利申請範圍中所涉及的焊絲是指MIG焊接用奧氏體系不鏽鋼焊絲，所說的任意區間是指在全部焊絲中，任意選擇0.1秒的焊接區間時，其任意選擇的區間。
本申請的發明人發現，奧氏體系不鏽鋼焊絲在低電流短路過渡(shortcircuiting transfer)焊接條件下，在焊接速度30～70CPM焊接時，任意區間的變動係數比(焊接電流的變動係數/焊接電壓的變動係數)的值如果保持在0.3～0.7範圍，則電弧穩定性顯著提高。對符合上述條件的焊絲進行深入研究的結果表明其硬度以維氏硬度計(Vickers hardness tester)為基準，上述焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任何200mm間隔內測定的硬度差15以下，此焊絲含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62的情況下，送絲性能和電弧穩定性優良。
首先以本發明人的試驗結果為基礎，來說明奧氏體系不鏽鋼焊絲在低電流短路過渡焊接條件下，在焊接速度30～70CPM焊接時，任意區間的變動係數比，也就是焊接電流的變動係數/焊接電壓的變動係數的變動係數值保持在0.3～0.7範圍的話，電弧穩定性顯著提高的現象。
首先，參照

圖1對短路過渡進行說明。
如圖1所示，電弧焊接是電弧短路的短路區間和保持電弧的產生電弧區間連續反覆進行。在短路區間是熔滴從焊接材料移向母材的期間，沒有電弧。可是熔滴移動一完成，產生新電弧，焊接材料溶解，生成新熔滴。此過程反覆進行的同時進行電弧焊接。
另一方面變動係數比限定為0.3～0.7的原因如下。
變動係數比超過0.7的話，與焊接電壓的變動係數相比，焊接電流的變動係數加大，這表明電弧長度相對應的焊接電壓的變動過小，或焊接電流的變動過大，在這樣的條件下進行測定的任意區間短路過渡不充分，或過渡的焊接電流變動中的電流最大值變大，生成大顆粒(1mm以上)的飛濺。
另外變動係數比小於0.3的話，與焊接電流的變動係數相比，焊接電壓的變動係數加大，這表明電弧長度相對應的焊接電壓的變動過大，或焊接電流的變動過小，在這樣的條件下進行測定的任意區間中短路過渡過多，可能大量產生非正常短路的瞬間短路(2毫秒以下)，此外電流變動過小的話，起弧的時間延長，因此有時不能充分短路，所以變動係數比小於0.3時不能認為電弧穩定。
因此本發明人確定表示成焊接電流的變動係數/焊接電壓的變動係數的變動係數比限定在0.3～0.7，作為確保電弧穩定性的條件。
此外，在短路區間為了使次電弧順利生成，保持短路變動係數在規定範圍內也是重要的，在短路區間的短路變動係數(標準偏差/平均時間)保持在0.25～0.6範圍，能提高電弧穩定性。
其原因是短路變動係數小於0.25或超過0.6的話，次電弧的生成有些不規律，不能順利地進行短路過渡，所以這種情況下難以得到漂亮的焊道。
因此本發明人在低電流短路過渡焊接條件下，在焊接速度30～70CPM焊接時，為了確保電弧穩定性和漂亮的焊道，選擇能得到更有效結果的條件，定為把代表標準偏差/平均時間的短路區間的短路變動係數保持在0.25～0.6以內。
上述設定用於低電流短路過渡焊接條件下，奧氏體系不鏽鋼焊絲電弧穩定性的客觀標準，對短路過渡焊接條件下保持變動係數比或變動係數比和短路變動係數都在上述範圍內的方法，進行了仔細的研究，其結果表明，其硬度以維氏硬度計為基準，上述焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任意200mm間隔內測定的硬度差15以下，此焊絲含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62的情況下，變動係數比或變動係數比和短路變動係數都在本發明提出的範圍內，完全能滿足電弧穩定性的要求。
在本發明的焊絲中，以維氏硬度計為基準時，設定焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任何200mm間隔內測定的硬度差15以下的原因是使最終產品的焊絲殘餘應力均勻，是為了改善送絲性能，關於這一點在2000年6月28日申請的韓國專利申請2000-36126號(日本國專利申請2001-189298號)中做了詳細說明，下面僅說明它的要點。
