一种含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝
技术领域
本发明涉及一种含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝,属于材料加工工程的焊接领域。
背景技术
不锈钢以其优良的耐腐蚀性广泛应用于石油、化工、机械、电力等行业,其中奥氏体不锈钢的应用最为广泛,最为典型的奥氏体不锈钢为304不锈钢,含有18wt%Cr和8wt%Ni,其他奥氏体不锈钢则在304不锈钢基础上衍生而来。
304不锈钢在大气等介质环境下有优异的耐腐蚀性能,但焊接或热处理过程会改变其组织或应力状态,增加不锈钢对腐蚀破坏的敏感性,产生晶间腐蚀、点蚀等,其中以晶间腐蚀最为常见。304不锈钢发生晶间腐蚀的原因是在焊接或热处理过程中,富铬的M23C6型碳化物在晶界析出,其周围将形成贫铬区,促使晶界的快速腐蚀,降低不锈钢的耐晶间腐蚀性能。
为改善304不锈钢的耐晶间腐蚀性能,通常在304不锈钢中添加稳定化元素钛或铌。钛或铌优先与碳结合形成MC型碳化物,以固定不锈钢中的碳,阻止M23C6型碳化物的析出,而且MC型碳化物在焊接或热处理过程中不会发生溶解或分解,可提高不锈钢的耐晶间腐蚀性能。
焊接含稳定化元素钛或铌的不锈钢时,为保证焊缝金属的耐腐蚀性能与母材金属匹配,必须同样使用含稳定化元素的焊丝。但在不锈钢焊丝中添加铌后,焊接时极易造成严重的粘渣。这是由于焊接过程中,铌优先和氧结合生成NbO,与渣中的FeO、MnO等结合,形成体心立方晶格的尖晶石型化合物MeO·Me2O3,这种尖晶石型化合物的晶格常数与FeO的晶格常数相差不大,两者可以联成共同晶格,使熔渣和焊缝金属通过FeO薄膜而牢固地联系起来,导致焊丝脱渣性恶化,焊缝金属表面出现粘渣现象。
另外焊接含钛或铌不锈钢,要求焊接材料具有良好的焊接工艺性能,如焊缝成形优良,电弧稳定性高,焊接飞溅少等,特别是焊缝成形质量,是影响焊接接头质量的重要因素。若焊缝成形质量差,易导致焊缝应力集中,降低焊接接头强度和耐腐蚀性能,引起不锈钢构件失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝,该焊丝具有良好的焊接工艺性能,脱渣性好、焊接飞溅小,焊缝成形质量高,适用于含钛或铌奥氏体不锈钢的全位置焊接。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝,由药粉和外用不锈钢带组成,所述药芯占焊丝总重量的21.0~25.0%,药芯由以下重量百分含量的组分组成:铬粉15.0~18.0%,镍粉9.5~11.0%,铌铁4.0~5.0%,电解锰4.0~6.0%,硅钙合金粉1.0~3.0%,金红石10.0~15.0%,石英3.5~5.0%,锆英砂15.0~20.0%,长石6.0~11.0%,冰晶石1.5~2.5%,碳酸锂0.5~1.0%,氧化铋0.5~0.8%,铁粉余量。
所述的含钛或铌的奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝为酸性渣系,主要由二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)和二氧化硅(SiO2)组成,其来自于焊丝药粉中的造渣组元,如金红石、石英、长石、锆英砂等。药芯中的各组分在焊接过程中所起的作用为:
铬粉:向焊丝熔敷金属中过渡铬元素。
镍粉:向焊丝熔敷金属中过渡镍元素。
铌铁:向焊丝熔敷金属中过渡铌元素,提高焊缝金属的耐晶间腐蚀性能。
电解锰:脱氧、脱硫,并向焊丝熔敷金属中过渡锰元素。锰与硅元素(主要来自硅钙合金)保持适当比例,可联合脱氧,形成熔点低、密度小的硅酸锰,在钢液中处于液态,容易聚合成半径大的质点,浮到渣中,降低钢液和焊缝金属中的含氧量,减少氧化铌的形成。
硅钙合金粉:硅、钙联合脱氧,减少铌元素的氧化。
金红石:主要的造渣剂,可以改善焊缝金属的脱渣性和成形质量,适量的金红石可改善电弧稳定性,但加入量过多反而会降低电弧质量。
石英:主要的造渣剂,增加熔渣的酸度,调整熔渣的粘度和氧化性,但加入量过多会增加熔敷金属中氧化物夹杂量,降低焊缝成形质量。
锆英砂:主要的造渣剂,调整熔渣的物理化学性能,改善焊缝金属的脱渣性,提高熔化系数,锆英砂中的二氧化锆在焊接过程中发生晶型变化,引起熔渣热膨胀系数的改变,也有利于焊缝金属的脱渣。
长石:用于造渣,调整熔渣的物理化学性能,稳定电弧、细化熔滴的作用。加入量小于4%时,稳弧和改善熔渣物化性能的作用不显著,但加入量过大则会提高熔渣的酸度,导致焊缝金属中氧化硅夹渣增多,并增加焊缝气孔倾向。
冰晶石:去氢,增加焊缝渣壳流动性,降低焊缝金属气孔倾向。
碳酸锂:焊接过程中分解为氧化锂和二氧化碳,提高焊缝金属的抗气孔能力。
氧化铋:提高焊缝金属的脱渣性,是不锈钢药芯焊丝改善脱渣性的重要组分。
本发明通过优化焊丝药粉各造渣组元的组成,调整熔渣的物化性质,使其与焊缝金属达到最佳匹配,以获得成形良好的焊缝。除参与造渣外,TiO2、ZrO2还利于焊接电弧集中,减少焊接飞溅,SiO2提高熔渣的氧化性,在焊接过程中还原得到的Si元素过渡进入焊缝金属,可增加焊缝金属的流动性,改善焊缝成形。当TiO2与ZrO2的加入量之和与SiO2的加入量之间的比例低于1.5时,上述作用并不明显;但高于2.0时,会导致焊缝渣壳变厚,出现压铁水的情况,反而恶化焊缝成形,同时也不利于焊接气体的逸出,易造成气孔和压坑缺陷。因此本发明的药芯中控制TiO2与ZrO2的加入量之和与SiO2的含量之间的比例优选为1.5~2.0。
对含钛或铌的奥氏体不锈钢而言,由于钛或铌元素的存在,焊接冶金反应中易形成氧化铌或氧化钛等尖晶石结构的氧化物,与氧化铁形成共同晶格,恶化焊缝脱渣。本发明通过在焊丝药粉中引入锰粉和硅钙合金粉,并控制两者的比例,利用硅、钙、锰联合脱氧,形成低熔点氧化物,浮于熔池表面,提高焊缝脱渣率。钙的脱氧能力强于锰元素,但蒸气压高,在钢液溶解度小,单独用钙脱氧效果差。利用硅、钙、锰联合脱氧,可提高钙的溶解度,减少蒸发损失,形成低熔点的硅酸钙和硅酸锰,同时对氧化铝还起助熔作用。在本发明的药芯中,锰粉与硅钙合金粉的含量之比优选为2.0~3.0。
在所述的含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝中,所述硅钙合金粉中硅的重量百分含量为55~65%,钙的重量百分含量大于30%。
