CN104439760A - 一种用于焊接低温钢的药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于焊接低温钢的药芯焊丝，包括呈圆柱状的外皮，在外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，通孔内填充有由矿石粉，金属单质粉(排除稀土元素)，合金粉，金属氧化物粉，稀土组成的药芯粉。其制备方法是先配制药芯粉，并加入到由钢带拉拔成U形槽结构的U形槽中，然后将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，药芯粉包裹在通孔中，最后经过逐道拉拔、减径，得到药芯焊丝。本发明药芯焊丝可全位置焊接，焊接效率高，焊缝金属性能稳定、外形更加美观，且熔敷金属在-60℃低温冲击功平均值可达65J，低温冲击韧性和低温抗裂性等性能提高到更高层次的等级。

Description

一种用于焊接低温钢的药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种药芯焊丝及其制备方法，尤其涉及一种用于焊接低温钢的药芯焊丝及其制备方法，属于金属焊接材料技术领域。
背景技术
焊接作为一种通用的共性技术，在制造业中是一种不可替代的加工工艺，素有“工业裁缝”之称。焊接技术已广泛应用在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、农业机械、水利设施、工程机械等行业中，涉及面广，具有举足轻重的作用。而焊接水平的高低对产品质量具有决定性作用，因此，焊接技术已经成为决定工业制造品质最为关键的因素之一，也成为衡量一个经济体工业化水平的重要标杆。
近年来，随着焊接半自动、自动化和智能化的发展，药芯焊丝从数量规格到品种不断扩大，已成为焊接材料中的一个不可缺少的重要组成部分，是继手工焊条、埋弧焊材、实芯焊丝之后的第四代焊接新材料。药芯焊丝克服了手工焊条不能连续焊接和实芯焊丝飞溅大、工艺性能差的缺点，并且可以通过调整药芯成分来焊接各种类型的钢材，具有生产效率高、焊接质量好、综合焊接成本低、适应性广、节能节材、配方调整方便、适合自动化和半自动化生产的特点，是焊接材料中最具有发展潜力且发展最快的高新技术产品。
药芯焊丝种类繁多，性能也各有差异。目前海洋钻探用井架和生产用平台，冷冻船舶，LPG船，寒冷地区输油管道和生产设备等都采用低温钢来建造。而现有技术中焊接低温钢的药芯焊丝低温冲击韧性和低温抗裂性较差，在-40℃低温冲击功平均值小于27J，无法实现高匹配的焊接。为了实现钢管管道环焊缝与管体强度的高匹配焊接，现有技术中对药芯焊丝的药芯粉进行了重新配伍，如中国发明专利(公开号：CN101450426A)公开了一种低温钢药芯焊丝，该药芯焊丝的药芯由以下重量百分比的粉末状原料组成：金红石28-33％；硅灰石1-3％；硅锰合金14-18％；铁粉16-21％；镍粉2-4％；冰晶石1-2％；长石5-7％；钛铁1.5-2.5％；硼铁0.5-1％；中碳锰铁5-6％；镁砂2.5-4％；石英4-6％；萤石1.5-3.5％。虽然该低温钢药芯焊丝低温冲击韧性和低温抗裂性较好，熔敷金属在-40℃低温冲击功平均值达到78J，但是，其仍然不能实现更低温条件下强度更高的大应变钢管管道环焊缝与管体强度的高匹配焊接，因为强度增加会导致韧性下降，所以在保证具有满足技术条件韧性指标的前提下提高焊缝金属的强度，其难度较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种焊缝金属低温冲击韧性和低温抗裂性好，性能稳定的用于焊接低温钢的药芯焊丝。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：40-60份，金属单质粉(排除稀土元素)：20-35份，合金粉：20-40份，金属氧化物粉：2-8份，稀土：0.1-3份；
其中，所述矿石粉为金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉中的一种或多种，所述金属单质粉为铁粉、镍粉、铌粉中的一种或两种，所述合金粉为硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉中的一种或多种，所述金属氧化物粉为氧化铋粉。
在上述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉中，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：42-58份，金属单质粉(排除稀土元素)：23.5-33份，合金粉：24.5-36.5份，金属氧化物粉：3.5-5.5份，稀土：0.2-2份；
