專(zhuān)利名稱(chēng)：焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于Ti基材料MIG焊的焊絲。本發(fā)明尤其涉及一種可以在穩(wěn)定的電弧和穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡之間實(shí)現(xiàn)兼容性的焊絲，從而能夠形成優(yōu)良的焊道形狀。而且，當(dāng)本發(fā)明的焊絲用于Ti熱噴涂中時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)電弧的穩(wěn)定性，于是可以獲得優(yōu)良的熱噴涂涂層。
背景技術(shù)：
對(duì)于Ti或Ti合金制成的部件的焊接，焊接效率更優(yōu)的MIG焊(金屬極惰性氣體保護(hù)焊)已經(jīng)引起注意，以代替TIG焊(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)。MIG焊可以按下述實(shí)施方式進(jìn)行。在Ti或Ti合金制成的焊絲從送絲機(jī)送入，且待焊母材金屬由保護(hù)氣體包圍的條件下，在兩者之間產(chǎn)生電弧。在該步驟產(chǎn)生的焊絲熔滴過(guò)渡并落在被焊母材上，從而連續(xù)地形成焊道。
在該步驟考慮的事項(xiàng)為產(chǎn)生的電弧穩(wěn)定化；熔滴在焊接區(qū)從焊絲穩(wěn)定過(guò)渡和下落。當(dāng)產(chǎn)生的電弧不穩(wěn)定時(shí)，或熔滴沒(méi)有穩(wěn)定地過(guò)渡到焊接區(qū)時(shí)，例如如圖7所示，在形成的焊道中出現(xiàn)收縮，不能得到均勻的覆蓋狀態(tài)。很難說(shuō)這種形狀的焊道能保證焊接區(qū)強(qiáng)度特征的可靠性。
順便提及的是，Ti是活性金屬。所以，當(dāng)用含氧氣體作為保護(hù)氣時(shí)，不僅焊道表面氧化，而且會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)的延展性降低。既然如此，通常，使用高純度的惰性氣體比如純Ar氣作為保護(hù)氣。然而，還已知下述事實(shí)當(dāng)保護(hù)氣中含有氧時(shí)，電弧產(chǎn)生時(shí)陰極斑點(diǎn)固定在焊絲下方的被焊母材金屬上；結(jié)果，電弧被穩(wěn)定(參見(jiàn)文獻(xiàn)1)這意味著如下內(nèi)容氧氣供應(yīng)到產(chǎn)生的電弧場(chǎng)，而使陰極斑點(diǎn)穩(wěn)定，因此產(chǎn)生的電弧也穩(wěn)定。基于這一事實(shí)，已經(jīng)建議了下述Ti材料焊絲(參見(jiàn)文獻(xiàn)2)。這種焊絲是一種如下構(gòu)成的焊絲在由Ti或Ti合金制成的焊絲表面層部分上，形成具有比焊絲內(nèi)層部分更高的氧濃度的富氧層，且富氧層的厚度大于焊絲表面上存在的非常薄的自然氧化物膜的厚度。
這種焊絲以下述方式制成。例如，優(yōu)選細(xì)成的Ti材料進(jìn)行一次軋制，然后在含氧氣氛中進(jìn)行熱處理，形成比表面層部分上的自然氧化物膜更厚的Ti氧化物層(富氧層)。然后，將形成的焊絲冷軋至規(guī)定的焊絲直徑。然后，這種焊絲用作MIG焊的焊絲。結(jié)果，即使在沒(méi)有使用含氧氣體作為保護(hù)氣時(shí)，氧也從富氧層送至產(chǎn)生的電弧場(chǎng)。所以，陰極斑點(diǎn)穩(wěn)定。結(jié)果，形成良好形狀的焊道。
文獻(xiàn)1 日本焊接學(xué)會(huì)全國(guó)會(huì)議論文集(Proceedings of National Meetingof Japan Welding Society)65(1999)，276文獻(xiàn)2 JP2003-326389A然而，根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)2中的焊絲的后續(xù)研究，已經(jīng)證實(shí)，當(dāng)利用這種焊絲進(jìn)行MIG焊時(shí)，出現(xiàn)下述現(xiàn)象。
首先，當(dāng)引出、穩(wěn)定且沒(méi)有波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電弧的陰極斑點(diǎn)位于被焊母材金屬的焊絲下方的位置。然而，在焊絲的頂端，產(chǎn)生兩種類(lèi)型的電弧如圖8所示形狀的集中電弧(在下文中稱(chēng)作集中電弧)；如圖9所示形狀的擴(kuò)散電弧(在下文中稱(chēng)作擴(kuò)散電弧)。前一種電弧已經(jīng)穩(wěn)定，而后一種電弧不穩(wěn)定。
這樣，當(dāng)前者集中電弧產(chǎn)生時(shí)，焊絲的頂端總是以熔滴的形式釋放，熔滴過(guò)渡到焊接區(qū)。因此，形成的焊道形狀/外觀良好。然而，當(dāng)產(chǎn)生后者擴(kuò)散電弧時(shí)，熔滴可能不從焊絲頂端釋放。即使當(dāng)熔滴釋放時(shí)，釋放所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。因此，熔滴過(guò)渡到焊接區(qū)的時(shí)間也長(zhǎng)。結(jié)果，熔滴不能在一個(gè)脈沖電流期間過(guò)渡到焊接區(qū)，而使下一個(gè)脈沖電流在熔滴過(guò)渡完成之前進(jìn)行。
