CN105345313B - 一种增大熔深的高强度药芯焊丝及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增大熔深的高强度药芯焊丝及其制备方法与应用，包括药粉和用于包裹药粉的管壁，药粉的组成按质量百分比计包含有以下组分：75#硅铁1％‑5％，中碳锰铁8％‑15％，钼铁12％‑18％，微碳铬铁4％‑9％，金属镍粉2％‑5％，钒铁1％‑3％，钛铁3％‑6％，稀土硅铁合金1％‑2％，0～2.0％K2CO3粉末，0.5％～1.5％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。本发明的高强度药芯焊丝的熔深比较深，所以母材可以不用开坡口，或者只需要开小坡口、留大钝边，使得填充金属量减少，焊接生产率得到极大提高。同时也不易产生未熔合焊接缺陷，提高了焊接结构的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接材料，尤其涉及一种增大熔深的高强度药芯焊丝及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业技术的迅猛发展，焊接结构向大型化、高参数化、高强度、高韧性方向发展。高强韧性的中厚板在焊接结构上的应用越来越多，目前富氩气体保护焊是中厚高强钢板焊接的主要工艺。中厚板的焊接需要开坡口，多层多道焊接，焊接生产工序复杂，焊接生产效率低。提高中厚板的焊接效率是焊接工作者追求的目标之一，为此人们在焊接设备、焊接工艺、焊接材料等方面开展了研究工作。增大熔深可以增加坡口钝边的尺寸、减小坡口角度，从而降低了填充金属量，这不仅节省了焊接材料，而且降低了焊接工作量，提高了焊接生产率。因此，增加熔深成为中厚板焊接提高生产率的手段之一。公布号为CN103831541A发明专利“高强钢对接接头激光-MIG电弧复合焊接方法”采用激光-MIG电弧复合热源增加熔深，但该方法设备复杂，投资大，灵活性差，应用受到限制。研究发现，将特定成分的活性剂用有机溶液调成糊状，涂覆在洁净的焊接工件表面，待有机溶液挥发后焊接，可提高熔深。涉及活性剂的专利如公布号为CN103962752A的发明专利“一种用于耐候钢MAG焊接的活性剂及使用方法”、公布号为CN103962750A的发明专利“一种用于不锈钢MAG焊接的活性剂及使用方法”、公布号为CN102626839A的发明专利“一种用于钛合金钨极氩弧焊的活性剂”等。活性剂目前主要用于不锈钢、钛及钛合金等材料，活性剂的使用增加了焊接生产工序，存在着使用不方便的缺点，且用量也不容易精确控制，使得焊接质量的稳定性稍差。适用于碳钢的活性剂还鲜有报道。
富氩气体保护熔化极气体保护焊常用的焊接材料为药芯焊丝和实芯焊丝。药芯焊丝具有电弧稳定、飞溅小、化学成分调整容易等优点，但其成本略高。实芯焊丝的送丝性能好，但其成分调整困难，焊接飞溅大、电弧稳定性差。富氩气体保护熔化极气体保护焊，现有实芯焊丝和药芯焊丝均存在熔深较浅的问题，为了焊透，往往需要开大坡口，这就使得填充金属量增加，增大了焊丝消耗量，降低了焊接生产效率。
随着大型焊接结构应用的逐渐增多，以及结构运行工况的日益苛刻(如低温、大载荷、高温等)，高强度中厚板的应用逐渐增多，焊接工作量大幅度增加，用户对低成本、熔深大、质量稳定的高效化焊接材料，特别是适于自动焊的药芯焊丝需求也更加迫切。
发明内容
本发明的目的是针对现有高强度药芯焊丝富氩气体保护焊熔深浅，需要开坡口，多层多道焊，焊接生产率低等弊端，提供一种增大熔深的高强度药芯焊丝及其制备方法与应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种药芯焊丝的药粉，其包含熔深活性剂，所述熔深活性剂为高锰酸钾。
优选的，所述药粉中的粒度分布为74-297微米。
优选的，所述药粉的组成按质量百分比计包含有以下组分：75#硅铁1％-5％，中碳锰铁8％-15％，钼铁12％-18％，微碳铬铁4％-9％，金属镍粉2％-5％，钒铁1％-3％，钛铁3％-6％，稀土硅铁合金1％-2％，0～2.0％K2CO3粉末，0.5％～1.5％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
