专利名称：药芯焊条中改性的焊药体系的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及焊接领域，并特别地涉及具有改进的形成焊缝性能的焊条，并且更特别地涉及药芯焊条，其具有降低的吸湿性能并且形成降低的可扩散氢量的焊缝。
背景技术：
在电弧焊领域中，焊接工艺的主要类型是使用实心焊丝(GMAW)或者金属芯焊丝的气保护金属电弧焊(GMAW-C)、气保护药芯电弧焊(FCAW-G)、自保护药芯电弧焊(FCAW-S)、有保护金属电弧焊(SMAW)以及埋弧焊(SAW)。这些工艺中，使用实心或者金属芯焊条的气保护金属电弧焊越来越应用于连接和覆盖金属元件。由于该类型的焊接工艺具有高生产率和通用性，因此，其变得日益普及。这种生产率和通用性的提高来自于气保护金属电弧焊(GMAW&GMAW-C)中焊接焊条的连续性，其具有超过有保护金属电弧焊(SMAW)的相当高的生产率。而且，这些焊条形成带有很少熔渣的非常漂亮的焊缝，因此节省了用于清洁焊缝以及处理熔渣的时间和费用，而这是其它焊接工艺所常见的问题。
在使用实心或者药芯焊条的气保护金属电弧焊中，使用保护气以在焊接过程中为焊接提供保护免受空气污染。实心焊条适当掺杂成分，其与保护气相结合，提供具有期望的物理和机械性能的无孔焊接。在药芯焊条中，这些成分在内部，在金属鞘的芯部(填充物)，并具有与实心焊条相类似的功能。
设计实心或者药芯焊条，以在适当的气保护情况下，提供实心的、实质上无孔的焊接，该焊接具有屈服强度、抗张强度、延展性以及冲击强度，以在最终的应用中发挥令人满意的功能。也将这些焊条设计成在焊接过程中使所产生的熔渣量最小化。药芯焊条日益成为实心焊条的替代品，因为其在结构部件的焊接加工中具有增加的生产率。药芯焊条是一种组合焊条，其由金属鞘包围的药芯(填充物)材料组成。该药芯主要由金属粉末和焊药组分组成以获得电弧稳定性、焊接润湿性(wetting)以及外形等，以便在焊接中获得需要的物理和机械性能。药芯焊条通过下述方法制造混合药芯材料的成分，并将其沉积在成型条带内，接着将条带闭合并拉伸至最终的直径。与实心焊条相比，药芯焊条具有更高的沉积速率，形成更宽、更连续的焊接渗透轮廓。而且，与实心焊条相比，它们具有改善的电弧行为，产生更少的烟雾和飞溅，并赋予焊接沉积物更好的润湿性。
在焊接领域中，以往在开发以预定方式发挥功能的具有预定焊药组分的焊药组合物方面，已经花费了许多的精力。已经开发了大量组合物用作电弧焊的焊药。在电弧焊中使用焊药以控制电弧稳定性，调节焊接金属组成，并提供保护免受空气污染。通常通过调节焊药的组成来控制电弧稳定性。因此，希望在焊药混合物中具有能够很好地起到等离子电荷载体作用的物质。焊药也通过在金属中提供更易熔的杂质以及优先于金属与这些杂质结合且形成熔渣的物质来调节焊接金属组成。也可以加入其它材料来降低熔渣熔点，提高熔渣的流动性，并作为焊药颗粒的粘结剂。
药芯焊条通常用于钢基金属的电弧焊中。这些焊条通常以高焊接速度在单道焊接和多道焊接中产生高强度的焊接。配制这些焊条用以提供实心的、实质上无孔的的焊缝，其具有抗张强度、延展性以及冲击强度以满足各种领域所需要的最终用途。
焊接金属形成过程中许多难题之一是降低焊缝中可扩散氢的量。已知可扩散氢是在焊缝中引起裂缝的原因。许多研究已经表明焊药体系中潮湿含量的增加会导致焊接金属中可扩散氢量的增加。焊接金属中的氢会导致引起裂缝的氢和焊接最终的失败。硅酸钠和硅酸钾通常用作电弧稳定剂，并有时用于焊药组合物的粘结剂。已知硅酸钾具有高的吸湿能力。
鉴于与药芯焊条结合使用的填料组合物领域目前的状态，需要一种能形成氢含量降低的焊缝的焊条。
发明内容
