CN104827201A - 一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用，该无镍药芯焊丝，由碳钢外皮和填充在外皮内的药粉组成，填充率13.0～18.0％，药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分含量为：TiO2 5.0～8.0％，SiO2 0.6～1.5％，ZrO2 0.5～1.5％，Mn 1.5～3.0％，Si 0.4～1.2％；MgO 0.20～0.60％；CaCO3 0.10～0.50％，CaF20.10～0.20％，NaF 0.10～0.30％，Re 0.010～0.020％，镁铝合金0.40～0.70％，Fe余量。该药芯焊丝具有高韧性和良好的抗裂性能，并且可全位置焊接，非常适用于焊接屈服强度等于或大于390MPa的钢板。

Description

一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及低温焊接技术领域，具体涉及一种高韧性的无镍药芯焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
药芯焊丝是上世纪50年代发展起来的高效焊接材料，它不仅继承了焊条成份可调的优点，又克服了焊条不能连续、自动焊接的缺点，其熔敷效率高达焊条的4倍，还具有焊缝成型美观、焊接变形小等优点。
E501T-1药芯焊丝是二氧化碳气保护药芯焊丝，在－20℃条件下具有较好的低温冲击韧性，该焊丝目前最为广泛地用于造船、机械制造、压力容器、锅炉、石油机械、化工机械、起重机械等重要结构的焊接。随着高强度低温用钢的大量使用，特别是在北方寒冷地区作业的桥梁、工程机械以及深远海区域作业的船舶等要求在－40℃下具有良好的低温冲击韧性，因此对低温钢用焊接材料的需求量逐年增加，目前市场上出现的低温系列焊材主要包括1.5Ni、3.5Ni、9Ni钢配套焊接材料。由于国际市场上镍金属的价格十分高昂，含镍焊材生产成本高，因此，研制一种不含镍但具有较高低温冲击韧性的药芯焊丝，对于扩大钢结构应用范围、提高船舶建造水平、缩短建造周期、提高经济效益都具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型无镍药芯焊丝，具备高韧性，完全满足低温焊接需求，以克服目前低温焊接材料生产成本高的问题。
本发明提供的无镍药芯焊丝，由碳钢外皮和填充在外皮内的药粉组成，药粉质量占药芯焊丝总质量的13.0～18.0％，药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分含量为：TiO25.0～8.0％，SiO20.6～1.5％，ZrO20.5～1.5％，Mn 1.5～3.0％，Si 0.4～1.2％；MgO 0.20～0.60％；CaCO30.10～0.50％，CaF20.10～0.20％，NaF0.10～0.30％，Re 0.010～0.020％，镁铝合金0.40～0.70％，Fe余量。
上述无镍药芯焊丝采用钛钙型渣系，这种渣系介于钛型和碱性之间，在酸性渣系中含有一定的碱性物质，使之达到低氢及优良的综合力学性能，同时具有钛型渣系原有的优良操作工艺，该药芯焊丝的渣系为TiO2-CaO-CaF2-SiO2，并通过大量的试验确定了各成分含量对工艺性能的影响。
TiO2是主要的造渣剂，其含量多少对工艺性能和力学性能影响都很大。当TiO2小于5.0％时，全位置焊接工艺不好；大于8.0％时，焊缝金属低温冲击韧性下降，容易出现气孔和压痕，因此本发明限定在5.0～8.0％。
SiO2是主要的造渣剂，对焊缝的脱渣性和焊缝的表面质量影响很大。随着SiO2含量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，对焊缝的脱渣性有很好的作用，少于0.6％则上述效果不明显；但是大于1.5％时，降低熔渣的透气性，容易使焊道产生压痕缺陷，同时，焊缝的低温韧性下降，因此本发明限定在0.6～1.5％。
ZrO2是造渣剂，同时向焊缝金属过渡微量Zr，其含量多少对工艺性能影响较大，特别是对焊缝的脱渣性有一定的帮助。随着ZrO2含量的增加，熔渣变得酥脆，熔渣的强度降低，焊缝成形较好，少于0.5％上述效果不明显；但大于1.5％时，渣熔点高，容易出现压铁水现象，且焊缝金属强度过高，因此本发明限定在0.5～1.5％。
MgO是镁砂的主要成分，用于造渣、改善熔渣透气性和焊缝成形，适量MgO可以增加熔渣的碱度，提高焊缝的低温韧性，同时可以增加熔渣的透气性，减少出现气孔和压痕的概率。少于0.20％，则上述作用不明显；当含量大于0.60％，立向上焊接操作工艺变差，平焊熔渣覆盖性变差，因此本发明限定在0.20～0.60％。
CaF2是造渣剂，CaF2的加入可以提高渣的碱度，同时CaF2中的F可以起到去氢的效果，适量的CaF2起到焊缝去氢和提高抗压痕的作用。本发明中CaF2与NaF共同配合。少于0.10％上述作用不明显；但是多于0.20％电弧声音变差，飞溅变大，熔渣变稀，焊丝的全位置焊接工艺变差，同时焊接烟尘的有毒性物质增强，因此本发明限定在0.10～0.20％。
NaF是去氢剂，降低焊缝扩散氢含量。本发明中NaF与CaF2共同配合。加入量太少时电弧稳定性不好，去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量太多时焊接飞溅和烟尘增大。因此本发明限定在0.10～0.30％。
