用於高屈服強度母材金屬的焊料組合物的製作方法
2023-07-09 03:13:21
專利名稱:用於高屈服強度母材金屬的焊料組合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製備滿足高屈服強度需要的焊接方法。特別涉及與含Co的消耗型藥芯焊絲焊條，用於在藥芯焊絲電弧焊過程中控制焊接金屬形態。
背景技術：
藥芯焊絲電弧焊(Flux-cored arc welding，FCAW)是一種焊接方法，其中通過在連續地進入焊接機的管狀焊條和被加工工件之間的電弧產生熱量。用於FCAW方法的焊條包括金屬鞘和化合物，其中，金屬鞘包圍著助熔藥芯和/或合金元素。典型地，電弧和熔融金屬通過使用保護氣體而屏蔽於周圍環境。鞘的化學組成、藥芯焊絲和保護氣決定了所得到的焊接的組成和性能。消耗型焊條在電弧中熔化，並形成金屬流被傳送穿過電弧而形成沉積的焊料金屬。或者通過包含在管狀焊條中的助熔劑，或者通過在外部設置保護氣，來提供電弧的保護。
使用利用電力驅動的焊接機來完成FCAW(藥芯焊絲電弧焊)過程。焊接機供給消耗型焊條並在焊接過程中提供保護氣。焊接器使用電源來驅動，其能提供維持電弧所需的電壓和電流的電能。大多用於FCAW方法的焊接機在110、230或者460伏特輸入功率下工作。在FCAW方法中使用的電源通常是直流穩壓電源，但是也經常使用比氣體-金屬電弧焊接方法中電流更大的電流，需要更大的電源。
FCAW是直流電焊接方法。用於FCAW的與保護氣共同使用的消耗型焊條一般在直流反接(dirrect current electron positive，DCEP)焊接方法中使用。直流正接(DCEN)通常用於自保護電弧焊接中。
由於在FCAW方法中必須向焊接機供給消耗型焊條，需要一種焊絲輸送系統來提供連續的供給。有數種焊絲輸送系統，並且可以在FCAW方法中使用。大多數系統提供恆定的供給速度，並且使用恆壓電源。如果使用變速焊絲輸送系統，需要提供一種電壓傳感迴路，通過改變焊絲的供給速度來維持電弧的期望長度。焊絲輸送系統通常包括與帶有若干驅動輪的齒輪箱相連接的電轉子。
在外部保護的FCAW焊接機中，保護氣系統向工作空間提供來自氣源(儲存罐中或壓縮在氣筒中的液體)的保護氣，從而保護電弧隔離於周圍環境。典型地，保護氣系統包括氣源、氣體供給管、氣體調節器、控制閥和向焊接器提供氣體的管。保護氣可以是惰性和/或活性氣體，環繞著電弧和熔融金屬糊。在FCAW方法中通常所使用的保護氣是Ar、CO2、Ar-O2混合氣、Ar-CO2混合氣。選擇特定保護氣或混合氣取決於被焊接金屬的種類、電弧和金屬遷移參數、焊接的特性和焊珠的形狀。
已知只有很少幾種金屬焊料適用於焊接具有100ksi或更高屈服強度的結構鋼，需要在低溫下的良好的衝擊韌性。已知金屬焊料的問題是焊接金屬韌性差，以及最終焊接金屬的氫致開裂和高溫開裂。低溫和高溫開裂問題在結構焊接中需要引起特別的注意，例如用於管道線或石油鑽塔的支撐結構，其中不希望在連接兩個金屬件的焊接金屬中出現任何開裂。在手工焊條電弧焊方法(stick-metal arc welding process，SMAW)中使用手工焊條，該方法可以在結構鋼中提供所希望的機械性能，但是SMAW方法非常慢，因此相比較於FCAW方法(藥芯焊絲加熱和熔化較快，較快地在被加工工件上傳遞和沉積金屬焊料)具有較低的產率。由於這個原因，當需要高沉積速率時，FCAW常常用於焊接含鐵金屬，例如鋼。
例如低溫和高溫開裂的問題，在結構型鋼的焊接連接中是尤其不希望有的。引起低溫開裂的原因之一是在消耗型焊條中具有高含量的氫或水，從而導致所得到的焊接金屬中的含氫量足以引起低溫開裂。在藥芯焊絲中存在的水分子在焊接電弧中分解成氫和氧。部分分解出的氫和氧在焊接過程中擴散進入熔融焊池。當金屬冷卻時，內部容納的氫會擴散併集中在金屬內部的缺陷。如果在結構缺陷上氫的濃度和在焊接過程中所引起的殘餘應力足夠高，將在焊接金屬中形成裂縫。
