CN103100804A - 一种低六价铬316奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法 - Google Patents
一种低六价铬316奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种低六价铬316奥氏体不锈钢金属芯焊丝及其制备方法，属于焊接材料领域。该焊丝的钢带为低碳钢钢带，化学成分如下：C：0.025~0.078wt.%；Si：<0.06wt.%；Mn：<0.33wt.%；S：≤0.025wt.%；P：≤0.03wt.%。该焊丝药粉的化学组成质量分数为：C：0.025~0.078wt.%；Cr：48~57wt.%；Ni：28~33wt.%；Mn：4~6wt.%；Mo：2.8~5wt.%；Si：0.63~1.5wt.%；Ti：0.5~1wt.%；Zn：0.5~1wt.%；Zr：0.5~1wt.%；Fe：余量。本发明与现有技术相比，采用的钢带为低碳钢钢带，降低成本，同时焊接发尘量与实芯焊丝相当，其中有害Cr（VI）排放量与实芯焊丝相比可降低20~28%，并且焊接电弧稳定，飞溅小，焊缝成形美观，熔敷金属综合性能优良。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，是一种低六价铬（Cr（VI））气保护316奥氏体不锈钢金属芯焊丝。
背景技术
当今对健康和环保越来越关注，对危害性小的焊接材料有着迫切的需要。焊接烟尘中Cr（VI）是焊接烟尘的副产物，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、溃疡和鼻中隔穿孔。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。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。
金属芯药芯焊丝是相对于熔渣型药芯焊丝而言的，它的药芯大部分是金属粉铁粉、金属合金、脱氧剂，只有少量的稳弧剂和造渣剂。由于铁粉的大量加入，必然会大幅度提高焊丝的熔化速度，熔化速度明显高于普通的药芯焊丝和实芯焊丝。用金属芯药芯焊丝的熔敷速度与其它焊丝相比较，这种焊丝比熔渣型焊丝约快10%，比实芯焊丝约快20%，可以使焊接高效化。另外，金属芯药芯焊丝电弧很软，飞溅、发尘量比实芯焊丝要少1/2。
由于焊接和焊丝自身的特点，焊接过程中不可避免地要产生有害气体和烟尘，它直接影响环境的保护和焊工的身体健康。同时，不锈钢应用广泛，316不锈钢金属芯焊丝适用于焊接含1.5~3.0%Mo的奥氏体不锈钢，也适用于采用钛和铌稳定化的，含氮的不锈钢，由于316具有良好的耐点蚀、耐多种酸和耐一般性腐蚀的性能而被广泛使用。而实芯焊丝加工工艺比较复杂成本比较高，且不能进行合金调整。由于不锈钢价格较贵，使得以不锈钢为外皮的焊材成本大幅升高。为了降低焊接材料给工人带来的危害，同时降低生产的成本开发一种综合性能优良，低Cr（VI）排放量，低成本的316奥氏体不锈钢金属芯焊丝具有重要意义。
发明内容：
鉴于上述情况，本发明提出一种低Cr（VI）316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和耐蚀性能达相关到国家标准要求的情况下，降低了Cr（VI）的排放量，与奥氏体不锈钢实芯焊丝相比，Cr（VI）排放量可降低20%~28%，改善了焊接作业环境，同时飞溅与药芯焊丝和实芯焊丝相当，所形成的熔敷金属综合性能与实芯焊丝和药芯焊丝一样优良。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：一种低Cr（VI）奥氏体不锈钢金属芯焊丝，其特征在于金属芯焊丝以碳钢钢带代替不锈钢钢带，焊丝药粉的化学成分以质量百分比计为：C：0.025~0.078wt.%；Cr：46~59wt.%；Ni：26~36wt.%；Mn：4~7wt.%；Mo：2.5~5.1wt.%；Si：0.5~4.2wt.%；Ti：0.5~2wt.%；Zn：0.3~1.5wt.%；Zr：0.5~2wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为26%~36%。
进一步，金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.025~0.078wt.%；Cr：48~57wt.%；Ni：28~33wt.%；Mn：4~6wt.%；Mo：2.8~5wt.%；Si：0.63~1.5wt.%；Ti：0.5~1wt.%；Zn：0.5~1wt.%；Zr：0.5~1wt.%；Fe：余量。
进一步，金属芯包括：金属芯粉包括：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，金属锆粉:60~120目，锌锆合金粉:60~120目，锆硅铁粉:60~120目，金属钼粉:40~120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,焊接工艺参数电压：20-32V，电流：100-300A。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：24~28V；电流120~280A；送丝速度：400~500mm/min；气流流速：15~20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15~22mm。