进一步优选的，75号硅铁2％-4％，中碳锰铁10％-12％，钼铁14％-16％，微碳铬铁5％-7％，镍粉3％-4％，钒铁1％-2％，钛铁4％-5％，稀土硅铁合金1％-1.5％，1％～1.5％K2CO3粉末，0.8％～1.2％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
上述药粉粉末材料中，75#硅铁的成分以重量比计是74.0～80.0％Si，0.1％C，余为Fe；中碳锰铁的成分以重量比计Mn不小于78％，C不大于1.5％，Si不大于1.5％，余为Fe；钼铁的成分以重量比计是50％Mo，3％Si，余为Fe；微碳铬铁的成分以重量比计Cr不小于60％，C不大于0.1％，Si不大于1.5％，余为Fe；金属镍粉的成分以重量比计Ni不小于98％；钒铁的成分以重量比计是V不小于40％，C不大于1％，Si不大于3％，Al不大于1.5％，余为Fe；钛铁的成分以重量比计是23～35％Ti，C不大于0.1％，Al不大于8％，Si不大于4.5％，余为Fe；稀土硅铁的成分以重量比计是稀土为21％-24％，Si不大于44％，Mn不大于3％，Ca不大于5％，Ti不大于3％，余为Fe；碳酸钾的成分以重量比计K2CO3含量不小于95％；高锰酸钾以重量比计KMnO4含量不小于99.3％。
以上所述药粉的成分中允许含有加工过程中难以去除的不影响其性能的杂质。本发明添加药粉各组分的作用如下：
硅铁的作用是向焊缝金属过渡合金元素，脱氧。
中碳锰铁的作用是向焊缝金属过渡合金元素，脱氧，脱硫、降低热裂纹倾向。
钼铁的作用是向焊缝金属过渡合金元素固溶强化，加入Mo是为了确保焊缝金属的强度，Mo应适量加入，过量加入会使脆性转变温度提高，导致焊缝金属的韧性降低。
微碳铬铁的作用是向焊缝金属过渡合金元素，通过固溶强化提高熔敷金属的强度，推迟奥氏体转变温度，促使形成针状铁素体，提高焊缝的强韧性。但Cr含量过高，将提高熔敷金属的脆性转变温度。
金属镍的作用是焊缝金属过渡合金元素。加入适量促使针状铁素体的形成，而且有利于低温韧性的提高，但其属于贵金属元素，应控制其加入量。
钒铁的作用是向焊缝金属过渡合金元素，细化晶粒，强韧化焊缝金属。
钛铁的作用是脱氧、脱氮，细化晶粒，提高韧性。添加微量可细化组织，提高熔敷金属的强韧性，Ti形成氮化物和氧化物，可作为针状铁素体的形核核心，促进奥氏体晶内针状铁素体的形成。同时，Ti还能降低飞溅，改善焊接工艺性能。
稀土硅铁的作用是净化焊缝金属，使夹杂物球化，细化晶粒，提高焊缝的韧性和塑性。
碳酸钾的作用是稳弧，改善焊接工艺性能。
高锰酸钾，熔深活性剂，增加电弧和液态金属的氧化性，使熔池表面形成氧化物，通过影响熔池液态金属的表面张力，改变其流向，将电弧热传递到熔池底部增加熔深。熔池表面的氧化物亦使导电面积减小，电弧收缩，增大熔深。加入量低于0.5％时，氧化性较弱，增加熔深的效果不明显；加入量超过1.5％时，氧化性过大，焊缝增氧，夹杂物增多，降低焊缝金属的韧塑性。
上述药粉在制备药芯焊丝中的应用。
一种增大熔深的高强度药芯焊丝，包括上述药粉和用于包裹药粉的管壁。
优选的，所述药芯焊丝的直径为1.2-1.6mm。
优选的，所述焊丝的截面形状为圆环形。
优选的，所述管壁为SPCC或H08A低碳钢材质。
上述药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
1)将设定壁厚和设定宽度的钢带进行轧制，使其横截面的形状为U形；
2)向轧制的钢带的U形槽中加入所述药粉；
3)将U形槽合口，使药粉包裹在U形槽中，通过拉拔减径，制得药芯焊丝。
优选的，步骤1)中，所述钢带的壁厚为0.4-1.0mm，宽度为12-16mm；或所述钢带为SPCC钢带。
优选的，步骤2)中，U形槽中药粉的填充率为10％-15％。填充率为药粉质量与药粉、钢带质量之和的比值。
优选的，步骤3)中，拉拔减径后的直径为1.2-1.6mm。
上述药芯焊丝在富氩气体保护焊中的应用，富氩气体中Ar为80％-95％，余量为氧气或二氧化碳气体。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明的高强度药芯焊丝的熔深比较大，所以母材可以不用开坡口，或者只需要开小坡口、留大钝边，使得填充金属量减少，焊接生产率得到极大提高。同时也不易产生未熔合焊接缺陷，提高了焊接结构的安全性。