在焊接過程中，消耗型焊條進入電弧，熔化並被傳送到被加工工件，形成熔融焊池以及熔融熔渣池。熔渣池首先凝固，然後熔融金屬順著凝固熔渣的形狀凝固。當金屬凝固時，形成枝晶並沿著凝固的方向生長，該方向與焊接方向相同。枝晶的形成與生長導致不同合金濃度區域的形成，已知稱為「分配(partitioning)」。對於具有小原子半徑的合金元素，例如硼，其高擴散速率使得其能以足夠高的濃度向焊接的枝晶間區域擴散，引起枝晶間區域和焊接金屬母材的熔點的不同。具有低熔點溫度的區域不能經受凝固所引起的應力，形成高溫開裂。高濃度硼使得高溫開裂更容易發生。如果裂縫通過焊接而傳播，通過這樣焊接而連接的結構不能滿足希望的強度要求。
在焊接結構鋼時，為了得到焊接連接所需的機械性能，使用合金系統，能夠提供這些機械性能，但是只包括有限含量的元素，降低在焊接連接中馬氏體轉化的起始和結束溫度。因為馬氏體結構承擔著冷卻時開裂的高風險，因此不希望形成由高冷卻速率引起的堅硬的馬氏體熱影響區域。這樣的合金元素可以是C、Mn、Cr和Ni。例如，在Avt.Svarka 1984，No.7，第45～48頁，「鈷對高強度焊接金屬的結構和性能的影響」一文中描述了一種不帶保護氣的埋弧焊方法(SAW)。使用埋弧焊進行焊接高強度母材金屬，該埋弧焊使用藥芯焊絲，或者實心焊絲和不包含在焊絲中但是由外部提供的助熔材料。在焊接過程中，經過熔解和在熔融焊接金屬池中形成熔渣，助熔材料提供焊接金屬隔離於大氣的保護。所述的SAW方法限定於平面和水平的焊接位置。
因此，非常需要一種通過具有高沉積速率的焊接方法在鋼的焊接連接位置減少低溫和高溫開裂的焊接方法。由於許多工業領域中為了減少完成一個項目所需的鋼的數量，傾向使用高強度鋼，所以尤其希望在例如100ksi或更高的高強度鋼中減少低溫和高溫開裂。因此，對高強度的合金金屬焊料的需求增加。
發明內容本發明是在鋼的FCAW中使用的消耗型焊接焊絲。該焊條的鋼鞘組合物除了Fe之外，還包括大約0.02％的C，大約0.5％的Mn。在FCAW方法中，焊接金屬形態是由向焊絲的藥芯焊絲中加入的Co來控制的。更特別地，本發明涉及具有C、Mn、Ni、Co、Zr、Ti和B一起作為加入到藥芯焊絲的合金元素的焊接焊絲。
本發明的焊接焊絲包括鋼鞘，其包裹具有助熔化合物和合金元素組合的助熔藥芯。該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的量要足夠以使所得到的焊接具有鐵素體-貝氏體焊接金屬形態。
一種FCAW裝置，其使用新型焊絲，具有焊槍，該焊槍具有將焊絲輸送進入焊槍的設備。焊絲具有包裹這助熔藥芯組合物的鞘，該組合物具有最多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的量應當要足夠以使所得到的焊接具有鐵素體-貝氏體焊接金屬形態。焊接裝置與電源耦合以向焊條提供電流，與氣源耦合以向焊接裝置提供保護氣。
一種FCAW方法，其使用新型藥芯焊絲，使用一種焊接裝置，該裝置帶有將焊條輸送進入焊接裝置的設備和將保護氣提供給焊接裝置的設備。在焊條和母材金屬之間，通過將焊接裝置與電源耦合以及焊條進入焊接裝置而形成電弧，向焊接裝置中提供保護氣以保護焊條和電弧隔離於周圍環境。所述組合物的焊條具有足夠量的Co來形成焊接的鐵素體-貝氏體焊接金屬形態。
圖1是本發明藥芯焊絲的剖面圖。
圖2是使用本發明藥芯焊絲的FCAW方法的示意圖。
圖3是列舉藥芯焊絲中組合物和合金元素的百分比的表。
