电弧焊丝
专利汇可以提供电弧焊丝专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 电弧 焊丝 ，具有圆柱外表面和在所述外表面上的导电层，其中，该层含有具有 铜 含量以重量计为所述 合金 的60wt％到90wt％的 铜合金 。而且，当使用基本上纯的铜时，该层可以制成薄至厚度小于0.50微米。，下面是电弧焊丝专利的具体信息内容。
1.一种电弧焊丝，具有外表面和在所述表面上的导电层，所述层含有铜 合金，其中，所述合金的铜含量最高为所述合金的约90wt％。
2.根据权利要求1所述的电弧焊丝，其中，所述合金的所述铜含量约为 所述合金的60-90wt％。
3.根据权利要求3所述的电弧焊丝，其中，所述合金的所述铜含量为约 60-80wt％。
4.根据权利要求1-3所述的电弧焊丝，其中，所述合金含有从镉、铬、 镍、锡、锌或者其混合物所组成的组中选择的至少一种金属。
5.根据权利要求4所述的电弧焊丝，其中，所述合金是铜和镍。
6.根据权利要求5所述的电弧焊丝，其中，所述合金是约60-80wt％的铜 和约20-40wt％的镍。
7.根据权利要求6所述的电弧焊丝，其中，所述合金是约70wt％的铜和 约30wt％的镍。
8.根据权利要求1-7所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝是含芯焊丝。
9.根据权利要求1-8所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝设计用于AC MIG 焊接。
10.根据权利要求1-9所述的电弧焊丝，其中，所述层是被电镀在所述外 表面上的。
11.根据权利要求1-10所述的电弧焊丝，其中，该层的有效电阻率在20EC 时最高达约4.0×10-8Ω·m。
12.根据权利要求11所述的电弧焊丝，其中，该层的有效电阻率在20EC 时最高达约3.0×10-8Ω·m。
13.根据权利要求11或12所述的电弧焊丝，其中，该层的有效电阻率 在20EC时至少为约2.0×10-8Ω·m。
14.一种电弧焊丝，具有外表面和在所述外表面上的导电层，所述层具 有小于约0.6微米的极小厚度，所述层具有铜含量高于约99wt％的铜。
15.根据权利要求14所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝是含芯焊丝。
16.根据权利要求14或15所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝设计用于 AC MIG焊接。
17.根据权利要求14-16所述的电弧焊丝，其中，所述层是通过用铜分子 置换铁分子来化学沉积在所述表面上的。
18.根据权利要求14-17所述的电弧焊丝，其中，所述层的厚度小于约 0.5微米。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的电弧焊丝，其中，所述层的厚度 为约0.03-0.35微米。
20.一种用于埋弧焊接的电弧焊丝，所述焊丝具有圆柱外表面和在所述 外表面上的导电层，所述层含有电阻率在20EC时为约2-4×10-8Ω·m的铜合金。
21.根据权利要求20所述的电弧焊丝，其中，所述合金包括从镉、铬、 镍、锡、锌或者其混合物组成的组中选择的至少一种金属。
22.根据权利要求21所述的电弧焊丝，其中，所述合金是铜和镍。
23.根据权利要求22所述的电弧焊丝，其中，所述合金是约60-80wt％ 的铜和约20-40wt％的镍。
24.根据权利要求20-23所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝是含芯焊丝。
25.根据权利要求20-24所述的电弧焊丝，其中，所述焊丝设计用于AC MIG焊接。
技术领域
