CN103056554B - 一种铁基记忆合金焊条的配方 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁基记忆合金焊条的配方及其制造方法，所述的焊条配方包括焊条焊芯的配方和焊条药皮的配方，所述的焊条焊芯的化学成分包括C、Mn、Si、N、Cr、V、Nb、Ti、Zr、N、Fe；所述的焊条药皮的配方为酸性焊条药皮的配方或碱性低氢焊条药皮的配方或不锈型焊条药皮配方。所述的制造方法包括铁基记忆合金焊芯制造、焊条药皮的制备和焊条压涂。本发明焊条焊接后的焊缝组织是铁基记忆合金，焊缝处的残余拉伸应力可使合金诱发γ→ε马氏体相变，其相变变形将松弛焊缝的残余拉伸应力，使其降低到屈服强度之下（因为诱发相变驱动力低于屈服强度）并降低焊接变形。本发明焊缝疲劳强度高，保证了焊接接头的综合力学性能。

Description

一种铁基记忆合金焊条的配方

技术领域

本发明涉及一种低残余应力高疲劳强度焊条的设计制造技术，特别是一种铁基记忆合金焊条的配方及其制造方法。

背景技术

焊接材料由于热收缩的原因会在焊后产生残余拉伸应力，使焊接结构尺寸、形状难以保证，并导致焊缝疲劳强度下降。按照消除残余应力机理，应设法消除和减少产生残余应力的固有应变源。根据这一理论，现有的消除残余应力方法工艺要求复杂，甚至需要增加额外工序，大大增加了焊接成本。为了解决该问题，太田昭彦等人使用在焊接结束时的室温或者接近室温的温度完成马氏体相变膨胀的焊接材料和含有二氧化碳的保护气体，在焊接金属上进行电弧焊接，提出了低相变温度焊接材料的新“焊接方法”（日本专利第3010211号），使用该焊接材料和方法的优点是焊前不需预热焊后也不需热处理即可提高焊接疲劳强度，但在使用中也存在冲击强度不够高、应用范围受限的问题。为此，太田昭彦等人又申请了中国专利《使用低相变温度焊接材料的焊接方法》（专利号：03821352），该专利给出了使用低相变温度焊接材料焊接时的气体保护措施及严格的工艺路径，该方法的优点是焊接疲劳强度高、冲击强度大，缺点是焊接过程中的工艺复杂对保护气体要求高。另外，需要指出的是现有的“低相变温度焊接材料”都是以温度诱发马氏体相变来松弛焊接残余应力的。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可消除焊缝残余应力和又可提高焊缝疲劳强度的铁基记忆合金焊条及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括一种铁基记忆合金焊条的配方和一种铁基记忆合金焊条的制造方法。

一种铁基记忆合金焊条的配方，包括焊条焊芯的配方和焊条药皮的配方，所述的焊条焊芯的化学成分的质量百分比如下：

C：0.02%～1.2%；

Mn：5%～25%；

Si：2%～10%；

Ni：1%～10%；

Cr：0.5%～15%；

V：0～2%；

Nb：0～2%；

Ti：0～2%；

Zr：0～2%；

N：0～2%；

余量为Fe及不可避免的杂质；

所述的焊条药皮的配方为以下三种之一：

A、酸性焊条药皮的配方的质量百分比为：

大理石5%~10%；

萤石5%~10%；

长石5%~8%；

白云母8%~10%；

石英15%~20%；

中碳锰铁10%~12%；

钛白粉15%~20%；

金红石25%-30%；

纤维素2%~4%；

其他0～10%；

B、碱性低氢焊条药皮的配方的质量百分比为：

大理石30%~50%；

萤石15%~20%；

石英3%~5%；

中碳锰铁5%~10%；

钛铁粉10%~15%；

钛白粉5%~8%；

铝粉2%~4%；

其他0～10%；

C、不锈型焊条药皮配方的质量百分比为：

大理石3%~5%；

长石8%~10%；

萤石3%~5%；

白云母5%~8%；

钛白粉8%~10%；

金红石15%-20%；

石英2%~4%；

锰粉28%~35%；

硅粉7%~10%；

铬粉3%~5%；

镍粉2%~4%；

其他0～10%。

一种铁基记忆合金焊条的制造方法，包括以下步骤：

A、铁基记忆合金焊芯制造

按设计要求选用熔炼材料，按焊条焊芯的配方配比混合后，采用真空感应熔炼炉熔炼；熔炼时待原料全部溶化后，保温30min左右使成分均匀，然后模浇铸成铸锭。铸锭在大约1200℃均匀化退火24h之后切去帽口，车去外皮，热锻成方形坯料，始锻温度1050℃，终锻温度不低于900℃，以防锻裂；方坯经过热轧呈φ6～10mm的盘条，开轧温度1050℃，终轧温度不低于900℃。盘条再经过酸洗，在1050℃下拉拔成焊条焊芯所需规格的丝材，再在校直切断机上按要求的长度进行校直和切断成焊条焊芯；焊芯须在真空热处理炉中进行1000℃×1h的固溶处理；所述的所需规格为φ0.8～5mm；

