CN107262960A - 高强度高耐蚀奥氏体不锈钢药芯焊丝 - Google Patents

高强度高耐蚀奥氏体不锈钢药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高耐蚀奥氏体不锈钢用药芯焊丝，其特征在于，外皮或药粉所中各组分占焊丝总重量的百分比为：C≤0.025％，Si:0.1-0.5％，Mn:0.5-1.9％，Cr:18-20％，Ni:9.5-12％，Mo:0.5-3.0％，Ti:0.1-0.5％；N:0.05-0.2％，Al2O3:0.2-2.5％，SiO2:2-5％，BaCO3:0.2-2％，氟化物:0.1-2.5％，药粉占焊丝总重量的16-30％，可适应320-360A的大电流CO2焊接，低飞溅、脱渣性能好。

Description

高强度高耐蚀奥氏体不锈钢药芯焊丝
技术领域
本发明涉及一种不锈钢用焊接材料，特别涉及一种高强度高耐蚀性不锈钢用药芯焊丝。
背景技术
以304、316为代表的奥氏体不锈钢在化学容器、低温储罐、垃圾焚烧炉、海水淡化等行业中得到了广泛应用。目前，行业以开始广泛采用新型、含N的高强度高耐蚀不锈钢以提高寿命、降低零部件厚度，从而降低建造成本，以及全生命周期成本。比如SUS304N2和SUS304N2A等新品种。
添加N元素一方面提高了强度，另一方面也替换了Ni元素达到了提高耐蚀性的目的，尤其是抗点蚀能力；在同时提高焊缝金属强度和耐蚀性能的同时，也降低了材料合金成本。N元素添加改变了不锈钢的焊接性能。一方面焊接过程中的N气体蒸发易引发焊接气孔，破坏焊接质量；另一方面，焊缝金属的N含量直接决定了铁素体含量，从而影响强度和耐蚀性能。同时兼顾上述两个技术难点，才能确保焊接接头质量和性能。
目前关于含N奥氏体不锈钢的药芯焊丝报道不多。尤其是需要同时兼顾高强度、高耐蚀型、焊渣脱离性等指标
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供同时兼顾高强度、高耐蚀型、焊渣脱离性能、成型性能优良、适应大电流320-360A焊接的药芯焊丝、且适用于含N型不锈钢的全位置焊接。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
药芯焊丝由不锈钢外皮和内部芯料卷制而成。
外皮不锈钢含碳量不高于0.025％，芯粉填充率为16-30％。
外皮或药粉所中各组分占焊丝总重量的百分比为：C≤0.025％，Si:0.1-0.5％，Mn:0.5-1.9％，Cr:18-20％，Ni:9.5-12％，Mo:0.5-3.0％，Ti:0.1-0.5％；N:0.05-0.2％，Al2O3:0.2-2.5％，SiO2:2-5％，BaCO3:0.2-2％，氟化物:0.1-2.5％，且需满足：Ⅰ≥0；1≤Ⅱ≤2，其中：Ⅰ＝[Al2O3]-[BaCO3]，Ⅱ＝[SiO2]/{[Al2O3]+[BaCO3]}。
C含量要求是基于焊接裂纹和耐蚀性的双重考虑。当碳含量超过0.03％时，奥氏体不锈钢的焊缝金属会出现结晶裂纹，含量越高，裂纹敏感性越高。此外，由于母材金属中存在N，因此会进一步增加焊接裂纹敏感性。同时，降低碳含量也有利于提高耐蚀性。为消除焊接裂纹敏感性，C含量控制在0.025％以下。通过外皮材料引入。
Si元素主要在焊缝熔池中起到脱氧作用。含量低于0.1％时，其脱氧作用不明显；当其含量超过0.5％时，会形成大量的脱氧产物，会降低焊缝金属和焊接接头的弯曲性能、塑性和韧性。因此其优选含量是0.1-0.5％。通过外皮材料添加。
