焊絲的製作方法
2023-05-11 23:12:56 2
專利名稱：焊絲的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於Ti基材料MIG焊的焊絲。本發明尤其涉及一種可以在穩定的電弧和穩定的熔滴過渡之間實現兼容性的焊絲，從而能夠形成優良的焊道形狀。而且，當本發明的焊絲用於Ti熱噴塗中時，也可以實現電弧的穩定性，於是可以獲得優良的熱噴塗塗層。
背景技術：
對於Ti或Ti合金製成的部件的焊接，焊接效率更優的MIG焊(金屬極惰性氣體保護焊)已經引起注意，以代替TIG焊(鎢極惰性氣體保護焊)。MIG焊可以按下述實施方式進行。在Ti或Ti合金製成的焊絲從送絲機送入，且待焊母材金屬由保護氣體包圍的條件下，在兩者之間產生電弧。在該步驟產生的焊絲熔滴過渡並落在被焊母材上，從而連續地形成焊道。
在該步驟考慮的事項為產生的電弧穩定化；熔滴在焊接區從焊絲穩定過渡和下落。當產生的電弧不穩定時，或熔滴沒有穩定地過渡到焊接區時，例如如圖7所示，在形成的焊道中出現收縮，不能得到均勻的覆蓋狀態。很難說這種形狀的焊道能保證焊接區強度特徵的可靠性。
順便提及的是，Ti是活性金屬。所以，當用含氧氣體作為保護氣時，不僅焊道表面氧化，而且會導致焊接區的延展性降低。既然如此，通常，使用高純度的惰性氣體比如純Ar氣作為保護氣。然而，還已知下述事實當保護氣中含有氧時，電弧產生時陰極斑點固定在焊絲下方的被焊母材金屬上；結果，電弧被穩定(參見文獻1)這意味著如下內容氧氣供應到產生的電弧場，而使陰極斑點穩定，因此產生的電弧也穩定。基於這一事實，已經建議了下述Ti材料焊絲(參見文獻2)。這種焊絲是一種如下構成的焊絲在由Ti或Ti合金製成的焊絲表面層部分上，形成具有比焊絲內層部分更高的氧濃度的富氧層，且富氧層的厚度大於焊絲表面上存在的非常薄的自然氧化物膜的厚度。
這種焊絲以下述方式製成。例如，優選細成的Ti材料進行一次軋制，然後在含氧氣氛中進行熱處理，形成比表面層部分上的自然氧化物膜更厚的Ti氧化物層(富氧層)。然後，將形成的焊絲冷軋至規定的焊絲直徑。然後，這種焊絲用作MIG焊的焊絲。結果，即使在沒有使用含氧氣體作為保護氣時，氧也從富氧層送至產生的電弧場。所以，陰極斑點穩定。結果，形成良好形狀的焊道。
文獻1 日本焊接學會全國會議論文集(Proceedings of National Meetingof Japan Welding Society)65(1999)，276文獻2 JP2003-326389A然而，根據對文獻2中的焊絲的後續研究，已經證實，當利用這種焊絲進行MIG焊時，出現下述現象。
首先，當引出、穩定且沒有波動時，產生的電弧的陰極斑點位於被焊母材金屬的焊絲下方的位置。然而，在焊絲的頂端，產生兩種類型的電弧如圖8所示形狀的集中電弧(在下文中稱作集中電弧)；如圖9所示形狀的擴散電弧(在下文中稱作擴散電弧)。前一種電弧已經穩定，而後一種電弧不穩定。
這樣，當前者集中電弧產生時，焊絲的頂端總是以熔滴的形式釋放，熔滴過渡到焊接區。因此，形成的焊道形狀/外觀良好。然而，當產生後者擴散電弧時，熔滴可能不從焊絲頂端釋放。即使當熔滴釋放時，釋放所需的時間也較長。因此，熔滴過渡到焊接區的時間也長。結果，熔滴不能在一個脈衝電流期間過渡到焊接區，而使下一個脈衝電流在熔滴過渡完成之前進行。
因此，形成焊道的覆蓋狀態不均勻，沿焊接方向可能局部出現收縮或類似的情況。而且，產生大量飛濺，導致焊道的外觀較差。可以想像，這種現象是由於焊絲頂端，即陽極斑點不穩定產生的。
本發明的目的是提供一種解決這一問題的焊絲，藉此使電弧放電時陰極斑點和陽極斑點都穩定，從而電弧穩定，熔滴的過渡也穩定。
發明內容
本發明人已經進行了熱切的研究來調查該問題。結果，已經發現前述目的可以通過以下焊絲實現。利用這一發現，完成本發明。
本發明主要涉及以下各項(1)一種焊絲，包含Ti或Ti合金，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自鹼金屬和鹼土金屬構成的組中的金屬的金屬化合物。
