CN103418937A

CN103418937A - 用于焊接高屈服强度钢的药芯焊丝

Info

Publication number: CN103418937A
Application number: CN2013101900489A
Authority: CN
Inventors: G·埃拉尔
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Air Liquide Welding France
Current assignee: Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2013-12-04
Also published as: FR2990636A1; EP2666575A1; FR2990636B1

Abstract

本发明涉及用于焊接高屈服强度钢的药芯焊丝。更具体地，本发明设计用于焊接高屈服强度钢或HYS钢的药芯焊丝和使用该药芯焊丝焊接HYS钢的方法。该电弧焊药芯焊丝包含容纳填充料的钢制外护套，相对于药芯焊丝的总重量，所述填充料包含，1.5重量％至7重量％TiO₂、多于1重量％至7重量％ZrO₂和至少75重量％铁。

Description

用于焊接高屈服强度钢的药芯焊丝

本发明涉及设计用于焊接高屈服强度钢或HYS钢的药芯焊丝（焊剂芯焊丝，flux-cored wire）和使用该药芯焊丝焊接HYS钢的方法。

越来越多地使用高屈服强度（HYS）钢，即具有大于或等于460MPa的屈服强度的钢，因为它们能降低建造中所用的金属结构的厚度。

可以提到例如海上平台的金属结构，更特别是由钢形成的腿，其屈服强度通常大于690MPa，或水电站坝的闸门和起重机械的臂。

这能够限制所用钢的厚度和显著降低最终结构的重量。

根据所考虑的要焊接的结构，必须采用适当的焊接解决方案。

但是，常常遇到在焊接金属区中的冷裂纹和机械性质的问题。

目前，存在用于焊接HYS钢的耗材，它们是金红石、碱性和金属芯的药芯焊丝类型。

这三种类型的焊丝具有优点和缺点。

例如，金红石药芯焊丝的工作质量非常有价值，即非常好的脱渣、全位置焊接和高生产率，特别是在向上立焊位置7至10米/分钟的焊丝速度，这相当于3至4kg/h的扁珠沉积速率，几乎不用通过研磨返工。

遗憾的是，当焊接的钢形成合金、尤其是与元素Cr、Ni、Mo、V和/或Nb形成合金时，金红石药芯焊丝在技术上受到限制，如果在最终接点上预计存在应力消除处理，更受到限制。

与金红石渣一起使用这样的焊丝使得源自该耗材的钛（Ti）相当大量转移至焊接金属，该钛与来自基底金属的一种或多种上述合金元素结合，这引发钢的显著硬化效应并表现为拉伸性质的提高和弹性的必然降低。

实际上，金红石药芯焊丝通常在焊剂中包含大约50重量％TiO₂，这种钛在焊接操作过程中转移至焊接金属区。

此外，另外的钛可能源自用作材料的构成元素或为杂质形式的铁合金（FeSiTi），也可能存在于焊接接头中。

钛的这些各种来源导致钛（Ti）的总含量通常为相对于焊接接头重量的300至650重量ppm。

但是，在HYS钢的情况下，在焊接金属中，有利于获得良好弹性和充足张力度的钛值小于300ppm。

钛的转移因此太高并相对不规则，尽管这种元素对HSY钢组装件上的接头的机械强度是重要的。

用于制造该耗材（带状或管状药芯焊丝）的电参数、焊接位置和技术影响钛的转移，但它们不足以将观察到的所有变化计入考虑。

此外，碱性药芯焊丝本身仅将极少的钛转移到焊接金属中。它们因此不发生机械性质的此类劣化。

此外，它们的优点在于在沉积的金属中具有特别低的扩散氢值和氧值，通常大约小于2毫升H₂/100克金属和300至350ppm氧。

遗憾的是，碱性药芯焊丝仍然非常难在所有位置焊接，更特别是在向上立焊位置，由此实现大约1至2千克/小时的生产率水平，即是金红石药芯焊丝的1/2至1/3。最后，金属芯的药芯焊丝的优点在于没有熔渣，这对俯焊是理想的，不必清洁焊珠以从中除去熔渣。

为此，必须在焊丝中不存在Ti，正如上述碱性焊丝那样，这能够大大限制沉积的金属的Ti含量。

但是，金属芯药芯焊丝受困于在必须原位焊接时不存在熔渣，因此将它们在向上立焊位置中的应用限制于大约1至2千克/小时的低效率，因此此处的效率也是金红石药芯焊丝的1/2至1/3。

