CN102161137B - 一种药芯焊丝及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种药芯焊丝，由外皮和药芯构成，外皮为低碳钢，药芯为所述药芯焊丝质量的14~22%，药芯含有的成分及其占药芯焊丝总质量的百分比如下：TiO21.6~5.0%,SiO20.4~1%,Mn1.0~3.0%，Si0.2~0.4%；MgO0.20~0.50%；A12O30.10~0.20%，CaCO30.10~0.20%，CaF20.21~0.41%，Cr0.6~1.4%，Mo0.8~2.0%，Ni3~6%，V0.05~0.10%，Re0.01~0.02%，Mg0.15~0.35%，Al0.15~0.35%，Fe余量。本发明提供的药芯焊丝具有高强度、韧性、良好的抗裂性。
Description
技术领域
本发明涉及一种药芯焊丝及其制备和应用。
背景技术
[0002] 药芯焊丝是上世纪50年度发展起来的高效焊接材料，它不仅继承了焊条成份可调的优点，又克服了焊条不能连续、自动焊接的缺点，其熔敷效率高达焊条的4倍，还具有焊缝成型美观、焊接变形小等优点。
随着科技的进步，以及新工艺、新材料、新技术的推广应用，药芯焊丝这一新型高效焊接材料以其高效、焊接质量优良等特点被人们所接收并不断扩大应用范围，特别是在钢结构、造船等行业中广泛应用。高强钢具有减轻重量、降低板厚、节省费用等优点在钢结构、造船中越来越被广泛应用。在一些发达国家高强度钢都有与其配套的药芯焊丝，而目前我国高强度钢所用焊接材料大部分还是手工焊和气体保护焊实芯焊丝，而高强度钢的配套药芯焊丝尚属空白。因此，研制、开发与高强度钢配套的新型药芯焊丝是为满足钢结构、造船业建造优质、高效、低成本的需要，对于我国钢结构、船舶建造水平的提升、缩短建造周期、提高经济效益都具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种药芯焊丝，其由外皮和填充在上述外皮内的药芯构成，上述外皮为低碳钢，上述药芯质量为上述药芯焊丝质量的14~22%，上述药芯含有的成分及其占上述药芯焊丝总质量的百分比如下：
TiO2 1.6~5.0%, SiO2 0.4~1%, Mn 1.0~3.0%，Si 0.2~0.4%；MgO 0.20~0.50%；A12O3 0.10~0.20%，CaCO3 0.10~0.20%，CaF2 0.21~0.41%，Cr 0.6~1.4%，Mo 0.8~2.0%，Ni 3~6%，V 0.05~0.10%，Re 0.01~0.02%，Mg 0.15~0.35%，Al 0.15~0.35%，Fe余量。
优选地，上述药芯还含有ZrO2,占上述药芯焊丝总质量的百分比为0.1~0.5%。
优选地，上述焊丝中F元素的含量占上述药芯焊丝质量的0.1~0.2%。
优选地，上述药芯焊丝的熔敷金属中C元素与V元素的质量比为0.7~1.2:1。
作为优选配比，上述药芯的成分及其占上述药芯焊丝总质量的百分比如下：TiO2 3.2%, SiO2 0.5%, ZrO2 0.1%, MgO 0.41%, A12O3 0.16%, Mn 3.0%, Si 0.25%, CaCO3 0.15%, CaF2 0.41%, Cr 1.4%, Mo 1.30%, Ni 3.0%, V 0.07%, Fe 1.94%, Mg 0.21%，Al 0.2 %，Re 0.016%。
上述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm~1.6mm。
本发明提供制备上述的药芯焊丝的方法，步骤如下：使用钢带法生产上述药芯焊丝，O型对接，在低碳钢钢带制成的外皮内填充上述药芯的成分，经过成型减径后得到上述药芯焊丝。
本发明还提供上述的药芯焊丝在焊接中的应用：上述药芯焊丝用于焊接屈服强度大于等于590MPa级的钢板。
优选地，上述药芯焊丝在焊接时采用体积百分比含量Ar 80%和CO2 20%的混合气体保护。
进一步优选地，上述药芯焊丝焊接时的条件为：采用电流220~240 A，电压28~30 V，线能量为13~15 KJ/cm，层间温度为130~150℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的药芯焊丝具有高强度、高韧性、良好的抗裂性能和可全位置焊接，可用于焊接屈服强度为590MPa的钢板，是一种超低氢药芯焊丝。
2. 确定CaCO3和CaF2的加入量，在提高熔渣碱度的同时不影响焊丝的操作工艺性能。研究了加入Si、Mn、Ni、C、V对提高低温冲击韧性的作用，本发明所述药芯焊丝-50℃低温冲击韧性大于27J，在保证焊缝高强度的同时具有良好的低温冲击韧性和全位置焊接性能。