(2)如項(1)所述的焊絲，其中所述金屬化合物的含量以焊絲總重量為基準按重量計為0.002至0.050％。
(3)如項(1)所述的焊絲，其中所述焊絲在表面具有裂紋，且所述金屬化合物位於所述裂紋中。
(4)如項(1)所述的焊絲，其中所迷金屬的沸點為2000℃或以下。
(5)如項(1)所述的焊絲，其中所述金屬化合物是含Ca的金屬化合物。
(6)如項(1)所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為0.3×10-3至1×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計不小於1％。
(7)如項(6)所述的焊絲，其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計為1至40％。
(8)如項(1)所述的焊絲，其中按JIS B0601規定的Ry表示的表面粗糙度，所述焊絲的表面粗糙度為10μm或以下。
(9)如項(6)所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為1×10-3至50×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計為1至30％。
圖1是本發明的焊絲表面的顯微照片。
圖2是本發明的焊絲的表面層部分的截面顯微照片。
圖3是本發明的焊絲在製造過程中拔絲之前的表面層部分的顯微照片。
圖4是每種金屬的電離電壓和沸點之間的關係圖。
圖5是本發明中定義的集中電弧的說明圖。
圖6是示出了使用實驗示例6的焊絲形成的焊道的照片。
圖7是示出了缺陷形狀的焊道的照片。
圖8是示出了集中電弧示例的照片。
圖9是示出了擴散電弧示例的照片。
具體實施例方式
前述效果通過一種包含Ti或Ti合金的焊絲來實現，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自鹼金屬和鹼土金屬構成的組中的金屬的金屬化合物。
在本發明中，術語「焊絲」的含義包括用於熱噴塗的絲材(熱噴塗絲)以及用於焊接的絲材。
首先，本發明的焊絲表面層部分的表面顯微照片和截面顯微照片分別在圖1和2中示出。如圖1所示，這種焊絲是這樣形成的，即所述表面覆蓋有富氧層，且在後面描述的拔絲步驟中產生的微細表面裂紋分布在整個焊絲表面上。上述表面裂紋，如圖2所示，形成具有從焊絲表面上的富氧層朝向母材內層部分的深度的裂紋。然後，在所述裂紋中，填塞後面描述的包括鹼金屬或鹼土金屬的化合物。
在本發明中，富氧層及其平均氧濃度定義如下。即，焊絲的截面進行鏡面拋光，並利用EPMA(電子探針顯微分析)對氧濃度分布進行面分析。通過分析獲得的焊絲中心部分的氧濃度作為1，氧濃度為1.2或更高的區域(即，氧濃度不小於中心部分濃度的1.2倍)視為富氧層。而且，在氧濃度為1.2或更高的區域的氧濃度平均值(5個測量點)視為富氧層的平均氧濃度。順便提及的是，當氧濃度沿焊絲截面的圓周方向變化時，濃度測量圓設定在沿截面半徑不同的位置，且氧濃度沿各濃度測量圓進行平均，從而確定沿周向平均的、沿截面半徑的氧濃度分布。這樣，在沿截面半徑的氧濃度分布中，氧濃度不小於中心部分氧濃度的1.2倍大的區域作為富氧層。
本發明的富氧層厚度優選大於焊絲表面產生的自然氧化物膜厚度。自然氧化物膜的厚度通常為40至100nm。
而且，本發明的富氧層優選滿足下述關係。
即，優選Tw/Dw的值為0.3×10-3至1×10-1，其中Tw表示富氧層的厚度，Dw表示焊絲的絲直徑，且富氧層的平均氧濃度按重量計不小於1％。通過形成具有這樣厚度和平均氧濃度的富氧層，可以很大程度上改進焊絲通過送絲機導管的輸送性能。而且，進行電弧焊或電弧熱噴塗的電弧穩定性也良好。
