低碳高速金属焊丝及其制造方法技术

本发明专利技术是一种焊丝，它包括一层包裹由粉末状金属制成的金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比不低于大约１２％。金属芯包括一种芯组成物，组成物熔合有Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ和Ｎｂ中的一种合金元素或它们的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成物中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约１％。在一种具体实施方案中，合金元素是Ｍｏ，其重量百分比在０％到５％的范围内，且金属芯的填充百分比在大约１２％到大约３０％的范围内。在本发明专利技术的一种具体实施方案中，多元素组合的总百分比在大约０．４％到大约０．８％的范围内。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及气体保护金属极电弧焊，更具体地，本专利技术涉及碳钢气体保护金属极电弧焊的自耗电极系列的组成和特性。解决这一问题的另一途径是尝试控制焊接电极的组成和结构以改变其特性，使焊接过程的沉积速率和行进速度能有效地提高。电弧焊过程经常使用管状焊丝形式的自耗金属电极。这些金属芯焊丝通常由管状复合材料制成，管状复合材料有着金属包覆层和由多种粉状材料制成的焊丝芯。已知的管状焊丝类型可以分为金属芯焊丝或者焊剂芯焊丝。有着比较简单的化学组成和已知冶金术的金属芯焊丝电极具有高的沉积速率和高的沉积效率，且它产生的熔渣较少，因此，它日益成为固体或传统焊剂芯焊丝的替代品以提高结构制造的效率。如果金属芯焊丝所呈现的较高沉积速率能与高行进速度和高质量的焊珠相结合，这样的金属芯焊丝焊接电极将会很大程度地提高在汽车、造船和普通制造工业中有广泛应用的电弧焊的生产率。在许多美国专利中描述的传统金属芯焊丝涉及焊接电极的元素组成的不同类型、结构或者组合。例如，美国专利3,656,918涉及一种适于用作焊丝填充材料的合金，它有着大约2％的Mo作为合金元素之一与Cr和Ni相组合。美国专利3,635,698涉及一种由Ni、Cr和Mo组合而成的低合金钢制成的焊丝填充金属。美国专利4,782,211涉及一类焊接电极装置，其焊棒包覆有一层由一定量的Mo和W熔合成的焊剂。该专利提到，钨的不同控制含量，最好是以铁钨合金的形式出现，可以改变焊接金属的工作特性。美国专利5,523,540涉及一种由一定元素组成范围内的组成物制成的焊接电极。该专利的焊接电极形成的焊接沉积有着低碳贝氏铁素体微结构，它有着足够的强度，可用于高强度钢的焊接。美国专利5,824,992涉及一种金属芯焊丝，它的芯组成物占金属芯焊丝总重量的大约2.5-6.0％或者2.5-12％。金属芯焊丝的制造通常包括成形、填充和焊丝的拉制或者轧制。第一步，制成钢皮并将其弯曲形成U形管道，然后将一定量的金属粉末，例如铁粉，灌入U形管中。在随后的成形和拉制工序中封入并压紧该粉末以形成焊丝并将焊丝轧制到最终的形状。如果能够提供一种用如前所述的制作方法制造的有较高沉积速率和行进速度的改进金属芯焊丝，机器人电弧焊机的生产率将会有显著的提高。本专利技术另一目的是提供一种金属芯焊丝电极组成物，使焊接电极的行进速度能有45-50％的增加。本专利技术还有一个目的是提供同时具有高熔点和合适的焊丝熔化后表面张力这两种性质的碳钢合成金属芯焊丝，上述两种性质能够提高焊接过程中的沉积速率和行进速度。本专利技术是一种具有包覆层的焊丝，包覆层内封装有由金属粉末制成的金属芯，其中金属芯的填充百分比不少于大约12％。金属芯包括一种芯组成物，该组成物熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素中多种元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中芯组成物中合金元素或者多元素组合的总重量百分比不超过大约1％。在一种具体实施方案中，合金元素为Mo，其重量在大约0％到大约0.5％的范围内，而金属芯的填充百分比在大约12％到大约30％的范围内。在本专利技术的一种具体实施方案中，多元素组合的总百分比在大约0.4％到大约0.8％的范围内。为使焊丝沉积速率有15-20％的提高，本专利技术提供一层封装钢芯的包覆层，钢芯的填充百分比在12％以上并且其组成中包含从Cr、Mo、V、W、Hf和Nb组成的一组元素中选出的一种合金元素和这些元素的多种组合物。当焊丝用于焊接过程中时，这种焊丝的沉积速率随着芯填充百分比的增加而增加。