CN106181114A - 电弧稳定性优异的低飞溅气保焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧稳定的低飞溅气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分包括：C:0.02-0.08%，Si:0.75-1.50%，Mn:1.5-2.0%，Ti≥0.04%，Cr:0.1-1.0%，S≤0.01%，P≤0.01%，以及不可避免夹杂元素，其中[C]≤[Ti]，10×[Ti]≤[Mn]，[Si]+[Mn]≥2.4，1.7×[Si]≤[Mn]≤2.3×[Si]，以及[Cr]≤10×[Ti]。得益于良好的电弧稳定性、低飞溅、易脱渣和焊道形状好等优点，可应用于管道施工等重大自动化焊接工程。

Description

电弧稳定性优异的低飞溅气保焊丝

技术领域

本发明涉及一种电弧稳定的低飞溅气保焊丝，特别涉及一种对焊接过程、焊道表面质量要求较高的气保焊丝。

背景技术

近年来，随着大型制造业对效率要求的不断提高，自动化技术和机器人逐渐得到了广泛应用，这对焊接工装和焊接过程提出了更高的质量要求。比如，在船舶行业的平面分段流水线、输油气管道的现场对接焊接、建筑桥梁的大纵缝立焊等，采用自动化气保焊接技术，提高效率的同时，也保证了焊接质量。

自动化焊接技术对焊道表面质量、焊接飞溅和电弧稳定性提出了更高的要求，否则难以保证焊缝质量。为改善自动焊接件的质量，从原理上可通过焊接工艺优化、和焊丝质量提高等两个方面入手加以解决。通过合金优化来提高焊丝的电弧稳定性、降低焊接飞溅的研究较少，工业上多数仍是采用优化焊接工艺来提高焊接工艺性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电弧稳定性好、低飞溅的气保焊丝、适用于对自动化焊接过程、提高焊接效率和质量。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电弧稳定的低飞溅气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分包括：C:0.02-0.08%，Ti ≥0.04%，Mn:1.5-2.0%，Si:0.75-1.50%，Cr: 0.1-1.0%，S≤0.01%，P≤0.01%，以及不可避免夹杂元素。

其中C, Ti和Mn关系满足：[C]≤[Ti]，且10×[Ti] ≤[Mn]；Si和Mn关系满足：[Si]+[Mn]≥2.4且1.7×[Si]≤[Mn]≤2.3×[Si]；Cr和Ti关系满足：[Cr]≤10×[Ti]；其他杂质元素满足：[Ca]+[Mg]+[Ba]+[REM]≤0.02。

此外，为提高焊缝金属的强度或低温韧性，该焊丝中还可能含有：0.01-5.0%Mo，0.01-5.0% Ni和 0.01-1.0%Cu中的一种或几种，且[Mo]≤10×[Ti]，且[Si]+[Cr]+[Mo]≥[Ni]+[Cu]。

为进一步改善性能，该焊丝还可能含有0.01-1.0%Nb或0.01-1.0% V中的一种或几种，且其含量不大于Ti。

下面对本发明焊丝化学成分设计进行详细说明：

C：由于其离子半径比Cu, Cr和Mo等正离子半径大，因此焊接过程中形成熔体时，容易在焊接熔滴表面富集。其含量越高，熔体表面张力越大，会增大熔体尺寸，形成较多大尺寸的焊接熔滴，从而增加焊接飞溅，对焊接质量不利。考虑到焊接过程中的烧损和母材的稀释，焊丝碳含量优选范围是0.02-0.08%。

Ti：由于是强脱氧合金元素，一方面会首先与氧发生反应，结合成稳定高的钛氧化物，从而降低焊接熔滴表面氧离子的富集。氧离子富集与碳离子富集类似，会增加熔滴表面张力、增加熔滴尺寸、增加飞溅，同时降低焊接电弧稳定性。因此，Ti添加有利于电弧稳定性，并能够降低焊接飞溅。当其含量低于0.04%时，效果不明显。因此Ti含量优选范围是0.04%以上；