當Tw/Dw小於0.3×10-3(Tw為Dw的0.03％)時，或富氧層的平均氧濃度按重量計小於1％時，輸送性能的改進效果不足。而且，電弧更可能不穩定，導致不利於形成均勻焊道或噴塗沉積物。當Tw/Dw為1×10-3(Tw為Dw的10％)或更大時，富氧層的形成處理需要非常長的時間，且因為形成困難，效果較差。當用於焊接等時，還可能產生有害作用，比如焊接結構的焊接接頭強度降低。
下面描述富氧層的平均氧濃度的上限值。當整個富氧層由氧化鈦形成時，富氧層的平均氧濃度最大。可以想像，該值等於從形成的氧化物分子式計算出的氧含量比值。例如，當形成的氧化物是TiO2時，按化學計量氧含量計算出的平均氧濃度按重量計為40.06％(假定Ti的原子量為47.88，氧的原子量為16.0進行計算)。或者，可以形成具有比TiO2更高氧的氧化學計量比值的Ti氧化物。例如當形成Ti2O5時，平均氧濃度的上限比值按重量計為45.52％。所以，通常不會想到富氧層的平均氧濃度的最大值按重量計超過45.52％。結果，在本發明中，可以說富氧層的平均氧濃度的最大值按重量計為45.52％。然而，當富氧層的平均氧濃度的值設為按重量計45.52％時，可能出現比如焊接接頭延展性下降的有害影響。所以，富氧層的平均氧濃度按重量計優選不大於40％。
為了使電弧穩定作用更明顯，富氧層的厚度Tw與絲直徑Dw的比值Tw/Dw優選在1×10-3至1×10-1的範圍內調節。尤其是，當除了最外表面層部分的氧化鈦層(厚度等於自然氧化物膜的約40-100nm的厚度或更大)之外，形成氧擴散層時，富氧層的厚度由於氧擴散層的厚度而增加了。所以，Tw/Dw落入上述優選範圍內的可能性更高。
富氧層的Tw/Dw值和平均氧濃度的優選上限在本發明的焊絲用作焊接絲材的情況和焊絲用作熱噴塗絲材的情況之間變化。當本發明的焊絲用作熱噴塗絲材時，在許多情況下(當然有例外)強度需求對於噴塗沉積物來說可能不必象焊接接頭部分那樣嚴格。例如，空氣可以用作熔融金屬的噴塗介質。在這種情況下，層中的氧濃度也不可避免地增加，因為熔融的Ti金屬在與空氣中的氧反應的同時沉積為噴塗沉積物。然而，當不是特別要求高強度時，這對於實際使用來說足以。而且，當本發明的焊絲用作熱噴塗絲材時，考慮到在熔融狀態下最終發生氧化，即使富氧層的Tw/Dw的值和平均氧濃度增加到上限值，也不會造成任何妨礙。
另一方面，當用作焊接絲材時，富氧層的過大的厚度或其過高平均氧濃度可能有時候不利地導致形成的焊接結構的焊接接頭強度或噴塗沉積物的強度降低。所以，當用作焊接絲材時，優選限制Tw/Dw為1.0×10-3至50×10-3(Tw為Dw的1至5％)，富氧層的平均氧濃度按重量計為1至30％。當用作熱噴塗絲材時，以及當需要使用惰性氣體比如氬氣作為噴塗介質，使氧化程度最小而形成高強度的噴塗沉積物時，Tw/Dw和平均氧濃度可以優選限制在同樣範圍內。
本發明的焊絲含有作為主要成分的Ti。在本發明中，「含有作為主要成分的Ti」的措詞指的是在焊絲中具有最高含量的成分是Ti。優選含有的Ti按重量計不小於50％的量。當採用Ti合金時，目的在於提高形成的焊接區或噴塗沉積物的強度或延展性等，可以含有作為次要成分的各種添加元素。下面描述可採用的添加元素的示例及其添加的優選含量範圍。
(1)Al按重量計不大於9％Al具有穩定Ti的低溫相α相的功能，且固溶在α相中使其增強。然而，當其含量按重量計超過9％時，形成大量的中間相(金屬間化合物)Ti3Al等，導致韌性和延展性受到限制。另一方面，為了使前述作用明顯，Al優選以按重量計不小於1％的量加入，且更為優選的是以按重量計在2至8％的範圍內添加。
(2)N和O至少一種按重量計總量不大於0.5％N和O也起到與Al相同的α相穩定和增強元素的作用。尤其是，添加0的效果顯著。然而，這些元素的總量按重量計起過0.5％導致韌性或延展性受限。另一方面，為了使前述作用明顯，這些元素優選以按重量計總量不小於0.03％的量加入，且更為優選的是以按重量計在0.08至0.2％的範圍內的量添加。順便提及的是，此時的氧含量表示內層部分的氧含量，而絕不是富氧層。
