CN101323057A

CN101323057A - 一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝

Info

Publication number: CN101323057A
Application number: CN 200710054660
Authority: CN
Inventors: 薛钢; 牛继承; 杜义
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-17

Abstract

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，涉及焊接材料技术领域；本发明可采用现有的钢管拉拔法或在线焊接法无缝药芯焊丝制造技术进行制造，将钢管直径缩小至可获得规定填充率的填充直径，利用振动填充方式从钢管的一端填入填充料后，利用轧辊群和拉丝模具群进行拉丝加工，期间进行中间退火(650℃×2小时)，本发明的高强度金属芯型无缝药芯焊丝能够满足屈服强度大于785MPa可满足高强度结构钢焊接的需求。

Description

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，涉及一种气体保护电弧焊用高强度金属芯型无缝药芯焊丝。

背景技术

药芯焊丝由于其焊接工艺性良好、焊接效率高而在船舶、桥梁、海洋平台等钢结构的焊接建造中得到广泛应用。目前结构用钢强度级别日益提高，屈服强度大于785MPa的高强度结构钢已在钢结构的建造中得到应用，这就要求采用的药芯焊丝获得的焊缝金属强度要与母材一致，并且具有良好的冲击韧性；同时，为了使焊接接头具有良好的抗焊接冷裂纹能力，要求焊缝中的扩散氢含量处于超低氢水平，而目前的药芯焊丝所获得的焊缝金属强度普遍较低。

参考文献；

1)专利申请号200610071612.5、公开号CN1840728A公开了一种低合金钢焊接金属和用于提供该焊接金属的粉芯焊丝，其实施例中给出的焊接金属屈服强度介于440～680MPa之间；

2)专利号ZL99119715.1、CN1085127C公开了一种金属芯型药芯焊丝，该药芯焊丝仅适用于碳素钢和490MPa级高强钢；

3)专利号ZL99100147.8、公开号CN1068270C公开了一种高韧性全位置焊接用气体保护药芯焊丝，实施例显示采用该焊丝获得的熔敷金属屈服强度低于500Mpa。

经过检索现有技术中的药芯焊丝，均难以满足屈服强度大于785MPa高强度结构钢焊接的需要，所以有必要针对于屈服强度大于785MPa的高强度结构钢而设计出与母材一致的药芯焊丝。

发明内容

针对于现有药芯焊丝不能满足屈服强度大于785MPa的高强度结构钢的实际应用需求，本发明的目的是提供一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，该高强度金属芯型无缝药芯焊丝可获得的熔敷金属屈服强度大于785MPa，并且具有良好的冲击韧性，同时扩散氢含量处于超低氢水平即小于5ml/100g熔敷金属，适用于焊接屈服强度大于785MPa的高强度结构钢。

本发明的目的是通过如下步骤和方法来实现的；

根据本发明的目的，我们提出一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，包含低碳钢外皮和填充到其中的颗粒状填充料；在钢制外皮中除基于钢制外皮总量98.973％～99.432％的钢外，还含有质量百分比为0.03％～0.04％的碳(C)、0.02％～0.03％的硅(Si)、0.4％～0.5％的锰(Mn)、0.005％～0.006％的硫(S)、0.012％～0.013％的磷(P)、0～0.45的钇；填充入其中的药粉含有质量百分比为1.2％～5.5％的硅铁粉(以硅Si计算)、8％～26％的金属锰粉、0.6％～2.5％的钛铁粉(以钛Ti计算)、16％～34％的金属镍粉、1％～8％的金属铬粉、2.5％～8.5％的钼铁粉(以钼Mo计算)、0.6％～4.5％的二氧化钛(TiO₂)、0.1％～0.5％的二氧化硅(SiO₂)，0.2％～0.6％的氧化锰(MnO)、0.3％～1.8％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、0.4％～2.7％的氧化钾(K₂O)、0～0.8％的三氧化二铝(AL₂O₃)，；SiO₂、Al₂O₃和MnO中的一种或多种，质量和：其余为27.7％～57％的铁粉。药粉填充率为11～18％，焊丝直径为1.2～1.8mm。