本发明涉及焊条，更特别地，涉及一种包括填料组合物的焊条，该填料组合物具有减少的吸湿性，并促进降低焊缝中的氢含量。本发明填料组合物特别针对于药芯焊条，其具有包围位于鞘中心的填料组合物的金属鞘；然而，该填料组合物可以应用于其它类型的焊条(例如涂覆在电焊条(stick electrode)上等)，或者用作埋弧焊工艺中填料组合物的一部分。本发明的填料组合物特别配制用于低碳低合金钢的焊条；然而，该填料组合物可以用于在其它类型金属上形成焊缝的焊条。金属焊条一般主要由铁材料(例如，碳钢、低碳钢、不锈钢、低合金钢等)制成；然而，基体金属主要由其它材料形成。填料组合物一般占焊条总重量的至少大约1重量％，不超过焊条总重量的大约80重量％，一般地占焊条总重量的大约8～60重量％，更一般地占焊条总重量的大约10～40重量％，甚至更一般地占焊条总重量的大约11～30重量％，还甚至更一般地占焊条总重量的大约12～20重量％。
在本发明的一方面中，提供一种二氧化钛基焊药体系，其配制用于焊药芯焊条；然而，可以理解的是该焊药体系可以用于其它类型的焊接体系中。本发明的焊药体系包括二氧化钛、熔渣形成剂和抗湿性化合物。焊药体系中二氧化钛含量，不包括抗湿性化合物中二氧化钛含量，一般为焊药体系的至少大约2重量％，一般为焊药体系的大约5～40重量％，更一般为焊药体系的大约5～35重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。焊药体系中的一种或者多种熔渣形成剂通常用于促进焊缝的形成和/或至少部分保护所形成的焊缝免受空气的影响；然而，熔渣形成剂也具有其它或者附加的功能。这种熔渣形成剂的非限制性例子包括金属氧化物(例如，氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、氧化镁、氧化锰、氧化铌、氧化钾、氧化钠、氧化锡、氧化钒、氧化锆等)、金属碳酸盐(例如碳酸钙等)和/或金属氟化物(例如氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、铁氟龙等)。焊药中熔渣形成剂的含量一般为焊药体系的至少大约5重量％，一般为焊药体系的大约10～60重量％，更一般为焊药体系的大约20～45重量％；然而，其它的重量百分比也可以使用。抗湿性化合物是至少四种化合物的单一组合，即二氧化钛、钾化合物、硅胶和钠化合物。抗湿性化合物的吸湿能力显著地不如含有硅酸盐化合物(例如硅酸钾、硅酸钠等)的焊药体系。抗湿性化合物中钾和钠化合物作为抗湿性化合物的粘合剂和/或在焊接过程中提供电弧稳定性。焊药中抗湿性化合物的含量通常为焊药体系的至少大约1重量％，一般为焊药体系的大约2～40重量％，更一般为焊药体系的大约2～35重量％；然而，也可以使用其它重量百分比。
在本发明的另一方面中，抗湿性化合物配制成包括主要重量百分比的钛化合物、一定重量百分比率的钾化合物与钠化合物。抗湿性化合物中二氧化钛的含量为至少大约60重量％，一般为大约75～92重量％，更一般为大约80～88重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。抗湿性化合物中钠化合物重量百分比与钾化合物的重量百分比之比为大约1.1～5∶1，一般为1.5～3.5∶1，更一般为2～3∶1；然而，可以使用其它的重量百分比比例。钠化合物一般为二氧化钠、碳酸钠和/或硅酸钠；然而，可以使用其它的或者附加的钠化合物。钾化合物一般为氧化钾和/或硅酸钾；然而，可以使用其它的或者附加的钾化合物。抗湿性化合物中钠化合物含量为抗湿性化合物的至少大约3重量％，一般为抗湿性化合物的大约5～15重量％，更一般为抗湿性化合物的大约7～12重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。抗湿性化合物可以包含附加的组分，例如但不限定于，锂化合物(例如氢氧化锂、氧化锂等)、碳、硫等。抗湿性化合物中硅胶含量一般为至少大约1重量％，一般为大约2～10重量％，更一般为大约2～8重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。硅胶的平均粒径小于大约40nm，一般为大约0.5～20nm，更一般为大约4～15nm；然而也可以使用其它的粒径。硅胶的来源可以是天然的和/或人工的。
