專利名稱：：高強度電焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電弧焊技術(shù)，尤其涉及用于在工件上沉積金屬的焊鋼焊條的新型氣體保護金屬極電弧焊(SMAW)，并涉及在其成分中具有少量鉻的高強度SMAW焊條，其中該電弧焊具有在85ksi到125ksi的一般范圍內(nèi)的抗屈強度、而且抗屈強度對沉積熔融金屬的冷卻速率具有降低的靈敏度。
背景技術(shù)：
：在許多軍用與一些商用中，SMAW焊條以生成高抗屈強度的的方式執(zhí)行焊接。這些應(yīng)用中所使用的焊條必須生成在85ksi到125ksi的一般范圍內(nèi)的抗屈強度。為了達到這種高抗屈強度，電焊條的涂層必須含有諸如鎳、錳和鉬的相當(dāng)量的合金添加劑。對于任意給定合金，抗屈和抗張強度都取決于冷卻速率，因為冷卻速率與特定鋼合金的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT)相關(guān)。金屬焊珠的強度和冷卻速率靈敏度都與成分、鋼的碳含量以及熔融和固化的焊接金屬的實際冷卻速率相關(guān)。已了解到冷卻速率根據(jù)工件的厚度和預(yù)熱、以及氣體保護金屬極電弧焊工藝中所使用的電能量急劇變化。期望最小化抗屈強度對不同冷卻速率的靈敏度，同時保持焊接金屬的合金成分，從而可在合成焊接中確保在85ksi到125ksi范圍內(nèi)的高抗屈強度。因此，需要制造最小化冷卻速率靈敏度的電焊條，從而合成焊接落在用于極高冷卻速率和極低冷卻速率兩者的高抗屈強度規(guī)范內(nèi)。另外，當(dāng)前用于焊接高強度鋼的所有高強度焊條都將鉻(Cr)添加到焊條成分中以增加焊接的抗張和抗屈強度。然而，因為Cr被添加到焊條成分中，所以在焊接期間，Cr作為煙氣排出。這些鉻排放物可能是有害的，因而導(dǎo)致職業(yè)安全與保健管理總署(OSHA)和美國焊接協(xié)會(AWS)命令限制焊接煙氣中存在的六價鉻的量。因此，需要能被用來生成未將Cr添加到焊條成分中的高強度電焊條
發(fā)明內(nèi)容在本申請中所討論了的本發(fā)明的兩個方面，第一方面涉及最小化抗屈強度對冷卻速率的靈敏度、同時獲得高抗屈強度焊接金屬沉積的氣體保護金屬極電弧焊焊條，而第二方面涉及并非有意將Cr添加到焊條成分中從而導(dǎo)致具有高強度的低Cr焊接沉淀。以下討論涉及本申請中所討論的本發(fā)明的第一方面。在最小化合成焊接金屬的冷卻速率靈敏度的同時，焊條仍在最終抗屈強度上滿足軍用規(guī)范。因而，焊條落在可適用的軍用規(guī)范內(nèi)，并使用新型合金組成。這種組成在焊接金屬沉積中生成最低可能的碳當(dāng)量，同時在使用新型焊條以用生成低冷卻速率的焊接參數(shù)在工件上焊接時，仍滿足最小強度要求。這種焊接操作導(dǎo)致在工件相對薄時，板被加熱到諸如約為300下的高層間溫度。這種焊接具有低冷卻速率。新型焊條仍生成具有在85ksi到125ksi的規(guī)范范圍內(nèi)的抗屈強度的焊接金屬。因而，甚至在為焊接金屬固有地提供最小抗屈強度的低冷卻溫度下，使用當(dāng)前焊條的合成焊接金屬也落在期望強度范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的新型焊條允許以低冷卻速率焊接，因為焊條的冷卻速率靈敏度得到最小化。在一類似方式中，當(dāng)使用了高冷卻速率時，新型焊條仍實現(xiàn)高抗屈強度，但并非為極高的抗屈強度。因而，本發(fā)明涉及不管由高溫造成低冷卻速率、還是使用高能量以及小于在低溫下用于焊接寒冷工件的最大抗屈強度來焊接薄工件而由此導(dǎo)致高冷卻速率，都可獲得至少最小抗屈強度的新型焊條。根據(jù)本發(fā)明，這里提供了用于在工件上沉積高強度金屬悍珠的一種焊條，其中不管冷卻速率如何，焊接金屬的抗屈強度都在85ksi與125ksi之間。焊條具有以重量計為0.80-1.85%的錳、以重量計為0.25-0.50%的鉬、以重量計為1.25-2.5%的鎳以及以重量計少于0.07%的碳。碳、錳和鉬的相對比例被調(diào)節(jié)成提供0.17-0.30范圍內(nèi)的碳當(dāng)量。碳當(dāng)量最好是在0.20-0.22范圍內(nèi)。這樣，電焊條最小化碳當(dāng)量，同時使用正常量的碳、錳和鉬來生成高強度焊接金屬。這種焊條被用于諸如規(guī)范MIL-E-22200/10C的軍事應(yīng)用。焊條的焊芯具有在3/32-5/32英寸的一般范圍內(nèi)的直徑。新型焊條具有低冷卻速率靈敏度，從而焊接金屬的強度對冷卻速率通常不靈敏。新型焊條的這種特性通過以下兩個來提供證明在相對薄的工件上使用高溫?zé)彷斎牒窏l，即高能量工藝具有低冷卻速率；以及使用生成高冷卻速率的低熱輸入在厚工件上進行小電流工藝。這些冷卻速率的兩種極端導(dǎo)致了焊接金屬落在可適用的軍用規(guī)范期望的高抗屈強度要求內(nèi)。因而，不管高冷卻速率還是低冷卻速率，使用新型電焊條的焊接金屬沉積都落在軍用規(guī)范的抗屈強度內(nèi)。因此，不管工件還是焊接參數(shù)，合成焊接金屬的抗屈強度仍在約為88ksi到122ksi的范圍內(nèi)。