圖3a是焊接金屬成分的列表。
圖3b是顯示藥芯焊絲中助熔組合物的實際重量的表。
圖4(a)-(d)是不同焊接金屬樣品所得到的微觀結構。
圖5是示例藥芯焊絲的物理測試的數據。
具體實施方式本發明的藥芯焊絲包括金屬鞘和具有優選為大約16％重量填料的助熔組合物。如果優選採用不同金屬母材的特定應用，其他百分比也是可以的。助熔劑是以組合物為特徵，該組合物可以導致在形成的焊接金屬中針狀鐵素體+貝氏體的細微晶粒的形態。本發明焊絲的助熔組合物的具體化學和元素組成在圖3的表1中顯示。
助熔組合物中Si的主要功能是在焊接過程中對焊接池進行脫氧。如果氧存在於焊接過程中並殘留在得到的焊接金屬中，將導致焊接金屬中的氣孔，這不是希望的結果。Si也可以在得到的焊接的替代增強和增加硬度方面起作用。本發明限制焊接金屬組合物中Si的濃度為大約.3％重量，從而將夾雜物含量的增長及其對焊接微觀結構的負面影響降到最低。Mn的主要功能是影響焊接微觀結構的替代增強和增加硬度，其也可以從焊接池中去除S(S在焊接金屬的晶界形成不希望的低熔點夾雜物)。C作為本發明主要合金成分，其主要作用在於晶隙增強。Ni的主要作用是增加得到的焊接金屬的韌性。當Ni在合金中含量增加時，低自衝擊能(lower shelf impact energy)增加，而高自衝擊能(upper shelf impact energy)降低。
在本發明助熔組合物中，Ti和Zr的主要功能是控制氧化物夾雜物的尺寸和分布，由於這兩種元素都有很強的形成氧化物和氮化物的能力。在焊接微觀結構中較小氧化物夾雜物的形成對於針狀鐵素體的異相成核是非常關鍵的，因為這樣需要較少的能量。較低能量導致在焊接金屬中具有較小晶粒尺寸的針狀鐵素體晶粒。通過提供對晶界的拉力，使得氧化物夾雜物在高溫下的晶粒生長達到最小，延緩它們的生長並減少固態下晶粒的尺寸。所得的針狀鐵素體的小晶粒尺寸增加了形成的晶界的表面積，這引起焊接金屬中存在的雜質較少集中，從而減少對焊接衝擊韌性的損害。焊接金屬中較小晶粒尺寸和較多數的晶粒也可以增加韌性，因為大量的較小晶粒阻止裂縫的集中和生長，以及阻止在焊接中位錯的形成和移動。
在本發明焊絲的助熔藥芯中使用合金元素Co，對於控制FCAW方法製備的焊接金屬的形態是重要的。本發明測定的在藥芯中Co的含量最多為4.98％重量。尤其，焊絲的助熔藥芯組合物包括Ni和Co的組合。圖3a的表2顯示了在試驗焊接過程中製備的焊接的最終成分(％重量)。最佳配方是序號17-020，其形成的焊接連接具有良好的屈服強度和可接受的衝擊強度(以ksi為單位)。圖3b中的表3提供了藥芯化合物和元素的實際重量。對於所有的配方(從17-019到17-024)來說藥芯混合物的總重量是大約5lbs。
本發明藥芯焊絲的製備方法包括一系列的步驟，其中條帶(或鞘材料)向成形模進料，將條帶彎曲使其成型成可以被填入助熔組合物的形狀。通常，形狀是U型。然後將具有助熔組合物和合金元素的藥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。然後焊絲穿過封閉模，將其封閉形成管狀，使得鞘完全包圍芯，形成如圖1所示的藥芯焊絲。助熔組合物的成分經常是粉末，當包裹的焊絲通過牽引模進料時，粉末被壓實，從而縮小焊絲的直逕到最後希望的尺寸。
加入表1中所列的不同助熔組分，從而製備焊接，其特徵為可以用於高、低熱輸入焊接的100ksi的最小屈服強度，以及在-40℃下30 ft-lbs的最小擺式衝擊試驗值。本發明藥芯焊絲使得焊接可以在低溫200F(93℃)的焊接層間溫度下製備焊接，同時將產生高溫和低溫開裂危險降到最低。(層間溫度是在焊接過程中維持的溫度，直到完成焊接連接。最小和最大層間溫度通常與最小和最大預熱溫度相同)。尤其，助熔化合物在氫進入熔融焊接池之前與之反應，減少在焊接金屬中氫洞的聚集，因此，也減少低溫開裂的可能性。得到的焊接金屬具有低濃度的分散氫，通常小於4ml/100g。