总之，金红石药芯焊丝向焊接接头转移太多钛，而碱性焊丝尽管由于它们的熔渣不基于金红石而能够保持非常低的钛含量，即100至200ppm，但造成低生产率，此外，它们在组装操作过程中对焊机专业人员的巨大需要妨碍它们在建筑工地的广泛利用。

此外，更通常地，目前可得的焊材，即现有焊丝，不可能一方面获得所需水平的屈服强度，另一方面获得高张力度和良好弹性，后两种性质通常是对立的。

面对的问题是提供能够解决所有或一部分这些问题的焊材，即焊丝，特别是能够获得具有所需水平的屈服强度、高张力度（即在环境温度（即20℃）至少或大于690MPa）和良好弹性（即在-40℃至少或大于69J和/或在-60℃至少或大于47J）的焊接金属的焊丝。

换言之，本发明旨在提供造成焊接接头的良好机械性质并在全位置焊接中容易使用的焊丝，即特别地能够获得具有小于300ppm的Ti含量的沉积金属而因此与碱性焊丝相当的、并确保与金红石焊丝相当的生产率和操作性能的焊丝。

本发明的解决方案是一种电弧焊药芯焊丝（焊剂芯焊丝，flux-coredwire），其包含容纳填充料的钢制外护套（例如管状护套），其特征在于，相对于药芯焊丝的总重量，所述填充料包含1.5重量％至7重量％TiO₂（金红石）、多于1重量％至7重量％ZrO₂（氧化锆）和至少75重量％铁。

本发明的药芯焊丝因此含有金红石/氧化锆混合物，而不仅仅是金红石，以降低通过熔融焊丝获得的沉积金属中的钛（Ti）量和使得在利用电弧使其熔融后从焊丝向焊池的金属转移比碱性焊丝更稳定，同时确保足量的熔渣。

实际上，这样将氧化锆添加到金红石中以形成金红石/氧化锆混合物能够降低药芯焊丝的填充焊剂中的金红石比例，并因此降低转移到焊接金属中的钛量。

由于这样的金红石/氧化锆混合物，本发明的药芯焊丝能在确保与无氧化锆的金红石焊丝相当的可焊性和生产率的同时获得预期机械性质，即能够避免无氧化锆的金红石药芯焊丝特别在HYS钢焊接过程中面对的缺点和问题。

实际上，钛的硬化效应是已知的并由文献：K Hirabayashi等人,Improvement of toughness of submerged arc weld metal of low temperatureservice line pipe,Doc.XII-A-135-77,IIW and G.M.Evans,The effect oftitanium in SMA C-Mn Steel multipass deposits,72nd AWS AnnualConvention,1991年4月16-18论证。

因此，已经证实，钛对焊接点的机械性质、特别是对它们的弹性具有影响。因此最好限制钛的存在以期获得良好的弹性水平。

但是，所用钛含量取决于许多因素，例如：

-金属的组成，例如文献：S.Nakano等人,Optimizing the titaniumeffect on weld metal toughness,Doc.XII-B-182-75(1975),IIW论证；

-氮含量，例如文献：H Terashima等人,Effects of Ti,Al and N ontoughness in60kg/mm²class submerged arc weld metal,Doc.IX-1196-81,1981,IIW论证；和

-氧量，例如文献：T.Suga等人,Toughness of weld metal by MAGwelding flux-cored for low temperature service steel,Doc.XII-1492-97,IIW论证。

根据本发明，药芯焊丝中的总钛含量限于3.5重量％，优选1.10％至3.5％，以保持钛的有益作用和获得焊接接头的良好机械性质，尤其是在弹性方面，此外，添加氧化锆以能获得容易使用并适合全位置焊接的焊丝，特别是在用于焊接HYS钢的操作过程中。

实际上，焊接金属中的屈服强度与其化学组成、尤其是其钛含量直接相关，因此必须小心选择用于制造焊接接头（焊接金属）的焊丝的组成，以便能获得高拉伸性质，同时使弹性水平保持高于目标用途所需的最低限度，这不以损害易用性和原位焊接为代价。

可以使用下列分析技术进行构成药芯焊丝的元素的含量的分析和测定：

ICP或电感耦合等离子体

-C.Trasset和J.M.Mermet,Les applications analytiques des plasmaHF[HF等离子体的分析应用],Paris Technique et Documentation;Lavoisier;1984。

-R.H.Wendt等人,Induction coupled plasma source spectrometricexcitation,Anal.Chem.;USA;37,第920页;1965。

-R.K.Winge等人,Inductively coupled plasma-atomic emissionspectroscopy:an atlas of spectral information;Amsterdam;1985;Elsevier。

-I.B.Brenner等人,A spectral line atlas for multitrace and minorelement analysis of geological and ore mineral samples by ICP-AES,ICPInform.Newsletter;USA;10,第45页;1984。

X-射线荧光

-E.P.Bertin,Principles and Practice of X-Ray Spectrometric Analysis,Heyden&Son Ltd,第2版,1975年4月.