其中，所述矿石粉由金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉组成，所述金属单质粉由铁粉、镍粉、铌粉组成，所述合金粉由硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉组成，所述金属氧化物粉为氧化铋粉。
在上述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉中，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：金红石粉：27-30份，硅灰石粉：2-4份，冰晶石粉：1-3份，长石粉：3-6份，镁砂粉：3-5份，石英粉：4-6份，萤石粉：2-4份，铁粉：18-22份，镍粉：3.5-8份，铌粉：2-3份，硅锰合金粉：15-20份，钛铁合金粉：1-3份，硼铁合金粉：0.5-1份，中碳锰铁合金粉：6-8份，钨铁合金粉：1-2份，钼铁合金粉：1.0-2.5份，氧化铋粉：3.5-5.5份，稀土：0.5-1.5份。
与现有技术相比，本发明重新配伍了药芯粉的配方，尤其是在药芯粉中添加了金属氧化物粉和稀土。其中，本发明金属氧化物粉优选氧化铋粉末，在药芯粉中加入氧化铋，可以明显改善药芯焊丝的脱渣性。因为氧化铋在700-820℃时可发生晶型转换，在焊接冷却过程中，熔渣中的氧化铋发生晶态转化，产生相变过程，原子重新排序，并伴有体积的变化，从而产生了相变应力。同时，在钛的存在下，熔渣的微观结构呈方向性较强的棒束状组织，这种组织的结晶方向垂直于等温线，具有一定的纵向结合力。氧化铋相变产生的内应力，可以加强熔渣质点间的内聚力，使熔渣几乎整体脱离焊缝金属，熔渣结晶过程中的较大的内应力也会使熔渣产生横向裂纹，使熔渣成段脱落，脱渣性极佳。另外，氧化铋的加入还可以改善药芯焊丝的电弧稳定性。但是，其加入量如果超出本发明范围时，反而会给药芯焊丝的电弧稳定性、熔池清晰度、飞溅、力学性能等方面造成不利影响。因此，本发明金属氧化物粉氧化铋的添加量在上述范围内为宜。
本发明为了防止空气中的氧、氮溶入液体金属中，使熔敷金属中氧氮含量增加，造成焊缝金属韧性下降、气孔敏感性增加的现象。在药芯粉中增加了稀土，因为稀土可使熔敷金属中含氧量下降，降低气孔敏感性，尤其是当稀土为两种或两种以上元素混合时，能完全抑制气孔，降低气孔敏感性的作用最明显。但是，稀土在先期脱氧中大量氧化，其脱氮效果较弱，对熔敷金属的总含氮量的影响不显著。但仍然可以通过稀土的固氮作用使总含氮量降低，从而降低氮的有害作用。此外，稀土元素还可以改善焊缝金属组织的形态、细化晶粒、提高韧性。
本发明药芯粉除上述重大改变外，还对矿石粉、金属粉和合金粉的组成成分及其重量份数进行了适应性调整。
矿石粉中：金红石作为造渣剂使用，减少用量可以减薄焊后渣壳，有利于熔池中气体的逸出，减少气孔数量，提高焊丝的熔敷速度，因此，本发明进一步限定了金红石的用量。萤石粉在焊接过程中具有很强的除氢能力，减少非金属夹杂物，降低扩散氢含量，使焊接金属具有良好的强韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性值。因此，本发明在合理范围内，提高了萤石粉的重量份数。
金属单质粉中：铁粉可以改善药芯焊丝的熔化状况，有利于改善焊丝的电弧稳定性，降低飞溅等性能；而且还可以提高熔敷效率，减少气孔和凹坑的数量。镍粉可以向焊缝金属过渡合金元素。而铌粉中的铌元素能够优先与碳结合，形成弥散分布的碳化铌结晶核心，阻止初生碳化物的生长，具有明显的细化晶粒作用，提高了焊缝金属的硬度。
合金粉中：硅锰合金粉中的硅元素有助于改善焊缝成型。钼铁合金粉能细化组织，改善焊缝金属的韧性。钛铁合金粉中所含的钛是一种很好的稳弧元素，同时有助于降低焊缝金属中的氧含量，改善焊缝金属韧性。锰铁合金粉有助于改善药芯焊丝的韧性和塑性。钨铁合金粉中的钨元素可以与碳结合生产碳化钨，碳化钨可以与焊接金属形成良好的阴影保护效应，对焊接金属进行保护，同时焊接金属对碳化钨进行有效的支撑，在相同的磨损条件下，含有碳化钨的焊缝金属具有较好的耐磨性。
本发明药芯粉中的各成分可以合金化形成Ni-Ti-B系列，同时各药芯粉的成分及成分间的协同作用，极大的限制了焊缝金属的含氧量和扩散氢含量，使本发明药芯焊丝熔敷金属在-60℃低温冲击功(采用常规的检测技术)平均值可达65J，与现有技术相比，低温冲击韧性和低温抗裂性等性能提高到更高层次的等级，且使用混合气体保护焊接的效率高、性能稳定、外形更加美观。
