CN1872484A - 提高熔渣可分离能力 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种焊条组合物，其对于电弧焊特别有用，并应用于药芯电弧焊条，其产生容易去除的熔渣。该焊条组合物采用铝和镁，其原子比为1.5∶1或者更多。同时还公开促进去除熔渣的方法，通过使用特定的焊条或者焊接组合物。

Description

提高熔渣可分离能力
技术领域
本发明涉及电弧焊领域，更特别地，涉及更方便地从电弧焊中去除熔渣。
背景技术
最常使用电弧连接金属的方法是使用实心焊丝的气保护金属电弧焊(GMAW)或者使用金属芯焊丝的气保护金属电弧焊(GMAW-C)、气保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)、自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-S)、保护金属电弧焊(SMAW)以及埋弧焊(SAW)。
药芯焊条日益用作实心焊丝的替代，这是由于其在结构组分的焊接制造中增加的产率。药芯焊条是复合焊条，由被金属外鞘包围的芯(填充)材料组成。芯主要由铁粉、合金组分和焊药组分组成以协助电弧稳定性、焊接润湿性(wetting)以及外观等，以便在焊接中获得需要的外观和机械性能。与实心焊条相比，药芯焊条具有提高的沉积速率，并产生更宽、更稳定的焊接渗透结构。而且，与实心焊条相比，它们提供改善的电弧行为，产生更少的烟雾和飞溅，并赋予焊接沉积物更好的润湿性，并允许错位焊接(out ofposition welding)。然而，这些产率的增加有时会由于去除在焊缝表面形成的熔渣沉积或者突起所需时间引起的消耗而被抵销。
焊接中焊药主要功能之一是产生熔渣，其将覆盖和保护熔池的表面免受大气的影响。熔渣是通过熔化焊药而形成的，其来自焊药、空气、熔融鞘和芯中合金组分之间反应的脱氧产物。当带有不完全重叠和较差焊缝外观的两个临近焊缝沉积，并且形成空间时，熔渣陷入在焊接中。当下一层沉积时，陷入的熔渣不能熔融出来。熔渣也可以陷入在多道焊接的空腔内，通过在焊趾的过度底切或者前面焊道的不均一表面轮廓。
相对容易去除熔渣的性能是在使用焊药的焊接工艺中重要的因素。去除熔渣所需的时间和精力降低了产率。熔渣的不完全去除可以导致焊接缺陷，例如熔渣内杂物，降低焊接的抗腐蚀性和破坏焊件的外形，并可以危及焊件的完整性。
焊药的组成在形成熔渣内杂物的风险中发挥重要的作用，通过其对焊缝形状以及去除熔渣难易的影响。熔渣的熔点影响内杂物在焊接金属中的量以及错位焊接的性能。带有低氧含量的焊池具有较高的表面张力，其产生带有较差母体金属润湿性的凸起焊缝。因此，含有例如氧化铁的氧化焊药产生了低表面张力熔池，其具有更凹的焊缝外形，并促进母体金属的湿润性。高硅酸盐焊药产生类似玻璃的熔渣，通常是自分离的。具有石灰成分的焊药产生难以去除的附着熔渣。
去除熔渣的难易依赖于所使用焊药的类型而改变。对于金红石或者酸性焊药，也就是带有某些硅酸盐的大量氧化钛(金红石)，熔池的氧水平足够高以产生平坦或者稍微凸起的焊缝。熔渣的流动性是由氟化钙的含量确定。用于在平面位置焊接的无氟化物涂层产生平滑焊缝外形以及容易去除的熔渣。用于定位焊接的更有流动性的氟化物熔渣不太容易去除。对于基础焊药，焊药中高比例的碳酸钙(石灰石)和氟化钙(氟石)降低了熔池中的氧含量进而降低其表面张力。相对于金红石涂层产生的，熔渣更有流动性。快速冷却也有助于在垂直和向上位置的焊接，但熔渣涂层是难以去除的。因此，熔渣内杂物的风险显著大于基础焊药，这是由于固有的凸起焊缝外形和从焊趾特别是多道焊缝中去除熔渣的困难。
对去除熔渣的研究已经集中在制造金属芯焊条的焊药和/或芯(填充物)组合物上。已经开发了多种填充组合物来解决去除熔渣的问题。在Godai的美国专利No.4,345,140中，公开了在有芯焊条中使用的一种焊药组合物用于焊接不锈钢。Godai公开了添加低熔点金属氧化物，例如氧化铅、氧化铜、氧化铋、氧化锑或者氧化锡，用于增强熔渣从下面的焊缝可分离能力。