一般情況下，包括焊絲在內的各種絲材，從最初的原絲(ROD)到最終的製品絲材，都是通過很多尺寸的膜具，由粗直徑至細直徑的階段性地減徑，拔絲成最終成品絲的。
在拔絲(WIRE DRAWING)工序中，作為有關送絲性能的因素，通過調整拉拔(拔絲)到要求的最終產品直徑的收縮率的拔絲規程、焊絲的抗拉強度和延伸率的偏差，得到內應力的分布和平直程度。其中焊絲內部應力分布的均勻性在送絲性能中是必須考慮的最重要的因素。
現在一般為了提高送絲性能，在拉絲工序的控制上，僅僅單純地考慮從粗直逕到細直徑的收縮率，或者考慮通過調整焊絲的抗拉強度和延伸率的偏差使其內應力的分布均勻化。
可是在拉絲工序中，焊絲每反覆延伸(拉絲)一次，焊絲的外部也就是與模具接觸的表面部位與中心部位相比，組織就更細密而且硬化，這種硬化反覆疊加直到焊絲不能再延伸的程度，還使焊絲外部和中心部的殘餘應力分布更加不均勻。
因此現在單純從收縮率調整拔絲規程和對拔絲的抗拉強度進行控制，使最終產品的焊絲外部和內部的殘餘應力分布均勻是有限度的。
此外連續拔絲的焊絲表面硬化會引起與焊絲接觸的模具的磨損，增加拉拔焊絲表面的損傷，對最終產品的質量帶來不好的影響，結果焊接時造成不能平穩送絲。
這樣表面硬化的焊絲與模具接觸造成模具的磨損，是造成與焊絲接觸面積不均勻的原因，因此在最終產品焊絲的長度方向上的殘餘應力分布也不均勻。
本發明人力圖通過調整拔絲工序中焊絲斷面的硬度偏差和焊絲長度方向的硬度偏差，使焊絲內部應力分布均勻化，以提高送絲性能。
另一方面如圖2所示，把焊絲通過模具實際減小面積的接觸部位稱為減小面積的接觸部位20，把它的面積稱為減小面積的接觸面積，把矯直焊絲直徑的接觸部位稱為矯直接觸部位200，它的面積稱為矯直的接觸面積，焊絲內部應力分布均勻。化的方法是通過對上述減小面積的接觸部位和矯直接觸面積的總面積的控制實現的。
參照圖2對減小面積的接觸部位和矯直接觸面積進行詳細說明。
決定焊絲(W)和模具(D)的接觸面積的主要是i)焊絲實際進行減小面積的模具(D)和焊絲(W)的接觸面積，ii)使焊絲平直產生的焊絲(W)和定徑部位(200)的接觸面積。用上述定徑部位(200)對焊絲直徑進行矯直，提高平直度。
首先看一下前者的情況，焊絲(W)實際減小面積部位(減小面積的接觸部位)的接觸面積過小的情況下，焊絲(圓形)斷面上內部(中心)和外部(表面)的殘餘應力差大，焊絲一側外部和另一側外部的硬度差大，焊接時焊絲不能承受通過送料輥時受到的連續局部負荷，焊絲扭轉導致前端搖動，成為電弧不穩定的原因。
接觸面積過大的情況下，由於局部的加工硬化現象，給焊絲表面質量造成不好的影響，嚴重時焊絲的內部(中心)和外部的應力偏差大，使拔絲不能進行。
下面看一下後者的情況，經拔絲的焊絲(W)和定徑部位(200)的接觸面積過小的情況下，焊絲(W)的長度方向的內部應力偏差大，送絲不平穩，這是由於焊絲不能承受通過送料輥時受到的連續局部負荷，成為焊絲扭轉纏繞或從送料輥脫離的原因，或焊絲(W)向前行走不夠，焊接時通過送料輥後，或通過電纜後焊絲容易變形，這就導致焊絲通過焊炬口(Contact Tip)後，不能直線向前行走，產生焊接缺陷(蛇形焊道)。
現有的這種內部應力偏差的控制方法是利用穩定的收縮率來控制成品鋼絲抗拉強度和延伸率偏差，用這種方法對成品鋼絲的微小內部應力的控制是有限度的，也就是對送絲時承受負荷的外表面的應力和從這樣的表面把負荷傳遞到焊絲心部的應力的控制是有限度的。
如圖2所示，本發明人發現，焊絲通過模具時實際減小面積的接觸部位稱為減小面積的接觸部位20，把它的面積稱為減小面積的接觸面積，把矯直焊絲直徑的接觸部位稱為矯直接觸部位200，它的面積稱為矯直的接觸面積，通過對上述減小面積的接觸部位和矯直接觸面積的總面積的控制，能實現焊絲內部應力分布均勻化。
此外還考慮了作為使變動係數比保持在上述範圍內的一個因素，即焊絲所含成分對變動係數比的影響。
