專利名稱：條狀焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電弧焊技術(shù)，更詳細(xì)地涉及新條狀焊條，其在加工件上沉積金屬，所述金屬具有通常在85ksi 125ksi范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度，并具有降低的屈服強(qiáng)度對(duì)所沉積熔融金屬冷卻速度的敏感度。
背景技術(shù)：
在ー些軍事應(yīng)用中，需要以產(chǎn)生高屈服強(qiáng)度的方式使用條狀焊條來(lái)進(jìn)行焊接。在軍事應(yīng)用中所使用條狀焊條必須產(chǎn)生通常在85ksi 125ksi范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度。為了達(dá)到這樣的高屈服強(qiáng)度，條狀焊條的藥皮必須含有實(shí)質(zhì)量的合金化試劑如鎳、錳和鑰。對(duì)于任何給定的合金，抗張強(qiáng)度是由冷卻速度決定的，因?yàn)橛捎谒c特定鋼合金的連續(xù)冷卻變化曲線(CCT)有夫。焊接金屬焊珠的強(qiáng)度與冷卻速度敏感度同樣與組合物以及鋼的碳含量和熔融焊接金屬的實(shí)際冷卻速度有夫。已發(fā)現(xiàn)，冷卻速度根據(jù)加工件的尺寸和預(yù)熱以及在條狀焊接過程中所使用電能的量而劇烈變化。期望的是降低屈服強(qiáng)度對(duì)不同冷卻速度的敏感度，同時(shí)保持焊接金屬的合金組合物，以便在最終的焊接中確保85ksi 125ksi范圍內(nèi)的高屈服強(qiáng)度。因此，需要?jiǎng)?chuàng)造ー種條狀焊條以降低冷卻速度敏感度，這樣最終的焊接對(duì)于非常高的冷卻速度及非常低的冷卻速度都在高屈服強(qiáng)度的規(guī)范內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及ー種條狀焊條，其將屈服強(qiáng)度對(duì)冷卻速度的敏感度降至最低，同時(shí)獲得高屈服強(qiáng)度的焊接金屬沉積物。在將最終焊接金屬對(duì)冷卻速度敏感度降至最低的同吋，該焊條仍滿足最終屈服強(qiáng)度的軍事規(guī)范。因此，要求焊條符合所應(yīng)用的軍事規(guī)范且使用新的合金配方。該配方在焊接金屬沉積物中產(chǎn)生最低的可能的碳當(dāng)量，同時(shí)當(dāng)使用使用造成低冷卻速度的焊接熱利用新焊條來(lái)焊接加工件時(shí)，仍滿足最低的屈服強(qiáng)度要求。當(dāng)加工件是相對(duì)薄的板吋，該焊接操作使其加熱到高程間溫度，如約300 T。該焊接具有低冷卻速度。新焊條還產(chǎn)生具有度在85ksi 125ksi的規(guī)范限定內(nèi)的屈服強(qiáng)的焊接金屬。因此，SP使在本來(lái)對(duì)焊接金屬提供最小屈服強(qiáng)度的低冷卻速度下，使用本發(fā)明條狀焊條的最終焊接金屬仍在所要求的強(qiáng)度范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的新條狀焊條，由于焊條的冷卻速度敏感度降低了，所以允許在低冷卻速度下進(jìn)行焊接。同樣，當(dāng)使用高冷卻速度時(shí)，新焊條仍可達(dá)到高屈服強(qiáng)度，但并不是非常高的屈服強(qiáng)度。因此，本發(fā)明包括一種新條狀焊條，其與由于高溫、使用高能量焊接薄加工件而產(chǎn)生的低冷卻速度無(wú)關(guān)，能達(dá)到至少最低的屈服強(qiáng)度，且對(duì)由于低溫下冷焊接加工件而導(dǎo)致的高冷卻速度也小于最大屈服強(qiáng)度。按照本發(fā)明，提供了ー種條狀焊條，其用于沉積高強(qiáng)度金屬焊珠于加工件上，此處焊接金屬的屈服強(qiáng)度與冷卻速度無(wú)關(guān)在85ksi 125ksi之間。焊條具有0. 80-1. 85重量％的錳、0. 25-0. 50重量％的鑰、1. 25-2. 5重量％的鎳以及小于0. 07重量％的碳。調(diào)節(jié)碳、錳、鑰的相對(duì)比例以提供0. 17 0. 30范圍內(nèi)的碳當(dāng)量。優(yōu)選地，碳當(dāng)量范圍是0. 20-0. 22。使用這種方式，條狀焊條降低了碳當(dāng)量，而使用通常量的碳、錳及鑰來(lái)產(chǎn)生高強(qiáng)度焊接金屬。該焊條用于軍事應(yīng)用，如MIL-E-22200/10C規(guī)范。該焊條的金屬桿具有通常在3/32-5/32英寸范圍內(nèi)的直徑。由于新焊條具有低冷卻速度敏感度，所以焊接金屬的強(qiáng)度通常對(duì)冷卻速度不敏感。