CN103008916B

CN103008916B - 一种低六价铬309奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN103008916B
Application number: CN201210566705.0A
Authority: CN
Inventors: 栗卓新; 高丽脂; 李国栋; 李辉; 李红; 焦俊; 白建涛; 马司鸣
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Shandong High Entropy Metal Technology Co ltd
Priority date: 2012-12-23
Filing date: 2012-12-23
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-12-23
Also published as: CN103008916A

Abstract

一种低六价铬309奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法属于焊接材料技术领域。该焊丝的钢带为低碳钢钢带，化学成分如下：C：0.03~0.05wt.%；Si：<0.065wt.%；Mn：<0.33wt.%；S：<0.025wt.%；P：<0.03wt.%。该焊丝药粉的化学组成成分（质量分数wt.%）为：C：0.03~0.065wt.%；Cr：58~63wt.%；Ni：30~33wt.%；Mn：2~3wt.%；Si：0.66~1.5wt.%；Mo：<0.74wt.%；Ti：0.5~1wt.%；Zn：0.5~1wt.%；Zr：0.5~1 wt.%；Fe：余量。本发明在焊接烟尘量稍低的条件下，其中有毒Cr（VI）排放量与同类型实芯焊丝相比可降低21~27%。本发明采用低碳钢钢带，因此该焊丝成本可大大降低，该焊丝焊接电弧稳定，飞溅小，焊缝成形美观，熔敷金属综合性能优良。

Description

一种低六价铬309奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，特别是一种低六价铬（Cr（VI））、低成本的气体保护309奥氏体不锈钢金属芯焊丝。

背景技术

由于不锈钢中Cr元素含量较高，焊接不锈钢时，焊接材料为了满足焊缝的耐腐蚀性都会加入一定量的Cr元素，通过促进被氧化物表层，使焊缝产生足够的耐腐蚀性以满足焊接要求。但由于焊材和母材中Cr在焊接蒸发过程中形成焊接烟尘，并会被氧气在高温下氧化成具有毒性的Cr（VI）。

Cr（VI）是焊接烟尘的副产物，已证实其在人体内具有致癌作用，还会引起诸多的其他健康问题，如吸入某些较高浓度的六价铬化合物会引起流鼻涕、打喷嚏、瘙痒、鼻出血。短期大剂量的接触，在接触部位会产生不良后果，包括溃疡、鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔。摄入超大剂量会导致肾脏和肝脏的损伤、恶心、胃肠道刺激、胃溃疡、痉挛甚至死亡。皮肤接触会造成溃疡或过敏反应，Cr（VI）是最易导致过敏的金属之一。减少生产和应用中各种污染物对人体的危害显得格外重要。为了保证焊接人员的健康，2006年美国职业安全与健康管理局（OSHA）新颁布了焊接烟尘中Cr（VI）的允许暴露极限值（PEL），由原来的52μg/m³降低到3μg/m³。

不锈钢金属芯焊丝同目前大量应用的不锈钢实芯焊丝相比，对各种不锈钢材的焊接，适应性较强，调整药芯的成分和比例极为方便和容易，可以提供所要求的焊缝化学成分；其次，工艺性能好，焊缝成型美观；熔敷速度快，生产效率高，在相同焊接电流下，金属芯焊丝的电流密度大，熔化速度快。

大量研究表明：不锈钢金属芯焊丝同药芯焊丝相比，其焊接烟尘和Cr（VI）排放量要小于药芯焊丝。此外，目前的不锈钢药芯焊丝主要是用不锈钢钢带做外皮，通过轧制、拉拔工艺制成不锈钢焊丝，而轧制拉拔工艺复杂，本发明采用低碳钢钢带，不仅成本低，而且制造工艺简单。因此，本发明是一种综合性能优良、低Cr（VI）排放量、低成本的309奥氏体不锈钢金属芯焊丝。

发明内容：

鉴于上述情况，本发明提出一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，它可以在保证焊丝熔敷金属力学性能、耐腐蚀性能满足相关国家标准要求的情况下，以低碳钢钢带代替不锈钢钢带而进一步降低成本，简化制造工艺，与奥氏体不锈钢实芯焊丝相比，Cr（VI）排放量可降低21%~27%，改善了焊接作业环境，焊丝飞溅小，成型美观，焊缝综合性能优良。

一种低六价铬309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝中外皮为低碳钢钢带,焊丝中金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.03~0.065wt.%； Cr：57~66 wt.%；Ni：29~35wt.%；Mn：1.5~4wt.%；Si：0.4~2wt.%；Mo：<0.75wt.%；Ti：0.5~1.5wt.%；Zn：0.5~1.5wt.%；Zr：0.5~1.5wt.%；Fe：余量；填充率为28%~38%。