在上述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉中，所述药芯粉的各原料粉末粒径为60-160目。如果原料粉末的粒径太大，则不利于原料粉末的均匀混合和压实，制备得到的药芯焊丝在使用时各成分不能充分利用，且不能起到很好的协同作用，在焊接过程中容易燃烧不充分，产生大量污染气体、烟尘等，焊接效果和焊缝金属性能较差。
本发明另一个目的在于提供一种用于焊接低温钢的药芯焊丝，包括呈圆柱状的外皮，在外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，所述的通孔内填充有如权利要求1所述的药芯粉。
在上述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝中，所述外皮采用钢带制成。
本发明用于焊接低温钢的药芯焊丝包括呈圆柱状的外皮，外皮采用钢带制成，在外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，通孔内填充有上述药芯粉，结构简单。使制备得到的用于焊接低温钢的药芯焊丝在使用时能实现连续焊接，而且还可以根据需要灵活调整药芯粉的各组分配比，使用方便。
本发明第三个目的在于提供上述一种用于焊接低温钢的药芯焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、按上述用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉的粉料及其重量份称取粉料，配制成药芯粉；
S2、将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入上述配制好的药芯粉，然后将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，药芯粉包裹在通孔中；
S3、将上述包裹药芯粉的钢带经过逐道拉拔、减径，得到最终产品用于焊接低温钢的药芯焊丝。
在上述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝的制备方法中，步骤S2中向U形槽中加入药芯粉的量占药芯焊丝总重的17-19％。
与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：
1.本发明药芯焊丝的药芯粉中的各成分可以合金化形成Ni-Ti-B系列，同时各药芯粉的成分及成分间的协同作用，极大的限制了焊缝金属的含氧量和扩散氢含量，使本发明药芯焊丝熔敷金属在-60℃低温冲击功(采用常规的检测技术)平均值可达65J，低温冲击韧性和低温抗裂性等性能提高到更高层次的等级。
2.本发明药芯焊丝通过药芯粉的合理配置和各原料间的协同作用，提供一种偏酸性渣系，可全位置焊接，且电弧稳定性好、飞溅少及脱渣容易。
3.本发明药芯焊丝通过药芯粉的合理配置和各原料间的协同作用，焊接效率高、成本低，且焊缝金属性能稳定、外形更加美观。
附图说明
图1为本发明用于焊接低温钢的药芯焊丝的剖视结构示意图。
图中：1、外皮；2、药芯粉。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本发明用于焊接低温钢的药芯焊丝包括呈圆柱状的外皮1，在外皮1内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，通孔内填充有药芯粉2。
作为一种优选，外皮1采用钢带制成。
作为一种优选，药芯粉2主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：40-60份，金属单质粉(排除稀土元素)：20-35份，合金粉：20-40份，金属氧化物粉：2-8份，稀土：0.1-3份；其中，矿石粉为金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉中的一种或多种，金属粉为铁粉、镍粉、铌粉中的一种或两种，合金粉为硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉中的一种或多种，金属氧化物粉为氧化铋粉。