新焊條的該特性通過在以下兩種情況下使用而得到證明在具有低冷卻速度的熱的高熱量輸入于相對(duì)薄的加工件上高能量加工吋，以及產(chǎn)生高冷卻速度的在具有低熱量輸入的厚加工件上的低電流加工時(shí)。這些冷卻速度極端情況所產(chǎn)生的焊接金屬滿足可以應(yīng)用的軍事規(guī)范所要求的高屈服強(qiáng)度的要求。因此，無(wú)論高冷卻速度或低冷卻速度，使用新條狀焊條的焊接金屬沉積物的屈服強(qiáng)度均滿足軍事規(guī)范。因此，與加工件及焊接設(shè)置無(wú)關(guān)，最終焊接金屬的屈服強(qiáng)度仍然處于約88ksi 122ksi的范圍內(nèi)。通過將焊條的碳當(dāng)量降到最低同時(shí)還保持所需要的合金組合物，實(shí)現(xiàn)了能夠?qū)⒗鋮s速度敏感度降至最低的能力，以使最終的焊接金屬達(dá)到高屈服強(qiáng)度。用Pcm公式來(lái)定義碳當(dāng)量，該公式包括碳含量、錳含量、鑰含量及鎳含量。其他合金組成的量是最低的，且對(duì)所計(jì)算的碳當(dāng)量有較小的影響。碳含量對(duì)于碳當(dāng)量的貢獻(xiàn)最大。因?yàn)楸景l(fā)明包括具有大量錳、鑰、鎳的鋼合金，所以這些組分與碳是確定碳當(dāng)量的基本因素。使用的錳、鑰、鎳允許實(shí)際的元素碳降低到小于焊接金屬的0. 050重量％，而仍保持與高碳合金相關(guān)的高屈服強(qiáng)度。將本發(fā)明的碳當(dāng)量降到最低使其小于給定值，借以由高冷卻速度而造成的高強(qiáng)度會(huì)低于可以應(yīng)用的軍事規(guī)范的最大允許屈服強(qiáng)度。由于鎳對(duì)碳當(dāng)量的影響非常小，所以兩種調(diào)節(jié)碳當(dāng)量且對(duì)高屈服強(qiáng)度焊接所必需的主要元素是錳和鑰。錳是強(qiáng)還原劑；因此，最終焊接金屬合金中的錳由于焊接過程而減少。因此，在某種程度上，錳對(duì)最終碳當(dāng)量的影響是不可預(yù)見的。認(rèn)識(shí)到這個(gè)事實(shí)，本發(fā)明重點(diǎn)在于增加鑰且減少錳，因?yàn)樗鼈儏f(xié)同作用達(dá)到低碳當(dāng)量。然而，錳不能完全從焊條中排除，因?yàn)樗鼘?duì)還原最終焊接金屬是必要的。換句話說(shuō)，本發(fā)明包括低含量碳和控制量的錳和鑰，以達(dá)到在不使用碳的沉積焊接金屬中具有低碳當(dāng)量。因?yàn)樘籍?dāng)量的降低，所以最終焊接金屬的冷卻速度敏感度也降低了。包括在沉積焊接金屬中的錳來(lái)確保最低屈服強(qiáng)度，然后，加入鑰來(lái)保持所需要的低碳當(dāng)量。以這種方式，來(lái)降低碳當(dāng)量，但是強(qiáng)度保持在大于88ksi的水平。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳當(dāng)量通常應(yīng)在0. 18到0. 30的范圍內(nèi)，且優(yōu)選降低到0. 2到0. 22的范圍內(nèi)。該低碳當(dāng)量要通過調(diào)節(jié)錳與鑰的比率來(lái)獲得，因此，該比率通常在2-7 1的范圍內(nèi)，且優(yōu)選在3-4 1的范圍內(nèi)。該比率產(chǎn)生所期望的屈服強(qiáng)度和低碳當(dāng)量以降低最終焊接金屬的冷卻速度敏感度。本發(fā)明的另ー個(gè)方面，焊接金屬的碳含量的范圍是0.03 0.05重量％。對(duì)具有最大0. 07%碳的規(guī)范，這是一個(gè)相對(duì)低的量。通過使用低碳量，以及通過控制錳和鑰的量而獲得的碳當(dāng)量，來(lái)選擇獲得所需要的高屈服強(qiáng)度的碳當(dāng)量。按照本發(fā)明，通過減少碳及控制錳與鑰的比來(lái)降低碳當(dāng)量。使用加工件的程間加熱來(lái)測(cè)試本發(fā)明的效果；然而，當(dāng)使用按照發(fā)明配制的焊條時(shí)，這不是必須的。本發(fā)明的ー個(gè)方面是控制沉積焊接金屬焊珠中錳與鑰的比率的范圍為2-7 :1。這與低水平碳相結(jié)合，其中碳小于焊接金屬的0.05重量％。用這種方式，焊接金屬中的碳當(dāng)量降低到小于約0.3 ;然而，對(duì)于最低的碳當(dāng)量，它要降低到通常為0. 17 0. 22的范圍內(nèi)。將碳當(dāng)量降到最低，同時(shí)還使用可以應(yīng)用的軍事規(guī)范的必要合金產(chǎn)生高屈服強(qiáng)度，即便當(dāng)由熱量及加工件決定的焊接過程具有非常低的冷卻速度時(shí)，也是如此。本發(fā)明的另ー個(gè)方面，是提供了一種用條狀焊條在加工件上焊接的方法。條狀焊條用于沉積焊接金屬焊珠，該焊珠具有0. 80-1. 