CN105945451A - 一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝 - Google Patents

一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属堆焊材料技术领域，特别涉及一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝。所述药芯焊丝由低碳冷轧钢带包裹药芯粉制成，所述药芯粉占焊丝总质量的20%‑22%。本发明药芯焊丝的制备方法简单，原材料丰富，成本低，所述焊丝的焊缝金属具有高的强度及低温抗冲击吸收功，具有全位置焊接性能；焊接工艺性能好，电弧稳定，飞溅小，焊缝成型好，平焊能自动脱渣。

Description

一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝
技术领域
本发明属于金属堆焊材料技术领域，特别涉及一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
背景技术
药芯焊丝是近年来得到迅速发展的一种新型焊接材料，是目前焊接材料中技术含量最高的产品。目前国内药芯焊丝品种主要分为酸性药芯焊丝和碱性药性焊丝。和酸性药芯焊丝相比，碱性焊接材料具有低氢、高韧性、高抗裂性和优异的力学性能等优点，因此重要零件的焊接一般首选碱性焊材，但是碱性药芯焊丝的力学性能一般只能保证强度和韧性中的一个性能较好，而不能同时具有强韧性。此外，大多数碱性药芯焊丝在全位置焊接时，易造成焊道熔融下坠，仅适合平焊位置焊接，而不适合全位置焊接。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝，可以解决目前碱性药芯焊丝在全位置焊时存在的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，由低碳冷轧钢带包裹药芯粉制成，所述药芯粉质量百分组成如下：8％-15％氟化钡、5％-35％萤石、2％-7％碳酸钡、4％-9％三氧化二铁、2％-5％氟硅酸钾、0.05％-0.2％石墨烯、0.2％-0.7％锆、0.5％-1％铬、0.2％-0.5％钼、10％-14％铝镁合金、4％-8％金属锰、2％-5％镍、1％-6％钛铁以及3％-6％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉。
优选的，所述药芯粉质量占焊丝总质量的20％-22％。
优选的，所述石墨烯为纳米石墨烯。
所述稀土氧化物为纳米级稀土氧化物。具体采用的稀土氧化物没有特别限定，如可采用氧化铈或氧化混合稀土等，采用不同的稀土氧化物对产品性能的影响基本相当。
所述萤石：CaF2≥96％，S、P≤0.01％；所述三氧化二铁：Fe2O3>98％；
所述氟化钡、碳酸钡、氟硅酸钾选择工业级即可。
所述锆：Zr≥99％；所述铬：Cr≥99.9％；所述钼：Mo≥99.9％；所述镁铝合金：Mg≥49％，Al≥49％；所述金属锰：Mn≥99.5％，C<0.03％，S<0.03％，P<0.03％；所述镍：Ni≥99.5％，C<0.01％；所述钛铁：Ti40％-45％，C<0.05％，S<0.05％，P<0.05％；所述稀土氧化物为纳米级,稀土氧化物纯度≥99％；所述铁粉为FHY100.25还原铁粉。
所述药芯粉60目通过率为100％，大于180目<20％。
所述焊丝直径为1.2-1.6mm。
所述钢带为宽度10-14mm、厚度为0.5-0.8mm的低碳冷轧钢带，其中，C<0.05％，Si<0.03％，Mn 0.15％-0.25％，S、P<0.03％；抗拉强度为280-350MPa，伸长率不小于35％。
药芯焊丝中常加的碳为石墨，碳对焊缝硬度的影响为线性关系，随着含碳量的增加，焊缝的强度逐渐提高，但是碳对焊缝的抗冲击韧性具有不良作用，随着含碳量的增加，焊缝的抗冲击韧性下降。和普通材料相比，纳米材料表面原子数目增多，比表面积大，比表面能高，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径；同时纳米材料表面原子具有高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，使得纳米材料的扩散系数远大于常规材料。为了提高焊丝的抗冲击性能，本发明中以纳米级石墨烯代替石墨，并添加纳米级稀土氧化物颗粒，通过改善组织均匀性和细化晶粒来达到提高韧性的目的。
本发明药芯焊丝的制备方法简单，原材料丰富，成本低，所述焊丝焊缝金属具有高的强度及低温抗冲击吸收功，具有全位置焊接性能；焊接工艺性能好，电弧稳定，飞溅小，焊缝成型好，平焊能自动脱渣。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
以下实施例中所用石墨烯皆为纳米石墨烯，所用稀土氧化物皆为纳米级稀土氧化物。
实施例1
可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的22％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
所述药芯粉质量百分组成如下：15％氟化钡，25％萤石，7％碳酸钡，9％三氧化二铁，2％氟硅酸钾，0.05％石墨烯，0.7％锆，1％铬，0.5％钼，10％铝镁合金，4％金属锰，5％镍粉，1％钛铁粉，3％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例2
可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的22％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：14％氟化钡，28％萤石，6％碳酸钡，7％三氧化二铁，3％氟硅酸钾，0.1％石墨烯，0.5％锆，0.8％铬，0.4％钼，11％铝镁合金，5％金属锰，4％镍粉，2％钛铁粉，4％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例3
可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的21％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：12％氟化钡，30％萤石，5％碳酸钡，6％三氧化二铁，4％氟硅酸钾，0.15％石墨烯，0.6％锆，0.9％铬，0.3％钼，12％铝镁合金，6％金属锰，3％镍粉，4％钛铁粉，5％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例4