最小化冷卻速率靈敏度的能力通過最小化焊條的碳當(dāng)量、同時仍保持獲得合成焊接金屬的高抗屈強度所需的合金成分來實現(xiàn)。碳當(dāng)量通過包括碳含量、錳含量、鉬含量以及鎳含量的Pcm公式來定義。其它合金組分的量為最小值，并且對所計算的碳當(dāng)量具有較小的影響。碳含量是碳當(dāng)量最大的貢獻者。因為本發(fā)明涉及具有較大量的錳、鉬和鎳的鋼合金，所以這些組分對用于固定碳當(dāng)量的碳來說是主要因素。使用錳、鉬和鎳允許實際碳元素被減至小于以重量計為焊接金屬的0.050%，同時仍獲得高抗屈強度和較高的碳合金。本發(fā)明的碳當(dāng)量被最小化至小于給定值，由此由高冷卻速率導(dǎo)致的高強度小于可適用的軍用規(guī)范的最大可允許抗屈強度。因為碳當(dāng)量僅僅略受到鎳的影響，所以用來調(diào)節(jié)碳當(dāng)量并且也為高抗屈強度所必需的兩個主要元素是錳和鉬。錳是強脫氧劑；因此，合成焊接金屬合金中的錳通過焊接過程來減少。因此，錳對合成碳當(dāng)量的影響略為無法預(yù)測。認識到這個事實，本發(fā)明在協(xié)調(diào)元素以生成低碳當(dāng)量時，著重于錳的增加和鉬的減少。然而，不能從焊條中徹底消除錳，因為需要(用)它來使合成焊接金屬脫氧。換言之，本發(fā)明涉及低碳量并控制錳和鉬的量，以便不使用碳就在沉積焊接金屬中生成低碳當(dāng)量。合成焊接金屬的冷卻速率靈敏度隨著碳當(dāng)量的減小而降低。錳被包含在沉積焊接金屬中以確保最小抗屈強度，然后添加鉬以獲得期望的可預(yù)測的低碳當(dāng)量。這樣，碳當(dāng)量被最小化，但是強度保持在大于88ksi的水平。已了解到碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)在0.18到0.30的一般范圍內(nèi)，并且在一示例性實施例中減小至0.20到0.22的范圍。這種低碳當(dāng)量通過調(diào)節(jié)錳鉬比來獲得，從而這個比值在2-7比1的一般范圍內(nèi)，并且在一示例性實施例中在3-4到1的范圍內(nèi)。這個比值生成期望抗屈強度和低碳當(dāng)量，以降低合成焊接金屬的冷卻速率靈敏度。在本發(fā)明的另一個方面，焊接金屬的碳含量在以重量計為0.03%到0.05%的范圍內(nèi)。對于具有最大值為0.07%的碳(含量)的規(guī)范來說，這是相對低量的。通過使用低碳量并通過控制錳和鉬的量獲得碳當(dāng)量，碳當(dāng)量被選擇成獲得期望高抗屈強度。根據(jù)本發(fā)明，碳當(dāng)量通過減少碳并控制錳鉬比來減小。使用工件的層間加熱來測試本發(fā)明的效能；然而，在使用根據(jù)本發(fā)明所配制的焊條時，并非必需、本發(fā)明的一個方面是用于將所沉積的金屬焊珠中的錳鉬比控制在2-7比1的范圍內(nèi)的SMAW焊條。這結(jié)合了其中焊接金屬的碳以重量計小于0.05%的低水平的碳。這樣，焊接金屬中的碳當(dāng)量被減至約小于0.3;然而，為了最小化碳當(dāng)量，它被減至0.17到0.22的一般范圍。碳當(dāng)量為最小值而同時仍使用可適用的軍用規(guī)范的期望合金導(dǎo)致了高抗屈強度具有極低的冷卻速率，甚至在由熱量和工件決定的焊接過程中。本發(fā)明的另一個方面提供了使用SMWA焊條在工件上焊接的一種方法。焊條用于沉積具有以重量計為0.80-1.85%的錳、以重量計為0.25-0.50%的鉬以及以重量計小于0.07%的碳、并具有在0.17到0.30的一般范圍內(nèi)的碳當(dāng)量的金屬焊珠。碳當(dāng)量將被最小化，并且在本發(fā)明的以實施例中為0.20-0.22。這種方法包括使用生成30-60kJ/in的熱輸入范圍的電能熔化焊條并沿工件移動該焊條，同時焊條被熔化并沉積在工件上。錳鉬比在2-7比1的范圍內(nèi)。本發(fā)明也提前將工件預(yù)熱至規(guī)范所需的IOO下到300下的一般范圍內(nèi)的一溫度。在本發(fā)明的焊條中，硬化度主要通過增加鉬而非錳來獲得。在焊接期間，鎳和鉬被回收。將鉬增加到焊條同時減少錳，以使合成焊接金屬獲得給定抗屈強度。已在兩個極端條件下測試了提供滿足可適用的軍用規(guī)范的沉積焊接金屬的焊條。第一條件包括使用300下的層間溫度和55kJ/in的熱輸入在3/4英寸的板上進行平焊位置(1G)中的具有低冷卻速率的熱焊。所測試的另一極端條件包括使用125下的層間溫度和31kJ/in熱輸入在1英寸的板用垂直進給進行立焊位置(3G)中的具有高冷卻溫度的冷焊。這兩個極端條件的測試示出了對沉積焊接金屬使用低碳當(dāng)量、同時仍保持合成焊接金屬的期望抗屈強度的益處。焊接強度對兩個極端條件測試的約束是最小容許抗屈強度為88ksi，而最大容許抗屈強度為122ksi。使用將各個焊條控制的熱輸入控制在4.0kJ/in的目標(biāo)熱輸入內(nèi)、同時沿焊道的熱輸入保持在2.0kJ/in的期望焊接熱輸入內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行這兩個測試。兩個極端條件測試證實了減小焊接金屬的碳當(dāng)量降低了冷卻速率對合成焊接金屬的抗屈強度的影響。