3.Al、Mg等强脱氧元素的加入，有利于焊缝气体的排出和焊缝成形，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧性。
4.控制药芯中TiO2、SiO2、ZrO2加入量，确保焊丝低温冲击韧性和全位置焊接性能。
5.控制好焊缝金属中C/V的比例，即可以提高焊缝金属的强度又可以提高焊缝金属的低温冲击韧性。
6.本发明的药芯焊丝焊接时采用富氩气体（Ar 80%+CO2 20%）保护，有利于焊缝低温冲击韧性的稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
填充率的确定
根据钢带的厚度和宽度情况，确定合适的药芯填充率，本发明所述药芯焊丝的填充率为14~22%。
渣系的选择
本发明所述药芯焊丝采用钛钙型渣系，这种渣系介于钛型和碱性之间，在酸性渣系中含有一定的碱性物质，使之达到低氢及优良的综合力学性能，同时具有钛型渣系原有的优良操作工艺，本研究渣系为TiO2-CaO-CaF2-SiO2，并通过大量的试验确定了各成分含量对工艺性能的影响。
TiO2是主要的造渣剂，其含量多少对工艺性能和力学性能影响都很大。当TiO2小于1.6%(占焊丝总质量)时，全位置焊接工艺不好；大于5.0%(占焊丝总质量)时，焊缝金属低温冲击韧性下降，容易出现气孔和压痕。
ZrO2，是造渣剂，其含量多少对工艺性能有一定影响，特别是对焊缝的脱渣性有一定的帮助。随着ZrO2 含量的增加，熔渣变得酥脆，熔渣的强度降低，熔渣中的黄颜色逐渐增加，焊缝成形较好。但大于0.5%(占焊丝总质量)时，渣熔点高，容易出现压铁水现象。
SiO2是主要的造渣剂，对焊缝的脱渣性和焊缝的表面质量影响很大。随着SiO2含量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，对焊缝的脱渣性有很好的作用，少于0.2%(占焊丝总质量)则上述效果不明显；但是大于0.4% (占焊丝总质量)，降低熔渣的透气性，容易使焊道产生压痕缺陷，同时，焊缝的低温韧性下降。
MgO是镁砂的主要成分，用于造渣、改善熔渣透气性和焊缝成形，在配方中应控制在0.20%~0.50%(占焊丝总质量)以内。适量MgO可以增加熔渣的碱度，焊缝的低温韧性逐渐提高，同时可以增加熔渣的透气性，减少出现气孔和压痕的概率。少于0.20%，上述作用不明显；当含量多于0.30%，立向上焊接操作工艺变差，平焊熔渣覆盖性变差。
CaF2是造渣剂，CaF2的加入可以提高渣的碱度，同时CaF2中的F可以起到去氢的效果，在药芯配方中加入CaF2可以保证本发明所述药芯焊丝的熔敷金属扩散氢含量达到超低氢，其F总量在配方中应控制在0.10~0.20%(占焊丝总量)以内。适量的氟化物起到焊缝去氢和提高抗压痕的作用。少于0.10%上述作用不明显；但是多于0.20%电弧声音变差，飞溅变大，熔渣变稀，焊丝的全位置焊接工艺变差，同时焊接烟尘的有毒性物质增强。
Mg、Al是药芯配方中的强脱氧剂。其总含量在配方中应控制在0.30~0.70%(占焊丝总量)以内。适量的Mg、Al可以使电弧的喷射状态容易实现，在高温下反应产生的MgO进入熔渣，有利于提高熔渣的碱度，对焊缝金属的低温韧性有好处。Mg、Al总含量少于0.30%药芯焊丝脱氧不足，焊缝中的氧含量增加，降低焊缝金属的低温冲击韧性；但是总含量多于0.70%电弧的吹力太大，焊角焊缝时容易产生咬边现象，同时Mg、Al在使用过程中安全性差，极容易燃烧产生爆炸，从生产安全考虑，在满足脱氧的情况下，尽量减少Mg、Al的加入量。
适量的CaCO3可参与造渣，提高熔渣的碱度，对焊缝金属低温冲击韧性有好处，同时可以使溶滴尺寸变小，降低焊丝的飞溅，对全位置焊接有一定的帮助。太少0.10%(占焊丝总质量)，上述作用不明显；多于0.20%(占焊丝总质量)，焊丝在焊接过程中熔滴增大，飞溅增加，同时焊丝全位置焊接性能变差。
V的加入可以显著提高焊缝金属的抗拉强度，并在与焊缝中C含量成一定比例时，焊缝金属具有良好的低温冲击韧性。少于0.05%(占焊丝总质量)，则对焊缝金属抗强度影响不大，多于0.10%(占焊丝总质量)，则焊缝金属抗拉强度太高。经过大量试验证明：焊缝金属中C含量与V含量之比为0.7~1.2，焊缝金属具有良好的低温冲击韧性。
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%(占焊丝总质量)时不能体现上述特征，大于0.4%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%~0.4%。