可以使用下述分析技术进行构成沉积金属的元素的含量的分析和测定：

发射光谱法:

下述文献特别描述了这种技术：

-W.Grimm,Spectrochemica Acta23B,第443页;1968。

-R.Berneron,Spectrochemica Acta33B,第665页;1978。

-R.Berneron和J.C.Charbonnier,Surf.and Interface Anal.3,第134页;1981。

O/N元素分析

-如下述文献描述的用热导率检测器进行的氮的热导率测量术:

.G.Guiochon等人,Gas Chromatography in Inorganics andOrganometallics,Ann Arbor Science Publishers,Ann Arbor Mich.;1973。

.T.S.Harrison,"Handbook of Analytical Control of Iron and SteelProduction",John Wiley and Sons,New York,Chichester,Brisbane,Toronto,1979。

-基于样品熔融后的CO和CO₂物类的分析的非色散红外氧传感器，如下教导：

-标准ISO17053:2005;Steel and iron--Determination of oxygen--Infrared method after fusion under inert gas（钢和铁--氧的测定--在惰性气体下熔融后的红外法）；

-标准ASTM E1019–08;Standard Test Methods for Determinationof Carbon,Sulfur,Nitrogen,and Oxygen in Steel,Iron,Nickel,and CobaltAlloys by Various Combustion and Fusion Techniques（通过各种燃烧和熔融技术测定钢、铁、镍和钴合金中的碳、硫、氮和氧的标准试验方法）。

根据情况，本发明的药芯焊丝可包含一个或多个下述技术特征：

-其含有少于6.5重量％TiO₂，优选少于6.2重量％TiO₂，更优选少于6重量％TiO₂。

-其含有多于1.6重量％TiO₂，优选多于1.7重量％TiO₂，更优选多于1.8重量％TiO₂。其通常含有至少1.9重量％TiO₂。

-其含有少于6.5％ZrO₂，优选少于6.3％ZrO₂，更优选少于6％ZrO₂。其通常含有少于5.9％ZrO₂。

-其含有多于1.2％ZrO₂。

-其通常含有至少1.5％ZrO₂。

-其含有至少80重量％铁。

-该药芯焊丝的填充率为10％至20％，填充率优选为14％至17％。

-其含有0.01％至0.5％Al，优选0.03％至0.4％Al，更优选0.05％至0.2％Al，通常0.05％至0.15％Al。

-其含有0.0005％至0.55％Li、Na和/或K，优选至少0.003％Li、Na和/或K。

-其含有0.1％至1.5％Si，优选0.2％至1％Si，更优选0.2％至0.8％Si，通常0.3至0.7％Si。

-其含有0.01％至0.1％C，优选0.02％至0.09％。

-其含有1.5％至3％Mn，优选1.7％至2.9％Mn，通常1.8％至2.7％Mn。

-其含有0.005％至3.2％Ni，优选0.01％至3％Ni。

-其含有0.0001％至0.015％B，优选0.0001％至0.012％B。

-其含有0.001％至0.5％Mo，优选0.001％至0.4％Mo。

-其含有0.01％至0.25％Cr，优选0.01％至0.20％Cr。

-其含有0.10％至0.80％Mg，优选0.20％至0.70％Mg。

-其包含由钢制成的外护套，该钢含有铁、少于0.15％C、少于0.7％Si、少于1.8％Mn、少于0.001％Mo、少于1.5％Ni、少于0.15％Cr和/或少于0.003％B（焊丝的重量％）。

-其包含由钢制成的外护套，该钢含有铁、0.01％至0.10％C、0.001％至0.50％Si、0.001％至1.5％Mn、少于0.001％Mo、0.001％至1％Ni、0.001％至0.10％Cr和/或少于0.003％B（焊丝的重量％）。