因此，形成焊道的覆蓋狀態(tài)不均勻，沿焊接方向可能局部出現(xiàn)收縮或類(lèi)似的情況。而且，產(chǎn)生大量飛濺，導(dǎo)致焊道的外觀較差。可以想象，這種現(xiàn)象是由于焊絲頂端，即陽(yáng)極斑點(diǎn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的。
本發(fā)明的目的是提供一種解決這一問(wèn)題的焊絲，借此使電弧放電時(shí)陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn)都穩(wěn)定，從而電弧穩(wěn)定，熔滴的過(guò)渡也穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行了熱切的研究來(lái)調(diào)查該問(wèn)題。結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前述目的可以通過(guò)以下焊絲實(shí)現(xiàn)。利用這一發(fā)現(xiàn)，完成本發(fā)明。
本發(fā)明主要涉及以下各項(xiàng)(1)一種焊絲，包含Ti或Ti合金，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自堿金屬和堿土金屬構(gòu)成的組中的金屬的金屬化合物。
(2)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中所述金屬化合物的含量以焊絲總重量為基準(zhǔn)按重量計(jì)為0.002至0.050％。
(3)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中所述焊絲在表面具有裂紋，且所述金屬化合物位于所述裂紋中。
(4)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中所迷金屬的沸點(diǎn)為2000℃或以下。
(5)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中所述金屬化合物是含Ca的金屬化合物。
(6)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為0.3×10-3至1×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)不小于1％。
(7)如項(xiàng)(6)所述的焊絲，其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)為1至40％。
(8)如項(xiàng)(1)所述的焊絲，其中按JIS B0601規(guī)定的Ry表示的表面粗糙度，所述焊絲的表面粗糙度為10μm或以下。
(9)如項(xiàng)(6)所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為1×10-3至50×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)為1至30％。


圖1是本發(fā)明的焊絲表面的顯微照片。
圖2是本發(fā)明的焊絲的表面層部分的截面顯微照片。
圖3是本發(fā)明的焊絲在制造過(guò)程中拔絲之前的表面層部分的顯微照片。
圖4是每種金屬的電離電壓和沸點(diǎn)之間的關(guān)系圖。
圖5是本發(fā)明中定義的集中電弧的說(shuō)明圖。
圖6是示出了使用實(shí)驗(yàn)示例6的焊絲形成的焊道的照片。
圖7是示出了缺陷形狀的焊道的照片。
圖8是示出了集中電弧示例的照片。
圖9是示出了擴(kuò)散電弧示例的照片。
具體實(shí)施例方式
前述效果通過(guò)一種包含Ti或Ti合金的焊絲來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自堿金屬和堿土金屬構(gòu)成的組中的金屬的金屬化合物。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“焊絲”的含義包括用于熱噴涂的絲材(熱噴涂絲)以及用于焊接的絲材。
首先，本發(fā)明的焊絲表面層部分的表面顯微照片和截面顯微照片分別在圖1和2中示出。如圖1所示，這種焊絲是這樣形成的，即所述表面覆蓋有富氧層，且在后面描述的拔絲步驟中產(chǎn)生的微細(xì)表面裂紋分布在整個(gè)焊絲表面上。上述表面裂紋，如圖2所示，形成具有從焊絲表面上的富氧層朝向母材內(nèi)層部分的深度的裂紋。然后，在所述裂紋中，填塞后面描述的包括堿金屬或堿土金屬的化合物。
在本發(fā)明中，富氧層及其平均氧濃度定義如下。即，焊絲的截面進(jìn)行鏡面拋光，并利用EPMA(電子探針顯微分析)對(duì)氧濃度分布進(jìn)行面分析。通過(guò)分析獲得的焊絲中心部分的氧濃度作為1，氧濃度為1.2或更高的區(qū)域(即，氧濃度不小于中心部分濃度的1.2倍)視為富氧層。而且，在氧濃度為1.2或更高的區(qū)域的氧濃度平均值(5個(gè)測(cè)量點(diǎn))視為富氧層的平均氧濃度。順便提及的是，當(dāng)氧濃度沿焊絲截面的圓周方向變化時(shí)，濃度測(cè)量圓設(shè)定在沿截面半徑不同的位置，且氧濃度沿各濃度測(cè)量圓進(jìn)行平均，從而確定沿周向平均的、沿截面半徑的氧濃度分布。這樣，在沿截面半徑的氧濃度分布中，氧濃度不小于中心部分氧濃度的1.2倍大的區(qū)域作為富氧層。
