CN100574964C - 一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝，所述药芯的成份及含量占焊丝总质量%如下：TiO24-6，Si 0.2-0.5，Mn 1-2.2，SiO20.1-1，ZrO20.1-0.5，Cr 2-2.8，Mo 0.9-1.5，Ni 0.1-0.67，B 0.002-0.01，Ti 0.02-0.3，C 0.09-0.1，CaO 0.2-0.4，Fe 2-6，Al+Mg 0.4-0.75，K、Na、Li碱金属氧化物和氟化物折合K+Na+Li之和占焊丝总质量%为0.19-0.33，其中K为0.02-0.07，Na或Li或两者之和为0.16-0.26，药芯中氟化物的含量折合F占焊丝总质量%为0.1-0.36，药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和占焊丝总质量%为5.10-6.59，稀土金属的氟化物和/或氧化物折合稀土金属占焊丝总质量%为0.005-0.2，碳钢外皮和药芯中S、P、Sn、Bi之和不大于0.035。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接用的焊接材料，具体地是指一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝。适合于采用Ar+CO2混合气体来焊接如2.25Cr1Mo钢等类型的耐热钢。
背景技术
气体保护焊药芯焊丝焊接兼容了手工焊条和气体保护焊实芯焊丝焊接的优点，其生产效率高，焊接工艺性能好。已广泛用于碳钢，低合金钢和高合金钢的焊接，但是在耐热钢，特别是2.25Cr1Mo耐热钢焊接时，常用的钛型药芯焊丝还存在的低温冲击韧性低的缺陷，抗裂性也需要改善。
中国专利公开号：CN 101041214A，公开日：2007年09月26日，发明名称为《脱渣性优良的耐热钢碱性药芯焊丝》，提出了改善碱性耐热钢药芯焊丝脱渣性的技术方案，有效地改善了焊丝的工艺性能，但通常来讲，碱性焊丝的焊接工艺性能要低于酸性焊丝，故该技术方案的全位置焊接性能仍有待改善。
中国专利公开号：CN 1358605A，公开日：2002年07月17日，公开了发明名称为《铬钼钢药芯焊丝》的发明专利申请，该焊丝为碱性渣系焊丝，对于1Cr0.5Mo铬钼钢焊接的低温冲击韧性和工艺性较好，但无法满足2.25Cr1Mo钢等耐热钢高强度等级和耐热温度的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术无法满足高等级耐热钢焊缝工艺性和全位置焊接性能要求的缺陷和不足，提供一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝。它电弧稳定性好、低温 冲击韧性好、抗裂性优良、焊缝平滑及综合工艺性能好，特别适于2.25铬1钼钢的气体保护全位置焊接。
本发明的技术解决方案是：一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成质量％为低碳钢外皮78-86，药芯14-22，所述药芯的成份及含量占焊丝总质量％如下：TiO2 4-6，Si 0.2-0.5，Mn 1-2.2，SiO2 0.1-1，ZrO2 0.1-0.5，Cr 2-2.8，Mo 0.9-1.5，Ni 0.1-0.67，B 0.002-0.01，Ti 0.02-0.3，C 0.09-0.1，CaO 0.2-0.4，Fe 2-6，Al+Mg 0.4-0.75，K、Na、Li碱金属氧化物和氟化物，其含量折合K+Na+Li之和占焊丝总质量％为0.19-0.33，其中K为0.02-0.07，Na或Li或两者之和为0.16-0.26，所述药芯中的氟化物的含量折合F占焊丝总质量％为0.1-0.36，所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和占焊丝总质量％为5.10-6.59，稀土金属的氟化物和/或氧化物，其含量折合稀土金属占焊丝总质量％为0.005-0.2，所述碳钢外皮和药芯中S、P、Sn、Bi之和不大于0.035。
