CN102848103A - 超低氢高韧性埋弧焊药芯及埋弧药芯焊丝 - Google Patents

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张智
李尧铭
冯灵芝
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Tianjin University
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Tianjin University
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Abstract

本发明涉及一种超低氢高韧性埋弧焊药芯及埋弧药芯焊丝。其药芯成分为:CaF2、Na2SiF6、ReF、BaCO3、CaCO3、MgO、TiO2、SiO2、ZrO2、硼化物、Na2O、K2O、Mn、Al-Mg、Ni、Ti、Si和Re，余量为Fe。与高碱度烧结焊剂配合,焊缝金属在-60℃下冲击吸收功高于80J。与低吸潮性熔炼焊剂配合,焊缝金属在-40℃下冲击吸收功高于90J。与两种焊剂中的任何一种配合,焊缝扩散氢含量均低于5ml/100g。达到了标准规定的超低氢范围。焊丝抗冷裂纹能力强,具有高的断裂韧性值,焊丝适用于低合金高强钢,可用于重要结构的焊接。

Description

超低氢高韧性埋弧焊药芯及埋弧药芯焊丝
技术领域
本发明涉及焊接材料领域,尤其涉及一种超低氢高韧性埋弧焊药芯及埋弧药芯焊丝。
背景技术
埋弧焊作为一种自动化的高效焊接工艺,已经得到了广泛的应用,但由于焊接线能量大,焊接区的冷却速度慢,焊缝金属组织容易粗大化,造成低温韧性下降。因此,该工艺始终存在着焊接工艺的高效性与接头金属的高韧性之间的矛盾。同时,与高韧性焊丝配合的高碱度烧结焊剂存在着吸潮性大,焊缝扩散氢含量高,在大拘束度条件下易形成氢致裂纹的缺陷。
目前,关于结构钢用埋弧焊药芯焊丝的报道较少,专利申请号为200910014391.1公开了“一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝”,焊丝直径为4.2mm~6.0mm,它主要是通过增大焊丝直径,以提高焊丝熔敷效率。专利申请号为201010215721.6公开了一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝,它主要是通过优化焊缝金属合金系,提高焊丝在大线能量条件下的低温冲击韧性。上述两种埋弧焊药芯焊丝均未提及在焊丝中加入适量渣剂,同时适用于高碱度烧结焊剂和低吸潮性的熔炼焊剂,以降低焊缝扩散氢,提高低温韧性和抗裂性的内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低氢高韧性的埋弧药芯焊丝,具有优良的焊接操作性能、力学性能和抗裂性。主要适用于低合金高强钢,可用于海洋工程结构、桥梁、船舶和压力容器等重要结构的焊接。
针对实芯焊丝埋弧焊在低温钢焊接过程中出现的这两方面的问题,本发明提出一种包含脱氧剂、合金剂和碱性造渣剂的埋弧焊药芯焊丝,它具有焊缝金属扩散氢含量低,低温韧性值高,抗裂性好的特点。
本发明的技术方案为:
一种超低氢高韧性埋弧焊药芯,其药芯成分以重量百分比计为:12%~28%CaF2，0%~5%Na2SiF6，0.1%~5%ReF，0%~5%BaCO3，2%~15%CaCO3，0.5%~10%MgO，0.1%~5%TiO2，0.1%~5%SiO2，0.1%~3%ZrO2，0.1%~1.5%硼化物，0%~0.8%Na2O，0%~0.5%K2O，8%~20%Mn，1%~9%Al-Mg，10%~16%Ni，0%~3%Ti，0%~3%Si，0.1%~3%Re，余量为Fe。
所述的硼化物是硼酸钠或氧化硼中的一种或两种组合。
采用本发明的埋弧焊药芯制备埋弧焊药芯焊丝,要求药芯焊丝的钢带采用低碳，碳含量小于0.05%；药粉的填充率为12%~20%,，药粉的粒度为80~200目；成品焊丝的直径为3.2mm~5.0mm。