镁铝合金是药芯配方中的强脱氧剂，其含量在配方中应控制在0.40～0.70％以内。适量的镁铝合金可以使在高温下反应产生的MgO进入熔渣，有利于提高熔渣的碱度，对焊缝金属的低温韧性有好处。少于0.40％药芯焊丝脱氧不足，焊缝中的氧含量增加，降低焊缝金属的低温冲击韧性；但是多于0.70％电弧的吹力太大，焊角焊缝时容易产生咬边现象，同时镁铝合金在使用过程中安全性差，极容易燃烧产生爆炸，从生产安全考虑，在满足脱氧的情况下，尽量减少镁铝合金的加入量，因此本发明限定在0.40～0.70％。
CaCO3是造渣剂，可提高熔渣的碱度，对焊缝金属低温冲击韧性有好处，同时可以使溶滴尺寸变小，降低焊丝的飞溅，对全位置焊接有一定的帮助。少于0.10％则上述作用不明显；多于0.50％，焊丝在焊接过程中熔滴增大，飞溅增加，同时焊丝全位置焊接性能变差，因此本发明限定在0.10～0.50％。
Si(硅)是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于0.4％(占焊丝总质量)时不能体现上述特征，大于1.2％时铁水变粘，焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此本发明限定在0.4％～1.2％。
Mn(锰)是主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性，加入量少于1.5％时，体现上述特性不足，大于3.0％时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此本发明限定在1.5～3.0％。
Re(铼，稀土元素)可以通过净化焊缝组织、细化晶粒、改变夹杂物的形状和大小来改善焊缝金属的低温冲击韧性，同时可以降低扩散氢含量。在本发明药芯焊丝中Re元素优选采用稀土铁合金的方式加入。该元素含量少于0.010％，上述作用不明显，多于0.020％则使焊接工艺变差，因此本发明限定在0.010～0.020％。
Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
本发明所采用的药粉成分配比，可最大限度的发挥各组分的优势，能使焊缝金属化学成分及力学性能满足屈服强度为390MPa级钢板的焊接要求，同时-40℃低温冲击韧性大于47J，是一种与屈服强度为390MPa级钢板相配套的药芯焊丝。
填充率是指药粉质量占该药粉所在药芯焊丝总质量的百分比例。填充率的多少关系到堆焊层的金属化学成分，不仅要影响焊丝的力学性能，还会对焊丝的工艺性能产生影响。填充率过小，焊丝填充不实，会导致焊丝挺度小，焊接时送丝不畅，焊丝也会因空松带入熔池的气体增加，使焊接熔池内气体饱和和蒸汽压增大，气孔倾向增大，此外可能会因为焊丝内脱氧剂不足产生CO气孔，严重影响焊接质量。填充率过大时，会影响焊丝的轧制，使焊丝生产过程中容易被拉断，这样会导致在施焊过程中，火花飞溅过大，安全性较差。过大或过小都会影响堆焊层金属的物理和化学性能，本发明经过大量试验，最终将其确定在13.0～18.0％的范围内。
优选地，上述无镍药芯焊丝中，所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素与Zr元素的质量比为10～15:1。无镍药芯焊丝原材料的选择，能够体现出熔敷金属化学元素含量，粉料范围的选择最后要以这个配比为选择范围，才能保证焊缝金属的最佳性能。
优选地，上述无镍药芯焊丝中，焊丝的横截面直径为1.0mm～1.6mm。药芯焊丝产品性能符合标准要求的情况下，横截面直径越大，其熔覆效率越高。其中优选直径1.2mm的产品，更符合使用习惯，适配范围最广。
优选地，上述无镍药芯焊丝中，所述碳钢为低碳钢。低碳钢(low carbon steel)又称软钢，是指碳的质量分数小于0.25％的非合金钢，应用在本发明中其可焊性能良好，且成本低廉。
优选地，上述无镍药芯焊丝中，所述药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分比含量为：TiO25.5％，SiO20.8％，ZrO21.2％，Mn 2.0％，Si 0.6％；MgO 0.42％；CaCO30.15％，CaF20.12％，NaF 0.16％，Re 0.016％，镁铝合金0.65％，Fe 2.884％，填充率14.5％。
本发明还提供了上述无镍药芯焊丝的制备方法，是使用钢带法，O型对接，在碳钢钢带制成的外皮内填充药芯成分，经过成型减径后得到无镍药芯焊丝。
钢带法制造药芯焊丝生产线的主工艺由钢带裁剪机组、钢带复绕机组、钢带清洗、成形机组、加粉机组、合缝机组、直线式拔丝机组和工字轮收线机等组成。购进的钢带首先经化学成分检验合格后，进行裁剪成一定宽度的钢带，进入下一道工序。采用金属清洗剂超声波振动清洗，清水冲洗、热风烘干的办法来进行钢带清洗，清洗后的钢带应无油、无水、无锈。在成形机机组将钢带轧成“U”形槽，再经加粉机组按一定配比加入药粉，在合缝机组将边缘合缝，经拔丝机组减径，最后进人收线机，成为药芯焊丝成品。
本发明还提供了上述无镍药芯焊丝在焊接屈服强度≥390MPa级的钢板中的应用。优选的焊接条件为：电流200～260A，电压24～30V，线能量为12～20KJ/cm，层间温度为135～165℃。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的药芯焊丝具有高韧性和良好的抗裂性能，并且可全位置焊接，非常适用于焊接屈服强度等于或大于390MPa的钢板。