在Nicodym的美国专利No.6,608,284公开了另一种具有改进的去除熔渣能力的填充组合物。Nikodym公开了一种用于低碳钢或者低合金钢焊条的填充组合物。Nikodym区分其所公开的填充组合物和Godai所公开的填充组合物，Godai是针对用于不锈钢焊接的药芯焊条，其与用于低碳钢和低合金钢焊接的金属芯焊条是本质不同的。Nikodym声称用于不锈钢焊接的药芯焊条包括焊药组合物，其由非金属无机组分组成，其含量比在用于低碳钢或低合金焊接的金属芯焊条中有显著高的百分比(例如5～10％)，这样导致了熔渣覆盖整个表面上并坚固地附着到焊缝上，从而使其难以去除。Nikodym所公开的填充组合物包括向焊接金属中加入锑、铋和/或锗以引起在焊接金属上的焊缝沉积或凸起形成在远离低碳和低合金钢焊缝的焊趾或者边缘的位置，从而有助于熔渣沉积或者凸起的去除。
对于FCAW-S焊条，使用Al和Mg用于从熔化的焊接金属中去除氧和氮，并且以各自的氧化物形成熔渣的主要部分。尽管已经将努力针对降低熔渣沉积的程度和发生，例如通过向焊药或者芯(填充)材料中加入各种元素，仍需要另一种方法来辅助去除熔渣。
发明内容
第一方面，本发明提供一种方法，用于去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣，其不具有氧化铝与氧化镁的重量比为大约1∶1或者相对于氧化铝含量更少。本方法包括调节焊条中的焊药组合物，使得熔渣中氧化铝与氧化镁的重量比为大约2∶1或者相对于氧化铝含量更多。
另一方面，本发明提供一种方法，用于去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣，其不具有氧化铝与氧化镁的重量比为大约1∶1或者相对于氧化铝的含量更少。该方法包括调节焊条组合物，使得焊条中总铝与总镁的原子比为大约3∶2或者相应于铝量更多。
根据本发明的另一方面，提供一种方法，用于去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣。该方法包括使用一种有芯焊条，在有芯焊条中总铝与总镁的原子比为大约3∶2或者相对于铝的量更多。
根据本发明的另一方面，提供一种用于自保护药芯电弧焊工艺的有芯金属焊条。该焊条包括总铝与总镁的原子比为大约3∶2，焊条中铝的上限相应于得到的焊接金属中大约1.1％重量的铝。
附图说明
图1是焊接层、熔渣层及其之间界面的截面示意图。
具体实施方式
熔渣形成是自保护FCAW-S(自保护药芯焊丝电弧焊)工艺一个必需部分。铝和镁是焊条中使用的主要脱氧剂和脱氮剂，以沉积无孔的焊接金属。几乎在焊条中存在的所有镁和大部分铝最终在熔渣中作为氧化物。然而，由于焊条中可以含有铝的最大量，因此其存在极限。
焊接沉积物中的铝对于焊接金属的韧性具有不良影响，这个因素也限制了焊条中铝含量。因此，与铝联合使用一定量的镁。在熔渣中出现相同重量的氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)的时候，熔渣的可分离性不好。
根据该发现，如果熔渣中氧化铝的重量提高到氧化镁的两倍或者更多时，熔渣的可分离性能会显著地提高。熔渣中氧化铝与氧化锰的这种重量比也可以表述为焊条中元素铝与元素镁的原子比。如果焊条中元素铝与元素镁的比例保持在大约3∶2或者更多(相对于铝量)，熔渣的可分离性显著地提高。这些比例可以通过加入或者降低焊条中氧化物的不同量来改变。例如，Al∶Mg的1∶1比例可以通过向焊条中加入5％的氧化铝或者焊条中减少5％的氧化镁来得到改变。熔渣相结构的热力学模型指导这种改进是由于所得到熔渣中MgO和尖晶石型相(MgO-Al2O3)量的变化。
尖晶石组成了一种复合氧化物，其具有紧密压缩的氧离子基质和定位于空隙位点的二价或者三价金属阳离子。尖晶石化合物是在碳和合金钢的电弧焊接过程所形成的熔渣中非常常见的氧化物相。这些结构通常包括铝和镁的各种氧化物。尖晶石表现出稳定地结合到铁离子底物上的晶格结构。
参考图1，所描述的横截示意图100表示沉积在焊接金属30上的一层熔渣10。在熔渣10和焊接金属30之间定义界面20。本领域技术人员可以理解的是，图1不是按照比例，每层的厚度不必须要按照所表示的。事实上，界面20的厚度比显示的要薄很多。通常，从焊接金属30去除熔渣10的难易依赖于在界面20内或者沿着界面20的这些区域之间的连接程度。尽管不希望被任何特定理论限定，但可以相信熔渣层10很难从焊接金属30去除，因为焊接金属30金属晶格结构和在界面20内晶格结构之间的近乎相似性，因为含有铝和镁的焊条含有尖晶石。需要注意的是，可以相信尖晶石表现出稳定地结合到铁离子底物上的晶格结构。