特别是，沉积速率从芯填充的百分比为大约12％时的15lb/h提高到芯填充的百分比为大约30％时的20lb/h。在某些具体实施方案中，Mo的总重量百分比的变化范围是大约0％到大约0.4％，而一种合金元素的总重量百分比不超过大约1％。为使行进速度有40-50％的提高，本专利技术的焊丝包括一层封装金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比高于12％，金属芯的合金组成中有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或元素组合物的总重量百分比不超过大约1％，而焊丝用于焊接时的行进速度范围为大约65％英寸/分钟到大约145英寸/分钟。焊丝用于焊接时的行进速度可以用最大行进速度来表示，当芯填充百分比的变化范围在大约12％到30％之间时，最大行进速度的变化范围在大约80英寸/分钟到大约145英寸/分钟之间。本专利技术在焊接实验中测得的焊丝的最大行进速度对应于含有大约0％到大约0.4％的Mo的组成。制造焊丝的方法包括制作包覆层使之成为能够用金属粉末填充的形状；用金属粉末填充包覆层，金属粉末的组成中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb各元素中的一种合金元素，或者这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约1％。此外，在制造过程中金属粉末被压紧以形成金属芯；然后焊丝被拉制以使得金属芯的填充百分比不少于12％。按照本专利技术，芯填充百分比在大约12％到大约30％之间，合金元素是Mo，其含量在大约0％至大约0.4％之间。组合物的总重量百分比在大约0.4％到大约0.8％之间。通过对本专利技术的下述详细说明及附图的研究，本专利技术的这些及其它的目的、特性和优点将会变得更为明显。图2是显示电压和焊丝进给速度之间关系的图形。图3是显示沉积速率和芯填充百分比之间关系的图形。图4是显示转化频率和芯填充百分比之间关系的图形。图5(a)-(h)是表5中给出的焊接试样的照片。具体实施例方式本专利技术基于含有Fe、Mn和Si的低碳钢金属芯焊丝，其中，Mn和Si是主要的合金元素。焊丝更为详细的组成示于表1中，其组成相当于American Welding Society(AWS)(美国焊接协会)规范A5.18的E70C-6C型电极。表1传统低碳钢金属芯电极焊接金属组成(AWSA.5.18)表1 这种焊丝中Mn和Si的作用是还原焊接过程中沉积的金属并改变沉积金属的微结构以获得所需的机械性能。另外，Si能增加焊珠的湿润度，因而可以改善沉积焊丝的可焊性。如表1所示，金属粉末中的少量金属和非金属添加物(Cu、S、P)在焊接过程中可以稳定电弧并减少可扩散氢的量。焊丝电极中的金属部分通常不少于电极总重量的大约95％，而芯组成物的重量占焊丝总重量的大约10％到大约20％。本专利技术的金属芯焊丝的特点在于一种特定的元素组成，这种组成能减小在前一段中所说明的复合焊丝熔融态焊接金属的表面张力。表面张力的减小是由于焊丝芯组成物中添加有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或一种元素组合。表面张力的减小有利于电弧沟区(已被电弧熔化但还没有被熔融态焊接或填充金属填充的基底金属部分)中的熔融态焊接金属的扩散。本专利技术金属芯电极焊丝的组成如表3所示。表3.(Cr、Mo、V、W、Hf和Nb的总百分比不超过1％)本专利技术的金属芯电极焊接金属组成物的元素组成。表3 在金属芯焊丝电极中熔合有Cr、Mo、V、W、Hf和Nb中的一种元素或一种元素组合的原因是为了提高焊接速度，这是因为其增大了熔融态焊接金属的凝固范围(并且，因而减小了固化速率)。因为高行进速度导致高固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊丝包括： 包裹了由粉末状金属制成的金属芯的包覆层，其中金属芯的填充百分比高于大约１２％；和 金属芯的组成中熔合有Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ和Ｎｂ中的一种合金元素或这些元素的一种组合物，或者它们的多种组合物，其中，芯组成成分中合金元素或者多元素组合物的总重量百分比不超过大约１％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈富虎，森迪拉姆纳加拉简，
申请(专利权)人：伊利诺斯器械工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]