(3)V、Mo、Nb和Ta中的一種，或二種或以上按重量計總量不大於45％所有這些元素都是Ti的高溫相β相的穩定元素，且在通過改進可熱處理性而改進可熱加工性並實現更高的強度方面有效。然而，所有這些元素比重大，熔點高。因此，它們的過多的添加不僅損害重量輕和高比強度的效果，特別是對於Ti合金，而且由於增加了合金熔點而增加了熔融製造的難度。為此，這些元素的添加總量上限設為按重量計45％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優選以按重量計不小於1％的總量添加。Mo或Ta可以少量添加，以提高合金的抗腐蝕性。
(4)Cr、Fe、Ni、Mn和Cu中的一種，或二種或以上按重量計總量不大於15％這些元素也具有穩定β相的作用，且在通過改進可熱處理性而改進可熱加工性並實現更高的強度方面有效。然而，這些元素中的任一種易於形成在其和Ti之間的中間相(例如，TiCr2，TiFe，Ti2Ni，TiMn或Ti2Cu)，且它們的過多的添加導致延展性和韌性下降。所以，這些元素的添加總量上限設為按重量計15％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優選以按重量計總量不小於0.5％的量添加。可以少量添加Ni，以提高合金的抗腐蝕性。
(5)Sn和Zr的至少一種按重量計總量不大於20％這些元素被認為是用於增強α相和β相的中性型添加元素。然而，過多的添加導致作用飽和，所以這些元素的添加總量上限設定為按重量計20％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優選以按重量計總量不小於0.5％添加。
(6)Si按重量計不大於0.7％Si具有提高合金的抗蠕變性(蠕變斷裂強度)的作用，且提高耐熱性。然而，由於形成金屬間化合物，比如Ti5Si3，過多的添加反而導致蠕變斷裂強度或延展性降低。所以，Si的添加量上限設定為按重量計0.7％。另一方面，為了使效果明顯，Si優選以按重量計不小於0.03％的量添加，更可取的是以按重量計在0.05至0.5％的範圍內的量添加。
(7)Pd和Ru的至少一種按重量計總量不大於0.5％這些元素具有提高合金的抗腐蝕性的作用。然而，考慮到作用飽和等，這些元素的添加量上限設定為按重量計0.5％，因為它們都是貴金屬，因此價格昂貴。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優選以按重量計不小於0.02％的量添加。
合金組成的具體示例可以包括以下這些(順便提及的是，組成以主要成分Ti打頭表示，隨後是用連字符連接的次要成分和組成數字，同時省略了按重量計的％單位(例如，Ti-按重量計6％的Al-按重量計4％的V合金簡單地表示為Ti-6Al-4V))。
α型合金Ti-5Al-2.5Sn，Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si，和Ti-2.5Cu[2]近a型合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，Ti-8Al-1Mo-1V，Ti-2.25Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-0.25Si，Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo，Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si，Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si，和Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si[3]α+β型合金Ti-8Mn，Ti-3Al-2.5V，Ti-6Al-4V，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