2、确定Zr元素的加入量，研究了C元素与Zr元素的比例对提高低温冲击韧性的作用，本发明所述药芯焊丝-40℃低温冲击韧性大于47J，在保证焊缝高强度的同时具有良好的低温冲击韧性和全位置焊接性能。
3、Al、Mg等几种强脱氧元素的混配加入，有利于焊缝气体的排出和焊缝成形，提高焊缝金属的低温冲击韧性。
4、控制药粉中TiO2、SiO2和ZrO2的加入量，确保焊丝低温冲击韧性和全位置焊接性能。
5、本发明的药芯焊丝焊接时采用CO2气体保护，有利于焊缝低温冲击韧性的稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例的药芯焊丝，药粉的成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比含量如下：TiO25.5％,SiO20.8％,ZrO21.2％,Mn 2.0％,Si 0.6％,MgO 0.42％,CaCO30.15％,CaF20.12％,NaF 0.16％，Fe2.884％,镁铝合金0.65,Re 0.016，填充率14.5％。碳钢外皮使用低碳钢。
本实施例药芯焊丝的制备方法：使用钢带法生产药芯焊丝，O型对接，在低碳钢钢带制成的外皮内填充粉料，填充率为13～18％，经过成型减径后得到直径为1.0～1.6mm的成品焊丝。
本实施例药芯焊丝的应用：本发明的药芯焊丝，采用CO2气体保护，在室温25℃，相对湿度70％的条件下，Φ1.2mm的本发明药芯焊丝采用电流220～240A，电压28～30V，线能量为13～15KJ/cm，层间温度为135～165℃的焊接规范焊接试板，试板为屈服强度为390MPa钢板或同级别强度的低合金钢。
表1中另外还列举了实施例2～6的药粉成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比含量。其制备方法同实施例1。
表1实施例1～6药芯焊丝中药粉成分及用量
实施例1～6制备的药芯焊丝焊接后的熔敷金属的性能数据，见表2、表3。
表2熔敷金属力学性能
Rm/MPa ReL/MPa A/％ KV2(-40℃)/J
实施例1 505 420 27 124 122 120
实施例2 495 400 26.5 109 102 113
实施例3 523 450 26 100 98 105
实施例4 530 468 25 95 92 96
实施例5 564 480 24.5 89 85 92
实施例6 592 506 24 85 90 79
表3熔敷金属化学成分
C Zr C/Zr
实施例1 0.032 0.032 10
实施例2 0.043 0.038 11.2
实施例3 0.048 0.034 14.2
实施例4 0.050 0.040 12.5
实施例5 0.052 0.035 15
实施例6 0.056 0.042 13.3
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种无镍药芯焊丝，由碳钢外皮和填充在外皮内的药粉组成，其特征在于，药粉质量占药芯焊丝总质量的13.0～18.0％，药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分含量为：TiO2 5.0～8.0％，SiO2 0.6～1.5％，ZrO2 0.5～1.5％，Mn 1.5～3.0％，Si 0.4～1.2％；MgO 0.20～0.60％；CaCO3 0.10～0.50％，CaF2 0.10～0.20％，NaF0.10～0.30％，Re 0.010～0.020％，镁铝合金0.40～0.70％，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的无镍药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素与Zr元素的质量比为10～15:1。
3.根据权利要求1所述的无镍药芯焊丝，其特征在于，焊丝的横截面直径为1.0mm～1.6mm。
4.根据权利要求1所述的无镍药芯焊丝，其特征在于，所述碳钢为低碳钢。
5.根据权利要求1～4任一所述的无镍药芯焊丝，其特征在于，所述药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分比含量为：TiO2 5.5％，SiO2 0.8％，ZrO2 1.2％，Mn 2.0％，Si 0.6％；MgO 0.42％；CaCO3 0.15％，CaF2 0.12％，NaF 0.16％，Re0.016％，镁铝合金0.65％，Fe 2.884％，填充率14.5％。
6.权利要求1～5任一所述的无镍药芯焊丝的制备方法，是使用钢带法，O型对接，在碳钢钢带制成的外皮内填充药粉成分，经过成型减径后得到无镍药芯焊丝。
7.权利要求1～6任一所述的无镍药芯焊丝在焊接屈服强度≥390MPa级的钢板中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，焊接条件为：电流200～260A，电压24～30V，线能量为12～20KJ/cm，层间温度为135～165℃。
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