CN107030413A - 一种适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝，由钢带和药芯组成，其特征在于焊丝直径为1.2mm，药芯化学成分及质量百分含量为:造渣剂6.0~10.0%；除氢剂1.6~3.6%；硅铁0.2~0.6%；锰铁0.1~0.3%；镍粉1.0~3.0%；铬铁0.5~1.6%；其余为铁粉，药芯填充率为12~14%。本发明提供的药芯焊丝能降低厚板焊接时的整体热输入量及焊缝金属拘束应力，适用于厚度＞100mm的高强钢焊接，尤其适用于对扩散氢敏感的海洋工程高强钢的焊接应用。

Description

一种适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种埋弧焊使用的药芯焊丝，特别涉及一种适用于厚度＞100mm的高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝。

背景技术

我国在海洋工程制造方面大部分厚板焊接方法仍为手工电弧焊或半自动化焊接方法为主，自动化程度不高。其中厚板的焊接采用开V型等坡口，焊缝填充量大，焊接热输入高，焊接变形大。而国外已将窄间隙焊接（NG）广泛应用于厚板焊接，在日本甚至将窄间隙焊接和激光焊并称为21世纪最适合厚板焊接的两种方法。窄间隙具有独特的优点，表现在焊缝截面积减少50~80%，焊接效率得到明显提升，节省了焊接材料；焊接热输入相对较小，冷却速度快，接头的残余应力、残余变形、热影响区小，接头性能得到提高。根据弧焊方法不同，目前对窄间隙分为八大类，但大量应用于工业生产的主要有窄间隙气护焊NG-MIG/MAG、窄间隙埋弧焊NG-SAW、窄间隙钨极氩弧焊NG-TIG三类。其中基于窄间隙埋弧焊NG-SAW高质高效的特性，一直是各国研究的重点，国内主要海工平台制造商也都以NG-SAW为重点突破方向。

国外在压力容器、核电设备、海洋工程的建造中使用窄间隙焊接已成为发展趋势，国内也有少数企业采用，但真正对钢材焊接接头性能要求高的海洋工程，至今国内尚无制造商采用窄间隙自动化焊接技术及相应的焊材。国内现有埋弧焊药芯焊丝都是针对耐磨材料的应用，适用于大型耐磨工件及蒸气轮机部件和离心泵叶片等的堆焊，其焊丝直径都在3.0mm以上，焊接热输入大。国内尚未有关于高强钢窄间隙埋弧焊用的药芯焊丝相关研究，实现细丝径的埋弧堆焊药芯焊丝，有助于实现高强钢的高质高效焊接，从而提升我国海工装备制造水平。

CN101913038A公开了一种适用于钢轨窄间隙电弧焊接的自保护药芯焊丝，其以冷轧低碳钢钢带为原材料，采用常规药芯过渡合金方式和通用的药芯焊丝生产工艺制造，焊丝药芯的配方由碳酸钙、氟化钙、氟化钡、三氧化二铝、铝镁合金、铁粉、高碳锰铁、金属镍、金属铬、金属钼构成，该焊丝可连续送丝、不用气体保护、成本低、焊接质量好、易于操作，具有优良的工艺和力学性能，电弧稳定、飞溅小且成形美观，可缩短焊接时间至30分钟之内。其主要应用于钢轨的窄间隙自保护焊接，并未涉及到用于高强钢的窄间隙埋弧焊。

CN106141500A公开了一种适用于屈服强度690MPa钢用超低氢无缝埋弧焊药芯焊丝，主要由外皮和药芯粉组成，外皮采用低碳钢带制成，所述药芯粉按照质量百分比由以下原料组成：大理石8~12%、萤石4~8%、金属镍25~30%、金属铬2~4%、钼铁7~9%、电解锰12~16%、硅铁1~3%、钛铁3~5%、硼铁2~4%、钛酸钾2~3%、氟化钾1~3%、氟化钠1~3%，余量为铁粉。其抗吸潮性极强，与氟碱型烧结焊剂SR-SJ613配合工艺性能优良，扩散氢极低(≤4mL/100g)，-40℃夏比冲击功达到100J以上，其应用于海洋工程领域屈服强度690MPa级钢板的焊接，未涉及到使用于厚板的窄间隙埋弧焊。

