CN107127471A

CN107127471A - 一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝及其应用

Info

Publication number: CN107127471A
Application number: CN201710175003.2A
Authority: CN
Inventors: 宋昌宝; 徐文福; 王玲艳; 王哲
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: CN107127471B

Abstract

本发明提供了一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，包括低碳钢外皮以及填充在低碳钢外皮内的药芯，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：天然金红石：30～35％；氧化镁：2～5％；碳酸钡：1.5～3％；钾冰晶石：2～3％；钛酸钾：2～5％；硅锰合金：15～20％；金属铬：8～10％；钼铁：3.5～5％；铝铁：1～2％；煅烧三氧化二铝：0.5～2.5％；镍粉：0.5～1％；磁铁矿：0.5～1.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。该药芯焊丝熔敷金属化学成分完全符合相关国家标准的规定，可满足1～1.25％Cr‑0.5％Mo耐热钢的全位置焊接要求；同时其熔敷金属的力学性能指标完全符合相关国家标准的规定；熔敷金属冲击性能优良，特别是低温冲击韧性(‑30℃)稳定在50J以上，冲击值稳定。

Description

一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝及其应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝及其应用。

背景技术

铬钼耐热钢广泛应用于火力发电、石油化工、航空领域及原子能等尖端行业，随着科学技术的进步和现代工业的发展，上述行业对耐热钢材料性能的要求越来越苛刻，许多设备逐步向大型化、高参数方向发展，这要求耐热钢材料及其配套的焊接材料具有更加优异的力学性能。目前，铬钼耐热钢的焊接方法有手工焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊和埋弧焊，其中，药芯焊丝熔化极气体保护焊方法具有工艺性能好、熔敷效率高、可适应全位置焊接等诸多优点，适应了我国传统制造业向自动化、数字化方向发展的要求，因而应用市场逐渐扩大，前景非常广阔。

目前，市场上成熟的耐热钢药芯焊丝产品多以酸性焊丝为主，如美国专利号6940042、日本专利号57-4397、中国发明专利申请CN 101596657A以及CN 101112739A等药芯焊丝均为二氧化钛系酸性药芯焊丝，二氧化钛系酸性药芯焊丝工艺性能优良，可适用于全位置焊接。但是，这一类药芯焊丝熔渣的碱度偏酸性，焊缝金属中的酸性氧化物夹杂含量高，焊缝金属含氧量较碱性药芯焊丝格外高。因此，焊缝金属的力学性能特别是冲击韧性相对较低，大大限制了耐热钢药芯焊丝的应用范围。

另外，中国发明申请专利CN 101164732A、CN 1358605A、CN 103056549A、CN101041214A等对碱性耐热钢药芯焊丝进行了研究。碱性药芯焊丝添加了大量氟化物如BaF₂、NaF、CaF₂中的一种或多种组合，此外还可添加一定量的碳酸盐如CaCO₃等，这些添加物提升了熔渣的碱度，改善了焊缝金属的力学性能。但是，上述氟化物的添加必然导致焊接烟尘增加，由于F元素为反电离物质，因此会严重降低电弧稳定性；此外，上述各种氟化物在药芯焊丝中将降低熔渣的熔点，不利于形成短渣，无法适应全位置焊接。

综上所述，在现有技术中，酸性耐热钢药芯焊丝焊接工艺性能优良，但焊缝金属韧性差；而碱性耐热钢药芯焊丝焊缝金属力学性能好，特别是低温韧性优异，但焊接工艺性能极差，如焊接烟尘大、飞溅大、电弧不稳定、脱渣差、不能进行全位置焊接。

发明内容

本发明的目的是克服现有酸性耐热钢药芯焊丝低温冲击韧性差，以及碱性耐热钢药芯焊丝焊接工艺性能差，不能进行全位置焊接的问题。

为此，本发明提供了一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，包括低碳钢外皮以及填充在低碳钢外皮内的药芯，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：天然金红石：30～35％；氧化镁：2～5％；碳酸钡：1.5～3％；钾冰晶石：2～3％；钛酸钾：2～5％；硅锰合金：15～20％；金属铬：8～10％；钼铁：3.5～5％；铝铁：1～2％；煅烧三氧化二铝：0.5～2.5％；镍粉：0.5～1％；磁铁矿：0.5～1.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