采用钢管填粉、拉拔的方法制造无缝药芯焊丝。采用的低碳钢钢管外径为13.8mm、壁厚为2.0mm，将钢管的直径缩小至可获得规定填充率的填充直径，利用振动填充方式从钢管的一端填入填充料后，利用轧辊群和拉丝模具群进行拉丝加工，期间进行中间退火(650℃×2小时)，便制成无缝药芯焊丝。

在本发明的气体保护电弧焊金属芯型药芯焊丝中，我们的设计依据如下：

硅铁：硅铁是重要的脱氧剂，一定量的Si对于降低焊缝中的氧含量、提高焊缝金属的韧性有着重要作用，但过量的Si将导致过渡至焊缝中的Si含量过高，从而恶化韧性，考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的硅铁含量(以Si计算)为1.0～6.0％，可以采用不同规格的硅铁，优选Si含量为45％的硅铁；

金属锰：锰是重要的脱氧剂，同时也是焊缝金属中重要的合金元素，对于焊缝金属的强韧性有着重要作用，锰含量过低将导致脱氧不充分、焊缝金属韧性降低，同时焊缝金属的强度不足；锰含量过高将导致过渡至焊缝中的Mn含量过高，在提高焊缝金属强度的同时恶化韧性，考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的金属锰含量为7～27％

钛铁：钛是强脱氧剂，对于降低焊缝金属中的氧含量有着重要作用，但含量过高将导致过渡至焊缝中的Ti含量过高，影响性能，同时考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的钛铁含量(以Ti计算)为0.5～3.0％，可以采用不同规格的钛铁，优选Ti含量高的钛铁；

金属镍：镍是焊缝金属中重要的合金元素，能提高焊缝金属的低温冲击韧性，降低韧脆转变温度，但镍含量过高则会增大热裂敏感性，考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的金属镍含量为14.0～36.0％；

金属铬：铬对焊缝金属的强韧性影响较大，能显著提高焊缝金属的强度，但同时也明显降低其韧性，因此，为了使焊缝金属在获得高强度的同时保持良好的韧性，同时考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的金属铬含量不大于9.0％；

钼铁：钼能显著提高焊缝金属强度，但含量过高将会对韧性产生不利影响，为了过渡至焊缝金属中的Mo含量适当，限定药芯中的钼铁含量(以Mo计算)为2.0～9.0％，可以采用不同规格的钼铁；

TiO₂：TiO₂为造渣剂，有利于焊缝的成型，同时也有利于稳定电弧和减少飞溅，考虑到不同填充率的影响，限定药芯中的TiO₂含量为0.5～5.0％；

氧化物SiO₂、Al₂O₃、MnO：属于造渣剂，用于调节熔渣的熔点和粘度，改善焊缝的成型，其在药芯中的质量和限定为0.5～5.0％；

Na的氧化物或氟化物：Na是重要的稳弧剂，含量适当时可以提高电弧稳定性，减少飞溅，但含量过高时会恶化工艺性，因此，将药芯中Na的氧化物或氟化物的含量(以Na计算)限定为0.2～2.0％；

K的氧化物或氟化物：K是重要的稳弧剂，含量适当时可以提高电弧稳定性，减少飞溅，但含量过高时会恶化工艺性，因此，将药芯中K的氧化物或氟化物的含量(以K计算)限定为0.3～3.0％；

钇(Y)：钇在焊缝金属中可以作为氢陷阱，一定量的钇能起到重要的固定氢的作用，降低焊缝金属中的扩散氢含量，但过量的钇会恶化焊缝金属力学性能，因此，将焊丝中的钇含量限定在0.5％以下。

为了获得高熔敷性和高效率，填充料占整条焊丝的质量比例应在10％以上，但填充料所占比例过高，则外管部分壁厚过薄，在焊丝制造过程阶段容易发生断线，因此，将填充料占整条焊丝的质量比例控制在20％以下。为了获得较好的熔敷性，将焊丝直径限定为1.0～2.0mm。

为了减少氢源，降低焊缝金属中的扩散氢含量，提高焊接接头的抗冷裂纹能力，采用无缝药芯焊丝制造技术进行制造，即采用钢管拉拔法制得的无缝药芯焊丝或采用在线焊合法制得的无缝药芯焊丝。

与本发明的金属芯型药芯焊丝一起使用的保护气体可以为Ar系混合气体，也可使用CO₂气体。

采用本发明提出的气体保护电弧焊金属芯型无缝药芯焊丝，获得的熔敷金属屈服强度大于785MPa，并且具有良好的冲击韧性，同时熔敷金属扩散氢含量小于5ml/100g，可以用于屈服强度大于785MPa的高强度结构钢的焊接。