本发明的关健在于焊丝药芯中不仅加入了脱氧剂、合金剂,同时还加入了部分碱性渣剂。一方面它与高碱度烧结焊剂配合,可使焊缝金属保持高的低温韧性,同时利用药芯中加入的降氢物质,减小烧结焊剂吸潮性大,对焊缝扩散氢的不利影响。另一方面它可与低吸潮性的熔炼焊剂配合,在焊接过程中,药芯中的高碱性渣剂与外部碱度较低的焊剂共同参与冶金反应,可降低焊缝金属的氧含量,同时焊丝中加入的Ni、Ti、B等合金元素可起到细化晶粒、韧化基体金属的作用,有助于提高焊缝金属低温韧性。
本发明药芯成分的设计依据是:
CaF2在药芯成分中主要起降氢作用,同时还可调节熔渣的碱度,净化焊缝金属,并可提高熔渣的覆盖能力,但加入量过大,电弧稳定性变差。它在药芯中的加入量应与焊剂中的加入量相匹配,药芯中CaF2合适加入量在12%~28%。
MgO是典型的碱性造渣剂,具有净化焊缝金属作用,并可调节熔渣的粘度和熔点,改善其覆盖性。但过量后易使熔渣在焊缝上呈团状分布,药芯中MgO的加入量应在0.5%~10%范围。
CaCO3作为药芯主要成分之一,焊接过程中受热分解产生的氧化性气体,有助于降低焊缝扩散氢含量,分解产物CaO可起到净化焊缝作用,降低杂质元素S、P的含量,本发明中CaCO3的合适范围为2%~15%。
Mn作为焊缝的主要强化元素,能够显著降低脆性转变温度,含量过低,焊缝的强度和韧性无法保证。含量过高,焊缝中易形成淬硬组织,导致焊缝韧性下降。Mn元素的合适范围在8%~20%之间。
Ni元素在焊缝中能够韧化金属基体,明显提高低温韧性,对于脆性转变温度在-40℃以下的焊缝金属,要求Ni元素含量在10%~16%范围。
Al-Mg合金作为一种强脱氧剂加入药芯中,降低焊缝中氧含量,提高其低温韧性,但含量过高,将使焊缝金属脆化,并影响焊缝脱渣性,本发明中Al-Mg合金的加入量在1%~9%之间。
稀土氟化物具有降氢增韧作用,在本发明中加入量为0.1%~3%之间。
本发明中药芯焊丝的钢带采用碳含量小于0.05%的低碳钢带,其中控制钢带中杂质元素硫的含量小于0.008%,磷的含量小于0.015%,氮的含量小于50ppm。药粉的填充率为12%~20%,药粉的粒度为80~200目。将钢带卷成U型后加入药粉，封闭成O型，并拉拔至成品尺寸，成品焊丝的直径为3.2mm~5.0mm。
本发明的优越性在于焊丝具有优良的工艺操作性能和力学性能,焊接电弧稳定,焊缝成形美观。与高碱度烧结焊剂配合时,焊缝金属在-60℃下的冲击吸收功高于80J。与低吸潮性的熔炼焊剂配合时,焊缝金属在-40℃下的冲击吸收功高于90J。与两种焊剂中的任何一种配合,焊缝扩散氢含量均低于5ml/100g(水银法)。达到了标准规定的超低氢范围。焊丝抗冷裂纹能力强,并且具有高的断裂韧性值,焊丝适用于低合金高强钢,可用于海洋工程结构、桥梁、船舶和压力容器等重要结构的焊接。
具体实施方式
表1  实施例药芯成分（重量%）
Figure BDA00001675321100031
表2  实施例与烧结焊剂SJ102配合熔敷金属力学性能及扩散氢含量
Figure BDA00001675321100032
表3  实施例与熔炼焊剂HJ250配合熔敷金属力学性能及扩散氢含量
Figure BDA00001675321100033

Claims (3)

1.一种超低氢高韧性埋弧焊药芯,其特征在于药芯成分以重量百分比计为:12%~28%CaF2，0%~5%Na2SiF6，0.1%~5%ReF，0%~5%BaCO3，2%~15%CaCO3，0.5%~10%MgO，0.1%~5%TiO2，0.1%~5%SiO2，0.1%~3%ZrO2，0.1%~1.5%硼化物，0%~0.8%Na2O，0%~0.5%K2O，8%~20%Mn，1%~9%Al-Mg，10%~16%Ni，0%~3%Ti，0%~3%Si，0.1%~3%Re，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的一种超低氢高韧性埋弧焊药芯,其特征在于所述的硼化物是硼酸钠或氧化硼中的一种或两种组合。
3.用权利要求1或2的药芯成分制备的埋弧药芯焊丝,其特征在于药芯焊丝采用碳含量小于0.05%的低碳钢带；药粉的填充率为12%~20%,，药粉的粒度为80~200目；成品焊丝的直径为3.2mm~5.0mm。
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