CN100382924C

CN100382924C - 奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝

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Publication number: CN100382924C
Application number: CNB2006100671656A
Authority: CN
Inventors: 栗卓新; 李国栋; 魏琪; 蒋建敏; 班书英
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: CN1820890A

Abstract

本发明属于材料加工工程领域，主要用于石油、化工、医药、造船、食品等领域的奥氏体不锈钢的焊接。广泛使用的埋弧焊焊接材料主要是实芯焊丝，焊接过程中普遍存在着严重的脱渣困难的问题，俗称“黑皮”；且制造工艺复杂，存在加工硬化现象。奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝，其特征在于，采用碳钢带和超低碳钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为34%～55%；镍的质量百分比为20%～33%；锰的质量百分比为3%～7%；钼的质量百分比为4%～8%；铁的质量百分比为4%～21%；三氧化二铋的质量百分比为0.5%～1.5%；铝-镁合金的质量百分比为2%～10%。金属粉的填充率为40%～58%。本发明制作工艺简单，焊后脱渣性优良，尤其适用于高速自动焊。

Description

奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，主要用于石油、化工、医药、造船、食品等领域的奥氏体不锈钢的焊接。

背景技术

奥氏体不锈钢的焊接方法很多，可采用熔焊的任何一种方法进行焊接。但从经济、实用和技术性方面考虑，生产中用得最多的焊接方法是焊条电弧焊、药芯焊丝气体保护焊和埋弧焊，相应的焊接材料也主要是不锈钢焊条、不锈钢用气保护药芯焊丝和不锈钢埋弧焊用实芯焊丝。

不锈钢焊条电弧焊使用的设备简单，操作方便，灵活可靠，适应性强，这是其广泛应用的重要原因之一。但其焊接接头质量在一定程度上取决于焊工的操作技能，焊条电弧焊劳动条件差，成本高，接头多，不利于不锈钢接头性能的提高，生产效率低，因而只适用于单件或小批量产品的焊接。对于短焊缝，不规则的各种空间位置以及难以实现自动化、机械化焊接的焊接接头用它最为合适。此外，不锈钢导热率低，不锈钢焊条在使用过程中尾部存在发红问题，不得不弃用剩余七分之一的焊条，造成了焊材的浪费。

近年来不锈钢用药芯焊丝发展迅速，进行熔化极气保护焊时，电流密度大，焊丝熔化速度快，但熔敷效率介于焊条和气保护用实芯焊丝之间。药芯焊丝气保护焊接奥氏体不锈钢时，可采用机械化焊接，但由于受焊丝直径的影响，焊接电流有一定的限制，熔化速度和熔敷效率均不如埋弧焊的高。此外，药芯焊丝气保护焊更易受人为操作的影响，焊接质量也不如埋弧焊的稳定。

埋弧焊由于其机械化程度高，焊接速度快，焊接质量稳定，是目前不锈钢最广泛应用的焊接方法之一。目前生产上焊接不锈钢广泛使用的埋弧焊焊接材料主要是实芯焊丝，由于其焊丝本身的特性和焊剂的原因，焊接过程中普遍存在着严重的脱渣困难的问题，俗称“黑皮”，如图1所示。焊后不得不用砂轮打磨，不仅劳动强度大，而且降低了生产效率。此外，埋弧焊实芯焊丝制造工艺复杂，需要经过反复的拉拔、退火、酸洗和钝化，尤其是盘条中含合金元素较多时，加工硬化现象更为严重，制作工艺更为复杂。

经对国内外专利进行检索，未见有(相关的)专利报道。

发明内容

本发明研制了奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝，兼具有实芯焊丝熔敷效率高和药芯焊丝焊缝成形好的优点，为新一代高效焊接材料，可用于奥氏体不锈钢A316、A316L的焊接。

一种奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝，其特征在于，采用碳钢带或超低碳钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为34％～55％；镍的质量百分比为20％～33％；锰的质量百分比为3％～7％；钼的质量百分比为4％～8％；铁的质量百分比为4％～21％；三氧化二铋的质量百分比为0.5％～1.5％；铝-镁合金的质量百分比为2％～10％；金属粉的填充率为40％～58％。