可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的21％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2mm的焊丝，即本发明的可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：10％氟化钡，32％萤石，4％碳酸钡，5％三氧化二铁，5％氟硅酸钾，0.2％石墨烯，0.7％锆，1％铬，0.2％钼，13％铝镁合金，7％金属锰，2％镍粉，5％钛铁粉，6％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例5
可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm，厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的20％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2mm的焊丝，即本发明的可用于全位置焊的高强高韧自保护碱性药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：8％氟化钡，35％萤石，3％碳酸钡，4％三氧化二铁，5％氟硅酸钾，0.18％石墨烯，0.7％锆，1％铬，0.5％钼，14％铝镁合金，8％金属锰，4％镍粉，6％钛铁粉，6％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
本发明实施例中所述药芯为粉状，其颗粒度要求：60目通过率100％，大于180目<20％。
实验结果：
对比例药芯焊丝的制备方法同实施例4，不同之处在于：用石墨代替石墨烯及使用亚微米级稀土氧化物。药芯粉配料组成为：10％氟化钡，32％萤石，4％碳酸钡，5％三氧化二铁，5％氟硅酸钾，0.2％石墨，0.7％锆，1％铬，0.2％钼，13％铝镁合金，7％金属锰，2％镍粉，5％钛铁粉，6％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
以本发明实施例作为实验组和对比例中的药芯焊丝进行对比，焊接X70管线钢，焊接电流为180-260A，焊接电压为20-26V，焊接速度为1.2m/min，气体流量为20L/min。按GB/T 25776―2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》对碱性药芯焊丝的焊接工艺性能(焊缝成形、电弧稳定性、焊缝脱渣性、焊接飞溅率等)进行评价，结果如表1所示。
表1
焊缝成形的评价以目视进行，确认焊道是否蛇行，焊道形状是否呈现凸状，是否形成背面焊道(烧穿)。当不存在蛇行、凸状及背面焊道时，评价为优；形成不被视为问题程度的余高高度低于2.3mm凸状时，评价为良；蛇行、余高高度为2.3mm以上凸状、背面焊道出现，出现上述任一种情况时，评价为不良。
飞溅量<0.50g/min为优；0.50g/min<飞溅量<1.00g/min为良；飞溅量>1.00g/min时，为不良。
从表1中可以看出，本发明产品焊接质量明显优于对比例，而且焊丝的熔覆速度明显提高，和对比例相比，本发明焊丝的熔覆速度提高的百分比，如表2所示。
表2
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
19％ 20％ 17％ 18％ 21％
本发明实施例1-5和对比例药芯焊丝进行熔敷，并按国家GB/T228-2008标准测定熔覆金属的力学性能，其结果如表3。
表3
本发明实施例1-5和对比例药芯焊丝按GB/T4334-2008进行晶间腐蚀实验，其结果如表4所示。
表4晶间腐蚀评价级别
阶梯组织特征：晶界无腐蚀沟。混合组织特征：晶界出现腐蚀沟，但一个晶粒未被腐蚀沟包围。
本发明实施例1-5和对比例药芯焊丝在-20℃时，进行抗冲击韧性试验，其结果如表5。
表5
试样说明 抗冲击吸收功(J)
实施例1 170
实施例2 165
实施例3 176
实施例4 152
实施例5 162
对比例 106
从上述实验资料可以看出，本发明的全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝不仅具有优良的焊接工艺性能，而且其力学性能和抗晶界腐蚀能力都有了显著提高，尤其是其同时具有高的强度和韧性，能更好地应用在工业生产中。
要指出的是，本发明的创新核心在于用纳米级石墨烯代替了石墨加入到药芯粉中，并通过各组分合理范围的确定，给出了药芯的组合物及药芯与低碳冷轧钢带质量比。纳米级石墨烯的化学活性远大于石墨，用其替代石墨可使组织更加均匀，同时纳米级稀土氧化物起到细化晶粒的作用，从而实现了提高韧性的目的。
本发明上述给出的实施例只是用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限制本发明的保护范围，凡是对本领域熟练的技术人员来说，只要不离开本发明的技术特征范围可作各种变化或修正，其本质与本发明的技术方案相同，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，由低碳冷轧钢带包裹药芯粉制成，所述药芯粉的质量百分组成如下：8％-15％氟化钡、5％-35％萤石、2％-7％碳酸钡、4％-9％三氧化二铁、2％-5％氟硅酸钾、0.05％-0.2％石墨烯、0.2％-0.7％锆、0.5％-1％铬、0.2％-0.5％钼、10％-14％铝镁合金、4％-8％金属锰、2％-5％镍、1％-6％钛铁以及3％-6％稀土氧化物，余量为FHY100.25还原铁粉。
2.如权利要求1所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉质量占焊丝总质量的20％-22％。
3.如权利要求1所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述石墨烯为纳米石墨烯。
4.如权利要求1所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述稀土氧化物为纳米级。
5.如权利要求1所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉60目通过率为100％，大于180目<20％。
6.如权利要求1所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.2-1.6mm。
7.如权利要求1-6任一所述可用于全位置焊高强高韧自保护碱性药芯焊丝，其特征在于，所述低碳冷轧钢带宽度为10-14mm、厚度为0.5-0.8mm。
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