CN106141497A - 一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36～40％，高碳铬铁2～4％，锆英砂1.5～3％，低碳锰铁15～25％，氟钛酸钾4～6％，铝镁合金2～4％，硅铁3～5％，稀土镁硅铁5～8％，镍粉8～11％，余量为铁粉。该685MPa级超高强度钢用药芯焊丝使用纯CO2保护气体焊接，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥600MPa；抗拉强度≥685MPa；伸长率≥18％；‑40℃条件下，Akv≥54J；能满足抗拉强度等级685MPa级超高强度刚用。

Description

一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝。
背景技术
气保护药芯焊丝具有良好的全位置焊接工艺性能及高的焊接效率，在工程机械、重型装备、造船、海洋工程等行业得到越来越多应用。目前，70公斤级(即685MPa级)钢材在工程机械、重型装备等行业得到广泛应用，然而其焊接通常采用气保护低合金钢实心焊丝，保护气体通常采用富氩气体即75～85％的氩气+15～25％CO2，而工程机械、重型装备等行业未见使用纯CO2气保护的同级别药芯焊丝。
发明内容
本发明的目的是提供一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其使用CO2作为保护气，可满足-40℃冲击韧性要求，且其抗拉强度等级满足685MPa级超高强度钢。
本发明的技术方案是提供了一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36～40％，高碳铬铁2～4％，锆英砂1.5～3％，低碳锰铁15～25％，氟钛酸钾4～6％，铝镁合金2～4％，硅铁3～5％，稀土镁硅铁5～8％，镍粉8～11％，余量为铁粉。
进一步的，上述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36～38％，高碳铬铁2～3％，锆英砂2～3％，低碳锰铁15～20％，氟钛酸钾5～6％，铝镁合金2～3％，硅铁4～5％，稀土镁硅铁7～8％，镍粉9～10％，余量为铁粉。
进一步的，上述药芯的质量为药芯焊丝总质量的16～19％。
优选的，上述药芯的质量为药芯焊丝总质量的18％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石38％，高碳铬铁3％，锆英砂2％，低碳锰铁17％，氟钛酸钾6％，铝镁合金4％，硅铁5％，稀土镁硅铁7％，镍粉11％，余量为铁粉。
优选的，上述药芯的质量为药芯焊丝总质量的16％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石40％，高碳铬铁4％，锆英砂1.5％，低碳锰铁25％，氟钛酸钾5％，铝镁合金3％，硅铁5％，稀土镁硅铁5％，镍粉8％，余量为铁粉。
优选的，上述药芯的质量为药芯焊丝总质量的17.5％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36％，高碳铬铁2％，锆英砂3％，低碳锰铁15％，氟钛酸钾6％，铝镁合金2％，硅铁5％，稀土镁硅铁8％，镍粉9％，余量为铁粉。
进一步的，上述高碳铬铁中Cr的质量百分比为50％以上，C的质量百分比为7％以上。
进一步的，上述锆英砂中ZrO2质量百分比大于60％。
进一步的，上述碳钢外皮为SPCC钢带。
本发明685MPa级超高强度钢用药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺制得。
本发明还提供了上述685MPa级超高强度钢用药芯焊丝的焊接方法，其焊接条件为：保护气体为纯度99.5％以上的CO2；焊接电流230～250A；焊接电压26～28V；焊接速度约30mm/min。
本发明685MPa级超高强度钢用药芯焊丝配方的设计原理：本发明中含有大量金红石，可确保具有良好的全位置焊接工艺适用性；采取多种还原剂联合脱氧方式，以提高脱氧效果，其中Al、Mg、Si、Mn来源于铝镁合金、硅铁、低碳锰铁，铝、镁、硅、锰与氧元素的还原性高于铁，优先与氧发生氧化反应，减少铁的氧化，同时有部分硅、锰作为合金成分过渡到焊缝中，高碳铬铁中Cr、C过渡到焊缝，作为主要强化合金元素，从而确保焊缝金属抗拉强度能达到685MPa以上。当C以单质(如石墨)加入时，其易氧化并且分散性、均匀性不如采用高碳铬铁过渡碳。
药芯中金红石含有少量SiO2，起造渣作用；金红石质量百分含量少于36％时，全位置焊接中立、仰焊难操作，成型不好；金红石质量百分含量多于40％时，熔渣熔点升高，焊缝成形变差。
高碳铬铁主要作为合金剂，向焊缝中过渡Cr、C两种强化元素，以确保焊缝抗拉强度达到685MPa以上。
锆英砂主要成分是ZrO2和SiO2，通常ZrO2含量大于60％，剩余为SiO2和S、P等杂质，其中ZrO2具有改善脱渣作用；锆英砂质量百分含量少于1.5％时，ZrO2含量低，改善脱渣作用不明显；锆英砂含量多于3％时，显著改变熔渣碱度，降低焊缝冲击韧性。
低碳锰铁是指含碳量小于0.7％的锰铁合金，可以参与脱氧，同时具有渗合金作用；药芯中低碳锰铁质量百分含量少于15％时，焊缝Mn含量低，难以形成针状铁素体，冲击韧性低；低碳锰铁含量多于25％时，焊缝Mn含量过高，本发明体系中易形成马氏体，将提高抗拉强度降低冲击韧性。
氟钛酸钾焊接中可以分解出氟可以脱氢，降低焊缝氢含量，减少产生冷裂纹的机率；氟钛酸钾质量百分含量少于4％时，脱氢作用不明显；氟钛酸钾含量多于6％时，焊接过程中电弧不稳，飞溅增多，焊接工艺变差；此外，氟钛酸钾在铝镁合金作用下，可向焊缝过渡微量Ti，细化焊缝晶粒，提高焊缝韧性。
铝镁合金作为脱氧剂，脱氧产物为Al2O3和MgO，适量的Al2O3可改善全位置焊接操作工艺性能，MgO可提高熔渣碱度；铝镁合金作为脱氧剂，还可在熔池反应中将金红石中TiO2还原成Ti2O3，促使针状铁素体形核，从而提高焊缝冲击韧性。