在所述的含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝中,所述外用不锈钢带为奥氏体不锈钢带304L,其含碳量小于0.02wt%。
在所述的含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝中,所述药芯焊丝的直径为0.9mm~1.2mm。
所述含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝的制备方法包括以下步骤:
(1)按照所述药芯的配方配置好药芯粉末,将含碳量小于0.02%(重量)的奥氏体不锈钢带轧成U形,向U形槽内加入占焊丝总重量21.0~25.0%的药芯粉末;
(2)将U形槽合口后,依次进行轧制成型、光亮退火,拉拔减径处理,得到焊丝;
(3)对焊丝表面进行机械清理,得到所述含钛或含铌奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝的最终产品。
本发明的有益效果为:
本发明通过优化药芯焊丝药粉中各造渣组元(如金红石、石英、锆英砂,长石等)的加入量,从而控制药粉中二氧化钛(TiO2)与二氧化锆(ZrO2)的加入量之和与二氧化硅(SiO2)的加入量之间的比例,实现焊缝金属与熔渣的物理化学性质最佳匹配,得到成形质量优良的焊缝;同时通过控制药粉中锰粉和硅钙合金的比例,减少合金元素的氧化烧损,并形成低熔点的硅酸盐,提高焊缝脱渣率,得到一种适用于含钛或铌奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝。
本发明的药芯焊丝适用于100%CO2气体保护焊,焊接工艺性能优良,焊缝成形质量好,脱渣优良、无气孔、裂纹、夹渣等冶金缺陷,焊丝熔敷金属的各项性能均符合国标要求(GB/T17853《不锈钢药芯焊丝》),适用于含钛或铌奥氏体不锈钢的全位置焊接。
具体实施方式
本发明提供了一种含铌或钛奥氏体不锈钢全位置焊接用药芯焊丝,它由外用钢带和其中的焊丝药芯组成,其具体实施方式如下:
所述外用钢带选择含碳量小于0.02wt%的奥氏体不锈钢钢带304L。
所述焊丝药芯的组成为:铬粉15.0~18.0%,镍粉9.5~11.0%,铌铁4.0~5.0%,电解锰4.0~6.0%,硅钙合金粉1.0~3.0%(硅含量为55~65%,钙含量大于30%),金红石(主要成分为TiO2)10.0~15.0%,石英(主要成分为SiO2)3.5~5.0%,锆英砂(主要成分为ZrO2、SiO2)15.0~20.0%,长石(主要成分为Na2O、K2O、SiO2、Al2O3)6.0~11.0%,冰晶石1.5~2.5%,碳酸锂0.5~1.0%,氧化铋0.5~0.8%,其余为铁粉。
本发明的奥氏体不锈钢焊接用药芯焊丝的制造采用以下步骤:
(1)将厚度0.4mm,宽度10mm的超低碳奥氏体不锈钢带轧成U形,向U形槽内加入占本发明焊丝总重21.0~25.0%的药粉;
(2)将U形槽合口后,通过轧制成型、光亮退火,拉拔减径,最终达到成品直径,成品直径规格为0.9mm~1.2mm;
(3)对焊丝表面进行机械清理,得到最终产品。
实施例1
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将150g铬粉,95g镍粉,40g铌铁,40g电解锰,15g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为34%),100g金红石,35g石英,150g锆英砂,60g长石,15g冰晶石,5g碳酸锂,5g氧化铋,290g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为21%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为0.9mm。
实施例2
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将180g铬粉,110g镍粉,50g铌铁,60g电解锰,30g硅钙合金粉(钙含量为56%,硅含量为32%),150g金红石,50g石英,200g锆英砂,110g长石,25g冰晶石,10g碳酸锂,8g氧化铋,17g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为21%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
实施例3
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将180g铬粉,110g镍粉,50g铌铁,60g电解锰,30g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为35%),150g金红石,50g石英,200g锆英砂,60g长石,25g冰晶石,10g碳酸锂,8g氧化铋,67g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为21%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为0.9mm。
实施例4
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3348g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将160g铬粉,100g镍粉,45g铌铁,50g电解锰,20g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为35%),130g金红石,40g石英,180g锆英砂,80g长石,20g冰晶石,8g碳酸锂,7g氧化铋,160g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为23%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
实施例5