圖2顯示了使用本發明焊絲的FCAW焊接裝置的一個示例。該焊接裝置包括直流電源50，焊槍10，其帶有焊條14和向焊槍輸送焊條的裝置。如圖2所示，輸送焊條裝置的示例是焊絲驅動器20和焊絲軸22。需要注意的是，其他向焊槍輸送焊條的方式也落入本發明的範圍和精神內。保護氣通過氣嘴12在焊接過程進入焊槍。焊條14具有鞘和帶有助熔組合物的芯，該組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。對於FCAW方法，焊槍與直流電源耦合與，優選的保護氣是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作為保護氣，以及95％Ar/最多5％的O2來穩定電弧。電弧在本發明焊條和被加工工件之間形成(圖2中的片狀物11和13)。如圖2所示，保護氣也可由外源17提供給焊接過程。
為了使用帶有本發明藥芯焊絲的焊接裝置在被加工工件上形成焊接，一種焊接方法使用帶有輸送焊條設備和向裝置提供保護氣的裝置。向焊接裝置輸送焊絲的設備包括焊絲驅動器和焊絲軸，或者其他任何合適裝置，以足夠替換在焊接過程中消耗焊絲的速度向裝置提供焊絲。向焊接裝置輸送的設備可以是內部的，或者設在裝置的外部。焊接裝置與直流電源耦合，並且電弧在焊條和被加工工件之間形成，被加工件上形成焊接。焊接過程中保護氣的提供可以由外部氣體源來完成，其向焊接裝置的氣嘴輸送氣體。
向焊接裝置輸送本發明焊條，焊條為帶鞘和具有如表1和表3b所示助熔成分的焊絲。保護氣的優選混合物是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作為保護氣，以及95％Ar/最多5％的O2來穩定電弧。
上述的焊接方法優選在直流FCAW方法中使用。在FCAW方法中使用的被加工工件為兩塊母材鋼板。用於試驗的鋼板是HY-100型號和HY-80型號，2.5釐米厚。鋼板組分的重量百分比如表4所示。
表4.母材金屬成分
參考圖4，焊接的典型形態(在不同解析度下標號為P22549的拉伸樣品的剖面圖)在樣品的微觀結構照片4(a)-(b)中顯示，該樣品是使用焊條配方17-005來焊接的。這種形態對於圖3a中表2所示的藥芯焊絲來說是典型的。使用1英寸(2.5cm)厚HY-100級鋼焊接拉伸板，使用22焊接通道來連接鋼板。完成焊接所用的焊接參數如下表4所示。
表4.用於焊接P22549的焊接參數
配方17-005的藥芯焊絲的助熔組合物如下表5所示圖5.配方17-005的助熔成分的重量比
在圖4(a)-(b)所示的微觀結構中，白色區域對應於鐵素體和上貝氏體相，黑色蝕刻區域顯示為帶有在晶體組織中以黑色斑的形式彌散的碳化物夾雜物的下貝氏體作為。在微觀結構中沒有顯著的馬氏體的存在。圖5顯示了相同樣品的物理試驗的結果。
權利要求
1.一種焊接焊絲，包括包裹助熔藥芯的鋼鞘；該助熔藥芯包括助熔化合物與合金元素的組合；該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；以及該合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C；Co的量要足夠用於形成焊接的鐵素體—貝氏體焊接金屬形態。
2.權利要求
1的焊接焊絲，其中鐵素體—貝氏體焊接形態是通過藥芯焊絲電弧焊的方法製備的。
3.權利要求
1的焊接焊絲，其中焊接的屈服強度是從大約95ksi到大約111ksi。
4.權利要求
