專利名稱：具有包括鋰鋁合金的焊劑的焊條以及制造焊條的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供分別根據(jù)權(quán)利要求1和10的前序部分的焊條和制造焊條的方法。此外，為了獲得改進(jìn)的焊縫性能提供焊條和方法。更特殊地，提供包含鋰鋁合金的焊條和方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的焊條以及制造這樣的焊條的方法已出現(xiàn)多年。然而，盡管這樣的常規(guī)焊條和方法略微阻止氮在焊接工藝期間進(jìn)入焊縫，但它們不足以從焊弧等離子體排除氮以防止鋁熱反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)的消除將會(huì)改進(jìn)焊縫金屬延展性。因此，本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的焊條以及制造焊條的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供分別根據(jù)權(quán)利要求1和10的焊條和制造焊條的方法。依照一個(gè)實(shí)施方案，焊條包括金屬電極部分和相鄰并且附接該金屬電極部分的焊劑部分。焊劑部分包括包含鋰鋁合金的金屬。依照另一個(gè)實(shí)施方案，制造焊條的方法包括將焊劑部分附接金屬電極部分以形成焊條。焊劑部分包括包含鋰鋁合金的材料。進(jìn)一步的實(shí)施方案可從本說(shuō)明書(shū)，權(quán)利要求書(shū)，以及附圖推出。


盡管本說(shuō)明書(shū)以特殊指出并且明顯要求保護(hù)本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)作結(jié)，據(jù)信的是，本說(shuō)明書(shū)將會(huì)通過(guò)以下與附圖結(jié)合的描述被更好地理解，附圖中圖1是鐵-碳相圖的示意圖；圖2是描繪依照一個(gè)實(shí)施方案的焊條的剖視圖；以及圖3是描繪依照另一個(gè)實(shí)施方案的焊條的剖視圖。
具體實(shí)施例方式本文中，多個(gè)實(shí)施方案結(jié)合附圖的圖1至圖3被詳細(xì)地描述，其中相似的數(shù)字(例如110，210)在整個(gè)附圖指示相同的或相應(yīng)的要素。圖1描繪一般地示出鋼的熱力學(xué)有區(qū)別的Y，δ，以及α相的每個(gè)平衡相的鐵-碳相圖。圖1作為幫助進(jìn)一步理解以下涉及如本文中討論的焊條和制造方法的討論的參考被提供。圖2和圖3圖示說(shuō)明焊條110和210的剖面。如圖2圖示說(shuō)明的焊條110，描繪焊劑芯焊條的實(shí)施方案，其中焊劑部分120可以基本上被金屬電極部分130圍繞并且焊劑部分120可以用作焊條110的芯。圖3描繪具有一般地被稱為“手工焊條”(stick electrode) 的結(jié)構(gòu)的的自保護(hù)焊條210，其中金屬電極部分230可以基本上被敷有金屬電極部分230的焊劑部分220圍繞。在每個(gè)如圖2和圖3中圖示說(shuō)明的構(gòu)型中，焊劑部分120和220被采用，以在焊接操作期間為了阻止氮進(jìn)入焊縫金屬提供保護(hù)氣體，這可以通過(guò)保護(hù)焊池在焊接操作期間遠(yuǎn)離空氣來(lái)完成。這些焊條的類型被一般地已知為自保護(hù)焊條。自保護(hù)焊條用于許多不同類型的焊接操作中，如保護(hù)金屬電弧焊(“SMAW”)和焊劑芯電弧焊(“FCAW”)。 在一個(gè)實(shí)施方案中，焊劑部分可以在焊條的從約5%至約50%重量的范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，焊劑部分可以在焊條的從約10%至約30%重量的范圍內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)從焊縫金屬排除氮，常規(guī)的自保護(hù)焊條在焊劑部分，或在金屬電極部分，或者在二個(gè)部分包括一定質(zhì)量的鋁。鋁的存在幫助阻擋氮和氧進(jìn)入焊縫金屬。然而，焊縫金屬中鋁的存在具有閉合鐵-碳相圖上Y環(huán)(loop)的傾向(Y環(huán)在圖1中一般地圖示說(shuō)明)。 歸因于此，鋁的存在趨于限制從δ到Υ到α相的相變。