對加入微量的Mn、Si、S、N、P含量對電弧穩定性或奧氏體的穩定性的影響進行大量研究的結果表明，(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62的情況下，容易使上述變動係數比保持在上述範圍。
對此微量元素各成分說明如下。
Mn對焊接金屬有脫氧的效果，是具有使奧氏體穩定作用的元素。可是添加過量的Mn使耐蝕性、耐氧化性惡化，焊接中焊絲端部的表面張力大，在低電流短路過渡區間妨害熔滴的移動，這是使短路區間變長的原因。
Si是有效的脫氧劑，電弧穩定劑。加入Si可增加耐氧化性，具有提高熔融金屬的浸溼性的效果，但添加過量是容易產生焊接凝固裂紋的原因。
S是為了在MIG焊接時使焊道形狀良好，以及焊接電弧的穩定性和減少飛濺量而添加的。加入S的另一個目的是生成MnS，防止熱加工時晶粒粗大化。添加過量的話在焊道上形成的熔渣量增加，形成低熔點化合物，引起產生高溫裂紋，不希望過量加入S。
P和N一般是對提高焊接性能不起作用的元素，過量添加時會產生對製造線材時的熱加工性有害的問題，一般是調整到最小的量，但是在本發明中為了焊接電弧的穩定性的效果，少量添加了P和N。
考慮到上述各點，本申請的發明人確定使焊絲中含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值在0.19～0.62範圍。
下面對用本發明提出的含有上述範圍內成分的發明示例和含有本發明範圍外成分的對比示例，說明本發明的效果。
下面的表1表示試驗中使用的奧氏體系不鏽鋼用實心焊絲，飛濺的發生量單位是g。表2中表示低電流短路過渡焊接條件。
表1的焊絲是以AWS ER309標準為基礎，加入少量微量元素成分變化而成的，焊絲直徑的減小為5.5mm→1.2mm。
表1的送絲試驗為2匝，拔絲工序按1次拔絲→熱處理→2次拔絲→熱處理→3次拔絲(最終拔絲)順序進行，最終拔絲階段把拔絲(拉拔)分為2階段進行，(最終拔絲工序中的)各拔絲階段中改變接觸面積比，對各焊絲用維氏硬度計(Vickers hardness tester，以下簡稱Hv1)測定了硬度。



在拔絲工序中，熱處理是在第1次拔絲後和最終拔絲前進行，第1次拔絲後的熱處理是消除加工硬化的熱處理，最終拔絲前的熱處理是是為了使最終製品的鋼絲內部殘餘應力最小和均勻化的熱處理。
這對焊絲通過模具時緩解應力也是重要的，對引線(引線的焊絲)的殘餘應力分布也是重要的。
最終道次前的熱處理在1次拔絲後在一定程度上消除了應力，由於繼續進行的2次拔絲，內部殘餘應力分布不均，難以得到表現出具有良好送絲性能的殘餘應力分布，所以最終拔絲前的熱處理是重要的工序。
硬度偏差在斷面硬度偏差的情況下，要測出焊絲斷面中心和表面的硬度，求出它的差，在長度方向的情況下，焊絲任意的200mm間隔內連續測定5回硬度，算出它們的算術平均值(3個試樣的算術平均值)。
把最終拔絲(也就是3次拔絲)中的拔絲分成2個階段，第1階段是減面接觸比，也就是通過調整焊絲和模具的接觸角，設定減面接觸面積，在第2階段矯直接觸比，也就是在矯直拔絲的直徑階段中設定矯直接觸面積，減少焊絲斷面上的硬度偏差和長度上的硬度偏差，使焊絲的殘餘應力分布均勻。
也就是在第1階段減小焊絲和模具接觸的角度，使焊絲斷面上的硬度偏差減小，防止焊接時焊絲扭轉造成的尖端搖擺；在第2階段中，加長模具的定位長度，也就是焊絲矯直的定位部位長度，減小焊絲長度方向的硬度偏差，防止焊絲通過電纜時由於彎曲或扭轉造成的焊接缺陷(蛇形焊道)。上述對決定第1拔絲階段中焊絲和模具接觸角的大小和第2階段中的定位部位的長度的接觸面積比的作用大小，在接觸面積比在3到3.5範圍內，兩者均要求約1/3(1到1.17)至1/2(1.5到1.75)。
下述表3、表4、表5為使用上述表1的焊絲，在表2的焊接條件下，邊進行低電流短路過渡焊接，邊對各焊絲測定的任意的13個區間的焊接電流、焊接電壓和變動係數比。表3、表4、表5是分別表示焊接速度為30CPM、50CPM、70CPM的情況。