焊接金屬將其合金配方保持成與可適用軍用規(guī)范中所定義的一樣。本發(fā)明的一個目的是提供一種用于其中沉積焊接金屬的抗屈強度將在約為85ksi與125ksi之間的應(yīng)用的SWAW焊條。焊條的合金成分被保持成在焊接金屬中獲得這種抗屈強度；然而，按比例調(diào)節(jié)錳和鉬以減小和最小化由焊條沉積的焊接金屬的碳當(dāng)量。這樣，焊接金屬對冷卻速率具有相對低的靈敏度，并且通過熱輸入和工件約束確定的冷卻速率不會導(dǎo)致抗屈強度偏離規(guī)范。為了使用各種熱輸入和各種工件約束進行焊接起見，本發(fā)明上述方面的又一個目的是提供使用如上所定義的焊條的一種方法。以下的討論將立刻轉(zhuǎn)到本發(fā)明的第二方面。本發(fā)明的第二方面涉及高強度氣體保護金屬極電弧焊(SMWA)焊條，該焊條至少滿足商用的美國悍接學(xué)會(AWSA5.5)E110118M分類規(guī)范、以及軍用的軍用規(guī)范MIL-E-22200/lF，但是不將Cr添加到焊條成分中。本發(fā)明的此方面的一實施例提供了具有85與125ksi之間的抗屈強度的焊接強度，而本發(fā)明的此方面的另一個實施例提供另外超過110ksi的最大抗張強度和在98到110ksi之間的抗屈強度(0.2。/。YS)的焊接強度，同時由于未將Cr添加到焊條組分中從而具有低Cr含量。另外，類似于前述實施例，本發(fā)明的此實施例通過控制焊接金屬的碳當(dāng)量來最小化合金和強度變化。本發(fā)明的一個實施例實現(xiàn)了無Cr沉積，該沉積通過堆焊中包括碳(C)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鎳(Ni)和釩(V)的其它合金的平衡來滿足AWSA5.5El1018M分類。根據(jù)以下描述以及附圖，這些和其它目的及優(yōu)點將變得顯而易見?；趫D中示意性描述的本發(fā)明的示例性實施例，將更全面地呈現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點、特性和各種附加特征，其中圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一方面、在使用具有低熱輸入的冷板以在沉積焊接金屬中生成高冷卻速率時的測試工件的部分橫截面視圖。圖1B是類似于圖1A的視圖，其中測試工件進行預(yù)熱，并且高焊接能量被用來對于生成低冷卻速率焊條沉積的焊接金屬。圖2是被用來在根據(jù)本發(fā)明的任一方面構(gòu)造的焊條上執(zhí)行兩個測試的一些焊條的碳當(dāng)量與焊接金屬的抗屈強度之間的關(guān)系曲線圖，它示出了降低碳當(dāng)量、降低焊接金屬對冷卻速率的靈敏度的參數(shù)的影響，以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二方面一實施例的焊條的一實施例的截面。具體實施方式如上所述，本申請涉及本發(fā)明的兩個方面。以下立即闡述的討論涉及本發(fā)明的第一方面，而隨后將更詳細地討論第二方面。第一方面本發(fā)明的第一方面涉及新型電焊條，該焊條具有合金組分以沉積由軍用規(guī)范定義的焊接金屬，從而生成具有88ksi到122ksi之間的抗屈強度的焊接金屬。這種新焊條沉積具有如由Pcm公式所定義的降低碳當(dāng)量的焊接金屬，從而焊接金屬對冷卻速率中的變化具有低靈敏度。此公式是尸cw=C+—+-+——H--+5530201560為了測試這種新焊條的功效，已采用了兩個極端條件測試過程。第一極端條件測試過程使用圖1A示意性示出的工件。在此測試過程中，帶有兩個板12、14的工件10具有厚度a并具有墊模板16。厚度a被選擇成1.0英寸。在此第一測試中，執(zhí)行第一極端焊接過程，其中工件相對較厚，并且低焊熱被用來生成極高冷卻速率。這種高冷卻速率在具有給定碳含量的特定沉積鋼中生成高抗屈強度。在第一極端條件測試下，工件10具有125下的層間溫度。對具有不同碳當(dāng)量的許多焊條進行測試。低熱輸入被用在各個焊條的焊接過程中以沉積焊接金屬通道20。與這種新型焊條一起使用的熱輸入被設(shè)置成大約產(chǎn)生30kJ/in。因而，各個焊條的沉積焊接金屬通道20易于具有高冷卻速率。為了測試新型焊條的其它極端冷卻速率，使用如圖1B所示的工件30進行第二測試。在此第二極端冷卻速率，通過預(yù)熱由各自具有厚度b的薄板32、34和墊模板36形成的工件30獲得低冷卻速率。在第二測試中，厚度b為3/4英寸。將工件30預(yù)熱至300下的層間溫度，并結(jié)合使用51-55kJ/in的高焊熱來對具有不同碳當(dāng)量的一些焊條設(shè)置焊接金屬通道40。在兩個極端測試的每一個中，或者生成如圖1A中所示的高冷卻速率，或者如圖1B中所示低冷卻速率，在整個焊接過程中，對焊接過程的熱輸入被保持在4kJ/in內(nèi)。這些測試使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、并具有落在表格1中所示的百分數(shù)內(nèi)的成分的一些1/8英寸直徑的焊條。