這種限制的結(jié)果是在焊縫金屬結(jié)構(gòu)中生成大的粗顆粒(unrefined grains)，這又導(dǎo)致具有不理想的延展性并且是脆性的焊縫。鋰鋁合金中鋰的存在從焊池蒸發(fā)和移動(dòng)氮和氧。在這種情況中，存在于鋰鋁合金中的鋰可以與氮和氧反應(yīng)形成鋰的氧化物或氮化物。鋰還可以生成金屬蒸氣并且減少焊縫等離子體中氧和氮的分壓。脆性的焊縫在許多應(yīng)用中是不合乎期望的。這樣，焊條需要具有在焊接操作期間阻擋氮進(jìn)入焊縫金屬中并且不閉合或顯著干擾焊縫金屬的相變的組成。在以上一般地討論的焊接過(guò)程中，焊條經(jīng)由材料形成焊劑生成其自身的保護(hù)氣體，以從焊接熔池區(qū)去除氧和氮。保護(hù)氣體由包括在焊劑部分中的在焊接期間分解和/或蒸發(fā)的化合物生成。釋放的氣體降低焊接電弧環(huán)境中氮和氧的分壓以使來(lái)自焊池的氮和氧的吸收降低。在一個(gè)實(shí)施方案中，焊劑部分可以包括包含鋰鋁合金的材料。焊劑部分120和220 中鋰鋁合金的存在提供用于圖2和圖3中圖示說(shuō)明的焊條110和210的鋁的減少。在應(yīng)用 (如焊接)中，鋰鋁合金可以作為脫氮?jiǎng)┖兔撗鮿?，以從焊池消除氮和氧。然而，鋰鋁合金還可以作為脫氮?jiǎng)┖兔撗鮿┒哂凶畹拖薅鹊幕驔](méi)有對(duì)于鐵-碳系統(tǒng)的相變的負(fù)面影響。由此，在一個(gè)實(shí)施方案中，通常會(huì)存在于焊條的焊劑部分中的鋁的至少一些被鋰鋁合金替代。 在一個(gè)實(shí)施方案中，鋰鋁合金可以包括從約0. 5%至約15%的鋰和從約85%至約99. 5%的鋁。在另一個(gè)實(shí)施方案中，鋰鋁合金可以包括從約1. 0%至約5. 0%的鋰和從約87%至約 95%的鋁，其中該鋰鋁合金的剩余部分包括其他的化合物(例如，銅、鎂、錳或鋯)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，鋰鋁合金可以包括具有約2. 45 %的鋰，約0. 12 %的鋯，約1. 3 %的銅，約 0. 95%的鎂和剩余部分鋁的粉末。在焊條的焊劑部分使用的鋰鋁合金可以提供存在于焊條中的鋁的量的減少，而不減少焊條的保護(hù)性能并且在導(dǎo)致的焊縫中沒(méi)有任何不利的冶金學(xué)效應(yīng)。事實(shí)上，由于殘留在焊縫中的鋁的總量被減少，使用依照本文中討論的各種實(shí)施方案的焊條可以導(dǎo)致優(yōu)于常規(guī)焊條的改進(jìn)的冶金學(xué)性能。如以上討論的，存在于焊池中的鋁可以干擾鋼從它的δ相到Υ相到α相的相變。特別地，鋁的存在趨于閉合鐵-碳相圖中的Y環(huán)。這導(dǎo)致焊縫中大的粗顆粒結(jié)構(gòu)的生成，這能夠?qū)е氯狈g性和耐久性的脆性焊縫。由此，常規(guī)的焊條通常最小化在焊接過(guò)程中作為脫氮?jiǎng)┖兔撗鮿┦褂玫匿X的量。取決于焊條的應(yīng)用和類型，常規(guī)的焊條一般地包括在該焊條的從8%至15%的重量的范圍內(nèi)的量的鋁。這些常規(guī)焊條的使用能夠?qū)е略谧罱K焊縫內(nèi)高達(dá)鋁的約1. 5%的重量的焊縫沉積物。然而，由于焊縫沉積物中的鋁的量接近如1. 5%重量的量，最終焊縫可以變?yōu)榇嘈缘牟⑶胰狈ψ銐虻捻g性。具有鋰鋁合金組分的焊條，如在本文中所討論的，可以防止上述不利的冶金學(xué)效應(yīng)，而同樣維持期望的保護(hù)能力。再次說(shuō)明，這是由于在焊接應(yīng)用中作為脫氮?jiǎng)┖兔撗鮿?而不趨于閉合焊縫金屬的Y環(huán)的鋰鋁合金。由此，本文中描述的焊條的實(shí)施方案允許更少的鋁被用于焊條中或使鋁的量被完全地消除，而幾乎沒(méi)有或沒(méi)有危害焊條的保護(hù)性能并且沒(méi)有不利的冶金學(xué)效應(yīng)。事實(shí)上，依照這樣的實(shí)施方案的焊條可以導(dǎo)致優(yōu)于常規(guī)使用的焊條的上佳的冶金學(xué)性能，如焊縫韌性。在一個(gè)實(shí)施方案中，鋰鋁合金可以存在于形成焊條的焊劑部分的材料中。由于鋰鋁合金可以一般為粉末和/或顆粒形式，從制造的視角，將鋰鋁合金置于形成焊條的焊劑部分的材料中是方便的。鋰鋁合金粉末能夠在混合過(guò)程期間被加入到焊條的焊劑部分，以形成被添加到焊條的焊劑部分。