CN103949796A - 一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝,属于焊接领域。本发明采用304不锈钢带(钢带尺寸为宽度：8-16mm，厚度0.3-0.6mm)的外皮；焊接选用100％CO₂或80％Ar+20％CO₂气体作为保护气体；药芯的组分及其重量百分比为：TiO₂：5-18％，SiO₂：15-30％，MnO₂：4-10％，ZrO₂：4-12％，K₂O+Na₂O：4-12％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.2-1.2％，Cr：19.5-22％，Ni：5-10％，Mn：5-12％，Al：1-5％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：15-30％。本发明奥氏体不锈钢药芯焊丝具有极佳的焊接工艺性能和优良的抗氧化性能，焊缝成型美观，颜色纯正。

Description

一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体涉及用于一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝。

背景技术

不锈钢焊材发展至今已取得了重要的成果，不锈钢药芯焊丝的产量逐年增加，市场对高端产品的需求也越来越大。高端产品的特点是低烟尘、低毒性、成形美观、颜色纯正。目前焊接加工后焊缝具有美观颜色的奥氏体不锈钢药芯焊丝是高端不锈钢焊材的主要标志，不锈钢药芯焊丝不仅具有优异的焊接工艺性能，更要满足高端产品对于焊缝表面颜色的要求。

在不锈钢药芯焊丝焊接接头的耐蚀性、热裂纹敏感性、脆化倾向、气孔倾向等方面取得了可喜的成果，而对焊后焊缝表面产生的氧化色(即焊丝的抗氧化色性能)几乎没有研究。大部分奥氏体不锈钢药芯焊丝焊缝表面抗氧化色性能差，焊后焊缝表面易出现杂乱分布的不同氧化颜色。最佳焊缝表面是银白色，最差的是蓝黑色，严重的焊缝氧化还会降低耐腐蚀。因此，研制一种抗氧化色性能优良的高端不锈钢药芯焊丝具有重要意义。

本发明研制了一种能在薄板焊接脱渣后焊缝表面仍为银白色的抗氧化色性能优良的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝符合GB/T17853中E308LT1-1的要求，焊后的焊缝表面无需进行后续的去氧化色处理。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术问题，提供一种具有极佳的焊接工艺性能和抗氧化色性能，焊缝成型美观的二氧化碳或混合气体保护用奥氏体不锈钢药芯焊丝。它可以在保证焊丝熔敷金属化学成分、力学性能、耐腐蚀性能满足相关国家标准要求的情况下，焊后焊缝的表面颜色为银白色，以满足高端药芯焊丝的需求，避免了焊后对焊缝表面的去氧化色处理，进一步提高了焊接的生产效率。

目前，不锈钢药芯焊丝主要为钛型渣系，。本发明的通过以下技术方案来实现的：一种抗氧化色性能优良用于不锈钢焊接的气保护E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝，药芯的组分及其重量百分比为：TiO₂：5-18％，SiO₂：15-30％，MnO₂：4-10％，ZrO₂：4-12％，K₂O+Na₂O：4-12％其中K₂O≥67％，冰晶石：0.2-1.2％，Cr：19.5-22％，Ni：5-10％，Mn：5-12％，Al：1-5％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：15-30％。

进一步，药粉中TiO₂含量小于15％，SiO₂含量大于16％，MnO₂在6-10％之间，ZrO₂在8-12％之间。

进一步，其特征在于：SiO₂/TiO₂的质量比在1-6之间，ZrO₂/MnO₂的质量比在0.5-3之间。

其中，所述的TiO₂以金红石或钛白粉或钛铁矿的形式添加。所述的SiO₂以石英和长石的形式添加。所述的MnO₂以锰矿或化学纯的形式添加。所述的ZrO₂以锆英砂的形式添加。其中SiO₂与TiO₂的质量比例控制在1-6之间，ZrO₂与MnO₂的质量比例控制在0.5-3之间。TiO₂，SiO₂，MnO₂，ZrO₂，K₂O+Na₂O，冰晶石的总量限制在药粉总重量的20-60％，总重量低于20％会劣化焊接工工艺性能，例如熔渣的覆盖性、电弧稳定性等，若总重量超过60％，会劣化焊丝的送丝性能、易产生夹渣并使焊缝的成形变差。

如上所述的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其中所述不锈钢带优选为含碳量小于0.03(重量)％的304L不锈钢带，本发明药芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。