表格l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在用于兩個極端條件測試的焊條中，碳含量保持相對較低并在0.03-0.06的范圍內(nèi)，而且在一個實施例中是在0.04-0.05的范圍內(nèi)。焊條中的錳鉬比保持在4-8比1的范圍內(nèi)。這提供了約為2-7比1的焊接金屬比。錳和鉬對形成焊接金屬20、40的合金的碳當(dāng)量產(chǎn)生影響。錳略為不穩(wěn)定，并且被部分用來對焊接金屬脫氧；因此，在本發(fā)明中，在如表格l中所示規(guī)范內(nèi)減少錳以及增加鉬。使用略為變化的錳和鉬的重量百分數(shù)和不同的焊接金屬碳當(dāng)量來多次執(zhí)行圖1A、IB中所述的用于論證本發(fā)明的實施例的兩個極端條件測試。碳當(dāng)量通過Pcm公式來確定，其中指定合金中對碳當(dāng)量做出貢獻的主要元素是碳、錳和鉬以及較少的鎳。本發(fā)明涉及焊接金屬中的低碳(量)以及由錳和鉬控制的碳當(dāng)量。在計算用于焊接金屬通道20、40的碳當(dāng)量中，鎳的量對碳當(dāng)量的影響僅為鉬的1/4。因而，在許多焊條上進行一系列測試以確定不同碳當(dāng)量的焊接金屬20、40的抗屈強度的過程中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配方調(diào)節(jié)錳、鉬和鎳的量。此調(diào)節(jié)必須使這些元素保持在確定規(guī)范內(nèi)。錳鉬比被減少至2-7比1的范圍。此范圍的比提高了錳對保持連續(xù)焊條的計算所得碳當(dāng)量的更好一致性的影響，該焊條被用于執(zhí)行圖1A的極高冷卻速率過程或圖1B的極低冷卻速率過程的測試中。焊條的錳、鉬和鎳的調(diào)節(jié)落在表格2所述的、用于不同尺寸的焊條的范圍內(nèi)。表格2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>根據(jù)本發(fā)明的一實施例，使用涂層中所用合金的最小規(guī)范和帶芯焊條及所允許最?。?百分數(shù))涂層的最小規(guī)范計算焊條的最小重量百分數(shù)。它們被四舍五入成接近的.01%。用于3/32英寸和5/32英寸焊條的其它元素類似于表格1中所公開的量。使用涂層中所用合金的最大規(guī)范和帶芯焊條及所允許最大％(百分數(shù))涂層的最大規(guī)范計算焊條的一個實施例的最大重量百分數(shù)。它們被四舍五入成接近的.01%。當(dāng)將焊條的錳和鉬的水平調(diào)節(jié)成落在表格2所示的范圍內(nèi)時，則堆焊中保持的錳鉬比在約為2-7比1的范圍內(nèi)，而在另一個實施例中在約為3-4比1的范圍內(nèi)。使用極高冷卻速率或極低冷卻速率對具有某些碳素比的一些這樣的焊條進行測試。在極端低冷卻速率下所進行的這些焊條的測試通過測試抗屈強度、以及然后測量每次測試的各個單獨焊接金屬的組分來評估。在表格1的左側(cè)兩列中列出了重量平均百分數(shù)和其標(biāo)準(zhǔn)偏差。如圖1B中所示進行的低冷卻速率的測試具有表格1的下一列中所述的平均焊條組分和標(biāo)準(zhǔn)偏差。這些百分數(shù)必須落在表格1的最后一列中所規(guī)定的軍用規(guī)范內(nèi)。各次測試與被調(diào)節(jié)成改變焊接金屬的碳當(dāng)量以允許圖2中所示的示圖的構(gòu)造的焊條相關(guān)，圖2是具有不同經(jīng)調(diào)節(jié)的碳當(dāng)量的各種測試焊條的經(jīng)測量抗屈強度。根據(jù)使用圖1A的工件解釋的過程對一些焊條進行測試。使用一些碳當(dāng)量的這些測試生成與高水平110(122ksi)相交于如圖2所示點100a的抗屈強度線100。該點100a對應(yīng)于如線120所指示的為0.3的一般區(qū)域中的碳當(dāng)量。使用圖1B中所述的過程進行的測試被用來生成與低水平抗屈強度112相交于點130a的曲線130。圖2的曲線100、130被表示成直線；然而，這是為了簡化兩個水平之間的碳當(dāng)量的基本概念，諸如線140上的0.17和線120上的0.30仍保持軍用規(guī)范內(nèi)的抗屈強度。根據(jù)本發(fā)明，焊接金屬的碳當(dāng)量低于諸如0.30的上部水平。因此，本發(fā)明的實施例可使用具有示出為線段150的范圍的碳當(dāng)量來實現(xiàn)。另一實施例涉及最小化碳當(dāng)量。例如，焊條的碳當(dāng)量被控制成約為0.20到0.22。實現(xiàn)本發(fā)明的碳當(dāng)量甚至可被減小成諸如由線140表示的約為0.17或0.18的低水平。在又一實施例中，碳當(dāng)量的范圍在圖2所示示圖的線140和線142之間。因而，本發(fā)明涉及SMAW焊條，該焊條落在所需組分中以在焊接金屬中獲得在約為88ksi(水平112)與122ksi(水平110)之間的抗屈強度，并且錳和鉬被調(diào)節(jié)為生成小于諸如0.30的高水平的焊接金屬的低水平碳當(dāng)量。在另一個實施例中，水平約為0.17-0.22。