本發(fā)明的富氧層厚度優(yōu)選大于焊絲表面產(chǎn)生的自然氧化物膜厚度。自然氧化物膜的厚度通常為40至100nm。
而且，本發(fā)明的富氧層優(yōu)選滿足下述關(guān)系。
即，優(yōu)選Tw/Dw的值為0.3×10-3至1×10-1，其中Tw表示富氧層的厚度，Dw表示焊絲的絲直徑，且富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)不小于1％。通過(guò)形成具有這樣厚度和平均氧濃度的富氧層，可以很大程度上改進(jìn)焊絲通過(guò)送絲機(jī)導(dǎo)管的輸送性能。而且，進(jìn)行電弧焊或電弧熱噴涂的電弧穩(wěn)定性也良好。
當(dāng)Tw/Dw小于0.3×10-3(Tw為Dw的0.03％)時(shí)，或富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)小于1％時(shí)，輸送性能的改進(jìn)效果不足。而且，電弧更可能不穩(wěn)定，導(dǎo)致不利于形成均勻焊道或噴涂沉積物。當(dāng)Tw/Dw為1×10-3(Tw為Dw的10％)或更大時(shí)，富氧層的形成處理需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，且因?yàn)樾纬衫щy，效果較差。當(dāng)用于焊接等時(shí)，還可能產(chǎn)生有害作用，比如焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭強(qiáng)度降低。
下面描述富氧層的平均氧濃度的上限值。當(dāng)整個(gè)富氧層由氧化鈦形成時(shí)，富氧層的平均氧濃度最大?？梢韵胂?，該值等于從形成的氧化物分子式計(jì)算出的氧含量比值。例如，當(dāng)形成的氧化物是TiO2時(shí)，按化學(xué)計(jì)量氧含量計(jì)算出的平均氧濃度按重量計(jì)為40.06％(假定Ti的原子量為47.88，氧的原子量為16.0進(jìn)行計(jì)算)?；蛘?，可以形成具有比TiO2更高氧的氧化學(xué)計(jì)量比值的Ti氧化物。例如當(dāng)形成Ti2O5時(shí)，平均氧濃度的上限比值按重量計(jì)為45.52％。所以，通常不會(huì)想到富氧層的平均氧濃度的最大值按重量計(jì)超過(guò)45.52％。結(jié)果，在本發(fā)明中，可以說(shuō)富氧層的平均氧濃度的最大值按重量計(jì)為45.52％。然而，當(dāng)富氧層的平均氧濃度的值設(shè)為按重量計(jì)45.52％時(shí)，可能出現(xiàn)比如焊接接頭延展性下降的有害影響。所以，富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)優(yōu)選不大于40％。
為了使電弧穩(wěn)定作用更明顯，富氧層的厚度Tw與絲直徑Dw的比值Tw/Dw優(yōu)選在1×10-3至1×10-1的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。尤其是，當(dāng)除了最外表面層部分的氧化鈦層(厚度等于自然氧化物膜的約40-100nm的厚度或更大)之外，形成氧擴(kuò)散層時(shí)，富氧層的厚度由于氧擴(kuò)散層的厚度而增加了。所以，Tw/Dw落入上述優(yōu)選范圍內(nèi)的可能性更高。
富氧層的Tw/Dw值和平均氧濃度的優(yōu)選上限在本發(fā)明的焊絲用作焊接絲材的情況和焊絲用作熱噴涂絲材的情況之間變化。當(dāng)本發(fā)明的焊絲用作熱噴涂絲材時(shí)，在許多情況下(當(dāng)然有例外)強(qiáng)度需求對(duì)于噴涂沉積物來(lái)說(shuō)可能不必象焊接接頭部分那樣嚴(yán)格。例如，空氣可以用作熔融金屬的噴涂介質(zhì)。在這種情況下，層中的氧濃度也不可避免地增加，因?yàn)槿廴诘腡i金屬在與空氣中的氧反應(yīng)的同時(shí)沉積為噴涂沉積物。然而，當(dāng)不是特別要求高強(qiáng)度時(shí)，這對(duì)于實(shí)際使用來(lái)說(shuō)足以。而且，當(dāng)本發(fā)明的焊絲用作熱噴涂絲材時(shí)，考慮到在熔融狀態(tài)下最終發(fā)生氧化，即使富氧層的Tw/Dw的值和平均氧濃度增加到上限值，也不會(huì)造成任何妨礙。
另一方面，當(dāng)用作焊接絲材時(shí)，富氧層的過(guò)大的厚度或其過(guò)高平均氧濃度可能有時(shí)候不利地導(dǎo)致形成的焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭強(qiáng)度或噴涂沉積物的強(qiáng)度降低。所以，當(dāng)用作焊接絲材時(shí)，優(yōu)選限制Tw/Dw為1.0×10-3至50×10-3(Tw為Dw的1至5％)，富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)為1至30％。當(dāng)用作熱噴涂絲材時(shí)，以及當(dāng)需要使用惰性氣體比如氬氣作為噴涂介質(zhì)，使氧化程度最小而形成高強(qiáng)度的噴涂沉積物時(shí)，Tw/Dw和平均氧濃度可以?xún)?yōu)選限制在同樣范圍內(nèi)。
本發(fā)明的焊絲含有作為主要成分的Ti。在本發(fā)明中，“含有作為主要成分的Ti”的措詞指的是在焊絲中具有最高含量的成分是Ti。優(yōu)選含有的Ti按重量計(jì)不小于50％的量。當(dāng)采用Ti合金時(shí)，目的在于提高形成的焊接區(qū)或噴涂沉積物的強(qiáng)度或延展性等，可以含有作為次要成分的各種添加元素。下面描述可采用的添加元素的示例及其添加的優(yōu)選含量范圍。