然后，焊劑部分在制造過(guò)程期間被添加，以形成最終焊條。 如本文中討論的，焊劑部分能夠基本上被金屬電極部分圍繞，并且用作焊條的芯；或者焊劑部分可以被制造，以基本上圍繞金屬電極部分從而形成焊條。將會(huì)被理解的是，金屬電極部分可以由用于任何可應(yīng)用的焊接應(yīng)用的任何適合的金屬化合物和/或合金形成。而且，焊條可以被制造，以用于許多焊接應(yīng)用，并且，這樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的是，焊條的物理尺寸(例如，焊條的直徑)以及將焊劑部分作為焊條的部分的一體化與已知焊條的這些相似。在一個(gè)實(shí)施方案中，焊劑部分包括直至約15%重量的鋰鋁合金。再進(jìn)一步的實(shí)施方案中，焊劑部分包括直至約10%重量的鋰鋁合金。在再一個(gè)實(shí)施方案中，焊劑部分包括約至約5%重量的鋰鋁合金。在附加的實(shí)施方案中，焊劑部分包括至少約0. 5%重量的鋰鋁合金。當(dāng)然，存在于焊條的焊劑部分的鋰鋁合金的總體百分比可以是焊條類型、期望的性能和構(gòu)造的函數(shù)。例如，理解的是，針對(duì)FCAW的焊條中采用的鋰鋁合金的量可以與針對(duì) SMAff采用的量不同，以達(dá)到相同的或相似的焊縫質(zhì)量和性能。在一個(gè)實(shí)施方案中，鋰鋁合金可以完全地替代總體焊條中的鋁。由此，如果常規(guī)的焊條包括焊劑部分的約10%重量的鋁，焊條的一個(gè)實(shí)施方案能夠包括焊劑部分的約10% 重量的鋰鋁合金，而沒(méi)有添加的鋁。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的是，歸因于各種制造技術(shù)，痕量的鋁可能根據(jù)制造工藝和所用材料存在于焊條中。由此，有意添加的鋁的量可以由鋰鋁合金替代。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，由于本文中討論的益處還可以通過(guò)在總的焊條中使用鋁和鋰鋁合金的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，由鋰鋁合金替代添加的全部量的鋁不是必要的。例如，如果常規(guī)的焊條包括焊劑部分的約10%重量的鋁，一實(shí)施方案可以包括使焊條包括焊劑部分的約 5%重量的鋁和該焊劑部分的約5%重量的鋰鋁合金。還將會(huì)被理解的是，在一個(gè)實(shí)施方案中，所用鋁的重量百分比可以大于焊條中所用鋰鋁合金的重量百分比。要注意的是，取決于鋰鋁合金的反應(yīng)性，應(yīng)用于焊條的鋰鋁合金的百分比可能需要被調(diào)整，以達(dá)到期望的性能。由此，將會(huì)被理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠確定采用的鋰鋁合金的恰當(dāng)?shù)牧?，無(wú)論該鋰鋁合金與鋁組合還是獨(dú)自用于形成特定的焊條。如此，所用鋰鋁合金的總量可以是焊條關(guān)于它的提供所需要的脫氧作用和脫氮作用并且產(chǎn)生具有合乎期望的冶 金學(xué)性能(如韌性)的焊縫的能力的期望的性能的函數(shù)。通過(guò)采用各種實(shí)施方案，焊縫金屬中的鋁的量可以明顯地減少，而沒(méi)有在焊接過(guò)程期間保護(hù)性能的降低。鋁在焊弧和焊池中與氧和氮反應(yīng)，并且由此，Al-N和Al2O3將作為夾雜物形成。這些夾雜物中的一些浮出焊池，而一些保留在焊縫金屬中。事實(shí)上，與鋁形成 Al-N的反應(yīng)在固態(tài)中繼續(xù)進(jìn)行。例如，具有為約1的鋁-比-鋰鋁合金的比率的焊條能夠?qū)е略诤缚p中具有約50%的鋁的減少的焊縫。所以，如果常規(guī)焊條的使用導(dǎo)致具有約1. 5% 重量的鋁的焊縫，本文中描述的焊條的實(shí)施方案可以產(chǎn)生具有約0. 75%重量的鋁的焊縫。 由此，焊縫的冶金學(xué)性能能夠被改進(jìn)，而不犧牲焊條的保護(hù)性能。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，焊條可以包括鋰鋁合金與另一具有鋰源的化合物的組合，所述化合物包括，但不限于，鋁酸鋰，氟化鋰，以及高鐵酸鋰。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中， 焊條的焊劑部分能夠包括約9%重量的鋰鋁合金和約重量的高鐵酸鋰。