B、焊条药皮的制备

将焊条药皮用粉料按照选定的焊条药皮配方比例进行配料；配好的料在搅拌机或球磨机中进行干混使之均匀，然后慢慢倒入适量的水玻璃作为黏结剂，搅拌成具有一定粘性的涂料，即可送到压涂机上压制焊条；

C、焊条压涂 

利用压涂机将步骤B制备的涂料压涂到焊芯上，并对焊条夹持端及引弧端 进行加工，使之具有焊条的外形；将压涂出来的焊条经过自然干燥或低温晾干后送入高温干燥炉进行烘焙或直接进入连续式烘干炉直接烘干得到所需焊条。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.焊缝残余应力低变形小。本发明焊条焊接后的焊缝组织是铁基记忆合金，焊缝处的残余拉伸应力可使合金诱发γ→ε马氏体相变，其相变变形（膨胀）将松弛焊缝的残余拉伸应力，使其降低到屈服强度之下（因为诱发相变驱动力低于屈服强度）并降低焊接变形。

2.焊缝疲劳强度高，保证了焊接接头的综合力学性能。这是由于铁基记忆合金焊缝组织具有“应力自适应特性”，即合金受到外界应力作用时，可通过应力诱发ε马氏体正逆相变及其贡献的相变变形来适应外界宏观应力和变形的变化。铁基记忆合金在交变应力作用下产生马氏体相变变形是由于Shockley不全位错的择向迁动，不会像全位错塑性滑移变形那样破坏晶体结构，诱发相变所需的应力水平低于全位错滑移变形的驱动力即屈服应力，而相变变形又远远大于一般金属材料的弹性变形，理论上可达2%以上（和合金的形状记忆效应相当）。因此，铁基记忆合金焊条形成的焊缝具有较高的疲劳强度，尤其具有大应变幅值下的疲劳强度。

3、本发明铁基记忆合金焊条制备和使用按照现行普通电焊条的要求即可，焊接工艺简单，焊前不需预热，焊后不需热处理，对焊接人员水平要求低。

附图说明

本发明共有附图3张，其中： 

图1是本发明焊条焊缝的金相组织图；

图2是本发明焊条焊缝的X射线衍射谱；

图3是本发明焊条焊缝的断口形貌。

具体实施方式

下面通过实施例来描述铁基记忆合金低残余应力焊条的制造方法：

A、铁基记忆合金焊芯制造

按照设计选用工业纯铁（或低碳钢）、电解锰、硅铁、电解铬、纯镍、钒铁等熔炼材料，成分配方的质量百分比为以下三种配方之一：

1#配方：C：≤0.08%，Mn：15%，Si：5%，Cr：10%，Ni：4%，除去杂质后其余成分为Fe；

2#配方：C：0.2%，Mn：20%，Si：4.5%，Cr：1%，Ni：2.5%，V：0.9%，除去杂质后其余成分为Fe；

3#配方：C：≤0.08%、Mn：6%、Si：3%、Cr：8%、Ni：2%，除去杂质后其余成分为Fe。

合金冶炼采用中频真空感应炉冶炼熔炼，待原料全部溶化后，保温30min左右使成分均匀，然后模浇铸成25kg铸锭。铸锭在大约1200℃均匀化退火24h之后切去帽口，车去外皮，热锻成φ3535mm方坯，始锻温度1050℃，终锻温度不低于900℃，以防锻裂。方坯经过热轧呈φ8的盘条，开轧温度1050℃，终轧温度900℃。盘条再经过酸洗，在1050℃下拉拔成φ2mm的丝材，再在校直切断机上按要求的长度进行校直和切断成焊条焊芯。焊芯须在真空热处理炉中进行1000℃×1h的固溶处理。

