CN101486131B

CN101486131B - 一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN101486131B
Application number: CN2009100143911A
Authority: CN
Inventors: 孙俊生; 王冶; 朱强
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: CN101486131A

Abstract

本发明公开了一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝，包括低碳钢管壁和被包于其内的药粉或药粉加钢丝；其中：所述药芯焊丝直径为4.2mm～6.0mm；所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料，所述粉末化学成分按质量百分比计含有0.05～0.12％C、0.02～1.20％Si、0.80～1.80％Mn、0～0.80％Mo、0～2.50％Ni、0～0.80％Cr、0～0.20％Ti、0～0.010％B、S含量不超过0.035％、P含量不超过0.035％、0～2.0％K₂CO₃粉末、0～2.0％Na₂CO₃粉末，余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。本发明的药芯焊丝直径较大，熔敷效率高，焊接生产率得到极大提高。可以用于焊接不同强度级别的钢材。

Description

一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，尤其涉及一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝。

背景技术

随着工业技术的迅猛发展，大型化、高参数化的焊接结构日益增多，这些焊接结构需要大量中厚板制造。埋弧焊是目前中厚板焊接的重要工艺之一，具有焊接生产率高、容易实现自动焊等优点，多用于平焊，为了用于其他焊接位置，人们开发了埋弧横焊，扩大了埋弧焊的应用范围。开发高效化的焊接材料是进一步提高埋弧焊生产率、降低成本、提高焊接质量的重要途径。药芯焊丝以成分调整方便，熔敷效率高、易于自动焊而成为目前最有发展前途的埋弧焊材料。

埋弧焊所用的焊丝包括实芯焊丝和药芯焊丝两类，实芯焊丝在结构钢连接方面应用较多，而药芯焊丝多用于堆焊，用于结构钢连接的还比较少见。埋弧焊用焊丝的直径一般不大于4.0mm，如《焊接》杂志，2008年第4期刊登的论文“16MnR钢脉冲埋弧焊接头冲击性能研究”中，埋弧焊所用的实芯焊丝为4mm的H10Mn2。《焊接技术》杂志，2008年第1期刊登的论文“双丝埋弧焊工艺及焊接接头性能研究”，埋弧焊所用焊丝为直径3.2mm和4.0mm的H08A实芯焊丝，为了提高焊接效率，试验了双丝埋弧焊。授权公告号CN1093025C的发明专利“一种管线钢用高韧性抗腐蚀埋弧焊丝”，公开的埋弧焊丝的直径为3.2mm。用于堆焊的药芯焊丝直径一般不大于4.0mm，如《热加工工艺》杂志，2007年第3期刊登的论文“堆焊用药芯焊丝生产过程中的质量控制”中，指出粗直径硬面埋弧堆焊用药芯焊丝的直径为3.2mm～4.0mm，直径最大为4.0mm。《江苏冶金》杂志，2008年第4期刊登的论文“冷轧工作辊修复与再制造技术”中，冷轧工作辊使用的药芯焊丝直径为3.2mm。公开号CN1714986A的发明专利“高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝及其使用方法”，公开的堆焊药芯焊丝的直径为3.2mm～4.0mm。公开号为CN101003104的发明专利“一种型材轧辊堆焊修复工艺”，轧辊堆焊所用的过渡层和工作层药芯焊丝直径均为4.0mm。目前市场上的埋弧焊药芯焊丝，特别是堆焊药芯焊丝，其横截面为“O”形，接口为搭接连接，属于有缝药芯焊丝，在使用过程中药粉容易吸潮，影响焊接工艺性能和焊缝的内在质量，甚至在焊缝内部产生气孔等焊接缺陷。无缝药芯焊丝虽然具有不吸潮，焊接质量高等优点，但制造工艺复杂，市场上比较少见。