实际上，通常，本发明的药芯焊丝的焊剂应优选含有1.5％至4％比例的Mg和/或Al/Mg，以保持氧和可扩散氢的低含量。

类似地，可以使用Al-Mg、氧化铝，更特别是碱性长石，即Li、Na和/或K的长石而引入铝。

铝是对氧化敏感的元素，从而能够降低沉积金属中的氧含量并在形成氧化物时，其有助于熔渣的形成。

此外，也可以使用含碳酸盐的材料、氟化物、冰晶石、氯化物、氧化物引入碱金属元素，例如Li、Na和/或K，但更特别优选以硅酸盐和/或长石形式引入它们。这些能够实现电弧的稳定化并有助于熔融焊剂。

可以通过硅锰铁、硅锆铁、二氧化硅、硅化钙、锆砂、更特别通过硅铁而引入硅。硅能够确保焊珠的良好润湿并改进沉积金属的机械性质。

此外，通常，钛可以以铁钛、铁和钛的混合氧化物、更特别地天然或合成氧化钛的形式引入，而锆可以以硅锆铁、锆砂、更特别地氧化锆的形式引入。因此也必须留意该药芯焊丝的总钛（Ti）含量。

可以使用铁锰碳化物、更特别是石墨引入碳，可以使用纯钼、更特别是钼铁引入钼。这些可以改进沉积金属的机械性质。

可以使用纯镍引入镍和使用硼铁引入硼。这些也可以改进沉积金属的机械性质。

最后，可以使用铁锰碳化物、锰铁和更特别地纯锰引入锰，以改进沉积金属的机械性质。

本发明还涉及电弧焊接具有大于或等于460MPa的高屈服强度（HYS）的一个或多个钢部件的方法，其中使用本发明的药芯焊丝。

优选地，要焊接的部件由具有大于或等于520MPa、通常至少690MPa的屈服强度的HYS钢制成。

在焊接过程中，使用选自氩和CO₂和/或O₂的混合物的保护气体。

由于本发明的焊接法，通过在环境温度（即20℃）具有至少490MPa、通常至少690MPa的张力度和在-40℃具有至少69J的弹性和/或在-60℃具有至少47J的弹性的焊接接头将部件接合在一起。此外，通过熔融药芯焊丝和被源自部件的基底金属稀释而获得的构成这种焊接接头的沉积金属具有小于300ppm的Ti含量。

由于下述实施例和联系附图给出的下述解释，现在更好地理解本发明，其中：

-图1代表可用于实施本发明的焊接法的气体保护自耗焊丝电弧焊装置的一个实施方案的示意图，

-图2代表使用来自图1的装置进行的片材焊接操作的剖面示意图，

-图3代表为表征沉积金属的机械性质而制成的无稀释的沉积物的示意图，其包含一系列各自由三遍焊接形成的层，

-图4代表弹性试验试样的中高采样位置，其切口位于为表征沉积金属的机械性质而制成的无稀释的沉积物的被称作退火区的区域中。

-图5代表弹性试验试样的中高采样位置，其切口位于为表征沉积金属的机械性质而制成的无稀释的沉积物的被称作未受影响区的区域中。

-图6代表为表征沉积金属的机械性质而制成的无稀释的沉积物的从沉积物纵轴提取的圆柱形拉伸试样的中高采样位置。

下面的实施例是借助如图1中所示的电弧焊装置制造的，其包含电流发生器10、焊接气体源20、焊枪30、根据本发明的自耗焊丝进给轴40，和自耗焊丝驱动进给单元50或送丝器。

发生器10通过第一电缆60与要焊接的板70连接，并通过第二电缆80与自耗焊丝驱动进给单元50连接，以在自耗焊丝与要焊接的板之间输送所需电信号。

气体管道或管线100能通过驱动进给单元50向焊枪供应气体。气体源20可以是气瓶，例如由已添加18％CO₂（体积％）的氩气构成的气体混合物，对应于Air Liquide以标号ATAL5A^TM出售的标准NF EN439的标准M21。

控制电缆90还将发生器10与自耗焊丝驱动进给单元50连接，以使电流强度适应焊丝进给速度。

例如，电流发生器10是Digiwave500焊接机，焊枪30是Promig441W焊枪，送丝器50是Air Liquide Welding出售的Digiwave DV500CDR送丝器。

