CN102642103A

CN102642103A - 焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝及其制备与应用

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Publication number: CN102642103A
Application number: CN2012101081666A
Authority: CN
Inventors: 田海成; 刘玉双; 韩海峰; 李磊; 张亚平
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: CN102642103B

Abstract

本发明公开了一种焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药粉，组成质量%为低碳钢外皮80-86，药芯14-20，其特征在于：所述药粉含有以下成分及其占所述药芯焊丝总重量的百分比为：TiO₂0.02~1%；Al₂O₃0.02~1.2%；Si0.6~0.9%；Mn0.5~1.8%；Cr0.90~2.4%；NaF或CaF₂一种或其任意比混合物0.3~1%；Mg或Al一种或其任意比混合物0.02~0.5%；Mo0.5~2.5%。采用该焊丝焊接时，焊缝表面渣量少，熔敷效率高，飞溅小，烟尘小，焊缝成型好，焊接效率高。焊缝具有良好的冲击韧性以及抗裂性能。

Description

焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝及其制备与应用

技术领域

本发明涉及金属焊接用焊接材料，具体指一种富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护焊接铬钼钢（如1.25Cr 0.5Mo钢）用金属粉芯型药芯焊丝及其制备。

背景技术

药芯焊丝是一种高效焊接材料，具有焊接效率高，缩短焊接周期、焊接工艺性能好、焊缝成型美观、成分易于调整、焊接变形小等诸多优点，因此在船舶、桥梁等钢结构焊接中得到广泛应用。但在耐热钢领域，常用的钛型药芯焊丝还存在冲击韧性、抗裂性较差的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决焊接铬钼钢（如1.25Cr0.5Mo钢）常用的钛型药芯焊丝还存在冲击韧性、抗裂性较差的难题。本发明提供的气体保护用焊接铬钼钢（如1.25Cr0.5Mo钢）金属粉芯型药芯焊丝，它具有电弧稳定性好，同时冲击韧性好、抗裂性能优良、扩散氢达到超低氢水平、焊接工艺好，适用于1.25Cr0.5Mo钢平焊、平角焊位置的焊接。

本发明提供的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药粉，所述药粉含有以下成分及其占所述药芯焊丝总重量的百分比为：

TiO₂0.02~1%；

Al₂O₃ 0.02~1.2%；

Si 0.6~0.9%；

Mn 0.5~1.8%；

Cr 0.90~2.4 %；

NaF或CaF₂ 一种或其任意比混合物 0.3~1%；

Mg或Al一种或其任意比混合物 0.02~0.5%；

Mo 0.5~2.5%；

优选地，所述药粉还含Ni，其重量小于所述药芯焊丝总重量的0.36%。

优选地，所述药粉的重量为所述药芯焊丝总重量的14~20%，所述药粉中的余量成分为Fe。

优选地，所述碳钢外皮为低碳钢。

优选地，所述低碳钢含有的成分及其占低碳钢的重量百分比为：Mn 0.15~0.4%，Si≤0.025%, C≤0.035%，S≤0.017，P≤0.014%，N≤0.006%。

本发明还提供制备上述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝的方法，步骤如下：

1）按照药粉各成分的量，计算所需原料的量；

2）按照所需量取原料：金红石、Al₂O₃ 、NaF或CaF₂中的一种或其任意混合物，镁粉或铝粉一种或其任意比混合物、硅铁、锰铁或电解锰中的一种或其任意比混合物、金属铬或铬铁中的一种或其任意比混合物以及钼铁或钼粉中的一种或其任意比混合物；

3）以对接O型或搭接O型的封口方式，将步骤2）混合的原料封在碳钢外皮内。

优选地，步骤2）的原料还包括镍粉，其重量小于所述药芯焊丝总重量的0.36%。

优选地，步骤2）的原料还包括铁粉，其中，所述药粉的重量为所述药芯焊丝总重量的14~20%，所述药粉中的余量成分为铁粉。

本发明还提供应用上述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝焊接的方法，焊接时，采用80% Ar和20% CO₂的富氩气体保护。

优选地，上述方法在焊接时，采用80% Ar和20% CO₂的富氩气体保护，焊前预热至150℃，焊接后对工件进行620±15℃热处理。

本发明的有益效果是：

1、采用金属粉芯型渣系，配合富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护，主要适用于平焊和平角焊。焊缝表面产生很少渣量，多层焊接无需清渣，熔敷效率高，熔敷效率大于90%，且由于稳弧物质的加入，使得焊接时飞溅小，烟尘小，焊缝成型好，从而提高了生产时的焊接效率。