-7Al-4Mo，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si，Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.2Si，Ti-4Al-4Sn-4Mo-0.2Si，Ti-2.25Al-11Sn-4Mo-0.2Si，Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr，Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr，Ti-6Al-5Zr-4Mo-1Cu-0.2Si，和Ti-5Al-2Cr-1Fe[4]β型合金Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn，Ti-11V-11Zr-2Al-2Sn，Ti-15Mo-5Zr，Ti-15Mo-5Zr-3Al，Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn，Ti-22V-4Al，和Ti-15V-6Cr-4Al[5]近β型合金Ti-10V-2Fe-3Al[6]耐腐蝕合金(雖然可用於焊接，但它們尤其適用於希望通過熱噴塗形成耐腐蝕塗層時)Ti-0.15Pd，Ti-0.3Mo-0.8Ni，和Ti-5Ta本發明的焊絲可以通過一次軋制Ti或Ti合金錠而形成卷材，然後對軋制卷材進行氧化處理，從而在表面形成富氧層而獲得。
更明確地說，在本發明的焊絲中，富氧層可以通過使金屬焊絲在含氧氣氛中經受熱氧化處理而形成。可使用的含氧氣氛是含有氧化合物的氣體氣氛，比如含氧氮氣氛(包括空氣)，或含氧惰性氣體氣氛，或還有水蒸氣。為了形成具有必要和足夠厚度的富氧層，優選使用氧分壓為5×103至15×10-3Pa的含氧氣氛。而且，處理溫度優選設定為例如500至800℃。另一方面，除了熱氧化處理之外，可採用的方法是使氧化鈦晶粒嵌入焊絲表面，或通過氣相沉積工藝形成氧化鈦層，比如氣相沉積或濺射，從而形成富氧層。或者，氧化鈦層可以通過已知的溶膠-凝膠工藝形成。然後，當根據這些方法之一形成氧化鈦層時，更為優選的是通過擴散熱處理形成氧擴散層。
圖3示出了前述狀態下卷繞焊絲的截面顯微照片。從圖3可以明顯看出，在此狀態下富氧層形成的表面上沒有產生裂紋。
隨後，卷繞焊絲經過冷拔絲加工，形成具有優選絲直徑的焊絲。在這一步驟，根據表面收縮率的大小，在焊絲的表面上，形成如圖1所示的從表面朝向焊絲內部的裂紋，所述裂紋以在焊絲表面層部分中的大量表面裂紋的形式產生。
順便提及的是，在本發明中，表面收縮率以下述等式定義表面收縮率(％)＝(拔絲前的焊絲截面面積-拔絲後的焊絲截面面積)/(拔絲前的焊絲截面面積)×100這樣，最後，在表面裂紋中，填塞具有至少一種從鹼金屬和鹼土金屬中選擇的金屬的金屬化合物，從而形成如圖2所示的本發明的焊絲。
這樣，製成本發明的具有富氧層和金屬化合物的焊絲。
對於這些金屬化合物，優選比如碳酸鹽的金屬化合物。特別優選碳酸鈉、碳酸鉀，和碳酸鈣。
下面描述在裂紋中填塞金屬化合物的方法。對於填塞方法，例如，可以提及下述方法將任意的這些金屬化合物混合在潤滑劑中，使用用於冷拔絲所述潤滑劑進行拔絲；結果，產生表面裂紋，同時，將潤滑劑填塞入其中；結果，在表面裂紋中填塞了金屬化合物。
填塞的金屬化合物量可以例如通過改變金屬化合物與潤滑劑的混合比例，改變富氧層的厚度或改變拔絲過程中的表面收縮率而進行調整。
順便提及的是，通常使用包括比如氫氧化鈣和硬脂酸鈣的化合物的潤滑劑作為潤滑劑。對於這種潤滑劑，例如混合了規定金屬的碳酸鹽，而使金部金屬與鈣結合填塞入表面裂紋中所以，當填塞除鈣之外的金屬化合物時，可以採用下述工序。在拔絲之後對焊絲進行一次清洗，從而去除表面裂紋的潤滑劑。然後，通過使用規定的金屬化合物，以0％的表面收縮率使焊絲經過拔絲機。