金属芯中各合金元素成分、质量百分比及其作用如下：

Cr：向焊缝过渡合金元素，调整焊缝成分，提高焊缝的耐蚀性，其质量百分比为34％～55％。

Ni：向焊缝过渡合金元素，调整焊缝成分，提高焊缝的耐蚀性，其质量百分比为20％～33％。

Mn：向焊缝中过渡合金元素，调整焊缝成分。此外，Mn还具有脱氧、脱硫作用，其质量百分比为3％～7％。

Mo：向焊缝中过渡合金元素，调整焊缝成分，促进铁素体的形成，促使晶粒细化，防止热裂纹的产生，其质量百分含量为4％～8％。

Fe：改善导电率，增加熔敷效率，其质量百分比为4％～21％。

Bi₂O₃：改善脱渣性，其质量百分比为0.5％～1.5％。

Al-Mg合金：主要作用是脱氧，改善电弧的稳定性，其质量百分含量为2％～10％。

金属粉填充率为40％～58％。本发明的焊丝轧制过程是现有技术，见图3。先将钢带成U形，再向U形槽中加入配置好的金属粉，然后将U形槽合口，使药粉包裹其中。

本发明研制了不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝，用于奥氏体不锈钢的焊接。

本发明与不锈钢焊条相比，用于奥氏体不锈钢的埋弧焊，因而可使用更大的焊接电流，更快的焊接速度，且不存在焊丝的发红问题，因而大大提高了生产效率。焊后焊缝成形也较不锈钢焊条的好。

本发明与不锈钢药芯焊丝相比，自动化程度更高，焊接过程中无弧光，对操作人员的要求不高，且可使用更大的焊接电流，更快的焊接速度，焊接质量也更为稳定，焊接效率更高。

本发明与不锈钢埋弧焊用实芯焊丝相比，焊后焊缝金属呈白色、金黄色，克服了实芯焊丝产生脱渣困难的问题，见图2。焊后不需用砂轮清理焊缝，不仅大大降低了劳动强度，而且还提高了生产效率。本发明与相同直径的实芯焊丝相比，电流密度更大，因而可使用更小的焊接电流和更快的焊接速度，这一点对于焊接不锈钢来说非常有利。本发明由于在金属芯中加入了少量的造渣剂，脱渣性也较埋弧焊实芯焊丝大为改善。此外，本发明金属芯中合金元素调整方便，拉拔一次成型，无需退火、酸洗、钝化，制作工艺比埋弧焊实芯焊丝更为简单方便。

本发明采用低碳钢带或超低碳钢带作为包覆层，在钢带中加入了97％以上的金属粉末，只有少量的造渣剂，焊缝成形依靠自身表面张力调整，可连续焊接，特别适用于高速自动焊。从其横截面来看，焊丝为搭接结构。

与不锈钢带包覆层相比，采用碳钢带或超低碳钢带作为包覆层，不但成本低，而且不存在严重的加工硬化现象，拉拔一次成型，无需退火、酸洗和钝化，焊丝制造工艺简单方便。碳钢带包覆层或超低碳钢带包覆层规格为：宽度14mm～20mm，厚度0.5mm～0.8mm。

焊丝所使用的焊接电流范围为380～600A，焊接电压范围为30～40V，焊接速度范围为450～800mm/min。

具体实施方式

采用昆明重机厂生产的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制造金属芯焊丝。焊丝的直径为4mm。轧制过程见图3。先将钢带成U形，再向U形槽中加入配置好的金属粉，然后将U形槽合口，使药粉包裹其中。

选取本发明中的几个埋焊弧用金属芯焊丝实例与生产中常用的埋弧焊用实芯焊丝H00Cr19Ni12Mo2进行焊接效果对比。母材采用A316L，其化学成分如表1所示。埋弧焊剂采用HJ260，焊前烘干400℃，保温2小时。焊接坡口及焊缝试样按照GB/T17854-199和GB4334.5-90进行选取。具体实施方式如下：

1、选用14×0.5(宽度为14mm，厚度为0.5mm)的低碳钢带，填充率为40％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：55％Cr，31％Ni，3％Mn，4％Fe，4％Mo，1％Bi₂O₃。，2％Al-Mg。