(1)Al按重量計(jì)不大于9％Al具有穩(wěn)定Ti的低溫相α相的功能，且固溶在α相中使其增強(qiáng)。然而，當(dāng)其含量按重量計(jì)超過(guò)9％時(shí)，形成大量的中間相(金屬間化合物)Ti3Al等，導(dǎo)致韌性和延展性受到限制。另一方面，為了使前述作用明顯，Al優(yōu)選以按重量計(jì)不小于1％的量加入，且更為優(yōu)選的是以按重量計(jì)在2至8％的范圍內(nèi)添加。
(2)N和O至少一種按重量計(jì)總量不大于0.5％N和O也起到與Al相同的α相穩(wěn)定和增強(qiáng)元素的作用。尤其是，添加0的效果顯著。然而，這些元素的總量按重量計(jì)起過(guò)0.5％導(dǎo)致韌性或延展性受限。另一方面，為了使前述作用明顯，這些元素優(yōu)選以按重量計(jì)總量不小于0.03％的量加入，且更為優(yōu)選的是以按重量計(jì)在0.08至0.2％的范圍內(nèi)的量添加。順便提及的是，此時(shí)的氧含量表示內(nèi)層部分的氧含量，而絕不是富氧層。
(3)V、Mo、Nb和Ta中的一種，或二種或以上按重量計(jì)總量不大于45％所有這些元素都是Ti的高溫相β相的穩(wěn)定元素，且在通過(guò)改進(jìn)可熱處理性而改進(jìn)可熱加工性并實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度方面有效。然而，所有這些元素比重大，熔點(diǎn)高。因此，它們的過(guò)多的添加不僅損害重量輕和高比強(qiáng)度的效果，特別是對(duì)于Ti合金，而且由于增加了合金熔點(diǎn)而增加了熔融制造的難度。為此，這些元素的添加總量上限設(shè)為按重量計(jì)45％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優(yōu)選以按重量計(jì)不小于1％的總量添加。Mo或Ta可以少量添加，以提高合金的抗腐蝕性。
(4)Cr、Fe、Ni、Mn和Cu中的一種，或二種或以上按重量計(jì)總量不大于15％這些元素也具有穩(wěn)定β相的作用，且在通過(guò)改進(jìn)可熱處理性而改進(jìn)可熱加工性并實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度方面有效。然而，這些元素中的任一種易于形成在其和Ti之間的中間相(例如，TiCr2，TiFe，Ti2Ni，TiMn或Ti2Cu)，且它們的過(guò)多的添加導(dǎo)致延展性和韌性下降。所以，這些元素的添加總量上限設(shè)為按重量計(jì)15％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優(yōu)選以按重量計(jì)總量不小于0.5％的量添加?？梢陨倭刻砑覰i，以提高合金的抗腐蝕性。
(5)Sn和Zr的至少一種按重量計(jì)總量不大于20％這些元素被認(rèn)為是用于增強(qiáng)α相和β相的中性型添加元素。然而，過(guò)多的添加導(dǎo)致作用飽和，所以這些元素的添加總量上限設(shè)定為按重量計(jì)20％。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優(yōu)選以按重量計(jì)總量不小于0.5％添加。
(6)Si按重量計(jì)不大于0.7％Si具有提高合金的抗蠕變性(蠕變斷裂強(qiáng)度)的作用，且提高耐熱性。然而，由于形成金屬間化合物，比如Ti5Si3，過(guò)多的添加反而導(dǎo)致蠕變斷裂強(qiáng)度或延展性降低。所以，Si的添加量上限設(shè)定為按重量計(jì)0.7％。另一方面，為了使效果明顯，Si優(yōu)選以按重量計(jì)不小于0.03％的量添加，更可取的是以按重量計(jì)在0.05至0.5％的范圍內(nèi)的量添加。
(7)Pd和Ru的至少一種按重量計(jì)總量不大于0.5％這些元素具有提高合金的抗腐蝕性的作用。然而，考慮到作用飽和等，這些元素的添加量上限設(shè)定為按重量計(jì)0.5％，因?yàn)樗鼈兌际琴F金屬，因此價(jià)格昂貴。另一方面，為了使效果明顯，這些元素優(yōu)選以按重量計(jì)不小于0.02％的量添加。
合金組成的具體示例可以包括以下這些(順便提及的是，組成以主要成分Ti打頭表示，隨后是用連字符連接的次要成分和組成數(shù)字，同時(shí)省略了按重量計(jì)的％單位(例如，Ti-按重量計(jì)6％的Al-按重量計(jì)4％的V合金簡(jiǎn)單地表示為T(mén)i-6Al-4V))。