硅铁作为渗合金剂，同时具有脱氧作用，通过渗硅，确保焊缝含有0.42％～0.57％的硅，与适量的碳、锰、铬等元素一起确保使熔敷金属抗拉强度等级满足685MPa；药芯中硅铁含量过多时，抗拉强度过高，焊缝冲击韧性下降，其含量太少则显示焊缝脱氧不足，焊缝冲击韧性将变差。
稀土镁硅铁合金含有较多活性稀土元素，活性稀土元素若在熔滴阶段参与冶金反应将生成氧化物等，而分散进入熔渣，不能充分参与熔池阶段的冶金反应。只有在熔池阶段参与冶金反应才可充分发挥活性稀土元素脱氧、脱硫、脱磷及细化晶粒等作用提高韧性；而稀土镁硅铁合金含有少量Mg，在不显著改变焊接工艺情况下，可使活性稀土元素在熔滴阶段不发生氧化，使活性稀土只在熔池阶段参与冶金反应充分发挥提高韧性的作用，此外Mg氧化可形成强碱性氧化物MgO，提高熔渣碱度，净化熔池，进一步提高焊缝冲击韧性。稀土镁硅铁质量百分含量少于5％时，Mg的作用不明显；其含量多于8％时，显著改变焊接工艺，飞溅增多反而降低冲击韧性。
镍粉含有大量Ni，作为渗合金剂使用，焊缝含有适量的Ni，可降低脆性转变温度，使低温冲击韧性满足要求。
一般而言，使用富氩气体作为保护气时，最大的问题是因焊接时熔池铁水黏，使焊缝容易出现夹渣等缺陷，而本发明中采用CO2作为保护气，因其在高温可分解出氧原子，增加熔池含氧量，从而降低熔池铁水的粘度，使熔渣更易浮出而减少夹渣等缺陷。此外，相对实心焊丝而言，同等规范下二氧化碳气保护药芯焊丝焊接熔敷速率明显要高，并且焊缝截面形状更好，有利于获得高韧性等综合性能优良的焊接接头。
本发明的有益效果：本发明提供的这种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝使用纯CO2保护气体进行焊接，具有优良的焊接工艺性能，其熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥600MPa；抗拉强度≥685MPa；伸长率≥18％；-40℃条件下，Akv≥54J。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例685MPa级超高强度钢用药芯焊丝配方见表1，钢皮为SPCC钢带，采用常规药芯焊丝制造工艺制得。表2所示为对应实施例药芯焊丝熔敷金属的化学成分与力学性能；其焊接条件：保护气体CO2纯度99.95％，焊接电流230～250A，焊接电压26～28V，焊接速度30mm/min。
表1：药芯焊丝配方(质量百分比)
表2：熔敷金属的化学成分与力学性能
从表1及表2所示实施例的化学成分可以得出：本发明的药芯焊丝使用纯CO2保护气体焊接，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥600MPa；抗拉强度≥685MPa；伸长率≥18％；-40℃条件下，Akv≥54J；能满足抗拉强度等级685MPa级超高强度刚用。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36～40％，高碳铬铁2～4％，锆英砂1.5～3％，低碳锰铁15～25％，氟钛酸钾4～6％，铝镁合金2～4％，硅铁3～5％，稀土镁硅铁5～8％，镍粉8～11％，余量为铁粉。
2.如权利要求1所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36～38％，高碳铬铁2～3％，锆英砂2～3％，低碳锰铁15～20％，氟钛酸钾5～6％，铝镁合金2～3％，硅铁4～5％，稀土镁硅铁7～8％，镍粉9～10％，余量为铁粉。
3.如权利要求1或2所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的16～19％。
4.如权利要求3所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的18％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石38％，高碳铬铁3％，锆英砂2％，低碳锰铁17％，氟钛酸钾6％，铝镁合金4％，硅铁5％，稀土镁硅铁7％，镍粉11％，余量为铁粉。
5.如权利要求3所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的16％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石40％，高碳铬铁4％，锆英砂1.5％，低碳锰铁25％，氟钛酸钾5％，铝镁合金3％，硅铁5％，稀土镁硅铁5％，镍粉8％，余量为铁粉。
6.如权利要求3所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的17.5％，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：金红石36％，高碳铬铁2％，锆英砂3％，低碳锰铁15％，氟钛酸钾6％，铝镁合金2％，硅铁5％，稀土镁硅铁8％，镍粉9％，余量为铁粉。
7.如权利要求1或2所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述高碳铬铁中Cr的质量百分比为50％以上，C的质量百分比为7％以上。
8.如权利要求1或2所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述锆英砂中ZrO2质量百分比大于60％。
9.如权利要求1或2所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝，其特征在于：所述碳钢外皮为SPCC钢带。
10.如权利要求1～9任一项所述的685MPa级超高强度钢用药芯焊丝的焊接方法，其特征在于：焊接条件为，保护气体为纯度99.5％以上的CO2；焊接电流230～250A；焊接电压26～28V；焊接速度约30mm/min。
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