CN103480982B - 一种低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝，它由药芯和外用钢带组成，所述药芯占焊丝总重量的15%-30%，其中药芯各组成占药芯重量的百分比为：金属铬粉：17-23%，金属镍粉：12-15%，电解金属锰4-8%，铝粉：1-4%，钼铁：3-5%，金红石：20-25%，石英:4-6%,锆英砂：3-7%，长石3-5%，冰晶石：1-2%，MFC添加剂：1-5%，余量为铁粉；MFC添加剂包括Zn：25-45%；Cu：5-15%；Si：2-10%；聚四氟乙烯：15-30%，氟化石墨：1-5%；Li₂CO₃：20-40%；机械混合后，需在电炉中加热至200-300℃搅拌均匀。本发明开发一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放、焊接工艺优良的316不锈钢药芯焊丝。

Description

一种低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝

技术领域

本发明涉及适用于焊接18％Cr-12％Ni-2％Mo不锈钢(SUS316、SUS316L等)焊接材料领域，特别是涉及到焊接烟尘中的低六价铬(Cr⁺⁶)含量的气保护316不锈钢药芯焊丝。

背景技术

不锈钢药芯焊丝焊接奥氏体不锈钢具有效率高、成本低、自动化程度高，工艺性能好，焊缝成形美观；熔敷速度快，生产效率高，熔化速度快，其熔敷率约为85％-90％的特点,是不锈钢焊接技术发展的方向。

不锈钢中Cr的含量较高，焊接材料为了满足焊缝的耐腐蚀性会加入适量的Cr元素，使焊缝产生足够的耐腐蚀性以满足焊接要求。焊材和母材中Cr在焊接高温作用下蒸发并进入焊接烟尘，其中部分会被氧化成具有毒性的六价铬(Cr⁺⁶)。

六价铬(Cr⁺⁶)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六价铬(Cr⁺⁶)是最易导致过敏的金属之一，仅次于镍。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六价铬(Cr⁺⁶)的允许暴露极限值(PEL)，8小时内由原来的52μg/m3降低到3μg/m3，并在2010更新为0.2μg/m³。

对不锈钢药芯焊丝而言，降低六价铬(Cr⁺⁶)生成物的稳定性，降低电弧周围的活性氧，提高电弧稳定性是降低六价铬(Cr⁺⁶)的主要途径。因此，在开发一种低六价铬(Cr⁺⁶)排放量、焊接工艺优秀的316不锈钢药芯焊丝过程中如何选择降低六价铬(Cr⁺⁶)生成的添加剂是本发明决绝的问题之一。

发明内容：

本发明鉴于上述情况而形成的，其目的在于提供一种低六价铬(Cr⁺⁶)排放量，焊接工艺优秀的316不锈钢药芯焊丝。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低六价铬(Cr⁺⁶)排放的316不锈钢药芯焊丝，它由药芯和外用钢带组成，所述外用钢带为含碳量小于0.03％(重量)的奥氏体不锈钢带，并且所述药芯的含碳量不高于0.04％(重量)。

所述药芯占焊丝总重量的15％-30％，其中药芯各组成占药芯重量的百分比为：金属铬粉：17-23％，金属镍粉：12-15％，电解金属锰4-8％，铝粉：1-4％，钼铁：3-5％，金红石：20-25％，石英:4-6％,锆英砂：3-7％，长石3-5％，冰晶石：1-2％，MFC添加剂：1-5％，余量为铁粉；

MFC添加剂由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨(CH₄F₂)-Li₂CO₃，它们的重量比依次为Zn：25-45％；Cu：5-15％；：Si：2-10％；聚四氟乙烯(PTFE)：15-30％，氟化石墨(CH₄F₂)：1-5％；Li₂CO₃：20-40％。原材料为Zn粉：80-120目，Cu粉：120-200目，原生聚四氟乙烯(PTFE)粉，氟化石墨(CH₄F₂)100-200目，Li₂CO₃：80-200目，通过机械混合后，需在电炉中加热200-300℃，取出后需搅拌，搅拌后聚四氟乙烯(PTFE)会依附在其它颗粒上。

熔敷金属中主要元素的含量在如下范围：C：0.021～0.03wt.％；Cr：17～20wt.％；Ni：11～14.0wt.％；Mn：0.5～2.5wt.％；Mo：2-3％，Si：0.3～1wt.％；Fe：余量。

如上所述的奥氏体不锈钢焊接用316药芯焊丝，其中所述外用钢带优选为含碳量小于0.03％(重量)的304L不锈钢带。

如上所述的奥氏体不锈钢焊接用316药芯焊丝，其中所述焊丝的直径优选在0.9-1.6mm之间。

一种用于添加在316不锈钢药芯焊丝中抑制六价铬(Cr⁺⁶)生成的添加剂，它由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨-Li₂CO₃，它们的重量比依次为25-45％，5-15％，2-10％，15-30％，1-5％，20-40％。且添加剂的颗粒度为80-160目。