作为一种优选，药芯粉2主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：42-58份，金属单质粉(排除稀土元素)：23.5-33份，合金粉：24.5-36.5份，金属氧化物粉：3.5-5.5份，稀土：0.2-2份；其中，矿石粉由金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉组成，金属粉由铁粉、镍粉、铌粉组成，合金粉由硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉组成，金属氧化物粉为氧化铋粉。
作为一种优选，药芯粉2主要由以下成分(以重量份数计)组成：金红石粉：27-30份，硅灰石粉：2-4份，冰晶石粉：1-3份，长石粉：3-6份，镁砂粉：3-5份，石英粉：4-6份，萤石粉：2-4份，铁粉：18-22份，镍粉：3.5-8份，铌粉：2-3份，硅锰合金粉：15-20份，钛铁合金粉：1-3份，硼铁合金粉：0.5-1份，中碳锰铁合金粉：6-8份，钨铁合金粉：1-2份，钼铁合金粉：1.0-2.5份，氧化铋粉：3.5-5.5份，稀土：0.5-1.5份。
本发明用于焊接低温钢的药芯焊丝在CO2、Ar中的一种或两种气体保护下进行焊接，进一步优选药芯焊丝在CO2和Ar气体保护下进行焊接，其中，Ar占气体总体积的60-80％，更为优选Ar占气体总体积的70％。本发明药芯焊丝焊接电流大于160A，焊接电压大于28V，焊接速度0.6m/min，气流量21L/min。
表1：本发明实施例1-3药芯焊丝药芯粉的组成成分及其重量份数
实施例1：
首先，按表1中实施例1用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉的粉料及其重量份称取粉料，粉料的粒径为60-160目，混合均匀配制成药芯粉。然后选取钢带作为药芯焊丝的外皮，将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入占药芯焊丝总重17％的上述配制好的药芯粉，然后用成型机将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，将药芯粉包裹在通孔中。最后将包裹药芯粉的钢带经过拉丝机逐道拉拔、减径，得到最终产品用于焊接低温钢的药芯焊丝。将本发明制得的用于焊接低温钢的药芯焊丝进行喷涂试板烧焊实验测试，在-60℃低温冲击功(采用常规的检测技术)为64J，焊材的HRC硬度为69。
实施例2：
首先，按表1中实施例2用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉的粉料及其重量份称取粉料，粉料的粒径为60-160目，混合均匀配制成药芯粉。然后选取钢带作为药芯焊丝的外皮，将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入占药芯焊丝总重18％的上述配制好的药芯粉，然后用成型机将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，将药芯粉包裹在通孔中。最后将包裹药芯粉的钢带经过拉丝机逐道拉拔、减径，得到最终产品用于焊接低温钢的药芯焊丝。将本发明制得的用于焊接低温钢的药芯焊丝进行喷涂试板烧焊实验测试，在-60℃低温冲击功(采用常规的检测技术)为66J，焊材的HRC硬度为70。
实施例3：
首先，按表1中实施例3用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉的粉料及其重量份称取粉料，粉料的粒径为60-160目，混合均匀配制成药芯粉。然后选取钢带作为药芯焊丝的外皮，将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入占药芯焊丝总重19％的上述配制好的药芯粉，然后用成型机将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，将药芯粉包裹在通孔中。最后将包裹药芯粉的钢带经过拉丝机逐道拉拔、减径，得到最终产品用于焊接低温钢的药芯焊丝。将本发明制得的用于焊接低温钢的药芯焊丝进行喷涂试板烧焊实验测试，在-60℃低温冲击功(采用常规的检测技术)为66J，焊材的HRC硬度为68。
实施例4-6与实施例1-3的区别仅在于金属氧化物氧化铋的重量份数为2份。
实施例7-9与实施例1-3的区别仅在于金属氧化物氧化铋的重量份数为4份。
实施例10-12与实施例1-3的区别仅在于金属氧化物氧化铋的重量份数为6份。
实施例13-15与实施例1-3的区别仅在于金属氧化物氧化铋的重量份数为8份。
实施例16-18与实施例1-3的区别仅在于稀土的重量份数为0.1份。
实施例19-21与实施例1-3的区别仅在于稀土的重量份数为0.2份。
实施例22-24与实施例1-3的区别仅在于稀土的重量份数为2份。