當潤滑劑本身含有優選的鹼金屬或鹼土金屬時，可以使用該潤滑劑進行拔絲。
本發明的焊絲可用於Ti材料MIG焊中使用的用於焊接的絲材。而且，本發明的焊絲也具有電弧穩定性和熔滴過渡穩定性。所以，也可以用作電弧熱噴塗方法中的用於熱噴塗的絲材。
在本發明中，鹼金屬的示例包括Li、Na、K、Rb和Cs，鹼土金屬的示例包括Ca、Sr和Ba。而且，一種適當的金屬選自鹼金屬，另一種適當的金屬也選自鹼土金屬，該化合物可以一起使用。即，可一起包含鹼金屬和鹼土金屬。
本發明的金屬化合物優選具有，鹼金屬或鹼土金屬中沸點為2000℃或以下的金屬，更可取的是600-2000℃。尤其是，優選具有K、Na、Ca之一或更多。而且，含有Ca的金屬化合物優選使用。
金屬化合物的含量優選設定為以焊絲的總重量為基準按重量計0.002至0.050％。
這是出於下述原因。當該金屬化合物的含量按重量計小於0.002％時，金屬化合物的作用不足以發揮。因此，集中電弧出現的機率變小。結果，難以實現在一個脈衝電流期間產生一個熔滴的目的。這為形成良好焊道造成困難。當金屬化合物的含量按重量計大於0.050％時，電弧力變得太強。因此，在熔滴過渡到焊接區的過程中，在熔滴中心出現飛濺現象。結果，在焊道中必然出現外部粗糙度，而且在除焊接區之外的位置也出現。
而且，考慮到在一個脈衝電流期間實現一個熔滴，該金屬化合物的含量優選為以焊絲總重量為基準按重量計0.007至0.015％。
所有這些金屬都具有比形成母材的主要成分Ti更低的沸點和電離電壓。這在圖4中示出。這些金屬位於本發明的焊絲表面層部分的裂紋中。所以，在MIG焊中，在母材(Ti)被電弧熱熔化之前，這些金屬以電離的金屬蒸汽形式存在於電弧場中。因此，產生的電弧變成集中電弧，且得以穩定。
順便提及的是，本發明中所稱的術語「集中電弧」定義為如下電弧。這參照圖5進行描述。具有直徑D的焊絲電弧放電，且可視覺上觀察到電弧的邊界部分。太模糊的以至於邊界部分不能識別的電弧自然不能認為是集中電弧，而稱作擴散電弧。
然後，假定一個截錐，其底面位於比焊絲下端面低焊絲直徑D的位置。在θ≥60°的情況下，其中θ表示在截錐側面和底面之間形成的角度，該電弧稱作集中電弧。當設定θ≥60°，總是可以形成熔滴。
因為本發明的焊絲具有上述特性，所以它可以用於送絲機，比如進行MIG焊的設備。
從改善焊絲在送絲機中的輸送性的角度來說，本發明的焊絲表面的稱作Ry的表面粗糙度優選為最大高度10μm或以下，這樣，富氧層形成具有前述厚度和平均氧濃度。這有利於獲得已經將表面粗糙度調節到這種數值的焊絲表面。焊絲的表面粗糙度優選設為數學平均粗糙度Ra為0.5μm或以下。而且，最大高度Ry和數學平均粗糙度Ra的下限值不具體限制，考慮到成本權衡適當設定。順便提及的是，本發明人證實，Ry可以減小到約1.0μm，Ra可以減小到0.1μm。順便提及的是，在本說明書中，表面粗糙度表示通過JISB0601(1994)中規定的方法測量的值。
為了避免焊絲在送絲機中彎折，焊絲的拉伸強度優選為400至1500MPa。當拉伸強度小於400MPa時，難以充分地防止彎折。當拉伸強度超過1500MPa時，焊絲的撓性減弱，導致出現斷裂和卷繞困難的缺陷。焊絲的拉伸強度可以例如通過調節冷加工拔絲最後階段的冷加工表面收縮率而進行控制，或通過調節隨後進行的去應力退火時的退火溫度和時間而進行控制。焊絲的拉伸強度更為優選的是400至1200MPa。
示例現在參照示例和比較例更詳細地闡述本發明，但應當理解，本發明不應理解為僅限於此。
實驗示例1至25(1)焊絲的製造JIS H4670規定的Ti焊絲(JIS 2級，絲直徑1.6mm)用於製備實驗示例。實驗示例1至22分別具有厚富氧層，通過在空氣中750℃的溫度下進行熱處理6分鐘而在表面形成富氧層製成。實驗示例23至25分別具有薄富氧層，以與實驗示例1至22相同的方式製成，除了熱處理溫度設為450℃之外。