图2代表使用来自图1的焊枪30和装置焊接HYS钢部件的操作。

在焊枪的末端喷嘴31中区分本发明的自耗焊丝32的终端部分、引导这一焊丝并向其输送电流的导电管33、从焊枪朝要焊接的板70射出的气柱34、和焊池35，焊池35由该板和自耗电极的熔融形成，并在冷却后形成焊珠36。

一般而言，本发明涉及本发明的药芯焊丝用于实施气体保护的平滑或脉冲电流电弧焊的用途，利用电弧熔融该药芯焊丝以进行HYS钢部件的焊接。

在例如使用来自图1的装置的本发明焊接法的实施过程中，因此在要焊接的HYS钢板与本发明的自耗焊丝32之间射出电弧，所述自耗焊丝32通过平移运动移动并逐渐被电弧熔融，由此有助于形成焊珠36。

实施例

在下面记录的试验中，所用装置如图1和2中所述。

使用ATAL5A（组成：氩气+18体积％CO₂）保护气体制造用于分析无稀释的金属的沉积物。

受试药芯焊丝视情况而定是“带状”技术的焊丝，或焊接的管状焊丝，特别是“Oerlikon”技术的焊丝。

下面提出的焊接金属的分析都在无稀释的沉积物上进行。

这种沉积物由产生的至少七个连续层的堆叠体构成，所述连续层通过熔融焊丝及其沉积到根据标准EN10025的S235JRG2类型的非合金钢上而获得。

“带状”焊丝

以不同的金红石/氧化锆比制造数个直径1.2毫米的带状焊丝，以测定其对钛转移和对产品可焊性的影响。

为此，以本身已知的方式，将钢板或带成型成“U”形，并借助构成焊剂的填充料填充。然后通过封闭其纵向边缘并获得“O”形来封闭该条带，然后任选地将其拉丝（wire-drawn）和/或辊轧成所需直径，在此为1.2毫米。

测试下述75/25、50/50、25/75和0/100的氧化锆/金红石的重量比。除这种比率外，用于这些药芯焊丝的焊剂的组成保持相同。

在下表A中给出了各种焊丝中所含的填充焊剂的重量组成；应该指出，该焊剂的组成用铁粉配至100％。

此外，在表B中给出了各种受试焊丝（药芯焊丝1至20）的重量组成。该药芯焊丝的填充率为大约14％至17％不等。

所用焊接参数如下：

-焊丝速度=11.5m/min；

-28至29V的焊接电压；

-265至290A的焊接强度。

结果记录在下表1中，其中给出了用受试焊丝获得的沉积金属（即焊接接头）的无稀释组成。

表1:沉积金属的组成

（以重量％表示的值）

可以看出，比率0/100（药芯焊丝no.1）产生了不令人满意的药芯焊丝，因为在沉积金属中获得的Ti含量为大约800ppm（即0.08％），因此太高以致无法确保良好弹性。实际上，如已经提到，在HYS钢的情况下，为了获得良好弹性和充足张力度，焊接金属中的钛含量应优选小于300ppm。

此外，25/75、50/50和75/25的焊丝比（分别为药芯焊丝nos.4、3和2）分别表现出在原位焊接操作过程中、更特别在向上立焊位置中（焊丝速度=8.5m/min，电压=24-25V和强度=220-230A）被判断为普通但好到足够使用的操作性能，尤其是对药芯焊丝no.4而言（由于钛含量为220ppm），但nos.2和3也如此，尽管钛含量太高，即分别350和440ppm。

换言之，取决于焊剂中氧化锆和金红石的比例，清楚观察到钛（Ti）含量从800ppm降至220ppm。实际上，焊剂中的金红石越少，焊接金属区中的钛含量越低，因此越多地改进弹性和张力。

还应指出，这些焊丝没有提高锆转移到焊接金属中的量，而其它元素（例如碳、硅和锰）以获得HYS钢所需的代表性含量存在，没有合金元素，例如镍、钼、硼和/或铬。因此，金红石被氧化锆取代不会不利地影响焊接接头的其它元素。

因此，为了能降低焊接金属区中的Ti含量并同时保持与传统金红石焊丝相当的操作品质和生产率，在50/50金红石/锆基础上继续开发焊丝。我们确实看出，50/50焊丝在低钛含量与操作性能之间具有最佳折衷。