85重量％的錳，0. 25-0. 50重量％的鑰以及小于0. 07重量％的碳，其碳當(dāng)量通常在0. 17-0. 30范圍內(nèi)。要最小化碳當(dāng)量，且優(yōu)選0. 20-0. 22。該方法包括用所產(chǎn)生的范圍為30-60kJ/in的電能熔化焊條，而且當(dāng)焊條熔化且沉積于加工件上時(shí)，沿加工件移動(dòng)焊條。錳與鑰的比率范圍為2-7比I。本發(fā)明還預(yù)先將加工件預(yù)熱到規(guī)范所要求的通常范圍為100 T 300 的程間溫度。在本發(fā)明的焊條中，硬化能力主要是通過增加鑰代替錳而得到的。鎳和鑰在焊接期間被可預(yù)知地補(bǔ)充。對(duì)于焊條，増加鑰協(xié)同減少錳而使最終焊接金屬達(dá)到指定的屈服強(qiáng)度。一種滿足可以應(yīng)用的軍事規(guī)范的提供沉積的焊接金屬的焊條已經(jīng)在兩種極端條件下得到測(cè)試，。第一條件包括具有低冷卻速度的熱焊接在具有300 T程間溫度的3/4英寸的板和55kJ/in熱輸入到IG位置下進(jìn)行。另ー個(gè)測(cè)試的極端條件包括具有高冷卻速度的冷焊接在具有125 °F程間溫度的1. 0英寸的板和31kJ/in熱輸入到3G位置使用垂直向上前進(jìn)的方式進(jìn)行。兩個(gè)極端條件的測(cè)試表明對(duì)沉積焊接金屬使用低碳當(dāng)量的好處，同時(shí)還保持最終焊接金屬所需要的屈服強(qiáng)度。受兩極端條件測(cè)試限制的焊接強(qiáng)度是最小允許屈服強(qiáng)度為88ksi和最大允許屈服強(qiáng)度為122ksi。這兩個(gè)測(cè)試是這樣進(jìn)行的使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制每個(gè)焊條的熱量輸入在目標(biāo)熱量的4. OkJ/in內(nèi)，同時(shí)沿焊道的熱量輸入保持在所需焊接熱的2.0kJ/in內(nèi)。兩個(gè)極端條件下的測(cè)試確認(rèn)減少焊接金屬的碳當(dāng)量會(huì)降低冷卻速度對(duì)最終焊接金屬屈服強(qiáng)度的影響。焊接金屬保持其可以應(yīng)用的軍事規(guī)范中所規(guī)定的合金配方。本發(fā)明的基本目的是提供ー種條狀焊條，用于以下應(yīng)用中，其中所沉積的焊接金屬的屈服強(qiáng)度在約85ksi到125ksi之間。焊條的合金組合物保持在使焊接金屬獲得該屈服強(qiáng)度，然而，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)錳與鑰，以減少并最小化由焊條沉積的焊接金屬的碳當(dāng)量。以這種方式，焊接金屬具有對(duì)冷卻速度相對(duì)低的敏感度，并且由熱量輸入和加工件限制而決定的冷卻速度不會(huì)造成屈服強(qiáng)度偏離規(guī)范。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是提供ー種使用焊條的方法，如上所述的，在各種熱量輸入及各種加工件限制下達(dá)到焊接的目的。這些或其他目的及優(yōu)點(diǎn)將在隨后的結(jié)合附圖的說(shuō)明中變得清晰。


圖1A是說(shuō)明當(dāng)使用具有低熱量輸入的冷板而在所沉積的焊接金屬中獲得高冷卻速度時(shí)，用于本發(fā)明的測(cè)試加工件的局部橫剖圖；圖1B與圖1A的視圖相似，其中測(cè)試加工件是預(yù)熱過的且使用高焊接能量，用于產(chǎn)生按照本發(fā)明構(gòu)成的焊條所沉積的焊接金屬的低冷卻速度；并且圖2是用于對(duì)按照本發(fā)明構(gòu)成的焊條進(jìn)行兩個(gè)測(cè)試的多根焊條的焊接金屬的碳當(dāng)量相對(duì)于屈服強(qiáng)度的曲線圖，表明降低碳當(dāng)量的作用，減少焊接金屬對(duì)冷卻速度敏感度的參數(shù)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種新條狀焊條，具有來(lái)沉積由軍事規(guī)范所規(guī)定的焊接金屬的合金組合物，以產(chǎn)生具有在88ksi 122ksi之間的屈服強(qiáng)度的焊接金屬。這種新焊條沉積物具有由Pcm公式所定義的降低的碳當(dāng)量，因此，焊接金屬對(duì)冷卻速度的變化具有低的敏感度。該公式是
權(quán)利要求
1.一種條狀焊條，用于在加工件上沉積高強(qiáng)度焊接金屬焊珠，與冷卻速度無(wú)關(guān)，其上的焊接金屬的屈服強(qiáng)度為約85 125ksi，所述焊接金屬具有約0. 8-2. 3重量％的錳、約0.25-0. 5重量％的鑰、約1. 25-2. 5重量％的鎳和小于約0. 07重量％的碳，其中，調(diào)節(jié)碳、錳和鑰的比率以提供所沉積的焊接金屬約為0. 15 0. 35范圍內(nèi)的碳當(dāng)量。