进一步，金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.03~0.065wt.%；Cr：58~63wt.%；Ni：30~33wt.%；Mn：2~3wt.%；Si：0.66~1.5wt.%；Mo：<0.74wt.%；Ti：0.5~1wt.%；Zn：0.5~1wt.%；Zr：0.5~1 wt.%；Fe：余量。

进一步，金属芯包括：金属铬粉：40~120目，金属镍粉：40~120目，电解锰粉：40~120目，45硅铁粉：60~120目，钛铁粉：60~120目，金属锌粉：60~120目，锆硅铁粉：60~120目，金属铁粉：60~120目。

将上述焊丝成型、轧制，拉拔剪径，钢带选用16~8×0.6~0.3mm低碳钢钢带，最终获得直径为0.9~1.6mm的不锈钢金属芯焊丝。

采用的钢带尺寸规格为16~8×0.6~0.3mm）的碳钢钢带，经过轧制、拉拔、加工成直径为0.9~1.6mm的气体保护不锈钢金属芯焊丝。

该焊丝焊接时，保护气体为95~98%Ar+2~5%O₂，气体流速15~20L/min，直流反接电源。焊接工艺参数为：电压：22~30V；电流：140~280A；送丝速度：350~500mm/min；焊丝伸出导电嘴的距离：14~25mm。

进一步优化焊接工艺，焊接工艺参数为：电压：24~27V；电流140~240A；送丝速度：400~500mm/min；气流流速：15~20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：18~22mm。

焊接线能量：13~17KJ/cm；层间温度≤150℃。

在熔敷金属中各元素的含量在如下范围：C：0.025~0.065wt.%； Cr：22.2~26.1wt.%；Ni：11.7~16.1wt.%；Mn：0.97~3.2wt.%；Si：0.27~1.1wt.%；Mo：<0.74wt.%；Ti：0.01~2.47wt.%；Zn：0.3~1.2wt.%；Zr：0.5~1.5wt.%；Fe：余量。

在熔敷金属中形成的合金元素含量范围优选如下：C：0.025~0.065wt.%；Cr：23.4~25.4wt.%；Ni：12.1~14.5wt.%；Mn：1.13~2.2wt.%；Si：0.33~0.60wt.%；Mo：<0.74wt.%；Ti：0.03~2.47wt.%；Zn：0.33~1.2wt.%；Zr：0.5~1.2wt.%；Fe：余量。

本发明的主要特点是金属芯焊丝外皮为低碳钢钢带，避免了304L不锈钢钢带的高成本。同时，在不降低药芯中Cr含量的基础上，通过添加Zn、Zr或其合金，焊接烟尘量稍低，烟尘中Cr（VI）排放量降低21%~27%，此外，焊芯中Si、Ti等元素可减少焊接飞溅。用本发明研制的不锈钢金属芯焊丝具有低Cr（VI）、低成本、焊接电弧稳定、飞溅小、焊缝成形美观、综合性能优良的特点。

附图说明

图1奥氏体不锈钢金属芯焊丝的电流电压范围(Ф0.9,1.2,1.6mm)

具体实施方式

本发明的金属芯焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权力要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。

选用16~8×0.6~0.3（宽度为8~16mm，厚度为0.3~0.6mm）的低碳钢钢带为金属芯焊丝外皮，现将其轧成U形。金属铬粉末，金属镍粉末，金属电解锰粉末，45硅铁粉末，钛铁粉末，金属锌粉末，锆硅铁粉末，金属铁粉等配置成药粉，所取粉末的粒度为40~120目。将所取的各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形碳钢带槽中，填充率为28~38%，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为2.4、2.26、1.96、1.83、1.73、1.6、1.5、 1.41、1.34、1.26、1.19、1.09、0.9的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到0.9~1.6mm。

具体实施例如下：

1、一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝中化学成分质量百分比为：C：0.03wt.%；Cr：57wt.%；Ni：29wt.%；Mn：1.5wt.%；Si：0.40wt.%；Mo：0.75wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为28%。采用95%Ar+5%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压27V；电流230A；送丝速度420mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm，焊丝直径0.9mm。采用上述工艺制备的熔敷金属成分为：Cr：22.2wt.%；Ni：11.7wt.%；Mn：0.97wt.%；Si：0.27wt.%；Mo：0.43wt.%；Fe余量。

2、一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝中化学成分质量百分比为：C：0.03wt.%；Cr：58wt.%；Ni：30wt.%；Mn：2wt.%；Si：0.66wt.%；Mo：0.75wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：1wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为30%。采用96%Ar+4%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压21V；电流160A；送丝速度440mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离18mm，焊丝直径1.2mm。采用上述工艺制备的熔敷金属成分为：Cr：23.4wt.%；Ni：12.1wt.%；Mn：1.13wt.%；Si：0.33wt.%；Mo：0.47wt.%；Fe余量。

