CN103192202A

CN103192202A - 一种高韧性耐腐蚀全位置气保护焊接用药芯焊丝

Info

Publication number: CN103192202A
Application number: CN2013101397216A
Authority: CN
Inventors: 李丽; 尹雨群; 吴年春; 张静; 赵晋斌; 汪晶洁; 宋昌洪
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: CN103192202B

Abstract

本发明公开了一种高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其中药粉的化学组成按重量百分比为：TiO₂35-40%，SiO₂5-10%，MgO2-3%，ZrO₂3-5%，NaF≤1%，Al-Mg1-2%，Mn-Si5-10%，Cu4-5%，Ni3-4%，0.5-1.5%硼化物，其余为铁粉和杂质。采用该药芯焊丝焊接时，焊接工艺性能优异，焊缝金属不仅具有优异的低温韧性（AKv-40℃≥47J），并且具有优良的耐腐蚀性能，在质量分数10%的NaCl、pH值为0.85的试验溶液浸泡168小时焊缝金属腐蚀速率C.R.≤1mm/年。

Description

一种高韧性耐腐蚀全位置气保护焊接用药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体地说是一种高韧性耐腐蚀全位置气保护焊接用药芯焊丝。

技术背景

原油船货油舱处于较苛刻的腐蚀环境。由于石油中分离出的硫化氢和高浓度盐溶液有强烈的腐蚀性会引起货油舱的腐蚀，长期以来装油的货油舱钢板通过涂覆一层耐腐蚀薄膜达到耐腐蚀的目的，但该薄膜一旦破碎，露出的钢板在富H2S、Cl^-等环境中，通过电化学腐蚀迅速发展，形成点腐蚀，其腐蚀速度可达4mm/y。货油舱钢板的腐蚀问题靠频繁的检测及修复来解决，成本是昂贵的，同时这些腐蚀问题如得不到及时的解决，随着腐蚀程度的加重，将严重降低结构的强度，对船舶的安全构成极大的危害，因此货油舱的腐蚀防护一直为人们所重视，2010年国际海事组织第87次海上安全委员会通过了原油船货油舱腐蚀防护SOLAS修正案（MSC291(87)决议），强制要求原油船货油舱需要腐蚀防护，可以使用保护涂层或耐腐蚀钢材，这就促使了油船货油舱耐腐蚀钢板的开发。要满足《原油船货油舱保护涂层性能标准》和《原油船货油舱替代涂层防腐措施性能标准》，决议中对耐腐蚀钢材以及焊接接头的耐腐蚀性能都提出了具体要求，这就要求与之匹配焊接接头的拉伸和冲击性能优良，而且要求焊缝金属具有耐腐蚀性能，因此与之的高质量的焊接材料也成了关注的焦点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性耐腐蚀全位置气保护焊接用药芯焊丝，采用该焊丝后，熔敷金属不仅具有优异的力学性能、耐腐蚀性能，而且焊丝具有极佳的焊接工艺能和全位置操作适应性。

本发明的目的是采用如下技术方案来实现的：

一种高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：该焊丝以低碳钢带为焊丝外皮，药粉的化学组成重量百分比为：TiO₂ 35-40%，SiO₂ 5-10%，MgO 2-3%，ZrO₂3-5%，NaF ≤1%，Al-Mg 1-2%，Mn-Si 5-10%，Cu 4-5%，Ni 3-4%，0.5-1.5%硼化物，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明中，采用低杂质含量的低碳钢带，钢带厚度0.5mm，带宽11mm。

药粉的装填率为10%～20%，渣量控制在40~50%。药粉中的各种矿物质的颗粒度不超过80~200目。低碳钢带中的S小于0.015%，P小于0.01%。

在上述药粉的化学成分中，各组分的作用机制如下：

1、TiO₂，造渣剂的主要成分，以TiO₂为主的渣系能够获得熔点高、凝固时间短的熔渣,从而实现全位置焊接操作性能，且熔渣与钢的线胀系数差别较大, 有助于改善脱渣性；其熔滴细小，电弧过渡形态稳定，飞溅少。

2、SiO₂，造渣剂，可以调节渣的粘度，对脱渣性也有很大影响。SiO₂含量过低，渣的粘度太低，流动性过大，覆盖不好，脱渣性差；SiO₂含量过高，飞溅增加，渣粘度过高，焊趾不齐，脱渣性变差。

