專利名稱：添加鋁酸鋰以改進(jìn)自保護(hù)焊條的性能的制作方法
添加鋁酸鋰以改進(jìn)自保護(hù)焊條的性能發(fā)明背景 1、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的焊接焊條。更一般地，符合本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)以及方法涉及改進(jìn)自保護(hù)焊條的焊接性能的方法以及設(shè)備。2、相關(guān)領(lǐng)域的描述自從自保護(hù)焊條引入到焊接以來，自保護(hù)焊條的使用迅速增長。自保護(hù)焊條被用在不同焊接操作的許多類型中，諸如保護(hù)金屬電弧焊(“SMAW”)以及焊劑芯電弧焊 (“FCAW”)。這些焊接方法的許多優(yōu)點(diǎn)已為人們所熟知，本文將不重復(fù)。在這些焊接方法的每一種方法中，焊條產(chǎn)生它自己的保護(hù)氣，經(jīng)由焊劑，來除去來自熔融的焊接熔池區(qū)域的氧和氮并“殺滅”焊池。保護(hù)氣由包括在焊接焊劑中的在焊接期間分解的化合物產(chǎn)生。釋放的氣體降低在焊接電弧環(huán)境中氮和氧的分壓，使得來自焊接熔池的氮和氧的吸收作用被降低。除去來自熔融的焊接熔池的氧和氮以及“殺滅”焊池的需要及其原因，也為人們所熟知。為了實(shí)現(xiàn)從焊接金屬除去氧和氮，典型的自保護(hù)焊條在焊劑或金屬電極或兩者中包括一定量的鋁。鋁的存在有助于阻止氮和氧進(jìn)入焊接金屬，以及“殺滅”焊接熔池。具體地，添加的鋁通過與氮和氧反應(yīng)來生成氮化鋁和氧化鋁幫助從焊接熔池取走氮和氧。然后， 大多數(shù)的氮化鋁以及氧化鋁浮出焊接熔池，同時一些氮化鋁和氧化鋁保留在焊接金屬中。 然而，鋁的使用不是沒有它的缺陷的。具體地，參見

圖1，在焊接金屬中鋁的存在有閉合鐵碳相圖中Y區(qū)(gamma loop) 的傾向。由于這種傾向，鋁的存在趨向限制從S到Y(jié)到α相的相變。這種限制的結(jié)果是在焊接金屬結(jié)構(gòu)中大的未精煉顆粒的生成。在焊接金屬結(jié)構(gòu)中大的未精煉顆粒結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致有不良的延展性的焊縫，也即，焊縫是脆性的。在許多應(yīng)用中，脆性的焊縫是不合乎期望的。由于在焊條中高鐵酸鋁的使用，這些來自鋁的缺陷能夠被增進(jìn)。高鐵酸鋰常被用于自保護(hù)焊條，因為鋰解離成鋰氣體，鋰氣體有助于稀釋來自焊縫周圍空氣的氮。然而，因為強(qiáng)熱和能量(這樣的強(qiáng)熱和能量對于焊接來說是典型的)，高鐵酸鋰可能與來自焊條的鋁反應(yīng)，在其中，這種反應(yīng)作為鋁熱反應(yīng)是已知的。因為這個反應(yīng)，向焊條添加額外的鋁常常是必需的。然而，鋁熱反應(yīng)常常達(dá)到不同的完成程度。因為這種不同的完成程度，任何未被反應(yīng)的過量的鋁，常常在同一個焊縫中，將以不同的濃度來到焊縫金屬中。這對于上面提到的理由而言是不利的。因此，阻止氮和氧進(jìn)入焊縫金屬并且不閉合或者不顯著地干擾在焊縫金屬中的相變的焊條組成是需要的。因此，本發(fā)明的一個目的是提供改進(jìn)的根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的焊條。發(fā)明的簡要說明這個目的通過權(quán)利要求1的焊接焊條被解決。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案一種焊接焊條，包括金屬電極部分和焊劑部分，所述焊劑部分與金屬電極部分相鄰。金屬電極部分和焊劑部分中的至少一個包括鋁酸鋰。