CN102794583A - 一种无预热焊条及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无预热焊条及其应用。所述焊条包括焊芯和药皮，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分：大理石：35~40%，碳酸钡：2~5%，萤石：17~22%，氟化锂：0.5~2.0%，硅微粉：2~5%，金红石：4~6%，硅铁：3~5%，锰铁：2~4%，钼铁：2~4%，稀土硅铁：1~2%，纯碱：0.5~1%，镁粉：1~2%，钛铁：2~4%，镍粉：8~10%，铁粉：余量。本发明所述焊条专用于低合金高强度钢焊接配套应用，使用过程中无需预热，且能明显降低扩散氢含量与降低焊接材料的淬硬性，减少焊接冷裂纹，对简化焊接工艺、提高焊接接头性能、降低生产成本和改善工作环境有重要的意义。

Description

一种无预热焊条及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种无预热焊条及其制备方法和应用，尤其涉及一种用于低合金高强度钢焊接配套无预热焊条及其制备方法和应用。

背景技术

低合金高强度钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此被广泛用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、工程机械、农业机械、纺织机械、海洋结构、船舶、电力、石油化工及航空航天等领域，已成为大型、重型焊接结构中最主要的结构材料之一。随着钢材合金元素含量、强度级别和焊接结构拘束度的提高，其淬硬倾向明显提高，容易出现焊接冷裂纹，焊接冷裂纹已经成为低合金高强钢焊接所面临的主要问题。

生产中通常采用焊前预热、焊后热处理的方法来避免焊接裂纹的产生，在带来生产工艺复杂、生产成本增加、生产效率低和工作环境恶化等一系列问题的同时，也会增大焊接热影响区软化倾向，在一些特殊的焊接结构中，很难实现预热甚至不允许预热，这大大限制了低合金高强度钢的应用。若能实现低合金高强度钢不预热焊接，对简化焊接工艺、提高焊接接头性能、降低生产成本和改善工作环境将有重要的意义。

焊接冷裂纹与焊接材料的淬硬性、扩散氢含量、焊接结构拘束度有关，要减少焊接冷裂纹的发生，则要从这三个方面考虑。焊接结构拘束度与焊接材料关系不大，若要减少焊接冷裂纹则主要从降低焊接材料的淬硬性与扩散氢含量着手。如何降低扩散氢含量与降低焊接材料的淬硬性是本发明的主要内容。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于低合金高强度钢焊接配套无预热焊条及其制备方法和应用，所述低合金高强度钢是指ReL（屈服强度）为590MPa，Akv（冲击韧性）（-50℃）≥27 J的钢。

本发明所述的无预热焊条，包括焊芯和药皮，其特征在于，所述药皮含有

如下重量份数的组分：大理石：35~40%，碳酸钡：2~5%，萤石：17~22%，氟化锂：0.5~2.0%，硅微粉：2~5%，金红石：4~6%，硅铁：3~5%，锰铁：2~4%，钼铁：2~4%，稀土硅铁：1~2%，纯碱：0.5~1%，镁粉：1~2%，钛铁：2~4%, 镍粉：8~10%，铁粉：余量。

进一步的，所述药皮的成分中大理石和碳酸钡的重量份数之和与萤石和氟化锂的重量份数之和的比为1.70~2.11:1，大理石和碳酸钡的重量份数之和与硅微粉和金红石的重量份数之和的比为4.44~5.25:1。

作为优选，所述药皮含有如下重量份数的组分：大理石：35%，碳酸钡：5%，萤石：19%，氟化锂：1%，硅微粉：4%，金红石：4%，硅铁：3%，锰铁：3%，钼铁：3%，稀土硅铁：1.4%，纯碱：0.8%，镁粉：2%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：6.8%。

作为优选，所述药皮含有如下重量份数的组分：大理石：38%，碳酸钡：2%，萤石：20%，氟化锂：1%，硅微粉：2%，金红石：6%，硅铁：3.7%，锰铁：2%，钼铁：2%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.5%，镁粉：1%，钛铁：2%，镍粉：8%，铁粉：9.8%。

作为优选，所述药皮含有如下重量份数的组分：37%，碳酸钡：3%，萤石：23%，氟化锂：0.5%，硅微粉：4%，金红石：4%，硅铁：3.5%，锰铁：3%，钼铁：4%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.8%，镁粉：2%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：1.2%。

