CN101396775A - 多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软钢外皮内充填药粉的多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝，药粉各成份对焊丝的重量百分比(％)为，TiO₂：4.5～5.5％；SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂：0.3～1.3％；碱性金属氧化物+碱土金属氧化物：0.1～0.3％；Si：0.7～1.5％；Mn：2.0～3.5％；Al：0.7～1.2％；Mg：0.5～1.0％；残余铁粉及不可避免的杂质等。充填于软钢外皮内的药粉密度为3.0～4.0g/cm³，焊丝横截面的圆形度{R：(最大直径－最小直径)/最大直径}在0.03以下。本发明在160厘米/分钟以上的高速焊接速度下，能够保持良好的电弧稳定性及焊道形状，而且能够获得良好的焊接金属。另外，在为防止母材被腐蚀而涂抹无机锌底漆的钢板上，焊接作业效果同样突出。

Description

多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊丝，尤其是一种多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝，具体说，是一种在高速焊接工艺中具备高质量焊接性的多电极气体保护电弧焊药芯焊丝。

背景技术

一直以来，人们为了提高工业生产效率，努力追求焊接的高速化和自动化。在这样的趋势下，人们为提高焊接速度所作的努力不仅涉及设备领域，还涉及到焊接材料领域；

其中，在平角焊(Horizontal Fillet)方面人们开发并使用了利用多电极实现高速、高效焊接的工艺法，但是比起单极焊接，多电极单极焊接法具有电弧稳定性、熔融电极稳定性等特点，特别是在高速焊接(≥160厘米/分钟)方面，其优点更为突出。因此，为了提高高速焊接的电弧稳定性和熔融电极的稳定性，人们在焊接点的分布、接地方法的改善、焊接电流/电压的调整方法及相关材料的开发层面上探索了控制药粉组成成份的方法。

然而，对于采用这种多电极(尤其是二电极)的焊接工艺而言，迄今为止开发的气体保护电弧焊接专用药粉充填焊丝在焊接速度超过160厘米/分钟时，无法显著改善焊道表面美观和焊道金属质量。

针对这样的局限性，人们为了克服它而不断进行努力。其事例有，日本特开平6-218578号和大韩民国公开特许2001-0061851号所记载的发明。在这里，日本公开特许的发明和大韩民国公开特许的发明分别通过控制TiO₂、脱氧剂、氧化铁的添加量与熔渣形成剂中氧化铁的含量，力图确保高速焊接效率，但对于速度在160厘米/分钟以上的高速焊接来说，其效果仍然存在局限性。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝，该多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝在焊接速度超过160厘米/分钟时，能保持良好的电弧稳定性和焊接表面及焊道金属。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝，药粉由TiO₂、SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂、碱性金属氧化物+碱土金属氧化物、Si、Mn、Al、Mg和铁粉组成；药粉各成份相对焊丝(焊丝包括软钢外皮和药粉)的重量百分比为：

TiO₂：                        4.5～5.5％

SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂：             0.3～1.3％

碱性金属氧化物+碱土金属氧化物：0.1～0.3％

Si：                          0.7～1.5％

Mn：                          2.0～3.5％

Al：                          0.7～1.2％

Mg：                          0.5～1.0％

余量为铁粉及不可除净杂质；

药粉充填于软钢外皮内的密度为3.0～4.0g/cm³，焊丝横截面的圆形度{R：(最大直径-最小直径)/最大直径}为0.03以下(包括0.03)。

接下来是关于构成本发明焊丝的药粉组成成份及其限制原因。

首先，上面所讲的药粉成份中，含有TiO₂。TiO₂是熔渣生成剂，其主要作用是生成焊接熔渣，对焊道外观的形成产生一定影响，故在本发明中将其含量控制在4.5～5.5％，该比率是对焊丝重量的百分比。如果其含量不及4.5％，会导致焊道表面的熔渣分布不均衡，无法得到良好的焊道；相反，如果超过5.5％，因产生过多的熔渣，导致熔融电极不稳定，而且会使熔渣抱团，进而导致焊道不均衡。

药粉中还包含01.～0.3％的碱性金属氧化物和碱土金属氧化物。在碱性金属氧化物和碱土金属氧化物中，包括MgO、Li₂O、Na₂O、K₂O、CaO，这些物质均为影响电弧稳定性及熔渣粘性的氧化物，与TiO₂一同被作为熔渣生成剂添加到药粉中。如果其含量不及0.1％，电弧会变得不稳定，而且熔渣粘性下降，导致熔渣下垂；相反，如果超过0.3％，电弧过强，电弧柱的鲜明度下降，熔渣粘性增强，导致熔渣抱团。

