CN106670682B - 一种用于薄板焊接的316(l)不锈钢药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种用于薄板焊接的316(L)不锈钢药芯焊丝，属于焊接领域。采用304L不锈钢带外皮；药芯组分：TiO2 5.5‑7.5％，SiO2 1‑4％，Al2O3 0.5‑3％，氟化物0.1‑1％，ZrO2 0.02‑0.1％，Na2O+K2O 0.1‑0.5％，Ni 3.7‑7.7％，Cr 2.5‑12.5％，Mo 1‑2.6％，Mn 0.5‑2.5％，Si 0.1‑0.5％，FLC添加剂2‑7％，余量铁粉；FLC添加剂包括铝镁合金30‑50％，Si 5‑7％，聚四氟乙烯10‑20％，氟化稀土3‑6％，锂辉石20‑40％，锂云母10‑30％。药粉填充率为25‑40％。本发明焊接工艺性能和电弧稳定性良好，焊缝铺展良好。

Description

一种用于薄板焊接的316(L)不锈钢药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体涉及用于1.5-3mm厚18％Cr-12％Ni-2％Mo不锈钢(SUS316、SUS316L等)薄板焊接的316(L)不锈钢药芯焊丝。
技术背景
不锈钢焊材发展至今已取得了重要的成果，不锈钢药芯焊丝的产量逐年增加，市场对不锈钢薄板，尤其是3mm以下的不锈钢板的需求越来越大。高端薄板焊件的主要特点是焊缝成形美观，焊缝表面铺展良好，良好的成形给人感官享受。对于薄板焊件，需要使用小规范焊接参数施焊，以防大规范参数下造成过大的焊接变形。
不锈钢药芯焊丝的熔滴过渡形式主要有：大滴排斥过渡、细颗粒过渡、射滴过渡、射流过渡、短路过渡五种形式。其中射滴过渡、射流过渡和细颗粒过渡时焊接过程稳定，飞溅小，焊缝成形良好，生产效率较高，而细颗粒过渡更是药芯焊丝熔滴过渡的主要形式。但是在焊接不锈钢薄板时，由于电流较小，不锈钢药芯焊丝多为短路过渡，周期性的短路过程降低了电弧对母材的热输入，母材熔化不足，使熔滴过渡后对熔池的润湿剂铺展程度不理想，即焊缝成形差。具体表现为焊道凸起(余高超标)且狭窄，有时伴有未熔合或咬边现象(如角焊缝)。
对此，本发明研制了一种能用于小电流(90-130A)板厚1.5-3mm焊接的E316(L)奥氏体不锈钢药芯焊丝，焊丝熔滴过渡形式以细颗粒过渡为主，焊缝润湿性良好，成形美观，符合GB/T17853中E316LT0-1的要求，焊后的焊缝表面平整，无需进行后续的打磨过程处理。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术问题，提供一种在小规范参数下(焊接电流90-130A)，焊丝熔滴过渡以细颗粒过渡为主，具有良好的焊接工艺性和焊缝润湿性，焊缝成形美观的二氧化碳或混合气体保护用316(L)不锈钢药芯焊丝。它可以在保证焊丝熔敷金属化学成分、力学性能、耐腐蚀性能满足相关国家标准要求的情况下，焊后焊缝铺展较好，角焊缝时没有余高凸起，以满足高端药芯焊丝的需求，避免了焊后对焊缝余高超标的打磨处理，进一步提高了焊接的生产效率。
目前，不锈钢药芯焊丝主要为钛型渣系。本发明通过以下技术方案来实现：一种用于薄板焊接的气保护E316(L)奥氏体不锈钢药芯焊丝，采用304L不锈钢带为外皮，药芯的组分及其重量百分比为：TiO2：5.5-7.5％，SiO2：1-4％，Al2O3：0.5-3％，氟化物：0.1-1％，ZrO2：0.02-0.1％，Na2O+K2O：0.1-0.5％，Ni：3.7-7.7％，Cr：2.5-12.5％，Mo：1-2.6％，Mn：0.5-2.5％，Si：0.1-0.5％，FLC添加剂：2-7％，余量为铁粉。药芯焊丝中药粉的填充率为20-35％。
上述FLC添加剂包括铝镁合金、Si、聚四氟乙烯、氟化稀土、锂辉石、锂云母，它们的重量比依次为铝镁合金：30-50％，Si：5-7％，聚四氟乙烯10-20％，氟化稀土：3-6％，锂辉石：20-40％，锂云母：10-30％，且铝镁合金粉：80-120目，硅粉：80-120目，聚四氟乙烯粉：100-200目，氟化稀土：100-200目，锂辉石：80-200目，锂云母：80-200目，通过机械混合后，需在电炉中加热至300-400℃搅拌均匀。
进一步，药粉中TiO2含量在6-7.5％，SiO2的含量在1.5-3％，ZrO2的含量在0.05-0.1％。
进一步，焊丝的填充率在22-32％，其中TiO2、SiO2和Al2O3作为造渣剂，造渣剂成分总含量为8-11％。
其中，所述的TiO2以金红石或钛白粉的形式添加。所述的SiO2以石英和长石的形式添加。所述的Al2O3以长石的形式添加；所述的氟化物以氟化钾、氟化钠、氟硅酸钾或四氟乙烯的形式添加；所述的ZrO2以锆英砂的形式添加；所述的Mo以钼铁的形式添加；Mn以锰铁的形式添加；所述的Si以硅铁的形式添加。其中TiO2与SiO2的质量比例控制在2-3之间，Si与Mn的质量比控制在0.3-0.7之间。