一种低六价铬(Cr⁺⁶)排放316不锈钢药芯焊丝的制备方法，步骤如下：

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0.03％(重量)的奥氏体不锈钢带扎成U形，向U形槽内加入占本焊丝总重量18-25％的药芯粉末；

步骤2将U行槽合口后，依次经过锻造、扎制、拉拔减径处理最终得到焊丝；

步骤3对焊丝表面进行清理，得到所述奥氏体316不锈钢焊接用药芯焊丝的最终产品。

本发明的有益效果为：

降低不锈钢焊接烟尘中六价铬(Cr⁺⁶)主要是通过三个途径来解决。方法一：通过添加剂中的活性物质，在焊接过程中降低了电弧周围的活性氧(O₃)，降低二价、四价铬被氧化成六价的几率。方法二：用添加剂中的Li₂CO₃代替药芯中的K、Na，使得六价铬(Cr⁺⁶)形成不了稳定的物相，最终自动分解成二价、四价铬。方法三：添加剂中高熔点的物质对六价铬(Cr⁺⁶)具有还原作用，还原以生成的六价铬(Cr⁺⁶)称为二价、四价物质。本发明中添加剂涉及到的物质经过大量的挑选，含量在1-5％，粒度在80-160目，同时控制药粉中氧化物重量百分比小于45％。

本发明的低六价铬(Cr⁺⁶)排放奥氏体316不锈钢药芯焊丝能够降低焊接烟尘中30-70％六价铬(Cr⁺⁶)的含量，同时具有良好的工艺性能，即具有电弧稳定性高，焊接飞溅少，脱渣性好等优点。

本发明适用于100％CO₂气体保护焊，焊缝成形质量好，无气孔、裂纹、夹渣等冶金缺陷。熔敷金属中主要元素的含量在如下范围：C：0.021～0.03wt.％；Cr：17～20wt.％；Ni：11～14.0wt.％；Mn：0.5～2.5wt.％；Mo：2-3％，Si：0.3～1wt.％；Fe：余量，该焊丝适用于奥氏体不锈钢焊接，特别适合于焊接空间不大，通风不畅的环境下使用，能够降低六价铬(Cr⁺⁶)排放，减少六价铬(Cr⁺⁶)对人体的危害。

具体实施方式

本发明的药芯焊丝不受下述实例的限制，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。

本发明提供了一种低六价铬(Cr⁺⁶)排放316不锈钢细直径药芯焊丝，它是由外用钢带和其中的焊丝药芯组成，其具体实例方式如下：

所述焊丝药芯的组成如下：

金属铬：向焊丝熔敷金属中过渡铬元素，其重量百分含量为(占药粉的重量百分含量，以下同)17-23％。

金属镍：向焊丝熔敷金属中过渡镍元素，其重量百分含量12-15％。电解金属锰：向焊丝熔敷金属中过渡锰元素，其重量百分含量为4-8％。

铝粉：起脱氧作用，提高铬、镍、锰等合金元素的过渡系数，其重量百分比为：1-4％。

钼铁：向焊丝熔敷金属中过渡镍元素，其重量百分含量3-5％

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，同时还可以改善电弧的稳定性，其重量百分比为：20-35％。

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，细化熔滴，提高熔化系数，但加入量过多易降低焊缝成形质量，其重量百分含量为4-6％。

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，其重量百分比含量为3-7％。

长石：用于造渣，调整熔渣的物理化学性能，还可以起到稳定电弧、细化熔滴的作用，但是加入量过大会增加六价铬(Cr⁺⁶)的生成量，其重量百分含量为长石3-5％。

冰晶石：用于去氢，改善电弧性能，增加焊缝渣壳的流动性，其重量百分含量优选为1-2％。

添加剂：其功能是降低焊接电弧周围的活性氧，抑制六价铬(Cr⁺⁶)生成稳定的化合物，还原已经生成的六价铬(Cr⁺⁶)，其重量百分比优选为1-5％。

所述添加剂由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨-Li₂CO₃，它们的重量比依次为25-45％，5-15％，2-10％，15-30％，1-5％，20-40％且添加剂的颗粒度为80-160目。