根据本发明，通过将焊条中或者焊接组合物中铝与镁的原子比调节到3∶2或者更多，来破坏界面20内所得到的晶格结构，进而降低熔渣层10和焊结金属30之间连接的程度。可以选择地，本发明还可以通过使用含有铝与镁原子比分别为3∶2或者更多(相对于铝含量)的焊接组合物或者焊条来完成。而且，本发明可以通过使用能够使熔渣中氧化铝与氧化镁的重量比分别为大约2∶1或更多(相对于氧化铝的量)的焊结组合物、焊条和/或焊接条件来完成。特别地，可以使用特定的焊结组合物来达到熔渣中期望的氧化铝与氧化镁的比例。这里所使用的术语“焊接组合物”通常是指焊条的组合物，但如果是使用一个以上焊条或者使用一种焊条和合金元素的一个或者更多辅助进料，也可以指集合组合物。
可以通过修饰焊条或者焊结组合物中含铝和含镁试剂的比例来改变熔渣。特别的，这可以通过在焊条或者焊接组合物中加入铝、氧化铝、铁-铝、铝的金属间化合物来完成。其也可以通过降低焊条或者焊接组合物中镁或含镁试剂例如氧化镁的量来完成。
更特别的，根据本发明的优选方面，提供一种用于提高药芯焊条熔渣可分离特征的方法，该焊条含有焊条组合物，其中焊条中Al∶Mg的原子比例分别为大约小于1.5∶1(相对于铝含量)～大约1∶1。该方法包括或者(i)提高焊条中铝的量，或者(ii)降低镁的量，以便焊条中Al∶Mg的原子比例高于大约1.5∶1，例如大约1.6∶1、大约1.7∶1、大约1.8∶1、大约1.9∶1、大约2∶1以及例如2∶1以上。铝量的上限依赖于所得到焊接的特定应用和需要。某些应用表明铝在最终焊接中铝的量不应该超过大约1.4％重量。
根据本发明另一优选方面，提供一种焊药新焊条，其表现在焊接工艺中使用时优秀的熔渣可分离特性。焊条中总铝量与总镁量的原子比例分别为大约1.5∶1或者1.5∶1以上。需要注意的是，有芯焊条是一种连续进料的管状金属鞘带有粉末焊药和/或合金成分的芯。这些可以包括焊药成分、脱氧和脱氮试剂、合金材料、以及可以提高韧性和强度、提高抗腐蚀性和稳定电弧的元素。典型的芯材料可以包括铝、钙、碳、铬、铁、锰和其它元素和材料。在更广泛地使用药芯焊条时，金属芯产品在焊接合金钢时对于调节填充金属组合物是有用的。金属芯焊条中的粉末通常是金属和合金粉末，而不是化合物，在焊接表面上只产生很小的熔渣凸起。相反，药芯焊条在焊接过程中产生大量的熔渣覆盖，其支持和成型焊缝。
存在各种试验或者定量的方法来确定从焊缝去除熔渣的容易(困难)程度。一种这样的方法是使用5单元体系，其中5代表最差或者最难去除，而1代表最容易去除。下面是这种体系的一个例子：
表1
熔渣去除等级体系
  熔渣去除难度   描述
  1   容易去除熔渣，可以被剥落
  2   通过刷、轻刮或者摩擦容易去除熔渣
  3   通过刮或者轻削来适度地去除熔渣
  4   熔渣难以去除，需要广泛的削或者轻轻研磨
  5   熔渣非常难以去除，只能通过广泛的研磨来去除
优选实施方式焊接焊条的特征为具有这里所述的Al∶Mg比例，其产生的熔渣落入到表1所述分级体系的1～2部分。含有Al和Mg的相应焊条，但是比例为大约1∶1，或者在这里所述优选范围之外，其产生熔渣会落入该分级体系的4～5部分。这种熔渣去除的改进构成现有技术的显著进步，并被认为是商业上重要的。
在美国专利5,369,244、5,365,036、5,233,160、5,225,661、5,132,514、5,120,931、5,091,628、5,055,655、5,015,825、5,003,155、4,833,296、4,723,061、4,717,536、4,551,610和4,186,293中提供了用于焊接的电弧焊接材料特别是有芯焊条的附加细节，在这里引入作为参考。
前面的描述在这里被认为是本发明的优选实施方式。然而，可以了解在不偏离本发明的范围内，本领域技术人员显然可以进行改变和修饰。因此，前面的描述用于覆盖所有在本发明精神和范围内的这些变化和修饰，包括等价方面。

Claims (36)

1.一种去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣的改进方法，其不同于具有氧化铝与氧化镁的重量比为大约1∶1或者相对于氧化铝含量更少的方法，该方法包括：
调节焊接组合物，使得熔渣中氧化铝与氧化镁的重量比为大约2∶1或者相对于氧化铝含量更多。
2.根据权利要求1所述的方法，其中调节后焊接组合物中总铝与总镁的原子比为大约3∶2或者相对于铝量更多。