在熔敷金属中化学成分质量百分数在如下范围：C：0.025~0.078wt.%；Cr：18.0~21.0wt.%；Ni：10.8~14.8wt.%；Mn：0.46~2.8wt.%；Si：0.41~1.2wt.%；Ti：0.01~1wt.%；Zn：0.3~1wt.%；Zr：0.2~1wt.%；Mo：1.8~3.2wt.%。
在熔敷金属中化学成分质量百分数范围优选如下：C：0.02~0.07wt.%；Cr：18.4~19.6wt.%；Ni：11.8~13.5wt.%；Mn：0.73~2.3wt.%；Si：0.56~0.98wt.%；Ti：0.03~0.47wt.%；Zn：0.33~1.2wt.%；Zr：0.5~1.2wt.%；Mo：2.3~2.8wt.%。
本发明的主要特点是金属芯焊丝外皮是低碳钢钢带，避免使用304L不锈钢钢带轧制生产焊丝带来的的高成本问题。同时，在不降低药芯中Cr含量的基础上，通过添加一定量的Zn、Zr、Zn-Zr合金等成分，降低焊接烟尘中六价铬含量。用本发明研制的不锈钢金属芯焊丝具有低六价铬，低成本，焊接电弧稳定，飞溅小，焊缝成形美观，综合性能优良的优点。
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
本发明的金属芯不锈钢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:40~120目，金属镍粉:40~120目，金属电解锰粉: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，金属钼粉:40~120目，金属铁粉:60~120目等配置成药粉，所取粉末的粒度为能通过40目的筛子。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26~36%，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使进行拉拔减径工艺，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）316奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径为1.6mm，其焊丝化学成分质量百分比如下：C：0.025wt.%；Cr：56wt.%；Ni：33wt.%；Mn：4wt.%；Mo：4wt%；Si：0.86wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为36%。采用95%Ar+5%O2气体保护焊的焊接工艺参数为：电压28V；电流280A；送丝速度500mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：19.3wt.%；Ni：13wt.%；Mn：1.2wt.%；Mo:2.2wt.%；Si：0.65wt.%。
2、一种低Cr（VI）316奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径为0.9mm焊丝化学成分质量百分数如下：C：0.078wt.%；Cr：59wt.%；Ni：36wt.%；Mn：6.1wt.%；Mo：4.5wt%；Si：1wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：1wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为26%。采用98%Ar+2%O2气体保护焊的焊接工艺参数为：电压24V；电流120A；送丝速度400mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离15mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：19.8wt.%；Ni：14wt.%；Mn：2.4wt.%；Mo:2.3wt.%；Si：0.72wt.%。
3、一种低Cr（VI）奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径为1.2mm焊丝化学成分质量百分数如下：C：0.028wt.%；Cr：57wt.%；Ni：32wt.%；Mn：5.3wt.%；Mo:4.6wt.%；Si：1.2wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：1wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为30%。采用98%Ar+2%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18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离18mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：19.1wt.%；Ni：12.8wt.%；Mn：1.7wt.%；Mo:2.5wt.%；Si：0.7wt.%。
4、一种低Cr（VI）奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径为1.4mm焊丝化学成分质量百分数如下：C：0.047wt.%；Cr：52wt.%；Ni：36wt.%；Mn：4.9wt.%；Mo:4.3wt.%；Si：1.3wt.%；Ti：1wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为31%。采用98%Ar+2%O2气体保护焊的焊接工艺参数为：电压27V；电流250A；送丝速度450mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离19mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：18.5wt.%；Ni：13.4wt.%；Mn：1.9wt.%；Mo：2.3wt%；Si：0.9wt.%。