在市场上供应的堆焊药芯焊丝直径最大为4.0mm的情况下，为了提高堆焊效率，人们开发了双丝、多丝埋弧焊，通过复杂的焊接设备达到了提高堆焊效率的目的。虽然用户使用的埋弧焊机在设计时，可以采用最大直径为6.0mm的焊丝，但市场上直径超过4.0mm的焊丝很少见。

随着大型焊接结构应用的逐渐增多，以及结构运行工况的日益苛刻(如低温、大载荷、高温等)，中厚板的应用逐渐增多，焊接工作量大幅度增加，用户对低成本、使用方便、性能优异、质量稳定的高效化焊接材料，特别是大直径药芯焊丝的需求也更加迫切。

发明内容

针对现有中厚板用埋弧焊药芯焊丝，特别是直径超过4.0mm的大直径药芯焊丝比较少见，且有缝容易吸潮等弊端，本发明提供了一种高熔敷效率的埋弧焊药芯焊丝，即一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝。

本发明的技术构思是：将横截面为U形的低碳钢钢带内包适于中厚板焊接用的药粉或者药粉加钢丝(见图1和图2)，接口以咬口连接，使其横截面为“O”形，采用轧-拔工艺将其直径减至4.2mm～6.0mm，得到中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝成品。

本发明的中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝，包括低碳钢管壁和被包于其内的药粉或药粉加钢丝；其特征是：所述药芯焊丝纵向横截面形状为“O”形，直径为4.2mm～6.0mm，纵向长度随意确定；所述药芯焊丝壁厚为0.4mm～1.0mm，壁接口为咬口连接，连接部位的宽度为0.5mm～5mm；所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料，其中所述粉末化学成分按质量百分比计含有0.05～0.12％C、0.02～1.20％Si、0.80～1.80％Mn、0～0.80％Mo、0～2.50％Ni、0～0.80％Cr、0～0.20％Ti、0～0.010％B、S含量不超过0.035％、P含量不超过0.035％、0～2.0％K₂CO₃粉末、0～2.0％Na₂CO₃粉末，余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质；所述钢丝直径为0.8mm～1.6mm，位于药芯焊丝纵向横截面的几何中心处，并沿药芯焊丝纵向布放，与所述药芯焊丝等长。

上述药芯焊丝中合金元素的作用如下：

C含量小于0.05％时，熔敷金属中铁素体比例较高，强度偏低，不利于针状铁素体的形成，而超过1.2％会使熔敷金属强度过高，珠光体比例增大，也不利于铁素体的大量形成。主要来源于铁合金粉或石墨粉。

Si熔敷金属中含Si量控制在0.4％以下，由于焊剂及母材中含有较高的Si，在焊接过程中增Si现象严重，因此应控制焊丝中的Si量。主要来源于硅铁粉。

Mn是焊缝强化的有效元素，当焊缝中Mn含量低于1.0％时，焊缝强度偏低，需要添加其他合金元素强化；当焊缝中Mn含量高于1.6％时，焊缝金属的低温韧性明显下降。Mn在焊接过程中可以脱氧、脱硫、降低热裂纹倾向。来源于锰粉或锰铁粉。

Ni可以提高焊缝金属的韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性，降低脆性转变温度。同时Mn和Ni在相当大的含量范围均利于焊缝金属韧性的改善。由于Ni为贵重元素，不宜多加，药芯焊丝中Ni含量控制在0～2.5％。来源于镍粉。

Cr对焊缝有强化作用，Cr有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝强韧性，Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。

Mo是固溶强化的元素，加入Mo是为了确保焊缝金属的强度，Mo应适量加入，过量加入会使脆性转变温度提高，导致焊缝金属的韧性降低。来源于钼粉或者钼铁粉。

Ti适量加入可以细化焊缝金属组织。Ti与N具有极高的亲和力，Ti与N结合形成TiN质点，作为晶核，促使细针状铁素体大量形成。焊缝金属加入Ti合金元素时，其含量一般在0.01～0.04％之间为宜，由于Ti的过渡系数低，药芯焊丝中Ti含量应为0.10～0.20％。来源于钛粉或者钛铁粉。

