專利名稱：條狀焊條的制作方法
技術領域：
本發明涉及電弧焊技術，更詳細地涉及新條狀焊條，其在加工件上沉積金屬，所述金屬具有通常在85ksi 125ksi范圍內的屈服強度，并具有降低的屈服強度對所沉積熔融金屬冷卻速度的敏感度。
背景技術：
在ー些軍事應用中，需要以產生高屈服強度的方式使用條狀焊條來進行焊接。在軍事應用中所使用條狀焊條必須產生通常在85ksi 125ksi范圍內的屈服強度。為了達到這樣的高屈服強度，條狀焊條的藥皮必須含有實質量的合金化試劑如鎳、錳和鑰。對于任何給定的合金，抗張強度是由冷卻速度決定的，因為由于它與特定鋼合金的連續冷卻變化曲線(CCT)有夫。焊接金屬焊珠的強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際冷卻速度有夫。已發現，冷卻速度根據加工件的尺寸和預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度對不同冷卻速度的敏感度，同時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范圍內的高屈服強度。因此，需要創造ー種條狀焊條以降低冷卻速度敏感度，這樣最終的焊接對于非常高的冷卻速度及非常低的冷卻速度都在高屈服強度的規范內。

發明內容
本發明涉及ー種條狀焊條，其將屈服強度對冷卻速度的敏感度降至最低，同時獲得高屈服強度的焊接金屬沉積物。在將最終焊接金屬對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度的軍事規范。因此，要求焊條符合所應用的軍事規范且使用新的合金配方。該配方在焊接金屬沉積物中產生最低的可能的碳當量，同時當使用使用造成低冷卻速度的焊接熱利用新焊條來焊接加工件時，仍滿足最低的屈服強度要求。當加工件是相對薄的板吋，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。新焊條還產生具有度在85ksi 125ksi的規范限定內的屈服強的焊接金屬。因此，SP使在本來對焊接金屬提供最小屈服強度的低冷卻速度下，使用本發明條狀焊條的最終焊接金屬仍在所要求的強度范圍內。因此，本發明的新條狀焊條，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行焊接。同樣，當使用高冷卻速度時，新焊條仍可達到高屈服強度，但并不是非常高的屈服強度。因此，本發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生的低冷卻速度無關，能達到至少最低的屈服強度，且對由于低溫下冷焊接加工件而導致的高冷卻速度也小于最大屈服強度。按照本發明，提供了ー種條狀焊條，其用于沉積高強度金屬焊珠于加工件上，此處焊接金屬的屈服強度與冷卻速度無關在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。調節碳、錳、鑰的相對比例以提供0. 17 0. 30范圍內的碳當量。優選地，碳當量范圍是0. 20-0. 22。使用這種方式，條狀焊條降低了碳當量，而使用通常量的碳、錳及鑰來產生高強度焊接金屬。該焊條用于軍事應用，如MIL-E-22200/10C規范。該焊條的金屬桿具有通常在3/32-5/32英寸范圍內的直徑。由于新焊條具有低冷卻速度敏感度，所以焊接金屬的強度通常對冷卻速度不敏感。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薄的加工件上高能量加工吋，以及產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。這些冷卻速度極端情況所產生的焊接金屬滿足可以應用的軍事規范所要求的高屈服強度的要求。因此，無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度均滿足軍事規范。因此，與加工件及焊接設置無關，最終焊接金屬的屈服強度仍然處于約88ksi 122ksi的范圍內。通過將焊條的碳當量降到最低同時還保持所需要的合金組合物，實現了能夠將冷卻速度敏感度降至最低的能力，以使最終的焊接金屬達到高屈服強度。用Pcm公式來定義碳當量，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，且對所計算的碳當量有較小的影響。碳含量對于碳當量的貢獻最大。因為本發明包括具有大量錳、鑰、鎳的鋼合金，所以這些組分與碳是確定碳當量的基本因素。使用的錳、鑰、鎳允許實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的高屈服強度。將本發明的碳當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度會低于可以應用的軍事規范的最大允許屈服強度。由于鎳對碳當量的影響非常小，所以兩種調節碳當量且對高屈服強度焊接所必需的主要元素是錳和鑰。錳是強還原劑；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，錳對最終碳當量的影響是不可預見的。認識到這個事實，本發明重點在于增加鑰且減少錳，因為它們協同作用達到低碳當量。