CN104625472A

CN104625472A - 一种用于fcb法自动焊高强韧性药芯焊丝材料

Info

Publication number: CN104625472A
Application number: CN201410798302.8A
Authority: CN
Inventors: 余圣甫; 闫宁; 浦娟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104625472B

Abstract

本发明的一种用于FCB法大线能量埋弧自动焊的高强度、高韧性药芯材料，用于细化焊接热输入量大于150KJ/cm以上焊缝金属的晶粒，提高焊缝金属的强度与韧性。药芯焊丝材料是用SPCC市售钢带，包覆各种合金粉。包覆的各种合金粉为：硅钙合金，电解锰，钒铁，钛铁，氮化铬，钼铁，氧化物稀土铈，雾化铁粉。本发明用Ti、V的氮化物与Ce的硫化物作为细化焊缝金属的质点，拖拽奥氏体晶界的迁移和晶粒长大，细化奥氏体晶粒，同时在奥氏体内诱导铁素体形核，细化焊缝金属。本发明主要应用于船舶的平面分段流水线拼板焊接，采用FCB法焊接钢板厚度为10mm～40mm大拼板的平对接焊缝时，能实现单面焊双面成形，工件不需翻身，与双面埋弧自动焊相比，效率可提高3～5倍。

Description

一种用于FCB法自动焊高强韧性药芯焊丝材料

技术领域

本发明涉及一种焊丝材料，具体为一种用于FCB法大线能量埋弧自动焊的高强度、高韧性药芯材料。本发明的药芯焊丝材料用于FCB法埋弧自动焊，能使焊缝金属的晶粒能显著细化，焊缝金属的强度与韧性能大幅度提高。

技术背景

FCB法(Flux Cooper Backing，简称FCB法)又称为焊剂铜衬垫法，它是在板块状的铜板上均匀铺设4～6mm厚的衬垫焊剂，用充气软管顶压装置将其与钢板背面紧密贴合，再在坡口正面堆放表面焊剂，并由正面焊接，同时形成背面焊缝的单面焊双面成形的焊接方法，如图1所示。

FCB法主要应用于船舶的平面分段流水线拼板焊接，用于钢板厚度为10mm～40mm大拼板的平对接焊时，能实现单面焊双面成形，工件不需翻身，与双面埋弧自动焊相比，效率可提高3～5倍。

FCB法采用三根焊丝W1、W2、W3焊接，如图2所示。由于焊接时的线能量达到150KJ/cm以上，焊缝金属的晶粒产生严重长大，晶粒尺寸可达100μm以上，是母材的10倍以上。粗大的晶粒使焊缝金属的韧性显著降低，不能满足使用要求。

发明内容

本发明针对目前FCB法大线能量埋弧焊焊缝金属的晶粒严重长大，造成焊缝金属的韧性显著降低，低温冲击韧性值不能满足要求的现状，发明一种药芯焊丝材料，目的在于有效提高FCB法大线能量埋弧焊焊缝金属的强度与韧性。

本发明提供的一种用于FCB法的药芯焊丝材料，该药芯焊丝材料含有钒铁、钛铁、氮化铬金属粉和稀土铈，其中，药芯中钒铁的重量百分比为0.5～1.0％，钛铁的重量百分比为0.5～1.0％，氮化铬金属粉的重量百分比为0.3～0.8％，稀土铈的1.5～2.5％，使药芯焊丝材料能够在焊接冶金过程中形成TiN、VN、CeS细小质点，拖拽奥氏体晶界的迁移和晶粒长大，细化奥氏体晶粒，同时TiN、VN、CeS在奥氏体内诱导铁素体形核，形成针状铁素体，细化焊缝金属晶粒，以提高FCB法大线能量埋弧焊焊缝金属的强度与韧性。

本发明提供的一种用于FCB法的药芯焊丝材料，其药芯率为24％～26％，药芯的组分及重量百分比为：硅钙合金1.0～3.0％，电解锰2.0～4.0％，50％钒铁0.5～1.0％，25％钛铁0.5～1.0％，62％CrN 0.3～0.8％，55％钼铁2.0～4.0％，氧化物稀土Ce 1.5～2.5％，雾化铁粉为83～93％。

本发明用Ti、V的氮化物与Ce的硫化物作为细化焊缝金属的质点，拖拽奥氏体晶界的迁移和晶粒长大，细化奥氏体晶粒，同时在奥氏体内诱导铁素体形核，细化焊缝金属。本发明主要应用于船舶的平面分段流水线拼板焊接，采用FCB法焊接钢板厚度为10mm～40mm大拼板的平对接焊缝时，能实现单面焊双面成形，工件不需翻身，与双面埋弧自动焊相比，效率可提高3～5倍。

附图说明

图1是FCB法的原理示意图；图中，1为正面焊剂，2为衬垫焊剂，3为铜板，4为气囊；

图2是焊丝排列方式示意图。

具体实施方式

本发明提供的药芯焊丝材料可以取代FCB法埋弧自动焊中的第二根焊丝材料，即图2中的W2。用本发明的药芯焊丝材料，匹配目前市售的FCB法用焊剂与焊丝，能使焊缝金属的晶粒细化到12μm以下，有效提高FCB法大线能量埋弧焊焊缝金属的强度与韧性。