為了降低焊條的碳當(dāng)量的不確定性，焊條中的錳鉬比在2-7比1的范圍內(nèi)，而在又一實施例中，在3-4比l之間。因而，錳被減少而鉬被增加。焊條中的碳本身和焊接金屬被保持在諸如小于0.06的低水平，而在另一實施例中，在0.04到0.06的一般范圍內(nèi)。這為根據(jù)本發(fā)明的一實施例構(gòu)造的SMWA焊條和沉積焊接金屬定義了約束。表格3中列出了由許多焊條通過圖1A、1B的兩個極端條件測試獲得的沉積焊接金屬的平均抗屈強度、抗張強度和伸長率。表格3<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>根據(jù)本發(fā)明的此方面的焊條滿足E10718M焊條的規(guī)范，并且滿足這些焊條必需的強度要求。在制造本發(fā)明第一方面的SMAW焊條中，為了進行導(dǎo)致圖2中的曲線100、103的測試，用于沉積焊接金屬的金屬合金被選擇成落在規(guī)范內(nèi)。錳的量被減少至仍將確保88ksi的高抗屈強度的量。然后，鉬的量被調(diào)節(jié)成沉積中的錳鉬比在2-7比1的范圍內(nèi)，并且也可在3-4比1的范圍內(nèi)。錳鉬比一般為5-8比1。鉬被使用成用著重于如表格2所示的錳、鉬和鎳的Pcm公式來調(diào)節(jié)化學(xué)當(dāng)量。焊接金屬的碳當(dāng)量在0.15-0.35的范圍內(nèi)，即0.20至lj0.22。如以下將進一步詳細討論的，本發(fā)明的第二方面的一實施例提供了滿足軍用和商用兩者的強度要求的焊條，但是未添加鉻。軍用規(guī)范在堆焊中允許高達0.40%的鉻，但是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的焊條導(dǎo)致具有0.20%或更少的0的堆焊。又一實施例導(dǎo)致了0.10%或更少的Cr的堆焊，而另一個實施例導(dǎo)致了0.06°/^更少的Cr的堆焊。因為在本發(fā)明的此方面中，并非故意將鉻添加到焊條，所以焊條中的鉻的水平是制造焊條中所使用的一些其它成分中存在暫時或殘余的鉻的結(jié)果，例如在諸如鐵粉的鐵合金中。這些低水平的鉻確保焊接煙柱或煙氣更可能遵照當(dāng)前OSHA安全指南對六價鉻的個人暴露限制(PEL)，同時實現(xiàn)高強度焊接。鉻也可通過基本金屬稀釋引入到焊接金屬?，F(xiàn)在回到本發(fā)明的第一方面，在已配制出焊條合金并已制成焊條之后，在參照圖1A、1B所解釋的兩個極端冷卻速率條件下測試具有相同碳當(dāng)量的兩個焊條。然后，連續(xù)測試具有相同當(dāng)量的兩個焊條，并處于兩個極端下以生成圖2中所示的曲線100、130。此測試過程示出了本發(fā)明的優(yōu)點，其中減小焊接金屬的碳當(dāng)量以最小化冷卻速率靈敏度，并且仍獲得焊條將應(yīng)用的規(guī)范所必需的抗屈強度。在本發(fā)明的焊條中，碳的范圍在0.03到0.06、錳的范圍在1.80到2.30以及鉬的范圍在0.25到0.40。這些是焊條重量的百分數(shù)。焊接金屬的碳當(dāng)量可以是0.20-0.22。在測試之后，使用表格1的配方和以上列出的范圍制造焊條的實施例。這個過程生成沉積具有如通過圖2示圖中所包含的數(shù)據(jù)和表格3中所公開的特性形成的低冷卻速率靈敏度的焊接金屬的焊條。表格4提供了與軍用規(guī)范相比的、使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的焊條的焊接金屬沉積。表格4<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表格4的碳、錳、鎳和鉬的范圍表示本發(fā)明的一個實施例。此外，表格5中列出了本發(fā)明的另一實施例的這些成分的范圍。表格5<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>因而，本發(fā)明的此方面涉及高抗屈強度的SMAW焊條，該強度對焊條保持期望的冶金約束，同時降低其對冷卻速率中的變化的靈敏度。因而，不管通過各種熱輸入還是各種類型工件和其溫度(來獲得)的極端冷卻速率，焊條仍保持期望范圍內(nèi)的抗屈強度，在本發(fā)明中該范圍在約為85ksi與125ksi之間。第二方面-如上所述，本發(fā)明的第二方面涉及提供85與125ksi之間的抗屈強度、以及在又一實施例中為98與110ksi(根據(jù)軍用和AWS規(guī)范)之間的焊條，該焊條未添加鉻，但是它滿足軍用和商用兩者的規(guī)范。具體是按照AWSA5.5規(guī)范的MIL-E222200/1F和E110181M焊條規(guī)范。為此，根據(jù)本發(fā)明的此第二方面的焊條制成的堆焊中的鉻的水平為0.20%或更低，并且又一實施例中可為0.10%或更低，以及在另一個實施例中為0.06%或更低。如前所示，過去曾將鉻添加到電焊條中以幫助增加堆焊的強度(即抗屈和抗張)。然而，因為焊接煙柱中的鉻的存在會致使煙氣有害，所以期望并在一些情況下要求將鉻保持成低水平。本發(fā)明并未以強度為代價實現(xiàn)了這個(目的)。