CN102848103A公开了一种超低氢高韧性埋弧焊药芯及埋弧药芯焊丝，其药芯成分为:CaF₂、Na₂SiF₆、ReF、BaCO₃、CaCO₃、MgO、TiO₂、SiO₂、ZrO₂、硼化物、Na₂O、K₂O、Mn、Al-Mg、Ni、Ti、Si和Re，余量为Fe。与高碱度烧结焊剂配合，焊缝金属在-60℃下冲击吸收功高于80J。与低吸潮性熔炼焊剂配合，焊缝金属在-40℃下冲击吸收功高于90J。与两种焊剂中的任何一种配合，焊缝扩散氢含量均低于5ml/100g。达到了标准规定的超低氢范围。焊丝抗冷裂纹能力强，具有高的断裂韧性值，焊丝适用于低合金高强钢，可用于重要结构的焊接。

CN103056558A公开了一种用于铬钼耐热钢低温冲击及窄间隙埋弧焊用埋弧焊焊剂及制法。所述焊剂组分质量百分比为：SiO₂ 8~20%；MgO 20~40%；Al₂O₃ 15~30%；CaO 15~28%；MnO 0.5~5%；Na₂O 0.5~2%；K₂O 0.5~2%；TiO₂ 0.5~3%；Fe₂O₃≤3.0%；S≤0.030%；P≤0.030%。此焊条焊剂专门用于焊接窄间隙及铬钼耐热钢低温冲击下的埋弧焊焊剂。

综合来看，目前公布的专利申请均未有提及适合于厚度＞100mm的高强钢窄间隙埋弧焊用药芯焊丝。研究开发适合细丝径的窄间隙埋弧堆焊药芯焊丝，能降低接头熔敷金属的填充总量，减少焊接道次，提高整体焊接效率。此外，引入细丝径药芯焊丝，以相对较小的焊接热输入，同时又可以获得合理的熔覆效率，从根本上解决窄间隙埋弧焊无法应用在高强钢焊接上的难题，有助于实现厚板高强钢的高质高效焊接，从而提升我国海工装备制造水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对厚板高强钢窄间隙埋弧焊药芯焊丝。本发明能解决窄间隙埋弧焊无法在厚板高强钢应用的难题，适合厚度超过100mm的窄间隙埋弧焊。

本发明所提供的厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝由钢带和药芯组成，焊丝直径为1.2mm，药芯化学成分及质量百分含量为:造渣剂6.0~10.0%；除氢剂1.6~3.6%；硅铁0.2~0.6%；锰铁0.1~0.3%；镍粉1.0~3.0%；铬铁0.5~1.6%；其余为铁粉，药芯填充率为12~14%。

其中所述的造渣剂为菱锌矿，与普通埋弧焊药芯焊丝相比，厚板窄间隙埋弧焊对脱渣性要求很高，特别是在超过200mm的深窄坡口焊接时，若无优异的脱渣性，即会产生微小的夹渣，引起焊缝金属韧性的急剧下降。本发明中加入主要成分为碳酸锌的菱锌矿作为造渣剂，其在电弧作用下会发生分解生成氧化锌，基于氧化锌具有的较高能带隙和激子束缚能，极易与菱锌矿中少量存在的Fe₂O₃、SiO₂反应形成具有薄膜层状结构的ZnO-Fe₃O₄-SiO₂熔渣，进一步与埋弧焊剂反应生成极易脱落的大块状熔渣。