2.焊丝具有良好的焊接工艺适应性、通过合金成分的调整，熔敷金属力学性能稳定，扩散氢达到超低氢水平，抗冷裂性能较好。

3、加入强脱氧剂Mg、Al一种或其任意比混合物，提高了焊缝的常温冲击韧性，有利于焊缝气体的排出和焊缝成型，焊缝具有良好的冲击韧性，常温冲击大于100J。

4、严格控制S、P含量，减少了焊缝裂纹的倾向。

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。

本发明的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药粉，其中，药粉含有以下成分及其占焊丝（药粉+碳钢外皮）总重量的百分比如下：TiO₂0.02~1%；Al₂O₃ 0.02~1.2%；Si 0.6~0.9%； Mn 0.5~1.8%；Cr 0.90~2.4 %； NaF或CaF₂ 一种或其任意比混合物0.3~1% ；Mg或Al一种或其任意比混合物0.02~0.5%；Mo 0.5~2.5% ；Ni 0~0.36%。

所述药粉的重量为焊丝总重量的14~20%，余量为Fe。

所述碳钢外皮为低碳钢，低碳钢中含有的成分及其占低碳钢的重量百分比为：Mn 0.15~0.4%，Si≤0.025%, C≤0.035%，S≤0.017，P≤0.014%，N≤0.006%。

本发明的药芯焊丝采用对接O型或搭接O型的封口方式，将药粉封在碳钢外皮内。

本发明设计思路如下：

采用金属粉芯型渣系，焊接时配合富氩（80%Ar+20%CO₂）气体进行保护，使该焊丝焊接时呈细熔滴射流过渡，熔渣覆盖率低，熔敷效率高且无未熔合的敏感性，主要适用于平焊和平角焊。采用Mn–Mg–Al–Si联合脱氧的方式，尽量减少焊缝中的氧含量。在造渣组分中，加入稳弧物质，以满足焊接操作工艺性能要求。加入大量铁粉，提高其熔敷效率。常温冲击韧性>100J。采用该渣系，焊缝金属力学性能稳定、抗裂性好，生产过程中采取相应措施，进一步控制扩散氢含量。

TiO₂、Al₂O₃ 、NaF或CaF₂为药芯粉料中矿物成分：

TiO₂：调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性和焊缝成型，加入量少于0.02%时不能体现上述特征，在金属粉芯型药芯焊丝中加入的造渣剂较少，因此，加入量控制为0.02~1%。

Al₂O₃：调节熔渣熔点改善焊缝成型，加入量少于0.02%时不能体现上述特征，在金属粉芯型药芯焊丝中加入的造渣剂较少，因此，加入量控制为0.02~1.2%。

NaF或CaF₂的一种或两种：NaF、CaF₂，去氢剂，降低焊缝扩散氢含量。加入量太少时电弧稳定性不好，去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量太多时焊接飞溅和烟尘增大。因此，NaF或CaF₂的一种或两种加入量控制为0.3~1%。

Si、Mg或Al、Mn、Cr、Ni、Mo、Fe，分别占焊丝总重量为：

Si 0.6~0.9%；

Mn 0.5~1.8%；

Cr 0.90~2.4 %；

Ni 0~0.36%；

Mg或Al一种或其任意比混合物 0.02~0.5%；

Mo 0.5~2.5%；

Fe 余量。

Si是重要脱氧剂，焊丝中含有一定量的Si能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0.6%时不能体现上述特征，大于0.9%时铁水变粘，焊缝强度过高，冲击韧性降低。因此限定在0.6~0.9%。

Mg或Al是强脱氧剂，提高冲击韧性，加入量少于0.02%时提高低温冲击韧性能力及脱氧能力不足，大于0.5%时由于脱氧产物含有镁或铝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。因此限定在0.02~0.5%。

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0.5%时，体现上述特性不足，大于1.8%时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.5~1.8%。

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，但降低焊缝金属低温冲击韧性，限定Cr含量的加入范围为0.90~2.4%。

Ni是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0~0.36%。

Mo是提高热强性的最重要的合金元素之一，耐热钢中一般都含有Mo，Mo溶于铁素体，能显著提高铁素体的再结晶温度，从而提高蠕变强度。同时，能以细小的碳化物的形式产生弥散强化作用。加入量少于0.5%时，体现上述特性不足，大于2.5%时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.5~2.5%。

Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

焊丝药芯和碳钢外皮中的S、P、N等杂质元素有增加焊缝的裂纹，降低焊缝低温冲击韧性倾向，必需进行严格的控制。药芯及碳钢外皮中S、P等杂质元素在满足材料标准的情况下，尽可能控制到最低。

通过以下具体例对本发明做进一步的详细描述，但是本发明并不局限于这些实施例。

一、金属粉芯型药芯焊丝的制备

药芯焊丝的钢制外皮采用低碳钢钢带，其化学成分见表 1.