3、ZrO₂，造渣剂。适当添加可以调节渣的特性、改善脱渣性能。ZrO₂有单斜晶体、四方晶体和立方晶体三种晶型。在冷却过程中，ZrO₂由四方晶体转变成单斜晶体，体积会增加12%，可以在熔渣中造成巨大的应力，从而改善脱渣性。ZrO₂的来源主要是锆英砂，本焊丝芯料中锆英砂含量控制在3~5%。

4、MgO，造渣剂,适当加入可提高渣的熔点,提高熔渣的覆盖性能，改善全位置焊接性能。

5、NaF，稳弧剂和稀渣剂。少量添加可以增加焊接电弧的稳定性，改善熔渣特性，有助于脱渣，减少气孔。

6、Al-Mg，脱氧剂和稳弧剂，适当添加可以达到熔滴细化、改善熔滴过渡、减少焊接飞溅及辅助脱氧功效。

7、Si-Mn，主要的脱氧剂和合金剂。通过焊接过程的冶金化学反应，降低焊缝金属中的氧含量，同时向焊缝过渡必要的Si、Mn，提高焊缝金属性能。

8、电解锰，合金剂和脱氧剂。通过药芯向焊缝金属补充Mn合金的含量，同时辅助脱氧。

9、Ni、Cu，合金剂。 Ni、Cu是保证熔敷金属耐原油腐蚀性能的主要合金元素。本焊丝通过药芯过渡与母材相当的Ni、Cu 合金含量。

10、硼化物，合金剂。适当添加可以获得以针状铁素体为主的熔敷金属组织，提高熔敷金属的-40℃冲击性能。

焊丝工艺性能是衡量焊丝水平的重要因素之一，尤其对有全位置焊要求的药芯焊丝，工艺性能显得尤其重要。药芯焊丝与药皮焊条在结构及冶金过程上存在着差异，药芯焊丝的焊接电流通过包裹着药芯的钢带外皮进行传导，电流密度大，分布不均匀。由于药芯物质同钢皮的熔点和导电率不同，焊接时外皮先于药芯熔化，使药芯滞后于钢带熔化，易使金属熔滴直接与空气接触，影响了熔渣的保护效果，焊缝性能变坏，另外钢带截面为不封闭的“O”型，电弧易在焊丝端部沿外皮飘移，影响熔滴过渡，造成焊接过程不稳定，所以药芯焊丝对熔渣的熔点、粘度、碱度和表面张力等有严格的要求。调整药芯焊丝的药芯组成，提高熔渣的覆盖性，改善焊缝成形，增强气渣联合保护效果；降低焊接过程中液态金属的表面张力，细化熔滴，改善熔滴的过渡形态，减少因大熔滴短路过渡引起的飞溅，同时加入NaF、Al-Mg等稳弧物质，进一步稳定电弧，减少因电弧不稳引起的飞溅，保证焊接过程稳定使熔渣具有较好的物化性能，从而获得美观的焊缝、实现全位置焊接、消除凹坑及气孔、减少飞溅、减少合金元素的损失。

采用本发明所述的药芯焊丝进行耐蚀钢的焊接，其焊缝金属可获得优异的力学性能及耐腐蚀性能：抗拉强度Rm≥530MPa，屈服强度Rp0.2≥420MPa，延伸率A≥22，-40℃平均夏比冲击功AKv-40℃≥55J，在质量分数10%的NaCl、pH值为0.85的试验溶液浸泡168小时焊缝金属腐蚀速率C.R. ≤1mm/年。

本发明具有如下优点：

1、采用低杂质元素含量的低碳钢带制造该种药芯焊丝，提高焊缝金属的洁净度。

2、药芯焊丝填充系数为10%～20%，渣量控制在40~50%，，同时加入NaF、Al-Mg等稳弧物质，使熔渣具有较好的物化性能，实现平焊、立焊、横焊、仰焊的全位置焊接。

