CN104057214A - 一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝，其特征在于以N6镍带作为焊丝的金属外皮，以碱性氟化钙-氧化铝型渣系为药芯基础渣系，内部药芯具体成分由氟化钙、铝粉、铁粉、氧化镁、硅铁、氟化锂、锰粉、金属铬组成，各组成成份的重量百分比为：氟化钙40%~55%，铝粉8%~13%，铁粉5%~9%，氧化镁0.5%~5%，硅铁3%~7%，氟化锂3%~9%，锰粉6%~11%，金属铬4%~10%。采用该药芯焊丝在水下进行湿法焊接时，容易起弧，电弧燃烧稳定，再引弧性能良好，焊缝成形性好，焊接后熔敷金属抗拉强度不低于460MPa，可满足一般强度要求的中低碳钢及低合金高强钢结构的水下焊接。

Description

一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说是一种焊接后熔敷金属抗拉强度高的用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝。

背景技术

随着国民经济的高速发展，能源战略的迫切需求，海洋工程开始不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程等领域的重要技术，正受到越来越多的关注。从海上油气平台的安装建造到海底管线的铺设维修，从海上打捞营救工作到大型船舰的应急修理，随处可见水下焊接的身影。特别是近年来，随着水下焊接技术的不断完善，其在核电、港口、桥梁等其他“涉水”行业也逐渐成为不可或缺的保驾护航技术。目前国内外开发出的水下湿法焊接材料多以水下焊条为主，虽然目前可以达到实际工程结构的焊接要求，但采用手工电弧焊时，需要频繁的更换焊条，难以实现焊接的连续作业，工作效率很低，满足不了人们向高效，高质，高自动化方向的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工作效率高、焊接后熔敷金属抗拉强度高、焊缝无气孔及裂纹的用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝。

本发明可以通过如下措施达到：

一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝，包括金属外皮和药芯，其特征在于以N6镍带作为焊丝的金属外皮，以碱性氟化钙-氧化铝型渣系为药芯基础渣系，内部药芯成分由氟化钙、铝粉、铁粉、氧化镁、硅铁、氟化锂、锰粉、金属铬组成，各组成成份的重量百分比为：氟化钙40%~55%，铝粉8%~13%，铁粉5%~9%，氧化镁0.5%~5%，硅铁3%~7%，氟化锂3%~9%，锰粉6%~11%，金属铬4%~10%。

本发明中的焊丝填充率为22%~30%。其中焊丝填充率由如下方法测定，截取一段制备好的直径为1.6mm的药芯焊丝，在电子天平上测量其质量M，之后取出该段焊丝内部的药芯粉末，并在电子天平上测出粉末质量m，则焊丝填充率为 。

本发明考虑到水下湿法焊接的焊接环境和焊接过程特点，为了保证获得性能优良的焊缝接头，本发明对内部药芯配方进行了相应的设计，各成分的主要作用及其限制原因简述如下：

本发明中的氟化钙和铝粉主要起造渣和冶金保护的作用。首先，在冶金保护作用上，CaF₂-Al₂O₃二元渣系在水下湿法焊接过程中会起到优异的保护效果。CaF₂在焊接电弧中会发生电离，产生的氟离子会与氢离子结合，生成不溶于熔敷金属的HF，从而减少了焊缝金属的扩散氢含量。Al则主要起脱氧保护的作用，因为Al和O的亲和能力要远远优于Fe、Cr、Mn、Ni等，因此Al的加入会减少有利的冶金元素的烧损，从而促进合金元素向焊缝金属中的过渡，另外，随着Al的增加焊缝中的气孔含量也呈下降趋势。此外，CaF₂-Al₂O₃二元渣系还具有优良的高温物理化学性质。二者在一定的比例下混合使得高温熔渣具有合适于焊接的熔点与粘度，保证了熔滴过渡时及焊缝凝固时熔渣在熔滴表面和焊缝表面的覆盖保护作用。当CaF₂含量过多时，熔渣粘度会显著下降，使得熔渣在重力作用下从焊缝表面向焊缝两侧流淌，造成焊缝表面稀渣甚至无渣的现象，焊缝表面保护作用不好，金属氧化严重。此外随CaF₂的提高，焊丝的焊接工艺性能还会急剧下降，电弧燃烧不稳定，飞溅增大。当Al含量过多时，电弧燃烧时生成的Al₂O₃会不断增多，使得熔渣的熔点显著增大。熔渣熔点过高一方面会导致内部药芯滞后于外层金属带熔化，并成锥形从外围金属带中突出，使得内部药芯不能完全发挥对熔滴的冶金保护作用，且易于成块状脱落到熔池当中造成飞溅；另一方面，焊缝凝固时，熔渣熔点过高还会导致夹渣缺陷的形成。因此，本发明中氟化钙的加入含量在40%~54%之间，Al粉的加入含量在8%~13%之间。