如上所述的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝的制备方法其特征在于：

选用宽度为8～12mm，厚度为0.3～0.6mm的304L不锈钢带为药芯焊丝的外皮，并将其轧制成U型槽填入上述的药粉，药粉重量是焊丝重量的15-30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径在1.2～1.6mm。

所述焊丝药芯的组分如下：

Cr：铁素体形成元素，向熔敷金属中过渡铬元素。

Ni：奥氏体形成元素，向熔敷金属中过渡镍元素。、

Al：起到先期脱氧的作用，提高铬、镍、锰等元素的过度系数，减弱氮向金属内部的扩散作用。

TiO₂：主要造渣剂，造成短渣，可改善焊缝金属的脱渣性，调整焊缝的成形，增加导电性具有稳定电弧的作用。

SiO₂：主要造渣剂，可改善焊缝金属的脱渣性，调整熔渣粘度及线胀系数，并且能够细化熔滴。

ZrO₂：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。

MnO₂：造渣剂，稀释熔渣，适量添加可使焊缝成形美观，能够稳定电弧加快焊速。

长石：用于造渣，调整熔渣的物理化学性能，可起到稳定电弧、细化熔滴的作用，若加入过量熔渣粘度显著下降，促使焊缝成形变坏脱渣困难。

本发明通过对药粉各成分添加量的调整，改变熔渣线胀系数、表面张等物理性质，并且使熔渣的组织结构发生改变。熔渣的线胀系数用以下方法估算：

线胀系数计算：

β＝α₁X₁+α₂X₂+…   (1)

硅酸盐氧化物和氟化物的线胀系数α_l平均值的计算常数(20-400℃)

α×10^-8

式中α……—氧化物的平均线胀系数；X……—个氧化物的分子百分含量(％)。

对于SiO₂，TiO₂的计算常数α具有可变的量值，这与其含量有关。SiO₂：在100≧SiO₂≧67时，α＝10.5-0.1×SiO₂％；在SiO₂≦67时，α＝38；TiO₂：在80≧SiO₂≧50时，α＝10.5-0.15×SiO₂％

当SiO₂/TiO₂在1-5左右，且ZrO₂/MnO₂的比例在0.5-3时，用上式(1)估算熔渣的线胀系数发现线胀系数较大，例如在SiO₂/TiO₂比例为5且ZrO₂/MnO₂的比例为1.5时，线胀系数近似值为5.35×10^-6/℃，凝固时熔渣与焊缝金属之间的应力相应减小，并且熔渣的微观结构有灰色基体相和白色块状相组成，成分分析发现白色块状相的Cr元素含量较高，XRD分析显示有尖晶石相FeCr₂O₄形成，熔渣与焊缝金属之间结合紧密，能够很好地保护焊缝避免表面出现氧化色。

由于目前，没有不锈钢焊缝氧化色的评价标准，本发明的焊缝氧化色按照以下方法进行评价。将焊缝氧化色分为7个等级，并给与不同的加权系数，用相应加权系数乘以该颜色所占面积的总和进行比较评价。

表1不同等级氧化色及其加权系数

级别	1	2	3	4	5	6	7
								氧化色	银白色	淡金黄色	金黄色	橘红色	玫瑰红	蓝色	黑色
加权系数	100	75	50	25	0	-25	-50

焊缝氧化色(YHS)计算公式：

YHS＝∑氧化颜色所占面积百分比×对应加权系数

本发明具有以下优点：如上所述的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝具有良好的工艺性能和优良的抗氧化色性能，即具有良好的电弧稳定性，焊接飞溅小，脱渣容易，耐腐蚀性优良。特别是焊缝脱渣后表面为银白色，而且在大线能量施焊时，能够保持良好的焊缝氧化色。

本发明的不锈钢药芯焊丝采用100％CO₂气体或Ar80％+CO₂20％作为保护气体，焊缝无气孔、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/T17853-1999，不锈钢药芯焊丝)。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

实施例1

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮8×0.3mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：12％，SiO₂：24％，MnO₂：12％，ZrO₂：8％，K₂O+Na₂O：6％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.5％，Bi₂O₃：0.2％，Cr：21％，Ni：5％，Mn：7％，Al：3％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：22％。采用100％CO₂作为保护气体，气体流量为20L/min焊接电流180A，焊接电压28V。