实际上，用25/75焊丝获得的低钛含量是有利的，但其操作性能将不能保证由其制造在工业层面容易使用的焊丝。

关于用75/25焊丝获得的操作性能，考虑到它们类似于用50/50焊丝获得的那些，偏重的是焊接金属中钛含量的最大降低，因此为其余试验选择50/50焊丝。

由此开始，配制直径1.2毫米的其它药芯焊丝。在表A中给出了各种受试焊丝中所含的焊剂的重量组成（该焊剂的组成用铁粉配至100％），并在表B中给出了各种受试药芯焊丝的重量组成。

调节至1％至1.80％的锰含量、0.10％至0.50％的钼含量、0.15％至0.50％的硅含量、1.80％至2.80％的镍含量、0.02％至0.20％的铬含量和0.0002％至0.0040％的硼含量，以观察它们对机械性质的影响。

如上测试这些焊丝。

受试的带状焊丝都基于包含按重量计与氧化锆一样多的金红石（50/50）的焊剂组合物，它们能够以相对稳定和可再现的方式降低焊接金属中所含的钛量。如对来自表2的新型药芯焊丝nos.5至12获得的结果所示。因为它们产生了含有大约170至310ppm（因此始终低于350ppm）钛含量并适合焊接HYS钢的焊接接头。

更具体地，表2显示了通过焊接屈服强度690MPa的HYS钢测试的各种合金化药芯焊丝的无稀释的沉积金属的组成。

由此获得的无稀释的焊接金属的组成显示了下述元素中的变化：Si在0.21％至0.35％之间不等，Mn在1.10％至1.66％之间不等，Cr在0.033％至0.15％之间不等，Mo在0.13％至0.39％之间不等，Ni在1.89％至2.71％之间不等，Ti在0.024％至0.031％之间不等，且B在0.0002％至0.0031％之间不等。这些变化来自药芯焊丝的焊剂的组成的有意改动，以评估它们对无稀释的沉积金属的机械性质的影响。

表2

这些药芯焊丝5至12能够测试基于含50/50氧化锆/金红石的药芯焊丝的合金元素的各种余量（balances），以表征它们对以这样的化学组成获得的沉积金属的机械性质的影响。

在这方面观察到，这些各种余量影响了无稀释的沉积物的机械性质。实际上，只有药芯焊丝nos.8、9和11具有在-40℃大于69J和/或在-60℃大于47J的弹性水平及大于690MPa的屈服强度。药芯焊丝nos.5至7具有大于690MPa的屈服强度，但在-40℃仅大于47J的弹性水平。药芯焊丝nos.10和12本身具有在-40℃大于69J和/或在-60℃大于47J的弹性水平及仅大于630MPa的屈服强度。

在所有情况下，可以注意到尽管药芯焊丝5至12的化学组成有大的变化，但沉积金属中钛含量的变化相对较小。

管状焊丝

可以根据两种不同方法A和B制造下述试验中所用的管状焊丝，即：

-方法A：如用于“条带”的技术那样，将条带成型成“U”，然后借助干填充焊剂填充。但是，在这种情况下，然后将焊丝封闭（形成O），然后将其气密密封，以由其制造完全密封的药芯焊丝。

-方法B：干焊剂首先使用硅酸盐团聚，以使其粒化，然后干燥和筛分，以最终用于通过振动填充钢管。在填充前，通过成型成“U”、然后成型成“O”、然后沿其纵向边缘焊接的钢金属板制造管。因此仅在焊接后用焊剂进行填充。在这种情况下称为“管状”技术的焊丝。

具有焊接边缘的这些管状焊丝的制造在技术上比“带”型焊丝更复杂，但具有更大的技术优点，因为它们通过焊接气密封闭使它们对水蒸气不敏感。实际上，通过焊接而封闭管防止了在“带”型焊丝上常观察到的吸湿现象。

此外，由于气密封闭，因而可以对焊丝镀铜，因此能够改进其在利用电弧熔融过程中的性能。

在本发明中测试这两种类型的管状焊丝（根据方法A和B）。

用干焊剂填充的管状焊丝（方法A）

对含有干焊剂的管状焊丝进行若干试验。在表A中给出了这些各种受试焊丝（焊丝nos.13至15）中所含的焊剂的重量组成（焊剂的组成用铁粉配至100％），并在表B中给出了各种药芯焊丝的重量组成。