本发明中LiF的加入量3%~9%。LiF可以和CaF₂一起作为复合氟化物的方式被加入到药芯当中，起到造渣和稀渣的作用。由于LiF的分解能力比CaF₂强，在高温下容易被汽化，产生的大量的氟蒸汽更易提高冶金去氢能力。此外，Li的电离电位比较低，所以可以提高电弧的稳定性能。Li还可以与N结合生成Li₂N起到良好的脱氮作用，从而减少Al粉的添加含量。

本发明MgO的加入量为0.5%~5%。加入MgO可以增加渣系的碱度，增强脱硫脱磷的能力，达到净化熔池提高熔敷金属韧性的目的。还可以改善渣系的物化性质，调整熔渣的熔点和粘度，并最终提高熔渣的覆盖和成形性能。另外，MgO能够提高熔渣的导电能力，这不仅使电弧的稳定性得到了提高，还改善了焊接过程中的起弧和再引弧性能。当Mg过渡到镍基合金焊缝当中去时，会于晶界中以析出物的形态弥散分布，起到强化晶界的作用。

本发明Mn的加入量为6%~10%，硅以硅铁的形式加入，加入量为3%~7%。Mn和Si是焊材制作中常用的两种脱氧元素。锰的沸点为1962℃，在高温电弧的加热下非常容易挥发，与氧结合生成MnO，起到先期脱氧的作用。Si的脱氧能力比Mn更强，但是其脱氧产物SiO₂易于在渣中形成复合阴离子团，增加熔渣粘度，不易上浮，因此往往和Mn一起联合脱氧。二者在一定比列下，生成的低熔点产物SiO₂MnO会更容易浮出熔池，形成渣壳保护焊缝。另一方面当部分Mn、Si在熔滴过渡时期Al的脱氧保护下过渡到熔池后，Mn、Si还会继续与熔池中的FeO反应，置换出Fe，起到后期冲洗脱氧的作用。

本发明中的Fe和Cr则主要作为合金元素加入到焊缝当中去，并最终同Ni形成Ni-Fe-Cr三元固溶体，作为焊缝的基体组成部分，提高焊缝整体的强度及耐腐蚀性能。本发明中Fe的加入量为5%~9%，Cr的加入量为4%~10%。

本发明具有以下特点：一是本发明药芯焊丝采用N6镍带作为焊丝的金属外皮，不易生锈，便于长时间储存。在水下焊接时，还会具有优异的耐蚀性能，并且可以配合水下送丝机使用，实现水下连续作业，极大的提高了生产效率；二是本发明水下药芯焊丝在水下焊接时，起弧容易，电弧燃烧稳定，且再引弧性能良好，焊后可获得优良的焊缝成形，熔渣可完全覆盖在焊缝金属表面，起到较好的覆盖保护作用；三是焊后接头组织为镍基组织，耐腐蚀性强。热影响区处氢致裂纹敏感性很低，在焊接中低碳钢及低合金高强钢中均无氢致裂纹出现；四是本发明水下药芯焊丝焊接处的焊缝具有良好的力学性能，抗拉强度可达460MPa以上。可用于普通碳钢和E40等低合金高强钢等水下结构的湿法焊接。

具体实施方式

为了更好地体现本发明，以下进行举例说明，但并不是对本发明的限制。

本发明的实施方式是以N6镍带作为焊丝的金属外皮，以碱性氟化钙-氧化铝型渣系为药芯的基础渣系，以氟化钙40%~54%，铝粉8%~13%，铁粉5%~9%，氧化镁0.5%~5%，硅铁3%~7%，氟化锂3%~9%，锰粉6%~11%，金属铬4%~10%作为内部药芯粉末。首先将各药芯成分精确称量，并在混粉机内混合2小时后取出。

本发明的药芯焊丝可按普通的焊丝制造工艺进行生产，将上述药芯成分的原料混合均匀之后，便可添加到金属带皮中去，焊丝填充率在22%~30%之间，最终焊丝直径为1.6mm。该发明的药芯焊丝可在空气中长期保存，且具有优良的防水性能，可以满足一般强度要求的中低碳钢及低合金高强钢的水下钢结构湿法焊接。

本发明实施例中熔敷金属的力学性能：对6mm厚E40钢板在水下进行了对接试验，所得试样熔敷金属力学性能如表1所示。

表1 熔敷金属力学性能

试样序号	第一组	第二组	第三组	平均值
					抗拉强度(MPa)	505	527	480	504
屈服强度(MPa)	450	460	415	442
					断面收缩率(%)	9	10	7	9

Claims (2)

1.一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝，包括金属外皮和药芯，其特征在于以N6镍带作为焊丝的金属外皮，以碱性氟化钙-氧化铝型渣系为药芯基础渣系，内部药芯具体成分由氟化钙、铝粉、铁粉、氧化镁、硅铁、氟化锂、锰粉、金属铬组成，各组成成份的重量百分比为：氟化钙40%~55%，铝粉8%~13%，铁粉5%~9%，氧化镁0.5%~5%，硅铁3%~7%，氟化锂3%~9%，锰粉6%~11%，金属铬4%~10%。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝，其特征在于药芯的填充率为22%~30%。