作为优选，所述药皮含有如下重量份数的组分：大理石：40%，碳酸钡：2%，萤石：22%，氟化锂：1.5%，硅微粉：2%，金红石：6%，硅铁：3.8%，锰铁：4%，钼铁：3%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.7%，镁粉：1%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：0。

进一步的，上述的无预热焊条，其特征在于，所述焊条形成的熔敷金属含有如下重量百分比的化学成分：C 0.03~0.06%、Si 0.20~0.40%、Mn 0.8~1.5%、Ni 2.5~3.5%、S≤0.010%、P≤0.015%、Ti 0.02~0.04% 、Mo 0.2~0.3%、稀土元素0.005~0.010%，其余为Fe。

作为优选，所述焊条形成的熔敷金属化学组分的重量百分比份数为：C 0.04%、Si 0.30%、Mn 1.1%、Ni 3.1%、S 0.005%、P 0.010%、Ti 0.03%、Mo 0.25%、稀土元素0.008%，其余为铁。

作为优选，所述稀土元素为镧或铈。

所述无预热焊条的制备步骤为：

1）按照所述量称取药皮各组分，混合；

2）将步骤1）所得的混合组分以纯钠水玻璃粘合；

3）将步骤2）所得的粘合物涂覆在焊芯上，干燥。

本发明提供的无预热焊条，其在低合金高强度钢焊接配套中的应用。

作为优选，所述低合金高强度钢是指ReL（屈服强度）为590MPa，Akv（冲击韧性）（-50℃）≥27 J的钢。

本发明的有益效果，能有效降低扩散氢含量与降低焊接材料的淬硬性，简化焊接工艺、提高焊接接头性能、降低生产成本和改善工作环境将有重要的意义。

本发明所提供的技术方案能够达到以下的技术效果：

1、本发明焊条的熔敷金属具有高强度ReL为590MPa；高韧性Akv（-50℃）≥27J。为了提高焊缝熔敷金属的低温冲击韧性，本发明严格控制熔敷金属中硫、磷、氧、氮等杂质元素；同时，在药皮中加入强脱氧剂镁粉。镁粉、钛铁联合脱氧，尽量降低焊缝中氧含量；另外，稀土元素有除硫、磷和细化晶粒的作用，可以进一步提高熔敷金属低温冲击韧性。

      在各种合金元素中，C是对冷裂纹敏感性影响最显著的一个，因此很多时候采用Ceq来估计冷裂纹的倾向的大小。根据碳当量公式（美国焊接学会）Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2可以看出，随着合金元素的增加，Ceq也增大，即该焊接材料的淬硬性增大。因此若要降低焊接材料的淬硬性，必须降低焊接材料的合金元素的含量。如何降低焊接材料淬硬性是本发明的主要内容之一。 

 2、本发明的焊条为超低氢焊条，对熔敷金属扩散氢测定：[H]=2.5ml/100g(水银法)。为了达到超低氢效果，本发明从以下几点着手：在药皮配方中不加入含结晶水的物质；加入多种碳酸盐（大理石、碳酸钡）、加入多种氟化物（萤石、氟化锂）；加入稀土元素等方法降低焊缝金属中的扩散氢。在设计配方时，各种组分的选用和配比对焊条的工艺性能影响很大。本发明通过大量试验验证，确定药皮的基本组分和含量。（大理石+碳酸钡）/(萤石+氟化锂)的重量比为：1.70~2.11:1，(大理石+碳酸钡)/(硅微粉+金红石)的重量比为：4.44~5.25:1时，全位置焊接操作工艺性能好、脱渣容易、扩散氢含量较低。

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。

本研究渣系为CaO-CaF₂-SiO₂-TiO₂渣系，并通过大量的试验确定了各成分含量对工艺性能的影响。

大理石：主要作用是造渣和造气，分解产物是CaO，可以提高渣的碱度，对焊缝金属低温冲击韧性有益。含量太少，造渣和造气功能不足，对电弧保护不周，使空气中的N进入焊缝，降低焊缝金属低温冲击韧性；含量太多，增加药皮的熔点，减少焊条的熔化速度，同时焊缝成形变粗糙，所以本发明中大理石的重量含量在35~40%之间。