(2)熔敷金属的成分可以通过改变药芯焊丝药粉的成分进行相应调整，所以可以通过调整药芯焊丝的药粉组分，焊接不同强度级别的钢材，使药芯焊丝的应用范围扩大。
(3)本发明的富氩气体保护增大熔深药芯焊丝可以缠绕成盘，也可以装桶，适于连续自动焊，特别是机器人焊接。
(4)本发明的药芯焊丝焊接时，采用富氩气体保护，焊接电弧稳定，飞溅小，焊接质量高，同时，富氩气体保护还适于高强度结构件的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
(1)选用壁厚为0.9mm，宽度为16mm的市售SPCC钢带，用超声波清洗设备清洗后利用现有的药芯焊丝生产线，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形。
SPCC钢带的化学成分(质量％)为，0.06％C、0.02％Si、0.43％Mn、0.012％S、0.023％P。
(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为15％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-297微米+74微米(即-50目+200目)的粉末材料。
上述粉末组成按质量百分比计含有75#硅铁2％，中碳锰铁10％，钼铁12％，微碳铬铁4％，金属镍粉2％，钒铁1.5％，钛铁3％，稀土硅铁合金1％，1.0％高锰酸钾粉末，余为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
(3)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝缠绕成盘，即得药芯焊丝产品。
以上制得的直径1.6mm的增大熔深的药芯焊丝，采用80％Ar+20％CO2富氩气体保护焊，焊接电流320A，电弧电压35V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为520mm/min。熔敷金属的抗拉强度为580MPa、屈服强度475MPa、伸长率19％，－20℃的V型缺口冲击功87J，焊缝成型美观，飞溅小、电弧稳定。熔敷金属的力学性能符合E55C-B2(GB/T17493-2008《低合金钢药芯焊丝》)，熔深是市售金属粉型焊丝E55C-B2的1.26倍。
实施例2
(1)选用壁厚为0.8mm，宽度为12mm的市售SPCC钢带，用超声波清洗设备清洗后利用现有的药芯焊丝生产线，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形。
SPCC钢带的化学成分(质量％)为，0.08％C、0.03％Si、0.48％Mn、0.015％S、0.025％P。
(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为10％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-297微米+74微米(即-50目+200目)的粉末材料。
上述粉末组成按质量百分比计含有75#硅铁4％，中碳锰铁15％，钼铁15％，微碳铬铁8％，金属镍粉4％，钒铁2％，钛铁5％，稀土硅铁合金1.5％，1.0％K2CO3粉末，1.5％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
(3)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝缠绕成盘，即得药芯焊丝产品。
以上制得的直径1.2mm的增大熔深的药芯焊丝，采用95％Ar+5％O2富氩气体保护焊，焊接电流260A，电弧电压27V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为500mm/min。熔敷金属的抗拉强度为705MPa、屈服强度620MPa、伸长率17％，－50℃的V型缺口冲击功为42J，焊缝成型美观。熔敷金属的力学性能符合E69C-K3(GB/T17493-2008《低合金钢药芯焊丝》)，熔深是市售金属粉型焊丝E69C-K3的1.4倍。
实施例3