所用焊接装置和设备与上文相同。

所用焊接参数是8.5m/min的焊丝速度、24至25V的焊接电压和220至230A的焊接强度。

所得结果记录在表3中。

表3

这些结果表明，对药芯焊丝nos.13至15而言，尽管焊剂的数种元素（即碳、硅、锰、镍、铬和硼）的化学组成变化，但焊接金属中的钛（Ti）比例保持相对稳定，低于300ppm。由此获得药芯焊丝nos.13、14和15的分别280、170和260重量ppm的钛含量值。

这些元素因此可变而不对沉积金属（即焊接接点）的钛含量造成不利影响。这是有利的，因为可以在更大范围内选择它们各自的比例，以尽可能最好地适应要焊接的HYS钢类型。

此外，在表4中记录了用由相同金红石/氧化锆混合物开始制成的带状焊丝（no.16）和含干焊剂的管状焊丝（no.16B）的无稀释的分析的比较。构成药芯焊丝no.16和16B的填充料的焊剂从它们的化学组成和构成它们的粉末的性质角度看都完全相同。

表4

可以看出，从由相同焊剂（表A中给出了焊剂的组成）构成的通过带型技术制成的药芯焊丝no.16到作为含干焊剂的管状焊丝制成的药芯焊丝no.16B，Ti含量保持低，即小于300重量ppm，并甚至可降至低于200ppm。这种额外的降低证实该制造方法对焊接金属中获得的钛含量的正面影响。这种影响也可见于其它元素，例如降低0.019％的碳、降低0.28％的锰和降低0.19％的镍。因此优选使用含干焊剂的管型药芯焊丝，因为其能确保远低于带型焊丝的钛含量。

使用硅酸盐团聚的管状焊丝（方法B）

测试焊丝（焊丝no.17），该焊丝由与50/50混合TiO₂/ZrO₂基质的药芯焊丝16的焊剂相同配方的焊剂根据Oerlikon法制成，将所述焊剂使用硅酸钾团聚以使其粒化，然后干燥和筛分。

在表A中给出了该焊剂的重量组成（组成的余量为铁粉），并在表B中给出药芯焊丝的重量组成。

所用焊接参数是11.5m/min的焊丝速度、28至29V的焊接电压和265至290A的焊接强度。

所得结果记录在表5中，这给出了无稀释的沉积金属的分析。

表5

在此看出，用药芯焊丝no.17制成的焊接接头也具有低钛值，即小于300ppm。

但是，在检查焊珠后还观察到在各珠内的部分熔融焊剂的夹杂物，这使这些焊丝不适用于制造焊接组装件。

在填充料中含有高比例（即多于25重量％）的ZrO₂的含干焊剂的焊丝（例如焊丝no.16B）没有这种类型的夹杂物，含团聚焊剂的无氧化锆的传统管状焊丝也没有。

所用氧化锆和团聚步骤因此成为出现这些有害夹杂物的两个关键因素。

在此，在已知可以使用Li⁺、Na⁺和/或K⁺的一种或多种硅酸盐的情况下，为了有利于焊剂熔融，通过将硅酸钾换成混合阳离子的硅酸盐，即锂、钾和钠的硅酸盐，来改变团聚步骤。

在与上文相同的条件下测试这样获得的药芯焊丝no.18。

在表A中给出了焊丝no.18中所含的焊剂的重量组成（焊剂组成的余量为铁粉），并在表B中给出了药芯焊丝no.18的重量组成。

用药芯焊丝no.18进行的这些附加试验表明，使用这样的锂、钾和钠的硅酸盐能够防止出现这些不可接受的缺陷，即夹杂物，同时保持具有低钛（即小于300ppm）的焊接金属的无稀释的分析。

因此在药芯焊丝为团聚管状类型时推荐使用锂、钾和/或钠的硅酸盐。

用药芯焊丝no.19进行其它试验，其与药芯焊丝no.18相比调节了Mn、Ni和B。如上所述，在表A和B中给出了焊剂和药芯焊丝no.19的重量组成。

在表6中显示了药芯焊丝no.18和19的无稀释的沉积物的分析。

表6

此表6强调在碳和锰方面优化调节焊丝不会影响转移到焊接金属中的钛量的事实。与带状药芯焊丝的情况相同，这能够优化调节沉积金属的组成，从而在确保沉积金属中的低Ti含量的同时实现目标机械性质（即，在-40℃大于69J和在-60℃大于47J的弹性和大于690MPa的屈服强度）。

