CN106624449A

CN106624449A - 一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝及其制备方法和应用

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Publication number: CN106624449A
Application number: CN201710038143.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡俊; 杨恒闯; 张少健; 刘飞
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: CN106624449B

Abstract

本发明提供了一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，所述碳钢外皮质量占药芯焊丝总质量的85.5～86.0％，药芯质量占药芯焊丝总质量的14.0～14.5％；所述药芯的各成分及其含量占药芯焊丝总质量百分比如下：TiO₂ 5.22～5.9％；ZrO₂ 0.13～0.23％；Al₂O₃ 0.06～0.17％；SiO₂ 0.42～0.68％；Si 0.34～0.55％；Mn 1.30～1.75％；Ni 0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti 0.17～0.24％；B 0.010～0.014％；稀土金属氟化物0.08～0.26％；NaF 0.24～0.37％；余量为Fe及不可避免的杂质。该发明通过合理设计药芯焊丝的成分配比，最大限度的发挥各成分的优势，抗气孔性能优异，焊接速度快，熔敷效率高，且具有较好的焊缝金属强度，同时又能抑制第二类回火脆性的产生，从而达到了提高低温冲击韧性的目的。

Description

一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属焊接材料技术领域，具体涉及一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝及其制备方法和应用。

背景技术

药芯焊丝作为一种高效焊接材料，具有焊接效率高、焊接周期短、建造进度快、焊接工艺性好、焊缝成型美观、焊接变形小等诸多优点，广泛应用于海洋工程装备的建造领域。

为适应海洋环境气候，海洋工程装备的建造过程中，采用大厚板焊接必须进行焊后热处理，不仅能降低焊缝应力、减少焊接畸变，同时改善母材、焊接热影响区的性能，提高抗应力腐蚀能力。然而在温度区间400℃～600℃焊后热处理，焊缝金属容易产生第二类回火脆性现象，导致焊缝冲击韧性大幅度下降。因此，有必要研制一种能够提高焊缝金属的抗回火脆性能力，确保海洋工程大厚板焊后热处理仍保持优良低温冲击韧性的药芯焊丝。

目前，防止第二类回火脆性的措施主要在以下两点：一方面热处理后采用快冷工艺，避免在脆性温度区缓冷；另一方面控制焊缝金属中部分元素含量抑制回火脆性，减少焊缝中S、P等杂质元素；细化奥氏体晶粒，以降低单位界面上的杂质偏聚；降低Mn元素含量，Mn可促进P元素在晶界的偏析。通过这两方面抑制回火脆性，提高焊缝金属低温冲击韧性。

发明内容

本发明的目的是克服现有焊缝金属在560℃焊后热处理后因产生第二类回火脆性导致低温冲击韧性急剧下降的问题。

为此，本发明提供了一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，所述碳钢外皮质量占药芯焊丝总质量的85.5～86.0％，药芯质量占药芯焊丝总质量的14.0～14.5％；所述药芯的各成分及其含量占药芯焊丝总质量百分比如下：TiO₂ 5.22～5.9％；ZrO₂ 0.13～0.23％；Al₂O₃ 0.06～0.17％；SiO₂ 0.42～0.68％；Si0.34～0.55％；Mn 1.30～1.75％；Ni 0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti 0.17～0.24％；B 0.010～0.014％；稀土金属氟化物0.08～0.26％；NaF 0.24～0.37％；余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，所述碳钢外皮采用低碳钢钢带，其化学成分占低碳钢钢带质量百分比为Mn 0.15～0.4％，Si≤0.025％,C≤0.035％，S≤0.017，P≤0.014％，N≤0.006％；低碳钢钢带应用在本发明中其可焊性能良好，且成本低廉。

进一步的，所述药芯的Mg、Al混合物中，Al元素含量与Mg元素、Al元素含量之和的比Al/(Mg+Al)为0.11～0.18；Al/(Mg+Al)比值低于0.11时，由于Al含量不足，影响药芯焊丝立焊工艺性能，操作性不佳；其比值高于0.18时，由于Al含量偏高，易使脱氧产物Al₂O₃形成氧化物夹杂，影响焊缝力学性能；Al/(Mg+Al)比值在0.11～0.18之间，则即可保证药芯焊丝操作性特别是立焊工艺性能，也可保证焊缝金属力学性能。