5、一种低Cr（VI）奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径为1.2mm焊丝化学成分质量百分数如下：C：0.054wt.%；Cr：58wt.%；Ni：33wt.%；Mn：4.5wt.%；Mo：4.8wt%；Si：1.3wt.%；Ti：1wt.%；Zn：1wt.%；Zr：0.5wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为28%。采用98%Ar+2%O2气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；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17mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：18.9wt.%；Ni：12.3wt.%；Mn：1.7wt.%；Mo:2.7wt.%；Si：0.85wt.%。
6、一种低Cr（VI）奥氏体不锈钢金属芯焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分质量百分数如下：C：0.05wt.%；Cr：60wt.%；Ni：32wt.%；Mn：4.1wt.%；Mo:3.8wt.%；Si：1.1wt.%；Ti：1wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：1wt.%；Fe：余量。药粉在钢带中的填充率为32%。采用95%Ar+5%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19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的熔敷金属合金成分为：Cr：19.8wt.%；Ni：12wt.%；Mn：1.2wt.%；Mo:2.1wt.%；Si：0.83wt.%。
其中以实施例3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530MPa，延伸率为38%，Cr（VI）排放降低26%。
所用低碳钢带化学成分质量百分比如表1所示：
表1碳钢带化学成分（wt%）如下：
| 元素 | C | Si | Mn | S | P |
| 含量（%） | 0.025~0.07 | ＜0.06 | ＜0.33 | ≤0.025 | ≤0.03 |
各实施例与药芯焊丝和实芯焊丝的各种性能对比如下：
表2烟尘量、Cr（VI）含量和力学性能等对比如下：
①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ISO16740测出每单位焊接烟尘中的Cr（VI）含量值。
②测试温度为-196℃。
③硫酸·硫酸铜实验（Strauss实验）
④○表示良好，●表示一般，■表示不合格。
Claims (6)
1.一种低六价铬316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：0.025~0.078wt.%；Cr：46~59wt.%；Ni：26~36wt.%；Mn：4~7wt.%；Mo：2.5~5.1wt.%；Si：0.5~4.2wt.%；Ti：0.5~2wt.%；Zn：0.3～1.5wt.%；Zr：0.5~2wt.%；Fe：余量。
2.按照权利要求1的焊丝，其特征在于，金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.025~0.078wt.%；Cr：48~57wt.%；Ni：28~33wt.%；Mn：4~6wt.%；Mo：2.8~5wt.%；Si：0.63~1.5wt.%；Ti：0.5~1wt.%；Zn：0.5~1wt.%；Zr：0.5~1wt.%；Fe：余量。
3.按照权利要求1的焊丝，其特征在于，所述的金属芯粉包括：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，金属锆粉:60～120目，锌锆合金粉:60~120目，锆硅铁粉:60~120目，金属钼粉:40~120目，金属铁粉:60～120目。
4.按照权利要求1所述焊丝的制备方法，其特征在于：
将上述焊丝轧制、成形、拉拔减径，钢带选用16~8×0.6~0.3的低碳钢钢带，最终获得直径为0.9~1.6mm的不锈钢金属芯焊丝。
5.按照权利要求1所述的焊丝的应用方法，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：20~32V；电流：100~300A；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所述的应用方法，其特征在于：所述焊接工艺参数为：电压：24~30V；电流：120~280A；送丝速度：400~500mm/min；气体流速：15~20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15~22mm。
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