碳酸钡：主要作用是造渣和造气，同时可以增加渣的熔点和碱度，使焊条立向上焊接易于操作及对焊缝金属低温冲击韧性有益。含量太少，上述功能不明显；含量太多，渣的熔点太高，使焊缝成形变粗糙，所以本发明中碳酸钡的重量含量在2~5%之间。

萤石：主要作用是造渣、改善渣的流动性及去氢。含量太少，去氢效果不明显，渣流动性变差；含量太多，焊条药皮熔点太低，在焊接时容易出现断弧现象。所以本发明中萤石的重量含量在17~22%之间。

氟化锂：主要作用是改善药皮熔点和去氢。含量太少，去氢效果不明显；含量太多，药皮熔点太低，在焊接时容易出现断弧现象。在本发明中氟化锂的重量含量在0.5~2.0%之间。

硅微粉：主要作用是造渣和改善熔渣流动性。含量太少，熔渣流动性变差，焊缝成形粗糙；含量太多，降低焊缝金属低温冲击韧性。本发明中硅微粉的重量含量在2~5%之间。

金红石：主要作用是造渣、稳弧，可以提高熔渣熔点，可改善焊条立向上焊接操作工艺。含量太少，上述功能不明显；含量太多，熔渣熔点太高，焊缝成形变粗糙，同时降低焊缝金属低温冲击韧性。本发明金红石的重量含量在4~6%之间。

硅铁：主要作用是脱氧和合金化。含量太少，焊缝金属脱氧不足；含量太多，焊缝金属强度太高，同时降低焊缝金属低温冲击韧性。本发明硅铁的重量含量在3~5%之间。

锰铁：主要作用是脱氧和合金化。含量太少，脱氧和合金化作用不明显；含量太多，焊接过程中易出现飞溅，焊缝金属强度太高、冲击下降。本发明锰铁的重量含量在2~4%之间。

钼铁：主要作用是合金化。含量太少，合金化作用不明显，焊缝金属强度不足；含量太多，焊缝金属强度太高，同时钼铁比较贵重，不宜多加。本发明钼铁的重量含量在2~4%之间。

稀土硅铁：主要作用是合金化，向焊缝金属中过渡稀土元素。含量太少，稀土元素的作用发挥不出来；含量太多，向焊缝金属中过渡太多的硅，使焊缝金属强度升高，低温韧性下降。本发明稀土硅铁的重量含量在1~2%之间。

纯碱：主要作用是改善焊条的压涂性能。含量太少，不能改善压涂性能；含量太多，焊条容易出现返潮现象。本发明纯碱的重量含量在0.5~1%之间。

镁粉：主要作用是脱氧。含量太少，脱氧不足；含量太多，容易发生爆炸。本发明镁粉的重量含量在1~2%之间。

钛铁：主要作用是脱氧。含量太少，脱氧不足；含量太多，容易过渡微量钛，造成焊缝冲击吸收功下降。本发明钛铁的重量含量在2~4%之间。

镍粉：主要作用是合金化，能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度。含量太少，上述性能表现不明显；含量太多，增大热裂敏感性，同时镍粉比较贵重，不宜多加。本发明镍粉的重量含量在8~10%之间。

铁粉：主要作用是改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

本发明的特点是：所采用的焊条药皮成分配比，可最大限度的发挥各组分的优势，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级钢板相配套的焊条。

本发明提供8个实施例，表一中列举实施例No.1~ No.8的焊条药皮及重量的百分比含量%。

表一 实施例的焊条药皮及重量的百分比含量（%）

                                                 

本实施例按照下述步骤制备焊条：

1）按照所述量称取药皮各组分，混合；

2）将步骤1）所得的混合组分以纯钠水玻璃粘合；

3）将步骤2）所得的粘合物涂覆在Φ4.0mm焊芯上，制成Φ6.3 mm的焊条。

采用本实施例的焊条在室温15~30℃，相对湿度60~90%的条件下，电流170A，电压23~25V，焊接线能量17~25KJ/cm，层间温度50~80℃，焊接屈服强度为590MPa钢板。焊接完毕后，测得熔敷金属中各化学组分的含量为：C 0.04%、Si 0.30%、Mn 1.1%、Ni 3.1%、S 0.005%、P 0.010%、Ti 0.03%，Mo 0.25%，稀土元素铈0.008%。