附圖的簡要說明本發(fā)明的以上和/或其他方面以及實(shí)施方案是可以從下列描述、權(quán)利要求書以及附圖推知的，而且通過參照附圖在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中的描述，將會更明顯的，附圖中圖1示出鐵碳相圖的示意圖；并且圖2A以及2B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的焊條的橫斷面的示意圖。示例件實(shí)施方案的詳細(xì)描述現(xiàn)在參考附圖，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案將被詳細(xì)描述如下。描述的示例性實(shí)施方案旨在協(xié)助理解本發(fā)明，而不是意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。全文中類似的參考數(shù)字是指類似的要素。圖1繪示了顯示鋼的熱力學(xué)上有區(qū)別的γ、δ以及α相的每一個平衡相的鐵碳相圖。因為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員理解在鐵碳相圖中所提出的信息，在本文中詳細(xì)討論將被省略。圖1是僅被提供作為參考以有助于進(jìn)一步理解本發(fā)明的下列討論?，F(xiàn)在講圖2Α以及2Β，這兩幅圖繪示自保護(hù)焊接焊條100/200的橫斷面。在圖2Α 中，焊條100是焊劑芯焊條，在該焊條100中，焊劑芯101被金屬電極部分103包圍。圖2Β 繪示了常常被稱為“手工焊焊條(stick electrode)”的自保護(hù)焊條200，在該自保護(hù)焊條 200中，金屬芯電極部分203被焊劑201的敷層包圍。在每一種配置中，焊劑101/201用來在焊接操作期間產(chǎn)生保護(hù)氣體，除其他事務(wù)之外，從焊縫金屬中除去氧和氮。通過保護(hù)焊接熔池免受空氣侵害，這種從焊縫金屬中除去氧和氮被達(dá)成。應(yīng)注意的是焊條的總物理尺寸， 諸如直徑等，是與已知焊條的總物理尺寸類似的，并且本發(fā)明不限于此。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，焊劑101/201和電極部分103/203中至少一個包括鋁酸鋰(LiAlO2)15在本發(fā)明中，在焊劑101/201和/或電極部分103/203中的鋁酸鋰在焊接電弧中分解，這種分解與高鐵酸鋁類似。這種分解引起鋰從鋁酸鹽中解離。然后，鋰起到稀釋焊縫區(qū)域存在的氮的作用(類似于上述關(guān)于高鐵酸鋰的作用)，同時鋁酸鹽主要沉積在焊渣中，焊渣在該焊縫被完成后從焊接區(qū)域除去。不同于高鐵酸鋰(LiFeO2),鋁酸鋰在引起鋁熱反應(yīng)的等離子體電弧中不反應(yīng)。沒有這種反應(yīng)，在焊縫金屬中鋁的復(fù)得(recovery)更可預(yù)見并且一致。因此，在焊縫金屬中鋁的差異被最小化。因為差異的這種最小化，焊縫強(qiáng)度和韌性能夠被更加仔細(xì)地控制并且在焊縫金屬中被制作得更加一致。此外，因為鋁酸鋰的使用使在焊縫金屬中鋁的復(fù)得更可預(yù)見并且一致，在焊條中所需鋁的總量能夠被降低。具體地，不存在在焊條100/200中放置額外的鋁的需要。因此，由于本發(fā)明的各種的實(shí)施方案，鋁酸鋰的使用允許在整個焊條100/200中鋁的量降低，而沒有在焊條的保護(hù)性能方面的降低并且沒有在生成焊縫中的任何在冶金學(xué)上不利的影響。事實(shí)上，因為保留在焊縫中的鋁的總量被降低，使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案的焊條將導(dǎo)致超越現(xiàn)有技術(shù)焊條的改進(jìn)的冶金學(xué)的性能。此外，焊縫強(qiáng)度和韌性能夠在一焊縫中以及從不同的焊縫到不同的焊縫保持更加一致。