本发明涉及电弧焊接工业，更具体地，涉及一种具有独特导电外层的新 型电弧焊丝。
背景技术
分散在焊剂中的铜颗粒被熔融焊渣熔化，经常经过熔融焊渣与焊珠接触。 焊珠金属在约2800下冷却和固化，然而，在熔融焊渣中的铜仍保持熔融状 态，并且经过焊渣迁移到固化的焊珠表面。该熔融的铜由于其低的表面张力 倾向于在晶界处移入固化的焊珠金属内。在焊珠晶界内的铜引起随后的裂纹， 在焊接工业中称为“铜裂纹”。铜裂纹是所谓液体金属脆化(LME)的常见现 象的特例。LME包括由液体金属所引起的固体基底的裂纹。当重复使用粒状 焊剂时，积累更多量的分散在粒状焊剂中的铜薄片或者颗粒，铜裂纹变得更 加明显。因此，当重复使用焊剂时，经过熔融焊渣迁移到固化的焊接金属上 面的铜颗粒的量增加，因此，增加了随后金属焊珠的铜裂纹的趋势。为了减 小这种趋势，焊接工业有时候在管件焊接过程的每道焊中只使用新的粒状焊 剂。这样成本很高，并且导致优良的、有效的粒状焊剂的大量浪费。减少铜 裂纹的另一种方式是，在进给焊丝时，确保对焊丝没有摩擦动作。这要求在 使用管件焊接设备期间，昂贵而频繁地注意整修整个焊接设备。这两种方式 都涉及减少在粒状焊剂中铜含量的目标。它们都是昂贵的和花费时间的方式， 需要定期的和昂贵的干预。而且，使用无铜的焊丝可能导致过多的触头发热 和电腐蚀，特别是在管道焊接中使用高电流时。
发明内容
铜 1.67×10-8Ω·m在20℃时
铝 2.69×10-8Ω·m在20℃时
锌 5.92×10-8Ω·m在20℃时
镍 6.84×10-8Ω·m在20℃时
镉 7.40×10-8Ω·m在20℃时
锡 12.80×10-8Ω·m在20℃时
因此，70％铜和30％镍的合金的有效电阻率为3.22，约为纯铜的实际电 阻率的40-50％。
低有效电阻率(2.0-4.0)可以通过以下方法来实现，即合金大部分为铜、 合金小部分为较高电阻率的材料如镍、锌、铬、镉或者锡。优选地，合金为 20-30％的镍、其余为铜的铜镍合金。已经发现，该合金具有2.0-4.0之间的电 阻率，但是不能渗透到固化焊接金属的晶界中，即使在焊接操作后合金经过 熔融焊渣迁移到焊珠上面。
依据本发明的另一方面，焊丝上的合金为铜和一种或者多种从镍、锌、 铬、镉和锡组成的组中选择的金属。在一种实施方式中，焊丝是金属芯或者 药芯的含芯焊丝。而且，发现铜合金的焊丝对于埋弧焊接(特别当它为含芯 焊丝时)特别有用。根据标准的程序，将导电层施加于表面上。施加涂层的 方法可以不同，这取决于新型焊条的生产。
依据本发明的第二实施方式，电弧焊丝在外表面有电连接层，该层具有 小于0.5微米的极小厚度，且含有以重量计高于99％的铜。相对焊丝的重量 百分比，这是很小的重量。优选的薄层具有在0.03-0.35微米范围的控制厚度。 因此，纯铜仍然可以用在焊丝上，然而，由焊丝上可刮下的铜从如现有技术 中的相对厚的层大大减少至超薄的层，如小于约0.5微米。该层厚度的减小 至少减少了焊丝中50％的铜量。在实践中，铜的厚度在0.6-1.70微米的范围， 但是通常在0.8-1.2微米的范围。已经发现：铜量的减小(小于0.5微米)仍 然产生理想的电特性，但是减小了外层产生相对大的纯铜薄片或者颗粒的趋 势。因此，在进给操作期间，任何从焊丝上脱落的铜在尺寸上非常小，并且 质量大量地减少。迁移经过熔融焊渣的铜颗粒具有很小的渗透到固化焊珠的 趋势。
本发明的主要目的是提供一种具有外导电层的电弧焊丝，该导电层减小 了在焊珠的表面上产生大的基本上纯的铜颗粒或者薄片的趋势。
本发明的进一步目的是提供一种如上述定义的电弧焊丝，具有由铜和其 它金属的合金所组成的层。通过使用铜合金，与相同尺寸的纯铜相比，迁移 到焊珠上的合金不渗透到固化焊珠的晶界。
本发明的进一步目的是提供一种具有由基本上纯铜所组成的、且厚度小 于0.5微米的导电层的电弧焊丝。在该方式中，从移动的焊丝上脱落的颗粒 的质量不足以产生导致焊接金属铜裂纹的足够量的铜。