2、选用14×0.5(宽度为14mm，厚度为0.5mm)的低碳钢带，填充率为44％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：50％Cr，33％Ni，4％Mn，4.5％Fe，5％Mo，0.5％Bi₂O₃，3％Al-Mg。

3、选用16×0.6(宽度为16mm，厚度为0.6mm)的低碳钢带，填充率为46％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：47％Cr，30％Ni，5％Mn，6.5％Fe，6％Mo，0.5％Bi₂O₃，5％Al-Mg。

4、选用18×0.8(宽度为18mm，厚度为0.8mm)的超低碳钢带，填充率为50％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：43％Cr，27％Ni，6％Mn，8％Fe，8％Mo，1％Bi₂O₃，7％Al-Mg。

5、选用20×0.8(宽度为20mm，厚度为0.8mm)的超低碳钢带，填充率为53％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：39％Cr，20％Ni，6％Mn，16.5％Fe，8％Mo，1.5％Bi₂O₃，9％Al-Mg。

6、选用20×0.8(宽度为20mm，厚度为0.8mm)的超低碳钢带，填充率为58％，经拉拔、减径后得到直径为4mm的焊丝。金属芯中各合金元素的质量百分比为：34％Cr，21％Ni，7％Mn，21％Fe，6％Mo，1％Bi₂O₃，10％Al-Mg。

焊后进行熔敷金属化学成分、力学性能、腐蚀性能的测试。熔敷金属化学成分、力学性能按照GB/T17854-1999进行测试。熔敷金属化学成分见表2。A316L不锈钢焊缝力学性能测试结果见表3。晶间腐蚀性能按照GB4334.5-90进行测试。A316L不锈钢焊接接头晶间腐蚀测试结果见表4。从上述试验结果可以看出，焊接接头的性能完全符合AWS(美国国家标准)、GB(中国国家标准)的有关规定。从焊接试验来看，焊后脱渣性良好，焊缝金属呈白色、金黄色，完全消除了埋弧焊用实芯焊丝的脱渣困难的问题。由于采用了低碳钢带包覆层和超低碳包覆层，其延伸率比不锈钢实芯焊丝的大，故钢带拉拔过程中，不会存在不锈钢实芯焊丝拉拔过程中出现的严重的加工硬化现象，因而无需退火、酸洗、钝化，从而其制作工艺较不锈钢埋弧焊实芯焊丝制作工艺更为简便。

表1A316不锈钢的化学成分

钢号	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	N
钢号	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	N	A316L	≤0.03	≤1.00	≤2.00	≤0.030	≤0.035	16.00～18.00	12.00～16.00	1.80～2.50	0.15～0.25

表2熔敷金属化学成分

表3A316L不锈钢焊接接头力学性能测试

焊接方法	弯曲试验	抗拉强度(MPa)	伸长率δ<sub>5</sub>，％
焊接方法	弯曲试验	抗拉强度(MPa)	伸长率δ<sub>5</sub>，％	对比例	背弯合格	490	32
实施例1	背弯合格	490	34	对比例	背弯合格	490	32
实施例1	背弯合格	490	34	实施例2	背弯合格	500	34
实施例3	背弯合格	495	33	实施例2	背弯合格	500	34
实施例3	背弯合格	495	33	实施例4	背弯合格	500	33
实施例5	背弯合格	490	34	实施例4	背弯合格	500	33
实施例5	背弯合格	490	34	实施例6	背弯合格	490	33

表4A316L不锈钢焊接接头晶间腐蚀

对比例	实施例1	实施例2	实施例3
对比例	实施例1	实施例2	实施例3	晶间腐蚀情况	合格	合格	合格	合格
实施例4	实施例5	实施例6		晶间腐蚀情况	合格	合格	合格	合格
实施例4	实施例5	实施例6		晶间腐蚀情况	合格	合格	合格

Claims

1.一种奥氏体不锈钢用埋弧焊金属芯焊丝，其特征在于，采用碳钢带或超低碳钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为34％～55％；镍的质量百分比为20％～33％；锰的质量百分比为3％～7％；钼的质量百分比为4％～8％；铁的质量百分比为4％～21％；三氧化二铋的质量百分比为0.5％～1.5％；铝-镁合金的质量百分比为2％～10％；金属粉的填充率为40％～58％。