B控制先共析铁素体的析出，降低奥氏体-铁素体相变的温度，促进晶粒内针状铁素体的形成。针状铁素体数量的增加，会使焊缝金属的低温韧性显著提高。焊缝金属加入B元素时，其含量一般在0.001～0.004％之间为宜。由于B的过渡系数较低，药芯焊丝中B含量为0.006～0.01％。主要来源于硼铁粉。

S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，易使焊缝产生裂纹，应尽量降低，要求药芯焊丝中S、P含量分别不超过0.035％。

稳弧剂：主要起稳定电弧的作用，来源于K₂CO₃、Na₂CO₃粉末。

上述的中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝中：所述药芯焊丝的管壁优选SPCC或H08A低碳钢钢带制备。

优选的实施方式是：所述药芯焊丝的管壁选壁厚为0.4～0.8mm，宽度为20～35mm的SPCC钢带制备；其化学成分以质量百分比计优选：C不大于0.12％、Si不大于0.05％、Mn不大于0.5％、S不大于0.035％、P不大于0.035％、余为Fe和不影响性能的杂质。

上述的中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝中：所述钢丝优选用焊接用H08A钢丝，其作用是使焊接电流在药芯焊丝的横截面上的分布更加均匀，提高电弧的稳定性和药芯焊丝熔化的均匀性。如果不填加钢丝，所述药芯焊丝的工艺性能也能达到施工要求时，可以不填加钢丝。

上述合金粉末的质量以如下国家标准和行业标准执行：

锰铁GB/T3795-2006，硅铁GB2272-1987，铬铁GB 5683-1987，钼铁GB3649-1987，钛铁GB 3282-1987，硼铁GB/T 5682-1995，镍及镍合金板GB/T2054-2005(中国有色金属行业标准)，没有国家和行业标准的执行生产企业标准。

本发明所述中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝的制备方法，步骤是：

(1)选用壁厚为0.4mm～1.0mm，宽度为20mm～35mm的市售低碳钢钢带，利用常规炼钢用包芯线生产设备，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形。

(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为10％～40％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料。

上述粉末化学成分按质量百分比计含有0.05～0.12％C、0.02～1.20％Si、0.80～1.80％Mn、0～0.80％Mo、0～2.50％Ni、0～0.80％Cr、0～0.20％Ti、0～0.010％B、S含量不超过0.035％、P含量不超过0.035％、0～2.0％K₂CO₃粉末、0～2.0％Na₂CO₃粉末，余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。

上述药粉配比根据熔敷金属的成分设计选定，采用常规的混粉机混粉8～30分钟后应用；

(3)根据需要，可以在U形槽内的药粉中间沿钢带长度方向布放一直径为0.8mm～1.6mm、与所述钢带等长的钢丝，钢丝位于成型后钢带纵向横截面的几何中心。在保证药芯焊丝焊接工艺性能的前提下，也可以不填加钢丝。

(4)将填充药粉或者药粉加钢丝后的横截面为U形的钢带横向边以咬口形式连接(见图1和图2)，使药粉或药粉加钢丝包裹于钢带内，形成包有药粉或药粉加钢丝的钢管，并通过冷轧减径，得到药芯焊丝坯料；药芯焊丝坯料的直径与所选钢带的宽度有关，咬口连接部位的宽度为0.5mm～5mm。