α型合金Ti-5Al-2.5Sn，Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si，和Ti-2.5Cu[2]近a型合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，Ti-8Al-1Mo-1V，Ti-2.25Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-0.25Si，Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo，Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si，Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si，和Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si[3]α+β型合金Ti-8Mn，Ti-3Al-2.5V，Ti-6Al-4V，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-7Al-4Mo，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si，Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.2Si，Ti-4Al-4Sn-4Mo-0.2Si，Ti-2.25Al-11Sn-4Mo-0.2Si，Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr，Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr，Ti-6Al-5Zr-4Mo-1Cu-0.2Si，和Ti-5Al-2Cr-1Fe[4]β型合金Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn，Ti-11V-11Zr-2Al-2Sn，Ti-15Mo-5Zr，Ti-15Mo-5Zr-3Al，Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn，Ti-22V-4Al，和Ti-15V-6Cr-4Al[5]近β型合金Ti-10V-2Fe-3Al[6]耐腐蝕合金(雖然可用于焊接，但它們尤其適用于希望通過(guò)熱噴涂形成耐腐蝕涂層時(shí))Ti-0.15Pd，Ti-0.3Mo-0.8Ni，和Ti-5Ta本發(fā)明的焊絲可以通過(guò)一次軋制Ti或Ti合金錠而形成卷材，然后對(duì)軋制卷材進(jìn)行氧化處理，從而在表面形成富氧層而獲得。
更明確地說(shuō)，在本發(fā)明的焊絲中，富氧層可以通過(guò)使金屬焊絲在含氧氣氛中經(jīng)受熱氧化處理而形成?？墒褂玫暮鯕夥帐呛醒趸衔锏臍怏w氣氛，比如含氧氮?dú)夥?包括空氣)，或含氧惰性氣體氣氛，或還有水蒸氣。為了形成具有必要和足夠厚度的富氧層，優(yōu)選使用氧分壓為5×103至15×10-3Pa的含氧氣氛。而且，處理溫度優(yōu)選設(shè)定為例如500至800℃。另一方面，除了熱氧化處理之外，可采用的方法是使氧化鈦晶粒嵌入焊絲表面，或通過(guò)氣相沉積工藝形成氧化鈦層，比如氣相沉積或?yàn)R射，從而形成富氧層?；蛘?，氧化鈦層可以通過(guò)已知的溶膠-凝膠工藝形成。然后，當(dāng)根據(jù)這些方法之一形成氧化鈦層時(shí)，更為優(yōu)選的是通過(guò)擴(kuò)散熱處理形成氧擴(kuò)散層。
圖3示出了前述狀態(tài)下卷繞焊絲的截面顯微照片。從圖3可以明顯看出，在此狀態(tài)下富氧層形成的表面上沒(méi)有產(chǎn)生裂紋。
隨后，卷繞焊絲經(jīng)過(guò)冷拔絲加工，形成具有優(yōu)選絲直徑的焊絲。在這一步驟，根據(jù)表面收縮率的大小，在焊絲的表面上，形成如圖1所示的從表面朝向焊絲內(nèi)部的裂紋，所述裂紋以在焊絲表面層部分中的大量表面裂紋的形式產(chǎn)生。
順便提及的是，在本發(fā)明中，表面收縮率以下述等式定義表面收縮率(％)＝(拔絲前的焊絲截面面積-拔絲后的焊絲截面面積)/(拔絲前的焊絲截面面積)×100這樣，最后，在表面裂紋中，填塞具有至少一種從堿金屬和堿土金屬中選擇的金屬的金屬化合物，從而形成如圖2所示的本發(fā)明的焊絲。
這樣，制成本發(fā)明的具有富氧層和金屬化合物的焊絲。
對(duì)于這些金屬化合物，優(yōu)選比如碳酸鹽的金屬化合物。特別優(yōu)選碳酸鈉、碳酸鉀，和碳酸鈣。
下面描述在裂紋中填塞金屬化合物的方法。對(duì)于填塞方法，例如，可以提及下述方法將任意的這些金屬化合物混合在潤(rùn)滑劑中，使用用于冷拔絲所述潤(rùn)滑劑進(jìn)行拔絲；結(jié)果，產(chǎn)生表面裂紋，同時(shí)，將潤(rùn)滑劑填塞入其中；結(jié)果，在表面裂紋中填塞了金屬化合物。
填塞的金屬化合物量可以例如通過(guò)改變金屬化合物與潤(rùn)滑劑的混合比例，改變富氧層的厚度或改變拔絲過(guò)程中的表面收縮率而進(jìn)行調(diào)整。
順便提及的是，通常使用包括比如氫氧化鈣和硬脂酸鈣的化合物的潤(rùn)滑劑作為潤(rùn)滑劑。對(duì)于這種潤(rùn)滑劑，例如混合了規(guī)定金屬的碳酸鹽，而使金部金屬與鈣結(jié)合填塞入表面裂紋中所以，當(dāng)填塞除鈣之外的金屬化合物時(shí)，可以采用下述工序。在拔絲之后對(duì)焊絲進(jìn)行一次清洗，從而去除表面裂紋的潤(rùn)滑劑。然后，通過(guò)使用規(guī)定的金屬化合物，以0％的表面收縮率使焊絲經(jīng)過(guò)拔絲機(jī)。
當(dāng)潤(rùn)滑劑本身含有優(yōu)選的堿金屬或堿土金屬時(shí)，可以使用該潤(rùn)滑劑進(jìn)行拔絲。
本發(fā)明的焊絲可用于Ti材料MIG焊中使用的用于焊接的絲材。而且，本發(fā)明的焊絲也具有電弧穩(wěn)定性和熔滴過(guò)渡穩(wěn)定性。所以，也可以用作電弧熱噴涂方法中的用于熱噴涂的絲材。