从以下结合附图的详细说明，本发明的这些和其它目标与优点将会更清 楚。
附图说明
图2是沿着图1中2-2线的放大截面图；
图2A是类似于图2的截面图，示出作为焊丝的含芯焊条；
图3是说明在埋弧焊接方法中所使用的周围有焊剂的焊条和工件之间关 系的侧视图；
图4是现有技术的放大截面图，说明当在如图3所示的电弧焊接方法期 间，在固化焊接金属的表面上沉积大颗粒纯铜时，铜迁移或者渗透到晶界；
图5是类似于图4的放大截面图，示出在固化焊接金属的表面上的纯铜 块(如图4所示)与根据本发明所使用的铜合金之间的差别；
图6是沿着图2中6-6线的部分放大截面图；
图7是类似于图6的放大截面图，示出本发明的一种实施方式，其中， 减少纯铜的量，以减少在如图3所示焊接方法期间，在熔融焊渣中形成颗粒 状或者球状铜的铜量；
图8是类似于图7的放大截面图，说明在焊丝的外表面上的某些表面不 规则处；
图9是用于减少如图7所示的基本上纯铜厚度的装置示意图；
图10是用于将铜合金电镀在推进的焊丝表面上的装置示意图。
优选的实施方式
本发明主要涉及埋弧焊接，如图1中所示的AC MIG方法(交流的金属 焊条惰性气体保护电弧焊)，该方法使用由卷轴10提供并且通过驱动辊12和 14从卷轴上拉出的电弧焊接焊丝W。驱动辊驱使焊丝W经过朝着工件WP 的触头16，在此处，焊丝W被来自于交流(AC)电源20的电流熔化。为了 执行该焊接方法，电源引线22与朝着工件WP的触头16连接。根据标准技 术，焊丝W包括固体焊丝30，它具有被低电阻层40覆盖的圆柱外表面32。 在现有技术中，层40基本上为纯铜，其电阻率为1.67×10-8Ω·m。埋弧焊接 方法在图3中有更详细地说明，其中，焊丝W具有面对工件WP的较低端50。 当焊条或者焊丝W沿着如图3所示的箭头方向移动时，来自于电源的电流产 生电弧A。焊接过程从工件WP上和移动焊丝W上溶解金属，产生熔融金属 熔池，最后固化形成焊珠60。焊丝W移动经过大量粒状焊剂62，熔化焊丝 和工件，形成焊珠60。实际上，焊接过程和装置与其它对移动焊丝W的表面 的机械磨削，一起产生包括大量形成层40金属的铜薄片或者颗粒70。在某 些情况下，这些薄片或者颗粒相对较大，在粒状焊剂62中聚集为球状(如图 3所示)。来自层40的金属所形成的大颗粒或者薄片70是纯铜块。这些金属 块熔化并沿着迁移线90迁移经过熔融焊渣80，该迁移线表示熔融的铜颗粒 或者铜块70移动通过熔融焊渣。焊渣最终在低于焊接金属或者焊珠60固化 温度的温度下固化。然而，如迁移线92所示的，在许多情况下，当焊接金属 正固化和形成晶粒时，铜薄片或者颗粒70实际上迁移并且与焊接金属相接 触。铜在热焊珠60表面上的结果如图4所示，其中，大量的铜70a已经过焊 渣80迁移到焊珠60的上表面。该现象是本发明所指出的现有技术存在的问 题。在焊珠上，纯铜块70a具有低的表面张力，并且渗透到晶粒102、104的 晶界100中。颗粒70a的尺寸与晶界尺寸100不成比例，然而，图4示意性 地说明，当熔融纯铜块迁移经过熔融焊渣80、接合焊接金属珠60时所发生 的情况。纯铜进入到固化的焊珠的晶界，因此减小了整个焊接的强度，而在 该处存在的残余应力将产生裂纹，该裂纹是不可接受的缺陷。正如在本发明 公开的说明部分中所解释的，已经使用几种技术来排除铜聚集在焊珠表面上 并引起随后铜裂纹的趋势。本发明以更有效的、成本更低的和积极的方式解 决了这个问题。根据本发明，层30为铜合金，铜组分以重量计小于合金的 90％。根据本发明，层40是铜和从镍、锌、铬、镉和锡组成的组中选择的一 种或多种金属。当然，可以使用其它合金金属，只要层40的有效电阻率小于 约4.0×10-8Ω·m。在优选的实施方式中，层40的铜合金包含60-80％的铜和 20-40％的镍。当含有90％的铜时，其有效电阻率为约2.2。当铜减少至约70％ 时，有效电阻率增加至约3.2。