(5)通过拉丝摸，将药芯焊丝坯料逐道拉拔、减径，最后使其直径达到4.2mm～6.0mm；

(6)将步骤(5)所得的药芯焊丝任意截取或缠绕成盘，即得大直径埋弧焊药芯焊丝产品。

其中：上述埋弧焊用内含钢丝的药芯焊丝的制备方法中：步骤(1)所述低碳钢钢带优选SPCC钢带；步骤(3)所述钢丝优选焊接用钢丝H08A。

在通过轧-拔工艺减径获得成品的过程中，咬口连接部位的密封作用增强，其抗吸潮性能优于目前搭接接口或对接接口的药芯焊丝。

本发明的大直径药芯焊丝的应用不限于埋弧焊，也可以用于气体保护焊、电渣焊等。

本发明所述中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝的应用和实施具有如下明显效果：

(1)药芯焊丝的直径较大，熔敷效率高，焊接生产率得到极大提高。

(2)大直径药芯焊丝的横截面采用咬口连接，抗吸潮能力提高。

(3)熔敷金属的成分可以通过改变药芯焊丝药粉的成分调整，药芯焊丝的种类增多，可以用于焊接不同强度级别的钢材，应用范围扩大。

(4)大直径药芯焊丝使用现有的包芯线设备生产，具有工艺简单、设备投资少、生产成本低的特点，克服了高强度高韧性实芯焊丝难以生产的弊端，解决了通用药芯焊丝生产设备投资大、生产成本高、价格昂贵的问题。

(5)本发明的大直径药芯焊丝可以是任意长度，亦可缠绕成盘，适于连续自动焊，可用于埋弧焊、或者气体保护电弧焊、电渣焊等，适用的焊接方法较多。

(6)大直径药芯焊丝内含的钢丝使焊接电流在药芯焊丝横截面上分布更加均匀，提高了电弧的稳定性和药芯焊丝熔化的均匀性。

附图说明

图1示加药粉后的并以咬口形式连接的大直径药芯焊丝的横截面。

其中：1药粉，2呈“O”形的钢管。

图2示加药粉和钢丝后的并以搭接形式连接的大直径药芯焊丝的横截面。

其中：1药粉，2呈“O”形的钢管，3钢丝。

具体实施方式

实施例1：

大直径埋弧焊药芯焊丝的化学成分设计为(质量％)，0.08～0.12％C、0.05％Si、1.50～1.80％Mn、S和P均不超过0.035％。

(1)选用壁厚为0.4mm，宽度为35mm的市售SPCC钢带，利用常规炼钢用包芯线生产设备，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形；

(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为35％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料，药粉由以下粉末组成(质量％)：中碳锰铁15％，石墨0.3％，铁粉83％，K₂CO₃稳弧剂1.7％。

上述药粉配比根据药芯焊丝的化学成分设计选定，采用常规的混粉机混粉15分钟后应用；

(3)同时，在U形糟内的药粉中间沿钢带长度方向布放一直径为0.8mm的、与所述钢带等长的H08A钢丝，钢丝位于成型后钢带纵向横截面的几何中心；

(4)将填充药粉加钢丝后的横截面为U形的钢带横向边以咬口形式连接(见图2)，使药粉加钢丝包裹于钢带内，形成包有药粉加钢丝的钢管，并通过冷轧减径到Φ8.0mm，得到药芯焊丝坯料，咬口连接部位的宽度为1.5mm。

(5)通过拉丝摸，将药芯焊丝坯料经过7.5mm、7.0mm、6.6mm、6.3mm、6.0mm道次的拉拔、减径，最后使其直径达到Φ6.0mm。

(6)将步骤(5)所得的药芯焊丝缠绕成盘，即得大直径埋弧焊药芯焊丝产品。

以上制得的大直径药芯焊丝，其合金系相当于常用的埋弧焊实芯焊丝H10Mn2。上述大直径药芯焊丝配合HJ130、HJ330、HJ350焊接，与实芯焊丝H10Mn2相比，熔敷效率提高1倍以上，焊接生产率大大提高，焊缝金属具有优良的力学性能，可用于碳钢和低合金钢(如16Mn、14MnNb等)焊接结构的埋弧焊。

实施例2：

大直径埋弧焊药芯焊丝的化学成分设计为(质量％)，0.08～0.12％C、0.7～1.1％Si、0.90～1.20％Mn、0.15～0.25％Mo、S和P均不超过0.035％。