然而，錳不能完全從焊條中排除，因為它對還原最終焊接金屬是必要的。換句話說，本發明包括低含量碳和控制量的錳和鑰，以達到在不使用碳的沉積焊接金屬中具有低碳當量。因為碳當量的降低，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確保最低屈服強度，然后，加入鑰來保持所需要的低碳當量。以這種方式，來降低碳當量，但是強度保持在大于88ksi的水平。已經發現，碳當量通常應在0. 18到0. 30的范圍內，且優選降低到0. 2到0. 22的范圍內。該低碳當量要通過調節錳與鑰的比率來獲得，因此，該比率通常在2-7 1的范圍內，且優選在3-4 1的范圍內。該比率產生所期望的屈服強度和低碳當量以降低最終焊接金屬的冷卻速度敏感度。本發明的另ー個方面，焊接金屬的碳含量的范圍是0.03 0.05重量％。對具有最大0. 07%碳的規范，這是一個相對低的量。通過使用低碳量，以及通過控制錳和鑰的量而獲得的碳當量，來選擇獲得所需要的高屈服強度的碳當量。按照本發明，通過減少碳及控制錳與鑰的比來降低碳當量。使用加工件的程間加熱來測試本發明的效果；然而，當使用按照發明配制的焊條時，這不是必須的。本發明的ー個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，焊接金屬中的碳當量降低到小于約0.3 ;然而，對于最低的碳當量，它要降低到通常為0. 17 0. 22的范圍內。將碳當量降到最低，同時還使用可以應用的軍事規范的必要合金產生高屈服強度，即便當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，也是如此。本發明的另ー個方面，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，其碳當量通常在0. 17-0. 30范圍內。要最小化碳當量，且優選0. 20-0. 22。該方法包括用所產生的范圍為30-60kJ/in的電能熔化焊條，而且當焊條熔化且沉積于加工件上時，沿加工件移動焊條。錳與鑰的比率范圍為2-7比I。本發明還預先將加工件預熱到規范所要求的通常范圍為100 T 300 的程間溫度。在本發明的焊條中，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知地補充。對于焊條，増加鑰協同減少錳而使最終焊接金屬達到指定的屈服強度。一種滿足可以應用的軍事規范的提供沉積的焊接金屬的焊條已經在兩種極端條件下得到測試，。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位置下進行。另ー個測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的方式進行。兩個極端條件的測試表明對沉積焊接金屬使用低碳當量的好處，同時還保持最終焊接金屬所需要的屈服強度。受兩極端條件測試限制的焊接強度是最小允許屈服強度為88ksi和最大允許屈服強度為122ksi。這兩個測試是這樣進行的使用數據采集系統控制每個焊條的熱量輸入在目標熱量的4. OkJ/in內，同時沿焊道的熱量輸入保持在所需焊接熱的2.0kJ/in內。兩個極端條件下的測試確認減少焊接金屬的碳當量會降低冷卻速度對最終焊接金屬屈服強度的影響。焊接金屬保持其可以應用的軍事規范中所規定的合金配方。本發明的基本目的是提供ー種條狀焊條，用于以下應用中，其中所沉積的焊接金屬的屈服強度在約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度，然而，適當地調節錳與鑰，以減少并最小化由焊條沉積的焊接金屬的碳當量。以這種方式，焊接金屬具有對冷卻速度相對低的敏感度，并且由熱量輸入和加工件限制而決定的冷卻速度不會造成屈服強度偏離規范。本發明的另ー個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到焊接的目的。這些或其他目的及優點將在隨后的結合附圖的說明中變得清晰。


圖1A是說明當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，用于本發明的測試加工件的局部橫剖圖；圖1B與圖1A的視圖相似，其中測試加工件是預熱過的且使用高焊接能量，用于產生按照本發明構成的焊條所沉積的焊接金屬的低冷卻速度；并且圖2是用于對按照本發明構成的焊條進行兩個測試的多根焊條的焊接金屬的碳當量相對于屈服強度的曲線圖，表明降低碳當量的作用，減少焊接金屬對冷卻速度敏感度的參數。
具體實施例方式本發明涉及一種新條狀焊條，具有來沉積由軍事規范所規定的焊接金屬的合金組合物，以產生具有在88ksi 122ksi之間的屈服強度的焊接金屬。這種新焊條沉積物具有由Pcm公式所定義的降低的碳當量，因此，焊接金屬對冷卻速度的變化具有低的敏感度。該公式是
權利要求
1.一種條狀焊條，用于在加工件上沉積高強度焊接金屬焊珠，與冷卻速度無關，其上的焊接金屬的屈服強度為約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，調節碳、錳和鑰的比率以提供所沉積的焊接金屬約為0. 15 0. 35范圍內的碳當量。