采用本实施例No.1~ No.8的焊条分别在室温0~3℃，相对湿度为90~95%和室温35~40℃，相对湿度90~95%的条件下，采用24mm厚屈服强度为590MPa钢板进行斜Y型坡口抗裂性试验，电流170A，电压23~25V，焊接线能量为17~25KJ/cm，试验结果表明断面裂纹率、根部裂纹率、表面裂纹率都为0，如表二所示。

表二 斜Y型坡口抗裂性试验

  

实施例No.1~ No.8焊条形成的熔敷金属的力学性能如表三：

表三 熔敷金属力学性能

 

    以水银法对熔敷金属扩散氢测定，结果为：[H]=2.50ml/100g，扩散氢可达到超低氢（水银法超低氢标准为[H]≤5.0ml/100g）。

使用实施例No.1~ No.8焊条在焊接过程中，电弧柔和，飞溅小，全位置焊接操作工艺性能好，脱渣容易。

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保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种无预热焊条，包括焊芯和药皮，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分：

大理石：35~40%，碳酸钡：2~5%，萤石：17~22%，氟化锂：0.5~2.0%，硅微粉：2~5%，金红石：4~6%，硅铁：3~5%，锰铁：2~4%，钼铁：2~4%，稀土硅铁：1~2%，纯碱：0.5~1%，镁粉：1~2%，钛铁：2~4%, 镍粉：8~10%，铁粉：余量。

2.根据权利要求1所述的无预热焊条，其特征在于，所述药皮的成分中大理石和碳酸钡的重量份数之和与萤石和氟化锂的重量份数之和的比为1.70~2.11:1，大理石和碳酸钡的重量份数之和与硅微粉和金红石的重量份数之和的比为4.44~5.25:1。

3.根据权利要求1所述的无预热焊条，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分： 

大理石：35%，碳酸钡：5%，萤石：19%，氟化锂：1%，硅微粉：4%，金红石：4%，硅铁：3%，锰铁：3%，钼铁：3%，稀土硅铁：1.4%，纯碱：0.8%，镁粉：2%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：6.8%。

4.根据权利要求1所述的无预热焊条，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分： 

大理石：38%，碳酸钡：2%，萤石：20%，氟化锂：1%，硅微粉：2%，金红石：6%，硅铁：3.7%，锰铁：2%，钼铁：2%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.5%，镁粉：1%，钛铁：2%，镍粉：8%，铁粉：9.8%。

5.根据权利要求1所述的无预热焊条，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分： 

大理石：37%，碳酸钡：3%，萤石：23%，氟化锂：0.5%，硅微粉：4%，金红石：4%，硅铁：3.5%，锰铁：3%，钼铁：4%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.8%，镁粉：2%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：1.2%。

6.根据权利要求1所述的无预热焊条，其特征在于，所述药皮含有如下重量份数的组分： 

大理石：40%，碳酸钡：2%，萤石：22%，氟化锂：1.5%，硅微粉：2%，金红石：6%，硅铁：3.8%，锰铁：4%，钼铁：3%，稀土硅铁：2%，纯碱：0.7%，镁粉：1%，钛铁：3%，镍粉：9%，铁粉：0。

7.根据权利要求1～6中任一权利要求所述的无预热焊条，其特征在于，所述焊条形成的熔敷金属含有如下重量百分比的化学成分：C 0.03~0.06%、Si 0.20~0.40%、Mn 0.8~1.5%、Ni 2.5~3.5%、S≤0.010%、P≤0.015%、Ti 0.02~0.04% 、Mo 0.2~0.3%、稀土元素0.005~0.010%，其余为Fe。

8.根据权利要求1～6中任一权利要求所述的无预热焊条，其特征在于，所述焊条形成的熔敷金属化学组分的重量百分比份数为：C 0.04%、Si 0.30%、Mn 1.1%、Ni 3.1%、S 0.005%、P 0.010%、Ti 0.03%、Mo 0.25%、稀土元素0.008%，其余为铁。

9.根据权利要求1～6中任一权利要求所述的无预热焊条，其在低合金高强度钢焊接配套中的应用。

10.根据权利要求9所述的无预热焊条，其特征在于，所述低合金高强度钢是指ReL（屈服强度）为590MPa，Akv（冲击韧性）（-50℃）≥27 J的钢。