一种用于添加在316(L)不锈钢药芯焊丝中细化熔滴的添加剂，它由铝镁合金、Si、聚四氟乙烯、氟化稀土、锂辉石、锂云母，它们的重量比依次为铝镁合金：30-50％，Si：5-7％，聚四氟乙烯10-20％，氟化稀土：3-6％，锂辉石：20-40％，锂云母：10-30％。且添加剂的颗粒度为80-200目。优选：铝镁合金粉：80-120目，硅粉：80-120目，聚四氟乙烯粉：100-200目，氟化稀土：100-200目，锂辉石：80-200目，锂云母：80-200目，通过机械混合后，需在电炉中加热至300-400℃搅拌均匀。
如上所述的奥氏体不锈钢药芯焊丝，其中所述不锈钢带优选为含碳量小于0.03％(重量)的304L不锈钢带，本发明药芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
如上所述的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝的制备方法其特征在于：
选用宽度为8-12mm，厚度为0.2-0.5mm的304L不锈钢带为药芯焊丝的外皮，并将其轧制成U型槽填入上述的药粉，药粉重量是焊丝重量的20-35％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径在1.2mm。
所述焊丝药芯的组分如下：
Cr：铁素体形成元素，向熔敷金属中过渡铬元素。
Ni：奥氏体形成元素，向熔敷金属中过渡镍元素。
Mo：改善不锈钢焊缝的耐腐蚀性，向熔敷金属中过渡钼元素。
FLC添加剂中Al：起到先期脱氧的作用，提高铬、镍、锰等元素的过度系数，减弱氮向金属内部的扩散作用。
TiO2：主要造渣剂，造成短渣，可改善焊缝金属的脱渣性，调整焊缝的成形，增加导电性具有稳定电弧的作用。
SiO2：主要造渣剂，可改善焊缝金属的脱渣性，调整熔渣粘度及线膨胀系数，并且能够细化熔滴。
Al2O3：用于造渣，调整熔渣的物理化学性能，可起到稳定电弧、细化熔滴的作用，若加入过量熔渣粘度显著下降，促使焊缝成形变坏脱渣困难。
ZrO2：改善焊缝成形，提高电弧稳定性。
FLC添加剂：细化熔滴，降低熔滴表面张力，提高焊接材料的润湿性。
FLC添加剂具体作用及机理表现为：
添加剂中的硅粉与铁粉作用，形成FeSi45化合物，可提高焊缝金属的润湿性，减小余高；铝镁合金燃烧放热，使熔滴温度升高，熔滴的表面张力减小；一定量的多种氟化物的作用可优化熔滴过渡形式，提高焊接的工艺性，同时也降低了熔渣的表面张力，利于焊缝的铺展成形；锂辉石和锂云母中的碱金属元素可以细化熔滴，提高电弧稳定性，降低熔滴的表面张力，从而具有良好的铺展性。此外，药粉中适量的ZrO2能改善焊缝成形，增加焊缝的润湿性，同时也可提高电弧稳定性，但是加入量过大，会使药芯滞熔严重，造成严重飞溅；加入硅铝酸盐矿石粉可明显细化熔滴，其中的SiO2以及K2O、Na2O可使熔滴的表面张力减小，熔滴被细化，改善液态金属的流动性，有利于液态金属的传热和铺展，可减小焊缝凸起和咬边缺陷，改善焊缝成形。
通过添加剂中的活性物质，在焊接过程中增大电弧等离子流力，促进过渡并细化熔滴；添加剂中氟化物的综合作用可减小电极斑点压力，细化熔滴。本发明中添加剂涉及到的物质经过大量的挑选，含量在2-7％，粒度在80-200目，同时控制药粉中氧化物重量百分比小于40％。
本发明的不锈钢药芯焊丝采用100％CO2气体或80％Ar+20％CO2作为保护气体，焊缝在小规范焊接下成形良好，无凸起、咬边等缺陷，焊丝熔敷金属的各项性能均符合国标(GB/T17853-1999，不锈钢药芯焊丝)。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。以下实施例中的FLC包括铝镁合金、Si、聚四氟乙烯、氟化稀土、锂辉石、锂云母，它们的重量比依次为铝镁合金：30-50％，Si：5-7％，聚四氟乙烯10-20％，氟化稀土：3-6％，锂辉石：20-40％，锂云母：10-30％，且铝镁合金粉：80-120目，硅粉：80-120目，聚四氟乙烯粉：100-200目，氟化稀土：100-200目，锂辉石：80-200目，锂云母：80-200目，通过机械混合后，在电炉中加热至300-400℃搅拌均匀。
实施例1
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮8×0.3mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.5％，Ni：4.3％，Cr：5.2％，Mo：1.2％，Mn：1.6％，Si：0.5％，FLC添加剂：3％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：30.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为15L/min，焊接电流90A，焊接电压22V。
实施例2
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮8×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.5％，Ni：4.3％，Cr：5.2％，Mo：1.2％，Mn：1.3％，Si：0.4％，FLC添加剂：4％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：29.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为16L/min，焊接电流100A，焊接电压23V。