B、焊条药皮制备

焊条药皮成分配方的质量百分比为以下三种配方之一：

1#酸性焊条药皮配方，其配料成分质量百分比如下：大理石：7%，萤石：8%，长石：5%，白云母：8%，石英：16%，中碳锰铁：10%，钛白粉：17%，金红石：27%，纤维素：2%；

2#碱性焊条低氢药皮配方，其配料成分质量百分比如下：大理石：42%、萤石：17%，石英：4%，中碳锰铁：9%，钛铁粉：13%，钛白粉：7%，铝粉：3.4%，低度硅铁：4%，纯碱：0.6%；

3#不锈型焊条药皮，其配料成分质量百分比如下：大理石：4%，长石：9%，萤石：4%，白云母：7%，钛白粉：9%，金红石：17%，石英：3%，锰粉：29%，硅粉：8%，铬粉：4%，镍粉：3%。

为了减少合金元素在焊接过程中的烧损，合金粉末需在球磨机上混合均匀使其颗粒度在60～200目之间。

然后在混料中慢慢倒入适量的水玻璃（作为黏结剂），搅拌成具有一定粘性的涂料，即可送到压涂机上压制焊条。

C、焊条压涂 

利用小型压涂机将上述制备的涂料压涂到焊芯上，并对焊条夹持端及引弧端进行加工，使之具有焊条的外形。将压涂出来的焊条可以经过自然干燥后送入高温干燥炉进行烘焙得到所需焊条。

D、焊接性能测试

经测试可得，本发明的铁基记忆合金焊条的焊接变形明显小于普通焊条的焊接变形，而焊缝疲劳强度又远大于普通焊条焊缝的疲劳强度。例如在氩弧焊机上采用上述配方制备的不锈型铁基记忆合金焊条和传统配方制备的Cr18Ni9Nb不锈钢焊条，选择相同的工艺焊接对焊两块100×80×1mm³（长×宽×厚）的304不锈钢钢板，接头为30°V型坡口，得到焊接接头。在焊缝稳定区域上线切割加工成200×4×1mm³试样，焊缝位于试样的中点。试样在特制模具上进行应变幅值±1%的弯曲循环疲劳试验，试验结果见表1。由表1可见，不锈型铁基记忆合金焊条焊缝疲劳强度远高于Cr18Ni9Nb不锈钢焊条焊缝，其焊缝接头处的疲劳强度优于304不锈钢母材。另外，焊件变形的测量显示，不锈型铁基记忆合金焊条的焊接变形远远低于Cr₁₈Ni₉Nb不锈钢焊条，表明铁基记忆合金焊条焊后残余应力较小。

表1激光焊接接头±1%应变幅值下的疲劳寿命

图1为本发明铁基记忆合金焊条焊接后焊缝材料的金相组织图。可见焊缝组织均匀致密、无孔洞、裂纹等缺陷；图2是本发明铁基记忆合金焊条焊接后焊缝材料的X射线衍射谱。由图2可见，铁基记忆合金焊条焊缝中存在ε马氏体相变，表明焊缝金属在残余应力作用下发生了应力诱发ε马氏体，相变变形可松弛焊接焊缝的残余应力，由此降低构件的焊接变形；图3是铁基记忆合金焊条焊后形成金属焊缝的断口形貌，属典型的韧窝状韧性断口，表明其疲劳强度较高。

Claims (1)

1.一种铁基记忆合金焊条的配方，包括焊条焊芯的配方和焊条药皮的配方，其特征在于：所述的焊条焊芯的化学成分的质量百分比如下：

C：0.02％～1.2％；

Mn：5％～25％；

Si：2％～10％；

Ni：1％～10％；

Cr：0.5％～15％；

V：0～2％；

Nb：0～2％；

Ti：0～2％；

Zr：0～2％；

N：0～2％；

余量为Fe及不可避免的杂质；

所述的焊条药皮的配方为以下两种之一：

A、酸性焊条药皮的配方的质量百分比为：

大理石5％～10％；

萤石5％～10％；

长石5％～8％；

白云母8％～10％；

石英15％～20％；

中碳锰铁10％～12％；

钛白粉15％～20％；

金红石25％-30％；

纤维素2％～4％；

B、不锈型焊条药皮配方的质量百分比为：

大理石3％～5％；

长石8％～10％；

萤石3％～5％；

白云母5％～8％；

钛白粉8％～10％；

金红石15％-20％；

石英2％～4％；

锰粉28％～35％；

硅粉7％～10％；

铬粉3％～5％；

镍粉2％～4％。