表1 钢带的化学成分

药芯粉料的化学成分及原材料构成见表2。

表2 药芯粉料构成

在低碳钢钢带（0.9X14mm）内填充药芯粉料，填充率14~20%，经拉拔成型减径，制成直径1.2mm的成品焊丝。

按药芯各成分含量配比，采用不同填充率拉拔制成药芯焊丝进行试验，其成分占药芯焊丝的质量百分比%、填充率%，见表3。

表3 成分配比、填充率试验

二、焊接工艺及焊丝性能

以表3所示成分配比、填充率试验实施例1~5，制得的药芯焊丝进行焊接试验，采用富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护，试板为20mm厚1.25Cr 0.5Mo钢，焊接规范见表4。

表4 焊接规范

1、焊丝工艺性能试验

采用富氩（80%Ar+20%CO₂）保护进行平焊位置焊接，焊丝送进稳定，电弧稳定，熔滴细小能够形成射流过渡，飞溅小，烟雾较小，渣薄易脱，焊缝成型光亮。

2、试验焊丝力学性能试验

采用富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护，试板单边坡口角度10°，尺寸300×100×20 mm，平焊位置焊接，焊前预热至150℃，焊接后按规定对工件进行620±15℃保温两小时，实施例1~5的焊丝熔敷金属力学性能见表5：

表5 熔敷金属力学性能

采用富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护，试板单边坡口角度30°，尺寸300×150×20 mm，平焊位置焊接，焊前预热至150℃，焊接后按规定对工件进行620±15℃保温两小时，实施例1~5的焊丝对接接头力学性能见表6：

表6 对接接头力学性能

3、斜Y抗裂性试验

采用实施例1~5进行斜Y抗冷裂性试验，焊前预热至150℃，焊接规范如表4所示，试验结果如下：

试验条件	（20℃×72%RH）	（10℃×80%RH）	（5℃×54%RH）
				裂纹率	0	0	0

经检测，表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0%。

4、熔敷效率

经测定实施例1~5制得的药芯焊丝的熔敷效率分别为96%、95%、94%、97%、93%。

5、扩散氢含量

采用ISO3690标准进行扩散氢含量测定，试验设备为哈焊所研制水银法扩散氢测量仪，型号为：MF-1。焊接规范如表4所示，针对实施例1~5，试验所测得的数据分别为：3.2、4.3、2.9、4.0、4.1（单位为：ml/100g）。达到超低氢（≤5 ml/100g）标准。

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

1.一种焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药粉，其特征在于，所述药粉含有以下成分及其占所述药芯焊丝总重量的百分比为：

TiO₂0.02~1%；

Al₂O₃ 0.02~1.2%；

Si 0.6~0.9%；

Mn 0.5~1.8%；

Cr 0.90~2.4 %；

NaF或CaF₂ 一种或其任意比混合物 0.3~1%；

Mg或Al一种或其任意比混合物 0.02~0.5%；

Mo 0.5~2.5%。

2.根据权利要求1所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述药粉还含Ni，其重量小于所述药芯焊丝总重量的0.36%。

3.根据权利要求1或2所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述药粉的重量为所述药芯焊丝总重量的14~20%，所述药粉中的余量成分为Fe。

4.根据权利要求1所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述碳钢外皮为低碳钢。

5.根据权利要求4所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢含有的成分及其占低碳钢的重量百分比为：Mn 0.15~0.4%，Si≤0.025%, C≤0.035%，S≤0.017，P≤0.014%，N≤0.006%。

6.制备权利要求1所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝的方法，其特征在于，步骤如下：

1）按照药粉各成分的量，计算所需原料的量；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2）的原料还包括镍粉，其重量小于所述药芯焊丝总重量的0.36%。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2）的原料还包括铁粉，其中，所述药粉的重量为所述药芯焊丝总重量的14~20%，所述药粉中的余量成分为铁粉。

9.应用权利要求1~5任一项所述的焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝焊接的方法，其特征在于，焊接时，采用80% Ar和20% CO₂的富氩气体保护。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，焊接时，采用80% Ar和20% CO₂的富氩气体保护，焊前预热至150℃，焊接后对工件进行620±15℃热处理。