本发明采用上述技术方案将达到如下的技术效果：

本发明高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是以低碳钢或低合金钢作为外皮，内部的药粉填充物中含有：用作脱氧剂的质量百分比为1.0～6.0％的硅铁(以硅Si计算)，其在降低焊缝中氧含量的同时还提高了焊缝金属的韧性；用作脱氧剂和焊缝金属合金元素的7～27％的金属锰，对于焊缝金属的强韧性和强度有着重要作用；0.5～3.0％的用作强脱氧剂的钛铁(以钛Ti计算)；14.0～36.0％的用作焊缝金属合金元素的金属镍，在提高焊缝金属低温冲击韧性的同时能够降低其韧脆转变温度；0～9.0％的金属铬，在显著提高焊缝金属强度的同时兼顾其韧性需要；2.0～9.0％的钼铁(以钼Mo计算)，显著提高焊缝金属强度的同时兼顾焊接的韧性；0.5～5.0％的二氧化钛(TiO₂)作为造渣剂，有利于焊缝的成型，同时也有利于稳定电弧和减少飞溅；质量和为0.5～5.0％的氧化物SiO₂、Al₂O₃、MnO，用作造渣剂，可调节熔渣的熔点和粘度，改善焊缝的成型；0.2～2.0％的钠(Na)的氧化物或氟化物(以钠Na计算)，用作稳弧剂，可提高电弧稳定性，减少飞溅；0.3～3.0％的钾(K)的氧化物或氟化物(以钾K计算)，也用作稳弧剂，用来提高电弧稳定性，减少飞溅；另外，木发明的焊丝整体中还含有不超过0.5％的钇(Y)，用于在焊缝金属中作为氢陷阱，起到固定氢的作用，降低焊缝金属中的扩散氢含量，同时还兼顾了焊缝金属的力学性能。本发明的填充料占整条焊丝的质量比为10％～20％，在焊丝制造阶段不易断线且能获得高熔敷性和高效率。经试验验证，采用本发明的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，所获得的熔敷金属屈服强度大于785MPa，并且具有良好的冲击韧性，同时熔敷金属扩散氢含量小于5ml/100g，可用于焊接屈服强度大于785MPa的高强度结构钢。

附图说明

图1为本发明的钢管拉拔法药芯焊丝剖面结构的模拟图。

图2为本发明的在线焊合法药芯焊丝剖面结构的模拟图。

在图中；1-钢制外皮；2-填充料；3-焊接接合处。

具体实施方式

参考下面的实施例，可以更详细地解释本发明；但是，本发明并不局限于这些实施例。

本发明的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，可采用现有的钢管拉拔法或在线焊接法无缝药芯焊丝制造技术进行制造，钢制外皮(1)可采用低碳钢或低合金钢；

在图1中，为钢管拉拔法制得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝剖视图，在钢制外皮(1)中填充有药粉填充料(2)；

在图2中，为在线焊接法制得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝剖视图，在钢制外皮1的焊接接合处(3)焊合，钢制外皮(1)内填充有药粉填充料(2)。

下面是使用低碳钢作为外皮，采用钢管填粉、拉拔的方法制得的六种无缝药芯焊丝，将钢管直径缩小至可获得规定填充率的填充直径，利用振动填充方式从钢管的一端填入填充料后，利用轧辊群和拉丝模具群进行拉丝加工，期间进行中间退火(650℃×2小时)，制得图1所示剖面结构的无缝药芯焊丝。

实施例一：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮(1)中除基于钢制外皮总量99.432％的钢外，还含有质量百分比为0.03％的碳(C)、0.02％的硅(Si)、0.5％的锰(Mn)、0.005％的硫(S)、0.013％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为5.5％的硅铁粉(以硅Si计算)、11％的金属锰粉、1％的钛铁粉(以钛Ti计算)、34％的金属镍粉、8％的金属铬粉、4％的钼铁粉(以钼Mo计算)、4.5％的二氧化钛(TiO₂)、0.3％的二氧化硅(SiO₂)，0.2％的氧化锰(MnO)、1.8％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、0.6％的氧化钾(K₂O)，其余为29.1％的铁粉。本实施例药粉填充率为11％，焊丝直径为1.2mm。