3.根据权利要求2所述的方法，其中原子比调节到大约1.6∶1。
4.根据权利要求2所述的方法，其中原子比调节到大约1.7∶1。
5.根据权利要求2所述的方法，其中原子比调节到大约1.8∶1。
6.根据权利要求2所述的方法，其中原子比调节到大约1.9∶1。
7.根据权利要求2所述的方法，其中原子比调节到大约2∶1。
8.根据权利要求2所述的方法，其中原子比从大约3∶2调节到相应于铝在焊接金属中为大约1.4％重量的上限。
9.根据权利要求8所述的方法，其中原子比调节到2∶1以上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中调节是通过在焊接组合物中添加选自铝、氧化铝、铁-铝、铝的金属间化合物及其组合的试剂而进行。
11.根据权利要求1所述的方法，其中调节是通过降低镁在焊接组合物中的含量而进行。
12.一种去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣的改进方法，其不同于具有氧化铝与氧化镁的重量比为大约1∶1或者相对于氧化铝含量更少的方法，该方法包括：
调节焊接组合物，使得焊接组合物中总铝与总镁的原子比为大约3∶2或者相对于铝量更多。
13.根据权利要求12所述的方法，其中原子比调节到大约1.6∶1。
14.根据权利要求12所述的方法，其中原子比调节到大约1.7∶1。
15.根据权利要求12所述的方法，其中原子比调节到大约1.8∶1。
16.根据权利要求12所述的方法，其中原子比调节到大约1.9∶1。
17.根据权利要求12所述的方法，其中原子比调节到大约2∶1。
18.根据权利要求12所述的方法，其中原子比从大约3∶2调节到相应于铝在焊接金属中大约1.4％重量的上限。
19.根据权利要求18所述的方法，其中其中原子比调节到2∶1以上。
20.根据权利要求12所述的方法，其中调节是通过在焊接组合物中添加选自铝、氧化铝、铁-铝、铝的金属间化合物及其组合中的试剂而进行。
21.根据权利要求12所述的方法，其中调节是通过降低镁在焊接组合物中的含量而进行。
22.一种去除来自电弧焊有芯焊条的熔渣的改进方法，该方法包括：
使用有芯焊条，其具有在有芯焊条中总铝与总镁的原子比为大约3∶2或者相对于铝含量更多。
23.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为大约1.6∶1。
24.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为大约1.7∶1。
25.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为大约1.8∶1。
26.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为大约1.9∶1。
27.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为大约2∶1。
28.根据权利要求22所述的方法，其中原子比是从大约3∶2到相应于铝在焊接金属中大约1.4％重量的上限。
29.根据权利要求22所述的方法，其中原子比为2∶1以上。
30.一种用于自保护药芯电弧焊工艺的有芯金属焊条，该焊条包括：
总铝与总镁的原子比为至少大约3∶2，具有相应于铝在得到焊接金属中大约1.4％重量的上限。
31.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为大约1.6∶1。
32.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为大约1.7∶1。
33.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为大约1.8∶1。
34.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为大约1.9∶1。
35.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为大约2∶1。
36.根据权利要求30所述的焊条，其中原子比为2∶1以上。
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