实施例2

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：6％，SiO₂：30％，MnO₂：8％，ZrO₂：8％，K₂O+Na₂O：8％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.6％，Bi₂O₃：0.2％，Cr：21％，Ni：8％，，Mn：5％，Al：3％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：25％。采用20％Ar+80％CO₂作为保护气体，气体流量为23L/min焊接电流185A，焊接电压29V

实施例3

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮8×0.3mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：18％，SiO₂：18％，MnO₂：8％，ZrO₂：10％，K₂O+Na₂O：8％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.6％，Bi₂O₃：0.2％，Cr：23％，Ni：7％，，Mn：6％，Al：2％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：23％。采用100％CO₂作为保护气体，气体流量为24L/min焊接电流190A，焊接电压30V

实施例4

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮宽12×0.6mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.6；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：7％，SiO₂：28％，MnO₂：6％，锆英砂：12％，K₂O+Na₂O：5％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.5％，Bi₂O₃：0.1％，Cr：18％，Ni：4％，Mn：5％，Al：1％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：19％。采用100％CO₂作为保护气体，气体流量为20L/min焊接电流210A，焊接电压32V。

实施例5

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.6；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：6％，SiO₂：30％，MnO₂：6％，ZrO₂：8％，K₂O+Na₂O：6％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.8％，Bi₂O₃：0.2％，Cr：17％，Ni：5％，Mn：3％，Al：2％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：18％。采用20％Ar+80％CO₂作为保护气体，气体流量为22L/min焊接电流220A，焊接电压33V。

实施例6

用于奥氏体不锈钢焊接的E308L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮14×0.5mm(成分如表2中所示)，焊丝直径为1.6；药芯的化学组成(重量％)为：TiO₂：16％，SiO₂：16％，MnO₂：10％，ZrO₂：5％，K₂O+Na₂O：5％两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.8％，Bi₂O₃：0.2％，Cr：19％，Ni：6％，Mn：5％，Al：2％，余量为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：19％。采用100％CO₂作为保护气体，气体流量为21L/min焊接电流200A，焊接电压30V。

表2实施例1-5中所使用的304L不锈钢钢带的化学成分(重量％)

将实施例1-6中制备的药芯焊丝进行焊接试验：采用直流反接法，焊接电流：150-220A，焊接电压24-32V，焊接用试板为8mm厚的304L不锈钢试板，焊接速度40-55cm/min，气体流量20L/min，干伸长18mm。在平焊位置施焊，观察焊接过程。焊后对熔敷金属做化学成分、力学性能及耐腐蚀等性能进行检测。结果表明：焊接过程中电弧稳定，飞溅极少，焊缝成型美观。各实施例焊接工艺性能和力学性能测试结对比见表3。

表3各实施例的工艺性能和力学性能的对比如下：

①YHS表示不锈钢焊缝氧化色评价值，使用上述公式(1)进行计算

②20-400℃熔渣的平均线胀系数的估算值

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 (5)

1.一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：该药芯焊丝的药芯组分及其重量百分比为：TiO₂：5-18％，SiO₂：15-30％，MnO₂：4-10％，ZrO₂：4-12％，K₂O+Na₂O：4-12％，K₂O+Na₂O两者之中K₂O≥67％，冰晶石：0.2-1.2％，金属铬：19.5-22％，Ni：5-10％，Mn：5-12％，Al：1-5％，余量为铁粉。 

2.根据权利要求1所述一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：药粉中TiO₂含量小于15％，SiO₂含量大于16％，MnO₂在6-10％之间，ZrO₂在8-12％之间。 

3.根据权利要求1所述一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：TiO₂以金红石或钛白粉或钛铁矿的形式添加；所述的SiO₂以石英和长石的形式添加；所述的MnO₂以锰矿或化学纯的形式添加；所述的ZrO₂以锆英砂的形式添加。 

4.根据权利要求1所述一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于：SiO₂/TiO₂的质量比在1-6之间，ZrO₂/MnO₂的质量比在0.5-3之间。 

5.根据权利要求1所述一种焊缝表面无氧化色奥氏体不锈钢药芯焊丝的制备方法，其特征在于：将上述焊丝轧制、成形、拉拔减径，钢带选用12-8mm×0.6-0.3mm的304L不锈钢钢带，最终直径为1.2-1.6mm的奥氏体不锈钢药芯焊丝，药芯焊丝中药粉的填充率为15-30％。