另一方面，与氧反应后剩余的Ti也能与C形成高熔点、在焊接电弧下不易分解的碳化物，从而降低C含量对焊接电弧的不利影响。因此，其含量应该满足：[C]≤[Ti]。

Mn：一方面是降低焊接熔滴表面张力、减小焊接熔滴尺寸、降低飞溅的有效元素，另一方面增加其含量也有利于电弧燃烧的稳定性。此外，Mn也是焊接熔池中不可或缺的关键脱氧元素。因此，Mn的优选含量是1.5-2.0%。

另外，为提高焊接质量，焊道表面焊渣层要薄、且要易于去除，否则不能适应自动化焊接技术要求。由于较高含量的含钛氧化物的会导致渣层结构致密、粘度大、与基体结合强度高，不易去除，因此应严格控制焊道表面渣层结构中的Ti及其氧化物含量。因此，从控制焊渣结构角度考虑，Ti和Mn关系还应该满足：10×[Ti] ≤[Mn]。

Si：对于焊接熔滴、电弧燃烧稳定性的影响规律与Si类似。当其含量低于0.75%时，其对于电弧燃烧稳定性的效果不明显；当其含量高于1.5%时，会降低对于焊接熔滴表面张力的控制作用，其对焊接飞溅的抑制作用也会消失。同时，Si也是焊接熔池中不可或缺的关键脱氧元素。综合考虑Si优选含量是0.75-1.50%。

更重要的是，Si和Mn对于提高焊接电弧燃烧稳定性，降低焊接熔滴表面张力、降低熔滴尺寸、降低焊接飞溅的作用类似，为充分发挥协同效应，[Si]+[Mn]≥2.4。

此外，Si和Mn都是焊接熔池中的脱氧反应和产物有显著影响。从平衡焊接熔池脱氧反应、改善焊道表面渣层结构和产物角度考虑，Si和Mn关系还需要满足：1.7×[Si]≤[Mn]≤2.3×[Si]，这样焊道表面会形成疏松的渣层结构、易于去除，会得到表面质量良好的焊接接头。

Cr：在焊接熔滴中的分布较均匀，不会像氧和碳那样容易在表面聚集；同时与氧的亲密性也不如Si, Mn和Ti，会对焊接熔池脱氧反应和焊道表面焊渣结构产生明显影响。但是Cr的加入会降低焊接熔滴的碳和氧等易表面集聚元素在熔滴表面的富集，从而会间接改善表面张力、降低熔滴尺寸和焊接飞溅，因此其优选含量是0.1-1.0%。

另一方面Cr加入会改善Ti与氧、碳的反应。当期含量大于10倍Ti含量时，会显著降低氧化和碳化反应，从而破坏Ti对于焊接熔滴稳定性、焊接飞溅和燃烧电弧电弧稳定性的有益作用。因此，其含量应满足：[Cr]≤10×[Ti]。

Mo, Ni, Cu：加入目的是提高强度和低温韧性，依据具体的强度和韧性指标分别添加0.01-5.0%Mo，0.01-5.0% Ni和 0.01-1.0%Cu中的一种或几种。同时，为保持良好的焊接工艺性能，即焊接电弧和低飞溅，需要确保[Mo]≤10×[Ti]，且[Si]+[Cr]+[Mo]≥[Ni]+[Cu]。

Nb, V：加入目的是进一步提高强度，通过碳氮化物析出，添加0.01-1.0%Nb或0.01-1.0% V中的一种或几种，可提高强度150-400MPa。同时，为确保添加不影响焊接电弧稳定性和焊接飞溅，添加量不大于Ti含量。

与现有技术相比，本发明技术的有益效果至少在于：

1. 提供了一种焊接电弧稳定、少溅量、易脱渣和焊道形状优良的气保焊丝，适用于大型结构件的自动化焊接，无需打磨，提高焊接效率；

2. 给野外施工提供了一种高性能气保焊丝，比如输油气管道等的圆周对接焊接。

具体实施方式

首先按照图1所示化学成分组成，做成直径0.8-2.4mm的实芯焊丝。

焊接试验采用水平对接试验、以及立向下焊接，保护气体为100%CO2，母材为管线钢X80。水平对接试验中，钢板厚度为22mm，坡口为单V，角度30°，钝边为1.5mm，焊接电流为150-500A，焊接电压25-38V。

立向下焊接试验中，采用直径为1219mm、壁厚26.4mm的管道对接，坡口为单V，角度35°，钝边为1mm，焊接电流为150-500A，焊接电压25-38V。先在反面打底焊，然后正面焊接。