焊接是高温局部加热过程，焊接熔池凝固速度十分快，这使得焊缝金属中常存在高密度的夹杂物。许多直径小于1.0μm硫化物如MnS、氧化物如Al₂O₃、氧硫化物如Al₂O₃.MnO.SiO₂.MnS，它们具有拖拽奥氏体晶界的迁移和阻碍晶粒长大，细化奥氏体晶粒的作用，同时Al₂O₃.MnO.SiO₂.MnS能在奥氏体内诱导铁素体形核，细化焊缝金属。

当焊接线能量大于150KJ/cm时，大的热输入量使得焊接熔池的高温停留时间长，焊缝金属中的酸性氧化物与碱性氧化物以及硫化物能迅速聚集、长大，主要形成尺寸大于1.0μm的氧硫化物，如Al₂O₃.MnO.SiO₂.MnS。它们不仅不能诱导针状铁素体细化晶粒，而且会作为裂纹源，降低焊缝金属的强度与韧性。若仅采用稀土Ce，形成Ce的硫化物也会聚集，形成大尺寸的硫化物，也会作为裂纹源，造成焊缝金属的强度与韧性降低。

采用Ti、V、Nb等金属的氮化物，它们具有不易聚集、长大的特点，弥撒分布于焊缝金属中，起到拖拽奥氏体晶界的迁移和阻碍晶粒长大，细化奥氏体晶粒的作用，同时在奥氏体晶内诱导铁素体形核，细化焊缝金属。特别是TiN、VN与CeS能形成氮、硫复合物，如TiN.CeS、VN.CeS，能显著提高焊缝金属中针状铁素体的比例，细化焊缝金属晶粒，提高焊缝金属的强度与韧性。基于TiN、VN以及TiN、VN与CeS能形成氮、硫复合物的特点，本发明采用Ti、V的氮化物，以及它们与Ce的硫化物形成的复合物，作为细化焊缝金属的质点，拖拽奥氏体晶界的迁移和晶粒长大，在奥氏体内诱导铁素体形核，形成针状铁素体，细化焊缝金属晶粒。

下面结合实例对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体而言，本发明实例提供的药芯材料用于细化焊接热输入量大于150KJ/cm以上焊缝金属的晶粒，提高焊缝金属的强度与韧性。药芯焊丝材料具体是用厚度为1.0mm的SPCC市售钢带(相当于H08A钢带)，包覆25％的各种合金粉，即药芯焊丝的药芯率为25％，控制药芯率系数的误差在1％以内。包覆的各合金粉的组分及重量百分比为：硅钙合金(Ca28Si60)1.0～3.0％，电解锰2.0～4.0％，50％钒铁0.5～1.0％，25％钛铁0.5～1.0％，62％CrN 0.3～0.8％，55％钼铁2.0～4.0％，99氧化物稀土Ce1.5～2.5％，雾化铁粉为83～93％。雾化铁粉主要起平衡作用，使药芯焊丝中合金粉之和为100％，其多少并不改变药芯焊丝的性能。

药芯焊丝材料具体可以用厚度为1.0mm的SPCC市售钢带(相当于H08A钢带)，包覆25％±1％的各种合金粉。

实例：

本发明所说的一种用于FCB法大线能量埋弧自动焊的高强度、高韧性药芯材料，是由厚度为1.0mm，宽度为18.5mm的市售SPCC冷轧钢带(相当于H08A钢带)，包覆25％的各种合金粉。各合金粉的组分及重量百分比例如表1：

应用实例1：硅钙合金1.0％，电解锰2.0％，50％钒铁0.5％，25％钛铁0.5％，62％CrN 0.3％，55％钼铁2.0％，99氧化物稀土Ce1.5％，雾化铁粉为92.8％。

药芯焊丝的药芯率为25.5％。

在焊接线能量大于150KJ/cm的条件下进行FCB法三丝埋弧焊，其熔敷金属的化学成份与力学性能如表2。

应用实例2：硅钙合金3.0％，电解锰4.0％，50％钒铁1.0％，25％钛铁1.0％，62％CrN 0.8％，55％钼铁4.0％，99氧化物稀土Ce2.5％，雾化铁粉为83.7％。

药芯焊丝的药芯率为24.3％。

在焊接线能量大于150KJ/cm的条件下进行FCB法三丝埋弧焊，其熔敷金属的化学成份与力学性能如表3。

应用实例3：硅钙合金2.0％，电解锰2.5％，50％钒铁0.8％，25％钛铁0.8％，62％CrN 0.5％，55％钼铁3.0％，氧化物稀土Ce2.0％，雾化铁粉88.4％。

药芯焊丝的药芯率为24.9％。

在焊接线能量大于150KJ/cm的条件下进行FCB法三丝埋弧焊，其熔敷金属的化学成份与力学性能如表4。

应用实例4：硅钙合金1.0％，电解锰2.0％，50％钒铁0.6％，25％钛铁0.7％，62％CrN 0.3％，55％钼铁4.0％，99氧化物稀土Ce2.5％，雾化铁粉88.9％。