所述CaO是以CaCO3和/或CaF2的形式添加的，所述CaCO3和/或CaF2的含量折合CaO占焊丝总质量％为0.2-0.4。
本发明焊丝所用的保护气体为Ar+CO2混合气体，其中Ar为80％，CO2为20％。
本发明的有益效果是：1，明确地限定了CaCO3和/或CaF2的加入量，研究了提高溶渣碱度和确保焊接操作性能两全的方法，在提高溶渣碱度的同时尽量保持钛型渣系工艺性能优良的特点，研究了同时加入B，Ti，C，Si，Mn对提高冲击韧性的作用。焊缝的低温冲击韧性大于47J，在确保焊缝高强度、高耐热性的同时又具有良好低温冲击韧性和全位置焊接性能。2，加入稀土金属的氧化物或氟化物，提高其固定氢、氮的效果，有效地提高了焊缝的低温冲击韧性。3，加入强脱氧剂Al、Mg，提高了焊缝的低温冲击韧性，有利于焊缝气体的排出和焊缝成型。4，控制氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的加入量，确保了药芯焊丝全位置焊接的工艺性能。5，严格控制S、P、Sn、Bi的含量，减少了焊缝的裂纹倾向。6，焊丝所使用的保护气体为Ar+CO2混合气体，比例为Ar 80％，CO2 20％，可以减少药芯成份的氧化和烧损，提高其焊缝质量的稳定性。7，从整体上控制焊丝中C的含量，保证了焊缝金属的力学性能；保持良好的电弧稳定性和焊接操作性能，其焊缝平滑，焊缝金属具有良好的低温冲击韧性和优良的抗裂性，适于焊接如2.25铬1钼钢等类型的耐热钢。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成质量％为低碳钢外皮78-86，药芯14-22，所述药芯的成份及含量占焊丝总质量％如下：TiO2 4-6，Si 0.2-0.5，Mn 1-2.2，SiO2 0.1-1，ZrO2 0.1-0.5，Cr 2-2.8，Mo 0.9-1.5，Ni 0.1-0.67，B 0.002-0.01，Ti 0.02-0.3，C 0.09-0.1，CaO 0.2-0.4，Fe 2-6，Al+Mg 0.4-0.75，K、Na、Li碱金属氧化物和氟化物，其含量折合K+Na+Li之和占焊丝总质量％为0.19-0.33，其中K为0.02-0.07，Na或Li或两者之和为0.16-0.26，所述药芯中的氟化物的含量折合F占焊丝总质量％为0.1-0.36，所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和占焊丝总质量％为5.10-6.59，稀土金属的氟化物和/或氧化物，其含量折合稀土金属占焊丝总质量％为0.005-0.2，所述碳钢外皮和药芯中S、P、Sn、Bi之和不大于0.035。
所述CaO是以CaCO3和/或CaF2的形式添加的，所述CaCO3和/或CaF2的含量折合CaO占焊丝总质量％为0.2-0.4。
本发明药芯焊丝的钢制外皮采用低碳钢，其化学成分见表1。
表1：药芯焊丝钢制外皮的化学成分％
| C | Si | Mn | S | P |
| 0.03 | 0.01 | 0.28 | 0.009 | 0.012 |
药芯粉料的化学成份及原料构成见表2。
表2：药芯粉料的构成
| 药芯成分 | 构成 | 占焊丝总质量％ |
| TiO<sub>2</sub> | 金红石钛铁 | 4-6 |
| Si | 硅铁硅锰合金 | 0.2-0.5 |
| Mn | 锰铁硅锰合金金属锰 | 1-2.2 |
| SiO<sub>2</sub> | 石英钾、钠长石锆英砂锆石 | 0.1-1 |
| ZrO<sub>2</sub> | 锆英砂锆石 | 0.1-0.5 |