3、一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝中化学成分质量百分比为：C：0.065wt.%；Cr：66wt.%；Ni：35wt.%；Mn：4wt.%；Si：2wt.%；Mo：0.75wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：1wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为32%。采用97%Ar+3%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；电流220A；送丝速度450mm/min；气体流速21L/min；焊丝伸出导电嘴的距离19mm，焊丝直径1.6mm。采用上述工艺制备的熔敷金属成分为：Cr：26.1wt.%；Ni：16.1wt.%；Mn：3.2wt.%；Si：1.1wt.%；Mo：0.45wt.%；Fe余量。

4、一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝中化学成分质量百分比为：C：0.046wt.%；Cr：61wt.%；Ni：32wt.%；Mn：2.7wt.%；Si：1.1wt.%；Ti：1wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为34%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压28V；电流230A；送丝速度440mm/min；气体流速21L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm，焊丝直径1.2mm。采用上述工艺制备的熔敷金属成分为：Cr：24.7wt.%；Ni：13.8wt.%；Mn：1.6wt.%；Si：0.57wt.%；Mo：0.48wt.%；Fe余量。

5、一种低Cr（VI）309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝中化学成分质量百分比为：C：0.059wt.%；Cr：63wt.%；Ni：33wt.%；Mn：3wt.%；Si：1.5wt.%；Mo：0.75wt.%；Ti：1wt.%；Zn：1wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为36%。采用96%Ar+4%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压29V；电流220A；送丝速度420mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离19mm，焊丝直径1.6mm。采用上述工艺制备的熔覆金属成分为：Cr：25.4wt.%；Ni：14.5wt.%；Mn：2.5wt.%；Si：0.6wt.%；Mo：0.51wt.%；Fe余量。

其中以实施例4最好。技术效果：采用该焊丝焊接时，电弧稳定，飞溅小，烟尘少，全位置焊接性好，其熔敷金属的抗拉强度为565MPa，延伸率为38%，Cr（VI）排放降低27%。

表1碳钢带化学成分范围（wt.%）

元素	C	Si	Mn	S	P
						含量（%）	0.03-0.05	<0.065	<0.33	<0.025	<0.03

表2 低Cr（VI）309不锈钢金属芯焊丝综合评价

①测试温度为-196℃

②硫酸---硫酸铜试验（Strauss实验）

③表中1-5#实施例金属芯焊丝的焊接烟尘Cr（VI）含量测试值及实芯、药芯焊丝焊接烟尘Cr（VI）含量测试值，根据ISO 16740测出每单位焊接烟尘中的Cr（VI）含量值。

④⊙表示良好，○表示一般，△表示稍差，X表示不合格。

奥氏体不锈钢金属芯焊丝的电流电压范围(Ф0.9,1.2,1.6mm)。

Claims

1.一种低六价铬309奥氏体不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝中外皮为低碳钢钢带,焊丝中金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.03～0.065wt.％；Cr：57～66wt.％；Ni：29～35wt.％；Mn：1.5～4wt.％；Si：0.4～2wt.％；Mo：<0.75wt.％；Ti：0.5～1.5wt.％；Zn：0.5～1.5wt.％；Zr：0.5～1.5wt.％；Fe：余量；填充率为28％～38％。

2.按照权利要求1所述的焊丝，其特征在于：金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.03～0.065wt.％；Cr：58～63wt.％；Ni：30～33wt.％；Mn：2～3wt.％；Si：0.66～1.5wt.％；Mo：<0.74wt.％；Ti：0.5～1wt.％；Zn：0.5～1wt.％；Zr：0.5～1wt.％；Fe：余量。

3.按照权利要求1所述的焊丝，其特征在于，金属芯包括：金属铬粉：40～120目，金属镍粉：40～120目，电解锰粉：40～120目，45硅铁粉：60～120目，钛铁粉：60～120目，金属锌粉：60～120目，锆硅铁粉：60～120目，金属铁粉：60～120目。

4.制备权利要求1所述焊丝的方法，其特征在于：

经过成型、轧制，拉拔剪径，钢带选用16～8×0.6～0.3mm低碳钢钢带，最终获得直径为0.9～1.6mm的不锈钢金属芯焊丝。

5.应用权利要求1所述的焊丝的方法，其特征在于：

采用95～98％Ar+2～5％O2气保护制备熔敷堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压：22～30V；电流：140～280A；送丝速度：350～500mm/min；气体流速：13～20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：14～25mm。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述焊接工艺参数为：电压：24～27V；电流：140～240A；送丝速度：400～500mm/min；气体流速：15～20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：18～22mm。