(1)选用壁厚为0.6mm，宽度为32mm的市售SPCC钢带，利用常规炼钢用包芯线生产设备，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形；

(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为40％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料，药粉由以下粉末组成(质量％)：中碳锰铁6.5％，石墨0.3％，45#硅铁14％，钼铁2.7％，铁粉75％，Na₂CO₃稳弧剂1.5％。

上述药粉配比根据药芯焊丝的化学成分设计选定，采用常规的混粉机混粉10分钟后应用；

(3)将填充药粉后的横截面为U形的钢带横向边以咬口形式连接(见图1)，使药粉加钢丝包裹于钢带内，形成包有药粉的钢管，并通过冷轧减径到Φ8.0mm，得到药芯焊丝坯料，咬口连接部位的宽度为1.5mm。

(4)通过拉丝摸，将药芯焊丝坯料经过7.2mm、6.5mm、5.8mm、5.2mm、4.8mm、4.5mm道次的拉拔、减径，最后使其直径达到Φ4.5mm。

(5)将步骤(4)所得的药芯焊丝缠绕成盘，即得大直径埋弧焊药芯焊丝产品。

以上制得的大直径药芯焊丝，其合金系相当于常用的实芯焊丝H10MnSiMo，大直径药芯焊丝可以采用埋弧焊，或者气体保护焊，熔敷效率是实芯焊丝的两倍以上，焊缝具有良好的综合力学性能。

实施例3：

大直径埋弧焊药芯焊丝的化学成分设计为(质量％)，0.08～0.12％C、0.7～1.0％Si、0.90～1.20％Mn、0.15～0.25％Mo、0.50～0.60％Ni、0.50～0.60％Cr、0.01～0.02％Ti、0.004～0.006％B、S和P均不超过0.035％。

(1)选用壁厚为0.45mm，宽度为35mm的市售SPCC钢带，利用常规炼钢用包芯线生产设备，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形；

(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为45％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料，药粉由以下粉末组成(质量％)：中碳锰铁6.5％，45#硅铁12％，钼铁2.7％，镍粉3.5％，高碳铬铁5.3％，硼铁0.1％，钛铁0.5％，铁粉68％，Na₂CO₃稳弧剂0.8％，K₂CO₃稳弧剂0.6％。

上述药粉配比根据药芯焊丝的化学成分设计选定，采用常规的混粉机混粉20分钟后应用；

(4)将填充药粉后的横截面为U形的钢带横向边以咬口形式连接(见图2)，使药粉加钢丝包裹于钢带内，形成包有药粉加钢丝的钢管，并通过冷轧减径到Φ8.0mm，得到药芯焊丝坯料，咬口连接部位的宽度为1.2mm。

以上制得的大直径药芯焊丝，含有Mn、Mo、Ni、Cr、Ti、B多种合金元素，可以采用埋弧焊，或者气体保护焊，与实芯焊丝相比，熔敷效率提高1倍以上，焊接生产率大大提高，焊缝组织细小，具有良好的综合力学性能。

Claims

1.一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝，包括低碳钢管壁和被包于其内的药粉或药粉加钢丝；其中：所述药芯焊丝纵向横截面形状为“O”形，直径为4.2mm～6.0mm，纵向长度随意确定；所述药芯焊丝壁厚为0.4mm～1.0mm，壁接口为咬口连接，连接部位的宽度为0.5mm～5mm；所述药粉是粒度为-50～+200目的粉末材料；所述钢丝直径为0.8mm～1.6mm，位于药芯焊丝纵向横截面的几何中心处，并沿药芯焊丝纵向布放，与所述药芯焊丝等长；其特征在于：所述药粉由以下质量百分比的粉末组成：中碳锰铁6.5％，45#硅铁12％，钼铁2.7％，镍粉3.5％，高碳铬铁5.3％，硼铁0.1％，钛铁0.5％，铁粉68％，Na₂CO₃稳弧剂0.8％，K₂CO₃稳弧剂0.6％。