| CaO | 大理石，莹石 | 0.2-0.4 |
| Fe | 铁粉硅锰合金锰铁铝铁 | 2-6 |
| Al+Mg | 铝铁铝镁合金镁粉长石镁砂 | 0.4-0.75 |
| 碱金属氧化物 | K(钾长石、钾) | 0.02-0.07 |
| 碱金属氧化物 | Na或Li或两者和(钠长石纯碱钠水玻璃) | 0.16-0.26 |
| 碱金属氟化物 | NaF KF LiF | F：0.1-0.36 |
| 稀土金属 | 稀土金属的氟化物或氧化物 | 0.005-0.2 |
| C | 钢制外皮中的C，铁粉硅铁 | 0.09-0.1 |
| B | B2O3硼铁 | 0.002-0.01 |
| Ni | Ni粉 | 0.1-0.67 |
| Cr | 金属Cr微碳Cr铁 | 2-2.8 |
| Mo | Mo铁 | 0.8-1.5 |
本发明药芯化学成分设计思路如下：
TiO2是主要造渣剂，电弧稳定剂，改善焊缝的成型和脱渣，是全位置焊接不可缺少的材料。钛铁中的钛折合TiO2加入量少于4％时不能体现上述特性，大于6.％时由于氧含量高，低温冲击韧性降低，渣层变厚，影响气体从熔池逸出，易产生气孔。因此限定在4-6。
C包括钢制外皮中的C和药芯中的C，从降低飞溅和烟尘来看，C越低越好，希望在0.02％以下，但从保证焊缝金属力学性能和铁水流动性来看含量在0.09％-0.1％为好。大于0.15％时焊缝金属强度过高，低温冲击韧性降低，烟尘和飞溅增大。裂纹敏感性增加。
Si是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于0.2％时不能体现上述特性，大于0.5％时铁水变粘，焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.2％-0.5％。
Mn是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于1.％时体现上述特性不足，大于2.2％时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在1-2.2％。
SiO2是造渣剂，起调节熔渣熔点和粘度，改善焊缝成型，有利焊缝向母材圆滑过渡。加入量少于0.1不能体现上述特性，大于1％时由于氧含量高，低温冲击韧性降低，而且容易造成焊缝上的焊渣烧结，因此限定在0.1-1％。
CaCO3和CaF2均有提高溶渣碱度，提高冲击韧性的作用，有强烈提高渣流动性的作用，CaCO3和/或CaF2中折合CaO加入量少于0.2时对提高冲击韧性不起作用，加入量大于0.4时强烈提高溶渣流动性使溶渣不能完好覆盖焊缝。立焊铁水和焊渣下坠，不能进行立焊。因此限定在0.2％-0.4％。
ZrO2能有效地提高熔渣的熔点的良好的覆盖焊缝，防止立焊铁水下坠，减少熔渣厚度，有利于焊缝气体的排除。加入量少于0.1％时不能体现上述特性，大于0.5％时焊缝金属强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.1％-0.5％。
Al、Mg是强脱氧剂，(其中含有铝和镁的氧化物折合成Al和Mg计算)提高低温冲击韧性，两者的加入量少于0.40％时提高低温冲击韧性不足，大于0.75％时由于脱氧产物含有铝和镁氧化物使熔渣的熔点上升凝固速度加快，不利于焊缝气体的排除和焊缝成型，立焊时焊道凸出，易产生气槽。因此限定在0.4％-0.75％。
Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度。加入量少于2％时体现上述特性不足，大于6％时立焊性能变差，烟尘变大。因此限定在2％-6％。