在本發(fā)明中，堿金屬的示例包括Li、Na、K、Rb和Cs，堿土金屬的示例包括Ca、Sr和Ba。而且，一種適當(dāng)?shù)慕饘龠x自堿金屬，另一種適當(dāng)?shù)慕饘僖策x自堿土金屬，該化合物可以一起使用。即，可一起包含堿金屬和堿土金屬。
本發(fā)明的金屬化合物優(yōu)選具有，堿金屬或堿土金屬中沸點(diǎn)為2000℃或以下的金屬，更可取的是600-2000℃。尤其是，優(yōu)選具有K、Na、Ca之一或更多。而且，含有Ca的金屬化合物優(yōu)選使用。
金屬化合物的含量?jī)?yōu)選設(shè)定為以焊絲的總重量為基準(zhǔn)按重量計(jì)0.002至0.050％。
這是出于下述原因。當(dāng)該金屬化合物的含量按重量計(jì)小于0.002％時(shí)，金屬化合物的作用不足以發(fā)揮。因此，集中電弧出現(xiàn)的機(jī)率變小。結(jié)果，難以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)脈沖電流期間產(chǎn)生一個(gè)熔滴的目的。這為形成良好焊道造成困難。當(dāng)金屬化合物的含量按重量計(jì)大于0.050％時(shí)，電弧力變得太強(qiáng)。因此，在熔滴過(guò)渡到焊接區(qū)的過(guò)程中，在熔滴中心出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象。結(jié)果，在焊道中必然出現(xiàn)外部粗糙度，而且在除焊接區(qū)之外的位置也出現(xiàn)。
而且，考慮到在一個(gè)脈沖電流期間實(shí)現(xiàn)一個(gè)熔滴，該金屬化合物的含量?jī)?yōu)選為以焊絲總重量為基準(zhǔn)按重量計(jì)0.007至0.015％。
所有這些金屬都具有比形成母材的主要成分Ti更低的沸點(diǎn)和電離電壓。這在圖4中示出。這些金屬位于本發(fā)明的焊絲表面層部分的裂紋中。所以，在MIG焊中，在母材(Ti)被電弧熱熔化之前，這些金屬以電離的金屬蒸汽形式存在于電弧場(chǎng)中。因此，產(chǎn)生的電弧變成集中電弧，且得以穩(wěn)定。
順便提及的是，本發(fā)明中所稱(chēng)的術(shù)語(yǔ)“集中電弧”定義為如下電弧。這參照?qǐng)D5進(jìn)行描述。具有直徑D的焊絲電弧放電，且可視覺(jué)上觀察到電弧的邊界部分。太模糊的以至于邊界部分不能識(shí)別的電弧自然不能認(rèn)為是集中電弧，而稱(chēng)作擴(kuò)散電弧。
然后，假定一個(gè)截錐，其底面位于比焊絲下端面低焊絲直徑D的位置。在θ≥60°的情況下，其中θ表示在截錐側(cè)面和底面之間形成的角度，該電弧稱(chēng)作集中電弧。當(dāng)設(shè)定θ≥60°，總是可以形成熔滴。
因?yàn)楸景l(fā)明的焊絲具有上述特性，所以它可以用于送絲機(jī)，比如進(jìn)行MIG焊的設(shè)備。
從改善焊絲在送絲機(jī)中的輸送性的角度來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的焊絲表面的稱(chēng)作Ry的表面粗糙度優(yōu)選為最大高度10μm或以下，這樣，富氧層形成具有前述厚度和平均氧濃度。這有利于獲得已經(jīng)將表面粗糙度調(diào)節(jié)到這種數(shù)值的焊絲表面。焊絲的表面粗糙度優(yōu)選設(shè)為數(shù)學(xué)平均粗糙度Ra為0.5μm或以下。而且，最大高度Ry和數(shù)學(xué)平均粗糙度Ra的下限值不具體限制，考慮到成本權(quán)衡適當(dāng)設(shè)定。順便提及的是，本發(fā)明人證實(shí)，Ry可以減小到約1.0μm，Ra可以減小到0.1μm。順便提及的是，在本說(shuō)明書(shū)中，表面粗糙度表示通過(guò)JISB0601(1994)中規(guī)定的方法測(cè)量的值。
為了避免焊絲在送絲機(jī)中彎折，焊絲的拉伸強(qiáng)度優(yōu)選為400至1500MPa。當(dāng)拉伸強(qiáng)度小于400MPa時(shí)，難以充分地防止彎折。當(dāng)拉伸強(qiáng)度超過(guò)1500MPa時(shí)，焊絲的撓性減弱，導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂和卷繞困難的缺陷。焊絲的拉伸強(qiáng)度可以例如通過(guò)調(diào)節(jié)冷加工拔絲最后階段的冷加工表面收縮率而進(jìn)行控制，或通過(guò)調(diào)節(jié)隨后進(jìn)行的去應(yīng)力退火時(shí)的退火溫度和時(shí)間而進(jìn)行控制。焊絲的拉伸強(qiáng)度更為優(yōu)選的是400至1200MPa。
示例現(xiàn)在參照示例和比較例更詳細(xì)地闡述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不應(yīng)理解為僅限于此。
實(shí)驗(yàn)示例1至25(1)焊絲的制造JIS H4670規(guī)定的Ti焊絲(JIS 2級(jí)，絲直徑1.6mm)用于制備實(shí)驗(yàn)示例。實(shí)驗(yàn)示例1至22分別具有厚富氧層，通過(guò)在空氣中750℃的溫度下進(jìn)行熱處理6分鐘而在表面形成富氧層制成。實(shí)驗(yàn)示例23至25分別具有薄富氧層，以與實(shí)驗(yàn)示例1至22相同的方式制成，除了熱處理溫度設(shè)為450℃之外。