Ni焊缝金属中重要的合金元素，能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度，但镍含量过高则会增大热裂敏感性。按照合金要求，加入范围为3.0~6.0%(占焊丝总质量)。
Cr有提高强度和淬透性的作用，可提高焊缝耐大气和海水腐蚀的能力。但是同时Cr还降低焊缝的低温韧性和延伸率，因此必须控制加入。按照合金要求，加入范围为0.6~1.4%(占焊丝总质量)。
Mo有提高强度的作用，在一定的范围可以提高低温冲击韧性。含量过多时强度增加过多，低温冲击韧性下降。按照合金要求，加入范围为0.8~2.0%(占焊丝总质量)。
Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
Mn是主要脱氧剂,降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性，加入量少于1.0%时，体现上述特性不足，大于3.0%时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在1.0~3.0%(占焊丝总质量)。
Re（稀土）可以净化焊缝组织、细化晶粒、改变夹杂物的形状和大小来改善焊缝金属的低温冲击韧性，同时可以降低扩散氢含量。在本发明药芯焊丝中Re的是采用稀土铁合金的方式加入。少于0.01%，上述作用不明显，多于0.02%则使焊接工艺变差。
本发明的特点是：所采用的药芯焊丝成分配比，可最大限度的发挥各组份的优势，能使焊缝金属化学成分及力学性能满足屈服强度为590MPa级钢板的焊接要求，是一种与屈服强度为590MPa级钢板相配套的药芯焊丝。
本发明提供8个实施例，其中实施例1~8的配方列在表一中。
下面通过具体实施例作进一步详细说明：
实施例：
本实施例的药芯焊丝，药芯的成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比含量如下TiO2、Mn、Si、SiO2、ZrO2、MgO、A12O3、CaCO3、CaF2、Cr、Mo、Ni、V、Fe、Mg、Al 。
本实施例药芯焊丝的制备方法：使用钢带法生产药芯焊丝，O型对接，在低碳钢钢带制成的外皮内填充粉料，填充率为14~22%，经过成型减径后得到直径为1.0~1.6mm的成品焊丝。
本实施例药芯焊丝的应用：采用富氩气体（Ar80%+CO220%）保护下，本发明的药芯焊丝在室温25℃，相对湿度70%的条件下，Φ1.2mm的本发明药芯焊丝采用电流220~240A，电压28~30V，线能量为13~15KJ/cm，层间温度为130~150℃的焊接规范焊接试板，试板为屈服强度为590MPa钢板或同级别强度的低合金钢。
表一中列举实施例No.1~ No.8的药芯成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比%。
表 一
应用效果数据：
实施例1~8制备的药芯焊丝焊接后的熔敷金属的性能数据，见表二、表三：
1. 表二：熔敷金属力学性能
| Rm（MPa） | ReL（MPa） | A（%） | Akv（J）-50℃ | |
| 实施例1 | 700 | 610 | 20 | 55 53 57 |
| 实施例2 | 715 | 630 | 22 | 48 50 56 |
| 实施例3 | 720 | 650 | 21 | 53 45 51 |
| 实施例4 | 695 | 640 | 20 | 54 58 50 |
| 实施例5 | 740 | 660 | 21 | 43 49 48 |
| 实施例6 | 700 | 630 | 20 | 49 42 46 |
| 实施例7 | 750 | 665 | 19 | 47 43 41 |
| 实施例8 | 690 | 620 | 22 | 50 52 49 |
2. 表三：熔敷金属化学成分
| C | V | C/V | |
| 实施例1 | 0.050 | 0.042 | 1.19 |
| 实施例2 | 0.045 | 0.050 | 0.90 |
| 实施例3 | 0.040 | 0.057 | 0.70 |
| 实施例4 | 0.043 | 0.055 | 0.78 |
| 实施例5 | 0.048 | 0.058 | 0.83 |
| 实施例6 | 0.046 | 0.060 | 0.77 |
| 实施例7 | 0.050 | 0.059 | 0.85 |