实施例3
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮9×0.3mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.5％，ZrO2：0.09％，K2O+Na2O：0.2％，氟化物：0.5％，Ni：4.3％，Cr：5.2％，Mo：1.2％，Mn：1.4％，Si：0.5％，FLC添加剂：5％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：29.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为17L/min，焊接电流110A，焊接电压24V。
实施例4
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮9×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：1.4％，ZrO2：0.05％，K2O+Na2O：0.2％，氟化物：0.5％，Ni：4.3％，Cr：5.2％，Mo：1.2％，Mn：1.5％，Si：0.5％，FLC添加剂：6％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：28.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为18L/min，焊接电流120A，焊接电压25V。
实施例5
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.4％，Ni：4.2％，Cr：4.9％，Mo：1.3％，Mn：1.2％，Si：0.4％，FLC添加剂：7％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：30.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为19L/min，焊接电流130A，焊接电压26V。
实施例6
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.5mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.4％，Ni：4.3％，Cr：5.0％，Mo：1.3％，Mn：1.1％，Si：0.4％，FLC添加剂：2％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：29.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为20L/min，焊接电流100A，焊接电压24V。
对比例1
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.4mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.1％，SiO2：2.7％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.4％，Ni：5.6％，Cr：5.1％，Mo：1.4％，Mn：1.3％，Si：0.2％，FLC添加剂：1％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：30.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为15L/min，焊接电流90A，焊接电压22V。
对比例2
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮10×0.5mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.0％，SiO2：2.4％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.08％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.4％，Ni：5.3％，Cr：5.0％，Mo：1.2％，Mn：1.5％，Si：0.3％，FLC添加剂：8％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：29.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为17L/min，焊接电流110A，焊接电压24V。
对比例3