在不锈钢药芯焊丝中影响焊接烟尘中六价铬(Cr⁺⁶)含量的因素主要是电弧周围的活性氧，其主要来源是药粉中的氧化物。其次是K、Na的化合物，其能使六价铬(Cr⁺⁶)生成稳定的化合物。一般焊丝中的脱氧剂为Al、Mg但是由于其被氧化的温度与六价铬(Cr⁺⁶)生成的温度不在同一范围，因此，Al、Mg对焊接烟尘中六价铬(Cr⁺⁶)含量影响小。本发明所述的添加剂，由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨-Li₂CO₃，它们的重量比依次为25-45％，5-15％，2-10％，15-30％，1-5％，20-40％。且添加剂的颗粒度为80-160目组成。它既包括了降低在六价铬(Cr⁺⁶)生成时，电弧周围的活性氧的物质、抑制六价铬(Cr⁺⁶)生成稳定化合物的物质又包括了还原已经生成的六价铬(Cr⁺⁶)的物种。最终到达降低30-70％六价铬(Cr⁺⁶)的目的。同时具有良好的工艺性能，即具有电弧稳定性高，焊接飞溅少，脱渣性好等优点。

本发明的316不锈钢药芯焊丝的制造采用以下步骤：

1)将厚度0.25-0.6mm，宽度8-12mm的低碳奥氏体不锈钢带扎成U形，向U形槽内加入占本发明焊丝总重量18-25％的药粉。

2)将U形槽合口后，通过轧制成形、拉拔减径，最终使其直径达到0.9-1.6mm之间。

3)对焊丝表面进行清理，得到最终产品。

实施例1

选用厚度0.25mm，宽度8mm、重量为5666g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将170g金属铬粉，120g金属镍粉，40g电解金属锰，40g铝粉，250g金红石，60g石英，70g锆英砂，30g长石，10g冰晶石，10g添加剂(Zn：2.5g；Cu：1.5；：Si：1g；聚四氟乙烯：2g，氟化石墨：0.5g；Li₂CO₃：2.5g)，200g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为15％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，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4000g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将230g金属铬粉，150g金属镍粉，80g电解金属锰，10g铝粉，200g金红石，40g石英，30g锆英砂，50g长石，20g冰晶石，50g添加剂(Zn：12.5g；Cu：5；：Si：5g；聚四氟乙烯：10g，氟化石墨：2.5g；Li₂CO₃：15g)，140g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为20％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为0.9mm。

实施例3

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为3546g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将170g金属铬粉，120g金属镍粉，40g电解金属锰，40g铝粉，250g金红石，60g石英，70g锆英砂，30g长石，10g冰晶石，10g添加剂(Zn：2.5g；Cu：1.5；：Si：1g；聚四氟乙烯：2g，氟化石墨：0.5g；Li₂CO₃：2.5g)，200g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为22％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

实施例4

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为3000g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将230g金属铬粉，150g金属镍粉，80g电解金属锰，10g铝粉，200g金红石，40g石英，30g锆英砂，50g长石，20g冰晶石，50g添加剂(Zn：20g；Cu：7.5；：Si：1g；聚四氟乙烯：9g，氟化石墨：2.5g；Li₂CO₃：10g)，140g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为25％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为1.6mm。

实施例5

选用厚度0.6mm，宽度12mm、重量为2333g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将200g金属铬粉，130g金属镍粉，50g电解金属锰，20g铝粉，220g金红石，50g石英，50g锆英砂，40g长石，15g冰晶石，30g添加剂(Zn：6.6g；Cu：3.9；：Si：3g；聚四氟乙烯：6g，氟化石墨：1.5g；Li₂CO₃：6g)，195g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为30％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为1.6mm。

实施例6

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为4263g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将230g金属铬粉，140g金属镍粉，50g电解金属锰，30g铝粉，230g金红石，55g石英，40g锆英砂，35g长石，17g冰晶石，40g添加剂(Zn：12.8g；Cu：6；：Si：3.2g；聚四氟乙烯：8g，氟化石墨：2g；Li₂CO₃：8g)，133g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为19％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为0.9mm。

对比例1

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为3167g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将210g金属铬粉，125g金属镍粉，53g电解金属锰，24g铝粉，230g金红石，50g石英，20g锆英砂，60g长石，30g锰矿，15g冰晶石，0g添加剂，176g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为24％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为1.6mm。

对比例2

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为3762g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将230g金属铬粉，125g金属镍粉，52g电解金属锰，24g铝粉，230g金红石，60g石英，20g锆英砂，60g长石，30g锰矿，25g冰晶石，2g添加剂(Zn：0.25g；Cu：0.1；：Si：0.1g；聚四氟乙烯：0.2g，氟化石墨：0.5g；Li₂CO₃：0.3g)，132g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为21％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对比例3