进一步的，所述药芯焊丝熔敷金属中S元素含量≤0.01％，P元素含量≤0.02％。

进一步的，所述药芯焊丝熔敷金属中Mn元素质量分数为1.0～1.3％，Si元素质量分数为0.30～0.50％，C元素质量分数为0.06～0.07％。

进一步的，所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm。

进一步的，所述TiO₂采用金红石，ZrO₂采用锆英砂，Al₂O₃采用长石，SiO₂采用石英或长石；且金红石、锆英砂、长石和石英的总质量占药芯焊丝总质量≤4.6％；金红石、锆英砂、长石和石英作为造渣剂可改善焊缝成形、保证焊丝具有优良的焊接工艺性能，但过量则易使熔渣过多，易产生氧化物夹杂影响熔敷金属力学性能。

另外，本发明还提供了上述海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的制备方法，采用钢带法生产工艺，通过对接O型或搭接O型的封口方式，将药芯封在碳钢外皮内，经过成型减径后即得所述药芯焊丝。

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。

本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝在焊接时的焊接条件为：采用CO₂混合气体保护，电流240～280A，电压26～30V，热处理工艺为在560℃温度下保温2小时，炉冷至400℃后空冷。

进一步的，上述海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝用于海洋工程用屈服强度为390MPa、厚度在20～70mm之间的钢板的全位置焊接。

本发明海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的设计原则如下：

本发明采用钛型渣系,选用成分稳定、杂质含量低的原材料降低药芯中S、P杂质元素含量；选用Mn-Mg-Al-Ti-Si脱氧方式，降低焊缝中氧化物，净化晶界，对晶界偏聚有抑制作用，减轻第二类回火脆性；选择Ti-B合金体系，细化晶粒，抑制第二类回火脆性，以此达到提高低温冲击韧性的目的。

TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂、MgO、NaF作为药芯中矿物成分。

TiO₂用于调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性和焊缝成型，其加入量少于5.22％时，熔渣不能完全覆盖，焊缝成形差，飞溅多；当加入量超过5.9％时，会使焊缝成形变差，脱渣不好，还易产生气孔；因此，TiO₂加入量控制为5.22～5.9％。

ZrO₂用于提高熔渣熔点和粘度，改善熔渣覆盖性能，使熔渣能完全覆盖而不出现漏渣，使焊缝表面光洁，其加入量少于0.13％时，不能体现上述特征；加入量大于0.23％时，焊缝成形差、熔渣不易脱落，抗气孔性也变差；因此ZrO₂加入量控制为0.13～0.23％。

Al₂O₃用于提高熔渣熔点和粘度，调整熔渣流动性，其加入量少于0.06％时不能体现上述特征；当加入量大于0.17％时，会使熔渣熔点提高，影响熔渣流动性，焊缝成形变差；因此，Al₂O₃加入量控制为0.06～0.17％。

SiO₂用于调节熔渣流动性和粘度，细化熔滴，降低飞溅、改善熔渣覆盖性能，其加入量少于0.42％时，熔渣不能完全覆盖，焊缝成形及脱渣都很差；加入量大于0.68％时，会降低熔渣熔点，熔渣流动性太强，使立焊工艺性能变差，因此，SiO₂加入量控制为0.42～0.68％。

NaF用于去氢剂，降低焊缝扩散氢含量；其加入量太少时，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，还会降低熔渣熔点，使熔渣流动性变差，覆盖不良，脱渣困难；因此，NaF加入量控制为0.24～0.37％。

Si是重要脱氧剂，其渗合金率约为85％；药芯焊丝中含有一定量的Si能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(Si换算值)少于0.34％时不能体现上述特征，大于0.55％时铁水变粘，焊缝强度过高，冲击韧性降低。因此加入量(Si换算值)限定在0.34～0.55％。

Mn是主要脱氧剂，其渗合金率约为70％；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，同时也是易产生第二类回火脆性的有害元素；加入量(Mn换算值)少于1.30％时，体现增强焊接金属强度和抗裂性特性不足，大于1.75％时焊接金属热处理后低温冲击韧性急剧下降。因此加入量(Mn换算值)限定在1.30～1.75％。