进一步的，所述药芯的填充率为13～16％。

进一步的，所述低碳钢外皮采用冷轧碳钢薄钢带，其厚度为0.8～0.9mm，宽度为14mm；所述冷轧碳钢薄钢带的化学成分及含量范围为：C≤0.025％，Si≤0.02％，Mn：0.2-0.35，S≤0.01％，P≤0.012％。

进一步的，所述煅烧三氧化二铝由α-Al₂O₃高温煅烧制得，煅烧工艺为1200℃/4h。

优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：天然金红石：30％；氧化镁：2％；碳酸钡：1.5％；钾冰晶石：3％；钛酸钾：5％；硅锰合金：15％；金属铬：10％；钼铁：3.5％；铝铁：2％；煅烧三氧化二铝：2.5％；镍粉：0.5％；磁铁矿：1.5％余量为铁粉及不可避免的杂质。

优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：天然金红石：32％；氧化镁：4％；碳酸钡：2％；钾冰晶石：2.5％；钛酸钾：3％；硅锰合金：17％；金属铬：8.5％；钼铁：4％；铝铁：1.7％；煅烧三氧化二铝：1.3％；镍粉：0.7％；磁铁矿：0.8％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：天然金红石：35％；氧化镁：5％；碳酸钡：3％；钾冰晶石：2％；钛酸钾：2％；硅锰合金：20％；金属铬：8％；钼铁：5％；铝铁：1％；煅烧三氧化二铝：0.5％；镍粉：1％；磁铁矿：0.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

另外，本发明提供的这种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝用于1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢的CO₂气体保护焊全位置焊接。

本发明低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝的设计原理如下：

本发明将金红石的含量从普通酸性药芯焊丝的45％左右降至35％以下，同时添加少量的煅烧三氧化二铝和钛酸钾，减少金红石含量可降低焊缝金属中非金属氧化物夹杂倾向，提高熔渣碱度，从而提高脱硫、脱磷效果，提高焊缝金属力学性能，而为了弥补减少金红石对工艺性能带料的影响，添加钛酸钾可起到稳弧的效果，同时添加少量三氧化二铝保证药效焊丝的全位置焊接工艺性能；另外，在药芯焊丝中添加了适量的金属镍粉，按照国家标准保证焊缝金属中Ni元素的含量不大于0.3％，大大提高了焊缝金属的力学性能，特别是低温冲击性能；而通过添加少量的磁铁矿等金属氧化物可起到降低熔滴表面张力、细化熔滴颗粒以及去氢等效果，进一步优化了药芯焊丝的工艺性能和焊缝金属的力学性能。

本发明低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝中药芯成分的作用如下：

天然金红石，含二氧化钛95％以上，主要作用为造渣、稳弧、调节熔渣的物理性能，改善焊缝成形；当天然金红石加入量小于30％时，焊接电弧稳定性差、全位置焊接工艺性能差；天然金红石加入量大于45％时，熔渣凝固过快不利于气体析出，容易形成压痕或气孔，此外还容易形成酸性氧化物夹杂并造成焊缝增氧，影响焊缝金属力学性能。

氧化镁，主要作用是造渣，调整熔渣的熔点、碱度等；在本发明药芯焊丝中氧化镁含量小于2％时效果不明显，氧化镁含量大于5％时造成熔渣熔点偏高，电弧有爆炸声，飞溅大，破坏电弧稳定性，提高氧化镁的含量可提高熔渣的碱度，对焊缝金属力学性能有利，但影响药芯焊丝的工艺性能。

碳酸钡，作为造渣剂，由于Ba元素的电离能相对较低，可以起到稳弧的效果；在药芯中添加碳酸钡可提高熔渣碱度，有利于脱硫、脱磷等，从而提高焊缝金属的额力学性能；本发明中，碳酸钡添加量控制在1.5～3％之间，当碳酸钡的含量低于1.5％时，对电弧稳定性效果不明显，其含量高于3％时，药芯熔点急剧增加，滞熔现象严重，电弧稳定性下降。