圖3示出了本發(fā)明的示例性實施例的焊條300的截面。焊條300包括焊條涂料310和焊芯320。注意盡管這是用于焊接的焊條的典型結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明并不限于此實施例，而且本發(fā)明的焊條可由單一固體組分構(gòu)成，或可具有由多于一涂層包圍的焊芯，或者甚至可能是使用焊劑填充的空心焊芯。另外，可以用各種尺寸制造本發(fā)明的焊條，以用于各種焊接應(yīng)用。尺寸包括但不限于3/32"、1/8"、5/32"和3/16〃。此外，在本發(fā)明的一實施例中，焊條涂層310可在整個焊條300的約為32到約為48%的范圍內(nèi)(基于重量)。以下的表格6列出了本發(fā)明的焊條組分的各種成分的范圍(以焊條的重量％(百分數(shù))計)。表格6<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。注意在本發(fā)明的各個實施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊條中，并且不改變本發(fā)明的整體獲益。示例包括S、P、N、Cu、V和Sn。在本發(fā)明的一實施例中，并非故意將鉻添加到焊條成分中，并且存在的鉻的量是來自一些其它組分的鉻的殘余量的結(jié)果。另外，注意本發(fā)明的上述范圍可通過任意公知方法和使用公知以及諸如碳酸鈣等常用材料來實現(xiàn)。換言之，本文所公開的元素范圍僅僅表示焊條中的各個單獨元素的量，而本申請并非旨在以任何方式在制造期間限定元素的來源。此外，也預(yù)期被用來主要制造焊條的諸如K、Li、Na、Al、Zr和Mg的元素可替代成其它公知元素，這些公知元素允許容易地制造本發(fā)明的焊條，并且同時可被用來獲得所要求的機械特性。以下表格7中的數(shù)據(jù)為具有不同尺寸和不同涂層百分數(shù)的焊條的實施銜提供了焊條成分的又一范圍。表格7<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。注意在本發(fā)明的各種實施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊條中，并且不改變本發(fā)明的整體獲益。示例包括S、P、N、Cu、V和Sn。如上所示，表格6和7示出了根據(jù)本發(fā)明的焊條的全部元素組分。本發(fā)明并不限于使將焊條的任一組分、即涂層310或焊芯320中具有單個元素。上述表格僅僅提供焊條300的全部成分。另外，也認識到上述表格6和7中的各種元素的各種范圍可略為改變，或者可添加類似Nb、V和Cu等較新的元素，同時保持焊條的所需強度。此外，如上所述，并非故意將鉻添加到成分，但低量鉻的存在是由可能存在于用來制造焊條300的其它材料中的殘余量所產(chǎn)生的。如圖3中所示，焊條300可由涂層310和焊芯320構(gòu)成。在本發(fā)明的一實施例中，涂層310包含特定量的所需元素，并且焊芯320包含組分的剩余部分。以下的表格8和9類似于以上表格6和7，除它們涉及本發(fā)明的焊條涂層310的成分之外。表格8列出了通常用于本發(fā)明的涂層成分，然而表格9涉及不同尺寸的焊條的實施例。此外，這些表格的每一個中列出的百分數(shù)為涂層的％(百分數(shù))重量。至于表格6和7，并非故意將鉻添加到焊條涂層成分，存在的鉻的量是由于來自一些其它成分的鉻的殘余量。另外，注意本發(fā)明的上述范圍可通過任意公知方法和使用公知以及諸如碳酸鈣的常用材料來實現(xiàn)。換言之，本文所公開的元素范圍僅僅表示焊條中的各個單獨元素的量，而本申請并非旨在以任何方式在制造期間限定元素的來源。表格8<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。至于表格6和7，也預(yù)期被主要用來制造焊條涂層的諸如K、Li、Na、Al、Zr和Mg等元素可用其它公知元素替代，使得能夠容易地制造本發(fā)明的焊條。以下表格9中的數(shù)據(jù)為具有不同尺寸的焊條的實施例提供了焊條涂層組分的又一范圍。表格9<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>Fe&其它%(百分數(shù))剩余%(百分數(shù))剩余%(百分數(shù))剩余%(百分數(shù))剩余Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。另外，也認識到各種元素的上述各種范圍可略為改變，或者可添加類似Nb、V和Cu等新元素，同時保持焊條的所需強度。此外，如上所示，并非故意將鉻添加到成分。上述表格涉及本發(fā)明的焊條涂層310的成分，并且以下表格10示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的焊芯320的組分。以下焊芯可與上述涂層成分一起使用。另外，以下百分數(shù)為焊芯的％(百分數(shù))重量。焊芯元素范圍％(以重量計)<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>*Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。