2.如權利要求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.如權利要求1 3中任一項所述的條狀焊條，其中，焊條中的所述鎳的范圍是焊條的約1. 5 1. 8重量％。
5.如權利要求1 4中任一項所述的條狀焊條，其中，在焊接金屬中錳與鑰的比率的范圍是約2_7 :1。
6.如權利要求1 5中任一項所述的條狀焊條，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.如權利要求1 7中任一項所述的條狀焊條，其中，沉積的焊接金屬的所述碳當量的范圍是約0. 2 0. 3。
9.如權利要求1 8中任一項所述的條狀焊條，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，具有碳當量約為0. 15到0. 35，所述方法包括 Ca)使用約30-60kJ/in范圍內的產生的能量熔化所述焊條； (b)當所述焊條熔化并沉積入所述加工件時，沿所述加工件移動所述焊條。
11.如權利要求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.如權利要求10 12中任一項所述的方法，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.如權利要求10 13中任一項所述的方法，其中，包括預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，調節碳、錳和鑰的比率以提供焊接金屬的碳當量范圍約為0. 20 0. 22。
16.如權利要求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.如權利要求15 17中任一項所述的條狀焊條，其中，所述碳當量小于約0.22。
19.如權利要求15 18中任一項所述的條狀焊條，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.如權利要求15 19中任一項所述的條狀焊條，其中，所述焊條具有約1.5-1. 8%的鎳。
21.如權利要求15 20中任一項所述的條狀焊條，其中，所述焊條具有小于約0.1%的鉻。
22.如權利要求15 20中任一項所述的條狀焊條，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.如權利要求15 20中任一項所述的條狀焊條，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關，焊接金屬的屈服強度在約85ksi 125ksi之間。
25.如權利要求24所述的條狀焊條，包括控制錳、鑰、鎳與碳的量以達到所要求的與焊接焊珠的冷卻速度無關的焊接金屬的屈服強度。
26.如權利要求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.如權利要求24 26中任一項所述的條狀焊條，其中所述焊接金屬具有小于約0.07的碳含量。
28.如權利要求24 27中任一項所述的條狀焊條，在所述條狀焊條中錳與鑰的比率為約 2-8:1。
29.如權利要求24 28中任一項所述的條狀焊條，其包括最高達到2.3重量％的錳、最高達到2. 5重量％的鎳、最高達到0. 5重量％的鑰以及最高達到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關，焊接金屬的屈服強度在約85ksi 125ksi之間，所述方法包括 Ca)至少部分熔化所述焊條；并且 (b)當所述焊條熔化并沉積入所述加工件時，沿所述加工件移動所述焊條。
31.如權利要求30所述的方法，其中，用范圍是約30-60kJ/in的所產生能量至少部分熔化所述焊條。
32.如權利要求30或31所述的方法，其中，所述焊條包括控制錳、鑰、鎳與碳的量以達到所期望的與焊接焊珠的冷卻速度無關的焊接金屬的屈服強度。
33.如權利要求30 32中任一項所述的方法，其中，所述焊接金屬具有約0.15 0. 35的碳當量。
34.如權利要求30 33中任一項所述的方法，其中，所述焊接金屬碳含量小于約0.07重量％。
35.如權利要求30 34中任一項所述的方法，其中，在所述焊接金屬中錳與鑰的比率為約2-7:1。
36.如權利要求30 35中任一項所述的方法，其中，所述焊接金屬含有最高達到1.85重量％的錳、最高達到0. 5重量％的鑰、最高達到2. 5重量％的鎳以及小于0. 07重量％的碳。
37.如權利要求30 36中任一項所述的方法，其中，包括預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度焊接金屬焊珠，與冷卻速度無關，其上的焊接金屬的屈服強度在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，調節碳、錳和鉬的比率以提供所沉積的焊接金屬的碳當量范圍約為0.17到0.30，且優選小于0.22。
文檔編號B23K35/22GK103028860SQ20121057274
公開日2013年4月10日 申請日期2006年10月19日 優先權日2006年2月21日
發明者蘭道爾·M.·博特, 喬恩·P.·基亞波恩, 克雷格·B.·達勒姆, 羅伯特·J.·韋弗 申請人:林肯環球公司