Ni对提高低温冲击韧性有利，但有脆化元素P加入时，Ni含量过高会增加第二类回火脆性倾向。因此，加入量限定在0.41～0.49％。

Mg、Al是强脱氧剂，提高冲击韧性，加入量少于0.37％时提高低温冲击韧性能力及脱氧能力不足，大于0.54％时由于脱氧产物含有镁或铝氧化物使熔渣的熔点上升凝固速度加快不利于焊缝气体的排除和焊缝成型。因此加入量限定在0.37～0.54％。

Ti属脱氧剂，Ti元素的氧化物具有晶内形核的作用，可细化晶粒，促使焊缝在凝固时析出针状铁素体，一定程度上抑制第二类回火脆性的产生。Ti(Ti换算值)加入量小于0.17％时，无法体现上述特性，大于0.24％时容易造成电弧爆裂，飞溅过大。因此，加入量(Ti换算值)限定在0.17～0.24％。

B有效的抑制晶界铁素体的生成，促进形成细小的晶内铁素体，从而提高焊缝的韧性。B元素(B换算值)加入量低于0.010％时，无法体现上述特性，加入量高于0.014％时，焊缝冲击韧性会明显下降。因此加入量(B换算值)限定在0.010～0.014％之间。

稀土金属氟化物：球化夹杂物，净化晶间杂质，提高焊缝低温冲击韧性，抑制第二类回火脆性。加入量小于0.08％时，无法起到实际效果，大于0.26％时容易造成电弧不稳，飞溅增多，影响焊缝成型，增加回火脆性倾向。因此，加入量限定在0.08～0.26％。

Fe即铁粉，提高熔敷效率，改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝通过控制Mn元素、Si元素含量，达到了既能保证焊缝金属强度，又能抑制第二类回火脆性的目的。

(2)本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝采用低杂质原材料，如电解锰、镁粉，降低药芯中S、P含量，有效地将焊缝金属S元素控制在≤0.01％，P元素含量制在≤0.02％，使焊缝具有优异的抗第二类回火脆性及抗裂性。

(3)本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝通过增加钛铁在配方中的含量，使其起到细化晶粒的作用，从而抑制第二类回火脆性；同时通过加入少量稀土元素削弱杂质元素在晶界的偏析，起到净化焊缝的作用，抑制第二类回火脆性的产生。

(4)本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝用于海洋工程用屈服强度为390MPa大厚板材(20～70mm)焊接，其焊缝金属经(560℃)保温2小时热处理后具有优良力学性能。

具体实施方式

下面将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。

本发明提供了一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，所述碳钢外皮质量占药芯焊丝总质量的85.5～86.0％，药芯质量占药芯焊丝总质量的14.0～14.5％；所述药芯的各成分及其含量占药芯焊丝总质量百分比如下：TiO₂ 5.22～5.9％；ZrO₂ 0.13～0.23％；Al₂O₃ 0.06～0.17％；SiO₂ 0.42～0.68％；Si 0.34～0.55％；Mn 1.30～1.75％；Ni 0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti 0.17～0.24％；B 0.010～0.014％；稀土金属氟化物0.08～0.26％；NaF 0.24～0.37％；余量为Fe及不可避免的杂质。

上述海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的制备方法：使用钢带法生产工艺，通过对接O型或搭接O型的封口方式，在低碳钢钢带制成的外皮内填充药芯粉料，填充率为14～14.5％，经过成型减径后得到直径为1.2mm的成品药芯焊丝。

下面具体通过五个实施例来说明本发明海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的组成及性能。

实施例1～5的药芯成分及其占所述药芯焊丝总质量的百分比含量％，以及Al/(Mg+Al)的比值如表1所示；本实施例中药芯焊丝的碳钢外皮采用低碳钢钢带，其化学成分见表2；药芯粉料的化学成分及原材料构成见表3。

表1：药芯成分及其含量

表2：碳钢外皮的化学成分

表3：药芯粉料部分构成

上述实施例1～5制备的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝在焊接时的焊接条件为：采用CO₂混合气体保护，电流240～280A，电压26～30V，热处理工艺为在560℃温度下保温2小时，炉冷至400℃后空冷。焊接试板为屈服强度为390MPa级别钢板或同级别强度的低碳钢。采用本发明海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝焊接后的熔敷金属力学性能如表4和表5所示。