4如之前討論過的，在焊接熔池中鋁的存在能夠干擾鋼從它的δ到Υ到α相的相變(參見圖1)。特別地，鋁的存在趨于閉合鐵碳相圖中的Y區(qū)，圖1。這導(dǎo)致在焊縫中大的未精煉顆粒結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，導(dǎo)致焊縫缺乏韌性和延展性(也即，焊縫可能是脆性的)。然而，在現(xiàn)有的焊條中，需要額外量的鋁被添加到焊條中，因為，如以上討論過的，一些焊條鋁在鋁熱反應(yīng)中被消耗了。因為這種消耗，在焊條中需要額外量的鋁來確保在焊接過程期間存在著充足量的鋁來充當(dāng)脫氮劑以及脫氧劑。但是，因為鋁熱反應(yīng)的揮發(fā)性和易變性，在那個反應(yīng)中消耗的鋁的量能夠顯著地變化并且能夠?qū)е略诤缚p金屬中增加的鋁量。通過采用本發(fā)明的焊條，鋁熱反應(yīng)被避免，因此，確保幾乎沒有或沒有鋁是被不必要地消耗和損失。因此，焊條中需要的鋁量被降低(不存在因為鋁熱反應(yīng)而添加額外的鋁的需要)，并且焊縫中的一致性被維持。因為這種對鋁的量的更強(qiáng)的控制，在維持焊條所需的保護(hù)能力的同時，冶金學(xué)上不利的影響被避免和/或消除。事實(shí)上，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的焊條能夠?qū)е聝?yōu)異的超過現(xiàn)有技術(shù)焊條的冶金學(xué)性能，如焊縫韌性。還被注意的是，除了在鋁和酸性氧化物(例如，高鐵酸鋰)之間的反應(yīng)之外，鎂 (Mg)也與同樣的酸性氧化物反應(yīng)。這種鎂反應(yīng)對焊接過程是有益的，因為鐵被還原進(jìn)入焊縫金屬以及產(chǎn)生MgO。在這些反應(yīng)期間，鋰進(jìn)入它的氣態(tài)，并通過降低氮的分壓協(xié)助保護(hù)。下列兩個反應(yīng)代表使用現(xiàn)有技術(shù)焊條發(fā)生在焊接電弧等離子體中的反應(yīng)4Al+3LiFe02 — 2Al203+3Fe+3Li,以及2Mg+LiFe02 ^ 2Mg0+Fe+Li在本發(fā)明的實(shí)施方案中，采用鋁酸鋰。通過使用鋁酸鋰，鋰仍在焊弧等離子體中被解離，但是非常少，或者沒有鋰或鋁被還原進(jìn)入到焊縫金屬中。通過使用鋁酸鋰，能夠引起下列兩個反應(yīng)2LiA102 — Li2CHAl2O3,以及2LiA102 — Li+Al203+l/202當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的焊條100/200時，所述反應(yīng)中兩者任一或兩者都可能被引起。在以上反應(yīng)的兩者任一反應(yīng)中，鋁酸鹽在焊渣中被沉積，然后，當(dāng)焊渣被移除時， 鋁酸鹽被除去。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，鋁酸鋰完全取代焊條中的高鐵酸鋰。例如，如果焊條焊劑包括約7%的高鐵酸鋰，焊條焊劑能夠用約7%鋁酸鋰取代。在另一個實(shí)施方案中，焊劑包括鋁酸鋰以及高鐵酸鋰的混合物。在本發(fā)明的再一個實(shí)施方案中，焊條焊劑包括鋯酸鋰，而不是鋁酸鋰。在這個實(shí)施方案中，鋯酸鋰類似于鋁酸鋰反應(yīng)。在本發(fā)明的附加的可選實(shí)施方案中，鋁酸鋰和鋯酸鋰的組合能夠被采用?？梢葬槍ζ谕暮附犹卣饕约昂笚l性能調(diào)整鋁酸鋰和/或鋯酸鋰的準(zhǔn)確用量和比例。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，焊條焊劑包括直到約7%重量的鋁酸鋰。此外，焊劑能夠包括在約1至20%范圍內(nèi)的鋁酸鋰。在另一個實(shí)施方案中，焊劑包括在約5至7%范圍內(nèi)的鋁酸鋰。在包括鋯酸鋰的實(shí)施方案中，焊條焊劑包括直到約7%重量的鋯酸鋰。此外，焊劑能夠包括在約1至20%范圍內(nèi)的鋯酸鋰。在另一個實(shí)施方案中，鋯酸鋰的范圍能夠在約5至7%范圍內(nèi)。在包括鋁酸鋰和鋯酸鋰兩者的實(shí)施方案中，各自的范圍能夠分別是約5至7%。