钾冰晶石，作为造渣剂、稳弧剂，主要作用是去氢，调节熔渣的物理性能，改善药芯焊丝的工艺性能；钾冰晶石含量低于2％时，去氢效果不显著，而其含量高于3％时，电弧稳定性降低，容易断弧，因此本发明中钾冰晶石的含量范围为2～3％。

钛酸钾，主要作用为稳弧，造渣；钛酸钾的含量低于2％时，电弧不稳定，熔滴过渡不稳，影响焊缝成形，其含量高于5％时，药芯焊丝的抗吸潮性能降低，因此本发明中钛酸钾的含量控制在2～5％。

硅锰合金，作为脱氧剂、合金剂。

金属铬，作为合金剂，其重量根据药芯焊丝熔敷金属含量中Cr元素含量确定，因此多加或少加时，药芯焊丝熔敷金属成分不符合相关国家标准，本发明中金属铬的含量为8～10％。

钼铁，作为合金剂，药芯焊丝中钼铁的含量低于3.5％时，化学成分中Mo元素含量偏低，熔敷金属强度降低；钼铁含量高于5％时，熔敷金属中Mo元素的含量超出标准范围，且熔敷金属强度急剧增加，塑韧性降低。

铝铁，作为强脱氧剂，可净化焊缝金属，提高焊缝金属的力学性能；铝铁含量小于1％时效果不明显，含量偏高(大于2％)时导致焊缝增Si，焊缝金属强度增加，塑性降低。

镍粉，作为合金剂，改善焊缝金属的冲击韧性，特别是低温冲击韧性；但是，当Ni元素含量较高时，会增加热裂纹倾向，影响焊缝金属高温力学性能。

煅烧三氧化二铝，作为造渣剂，可调节熔渣的物理性能，改善药芯焊丝全位置焊接工艺性能；其含量小于0.5％时效果较差，含量大于2.5％时导致熔渣熔点过高，熔渣粘度偏高，电弧不稳，飞溅增加；选用高温煅烧三氧化二铝可以去除三氧化二铝中的水分，进而控制焊丝熔敷金属中的扩散氢含量，提高药芯焊丝的抗裂性能。

磁铁矿，作为造渣剂，强氧化剂，可降低熔渣熔点，增加熔渣流动性，减少熔滴表面张力，细化熔滴，还有去氢效果；当磁铁矿的含量低于0.5％时，对熔渣的影响不明显，其添加量超过1.5％时，熔渣稀，不利于全位置焊接，因此，本发明中，磁铁矿的添加了控制在0.5～1.5％之间。

铁粉，用于提高药芯焊丝导电均匀性，起到稳弧作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝的熔敷金属化学成分完全符合相关国家标准的规定，满足1～1.25％Cr-0.5％Mo耐热钢的焊接要求。

(2)本发明提供的这种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝熔敷金属的抗拉强度、屈服强度以及延伸率等力学性能指标完全符合相关国家标准的规定；且其熔敷金属冲击性能优良，特别是低温冲击韧性(-30℃)稳定在50J以上，冲击值稳定。

附图说明

图1是本发明低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝焊缝金属微光组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝的低碳钢外皮采用冷轧碳钢薄钢带，钢带厚度为0.8～0.9mm，宽度为14mm；药芯质量占整个药芯焊丝总质量的13～16％，即填充率为13～16％；药芯粉料预先烘焙处理，然后钢带经成形、粉料填充、合缝、减径等一系列拉拔和表面处理后制成成品药芯焊丝。药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量如表1所示。

表1：药芯成分及配比(wt.％)

药芯组成	实施例1	实施例2	实施例3
				天然金红石	30	32	35
氧化镁	2	4	5
				碳酸钡	1.5	2	3
钾冰晶石	3	2.5	2
				钛酸钾	5	3	2
硅锰合金	15	17	20
				金属铬	10	8.5	8
钼铁	3.5	4	5
				铝铁	2	1.7	1
镍粉	0.5	0.7	1
				煅烧三氧化二铝	2.5	1.3	0.5
磁铁矿	1.5	0.8	0.5
				铁粉	23.5	21.5	17
共计	100	100	100