另一方面，製備表1所示的鹼金屬和鹼土金屬的碳酸鹽粉末。對於潤滑劑，準備KOSHIN(氫氧化鈣和硬脂酸鈣的混合物，商品名，KYOEISHA Chemical Co.，Ltd)。通過使用潤滑劑，進行冷拔絲加工，形成絲直徑(Dw)為1.0mm的焊絲。在該步驟的表面收縮率為37.5％。
當使除鈣之外的金屬單獨與富氧層存在時，在拔絲之後焊絲利用LIGHTCLEAN(洗滌劑)進行一次清洗而洗去KOSHIN。然後，使用規定的金屬碳酸鹽粉末，焊絲經過拔絲機，表面收縮率為0％，而使粉末填塞入表面裂紋中。不具有富氧層金屬的實驗示例25用與上述相同的方式在拔絲之後僅僅進行清洗而製成。每種形成的焊絲按照下述規範進行金屬化合物的金屬含量(按重量計％)、富氧層的厚度(Twμm)、拉伸強度(MPa)、表面粗糙度和動摩擦係數的測量。
金屬含量通過感應耦合等離子體發射光譜進行分析。
富氧層如上所述，焊絲的截面進行鏡面拋光。拋光表面通過EPMA進行關於氧濃度分布的面分析。在截面中心部分的氧濃度視為1，氧濃度為1.2或以上(即，氧濃度不小於中心部分的1.2倍大)的焊絲區域視為富氧層。
平均氧濃度如上所述，確定富氧層中氧濃度的平均值(5個測量點)，作為富氧層的的平均氧濃度。
富氧層的厚度作為富氧層厚度的平均值。
拉伸強度從每種焊絲上切下100mm長的試樣，通過Instron型拉伸試驗機以1.0mm/min的十字頭速度拉伸。這樣，確定應力-應變曲線，最大應力值讀為拉伸強度。
表面粗糙度按照將評估長度沿焊絲縱向方向設定的實施方案，利用JISB0601(1994)規定的方法確定粗糙度曲線。最大高度Ry(μm)和數學平均粗糙度Ra(μm)的數值分別讀出。
動摩擦係數這利用Bowden-Leben型摩擦試驗機進行測量。更明確地說，焊絲試樣放在試樣臺上，用於加壓的鋼材從上方疊放在上面，以恆定的速度移動試樣臺，同時通過給定重物的重量對所述鋼材加壓。通過應變儀型的負載傳感器檢測該步驟的摩擦力。
上述結果匯總並示於表1中。
表1
(2)MIG焊利用表1中所示的每種焊絲進行在表2所示條件下的MIG焊。在這些MIG焊中，將Digital Pulse CPDP-350(DAIHEN Corporation製造)用作焊接電源。
表2
焊接過程中焊絲的輸送性，電弧的穩定性，和產生的飛濺量按下述規範進行評定。形成的焊道形狀，接頭部分的拉伸強度和延伸率按下述規範進行評定。
焊絲的輸送性在焊接過程中沒有產生焊絲彎折的情況列為「AA」，產生焊絲彎折的情況列為「B」。
電弧穩定性產生的電弧狀態通過High Speed Camera System 1000型照像(一個圖像/ms；Nac Inc.製造)，在開始焊接後2秒至7秒進行5秒。這樣，電弧的穩定性從圖像評定。集中電弧的出現率為80％或以上的情況列為「AA」，65至80％的情況列為「A」，低於65％的情況列為「B」。
產生的飛濺量產生的飛濺量是按100mm的焊接長度，由沉積在母材金屬上的直徑為1mm或以上的飛濺物的量來評定。在完成焊接之後，可以視覺上觀察到已經沉積在被焊母材金屬上的飛濺物的狀態。沒有沉積直徑為1mm或以上的飛濺物的情況列為「AA」，已經沉積了1至10個具有所述直徑範圍的飛濺物的情況列為「A」，已經沉積了11或更多個具有所述直徑範圍的飛濺物的情況列為「B」。
焊道形狀在焊接之後，視覺觀察焊道。寬度均勻且外觀平滑的情況列為「AA」，焊道寬度的不規則性小的情況列為「A」，焊道寬度的不規則性大的情況列為「B」。
接頭部分的拉伸強度測量值為340MPa或以上的情況列為「AA」，測量值等於或小於該值的情況列為「B」。
前述結果匯總並示於表3中。
表3
X*焊道形狀非常差，沒有進行測量。
從表1和3可以看出，當使用具有鹼金屬或鹼土金屬的實驗示例的焊絲時，電弧穩定，且焊道形狀在任何情況下都良好。而且，在焊絲含有適當量的金屬化合物的每個實驗示例1至20中，效果更好。
然而，當使用根本沒有金屬化合物，且富氧層的厚度較小的實驗示例25的焊絲時，集中電弧的產生減少，飛濺量增加，導致產生較差的焊道形狀。