另一方面，制備表1所示的堿金屬和堿土金屬的碳酸鹽粉末。對(duì)于潤(rùn)滑劑，準(zhǔn)備KOSHIN(氫氧化鈣和硬脂酸鈣的混合物，商品名，KYOEISHA Chemical Co.，Ltd)。通過(guò)使用潤(rùn)滑劑，進(jìn)行冷拔絲加工，形成絲直徑(Dw)為1.0mm的焊絲。在該步驟的表面收縮率為37.5％。
當(dāng)使除鈣之外的金屬單獨(dú)與富氧層存在時(shí)，在拔絲之后焊絲利用LIGHTCLEAN(洗滌劑)進(jìn)行一次清洗而洗去KOSHIN。然后，使用規(guī)定的金屬碳酸鹽粉末，焊絲經(jīng)過(guò)拔絲機(jī)，表面收縮率為0％，而使粉末填塞入表面裂紋中。不具有富氧層金屬的實(shí)驗(yàn)示例25用與上述相同的方式在拔絲之后僅僅進(jìn)行清洗而制成。每種形成的焊絲按照下述規(guī)范進(jìn)行金屬化合物的金屬含量(按重量計(jì)％)、富氧層的厚度(Twμm)、拉伸強(qiáng)度(MPa)、表面粗糙度和動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量。
金屬含量通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行分析。
富氧層如上所述，焊絲的截面進(jìn)行鏡面拋光。拋光表面通過(guò)EPMA進(jìn)行關(guān)于氧濃度分布的面分析。在截面中心部分的氧濃度視為1，氧濃度為1.2或以上(即，氧濃度不小于中心部分的1.2倍大)的焊絲區(qū)域視為富氧層。
平均氧濃度如上所述，確定富氧層中氧濃度的平均值(5個(gè)測(cè)量點(diǎn))，作為富氧層的的平均氧濃度。
富氧層的厚度作為富氧層厚度的平均值。
拉伸強(qiáng)度從每種焊絲上切下100mm長(zhǎng)的試樣，通過(guò)Instron型拉伸試驗(yàn)機(jī)以1.0mm/min的十字頭速度拉伸。這樣，確定應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最大應(yīng)力值讀為拉伸強(qiáng)度。
表面粗糙度按照將評(píng)估長(zhǎng)度沿焊絲縱向方向設(shè)定的實(shí)施方案，利用JISB0601(1994)規(guī)定的方法確定粗糙度曲線。最大高度Ry(μm)和數(shù)學(xué)平均粗糙度Ra(μm)的數(shù)值分別讀出。
動(dòng)摩擦系數(shù)這利用Bowden-Leben型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量。更明確地說(shuō)，焊絲試樣放在試樣臺(tái)上，用于加壓的鋼材從上方疊放在上面，以恒定的速度移動(dòng)試樣臺(tái)，同時(shí)通過(guò)給定重物的重量對(duì)所述鋼材加壓。通過(guò)應(yīng)變儀型的負(fù)載傳感器檢測(cè)該步驟的摩擦力。
上述結(jié)果匯總并示于表1中。
表1

(2)MIG焊利用表1中所示的每種焊絲進(jìn)行在表2所示條件下的MIG焊。在這些MIG焊中，將Digital Pulse CPDP-350(DAIHEN Corporation制造)用作焊接電源。
表2

焊接過(guò)程中焊絲的輸送性，電弧的穩(wěn)定性，和產(chǎn)生的飛濺量按下述規(guī)范進(jìn)行評(píng)定。形成的焊道形狀，接頭部分的拉伸強(qiáng)度和延伸率按下述規(guī)范進(jìn)行評(píng)定。
焊絲的輸送性在焊接過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生焊絲彎折的情況列為“AA”，產(chǎn)生焊絲彎折的情況列為“B”。
電弧穩(wěn)定性產(chǎn)生的電弧狀態(tài)通過(guò)High Speed Camera System 1000型照像(一個(gè)圖像/ms；Nac Inc.制造)，在開(kāi)始焊接后2秒至7秒進(jìn)行5秒。這樣，電弧的穩(wěn)定性從圖像評(píng)定。集中電弧的出現(xiàn)率為80％或以上的情況列為“AA”，65至80％的情況列為“A”，低于65％的情況列為“B”。
產(chǎn)生的飛濺量產(chǎn)生的飛濺量是按100mm的焊接長(zhǎng)度，由沉積在母材金屬上的直徑為1mm或以上的飛濺物的量來(lái)評(píng)定。在完成焊接之后，可以視覺(jué)上觀察到已經(jīng)沉積在被焊母材金屬上的飛濺物的狀態(tài)。沒(méi)有沉積直徑為1mm或以上的飛濺物的情況列為“AA”，已經(jīng)沉積了1至10個(gè)具有所述直徑范圍的飛濺物的情況列為“A”，已經(jīng)沉積了11或更多個(gè)具有所述直徑范圍的飛濺物的情況列為“B”。
焊道形狀在焊接之后，視覺(jué)觀察焊道。寬度均勻且外觀平滑的情況列為“AA”，焊道寬度的不規(guī)則性小的情況列為“A”，焊道寬度的不規(guī)則性大的情況列為“B”。
接頭部分的拉伸強(qiáng)度測(cè)量值為340MPa或以上的情況列為“AA”，測(cè)量值等于或小于該值的情況列為“B”。
前述結(jié)果匯總并示于表3中。
表3

X*焊道形狀非常差，沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量。
從表1和3可以看出，當(dāng)使用具有堿金屬或堿土金屬的實(shí)驗(yàn)示例的焊絲時(shí)，電弧穩(wěn)定，且焊道形狀在任何情況下都良好。而且，在焊絲含有適當(dāng)量的金屬化合物的每個(gè)實(shí)驗(yàn)示例1至20中，效果更好。