实施例二：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮中除基于钢制外皮(1)总量99.432％的钢外，还含有质量百分比为0.03％的碳(C)、0.02％的硅(Si)、0.5％的锰(Mn)、0.005％的硫(S)、0.013％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为2％的硅铁粉(以硅Si计算)、26％的金属锰粉、2.5％的钛铁粉(以钛Ti计算)、28％的金属镍粉、8.5％的钼铁粉(以钼Mo计算)、1.2％的二氧化钛(TiO₂)、0.2％的二氧化硅(SiO₂)，0.5％的三氧化二铝(AL₂O₃)、0.2％的氧化锰(MnO)、0.5％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、2.7％的氧化钾(K₂O)，其余为27.7％的铁粉。本实施例药粉填充率为11％，焊丝直径为1.2mm。

实施例三：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮(1)中除基于钢制外皮总量99.271％的钢外，还含有质量百分比为0.04％的碳(C)、0.02％的硅(Si)、0.4％的锰(Mn)、0.25％的钇(Y)、0.006％的硫(S)、0.013％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为4.5％的硅铁粉(以硅Si计算)、15％的金属锰粉、1.5％的钛铁粉(以钛Ti计算)、26％的金属镍粉、6％的金属铬粉、3％的钼铁粉(以钼Mo计算)、3％的二氧化钛(TiO₂)、0.2％的二氧化硅(SiO₂)，0.1％的三氧化二铝(AL₂O₃)、0.6％的氧化锰(MnO)、1.6％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、1.5％的氧化钾(K₂O)，其余为37％的铁粉。本实施例药粉填充率为14％，焊丝直径为1.4mm。

实施例四：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮(1)中除基于钢制外皮总量98.973％的钢外，还含有质量百分比为0.04％的碳(C)、0.02％的硅(Si)、0.4％的(Mn)、0.25％的钇(Y)、0.006％的硫(S)、0.013％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为3.5％的硅铁粉(以硅Si计算)、21％的金属锰粉、0.8％的钛铁粉(以钛Ti计算)、20％的金属镍粉、3％的金属铬粉、7％的钼铁粉(以钼Mo计算)、0.8％的二氧化钛(TiO₂)、0.3％的三氧化二铝(AL₂O₃)、0.5％的氧化锰(MnO)、1％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、0.7％的氧化钾(K₂O)，其余为41.4％的铁粉。本实施例药粉填充率为14％，焊丝直径为1.4mm。

实施例五：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮(1)中除基于钢制外皮总量98.973％的钢外，还含有质量百分比为0.03％的碳(C)、0.03％的硅(Si)、0.5％的(Mn)、0.45％的钇(Y)、0.005％的硫(S)、0.012％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为3％的硅铁粉(以硅Si计算)、8％的金属锰粉、1.2％的钛铁粉(以钛Ti计算)、22％的金属镍粉、5％的金属铬粉、2.5％的钼铁粉(以钼Mo计算)、4％的二氧化钛(TiO₂)、0.5％的二氧化硅(SiO₂)，0.1％的三氧化二铝(AL₂O₃)、0.2％的氧化锰(MnO)、1.3％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、0.4％的氧化钾(K₂O)，其余为51.8％的铁粉。本实施例药粉填充率为18％，焊丝直径为1.8mm。

实施例六：

一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，是在钢制外皮(1)中填充药粉；钢制外皮(1)中除基于钢制外皮总量98.973％的钢外，还含有质量百分比为0.03％的碳(C)、0.03％的硅(Si)、0.5％的(Mn)、0.45％的钇(Y)、0.005％的硫(S)、0.012％的磷(P)；填充入其中的药粉含有质量百分比为1.2％的硅铁粉(以硅Si计算)、15％的金属锰粉、0.6％的钛铁粉(以钛Ti计算)、16％的金属镍粉、1％的金属铬粉、5％的钼铁粉(以钼Mo计算)、0.6％的二氧化钛(TiO₂)、0.1％的二氧化硅(SiO₂)，0.8％的三氧化二铝(AL₂O₃)、0.3％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、2.4％的氧化钾(K₂O)，其余为57％的铁粉。本实施例药粉填充率为18％，焊丝直径为1.8mm。