焊接電流、焊接電壓和變動係數比是用モニテツクコルア公司的電弧監控WAM-4000D version 1.0測定。所謂變動係數比是指「焊接電流的變動係數/焊接電壓的變動係數」。表示把表1的焊絲焊接25cm時，在任意區間的短路區間平均時間和它的標準差以及短路變動係數。其中短路變動係數是指「標準差/平均時間」。為了調查上述測定的變動係數比和短路變動係數對焊道的影響，焊接電弧開始後的1.5cm以後測定的焊接部位焊道寬度求出n＝50標準的標準偏差，其結果列於表中。另外在表3、表4、表5中，「電流」項目是指焊接電流的變動係數，「電壓」項目是指焊接電壓的變動係數，「時間」是指平均時間。




匯總表3、表4、表5可以看出首先在對比例1～3中，微量元素含量在本發明範圍，而焊絲的硬度偏差超出本發明提出的範圍，顯示出送絲負荷大，此外變動係數比和短路變動係數的最小值和最大值的幅度也大。
在對比例4～6中，焊絲的硬度偏差在本發明提出的範圍內，送絲負荷低了一些，但是微量元素在本發明提出的範圍之外，顯示出變動係數比及短路係數比的最小值和最大值的幅度與對比例1～3同樣的大，並且與本發明例相比，飛濺也發生的相當多。
在對比例7～9中，焊絲的硬度偏差和微量元素含量都在本發明範圍外，送絲負荷和飛濺生成量的評價項目都不好，此外變動係數比和短路變動係數的最小值和最大值的幅度也最大。
在發明例10～12中，焊絲的硬度偏差和微量元素含量都在本發明提出的範圍內，送絲負荷小，飛濺生成量少，而且變動係數比和短路變動係數的最小值和最大值的幅度最小。
發明例焊道寬度標準偏差小於0.25，顯示出能夠得到大體一定的焊道寬度，而對比例焊道寬度的標準偏差在0.26以上，顯示出很難得到尺寸大體相同的焊道寬度。
與對比例相比，變動係數比和短路變動係數保持一定範圍的發明例焊接時很少生成1mm以上的飛濺量(參照表1)和送絲負荷。
從這樣的結果可以看出，在焊接速度30～70CPM的低電流短路過渡焊接條件下，顯示優良電弧穩定性的奧氏體系不鏽鋼焊絲其硬度以維氏硬度計為基準，應限定上述焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任何200mm間隔內測定的硬度差15以下，此焊絲含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值應為0.19～0.62的範圍。
如上所述，採用本發明在低電流短路過渡焊接條件下，奧氏體系不鏽鋼焊接時，能夠提高電弧穩定性，能得到良好的焊道形狀，能減少飛濺的生成量，具有提高焊接質量和操作性的效果。
權利要求
1.奧氏體不鏽鋼焊絲，其特徵為該焊絲是在焊接速度為30～70CPM的低電流短路過渡焊接條件下表現出優異的電弧穩定性的奧氏體系不鏽鋼焊絲，其硬度以維氏硬度計為基準，上述焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任意200mm間隔內測定的硬度差15以下，此焊絲含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62。
2.如權利要求1所述的奧氏體系不鏽鋼焊絲，其特徵為上述焊絲斷面上心部和表面的硬度差和上述焊絲長度方向的硬度差，利用使下式定義的接觸面積比在3到3.5範圍內來進行調整接觸面積比＝減小面積接觸比+矯直接觸比其中，減小面積接觸比＝減小面積接觸面積/引入線截面積矯直接觸比＝矯直接觸面積/引出線截面積。
全文摘要
提供焊接速度為30～70CPM的低電流短路過渡焊接條件下表現出優異的電弧穩定性的奧氏體系不鏽鋼焊絲，其特徵為其硬度以維氏硬度計為基準，上述焊絲斷面上中心部和表面的硬度差為18以下，上述焊絲長度方向任意200mm間隔內測定的硬度差為15以下，此焊絲含有的微量元素(Si+P+S+N)/Mn的值為0.19～0.62。表現為通過提供奧氏體系不鏽鋼焊絲能夠提高電弧穩定性，在奧氏體不鏽鋼焊接時能確保優良的焊接質量和操作性。
文檔編號B23K35/30GK1400080SQ0212654
公開日2003年3月5日 申請日期2002年7月23日 優先權日2001年7月26日
發明者李在炯 申請人:基斯韋爾株式會社