表4：熔敷金属力学性能

	Rm(MPa)	ReL(MPa)	A(％)	KV₂(J)-40℃
					实施例1	550	450	25	102 114 120
实施例2	524	430	26	116 114 121
					实施例3	536	440	24	105 108 104
实施例4	530	420	25	126 118 103
					实施例5	525	440	27	110 106 119

表5：熔敷金属化学成分

	C	Si	Mn	S	P	Ni
							实施例1	0.063	0.31	1.01	0.008	0.014	0.42
实施例2	0.065	0.33	1.12	0.005	0.015	0.45
							实施例3	0.061	0.35	1.08	0.006	0.014	0.44
实施例4	0.066	0.38	1.06	0.008	0.016	0.43
							实施例5	0.068	0.34	1.16	0.006	0.014	0.43

由表4和表5可知，本发明药芯焊丝通过控制合金元素含量，在热处理后能有效降低脆性相的产生，保证了熔敷金属热处理后具有稳定的低温冲击韧性，其-40℃冲击功KV₂≥47J，解决了热处理后焊缝金属脆化的问题。

对上述实施例的熔敷金属扩散氢含量进行测定，测定结果如表6所示。

表6：熔敷金属扩散氢含量

由表6可知，本发明的药芯焊丝熔敷金属的扩散氢含量低于5ml/100g，可有效抑制焊接过程中裂纹的产生，进一步保证焊接结构的焊接质量。

另外，采用实施例1～5制备的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝进行斜Y抗裂性试验，焊前预热至150℃。经检测，其表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0％(20℃×72％RH)。

综上所述，本发明提供的这种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝通过合理设计其成分配比，最大限度的发挥各成分的优势，抗气孔性能优异，焊接速度快，熔敷效率高，且具有较好的焊缝金属强度，同时又能抑制第二类回火脆性的产生，从而达到了提高低温冲击韧性的目的，本发明可用于海洋工程用屈服强度为390MPa、厚度在20～70mm之间的钢板的全位置焊接。

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

1.一种海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，其特征在于：所述碳钢外皮质量占药芯焊丝总质量的85.5～86.0％，药芯质量占药芯焊丝总质量的14.0～14.5％；所述药芯的各成分及其含量占药芯焊丝总质量百分比如下：TiO₂ 5.22～5.9％；ZrO₂ 0.13～0.23％；Al₂O₃ 0.06～0.17％；SiO₂ 0.42～0.68％；Si 0.34～0.55％；Mn 1.30～1.75％；Ni 0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti 0.17～0.24％；B 0.010～0.014％；稀土金属氟化物0.08～0.26％；NaF 0.24～0.37％；余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述碳钢外皮采用低碳钢钢带，其化学成分占低碳钢钢带质量百分比为Mn 0.15～0.4％，Si≤0.025％,C≤0.035％，S≤0.017，P≤0.014％，N≤0.006％。

3.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的Mg、Al混合物中，Al元素含量与Mg元素、Al元素含量之和的比Al/(Mg+Al)为0.11～0.18。

4.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝熔敷金属中S元素含量≤0.01％，P元素含量≤0.02％。

5.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝熔敷金属中Mn元素质量分数为1.0～1.3％，Si元素质量分数为0.30～0.50％，C元素质量分数为0.06～0.07％。

6.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm。

7.如权利要求1所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中TiO₂采用金红石，ZrO₂采用锆英砂，Al₂O₃采用长石，SiO₂采用石英或长石；且金红石、锆英砂、长石和石英的总质量占药芯焊丝总质量≤4.6％。

8.如权利要求1～7任一项所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的制备方法，其特征在于：采用钢带法生产工艺，通过对接O型或搭接O型的封口方式，将药芯封在碳钢外皮内，经过成型减径后即得所述药芯焊丝。

9.如权利要求1～7任一项所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝焊接时的焊接条件为：采用CO₂混合气体保护，电流240～280A，电压26～30V，热处理工艺为在560℃温度下保温2小时，炉冷至400℃后空冷。

10.如权利要求9所述的海洋工程大厚板热处理用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝用于海洋工程用屈服强度为390MPa、厚度在20～70mm之间的钢板的全位置焊接。