以上實(shí)施方案和實(shí)施例的描述已出于圖示說(shuō)明和描述的目的呈現(xiàn)。不是意圖為窮盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制到所描述的形式。根據(jù)以上教導(dǎo)，眾多的修改是可能的。這些修改的一些已被討論，并且其他的修改將會(huì)被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。為了最好地圖示說(shuō)明適于特定使用考慮的各種實(shí)施方案，實(shí)施方案被挑選和討論。在此意圖的是，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)限定。參考標(biāo)號(hào)
110焊條
120焊劑部分
130電極部分
210焊條
220焊劑部分
230電極部分
權(quán)利要求
1.一種焊條(110，210)，包括金屬電極部分(130,230)；以及相鄰于且附接到所述金屬電極部分(130，230)的焊劑部分(120，220)，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)包括包含鋰鋁合金的材料。
2.如權(quán)利要求1所述的焊條，其特征在于，所述金屬電極部分(230)包括外表面，且其中所述焊劑部分(220)基本上圍繞所述金屬電極部分O30)的所述外表面。
3.如權(quán)利要求1所述的焊條，其特征在于，所述金屬電極部分(130)界定芯，其中所述焊劑部分(120)位于所述金屬電極部分(130)的所述芯內(nèi)且所述金屬電極部分(130)基本上圍繞所述焊劑部分(120)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)在所述焊條 (110,210)的從約5%至約50%重量的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)在所述焊條(110， 210)的從約10%至約30%重量的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)的所述材料包括直到約15%重量的量的所述鋰鋁合金。
7.如權(quán)利要求6所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)的所述材料包括從約至約5%重量的所述鋰鋁合金。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)的所述材料包括至少約0. 5%重量的量的所述鋰鋁合金。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的焊條，其特征在于，所述焊劑部分(120，220)的所述材料還包括高鐵酸鋰。
10.一種制造焊條(110，210)的方法，所述方法包括附接焊劑部分(120,220)到金屬電極部分(130,230)以形成焊條(110,210),其特征在于，使用包括包含鋰鋁合金的材料的焊劑部分(120，220)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述金屬電極部分(230)包括外表面，且其中附接所述焊劑部分(120)的步驟包括用所述焊劑部分(220)基本上圍繞所述金屬電極部分Q30)的所述外表面。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述金屬電極部分(130)界定芯，且其中附接所述焊劑部分(120)的步驟包括使所述焊劑部分(120)位于所述金屬電極部分(130) 的所述芯內(nèi)以使所述金屬電極部分(130)基本上圍繞所述焊劑部分(120)。
全文摘要
提供了一種焊條(110，210)以及制造所述焊條的方法。所述焊條(110，210)可以包括焊劑部分(120，220)，所述焊劑部分(120，220)具有可以包括鋰鋁合金的材料。
文檔編號(hào)B23K35/362GK102176997SQ200980140503
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者J·M·基根 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球股份有限公司