药芯焊丝的药芯率为24.7％。

在焊接线能量大于150KJ/cm的条件下进行FCB法三丝埋弧焊，其熔敷金属的化学成份与力学性能如表5。

应用实例5：硅钙合金2.8％，电解锰4.0％，50％钒铁0.8％，25％钛铁1.0％，62％CrN 0.8％，55％钼铁3.0％，99氧化物稀土Ce2.0％，雾化铁粉85.6％。

药芯焊丝的药芯率为25.2％。

在焊接线能量大于150KJ/cm的条件下进行FCB法三丝埋弧焊，其熔敷金属的化学成份与力学性能如表6。

以下给出的是一种FCB法大线能量埋弧自动焊的高强度、高韧性药芯材料的实施方式：

1).药芯粉由合金粉混合而成，将各种合金粉过筛，确保合金粉的粒度为80～100目。按配方比例称重，进行反复搅拌、均匀化。

各合金粉配方比例为：硅钙合金(Ca28Si60)1.0～3.0％，电解锰2.0～4.0％，50％钒铁0.5～1.0％，25％钛铁0.5～1.0％，62％CrN 0.3～0.8％，55％钼铁2.0～4.0％，99氧化物稀土Ce1.0～2.5％，雾化铁粉为83～93％。

2).将搅拌、均匀化的合金粉经80℃烘干，保温1～2小时，烘去合金粉中的潮气与水份。

3).在药芯焊丝生产线上，将烘烤后的合金粉加入到厚度为1.0mm，宽度为18.5mm的市售SPCC冷轧钢带卷制成的U型槽中。

4).药芯焊丝的药芯率系数为25％，控制药芯率系数的误差在1％以内。

5).药芯焊丝在生产线上成型机出口的直径为5.6，然后拉拔成直径为4.8mmFCB法埋弧自动焊用药芯焊丝。

6).也可根据不同焊接需要拉拔成直径为3.2mm，4.0mm等不同直径的焊丝。

以上所述为本发明的较佳实施实例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。任何按本发明成份配比和药芯率进行换算所得的药芯焊丝均包含在内。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

表1：焊药芯焊丝材料药芯粉成份配方

成份	比例	成份	比例	成份	比例
						硅钙合金	1.0～3.0％	CrN	0.3～0.8％	电解锰	2.0～4.0％
钒铁	0.5～1.0％	钼铁	2.0～4.0％	雾化铁粉	91.7～83.7％
						钛铁	0.5～1.0％	氧化物稀土Ce	1.5～2.5％

注^*：雾化铁粉主要起平衡作用，使药芯焊丝中合金粉之和为100％，其多少并不改变药芯焊丝的性能。硅钙合金是指市售硅含量为60％，钙含量为28％的合金粉；CrN是指市售含Cr不低于62％，N含量不低于12％的CrN合金粉；电解锰为市售锰含量为99.5％的金属锰粉；钒铁是指市售钒含量为50％的钒铁粉；钛铁是指市售钒含量为25％的钛铁粉；钼铁是指市售钼含钼为55％的钼铁粉；氧化物稀土Ce是指市售Ce含量99.5％以上的铈氧化物。

表2熔敷焊缝金属的化学成份与力学性能

表3熔敷焊缝金属的化学成份与力学性能

表4熔敷焊缝金属的化学成份与力学性能

表5熔敷焊缝金属的化学成份与力学性能

表6熔敷焊缝金属的化学成份与力学性能

Claims

1.一种用于FCB法的药芯焊丝材料，该药芯焊丝材料含有钒铁、钛铁、氮化铬金属粉和稀土铈，其中，药芯中钒铁的重量百分比为0.5～1.0％，钛铁的重量百分比为0.5～1.0％，氮化铬金属粉的重量百分比为0.3～0.8％，稀土铈的1.5～2.5％，使药芯焊丝材料能够在焊接冶金过程中形成TiN、VN、CeS细小质点，拖拽奥氏体晶界的迁移和晶粒长大，细化奥氏体晶粒，同时TiN、VN、CeS在奥氏体内诱导铁素体形核，形成针状铁素体，细化焊缝金属晶粒，以提高FCB法大线能量埋弧焊焊缝金属的强度与韧性。

2.一种用于FCB法的药芯焊丝材料，其特征在于，其药芯率为24％～26％，药芯的组分及重量百分比为：硅钙合金1.0～3.0％，电解锰2.0～4.0％，50％钒铁0.5～1.0％，25％钛铁0.5～1.0％，62％CrN 0.3～0.8％，55％钼铁2.0～4.0％，氧化物稀土Ce 1.5～2.5％，雾化铁粉为83～93％。

3.根据权利要求1或2所述的用于FCB法的药芯焊丝材料，其特征在于，所述药芯焊丝材料用厚度为1.0mm的SPCC市售钢带包覆药芯。

4.根据权利要求4所述的用于FCB法的药芯焊丝材料，其特征在于，所述药芯焊丝材料用于细化焊接热输入量大于150KJ/cm以上焊缝金属的晶粒，能使焊缝金属的晶粒细化到12μm以下。