在再一個示例性實(shí)施方案中，焊劑包括直到約8%重量的氧化鎂。此外，焊劑能夠包括在約1至約15%重量范圍的氧化鎂。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，焊條焊劑包括鋁酸鋰和氧化鎂的組合，此處，兩者組合構(gòu)成約1至15%重量。在可替代的實(shí)施方案中，焊劑包括約6至8%重量的鋁酸鋰以及約6至8%重量的氧化鎂。在本發(fā)明再一個示例性實(shí)施方案中，焊劑包括約6至7%重量的鋁酸鋰以及約6至7%重量的氧化鎂。在本發(fā)明再一個可替代的實(shí)施方案中，焊條的焊劑包括氧化鈰。在實(shí)施方案中，焊劑能夠包括直到約12%重量的氧化鈰。在另一個實(shí)施方案中，焊劑包括約2至約5%重量的氧化鈰。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，鋁酸鋰、鋯酸鋰、氧化鎂和/或氧化鈰，或其組合只存在于焊條100/200的焊劑101/201中。在本發(fā)明另一個實(shí)施方案中，任意這些組分中的至少一部分能夠被包括在焊條100/200的電極部分103/203中。因為這些化合物常常是可以以粉末和/或粒狀形式獲得的，從可制造性來看，這些化合物在焊條100/200的焊劑101/201 中的放置是最方便的。在這樣實(shí)施方案中，這些組分能夠在焊劑混合過程期間被添加至焊劑，然后，能夠在制造過程期間被添加到焊條100/200。然而，本發(fā)明不限于此，而且，鋁酸鋰、鋯酸鋰、氧化鎂和/或氧化鈰能夠在電極部分103/203的制造期間僅被添加到電極部分 103/203。當(dāng)然，如果這樣做，調(diào)整以上討論的重量百分比可能是必要的。而調(diào)整重要百分比正是在所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)的。進(jìn)一步地，如以上所指出的，鋁酸鋰、鋯酸鋰、氧化鎂和/或氧化鈰，或其組合能夠在焊劑101/201和電極部分103/203各自的制造步驟期間被添加到焊劑101/201和電極部分103/203兩者中?，F(xiàn)有的焊接焊條能夠具有焊劑的直到約12%重量的鋁。取決于焊條的應(yīng)用以及類型，其他焊條能夠具有在8至15%重量范圍內(nèi)的鋁的量。這些現(xiàn)有焊條的使用能夠?qū)е潞缚p熔敷(weld deposits)中具有約1. 12%重量的鋁，而一些焊條的使用導(dǎo)致焊縫熔敷中具有高達(dá)約1. 5%重量的鋁。然而，已知的是，當(dāng)在焊縫熔敷中的鋁的量接近焊縫熔敷重量的約1. 5%或更高時，焊縫傾向于變脆并缺乏所需要的韌性。通過采用本發(fā)明的焊條100/200，能夠降低所導(dǎo)致的在焊縫熔敷中鋁的量，由此提供具有改進(jìn)的冶金學(xué)特征(如韌性)的焊縫。因為本發(fā)明的益處，減輕了向焊條添加額外的鋁的需求。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的焊條包括直到約22%重量的焊劑。在再一個示例性實(shí)施方案中，焊條包括直到約15% 重量的焊劑。當(dāng)然，對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，歸因于各種各樣的制造技術(shù)，痕量的鋁可能根據(jù)制造過程以及所使用的材料存在于焊條中。為了以上實(shí)施方案的目的，本發(fā)明打算用鋁酸鋰代替有意地添加的鋁的量。就焊條100/200提供所需要的脫氧作用和脫氮作用以及產(chǎn)生具有合乎期望的冶金學(xué)特性(例如韌性)的焊縫的能力而言，所使用的鋁酸鋰、鋯酸鋰、氧化鎂和/或氧化鈰的總量可以是焊條100/200期望性能的函數(shù)。通過采用本發(fā)明各種的實(shí)施方案，在焊縫金屬中的鋁的量能夠被降低和/或被保持一致，而沒有降低保護(hù)性能。 盡管本發(fā)明已參考其示例性實(shí)施方案被特別地展示并描述，但是，本發(fā)明不限于這些實(shí)施方案。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，在其中可以作出形式上的和細(xì)節(jié)上的各種改變，而不背離如下列權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍。100焊條101焊劑芯103電極部分200焊條201焊劑芯203電極部分