用于奥氏体不锈钢焊接的E316L奥氏体不锈钢药芯焊丝采用304L不锈钢带为外皮9×0.3mm(成分如表1中所示)，焊丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：6.1％，SiO2：2.5％，Al2O3：0.6％，ZrO2：0.07％，K2O+Na2O：0.3％，氟化物：0.4％，Ni：5.1％，Cr：5.2％，Mo：1.4％，Mn：1.4％，Si：0.2％，FLC添加剂：9％，余量为铁粉，药芯焊丝中药芯的填充率为：28.0％。采用100％CO2作为保护气体，气体流量为19L/min，焊接电流130A，焊接电压26V。
表1实施例1-6及对比例1-3中所使用的304L不锈钢钢带的化学成分(重量％)
C Cr Ni Mn Si P S
0.02 18.5 10.0 1.2 0.3 0.03 0.02
将实施例1-6中制备的药芯焊丝进行焊接试验：采用直流反接法，焊接电流：90-130A，焊接电压：22-26V，焊接试板为1.5-3mm厚的316L不锈钢试板，焊接速度30-50cm/min，气体流量15-20L/min，干伸长15mm。在平焊及角焊位置施焊，观察焊接过程。焊后对焊接过程的工艺性、电弧稳定性及焊缝成形性等性能进行评价。结果表明：在专利配方范围内的焊丝，其焊接过程中工艺性良好，电弧稳定，焊缝成形美观；但在专利配方外的焊丝，其焊接的工艺性、电弧稳定性及焊缝成形均表现不佳。各实施例焊接性能测试结果对比见表2。
表2各实施例的性能对比如下：
①直径小于2mm的焊接熔滴所占全部熔滴比例
②按照分数对电弧稳定性进行评价，满分10分
③余高系数＝焊缝熔宽/余高，余高系数一般在3-6之间，在此范围内，余高系数越大越好。
④√表示良好，○表示一般，×表示不合格。
本发明上述实施例中FLC添加剂的具体组成的用量对焊接性能，影响不大，而FLC添加剂的总用量影响大。

Claims (7)

1.一种用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于，采用304L不锈钢带为外皮，药芯的组分及其重量百分比为：TiO2：5.5-7.5％，SiO2：1-4％，Al2O3：0.5-3％，氟化物：0.1-1％，ZrO2：0.02-0.1％，Na2O+K2O：0.1-0.5％，Ni：3.7-7.7％，Cr：2.5-12.5％，Mo：1-2.6％，Mn：0.5-2.5％，Si：0.1-0.5％，细化熔滴的添加剂：2-7％，余量为铁粉；药芯焊丝中药粉的填充率为20-35％；
细化熔滴的添加剂包括铝镁合金、Si、聚四氟乙烯、氟化稀土、锂辉石、锂云母，它们的重量比依次为铝镁合金：30-50％，Si：5-7％，聚四氟乙烯10-20％，氟化稀土：3-6％，锂辉石：20-40％，锂云母：10-30％，且铝镁合金粉：80-120目，硅粉：80-120目，聚四氟乙烯粉：100-200目，氟化稀土：100-200目，锂辉石：80-200目，锂云母：80-200目，通过机械混合后，在电炉中加热至300-400℃搅拌均匀。
2.按照权利要求1所述的一种用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于，药粉中TiO2含量在6-7.5％，SiO2的含量在1.5-3％，ZrO2的含量在0.05-0.1％。
3.按照权利要求1所述的一种用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于，焊丝的填充率在22-32％。
4.按照权利要求1所述的一种用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于，TiO2、SiO2和Al2O3作为造渣剂，造渣剂成分总含量为8-11％。
5.按照权利要求1所述的一种用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝，其特征在于，TiO2以金红石或钛白粉的形式添加；SiO2以石英和长石的形式添加；Al2O3以长石的形式添加；氟化物以氟化钾、氟化钠、氟硅酸钾或四氟乙烯的形式添加；ZrO2以锆英砂的形式添加；Mo以钼铁的形式添加；Mn以锰铁的形式添加；Si以硅铁的形式添加；其中TiO2与SiO2的质量比例控制在2-3之间，Si与Mn的质量比控制在0.3-0.7之间。
6.制备权利要求1-5任一项所述的用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝的方法，其特征在于，选用宽度为8-12mm，厚度为0.2-0.5mm的304L不锈钢带为药芯焊丝的外皮，并将其轧制成U型槽填入上述的药粉，药粉重量是焊丝重量的20-35％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径在1.2mm。
7.权利要求1-5任一项所述的用于薄板焊接的气保护316或316L奥氏体不锈钢药芯焊丝的应用，采用小电流90-130A，焊接的板厚1.5-3mm。
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