3、通过合金系统Ti-B微合金化，使焊丝熔敷金属获得以针状铁素体为主+少量贝氏体的组织，保证焊缝金属高强度、优良的低温冲击韧性。

4、加及Ni、Cu等合金，保证焊丝熔敷金属具有良好的耐腐蚀性能。

附图说明

图1是用本发明所述的药芯焊丝进行焊接焊缝金属的金相组织图。

具体实施方式

实例1

采用厚度0.5mm，带宽11mm的低碳钢带制造药芯焊丝，该焊丝以低碳钢带为焊丝外皮，其化学成分组成的重量百分比为C 0.021%，Si 0.012%，Mn 0.16%，S 0.0054%，P 0. 009%，O 0.0020%。药粉的化学组成（重量百分比）为：TiO₂ 36%，SiO₂ 9%，MgO 2.6%，ZrO₂4.5%，NaF 0.7%，Al-Mg 1.6%，Mn-Si 6%，Cu 4.7%，Ni 3.1%，1.4%硼化物，余量为Fe及不可避免的杂质；药粉的装填率为10%～20%。采用该焊丝焊接时，电弧稳定，飞溅小，熔渣覆盖良好，平焊时渣壳能自动翘起，其它位置及坡口内焊接时只需在焊道两边轻轻一划，焊渣即可脱除干净，焊道平直，边缘整齐，润湿性较好，焊缝成形优良。图1是用本发明所述的药芯焊丝进行焊接焊缝金属的金相组织图。熔敷金属抗拉强度Rm=576 MPa，屈服强度Rel=443MPa，延伸率A≥23，-40℃夏比冲击功AKv-40℃分别为90J、87J、77J，在质量分数10%的NaCl、pH值为0.85的试验溶液浸泡168小时焊缝金属腐蚀速率C.R. =0.907mm/年。

注：腐蚀速率公式如下：

Figure 2013101397216100002DEST_PATH_IMAGE002

实例2

采用厚度0.5mm，带宽11mm的低碳钢带制造药芯焊丝，该焊丝以低碳钢带为焊丝外皮，其化学成分组成的重量百分比为C 0.021%，Si 0.012%，Mn 0.16%，S 0.0054%，P 0. 009%，O 0.0020%。药粉的化学组成（重量百分比）为：TiO₂ 39%，SiO₂ 8%，MgO 2.2%，ZrO₂3.9%，NaF 0.8%，Al-Mg 1.8%，Mn-Si 7.6%，Cu 4.5%，Ni 3.7%，1.2%硼化物，余量为Fe及不可避免的杂质；药粉的装填率为10%～20%。采用该焊丝焊接时，电弧稳定，飞溅小，熔渣覆盖良好，焊渣脱渣容易，焊道平直，焊缝成形优良。熔敷金属抗拉强度Rm=566 MPa，屈服强度Rel=458MPa，延伸率A≥23.5，-40℃夏比冲击功AKv-40℃分别为98J、105J、92J，在质量分数10%的NaCl、pH值为0.85的试验溶液浸泡168小时焊缝金属腐蚀速率C.R. =0.912mm/年。

TiO₂ 35-40%，SiO₂ 5-10%，MgO 2-3%，ZrO₂3-5%，NaF ≤1%，Al-Mg 1-2%，Mn-Si 5-10%，Cu 4-5%，Ni 3-4%，0.5-1.5%硼化物

实例3

采用厚度0.5mm，带宽11mm的低碳钢带，该焊丝以低碳钢带为焊丝外皮，其化学成分组成的重量百分比为C 0.021%，Si 0.012%，Mn 0.16%，S 0.0054%，P 0. 008%，O 0.0020%。制造药芯焊丝，药粉的化学组成（重量百分比）为：TiO₂ 42%，SiO₂ 9%，MgO 2.7%，ZrO₂4.2%，NaF 0.5%，Al-Mg 1.7%，Mn-Si 8.4%，Cu 4.1%，Ni 3.2%，1.4%硼化物，余量为Fe及不可避免的杂质；药粉的装填率为10%～20%。采用该焊丝焊接时，电弧稳定，飞溅小，熔渣覆盖良好，全位置焊渣脱渣容易，焊道平直，焊缝成形优良。熔敷金属抗拉强度Rm=568 MPa，屈服强度Rel=491MPa，延伸率A≥24，-40℃夏比冲击功AKv-40℃分别为91J、98J、80J，在质量分数10%的NaCl、pH值为0.85的试验溶液浸泡168小时焊缝金属腐蚀速率C.R. =0.929mm/年。

采用本发明进行耐蚀钢的焊接，其焊缝金属可获得优异的力学性能及耐腐蚀性能。

Claims

1.一种高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：该焊丝以低碳钢带为焊丝外皮，药粉的化学组成重量百分比为：TiO₂ 35-40%，SiO₂ 5-10%，MgO 2-3%，ZrO₂3-5%，NaF ≤1%，Al-Mg 1-2%，Mn-Si 5-10%，Cu 4-5%，Ni 3-4%，0.5-1.5%硼化物，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：低碳钢带厚度0.5mm，带宽11mm。

3.根据权利要求1所述的高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：低碳钢带中的S小于0.015%，P小于0.01%。

4.根据权利要求1所述的高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：药粉的装填率为10%～20%。

5.根据权利要求1所述的高韧性耐腐蚀全位置焊接用气保护药芯焊丝，其特征在于：药粉中的各种矿物质的颗粒度不超过80~200目。