權(quán)利要求
1.一種焊接焊條(100，200)，包括 金屬電極部分(103，203)，以及與所述金屬電極部分(103，20 相鄰的焊劑部分，其特征在于，所述金屬電極部分(103，203)以及焊劑部分(101，201)中的至少一個包括鋁酸鋰和鋯酸鋰中的至少一種。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接焊條，其中所述焊條(100，200)不包括高鐵酸鋰。
3.如權(quán)利要求1或2所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約1至約 20%重量的鋁酸鋰或約1至約20%重量的鋯酸鋰。
4.如權(quán)利要求1或2所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約5至約7% 重量的鋁酸鋰或約5至約7%重量的鋯酸鋰。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括直到約 8%重量的氧化鎂。
6.如權(quán)利要求1至4之一所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約1至約15%重量的氧化鎂。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括鋁酸鋰以及氧化鎂二者，且其中所述焊劑部分(101，201)包括約1至約15%重量的鋁酸鋰與氧化鎂的組合。
8.如權(quán)利要求1所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約6至約8%重量的鋁酸鋰以及約6至約8%重量的氧化鎂。
9.如權(quán)利要求1所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約6至約7%重量的鋁酸鋰以及約6至約7%重量的氧化鎂。
10.如權(quán)利要求1至9之一所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括直到約 12%重量的氧化鈰。
11.如權(quán)利要求1至9之一所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約2至約5%重量的氧化鈰。
12.如權(quán)利要求1至11之一所述的焊接焊條，其中所述金屬電極部分(103，20；3)以及焊劑部分(101，201)中的至少一個包括氧化鎂以及氧化鈰中的至少一種。
13.如權(quán)利要求12所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括鋁酸鋰和氧化鎂。
14.如權(quán)利要求13所述的焊接焊條，其中所述焊劑部分(101，201)包括約5至約7%重量的鋁酸鋰以及約6至約8%重量的氧化鎂。
全文摘要
提供自保護(hù)焊接焊條(100)以及制作所述自保護(hù)焊接焊條的方法。所述自保護(hù)焊接焊條(100)在所述焊條(100)的焊劑(101，201)或電極部分(103，203)中包括鋁酸鋰。
文檔編號B23K35/02GK102186626SQ200980141252
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者J·M·基根 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司