药粉中含有0.3～1.3％的SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂。这些物质是对熔渣流动性产生影响的氧化物，如果其含量不及0.3％，无法期待相应的效果，而超过1.3％，会使熔渣的透明化倾向增强，不利于熔渣的剥离。

药粉中含有0.7～1.5％的Si。Si是脱氧剂，主要影响焊接金属的物理性质，如果其含量不及0.7％，焊接金属的物理性质会下降，熔敷性降低，进而导致熔池的粘性增强，进行平角焊时不利于等角的形成；而如果含量超过1.5％，会导致焊接金属的硬度过分增强及拉力下降，并且在脱氧后生成过多的SiO₂，无法获得良好的焊道。

药粉中还含有2.0～3.5％的Mn。本发明中，Mn用于脱氧剂，可对焊接金属的物理性质产生影响。如果其含量不及2.0％，脱氧能力减弱，产生缺陷的倾向增强，并使焊接金属的机械性质下降；而如果其含量超过3.5％，焊接金属的抗拉强度增大，韧性下降。

药粉中含有0.7～1.2％的Al。Al是强力脱氧剂和脱氮剂，可提高耐气孔性。但如果Al的含量不及0.7％，脱氧效果下降，会增加熔敷金属的缺陷；相反，如果超过1.2％，虽然脱氧及脱氮效果增强，但因电弧过强，焊接金属中的Al含量过多，导致焊接金属的韧性下降。

药粉中含有0.5～1.0％的Mg，Mg是强力脱氧剂。如果Mg含量不及0.5％，不仅脱氧效果低下，而且耐气孔性也会下降，导致焊接部位产生气孔；相反，如果其含量超过1.0％，虽然能显著增强脱氧效果，但因含量过多，可能导致电弧爆炸现象，而且熔渣的碱性增强，容易使熔渣剥离性下降。

另外，本发明中，药粉含有一些残余铁粉和不可避免的杂质。

在本发明中，将上述成份的药粉填入管状软钢外皮内部时，必须将其充填密度控制在3.0～4.0g/cm³。

最近，为了改善生产效率而提高焊接速度已经成为了新的焦点。但正如前面所述，现有工艺在提高焊接速度方面存在局限性。因此，本发明的发明者们为顺应超高速焊接趋势，对多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝进行了深入研究和反复实验，结果发现，虽然药粉密度在普通焊接环境下不会产生太大影响，但在多电极高速焊接环境下，会对电弧产生很大的影响。

这里所说的药粉密度，与药粉充填率(焊丝单位重量相对应的药粉重量百分比)或药粉的比重是完全不一样的概念。所谓药粉密度是表示在管型钢材表皮内部空间中充填的药粉密集程度的一种尺度，在制造过程中可通过调整药粉投入量和拨丝速度、拨丝进度来控制药粉密度。

在本发明中，如果药粉充填密度小于3.0g/cm³，会导致多电极高速焊接的电弧稳定性会下降、焊道外观不良，而且焊接金属发生缺陷的可能性提高；相反，如果药粉充填密度超过4.0g/cm³，会导致多电极高速焊接的电弧过于集中，发生焊蚀等焊接缺陷，而且先行电极中局部发生电弧过于集中的现象，使熔融电极变得极其不稳定，进而对后行电极的电弧稳定性造成不利影响。

另外，本发明的药芯焊丝对焊丝横截面形状的圆形度{R：(最大直径-最小直径)/最大直径}必须在0.03以下。本发明的发明者们通过研究发现，对于多电极高速焊接而言，焊丝的圆形度也是重要的影响因素。即，焊丝圆形度是形成电弧柱的重要因素，如果焊丝圆形度超过一定范围之外，会导致电弧柱的变形、不稳定及电弧偏向等现象。关于上述圆形度的定义适用于(最大直径-最小直径)/最大直径。

需要注意的是，圆形度在0.03以下时，多电极焊接的电弧会非常稳定，但是超过0.03时，电弧柱会变形，导致电弧稳定性下降，增强熔池分散现象，进而引发焊道发生缺陷及熔渣不均衡问题。

本发明的有益效果是：本发明的多电极气体保护电弧焊接用药芯充填焊丝适用于水平及下向平角焊接，在160厘米/分钟以上的高速焊接速度下，能够保持良好的电弧稳定性及焊道形状，而且能够获得良好的焊接金属。另外，在为防止母材被腐蚀而涂抹无机锌底漆的钢板上，焊接作业效果同样突出。