在本发明的另一方面中，抗湿性化合物一般通过将硅胶和溶液和抗湿性化合物的其它组分结合形成的。该溶液通常含有大约10～70重量％的硅胶，一般为大约15～50重量％的硅胶，更一般为大约25～40重量％的硅胶；然而，也可以使用其它的重量百分比。溶液中水含量通常为至少大约10重量％，一般为大约30～80重量％，更一般为60～75重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。溶液中也可以包含其他组分，例如但不限定于，钠化合物。当溶液中含有钠化合物时，钠化合物通常为氧化钠；然而，可以使用其它的或者附加的钠化合物。当溶液中含有钠化合物时，钠化合物含量通常为大约0.05～1.5重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。溶液的pH一般为碱性；然而，这不是必要的。
在本发明的另一方面中，抗湿性化合物被加工成抗湿性化合物的平均粒径为小于大约30目，一般在大约40～250目之间，更一般为大约50～200目。一般将抗湿性化合物磨碎到所希望的颗粒大小。
在本发明的另一方面中，填料组合物包括一种或者更多种金属合金剂，和/或一种或者更多种还原剂。一种或者更多种金属合金剂通常包含在填料组合物中以至少与所需要的焊接金属组合物近乎匹配，和/或以得到所形成焊缝的所希望的性能。这种合金金属的非限制性例子包括铝、硼、钙、碳、铬、铁、锰、镍、硅、钛和/或锆。
在本发明的另一方面中，焊药药芯焊条通常包括金属鞘。当焊接铁基加工件(例如碳钢、不锈钢等)时，金属鞘通常含有大部分的铁；然而，鞘的组合物可以含有各种类型的金属以得到特别的焊缝组合物。在本发明的一个实施方式中，金属鞘主要含有铁并含有一种或者更多种其它的元素，例如但不限定于，铝、锑、铋、硼、碳、钴、铜、铅、锰、钼、镍、铌、硅、硫、锡、钛、钨、钒、锌和/或锆。在本发明的另一个和/或替代的实施方式中，金属鞘的铁含量为至少大约80重量％。
在本发明进一步和/或替代的方面中，与焊条结合使用保护气以保护焊缝免受空气中元素和/或化合物的影响。保护气通常包括一种或者多种气体。这些一种或者多种气体相对于焊缝组合物通常是惰性的或者实质上惰性的。在一个实施方式中，氩气、二氧化碳或者其混合物至少部分用作保护气。在这个实施方式的一个方面中，保护气含有大约2～40体积％的二氧化碳，其余为氩气。在该实施方式的另一个和/或可替代的方面，保护气含有大约5～25体积％的二氧化碳，其余为氩气。可以理解的是，可以使用其它和/或附加的惰性或者实质上惰性的气体。
本发明的一个主要目的是提供一种具有降低的吸湿性能的焊条。
本发明的另一个和/或可以替代的目的是提供一种焊条和焊接方法，其导致焊缝中可扩散氢量的降低。
本发明的另一个和/或可以替代的目的是提供一种焊接方法，其包括使用气保护药芯焊条。
本发明的另一个和/或可以替代的目的是提供一种焊条，其包括焊药体系中的钠-硅-钛化合物，从而降低焊药体系的吸湿性。
参考优选的实施方式，通过对本发明与现有技术的区别进行讨论，本发明的这些和其它目的以及优点会显而易见。
具体实施例方式
本发明药芯焊条克服了现有技术药芯焊条的限制，其通过含有钠-硅-钛化合物从而降低药芯焊条的焊药体系的吸湿性。
根据本发明的填料组合物的通用配方(重量百分比)如下TiO22～50％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 1～60％金属合金剂 0～70％。
在另一个填料组合物更通用的配方为(重量百分比)TiO23～40％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 20～50％金属合金剂 0～55％。