注意在本發(fā)明的各種實施例中，其它元素也可以少量形式存在于焊條中，并且不改變本發(fā)明的整體獲益。示例包括S、P、N、Cu、V和Sn。又注意本發(fā)明并非限于使涂層310和焊芯320含有如以上表格8到10中所列出％(百分數(shù))組分的，因為全部焊條300中所使用的各種元素可不同地分布于涂層310與焊芯320之間，只要滿足焊條的全部百分數(shù)，或者堆焊的化學(xué)成分。在使用根據(jù)本發(fā)明的焊條以獲得達到至少根據(jù)AWSE11081M分類期望的焊接強度要求時，應(yīng)當(dāng)在焊接期間控制熱輸入?？刂茻彷斎?KJ/in)將有助于允許焊接強度獲得期望特性。在本發(fā)明的一實施例中，熱輸入在約為35到約為55KJ/in的范圍內(nèi)。此外，因為本發(fā)明預(yù)期不同焊條尺寸的焊條，所以用于這些焊條的熱輸入可根據(jù)焊條的尺寸改變，以獲得最優(yōu)的強度結(jié)果。以下表格ll提供了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的不同尺寸的焊條的典型熱輸入范圍。表格ll<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>本發(fā)明的另一個新方面是完成焊接操作時所留下的全部堆焊。具體地，因為未將鉻添加到焊條成分中，所以焊接煙氣中排出少量鉻并在堆焊中結(jié)束。因而，因為電焊條的公開成分和元素的平衡，所以不以焊接強度為代價，并且使得不用鉻而滿足AWSE11018M分類的要求成為可能。以下表格12列出了在本發(fā)明的焊條被用于焊接時，根據(jù)本發(fā)明一實施例的堆焊成分。焊接強度至少滿足AWSE11018M分類。在一個實施例中，焊接具有85與125ksi之間的抗屈強度，而在另一個實施例中，焊接具有至少110ksi的極限抗張強度(UTS)和98與110ksi之間的0.2。/?？骨鼜姸?。另夕卜，在焊接中實現(xiàn)具有少量或沒有鉻。此外，以下組分百分數(shù)是基于未摻雜堆焊。表格12<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。注意其它元素也可以存在于堆焊中，這不影響本發(fā)明的整體獲益。示例包括Al、B、Ca、Co、Sn、Ti、Zr和O。以下表格13中的數(shù)據(jù)提供在使用本發(fā)明具有不同尺寸的焊條的實施例時，未摻雜堆焊元素的又一范圍。表格13<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>Cr的量是由于Cr的殘余量而非故意添加。此外，如上所述，堆焊中的鉻的水平大大低于AWS規(guī)范的要求(最大為0.40)。然而，因為堆焊的元素之間達到的平衡，所以并非以堆焊強度為代價。即碳、錳、鉬、鎳、硅和釩。通過使用根據(jù)本發(fā)明的焊條，未摻雜堆焊中的鉻的水平以重量計可低于0.20%。通過使用另外的實施例，鉻的水平以重量計可低于0.10%,并且如以上表格所示以重量計可低于0.06%。此外，預(yù)期如果可從制造焊條300所使用的基本材料中消除鉻的殘余水平，則未摻雜堆焊中的鉻的水平可接近0%。然而，如前所述，因為本文所公開和闡述的組分的平衡，所以并不以焊接強度為代價，從而至少滿足AWSE11081M，或者適當(dāng)?shù)能娪靡?guī)范。已使用特定的實施例和應(yīng)用描述了本發(fā)明。這些都可進行結(jié)合或交換而不背離附加權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。這些附加權(quán)利要求中所定義的焊條通過引用結(jié)合于此，作為相關(guān)發(fā)明的新特性的描述的一部分。權(quán)利要求1.一種用于高強度焊接的電焊條，所述焊條包括至少錳、鉬、鎳和碳，其中在使用約為30KJ/in到約為60KJ/in范圍內(nèi)的熱輸入焊接時，所述電焊條提供具有重量不大于0.20％的鉻、并具有至少110ksi的極限抗張強度和85到125ksi范圍內(nèi)的0.2％抗屈強度的未摻雜堆焊。2.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述抗屈強度在98到110ksi的范圍內(nèi)。3.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條在所述堆焊中提供重量不大于0.10%的鉻。4.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條在所述堆焊中提供重量不大于0.06%的鉻。5.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條包括焊芯和圍繞所述焊芯的涂層。6.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條的直徑為3/32英寸、1/8英寸、5/32英寸或3/16英寸。7.