因此，根据本发明，铜合金的有效电阻率在通 常范围2.0-4.0。已经发现，与铜合金相关的表面张力以及其它物理特性，与 纯铜的物理行为不同(如图4所示)。铜合金的主要部分是铜，仅有10％到约 40％的其他金属。如图5所示，当具有与如图4所示的块体或者颗粒70a相 同尺寸的铜合金块70b聚集在焊接金属珠60的表面上时，铜合金并没有迁移 进入晶界100。因此，正如本发明所期望的，铜合金的使用并没有引起如现 有技术中的焊接金属随后的铜裂纹。当使用如本发明所讲到的含高百分比铜 的铜合金时，不需要特别的机械或者维护过程来防止铜裂纹。
如图2A所示的含芯焊丝W‘可以用于实施本发明。焊丝W’包括具有中 心芯122的外部低碳金属保护套120。芯可以为金属芯或者药芯。与焊丝W 相关的解释相同，焊丝层130为铜合金。因此，用于焊丝的外部导电层的铜 合金可以用于固体焊丝(如图2所示)或者含芯焊丝(如图2A所示)。如图 6所示，焊丝W具有厚度为a的层40。对于焊丝，该厚度是标准的，一般大 于1.0微米，且由铜合金形成。新型合金是这样的：其实际电阻率约为纯铜 电阻率的10-80％。这为在焊接方法中使用的电流提供足够的电导率。依据本 发明的第一实施方式，该厚度不变。铜合金的层40、130具有标准的厚度a， 如图4与图5之间的比较所说明的，熔融合金的物理行为得到改进。
根据本发明另一实施方式，在焊剂62中的每个铜薄片或者颗粒70的质 量可以通过大大减小层40的厚度(从如图6所示的尺寸a减小至如图7所示 的尺寸b)来减小。依据本发明的该实施方式，层40a具有厚度b，它小于0.50 微米。优选超薄层为0.03-0.35微米的范围。因此，从焊丝W外表面上熔化 的任何薄片或者颗粒会更小。而且，随着层厚度的减小，相应地减小了在焊 剂中提供铜颗粒以产生现有技术中的晶界恶化的趋势。本发明的该第二实施 方式是：当使用纯铜时，要显著地减小层厚度。当使用新型的薄纯铜层时， 在表面32上的普通凹陷处30a充满了层40a的铜(如图8所示)。因此，层 40a的厚度b允许沿着表面充满不规则处，以产生光滑的外表面，其有暴露的 纯铜涂层但没有使用标准的铜厚度。因此，在焊接方法所使用的进给过程中， 更少量的铜从表面上熔化。
本发明的两个实施方式可以通过各种生产方法来生产。然而，事实上， 当层40a生产成小于约10微米的厚度时，如图9所示，焊丝W通过酸浴器 150。酸浴器含有硫酸铜，所以当焊丝W传送经过酸浴器150时，发生以下 化学反应：在表面32上，铜分子代替铁分子。传送带是标准的，示意性说明 被马达156以所希望的速度来驱动的辊152、154。速度和化学浓度决定在表 面32上所化学沉积的纯铜的厚度。依据标准的生产技术，在酸浴器150处中 的停留时间控制铜层40a的厚度。因此，当它传送经过酸浴器150时，马达 156以所希望的速度操作以控制层40a的厚度，这是本发明的第二实施方式。
本发明优选的实施方式使用如图10示的生产方法。电解液浴器160含有铜合 金的溶液，该铜合金通过合适的电连接(如图所示为负极端162和正极端164) 沉积在表面32上以形成层40。铜合金的熔融金属浴通过电镀在表面32上来 沉积生成层40。如图9所示，传送带图示为驱动进料辊152、154的马达156。 当焊丝经过电解液浴器160，在表面32上电镀铜合金时，马达控制焊丝W的 速度。实际上，减小的纯铜层40a通过化学反应生成(如图9所示)。使用铜 合金的本发明优选实施方式涉及在移动的焊丝W上电镀合金以产生层40(如 图10所示)。该层可以具有与现有技术相同的厚度或者减小的尺寸b，正如 结合本发明第二实施方式所讨论的。可以使用各种方法来获得焊丝W的理想 的外层。一种生产焊丝的代表性方法如在Inoue的专利6,079,243中所示，该 专利此处参考引入，作为普通背景技术。
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