实施例25-27与实施例1-3的区别仅在于稀土的重量份数为3份。
实施例28-30与实施例1-3的区别仅在于镍粉的重量份数为6份。
实施例31-33与实施例1-3的区别仅在于镍粉的重量份数为7.8份。
实施例34-36与实施例1-3的区别仅在于钨铁合金粉的重量份数为1.2份。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的检测结果进行逐一说明。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (8)

1.一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉，其特征在于，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：40-60份，金属单质粉(排除稀土元素)：20-35份，合金粉：20-40份，金属氧化物粉：2-8份，稀土：0.1-3份；
其中，所述矿石粉为金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉中的一种或多种，所述金属单质粉为铁粉、镍粉、铌粉中的一种或两种，所述合金粉为硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉中的一种或多种，所述金属氧化物粉为氧化铋粉。
2.根据权利要求1所述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉，其特征在于，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：矿石粉：42-58份，金属单质粉(排除稀土元素)：23.5-33份，合金粉：24.5-36.5份，金属氧化物粉：3.5-5.5份，稀土：0.2-2份；
其中，所述矿石粉由金红石粉、硅灰石粉、冰晶石粉、长石粉、镁砂粉、石英粉、萤石粉组成，所述金属单质粉由铁粉、镍粉、铌粉组成，所述合金粉由硅锰合金粉、钛铁合金粉、硼铁合金粉、中碳锰铁合金粉、钨铁合金粉、钼铁合金粉组成，所述金属氧化物粉为氧化铋粉。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉，其特征在于，所述药芯粉主要由以下成分(以重量份数计)组成：金红石粉：27-30份，硅灰石粉：2-4份，冰晶石粉：1-3份，长石粉：3-6份，镁砂粉：3-5份，石英粉：4-6份，萤石粉：2-4份，铁粉：18-22份，镍粉：3.5-8份，铌粉：2-3份，硅锰合金粉：15-20份，钛铁合金粉：1-3份，硼铁合金粉：0.5-1份，中碳锰铁合金粉：6-8份，钨铁合金粉：1-2份，钼铁合金粉：1.0-2.5份，氧化铋粉：3.5-5.5份，稀土：0.5-1.5份。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉，其特征在于，所述药芯粉的各原料粉末粒径为60-160目。
5.一种利用如权利要求1所述药芯粉的用于焊接低温钢的药芯焊丝，其特征在于，包括呈圆柱状的外皮，在外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，所述的通孔内填充有药芯粉。
6.根据权利要求5所述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝，其特征在于，所述外皮采用钢带制成。
7.一种用于焊接低温钢的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法主要包括以下步骤：
S1、按权利要求1所述的用于焊接低温钢的药芯焊丝用药芯粉的粉料及其重量份称取粉料，配制成药芯粉；
S2、将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入上述配制好的药芯粉，然后将U形槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，药芯粉包裹在通孔中；
S3、将上述包裹药芯粉的钢带经过逐道拉拔、减径，得到最终产品用于焊接低温钢的药芯焊丝。
8.根据权利要求7所述的一种用于焊接低温钢的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S2中向U形槽中加入药芯粉的量占药芯焊丝总重的17-19％。
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