下表7显示了在无稀释的沉积金属上获得的分析和机械性质，其中借助用于焊接690MPa型HYS钢的数种氧化锆/金红石基带型焊丝（药芯焊丝nos.8、9和20），以及作为比较，以标号Fluxofil29HD购得的具有含100％金红石（即无氧化锆）的团聚焊剂的管型药芯焊丝no.21。

焊丝8、9和20的沉积金属分析不同，因为元素C、Si、Mn和Ni的变化影响机械性质；焊丝8和9是来自表2的那些。

焊接参数和条件是250A的强度、27.7V的电压、15至20kJ/cm的焊接能量、130至150℃的每遍之间的温度（预热至150℃）和如图3中示意性显示在每层3遍中制成的沉积物。

20毫米厚的板条形式的支撑钢是以10°倒角的A42类型。该支撑板条预先用源自受试焊丝的金属涂布，即覆盖。

如图4（退火区）和5（未受影响区）中所示，在退火区（对应于位于两遍之间的轴）和未受影响区（对应于每遍的轴）中间厚度处测量弹性。

此外，如图6中所示在模具的轴中的中间厚度处测量张力。

表7

通过受试焊丝，能够获得良好的机械性质，因为对各种化学组合物测得的屈服强度都大于或等于690MPa。

但是，药芯焊丝no.20获得了最佳结果，其具有相当高的Mn含量（即至少1.40重量％）和低Ni含量（即小于2.2重量％）。实际上，通过药芯焊丝no.20能够实现最佳折衷，即屈服强度为767MPa，因此明显大于690MPa的拉伸强度，和在-20℃下89J、在-40℃下80J和在-60℃下66J的低温弹性。

作为比较，药芯焊丝no.21——其是100％金红石焊丝，造成沉积金属中的较高钛（Ti）含量，即460ppm，由于已知目标是获得尽可能最高程度的、优选大于或等于690MPa的弹性，因此这导致获得较不有利的屈服强度与弹性之比。

更通常地，应该指出，高屈服强度钢对冷裂纹现象敏感，这种现象与焊接后的焊接金属中扩散氢的残留含量相关联。在具有高机械应力的焊接结构的制造过程中，必须限制这种含量。

与带状焊丝相比，使用管状焊丝的优点是由于焊丝制造法，有可能限制这种含量。

因此，如上述试验所示，对含有50/50氧化锆/金红石的可比较的焊剂基质而言，带状焊丝（药芯焊丝no.20）产生6.8至9.0毫升H₂/100克沉积金属，而管状焊丝（药芯焊丝no.19）产生2.9至3.9毫升H₂/100克沉积金属。

在本发明的情况内，管状焊剂因此是优选的。但是，在对焊接后的部件进行脱氢或加热后热处理的情况下，同样可使用带状焊丝。这种处理包括在焊接后立即将该部件加热至200至350℃的温度，持续可变时间，通常至少1小时，这取决于该部件的厚度。

所有这些试验证实，根据本发明，相对于药芯焊丝的总重量，用于电弧焊高屈服强度钢或HYS钢的药芯焊丝必须包含1.5重量％至7重量％TiO₂、和多于1重量％至7重量％ZrO₂、和受控比例的铁和任选地其它元素，尤其是Mn、Ni等。

Claims

1.电弧焊药芯焊丝，其包含容纳填充料的钢制外护套，其特征在于，相对于药芯焊丝的总重量，所述填充料包含：

-1.5重量％至7重量％TiO₂，

-多于1重量％至7重量％ZrO₂，

-和至少75重量％铁。

2.根据前述权利要求的药芯焊丝，其特征在于其含有少于6.5％ZrO₂，其优选含有少于6％ZrO₂。

3.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有多于1.2重量％ZrO₂。

4.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有至少1.5％ZrO₂。

5.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.0005％至0.55％Li、Na和/或K。

6.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.1％至1.5％Si和/或0.01％至0.5％Al。

7.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.01％至0.1％C。

8.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有1.5％至3％Mn。

9.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.005％至3.2％Ni。

10.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.0001％至0.015％B。

11.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.001％至0.5％Mo。

12.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.01％至0.25％Cr。

13.根据前述权利要求之一的药芯焊丝，其特征在于其含有0.10％至0.80％Mg。

14.电弧焊接具有大于或等于460MPa的高屈服强度（HYS）的一个或多个钢部件的方法，其中使用根据前述权利要求之一的药芯焊丝，HYS钢优选具有大于或等于690MPa的屈服强度。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于使用选自氩和CO₂和/或O₂的混合物的保护气体。