2.如權(quán)利要求1所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述錳的范圍是焊條的約1.8 2. 3重量％。
3.如權(quán)利要求1或2所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述鑰的范圍是焊條的約0.25 0. 4重量％。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述鎳的范圍是焊條的約1. 5 1. 8重量％。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，在焊接金屬中錳與鑰的比率的范圍是約2_7 :1。
6.如權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述碳的范圍是約0.03 0. 06 重量 ％。
7.如權(quán)利要求6所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述碳的范圍是約0.04 0. 05重量％。
8.如權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，沉積的焊接金屬的所述碳當(dāng)量的范圍是約0. 2 0. 3。
9.如權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條的中心金屬棒的直徑范圍是約3/32 5/32英寸。
10.一種用條狀焊條在加工件上焊接的方法，其中，所述焊條沉積焊接金屬，該焊接金屬具有約0. 8-2. 3重量％的錳、約0. 25-0. 5重量％的鑰和小于約0. 07重量％的碳，具有碳當(dāng)量約為0. 15到0. 35，所述方法包括 Ca)使用約30-60kJ/in范圍內(nèi)的產(chǎn)生的能量熔化所述焊條； (b)當(dāng)所述焊條熔化并沉積入所述加工件時(shí)，沿所述加工件移動(dòng)所述焊條。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述焊條具有約1.5-1. 75重量％的鎳。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，在焊接金屬中所述錳與鑰的比率的范圍是約 2-7 :1。
13.如權(quán)利要求10 12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述焊條的中心金屬棒的直徑范圍是約3/32 5/32英寸。
14.如權(quán)利要求10 13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，包括預(yù)熱加工件到范圍為約100 °F 300 °F的程間溫度的步驟。
15.—種條狀焊條，用于在加工件上沉積高強(qiáng)度焊接金屬焊珠，其中，所述焊條具有小于約2. 3重量％的錳、至少約0. 25重量％的鑰、至少約1. 8重量％的鎳和小于約0. 06重量％的碳，并且其中，調(diào)節(jié)碳、錳和鑰的比率以提供焊接金屬的碳當(dāng)量范圍約為0. 20 0. 22。
16.如權(quán)利要求15所述的條狀焊條，其中，焊接金屬的錳和鑰的比率的范圍是約2-7Io
17.如權(quán)利要求15或16所述的條狀焊條，其中，焊條中所述碳的范圍是約0.03 0. 06重量％。
18.如權(quán)利要求15 17中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述碳當(dāng)量小于約0.22。
19.如權(quán)利要求15 18中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條的直徑是約3/32英寸，且所述焊條具有以下組分，占焊條的重量百分比為(a)0. 3-0. 5% 的碳；(b)1. 8-2. 2% 的錳；(c)0. 25-0. 4% 的鑰。
20.如權(quán)利要求15 19中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條具有約1.5-1. 8%的鎳。
21.如權(quán)利要求15 20中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條具有小于約0.1%的鉻。
22.如權(quán)利要求15 20中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條的直徑是約1/8英寸，并且所述焊條具有以下組分，占焊條的重量百分比為(a)0. 3-0. 5% 的碳；(b)1. 8-2. 2% 的錳；(c)0. 25-0. 4% 的鑰。