所述的除氢剂为氟化锶与氟化钙的混合物，质量比为3:1，基于高强钢对氢致冷裂纹敏感性及厚板窄间隙坡口的焊缝金属较大的拘束应力，需要除氢能力更强的SrF₂为添加剂，其在窄间隙埋弧焊过程中极易电离出F^—离子与焊缝金属中的氢反应，形成HF逸离出焊缝金属，进而降低焊缝金属中的扩散氢含量。

其中锰铁、硅铁为脱氧剂，镍粉与铬铁配合使用能显著增强焊缝金属强度和韧性，铁粉的加入主要用于提高焊接效率及稳定电弧。

本发明提供的窄间隙埋弧焊药芯焊丝具有以下有益效果：1）在满足窄间隙坡口焊接效率的前提下，焊丝为细直径的1.2mm，能降低接头熔敷金属的填充总量，减少焊接道次，降低厚板焊接时的整体热输入量及焊缝金属拘束应力；2）通过添加菱锌矿为造渣剂，可在窄间隙埋弧焊过程中形成极易脱离的薄膜层状熔渣，解决厚板高强钢窄间隙焊接时熔渣难以去除的问题；3）氟化锶与氟化钙除氢剂的加入，能显著降低焊缝金属扩散氢含量，减少氢致冷裂纹的生成。综合以上优点，本发明提供的窄间隙埋弧焊药芯焊丝非常适用于厚度＞100mm的高强钢焊接，尤其适用于对扩散氢敏感的海洋工程高强钢的焊接应用。

具体实施方法

根据具体高强钢母材强度的不同，分别按照表1中成分制备药芯粉末，各组分粒度范围控制在150~200目，经120℃烘干处理后，混合均匀并按照12~14%的填充率加至以冷轧钢带为外皮的焊丝中。表1是实施例的药芯焊丝组分及质量百分含量，表2为药芯粉末的牌号或规格。

表1 药芯焊丝组分及质量百分含量（%）

表2 药芯粉末的牌号或规格

试验中所用焊接设备为双丝窄间隙埋弧焊焊接平台，包括摆枪双丝窄间隙埋弧焊机，重型十字操作架。实验采用试板尺寸为300×150×180mm，试件垫板厚为10mm。坡口采用I形坡口，坡口间隙为20mm，坡口两个侧面和底面均铣平。采用烧结型碱性焊剂OK Flux 10.62，焊接前的准备工作包括以下几点：1）焊前用手动砂轮机将坡口及坡口两侧各30mm范围内的铁锈、氧化皮等杂质进行清理，使其露出金属光泽，并用丙酮溶液清洗坡口去除油污，防止气孔产生；2）焊件装配应保证间隙均匀，高低一致。为了避免引弧和收尾处出现缺陷，在焊缝两端加装引弧板和引出板，待焊后再将其去除；3）焊剂在烘烤炉中以300~350℃烘烤2小时，使用时保持干燥无杂物。

焊前对母材进行预热，并控制层间温度，焊后进行消氢处理后进行各项性能检测。依次截取冲击试样、拉伸及扩散氢含量测试试样。低温冲击试样尺寸为20×20×30mm，扩散氢试样尺寸为5×10×20mm，要求无夹渣、气孔等缺陷。表3是焊接后的测试结果。

表3 力学性能及扩散氢测试结果

Claims (3)

1.一种适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝，由钢带和药芯组成，其特征在于焊丝直径为1.2mm，药芯化学成分及质量百分含量为:造渣剂6.0~10.0%；除氢剂1.6~3.6%；硅铁0.2~0.6%；锰铁0.1~0.3%；镍粉1.0~3.0%；铬铁0.5~1.6%；其余为铁粉，药芯填充率为12~14%。

2.根据权利要求1所述的适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝，其特征在于所述的造渣剂为菱锌矿。

3.根据权利要求1所述的适用于厚板高强钢窄间隙埋弧焊的药芯焊丝，其特征在于所述除氢剂为氟化锶与氟化钙的混合物，质量比为3:1。