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为4882g的低碳奥氏体不锈钢带，将其扎成U形，将210g金属铬粉，136g金属镍粉，50g电解金属锰，14g铝粉，240g金红石，50g石英，20g锆英砂，60g长石，30g锰矿，15g冰晶石，60g添加剂(Zn：13.2g；Cu：7.8；：Si：6g；聚四氟乙烯：12g，氟化石墨：3g；Li₂CO₃：12g)，115g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U形槽中，填充率为17％(重量)，合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径为0.9mm。

对各实施例及对比例性能的评价

1.焊接烟尘中六价铬(Cr⁺⁶)的含量

烟尘收集器中的吸气罩可以360度旋转，柔性吸气臂里装有万向接头，能上押，前后左右移动，将烟尘颗粒物质吸入，然后测量单位时间中所收集的焊接烟尘重量1.5g/min以下为优异，大于1.5g/min为差，在按照ISO16740的标准检测每千克烟尘中Cr(VI)含量，其结果在表1中。评价基准以传统316不锈钢药芯焊丝的含量1.6-1.8×10³mg/Kg，当低于1.5×10³mg/Kg时为“优异，大于1.3×10³mg/Kg时为“差”。

2.机械特性

基于GB/T 17853-1999评价抗拉强度。其结果在表3中显示。抗拉伸强度的评价基准为520MPa时为“优异”低于520MPa时为“差”。另外，另外，基于GB/T 17853-1999评价拉伸率时，其评价基准为在30％以上时为“优异”，低于30％时为“差”。

3.铁素体数

用铁素体测数仪参考GB/T 1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》中的截线法对试样的铁素体含量进行测定。为保证测定结果的统计性和合理性，对每个试样在覆盖熔合线以内的焊缝区域，随机选取20个视场进行测定，取20次测定结果的平均值作为最终测定值，其结果在表3中。评价基准为铁素体数FN在5％-12％时为“优异”，低于5％或高于12％时为“差”

4.焊丝飞溅率

飞溅率评定方法采用半封闭箱收集飞溅，试验焊接试板(尺寸300×30×20mm，Q235碳钢板)置于试验台上，为防止飞溅丢失，用导电铜罩将其罩住，在铜罩内施焊；用自动焊接小车进行焊接在试板上施焊一道长约250mm的焊缝，焊后收集铜罩内试验台上的飞溅金属颗粒，称其重量，其结果在表3中。评价基准为在0.5％以下为“优异”，高于0.5％时为“差”。

飞溅率ψ计算公式如下：

$\mathrm{\Ψ}=\frac{m_2}{m_1}\×100\%$

式中m₂—飞溅重量(g)；

m₁—焊丝消耗重量(g)。

5.综合评价

作为综合评价，焊接操作性(电弧稳定性、飞溅率、烟尘中Cr⁺⁶的含量，)及熔敷金属性能(拉伸强度、冲击功、FN数)全部符合“优”时评价为⊙，即使有任意一个项目评价为差时，综合评价也为×。

表1低Cr⁺⁶、低成本不锈钢金属芯316评价结果

如表1所示，实施例1-6为低六价铬Cr⁺⁶排放316不锈钢药芯焊丝，其药芯组成满足本发明的范围所以综合性能评价为“优”，而对比例1-3不满足本发明的范围，其中1、2添加剂含量低，使得焊接烟尘中六价铬(Cr⁺⁶)达不到合格，3号的添加剂过高，使得焊丝的飞溅增大，因此综合性能评价为不合格。

Claims (3)

1.一种低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝，它由药芯和外用钢带组成，所述外用钢带为含碳量小于0.03wt%的奥氏体不锈钢带，其特征在于：所述药芯占焊丝总重量的15%-30%，其中药芯各组成占药芯重量的百分比为：金属铬粉：17-23%，金属镍粉：12-15%，电解金属锰4-8%，铝粉：1-4%，钼铁：3-5%，金红石：20-25%，石英:4-6%,锆英砂：3-7%，长石3-5%，冰晶石：1-2%，MFC添加剂：1-5%，余量为铁粉；

上述MFC添加剂包括Zn、Cu、Si、聚四氟乙烯、氟化石墨和Li₂CO₃，它们的重量比依次为Zn：25-45%；Cu：5-15%；Si：2-10%；聚四氟乙烯：15-30%，氟化石墨：1-5%；Li₂CO₃：20-40%；机械混合后，需在电炉中加热至200-300℃搅拌均匀。

2.如权利要求1所述的低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝，其中所述焊丝的直径在0.9-1.6mm之间。

3.如权利要求1所述的低六价铬排放的316不锈钢药芯焊丝，所述MFC添加剂中Zn粉：80-120目，Cu粉：120-200目，聚四氟乙烯粉100-200目，氟化石墨100-200目，Li₂CO₃：80-200目。