然而，當(dāng)使用根本沒(méi)有金屬化合物，且富氧層的厚度較小的實(shí)驗(yàn)示例25的焊絲時(shí)，集中電弧的產(chǎn)生減少，飛濺量增加，導(dǎo)致產(chǎn)生較差的焊道形狀。
順便提及的是，在圖6中示出了使用實(shí)驗(yàn)示例6的焊絲形成的焊道形狀的照片。從圖中可以看出，使用這種焊絲能形成具有均勻?qū)挾纫约熬鶆蚋采w形式，且外觀和形狀良好的焊道。
實(shí)驗(yàn)示例26至41除了使用表4中所示成分的Ti合金材料作為母材，且按照表4所示類(lèi)型和含量使用堿金屬和堿土金屬之外，用與實(shí)驗(yàn)示例1至25相同的方式制造焊絲。
表4

利用實(shí)驗(yàn)示例26至41的焊絲，進(jìn)行MIG焊。結(jié)果示于表5中。
表5

實(shí)驗(yàn)示例42至53以這樣的方式制造焊絲，即如示例1-24那樣由JIS 2級(jí)制成母材，且根據(jù)表6所示的類(lèi)型和含量使用堿金屬和堿土金屬。
表6

實(shí)驗(yàn)示例42至53的焊絲安裝在送絲機(jī)的熱噴涂單元中，且送入焊槍而在被處理工件表面進(jìn)行熱噴涂。分析該步驟的焊絲輸送性和電弧的穩(wěn)定性。結(jié)果示于表7中。
表7

堿金屬或堿土金屬的沸點(diǎn)和電離電位分別低于Ti的沸點(diǎn)和電離電位。所以，在母材(Ti或Ti合金)被電弧熱熔化之前，堿金屬或堿土金屬以電離的金屬蒸汽形式存在于產(chǎn)生的電弧場(chǎng)中。因此，產(chǎn)生的電弧柱穩(wěn)定，形成集中電弧。而且，富氧層中的氧也穩(wěn)定產(chǎn)生的電弧，同時(shí)，減小焊絲表面的表面張力，而使產(chǎn)生的熔滴更可能從焊絲頂端釋放。
這樣能使一個(gè)熔滴在MIG焊的一個(gè)脈沖電流期間可靠地過(guò)渡到焊接區(qū)。結(jié)果，可以形成形狀和外觀良好的焊道。
利用本發(fā)明的焊絲，產(chǎn)生的電弧成為集中電弧，可以在一個(gè)脈沖電流期間可靠地實(shí)現(xiàn)一個(gè)熔滴過(guò)渡。所以，焊接區(qū)的焊道形狀和外觀優(yōu)良。這種焊絲適于用作Ti材料MIG焊中的焊接絲材，或用作Ti熱噴涂時(shí)的熱噴涂絲材。
雖然已經(jīng)參照具體實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但顯然對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以作出各種變化和改變，而不脫離其主旨和范圍。
本申請(qǐng)基于2004年10月14日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.2004-300497，在此通過(guò)引用而包含其內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種焊絲，包含Ti或Ti合金，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自堿金屬和堿土金屬構(gòu)成的組中的金屬的金屬化合物。
2.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中所述金屬化合物的含量以焊絲總重量為基準(zhǔn)按重量計(jì)為0.002至0.050％。
3.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中所述焊絲在表面具有裂紋，且所述金屬化合物位于所述裂紋中。
4.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中所述金屬的沸點(diǎn)為2000℃或以下。
5.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中所述金屬化合物是含Ca的金屬化合物。
6.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為0.3×10-1至1×10-1，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)不小于1％。
7.如權(quán)利要求6所述的焊絲，其中所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)為1至40％。
8.如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中按JIS B0601規(guī)定的Ry表示的表面粗糙度，所述焊絲的表面粗糙度為10μm或以下。
9.如權(quán)利要求6所述的焊絲，其中Tw/Dw的值為1×10-3至50×10-3，其中Tw表示所述富氧層的厚度，Dw表示所述焊絲的絲直徑，且所述富氧層的平均氧濃度按重量計(jì)為1至30％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包括Ti或Ti合金的焊絲，其中該焊絲具有在其表面的富氧層；以及具有至少一種選自堿金屬和堿土金屬構(gòu)成的組中的金屬的金屬化合物。
文檔編號(hào)B23K35/32GK1762646SQ20051012490
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者堀尾浩次, 高橋亮次, 南川裕隆, 中條屋真 申請(qǐng)人:大同特殊鋼株式會(huì)社