采用上述实施例所制备的药芯焊丝分别对1Cr-0.5Mo耐热钢试板进行焊接，然后按照国家标准规定对试板在690℃/1h条件下进行焊后热处理，然后进行焊缝金属化学成分与力学性能测试，检测结果如表2和表3所示。

表2：药芯焊丝熔敷金属化学成分(wt.％)

化学成分	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo
									要求值	0.05-0.12	≤0.80	≤1.25	≤0.02	≤0.03	1.0-1.50	≤0.30	0.40-0.65
实施例1	0.061	0.40	0.87	0.0063	0.011	1.31	0.08	0.48
									实施例2	0.0050	0.46	0.91	0.0059	0.010	1.24	0.11	0.53
实施例3	0.0069	0.55	1.12	0.0067	0.012	1.18	0.15	0.55

表3：药芯焊丝熔敷金属力学性能

由上述表2和表3可知，本发明低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝熔敷金属化学成分完全符合相关国家标准的规定，可满足1～1.25％Cr-0.5％Mo耐热钢的全位置焊接要求；同时其熔敷金属力学性能，包括抗拉强度、屈服强度以及延伸率等指标完全符合相关国家标准的规定；熔敷金属冲击性能优良，特别是低温冲击韧性(-30℃)稳定在50J以上，冲击值稳定。

另外，对本发明实施例2所制备的低合金铬钼耐热钢用药芯采用CO₂气体保护焊方法进行焊接，焊接电流为250A，电压28V，焊接速度为25cm/min，预热及道间温度为175℃，焊后热处理工艺为690℃/1h，其熔敷金属微观组织如图1所示。由图1可看出，本发明的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝的焊缝金属晶粒细小，以针状铁素体组织为主，这对焊缝金属的额力学性能，特别是低温冲击韧性非常有利。

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

1.一种低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，包括低碳钢外皮以及填充在低碳钢外皮内的药芯，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：天然金红石：30～35％；氧化镁：2～5％；碳酸钡：1.5～3％；钾冰晶石：2～3％；钛酸钾：2～5％；硅锰合金：15～20％；金属铬：8～10％；钼铁：3.5～5％；铝铁：1～2％；煅烧三氧化二铝：0.5～2.5％；镍粉：0.5～1％；磁铁矿：0.5～1.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的填充率为13～16％。

3.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，其特征在于：所述低碳钢外皮采用冷轧碳钢薄钢带，其厚度为0.8～0.9mm，宽度为14mm；所述冷轧碳钢薄钢带的化学成分及含量范围为：C≤0.025％，Si≤0.02％，Mn：0.2-0.35，S≤0.01％，P≤0.012％。

4.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，其特征在于：所述煅烧三氧化二铝由α-Al₂O₃高温煅烧制得，煅烧工艺为1200℃/4h。

5.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，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：天然金红石：30％；氧化镁：2％；碳酸钡：1.5％；钾冰晶石：3％；钛酸钾：5％；硅锰合金：15％；金属铬：10％；钼铁：3.5％；铝铁：2％；煅烧三氧化二铝：2.5％；镍粉：0.5％；磁铁矿：1.5％余量为铁粉及不可避免的杂质。

6.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，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：天然金红石：32％；氧化镁：4％；碳酸钡：2％；钾冰晶石：2.5％；钛酸钾：3％；硅锰合金：17％；金属铬：8.5％；钼铁：4％；铝铁：1.7％；煅烧三氧化二铝：1.3％；镍粉：0.7％；磁铁矿：0.8％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

7.如权利要求1所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝，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：天然金红石：35％；氧化镁：5％；碳酸钡：3％；钾冰晶石：2％；钛酸钾：2％；硅锰合金：20％；金属铬：8％；钼铁：5％；铝铁：1％；煅烧三氧化二铝：0.5％；镍粉：1％；磁铁矿：0.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

8.权利要求1～7任一项所述的低合金铬钼耐热钢用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝用于1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢的CO₂气体保护焊全位置焊接。