23.如權(quán)利要求15 20中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中，所述焊條的直徑是約5/32英寸，并且所述焊條具有以下組分，占焊條的重量百分比為(a)0. 3-0. 6% 的碳；(b)1. 9-2. 3% 的錳；(c)0. 3-0. 4% 的鑰。
24.一種條狀焊條，用于在加工件上沉積高強(qiáng)度焊接金屬焊珠，其中，與由所述焊條形成的焊接焊珠的冷卻速度無(wú)關(guān)，焊接金屬的屈服強(qiáng)度在約85ksi 125ksi之間。
25.如權(quán)利要求24所述的條狀焊條，包括控制錳、鑰、鎳與碳的量以達(dá)到所要求的與焊接焊珠的冷卻速度無(wú)關(guān)的焊接金屬的屈服強(qiáng)度。
26.如權(quán)利要求24或25所述的條狀焊條，其中所述焊接金屬具有約0.15 0. 35的碳=I里。
27.如權(quán)利要求24 26中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其中所述焊接金屬具有小于約0.07的碳含量。
28.如權(quán)利要求24 27中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，在所述條狀焊條中錳與鑰的比率為約 2-8:1。
29.如權(quán)利要求24 28中任一項(xiàng)所述的條狀焊條，其包括最高達(dá)到2.3重量％的錳、最高達(dá)到2. 5重量％的鎳、最高達(dá)到0. 5重量％的鑰以及最高達(dá)到0. 06重量％的碳。
30.一種用條狀焊條在加工件上焊接的方法，以在加工件上沉積高強(qiáng)度焊接金屬焊珠，其中，與由所述條狀焊條形成的焊接焊珠的冷卻速度無(wú)關(guān)，焊接金屬的屈服強(qiáng)度在約85ksi 125ksi之間，所述方法包括 Ca)至少部分熔化所述焊條；并且 (b)當(dāng)所述焊條熔化并沉積入所述加工件時(shí)，沿所述加工件移動(dòng)所述焊條。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，用范圍是約30-60kJ/in的所產(chǎn)生能量至少部分熔化所述焊條。
32.如權(quán)利要求30或31所述的方法，其中，所述焊條包括控制錳、鑰、鎳與碳的量以達(dá)到所期望的與焊接焊珠的冷卻速度無(wú)關(guān)的焊接金屬的屈服強(qiáng)度。
33.如權(quán)利要求30 32中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述焊接金屬具有約0.15 0. 35的碳當(dāng)量。
34.如權(quán)利要求30 33中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述焊接金屬碳含量小于約0.07重量％。
35.如權(quán)利要求30 34中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述焊接金屬中錳與鑰的比率為約2-7:1。
36.如權(quán)利要求30 35中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述焊接金屬含有最高達(dá)到1.85重量％的錳、最高達(dá)到0. 5重量％的鑰、最高達(dá)到2. 5重量％的鎳以及小于0. 07重量％的碳。
37.如權(quán)利要求30 36中任一項(xiàng)所述的方法，其中，包括預(yù)熱加工件到范圍為約·100 °F 300 °F的程間溫度的步驟。
全文摘要
一種條狀焊條，用于在加工件上沉積高強(qiáng)度焊接金屬焊珠，與冷卻速度無(wú)關(guān)，其上的焊接金屬的屈服強(qiáng)度在85和125ksi之間。焊條沉積具有以下組分的焊接金屬具有0.80-1.85重量%的錳、0.25-0.50重量%的鉬、1.25-2.50重量%的鎳和小于約0.07重量%的碳，其中，調(diào)節(jié)碳、錳和鉬的比率以提供所沉積的焊接金屬的碳當(dāng)量范圍約為0.17到0.30，且優(yōu)選小于0.22。
文檔編號(hào)B23K35/22GK103028860SQ20121057274
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月21日
發(fā)明者蘭道爾·M.·博特, 喬恩·P.·基亞波恩, 克雷格·B.·達(dá)勒姆, 羅伯特·J.·韋弗 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球公司