順便提及的是，在圖6中示出了使用實驗示例6的焊絲形成的焊道形狀的照片。從圖中可以看出，使用這種焊絲能形成具有均勻寬度以及均勻覆蓋形式，且外觀和形狀良好的焊道。
實驗示例26至41除了使用表4中所示成分的Ti合金材料作為母材，且按照表4所示類型和含量使用鹼金屬和鹼土金屬之外，用與實驗示例1至25相同的方式製造焊絲。
表4
利用實驗示例26至41的焊絲，進行MIG焊。結果示於表5中。
表5
實驗示例42至53以這樣的方式製造焊絲，即如示例1-24那樣由JIS 2級製成母材，且根據表6所示的類型和含量使用鹼金屬和鹼土金屬。
表6
實驗示例42至53的焊絲安裝在送絲機的熱噴塗單元中，且送入焊槍而在被處理工件表面進行熱噴塗。分析該步驟的焊絲輸送性和電弧的穩定性。結果示於表7中。
表7
鹼金屬或鹼土金屬的沸點和電離電位分別低於Ti的沸點和電離電位。所以，在母材(Ti或Ti合金)被電弧熱熔化之前，鹼金屬或鹼土金屬以電離的金屬蒸汽形式存在於產生的電弧場中。因此，產生的電弧柱穩定，形成集中電弧。而且，富氧層中的氧也穩定產生的電弧，同時，減小焊絲表面的表面張力，而使產生的熔滴更可能從焊絲頂端釋放。
這樣能使一個熔滴在MIG焊的一個脈衝電流期間可靠地過渡到焊接區。結果，可以形成形狀和外觀良好的焊道。
利用本發明的焊絲，產生的電弧成為集中電弧，可以在一個脈衝電流期間可靠地實現一個熔滴過渡。所以，焊接區的焊道形狀和外觀優良。這種焊絲適於用作Ti材料MIG焊中的焊接絲材，或用作Ti熱噴塗時的熱噴塗絲材。
雖然已經參照具體實施例詳細地描述了本發明，但顯然對於本領域的技術人員來說，可以作出各種變化和改變，而不脫離其主旨和範圍。
本申請基於2004年10月14日提交的日本專利申請No.2004-300497，在此通過引用而包含其內容。
權利要求
1.一種焊絲，包含Ti或Ti合金，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自鹼金屬和鹼土金屬構成的組中的金屬的金屬化合物。
2.如權利要求1所述的焊絲，其中所述金屬化合物的含量以焊絲總重量為基準按重量計為0.002至0.050％。
3.如權利要求1所述的焊絲，其中所述焊絲在表面具有裂紋，且所述金屬化合物位於所述裂紋中。
4.如權利要求1所述的焊絲，其中所述金屬的沸點為2000℃或以下。
5.如權利要求1所述的焊絲，其中所述金屬化合物是含Ca的金屬化合物。
6.如權利要求1所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為0.3×10-1至1×10-1，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且所述富氧層的平均氧濃度按重量計不小於1％。
7.如權利要求6所述的焊絲，其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計為1至40％。
8.如權利要求1所述的焊絲，其中按JIS B0601規定的Ry表示的表面粗糙度，所述焊絲的表面粗糙度為10μm或以下。
9.如權利要求6所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為1×10-3至50×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且所述富氧層的平均氧濃度按重量計為1至30％。
全文摘要
本發明提供了一種包括Ti或Ti合金的焊絲，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自鹼金屬和鹼土金屬構成的組中的金屬的金屬化合物。
文檔編號B23K35/32GK1762646SQ20051012490
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月29日 優先權日2004年10月14日
發明者堀尾浩次, 高橋亮次, 南川裕隆, 中條屋真 申請人:大同特殊鋼株式會社