Na2O、K2O、Li2O是电弧稳定剂，其含量折合K+Na+Li之和占焊丝总质量％为0.19-0.33，折合其中的Na或Li或两者之和的含量占焊丝总质量的0.16％-0.26％。加入量少于0.16％时电弧稳定性不足，电弧过于集中，立焊熔池铁水外翻，电弧不稳定。加入量大于0.26％时电弧变长，烟尘和飞溅增大，立焊铁水下坠。折合其中的K含量占焊丝总重量的0.02％-0.07％。K含量在0.02％以下时电弧不稳定，立焊熔池铁水外翻，K含量在0.07％以上时，焊缝低温冲击韧性降低。
氟化物NaF、KF、LiF是电弧稳定剂，去氢剂，折合F含量占焊丝总质量的0.1％-0.36％。加入量少于0.1％时电弧稳定性不足，去氢能力不足，易产生焊缝气孔压坑。加入量大于0.36％时烟尘和飞溅增大。当以氟化物NaF、KF、LiF作为电弧稳定剂，去氢剂时，仍应保证焊丝中Na、K或Li或两者之和的含量占焊丝总质量的0.1％-0.36％。
氧化物TiO2+SiO2+ZrO2＝5.1％-6.59％，氧化物TiO2+SiO2+ZrO2小于5.1％时全位置焊接工艺不好。氧化物TiO2+SiO2+ZrO2大于6.59％时含氧量过高，低温冲击韧性降低，易产生焊缝气孔压坑。
稀土金属的氟化物或氧化物有固定氢、氮，提高低温冲击韧性的作用，折合稀土金属含量占焊丝总质量的0.005％-0.2％。小于0.005％时对固定氢、氮的作用很小，大于0.2％时对熔渣的稀释过大造成电弧不稳飞溅增多，影响焊缝成型。
Ni对提高低温冲击韧性有利，加入范围为0.1-0.67％。
Cr有提高强度和淬透性的作用，提高焊缝耐腐蚀和高温强度的能力。但有降低低温冲击韧性和延伸率的作用，Cr含量为2-2.8。
Mo有提高热强性的作用，并使低温冲击韧性下降，含量为控制在.0.9-1.5。
所述药芯中含有稀土金属的氟化物和/或氧化物，其含量折合稀土金属占焊丝总质量％为0.005-0.2。所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和占焊丝总质量％为5-7。在药芯中加入CaCO3和/或CaF2，其中折合CaO的含量占焊丝总质量％为0.2-0.4，且所述焊丝中的氟化物折合F 0.1-0.36。所述药芯和碳钢外皮中C的含量占焊丝总质量％为0.09-0.1。
本发明焊丝所用的保护气体为Ar+CO2混合气体，其中Ar为80％，CO2为20％。
由于S、P、Sn、Bi有增加焊缝的裂纹倾向，因此在碳钢外皮和药芯粉料中必需对其杂质进行严格的控制。保证在焊丝中按质量％S＜0.015，P＜0.020，Sn＜0.001，Bi＜0.001。S、P、Sn、Bi之和不大于0.035。
在低碳钢带制成的外皮(宽14毫米，厚0.9毫米)内填充药芯粉料，填充率14％-22％，经过成型减径后得到直径1.0-1.6毫米的成品焊丝。
将药芯各成份含量改变后按不同直径，不同填充率制成焊丝进行试验。其中碳钢外皮及药芯成份及含量在本发明范围内的5种焊丝分别为试样1-试样6，碳钢外皮及药芯成份及含量超出本发明范围以外的4种焊丝分别为对比7-对比10，各试验用药芯焊丝的直径，填充率及药芯各组份见表3-1，表3-2。
表3-1：焊丝及药芯组份配比试验表
表3-2：焊丝及药芯组份配比试验表
注：其他栏内含稀土金属氧化物和/或稀土金属氟化物及S、P、Sn、B等杂质力学性能焊接试验，一般焊接条件：焊丝伸出长度20毫米，气体流量20升/分。
使用气体：Ar+CO2混合气体Ar：80％：CO2：20％
1.熔敷金属焊接条件，参见表4。
表4：熔敷金属力学性能测试焊接条件
| 项目 | 焊接条件 |
| 焊接电流 | 220-240A |
| 焊接电压 | 26-28V |
| 焊接层数 | 7层14道 |
| 道间温度 | 150℃ |
| 焊接速度 | 250毫米/分 |
| 焊道宽度 | 2/3-4/5焊缝宽度 |
焊后690℃保温2小时热处理
2.2.25Cr1Mo钢60毫米厚板焊接条件，参见表5。
表5：60毫米厚板力学性能测试焊接条件
| 项目 | 焊接条件 |
| 焊接电流 | 200-220A |
| 焊接电压 | 26-28V |
| 焊接层数 | 22层69道 |