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述碳的量在重量為0.8到1.5%的范圍內(nèi)。8.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述鎳的量在重量計1.2到2.0%的范圍內(nèi)。9.如權(quán)利要求l所述的電焊條，其特征在于，所述鉬的量在重量為0.01到0.5%的范圍內(nèi)。10.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述錳的量在重量為1.5到2.0%的范圍內(nèi)。11.如權(quán)利要求3所述的電焊條，其特征在于，所述焊條的所述涂層在所述焊條的32到48%的范圍內(nèi)。12.如權(quán)利要求l所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供在重量為0.04到0.06%的范圍內(nèi)的碳的量。13.如權(quán)利要求l所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供在重量為1.5到2.25%的范圍內(nèi)的錳的量。14.如權(quán)利要求l所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供在重量為0.35到0.5%的范圍內(nèi)的鉬的量。15.如權(quán)利要求1所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供在重量為1.75到2.75%的范圍內(nèi)的鎳的量。16.—種用于高強度焊接的電焊條，包括焊芯；以及圍繞所述焊芯的焊條涂層，其中所述焊條涂層和焊芯的至少之一包含至少錳、鉬、鎳和碳，以及其中在使用約為30KJ/in到約為60KJ/in范圍內(nèi)的熱輸入焊接時，所述電焊條提供具有重量不大于0.20%的鉻、并具有至少110ksi的極限抗張強度和85到125ksi范圍內(nèi)的0.2%抗屈強度的未摻雜堆焊。17.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述抗屈強度在98到110ksi的范圍內(nèi)。18.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條在所述堆焊中提供重量不大于0.10%的鉻。19.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條在所述堆焊中提供重量不大于0.06%的鉻。20.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述電焊條的直徑為3/32英寸、1/8英寸、5/32英寸或3/16英寸。21.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述涂層包含重量為所述涂層的2.5到3.0%的范圍內(nèi)的碳的量。22.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述涂層包含重量為所述涂層的2.75到5.0%的范圍內(nèi)的鎳的量。23.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述涂層包含重量為所述涂層的0.5到1.2%的范圍內(nèi)的鉬的量。24.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述i^層包含重量為所述涂層的3.0到4.5%的范圍內(nèi)的錳的量。25.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述焊條的所述涂層在所述焊條的32到48%的范圍內(nèi)。26.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供重量為0.04到0.06%的范圍內(nèi)的碳的量。27.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供重量為1.5到2.25%的范圍內(nèi)的錳的量。28.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供重量為0.35到0.5%的范圍內(nèi)的鉬的量。29.如權(quán)利要求16所述的電焊條，其特征在于，所述焊條在所述堆焊中提供重量為1.75到2.75%的范圍內(nèi)的鎳的量。全文摘要一種用于在工件上沉積高強度金屬焊珠的氣體保護金屬極電弧焊，該強度滿足美國焊接學(xué)會A5.5標(biāo)準(zhǔn)的E11018M分類下的強度要求，并且未將鉻添加到焊條的成分中。文檔編號B23K35/12GK101130219SQ200710089748公開日2008年2月27日申請日期2007年3月23日優(yōu)先權(quán)日2006年8月24日發(fā)明者A·卡波爾,C·達拉姆,M·J·莫洛克申請人:林肯環(huán)球股份有限公司