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3348g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将170g铬粉,105g镍粉,45g铌铁,55g电解锰,25g硅钙合金粉(钙含量为60%,硅含量为35%),140g金红石,45g石英,190g锆英砂,90g长石,20g冰晶石,8g碳酸锂,6g氧化铋,101g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为23%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
实施例6
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3000g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将150g铬粉,95g镍粉,40g铌铁,40g电解锰,15g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为35%),100g金红石,35g石英,150g锆英砂,60g长石,15g冰晶石,5g碳酸锂,5g氧化铋,290g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为25%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为0.9mm。
实施例7
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3000g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将180g铬粉,110g镍粉,50g铌铁,60g电解锰,30g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为36%),150g金红石,50g石英,200g锆英砂,110g长石,25g冰晶石,10g碳酸锂,8g氧化铋,17g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为25%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
对比例1
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将150g铬粉,95g镍粉,40g铌铁,40g电解锰,10g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为34%),100g金红石,35g石英,150g锆英砂,60g长石,15g冰晶石,6g碳酸锂,5g氧化铋,294g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为21%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
对比例2
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3000g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将180g铬粉,110g镍粉,50g铌铁,60g电解锰,40g硅钙合金粉(钙含量为56%,硅含量为32%),150g金红石,50g石英,200g锆英砂,110g长石,25g冰晶石,10g碳酸锂,8g氧化铋,7g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为25%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
对比例3
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3762g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将180g铬粉,110g镍粉,50g铌铁,60g电解锰,30g硅钙合金粉(钙含量为58%,硅含量为36%),120g金红石,50g石英,200g锆英砂,140g长石,25g冰晶石,6g碳酸锂,8g氧化铋,21g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为21%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
对比例4
选用厚度0.4mm、宽度10mm、重量为3000g的奥氏体不锈钢带304L,将其轧成U型,将150g铬粉,100g镍粉,40g铌铁,40g电解锰,20g硅钙合金粉(钙含量为60%,硅含量为35%),140g金红石,35g石英,200g锆英砂,50g长石,15g冰晶石,10g碳酸锂,6g氧化铋,194g铁粉,共1000g药粉,混合均匀后加入U型槽中,填充率为25%,合口后经过轧制减径、光亮退火、拉拔减径,最终成品焊丝直径为1.2mm。
对各实施例及对比例性能的评价:
鉴于药芯焊丝焊接工艺性能评定尚无统一标准,借用JB/T8423《电焊条焊接工艺性能评定方法》标准对不锈钢药芯焊丝的焊接工艺性能(焊缝成形、电弧稳定性、焊缝脱渣性、焊接飞溅率等、焊缝气孔倾向)进行评价。各实施例及对比例的效果对比如表1所示:
表1 各实施例及对比例的焊丝性能评价
注:差①为焊缝渣壳覆盖不全;差②为焊缝渣壳过厚,焊道表面欠光滑。
如表1所示,锰粉和硅钙合金粉的含量比大于3.0的对比例1,焊缝脱渣率明显低于其他实施例;锰粉和硅钙合金粉的含量比小于2.0的对比例2,焊缝脱渣率明显低于其他实施例;TiO2与ZrO2的加入量之和与SiO2的加入量之间的比例小于1.5的对比例3,焊缝成形质量、电弧稳定性及其他焊接工艺性能明显低于其他实施例;TiO2与ZrO2的加入量之和与SiO2的加入量之间的比例大于1.0的对比例4,焊缝成形质量明显低于其他实施例,且焊缝的气孔倾向明显高于其他实施例。
实施例1~7所制的药芯焊丝,其全位置焊接工艺性好,焊缝成形质量好,脱渣率高,电弧稳定性高,焊接飞溅率低,焊缝气孔倾向低,其综合性能显著优于对比例1~4。