对上述制得的六种焊丝进行熔敷金属力学性能试验，试板坡口、尺寸、取样方法与位置均按照中国国家标准GB/T 17493-1998《低合金钢药芯焊丝》进行，采用的保护气体和焊接规范如下所述：

实施例一至六均采用含有5％二氧化碳(CO₂)的氩气(Ar)作为保护气体，接入直流反接式电源进行焊接操作，实施例1、2采用240A的电流、20～26V的电压，实施例3、4采用280A的电流、21～30V的电压，实施例5、6采用320A的电流、22～38V的电压，均采用5～8cm/min的焊接速度和100～120℃的预热/道间温度，按照中国国家标准GB/T 3965-1995《熔敷金属中扩散氢测定方法》对焊接的熔敷金属扩散氢含量进行测量，各熔敷金属的力学性能如下所述：

实施例一所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，屈服强度R_p0.2＝825MPa，抗拉强度R_m＝850MPa，延伸率A＝17.5％，收缩率Z＝63％，-50℃时的冲击功A_kV＝74J，扩散氢H_D＝4.2ml/100g。

实施例二所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，R_p0.2＝810MPa，R_m＝845MPa，A＝19％，Z＝65％，-50℃时的冲击功A_kV＝86J，H_D＝4.5ml/100g。

实施例三所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，R_p0.2＝835MPa，R_m＝860MPa，A＝16.5％，Z＝62％，-50℃时的冲击功A_kV＝57J，H_D＝2.4ml/100g。

实施例四所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，R_p0.2＝790MPa，R_m＝855MPa，A＝18％，Z＝70％，-50℃时的冲击功A_kV＝82J，H_D＝2.8ml/100g。

实施例五所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，R_p0.2＝825MPa，R_m＝850MPa，A＝17.0％，Z＝60％，-50℃时的冲击功A_kV＝55J，H_D＝3.0ml/100g。

实施例六所获得的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，R_p0.2＝840MPa，R_m＝875MPa，A＝16.0％，Z＝58％，-50℃时的冲击功A_kV＝47J，H_D＝2.7ml/100g。

由此可见，对上述六种配方获得的焊丝，按照国家标准采用不同的焊接规范，各实施例焊丝均能满足屈服强度大于785MPa高强度结构钢焊接的需要，同时熔敷金属扩散氢含量均小于5ml/100g熔敷金属，上述其它各项测量结果均优于国家技术标准中的规定，综上所述，本发明的高强度金属芯型无缝药芯焊丝能够满足屈服强度大于785MPa高强度结构钢焊接的需求。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims

1、一种高强度金属芯型无缝药芯焊丝，包含包含低碳钢外皮和填充到其中的颗粒状填充物，其特征在于：在钢制外皮中除基于钢制外皮总量98.973％～99.432％的钢外，还含有质量百分比为0.03％～0.04％的碳(C)、0.02％～0.03％的硅(Si)、0.4％～0.5％的锰(Mn)、0.005％～0.006％的硫(S)、0.012％～0.013％的磷(P)、0～0.45的钇；填充入其中的药粉含有质量百分比为1.2％～5.5％的硅铁粉(以硅Si计算)、8％～26％的金属锰粉、0.6％～2.5％的钛铁粉(以钛Ti计算)、16％～34％的金属镍粉、1％～8％的金属铬粉、2.5％～8.5％的钼铁粉(以钼Mo计算)、0.6％～4.5％的二氧化钛(TiO₂)、0.1％～0.5％的二氧化硅(SiO₂)，0.2％～0.6％的氧化锰(MnO)、0.3％～1.8％的氟化钠(NaF)(以钠Na计算)、0.4％～2.7％的氧化钾(K₂O)、0～0.8％的三氧化二铝(AL₂O₃)；SiO₂、Al₂O₃和MnO中的一种或多种的质量和：其余为27.7％～57％的铁粉。

2、权利要求1所述的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，其特征在于：填充到钢制外皮(1)内的颗粒状填充料药粉填充率为11～18％。

3、权利要求1或2所述的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，其特征在于：焊丝直径为1.2～1.8mm。

4、权利要求1或2所述的高强度金属芯型无缝药芯焊丝，其特征在于：高强度金属芯型无缝药芯焊丝可采用钢管填粉、拉拔的方法制造无缝药芯焊丝。