具体实施方式

接下来，通过实例详细说明本发明。

(实例)

[表1]

 

C	Si	Mn	P	S	残余物质
						0.020	0.005	0.19	0.010	0.011	Fe和不可除净的杂质

[表2]

A*：SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂

B*：碱性金属氧化物+碱土金属氧化物

如表1所示，将相应成份的药粉充填到钢表皮之内，制造了直径1.6mm的药芯焊丝。此时，充填于软钢表皮内的药粉成份如表2所示。除了表2所列的成份之外，所谓的残余成份是指铁物质和不可消除的杂质。另外，药粉的充填率在16～25％之间。

制造完成后，按照表3所示的焊接条件进行焊接，并将评价结果记录在表4中。

其中，利用官能评价对电弧稳定性、焊道外观及熔渣剥离性后分为非常好(◎)、良好(○)、一般(△)、一般以下(×)等四个等级；利用焊道表面的缺陷数量评价了耐气孔性，无缺陷为非常好(◎)、1个为良好(○)、2～3个为一般(△)、4个以上为一般以下(×)，同样分为四个等级。

[表3]

 

母材	AH36(涂抹无机锌底漆)
		材料形状	T-Fillet
焊接种类	2电极平角焊
		Shielding Gas	100％ CO2
Gas流量	20～25升/分钟
		焊丝极性	DC+

 

焊接速度	200cm/min.
		焊接电流/电压	先行电极：520A/32V，后行电极：450A/34V
角长形成	5～6mm
		焊枪水平角	先行50°，后行50°
前进、后退角	先行电极：后退角7°，后行电极：前进角7°
		电极间距	23mm
焊丝目标位置	先行电极：根部，后行电极：距离根部1mm

[表4]

如表4所示，从实例(1～12)中可以看出药粉的组成成份、药粉的充填密度、焊丝横截面圆形度在本发明要求的范围之内时，多电极高速焊接的电弧稳定性良好，而且焊道外观也良好，焊接金属耐气孔性也很理想。

相反，比较例(1～2)因为药粉充填密度低，导致电弧稳定性低下，进而会引起焊道外观及耐气孔性不良。而比较例(3)的情况是，由于焊丝圆形度超越了本发明的要求范围，不仅电弧稳定性低下，而且由于过多添加了Mg，发生了飞浅现象，熔渣剥离性也很低。

从比较例(4)的情况看，焊丝圆形度超出了本发明要求的范围，导致电弧稳定性下降，焊道缺陷增加，熔渣分布不均衡。而比较例(5)是因为TiO₂含量不足，无法获得良好的焊道外观，而且因Al含量不足，容耐气孔性降低。

比较例(6，7)的情况是，由于药粉充填密度超出本发明要求的范围，电弧不稳定性增加，焊道外观不良，而比较例(8)因为SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂含量超标，熔渣剥离性恶化，而且Mn含量过少，脱氧效果不佳，降低了耐气孔性。

比较例(9)的情况是，碱性金属氧化物+碱土金属氧化物的含量过少，无法获得良好的电弧稳定性，而且熔渣下垂到下角，导致焊道外观不良。比较例(10)中，碱性金属氧化物+碱土金属氧化物含量过多，电弧过于集中，导致熔渣抱团，焊道外观的美感不足。

另外，比较例(11)的情况是，因为Si含量少，没有形成等角，耐气孔性下降，而且由于强脱氧剂Mg含量过少，耐气孔性进一步下降。

比较例(12)的情况是，由于添加过多Al，导致电弧过强，出现了焊道焊蚀现象，而且过强的电弧加剧了熔融电极的不稳定现象，出现严重的电弧干涉现象，对后行电极的电弧稳定性造成了恶劣的影响。

Claims (1)

1.一种多电极气体保护电弧焊专用药芯焊丝，其特征是：药粉由TiO₂、SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂、碱性金属氧化物+碱土金属氧化物、Si、Mn、Al、Mg和铁粉组成；药粉各成份相对焊丝的重量百分比为：

TiO₂：                        4.5～5.5％

SiO₂+Al₂O₃+ZrO₂：              0.3～1.3％

碱性金属氧化物+碱土金属氧化物：0.1～0.3％

Si：                          0.7～1.5％

Mn：                          2.0～3.5％

Al：                          0.7～1.2％

Mg：                          0.5～1.0％

余量为铁粉及正常含量下的不可除净杂质；

药粉充填于软钢外皮内的密度为3.0～4.0g/cm³，焊丝横截面的圆形度为0.03以下。