| 实施例8 | 0.049 | 0.057 | 0.86 |
3. 对熔敷金属扩散氢测定：[H]=4.2ml/100g(水银法)
经过多次实际检测，采用本发明实施例1~8的药芯焊丝其熔敷金属扩散氢可达到超低氢。
4.对实施例1~8制作出焊丝在进行抗裂性(斜Y型、刚性拘束焊接裂纹试验)、焊缝落锤试验等试验。
4.1 斜Y型焊接裂纹试验
采用35mm厚钢板，焊接环境温度为19℃，湿度为45RH%,预热80℃。焊后自然冷却，放置48h以上进行解剖试验。试验结果：预热80℃条件下，斜Y型焊接裂纹试验3付试板的表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0。
4.2 刚性拘束焊接裂纹试验
将35mm厚钢板拘束焊接固定于刚性底板上，底板厚度为70mm，焊后自然冷却至室温，然后进行试验焊缝的焊接。
焊接环境温度为-5.5℃，预热80℃，湿度为20RH%，焊后自然冷却，放置48h以上，用碳弧气刨去除拘束焊缝，进行解剖试验。试验结果：刚性拘束焊接裂纹试验三付试板的表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0。
4.3 焊缝落锤（NDT）试验
落锤试验（NDT T）测定的是材料的无塑性转变温度，即标准试验发生断裂的最高温度，也是评定焊接材料韧性的一个重要依据。试验结果见表四。
表四 焊缝金属落锤试验结果（P-2试样）
本发明制备的药芯焊丝焊缝金属的NDT T为-70℃。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成，其特征在于，所述外皮为低碳钢，所述药芯质量为所述药芯焊丝质量的14~22%，所述药芯含有的成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比如下：
TiO2 1.6~5.0%, SiO2 0.4~1%, Mn 1.0~3.0%，Si 0.2~0.4%；MgO 0.20~0.50%；A12O3 0.10~0.20%，CaCO3 0.10~0.20%，CaF2 0.21~0.41%，Cr 0.6~1.4%，Mo 0.8~2.0%，Ni 3~6%，V 0.05~0.10%，Re 0.01~0.02%，Mg 0.15~0.35%，Al 0.15~0.35%，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯还含有ZrO2,占所述药芯焊丝总质量的百分比为0.1~0.5%。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝中F元素的含量占所述药芯焊丝质量的0.1~0.2%。
4.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素与V元素的质量比为0.7~1.2:1。
5.根据权利要求2所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比如下：TiO2 3.2%, SiO2 0.5%, ZrO2 0.1%, MgO 0.41%, A12O3 0.16%, Mn 3.0%, Si 0.25%, CaCO3 0.15%, CaF2 0.41%, Cr 1.4%, Mo 1.30%, Ni 3.0%, V 0.07%, Fe 1.94%, Mg 0.21%，Al 0.2 %，Re 0.016%。
6.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm~1.6mm。
7.制备权利要求1~5任一项所述的药芯焊丝的方法，其特征在于，步骤如下：使用钢带法生产所述药芯焊丝，O型对接，在低碳钢钢带制成的外皮内填充所述药芯的成分，经过成型减径后得到所述药芯焊丝。
8.权利要求1~6任一项所述的药芯焊丝在焊接中的应用，其特征在于，所述药芯焊丝用于焊接屈服强度大于等于590MPa级的钢板。
9.根据权利要求8所述的药芯焊丝在焊接中的应用，其特征在于，所述药芯焊丝在焊接时采用体积百分比含量Ar 80%和CO2 20%的混合气体保护。
10.根据权利要求8所述的药芯焊丝在焊接中的应用，其特征在于，所述药芯焊丝焊接时的条件为：采用电流220~240 A，电压28~30 V，线能量为13~15 KJ/cm，层间温度为130~150℃。
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