(1)选用壁厚为1.0mm，宽度为14mm的市售SPCC钢带，用超声波清洗设备清洗后利用现有的药芯焊丝生产线，沿钢带长度方向(纵向)将其轧制成横截面为U形。
SPCC钢带的化学成分(质量％)为，0.10％C、0.05％Si、0.50％Mn、0.025％S、0.029％P。
(2)向上述U形糟中加入药粉，填充率为13％(填充率为药粉质量与药粉、钢带和钢丝质量之和的比值)，其中：所述药粉是粒度为-297微米+74微米(即-50目+200目)的粉末材料。
上述粉末组成按质量百分比计含有75#硅铁5％，中碳锰铁15％，钼铁18％，微碳铬铁9％，金属镍粉5％，钒铁3％，钛铁5％，稀土硅铁合金2％，2.0％K2CO3粉末，1.5％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
(3)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.4mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝缠绕成盘，即得药芯焊丝产品。
以上制得的直径1.4mm的增大熔深的药芯焊丝，采用90％Ar+10％CO2富氩气体保护焊，焊接电流310A，电弧电压32V，保护气体流量25L/min，焊丝速度为550mm/min。熔敷金属的抗拉强度为770MPa、屈服强度695MPa、伸长率16.5％，－50℃的V型缺口冲击功为31J，焊缝成型美观。熔敷金属的力学性能符合E76C-K3(GB/T17493-2008《低合金钢药芯焊丝》)，熔深是市售金属粉型焊丝E76C-K3的1.36倍。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高强度药芯焊丝的药粉，其特征在于：其包含熔深活性剂，所述熔深活性剂为高锰酸钾；
所述药粉的组成按质量百分比计包含有以下组分：75#硅铁1％-5％，中碳锰铁8％-15％，钼铁12％-18％，微碳铬铁4％-9％，金属镍粉2％-5％，钒铁1％-3％，钛铁3％-6％，稀土硅铁合金1％-2％，0～2.0％K2CO3粉末，0.5％～1.5％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
2.根据权利要求1所述的药粉，其特征在于：所述药粉中的粒度分布为74-297微米。
3.根据权利要求1所述的药粉，其特征在于：75号硅铁2％-4％，中碳锰铁10％-12％，钼铁14％-16％，微碳铬铁5％-7％，镍粉3％-4％，钒铁1％-2％，钛铁4％-5％，稀土硅铁合金1％-1.5％，1％～1.5％K2CO3粉末，0.8％～1.2％高锰酸钾粉末，余量为Fe粉和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。
4.权利要求1-3任一所述药粉在制备药芯焊丝中的应用。
5.一种增大熔深的药芯焊丝，其特征在于：包括权利要求1-3任一所述药粉和用于包裹药粉的管壁。
6.根据权利要求5所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的直径为1.2-1.6mm；
或所述焊丝的截面形状为圆环形；
或所述管壁为SPCC或H08A低碳钢材质。
7.权利要求5或6所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将设定壁厚和设定宽度的钢带进行轧制，使其横截面的形状为U形；
2)向轧制的钢带的U形槽中加入所述药粉；
3)将U形槽合口，使药粉包裹在U形槽中，通过拉拔减径，制得药芯焊丝。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤1)中，所述钢带的壁厚为0.4-1.0mm，宽度为12-16mm；
或所述钢带为SPCC钢带；
或，步骤2)中，U形槽中药粉的填充率为10-15％，填充率为药粉质量与药粉、钢带质量之和的比值；
或，步骤3)中，拉拔减径后的直径为1.2-1.6mm。
9.权利要求5或6所述药芯焊丝在富氩气体保护焊中的应用，富氩气体中Ar为80％-95％，余量为氧气或二氧化碳。
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