在另一个填料组合物更通用的配方为(重量百分比)TiO220～40％钠-硅-钛化合物 20～50％熔渣形成剂 25～45％金属合金剂 0～35％。
在另一个填料组合物更通用的配方为(重量百分比)TiO23～15％钠-硅-钛化合物 15～25％熔渣形成剂 30～40％金属合金剂 35～45％。
在另一个填料组合物更通用的配方中为(重量百分比)TiO220～30％钠-硅-钛化合物 1～5％熔渣形成剂 20～30％金属合金剂 45～55％。
在上面实施例中，填料组合物的重量百分比一般为药芯焊条的大约8～60重量％，更一般的为药芯焊条的大约10～28重量％；然而，也可以使用其它的重量百分比。可以用于形成焊缝的金属鞘含有大约0～0.2重量％的B，大约0～0.2重量％的C，大约0～12重量％的Cr，大约0～5重量％的Mn，大约0～2重量％的Mo，少于大约0.01重量％的N，大约0～5重量％的Ni，，少于大约0.014重量％的P，大约0～4重量％的Si，少于大约0.02重量％的S，大约0～0.4重量％的Ti，大约0～0.4重量％的V以及大约75～99.9重量％的Fe。在电弧焊过程中，药芯焊条一般使用保护气；然而，不是必需的。当使用保护气时，保护气一般为二氧化碳和氩气的混合。
熔渣形成剂一般含有但不限定于，金属氧化物，例如氧化铝、氧化硼、氧化钙、氧化铬、氧化铁、氧化镁、氧化锰、氧化铌、氧化钾、氧化硅、氧化钠、氧化锡、氧化钒和/或氧化锆。当使用金属合金剂时，其一般包括但不限定于，铝、硼、钙、碳、铁、锰、镍、硅、钛和/或锆。焊药体系含有其它化合物，例如但不限定于，金属碳酸盐(例如碳酸钙等)和/或金属氟化物(例如氟化钡、氟化铋、氟化钙、氟化钾、氟化钠、铁氟龙等)。焊药体系的特别组分一般依赖所使用的焊接工艺类型(SAW、SMAW、FCAW)和/或所要加工的加工件类型。
特别配制钠-硅-钛化合物以提供电弧稳定性并降低焊药体系潮气的吸收。钠-硅-钛化合物一般包括二氧化钛、硅酸钾、硅酸钠和硅胶。钠-硅-钛化合物中二氧化钛含量一般占主要重量百分比。硅酸钠和硅酸钾的重量百分比之比通常为大约1.5～3.5∶1，更一般为1.75～2.5∶1。通常，形成硅胶的大部分二氧化硅来自纯的来源。一般，硅胶平均粒径为2～25nm，更一般的平均粒径为6～12nm。钠-硅-钛化合物可以含有其它的钠化合物，例如但不限定于碳酸钠。这些钠化合物可以用于在焊接过程中提供电弧稳定性和/或气体保护。钠-硅-钛化合物也可以含有其它的组分，例如水、锂化合物、硫、碳等；但不是必需的。当钠-硅-钛化合物中含有这些其它组分时，其占钠-硅-钛化合物的小于大约10重量％。
一般通过将硅胶溶液与钛氧化物(例如金红石)、硅酸盐以及钠-硅-钛化合物的其它组分混合形成钠-硅-钛化合物。将钠-硅-钛化合物的组分充分混合在一起后，将钠-硅-钛化合物干燥以去除钠-硅-钛化合物中的水。钠-硅-钛化合物干燥后，钠-硅-钛化合物中的水含量通常小于大约0.1重量％，一般小于大约0.08重量％，更一般小于大约0.06重量％。钠-硅-钛化合物干燥后，通常将钠-硅-钛化合物分粒(size)。一般通过磨碎和筛选操作进行分粒的工艺；然而，其它或者附加的统一大小的工艺也可以使用。在进行分粒后，钠-硅-钛化合物的平均粒径一般为小于40目，更一般为大约50～200目。
下面提供了钠-硅-钛化合物的实施例(钠-硅-钛化合物化合物的重量百分比)实施例1TiO260～90％硅酸钠 1～20％硅酸钾 1～15％钠化合物 1～20％硅胶 1～10％其它组分 0～5％。
实施例2TiO270～90％硅酸钠 4～15％硅酸钾 1～10％钠化合物 3～16％硅胶 2～6％其它组分 0～1％。
实施例3TiO270～80％硅酸钠 3.5～10％硅酸钾 1.5～6％钠化合物 5～15％硅胶 2～5％其它组分 0～0.5％。
本发明所讨论实施方式和其它实施方式的这些变化及其它，对于本领域技术人员来说，根据这里所公开的内容是很显而易见的并可以得到有启示，其中显然很容易理解的是，上面描述的内容只是为了举例说明本发明而不是对其进行限制。
权利要求
1.一种药芯焊条，其具有降低的吸湿性能，并且形成具有低量可扩散氢的焊缝，该焊条包括金属鞘和填料组合物，所述填料组合物包括二氧化钛、熔渣形成剂、抗湿性化合物，所述抗湿性化合物包括钛化合物、钾化合物、钠化合物和硅胶。
2.如权利要求1所述的药芯焊条，其中除了在所述抗湿性化合物中任何二氧化钛以外，所述二氧化钛占所述填料组合物的大约2～40重量％。
3.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述熔渣形成剂占所述填料组合物的大约10～50重量％。
4.如权利要求2所述的药芯焊条，其中所述熔渣形成剂占所述填料组合物的大约10～50重量％。
5.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述熔渣形成剂包括金属氧化物。
6.如权利要求4所述的药芯焊条，其中大部分所述熔渣形成剂包括金属氧化物。
7.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述抗湿性化合物占所述填料组合物的大约1～40重量％。
8.如权利要求6所述的药芯焊条，其中所述抗湿性化合物占所述填料组合物的大约1～40重量％。
9.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述抗湿性化合物包括占主要重量百分比的钛化合物，重量百分比之比为1.1～5∶1钠化合物与钾化合物，以及至少大约1重量％的硅胶。
10.如权利要求8所述的药芯焊条，其中所述抗湿性化合物包括占主要重量百分比的钛化合物，重量百分比之比为1.1～5∶1钠化合物与钾化合物，以及至少大约1重量％的硅胶。
11.如权利要求1所述的药芯焊条，包括金属合金剂，所述金属合金剂包括铝、镁、硅、钛及其混合物。
12.如权利要求10所述的药芯焊条，包括金属合金剂，所述金属合金剂包括铝、镁、硅、钛及其混合物。
13.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述填料组合物包括TiO25～50％钠-硅-钛化合物 2～50％熔渣形成剂 1～60％金属合金剂 0～70％。
14.如权利要求12所述的药芯焊条，其中所述填料组合物包括TiO25～50％钠-硅-钛化合物 2～50％熔渣形成剂 1～60％金属合金剂 0～70％。
15.如权利要求1所述的药芯焊条，其中所述填料组合物包括TiO23～40％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 20～50％金属合金剂 0～55％。
16如权利要求14所述的药芯焊条，其中所述填料组合物包括TiO23～40％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 20～50％金属合金剂 0～55％。
17.一种形成具有低量可扩散氢的焊缝的方法，使用具有降低的吸湿性能的焊条，该方法包括a)提供一种药芯焊条，其包括金属鞘和填料组合物，所述填料组合物包括二氧化钛、熔渣形成剂和抗湿性化合物，所述抗湿性化合物包括钛化合物、钾化合物、钠化合物和硅胶；和b)通过电流至少部分熔化所述药芯焊条，使所述药芯焊条的所述熔化部分沉积在加工件上。
18.如权利要求17所述的方法，包括将保护气对准所述加工件的步骤，至少部分保护所述药芯焊条沉积在加工件上的所述熔化部分。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述保护气体包括氩气、二氧化碳或者其混合物。
20.如权利要求17所述的方法，其中除了在所述抗湿性化合物中任何二氧化钛以外，所述二氧化钛占所述填料组合物的大约2～40重量％。
21.如权利要求18所述的方法，其中除了在所述抗湿性化合物中任何二氧化钛以外，所述二氧化钛占所述填料组合物的大约2～40重量％。
22.如权利要求17所述的方法，其中所述熔渣形成剂占所述填料组合物的大约10～50重量％。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述熔渣形成剂占所述填料组合物的大约10～50重量％。
24.如权利要求17所述的方法，其中所述熔渣形成剂包括金属氧化物。
25.如权利要求23所述的方法，其中大部分所述熔渣形成剂包括金属氧化物。
26.如权利要求17所述的方法，其中所述抗湿性化合物占所述填料组合物的大约1～40重量％。
27.如权利要求25所述的方法，其中所述抗湿性化合物占所述填料组合物的大约1～40重量％。
28.如权利要求17所述的方法，其中所述抗湿性化合物包括占主要重量百分比的钛化合物，重量百分比之比为1.1～5∶1钠化合物与钾化合物，以及至少大约1重量％的硅胶。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述抗湿性化合物包括占主要重量百分比的钛化合物，重量百分比之比为1.1～5∶1钠化合物与钾化合物，以及至少大约1重量％的硅胶。
30.如权利要求17所述的方法，包括金属合金剂，所述金属合金剂包括铝、镁、硅、钛及其混合物。
31.如权利要求29所述的方法，包括金属合金剂，所述金属合金剂包括铝、镁、硅、钛及其混合物。
32.如权利要求17所述的方法，其中所述填料组合物包括TiO25～50％钠-硅-钛化合物 2～50％熔渣形成剂 1～60％金属合金剂 0～70％。
33.如权利要求31所述的方法，其中所述填料组合物包括TiO25～50％钠-硅-钛化合物 2～50％熔渣形成剂 1～60％金属合金剂 0～70％。
34.如权利要求17所述的方法，其中所述填料组合物包括TiO23～40％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 20～50％金属合金剂 0～55％。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述填料组合物包括TiO23～40％钠-硅-钛化合物 1～55％熔渣形成剂 20～50％金属合金剂 0～55％。
36.一种稳定电弧组合物，在焊接过程中与焊条使用，所述稳定电弧组合物具有降低的吸湿性能使得所述稳定电弧组合物在80和80％相对湿度下96小时以上所吸收的湿气小于大约0.2％，颗粒具有平均的粒径为40～200目，所述稳定电弧组合物包括占主要重量百分比的钛化合物，重量百分比之比为1.1～5∶1钠化合物与钾化合物，以及至少大约1重量％的硅胶。
37.如权利要求36所述的稳定电弧组合物，按照重量百分比包括TiO260～90％硅酸钠 1～20％硅酸钾 1～15％钠化合物1～20％硅胶1～10％其它组分0～5％。
38.如权利要求37所述的稳定电弧组合物，按照重量百分比包括TiO270～90％硅酸钠 4～15％硅酸钾 1～10％钠化合物3～16％硅胶2～6％其它组分0～1％。
39.如权利要求38所述的稳定电弧组合物，按照重量百分比包括TiO270～80％硅酸钠 3.5～10％硅酸钾 1.5～6％钠化合物5～15％硅胶2～5％其它组分0～0.5％。
40.如权利要求36所述的稳定电弧组合物，其中所述稳定电弧组合物在干燥后水含量小于大约0.08重量％。
41.如权利要求36所述的稳定电弧组合物，其中所述稳定电弧组合物具有平均粒径为大约40～200目。
全文摘要
一种药芯焊条，其具有降低的吸湿性能，并且在气保护电弧焊过程中形成低可扩散氢的焊缝。该药芯焊条包括金属鞘和填料组合物。该填料组合物包括二氧化钛、熔渣形成剂和钠－硅－钛化合物。
文档编号B23K9/02GK1846927SQ20061000199
公开日2006年10月18日 申请日期2006年1月23日 优先权日2005年4月5日
发明者拉吉夫·卡提亚 申请人:林肯环球公司