| 道间温度 | 150-170℃ |
| 焊接速度 | 250毫米/分 |
| 预热温度 | 120℃ |
焊后690℃保温2小时热处理。
抗裂性焊接试验
抗裂性试验：斜Y试验参照GB4675.1，预热温度80℃。
抗裂性试验2组10个试样均无裂纹。
试验焊丝性能的综合评价
焊丝综合评价：焊丝综合评价参见表6，表7，表8。
表6：焊丝综合评价
其中：焊接工艺性能和综合评价的表达方法：优良为◎，良好为○，及格为△，不及格为×。
表7：焊丝力学性能
| 屈服强度ReH | 抗拉强度Rm | 延伸率A％ | 低温冲击韧性AKV v(J) | |
| 试样1 | 615 | 670 | 18.5 | 93 118 78 |
| 试样2 | 615 | 675 | 19 | 74 87 81 |
| 试样3 | 640 | 715 | 17.5 | 78 83 86 |
| 试样4 | 575 | 640 | 20.5 | 74 87 83 |
| 试样5 | 575 | 640 | 19.5 | 48 66 53 |
| 试样6 | 570 | 660 | 19 | 68 88 86 |
| 对比7 | - | 875 | 14 | 53 52 54 |
| 对比8 | 750 | 870 | 14.5 | 36 40 38 |
| 对比9 | 675 | 795 | 14 | 23 23 15 |
| 对比10 | 590 | 670 | 20 | 148 155 142 |
表8：2.25Cr1Mo钢60毫米厚板不同部位低温冲击韧性
经试验：序号试样1-试样6的焊丝脱渣及焊缝成型良好，无气孔气槽，力学性能良好，适应于全位置焊接。
对比7焊丝中Mn含量过高，大于2.2％，强度过高无明显屈服强度，低温冲击韧性降低。
对比8焊丝中碱金属氧化物和/或氟化物折合Na、K、Li的含量之和大于0.35％，电弧变长，烟尘和飞溅增大，立焊铁水下坠，立焊力学性能差，且没有B、Ti的细化晶粒作用，低温冲击韧性降低。
对比9焊丝中填充率超过20％，TiO2+SiO2+ZrO2大于7％，易产生焊缝气孔压坑，同时由于含氧量高，低温冲击韧性降低。
对比10焊丝中低温冲击韧性较高，但Cr含量低，化学成分不合格，其强度、耐热性和焊接工艺性能均不能满足要求。
Claims (2)
1.一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成质量％为低碳钢外皮78-86，药芯14-22，其特征在于：所述药芯的成份及含量占焊丝总质量％如下：TiO2 4-6，Si 0.2-0.5，Mn 1-2.2，SiO2 0.1-1，ZrO2 0.1-0.5，Cr 2-2.8，Mo 0.9-1.5，Ni 0.1-0.67，B 0.002-0.01，Ti 0.02-0.3，C 0.09-0.1，CaO 0.2-0.4，Fe 2-6，Al+Mg 0.4-0.75，
K、Na、Li碱金属氧化物和氟化物，其含量折合K+Na+Li之和占焊丝总质量％为0.19-0.33，其中K为0.02-0.07，Na或Li或两者之和为0.16-0.26，
所述药芯中的氟化物的含量折合F占焊丝总质量％为0.1-0.36，
所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和占焊丝总质量％为5.10-6.59，
稀土金属的氟化物和/或氧化物，其含量折合稀土金属占焊丝总质量％为0.005-0.2，
所述碳钢外皮和药芯中S、P、Sn、Bi之和不大于0.035。
2.根据权利要求1所述的一种气体保护焊用铬钼钢药芯焊丝，其特征在于：所述CaO是以CaCO3和/或CaF2的形式添加的，所述CaCO3和/或CaF2的含量折合CaO占焊丝总质量％为0.2-0.4。
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