1的焊接焊絲，其中助熔藥芯的組合物選自具有以下含量範圍的組合物。
5.權利要求
1的焊接焊絲，其中助熔藥芯的組合物如下表所述。
6.權利要求
1的焊接焊絲，其中助熔藥芯的填料百分比為大約16.5％。
7.權利要求
1的焊接焊絲，其中鋼鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
8.一種用於藥芯焊絲焊接方法的焊接裝置，包括焊槍，其帶有將焊條輸送進入焊槍的裝置；該焊條具有包裹助熔藥芯的鞘，該助熔藥芯包括最多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鐵素體-貝氏體焊接金屬形態；電源，用於向焊條提供電流；以及氣源，用於向焊接裝置提供保護氣的電流。
9.權利要求
8的焊接裝置，其中保護氣包括Ar和CO2的混合物，或者Ar和O2的混合物，或者純CO2，或者純Ar。
10.權利要求
8的焊接裝置，其中焊接的屈服強度是從大約95 ksi到111ksi。
11.權利要求
8的焊接裝置，其中焊接組合物選自如下含量範圍的組合物。
12.一種藥芯焊絲焊接方法，包括提供一種焊接裝置，該裝置帶有向焊接裝置輸送焊條的設備和向焊接裝置提供保護氣的設備；通過耦合焊接裝置與電源，在焊條和母材金屬之間形成電弧；向焊接裝置輸送焊條，焊條具有包裹助熔藥芯的鞘，該助熔藥芯包括最多2％重量的氟化物、最多49％重量的氧化物、Mn、Ni、Co、Ti和最多大約0.98％重量的C，其中，Co含量要足以形成焊接的鐵素體—貝氏體焊接金屬形態；以及向焊接裝置提供保護氣用來保護焊條和電弧。
13.權利要求
12的焊接方法，其中母材金屬是由HY-100或HY-80鋼製備而成。
14.權利要求
12的焊接方法，其中焊接的屈服強度是從大約95ksi到111ksi。
15.權利要求
12的焊接方法，其中鋼鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
16.權利要求
12的焊接方法，其中焊接組合物選自如下述含量範圍的組合物。
17.權利要求
12的焊接方法，其中助熔藥芯組合物選自如下含量的組合物。
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18.權利要求
12的焊接方法，其中提供保護氣包括提供Ar和CO2的混合物，或者Ar和O2的混合物，或者純CO2，或者純Ar。
19.一種助熔藥芯焊絲的製備方法，該方法包括將金屬鞘成形為可被填充的形狀；以及將助熔化合物與合金元素的組合物填充到鞘內以形成助熔藥芯，該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和最多大約0.98％重量的C，其中，Co含量要足以形成焊接的鐵素體—貝氏體焊接金屬形態。
20.權利要求
19的方法，其中鋼鞘包括最多0.2％的C和最多0.5％的Mo。
專利摘要
本發明焊接焊絲包括包裹助熔藥芯的鋼鞘，該助熔藥芯包括助熔化合物與合金元素的組合。該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。該合金元素包括Mn、Ni、Co、Ti和最多0.98％重量的C。Co含量要足夠用於形成所得焊接的鐵素體－貝氏體焊接金屬形態。所得焊接的屈服強度測量為大約95ksi到大約111ksi。
文檔編號B23K35/40GK1997483SQ20048002095
公開日2007年7月11日 申請日期2004年6月15日
發明者詹姆斯·基幹 申請人:霍伯特兄弟公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan