專利名稱：添加稀土鋁化物以改進(jìn)自保護(hù)焊條的性能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
與本發(fā)明相一致的裝置、系統(tǒng)和方法涉及改進(jìn)自保護(hù)焊條的焊接性能的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
從自保護(hù)焊條引入焊接以來，所述自保護(hù)焊條的使用迅速地發(fā)展。自保護(hù)焊條在 許多不同類型的焊接操作中被使用，例如保護(hù)的金屬極電弧焊(“SMAW”)和焊劑芯電弧焊 (“FCAW”)。這些焊接方法的許多優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的，本文將不再重復(fù)。在這些焊接方法 的每一個中，焊條通過焊劑產(chǎn)生它自己的保護(hù)氣體，以從焊接熔池區(qū)域移除氧和氮并且“滅 殺”熔池。保護(hù)氣體由包含在焊接焊劑中的化合物產(chǎn)生，所述化合物在焊接期間分解。釋放 的氣體降低氮和氧在焊弧環(huán)境中的分壓，由此降低由熔池對氮和氧的吸收。從焊接熔池移除氧和氮和“滅殺”熔池的需要及其原因也是眾所周知的。為了實現(xiàn)從焊接金屬移除氧和氮，傳統(tǒng)自保護(hù)焊條在焊劑或金屬電極或兩者中都 包含一定數(shù)量的鋁。鋁的存在有助于防止焊接金屬接觸氮和氧，以及“滅殺”熔池。具體地， 添加的鋁通過與氮反應(yīng)生成氮化鋁來幫助從熔池取走氮。接著，一些氮化鋁浮出熔池，同時 一些氮化鋁殘存在焊接金屬內(nèi)。然而，鋁的使用不是沒有它的缺點(diǎn)。具體地，參見

圖1，鋁在焊接金屬中的存在有關(guān)閉鐵-碳相圖上Y環(huán)(gamma loop) 的趨勢。由于這個原因，鋁的存在趨向于限制從δ到Υ到α相的相變。這種限制的結(jié)果 是在焊接金屬的結(jié)構(gòu)中生成大的粗晶粒。大的粗晶粒結(jié)構(gòu)在焊接金屬中的存在導(dǎo)致具有差 延展性的焊縫，即焊縫是脆性的。在許多應(yīng)用中，脆性焊縫是不合期望的。因此，需要這樣的焊條組合物，即防止氮和氧進(jìn)入焊接金屬并且不會關(guān)閉或顯著 干涉焊接金屬中的相變。

發(fā)明內(nèi)容
出乎意料地，所述問題可以通過提供具有權(quán)利要求1的特征的焊接焊條來解決。 權(quán)利要求8和13公開優(yōu)選的實施方案。本發(fā)明的不同示例性實施方案在從屬權(quán)利要求中 限定并且將在下面詳細(xì)討論。依據(jù)本發(fā)明實施方案的焊接焊條包含金屬電極部分和鄰近金 屬電極部分的焊劑部分。金屬電極部分和焊劑部分中的至少一個包含稀土鋁化物。附圖簡要說明通過參考附圖對本發(fā)明的示例性實施方案的詳細(xì)描述，本發(fā)明的以上和/或其他 方面將更加清晰，其中圖1示出鐵-碳相圖的示意性表示；以及圖2Α和2Β示出依據(jù)本發(fā)明實施方案的焊條的橫截面的示意性表示。
具體實施例方式下面參考附圖來描述本發(fā)明的示例性實施方案。描述的示例性實施方案旨在輔助理解本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。類似的標(biāo)號在整個附圖中表示 類似的要素。 圖1描述鐵-碳相圖，示出鋼在熱力學(xué)上有區(qū)別的Y、δ和α相的每一個平衡 相。由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了解鐵-碳相圖中說明的信息，本文將省略詳細(xì)的討論。圖 1僅僅作為參考，以有助于進(jìn)一步理解本發(fā)明的以下討論。現(xiàn)在轉(zhuǎn)至圖2Α和2Β，描述自保護(hù)焊接焊條100/200的橫截面。在圖2Α中，焊 條100是焊劑芯焊條，其中焊劑芯101被金屬電極部分103圍繞。圖2Β描述經(jīng)常被稱為 “手工焊條(stick electrode)”的自保護(hù)焊條200，其中金屬芯電極部分203被焊劑覆層 (coating) 201圍繞。在每一個構(gòu)型中，焊劑101/201被采用以在焊接操作期間建立保護(hù)氣 體，以尤其是從焊接金屬移除氧和氮。這個是通過保護(hù)熔池遠(yuǎn)離空氣來完成的。應(yīng)注意的 是，焊條的整體實際尺寸(例如直徑等)與已知焊條的尺寸相似，并且在這方面本發(fā)明是非 限制性的。在本發(fā)明的實施方案中，焊劑101/201和電極部分103/203中的至少一個包含稀 土鋁化物。在本發(fā)明中，稀土鋁化物在焊劑101/201和/或電極部分103/203中的存在允 許存在于焊條100/200中的鋁的整體減少。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，稀土鋁化物在例如焊接的應(yīng)用中充 當(dāng)脫氮劑和脫氧劑，用以從熔池清除氮和氧(和鋁的作用一樣)。然而，還發(fā)現(xiàn)充當(dāng)脫氮劑 和脫氧劑的稀土鋁化物對鐵_碳體系的相變具有最小的或沒有負(fù)面影響。因此，在本發(fā)明 的實施方案中，至少一些通常在焊條中存在的鋁被至少一種稀土鋁化物取代。在本發(fā)明中，稀土鋁化物的使用允許在整個焊條100/200中鋁的量減少，而沒有 降低焊條的保護(hù)性能并且對從而發(fā)生的焊縫沒有不利的冶金學(xué)影響。實際上，由于減少了 在焊縫中殘存的鋁的總量，使用依據(jù)本發(fā)明各種實施方案的焊條將導(dǎo)致優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)焊條 的改進(jìn)的冶金特性。正如在前所討論的，鋁在熔池中的存在能夠干涉鋼從其δ相到Υ相到α相的相 變(參見圖1)。特別地，鋁的存在趨向于關(guān)閉鐵-碳相圖(圖1)上的Y環(huán)。這導(dǎo)致在焊 縫中生成大的粗晶粒結(jié)構(gòu)，所述大的粗晶粒結(jié)構(gòu)導(dǎo)致焊縫缺乏韌性和耐久性(即，焊縫會 是脆性的)。然而，在現(xiàn)有的焊條中需要最少量的鋁來在焊接過程期間充當(dāng)脫氮劑和脫氧 劑。通過采用本發(fā)明的焊條，避免和/或消除了上述不利的冶金學(xué)影響，同時維持期 望的焊條保護(hù)能力。再次地，這是因為業(yè)已發(fā)現(xiàn)，稀土鋁化物在焊接應(yīng)用中充當(dāng)脫氮劑和脫 氧劑且不趨向于關(guān)閉焊接金屬的Y環(huán)。因此，本發(fā)明允許要在焊條中使用的鋁的量被減少 或被消除，同時在焊條的保護(hù)性能方面幾乎沒有或沒有妥協(xié)并且沒有不利的冶金學(xué)影響。 實際上，依據(jù)本發(fā)明實施方案的焊條可以導(dǎo)致優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)焊條的優(yōu)秀的冶金特性，例如 焊縫韌性。在本發(fā)明的實施方案中，稀土鋁化物可以選自但不限于以下中的任何一種鋁化 鈰(CeAl)、鋁化鑭(La Al)、鋁化釹(Nd Al)、鋁化鋰(Li Al)、鋁化鐵鈰(Fe Ce Al)、鐵鈰 (Fe Ce)或任何其他稀土鋁化物或其他稀土合金。本發(fā)明還預(yù)期采用上述參考的稀土鋁化 物、其他稀土鋁化物和稀土合金的組合。在本發(fā)明的再一實施方案中，焊條100/200包含多種稀土鋁化物、一種稀土合金 和/或稀土硅化物的組合，包括但不限于前面所指的那些。采用的稀土鋁化物組合以及使用的每種稀土鋁化物的比率是性能和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，并且在本領(lǐng)域技術(shù)人員的水平和知 識內(nèi)。此外，在本發(fā)明的另一個實施方案中，稀土鋁化物可以與稀土硅化物組合。例如，在 本發(fā)明的實施方案中，鋁化鈰與稀土硅化物組合并且被添加到焊劑材料/電極。由于硅的 存在，應(yīng)該限制稀土硅化物的使用。但是，在非限制示例性實施方案中，占焊劑重量的直到 約的稀土硅化物和占焊劑重量的直到約6%的稀土鋁化物被采用。當(dāng)然，本發(fā)明不限于 這些被確定的百分?jǐn)?shù)，因為這些百分?jǐn)?shù)的意圖本質(zhì)上是示例性的。采用的組合和/或百分 數(shù)是性能和設(shè)計參數(shù)的函數(shù)。
在本發(fā)明的一實施方案中，稀土鋁化物或其組合僅在焊條100/200的焊劑 101/201中存在。在本發(fā)明的另一個實施方案中，至少部分稀土鋁化物在焊條100/200的電 極部分103/203中存在。由于稀土鋁化物經(jīng)?？梢砸苑勰┖?或顆粒形式獲得，從可制造 性上考慮，稀土鋁化物在焊條100/200的焊劑101/201中的布置是最便利的。在這樣的實 施方案中，稀土鋁化物粉末可以在焊劑混合過程期間被添加到焊劑，并且接著在制造過程 期間被添加到焊條100/200。然而，在這個方面，本發(fā)明不受限制，并且稀土鋁化物可以在電 極部分103/203的制造期間僅被添加到電極部分103/203。再有，如上文指出的，稀土鋁化 物或多種稀土鋁化物的組合可以在焊劑101/201和電極部分103/203各自的制造步驟期間 被添加到焊劑101/201和電極部分103/203兩者?，F(xiàn)有的焊接焊條可以具有占焊劑重量的直到約12%的鋁。其他焊條取決于焊條的 應(yīng)用和類型可以具有8到15%重量范圍的量的鋁。這些現(xiàn)有焊條的使用可以導(dǎo)致焊接沉積 物具有約1. 12%重量的鋁，并且一些焊條的使用導(dǎo)致焊接沉積物具有高達(dá)約1. 5%重量的 鋁。然而，已知當(dāng)鋁在焊接沉積物中的量接近占焊接沉積物重量的約1. 5%或更高時，焊縫 趨向于變脆并且缺乏需要的韌性。通過采用本發(fā)明的焊條100/200，可以減少在焊接沉積物中從而發(fā)生的鋁的量，由 此提供具有改進(jìn)的冶金特征(例如韌性)的焊縫。在本發(fā)明的實施方案中，稀土鋁化物完全取代整個焊條中的鋁。因此，如果現(xiàn)有焊 條包含占焊劑重量的約10%的鋁，依據(jù)本發(fā)明的焊條將包含約10%重量的稀土鋁化物，并 且沒有添加的鋁。在本發(fā)明的再一實施方案中，焊條包含稀土鋁化物與另一稀土合金的組 合。例如，在本發(fā)明的非限制性實施方案中，焊條包含占焊劑重量的約9%的稀土鋁化物和 占焊劑重量的約的稀土硅化物。當(dāng)然，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，由于不同制造技術(shù)，由于制造工藝和使用材料的 影響，微量的鋁可能存在于焊條中。為了上述實施方案的目的，本發(fā)明預(yù)期用稀土鋁化物來 取代的是有意添加的鋁的量。在本發(fā)明的再一實施方案中，由于本發(fā)明的益處可以通過在整個焊條中使用鋁和 稀土鋁化物的組合來獲得，不必要用一種或多種稀土鋁化物取代添加鋁的全部量。例如，如 果現(xiàn)有技術(shù)焊條包含占焊劑重量的約10%的鋁，本發(fā)明的實施方案可以包含約5%重量的 鋁和約5%重量的稀土鋁化物。注意，取決于稀土鋁化物和其組分(例如鈰)的反應(yīng)性，稀土鋁化物的百分?jǐn)?shù)可能 需要調(diào)整以獲得期望的性能。這在本領(lǐng)域技術(shù)人員的水平內(nèi)的。例如，為獲得具有約10% 重量的鋁的焊條的相似性能，取決于稀土鋁化物(也就是鈰)的反應(yīng)性，可能需要采用具有 約5%重量的鋁和約6%重量的稀土鋁化物的焊劑。以不同的方式來表述，取決于稀土鋁化物的反應(yīng)性，現(xiàn)有焊條中使用的鋁的量和依據(jù)本發(fā)明使用的稀土鋁化物/合金之間沒有必 要是“1對1 (one-to-one)，，的比率。確定采用的稀土鋁化物的適當(dāng)?shù)牧?、稀土鋁化物是與 鋁、其他稀土合金結(jié)合或是單獨(dú)使用在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識和水平內(nèi)的。針對稀土鋁化物提供需要的脫氧作用和脫氮作用以及生產(chǎn)具有合乎期望的冶金 特性(例如韌性)的焊縫的能力，使用的稀土鋁化物的總量可以是焊條100/200的期望性 能的函數(shù)。由于稀土鋁化物通常比鋁貴，預(yù)期本發(fā)明的實施方案將具有大于1的鋁對稀土 鋁化物比率。即，使用的鋁的重量％大于使用的稀土鋁化物的重量％。通過采用本發(fā)明的各種實施方案，可以明顯減少焊接金屬中鋁的量，而不降低保 護(hù)性能。例如，具有約1的鋁對稀土鋁化物比率的焊條可以導(dǎo)致這樣的焊縫，即焊縫中的鋁 減少約50%。就是說，如果使用現(xiàn)有焊條導(dǎo)致 具有約1. 12%重量的鋁的焊縫，本發(fā)明的實 施方案可以產(chǎn)生具有約0. 56%重量的鋁的焊縫。這改進(jìn)了焊縫的一些冶金特性，且沒有犧 牲焊條的保護(hù)性能。因此，在本發(fā)明的實施方案中，焊條100/200可以具有占焊劑重量的直到約15 % 的稀土鋁化物。在再一實施方案中，焊條100/200包含占焊劑重量的直到約10%的稀土鋁 化物。在另一實施方案中，焊條100/200包含占焊劑重量的約到約5%的稀土鋁化物。 在本發(fā)明的附加實施方案中，特別地，a.)焊條或b.)電極部分或c.)焊劑部分或d.)電極 和焊劑部分包含占焊劑重量的至少約0. 5%的稀土鋁化物。再有的實施方案包含占焊劑重 量的約0. 5%到約15%之間的稀土鋁化物、約0. 5%到約10%的稀土鋁化物和約0. 5%到約 5%的稀土鋁化物。當(dāng)然，在焊條中存在的總百分?jǐn)?shù)是焊條類型、期望的性能和結(jié)構(gòu)的函數(shù)， 并且是那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確定的。例如，被理解的是，在FCAW中采用的稀土鋁化 物的量可以與在SMAW中采用的量不同，以獲得相同或相似的焊縫品質(zhì)和性能。優(yōu)選是焊接 焊條，其中所述焊條(100/200)包括占焊劑部分(101/201)重量的約0.5%和約15%之間 的所述稀土鋁化物、更優(yōu)選的是在約0. 5%和約10%重量之間、最優(yōu)選的是在約0. 5%和約 5%重量之間。在其他實施方案中，所述焊劑部分包含占所述焊劑部分重量的約0. 5%到約 15%之間的稀土鋁化物、占焊劑部分重量的約0. 5%和約10%之間或約0. 5%和約5%之間 的所述稀土鋁化物。在本發(fā)明的所有實施方案中，所述金屬電極部分和焊劑部分中的至少 一個還可以包括稀土合金或包括稀土硅化物。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實施方案具體示出和描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限 于這些實施方案。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以做出形式上和細(xì)節(jié)上的各種改變而不 背離如所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。參考標(biāo)號100 焊條101焊劑芯103電極部分200 焊條201 焊劑203電極部分
權(quán)利要求
1.一種焊接焊條(100/200)，包括金屬電極部分(103/203)，以及焊劑部分(102/201)，所述焊劑部分鄰近所述金屬電極部分，其中，所述金屬電極部分和/或焊劑部分中的至少一個包含稀土鋁化物。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接焊條，其中所述稀土鋁化物選自包括鋁化鈰、鋁化鑭、鋁化 釹、鋁化鋰、鋁化鐵鈰、鐵鈰和其組合的組。
3.如權(quán)利要求1所述的焊接焊條，其中所述金屬電極部分(103/20 和焊劑部分 (101/201)中的至少一個還包括稀土合金。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的焊接焊條，其中所述金屬電極部分(103/203)和 焊劑部分(101/201)中的至少一個還包括稀土硅化物。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的焊接焊條，其中所述稀土鋁化物被包含在所述焊 劑部分(101/201)中。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的焊接焊條，其中所述焊條(100/200)包括占焊劑 部分(101/201)重量的至少約0.5%的所述稀土鋁化物。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的焊接焊條，其中所述焊條(100/200)包括占焊劑 部分(101/201)重量的約0.5%和約15%之間的所述稀土鋁化物。
8.一種焊接焊條(100/200)，包括金屬電極部分(103/203)，以及焊劑部分(101/201)，所述焊劑部分鄰近所述金屬電極部分，其中所述電極部分和/或焊劑部分中的至少一個包含占所述焊劑部分重量的約0. 5% 到約15%之間的稀土鋁化物，并且其中所述稀土鋁化物選自包括鋁化鈰、鋁化鑭、鋁化釹、鋁化鋰、鋁化鐵鈰、鐵鈰和其組 合的組。
9.如權(quán)利要求8所述的焊接焊條，其中所述金屬電極部分(103/20 和焊劑部分 (101/201)中的至少一個還包括稀土合金。
10.如權(quán)利要求8至9所述的焊接焊條，其中所述金屬電極部分(103/20 和焊劑部分 (101/201)中的至少一個還包括稀土硅化物。
11.如權(quán)利要求10所述的焊接焊條，其中所述稀土鋁化物被包含在所述焊劑部分 (101/201)中。
12.如權(quán)利要求10所述的焊接焊條，其中所述焊條(100/200)包括占焊劑部分 (101/201)重量的約0.5%和約10%之間的所述稀土鋁化物。
13.一種焊接焊條(100/200)，包括金屬電極部分(103/203)，以及焊劑部分(101/201)，所述焊劑部分鄰近所述金屬電極部分，其中所述焊劑部分包含占所述焊劑部分重量的約0. 5%到約15%之間的稀土鋁化物，并且其中所述稀土鋁化物選自包括鋁化鈰、鋁化鑭、鋁化釹、鋁化鋰、鋁化鐵鈰、鐵鈰和其組 合的組。
14.如權(quán)利要求13所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101/201)包括占所述焊劑部分重量的約0. 5%和約10%之間的所述稀土鋁化物。
15.如權(quán)利要求13或14所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101/201)包括占所述焊 劑部分重量的約0. 5%和約5%之間的所述稀土鋁化物。
全文摘要
提供了自保護(hù)焊接焊條(100/200)和制造所述自保護(hù)焊接焊條的方法。所述自保護(hù)焊接焊條包含稀土鋁化物，所述稀土鋁化物在焊條的焊劑或電極部分中。所述自保護(hù)焊接焊條包含占所述焊劑重量的至少約0.5％的稀土鋁化物。
文檔編號B23K35/362GK102076457SQ200980124700
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者J·M·基根 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司