实施例 1 ：

焊丝成分见图1，采用水平对接焊接试验，结果见表 2。

实施例 2 ：

焊丝成分见图1，并添加了0.8%Ni，采用立向下焊接试验，结果见表 2。

实施例 3 ：

焊丝成分见图1，并添加了0.4%Mo，采用水平对接焊接试验，结果见表 2。

实施例 4 ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，结果见表 2。

实施例 5 ：

焊丝成分见图1，并添加了0.2%Cu，采用水平对接试验，结果见表 2。

实施例 6 ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，实验结果见表 2。

实施例 7 ：

焊丝成分见图1，采用水平对接试验，实验结果见表 2。

实施例 8 ：

焊丝成分见图1，并添加了0.6%Ni和0.2%Cu，采用立向下焊接试验，结果见表 2。

以下为对比例a-h等8个对比实施例。

对比例 a ：

焊丝成分见图1，采用水平对接试验，结果见表 2。其0.08%C大于0.06%Ti，故不满足C≤Ti条件，电弧稳定性和脱渣性不好。

对比例 b ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，结果见表 2。其1.65%Mn小于10倍的0.18%Ti，故不满足10*Ti≤Mn条件，其焊接飞溅和焊道形状不好。

对比例 c ：

焊丝成分见图1，含有0.3%Mo，采用水平对接试验，结果见表 2。其0.75%Si，1.60%Mn和0.25%Ti，不满足Si+Mn≥2.4和10*Ti≤Mn等两个条件，其电弧稳定性不好，飞溅量增大。

对比例 d ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，结果见表 2。其1.3%Si和1.60%Mn，不满足Mn /Si: 1.7-2.3，飞溅量增加、脱渣性变差。

对比例 e ：

焊丝成分见图1，含有0.25%Cu，水平对接试验，结果见表 2。其0.8%Si和2.0%Mn，不满足Mn /Si: 1.7-2.3，其脱渣性和焊道形状变差。

对比例 f ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，结果见表 2。其0.88%Si，,1.65%Mn和0.56%Cr，不满足C≤Ti和Cr≤10*Ti条件，其电弧稳定性、焊道形状变差。

对比例 g ：

焊丝成分见图1，含有0.4%Ni，采用水平对接试验，结果见表 2。其0.08%Ti和0.95%Cr，不满足Cr≤10*Ti条件，其飞溅量增大、脱渣性变差。

对比例 h ：

焊丝成分见图1，采用立向下焊接试验，结果见表 2。其0.75%Si，1.55%Mn，0.06%Ti和0.75%Cr，不满足Si+Mn≥2.4和Cr≤10*Ti条件，其电弧稳定性、飞溅量和脱渣性都变差。

图1是焊丝化学成分图

图2是焊接工艺测试结果图

综上可知，本发明通过成分优化设计、以及关键元素之间平衡设计，得到了焊接电弧稳定性好、低飞溅、易脱渣、焊道形状良好的气保焊丝，适用于全位置焊接。

本发明气保焊丝不受上述实施例的限制，任何符合本发明的权利要求范围内的改进和变化都在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电弧稳定的低飞溅气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分包括：C:0.02-0.08%，Si:0.75-1.50%，Mn:1.5-2.0%，Ti ≥0.04%，Cr: 0.1-1.0%，S≤0.01%，P≤0.01%，以及不可避免夹杂元素；

其中C, Ti和Mn关系满足：[C]≤[Ti]，且10×[Ti] ≤[Mn]；

Si和Mn关系满足：[Si]+[Mn]≥2.4且1.7×[Si]≤[Mn]≤2.3×[Si]；

Cr和Ti关系满足：[Cr]≤10×[Ti]。

2.如权利要求1所述的气保焊丝，为提高焊缝金属的强度或低温韧性，其特征还在于：还含有0.01-5.0%Mo，0.01-5.0% Ni和 0.01-1.0%Cu中的一种或几种，且[Mo]≤10×[Ti]，且[Si]+[Cr]+[Mo]≥[Ni]+[Cu]。

3.如权利要求1所述的气保焊丝，为进一步改善性能，其特征还在于：还含有0.01-1.0%Nb或0.01-1.0% V中的一种或几种，且其含量不大于Ti。