Mn一方面通过增加淬透性、降低相转变点、细化微观组织来提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；但另一方面，当其含量超过1.9％时，使得焊缝中的凝固偏析加重、造成局部区域元素和微观组织的不均匀，有些偏析区域容易生成韧性较差的奥氏体-马氏体组织，从而恶化低温韧性；优选其含量是0.5-1.9％。通过外皮材料添加。
Cr是稳定铁素体的元素，同时有助于缓解硫磷等杂质元素带来的高温裂纹敏感性。含量低于18％时，不利于耐蚀性；当含量超过20％时，会在焊缝金属的晶界处形成大量的碳化物，在降低延展性的同时、也降低了耐蚀性能。因此，需要控制其含量18-20％。
可以通过外皮材料引入，也可以通过在芯粉中添加纯金属粉、或合金粉来添加。
Ni是奥氏体不锈钢中不可缺少元素，主要用于稳定奥氏体。含量低于9.5％时对奥氏体的稳定效果不充分，影响焊缝金属的强度；当含量超过12％时，会形成完全奥氏体焊缝金属、使得焊缝金属强度明显低于母材，不利于焊缝金属强度提到母材一个等级水平。为充分发挥Mo,Mn和Ti等元素对焊缝金属的强化作用，需要控制其含量9.5-12％。
可以通过外皮材料引入，也可以通过芯粉添加。
Mo是提高强度最有效的元素之一。当其含量低于0.5％时，对焊缝金属的强化效果不明显；当其含量超出3.0％时，由于其和Cr元素均为稳定铁素体元素，从而降低Ni元素对奥氏体的稳定作用，不利于焊缝金属组织和性能控制。因此，需要控制其含量0.5-3％。
可以通过外皮材料引入，也可以通过芯粉添加。
Ti是大电流气体保护焊接时降低焊接飞溅最有效的元素之一。当其含量低于0.1％时，考虑到氧化和烧损，对焊接飞溅的抑制作用有限；当其含量超出0.5％时，由于过度氧化和烧损、以及增加焊接熔滴表面张力，使得脱渣性能恶化，不利于工艺性能控制。因此，需要控制其含量0.1-0.5％。
可以通过外皮材料引入，也可以通过芯粉添加。
N是焊接含N不锈钢焊接材料中最常用的元素，一方面替代Ni起着稳定奥氏体的作用，另一方面其强化焊缝金属作用明显。考虑到焊接过程中的烧损、当其含量低于0.05％时，其稳定奥氏体和强化焊缝金属的效果均不明显；当其含量超出0.3％时，会给焊接过程控制带来难度、尤其是焊接裂纹和气孔的控制。因此，优选N含量:0.05-0.2％，
可以通过外皮材料引入，也可以通过在芯粉加入氮合金等形式加入。
Al2O3作为焊丝中的药芯粉加入、主要作用是改善焊道成形性能、增加焊接熔池流动性、利于焊接熔池中的C,O,N等元素能够及时排出；同时也利于冶金反应生成的各类氧化物、夹杂物等能够排出熔池，从而得到无缺陷的焊接接头和焊缝金属。当含量低于0.2％时，作用不明显；当含量超出2.5％时，焊接熔池流动性大幅增加，不利于全位置焊接。因此优选含量范围是0.2-2.5％。
BaCO3作为焊丝中的药芯粉加入、主要作用是调整焊接熔池的冶金反应，并控制O和N的含量，从而影响焊缝中的微观组织转变，以及氧化物的类型和尺寸，对低温韧性有较大影响。含量低于0.2％时，作用不明显；当含量超出2％时，一方面会大幅增加焊缝金属的夹杂物尺寸和体积含量，不利于低温韧性；另一方面会大幅增加熔渣粘度，不利于脱渣。因此，优选含量是0.2-2％。
SiO2作为焊丝中的药芯粉加入、主要作用是调整焊道表面熔渣的结构、绥化硬质玻璃相、从而提高焊渣脱离性能。当其含量低于2％时，其效果不明显；当其含量超过5％时，会影响电弧稳定性。因此，优选含量范围是2-5％。
控制Ⅰ≥0，Ⅰ＝[Al2O3]-[BaCO3]，目的是在确保焊缝金属强度和低温韧性的基础上，来兼顾焊接熔池流动性，以适应大电流焊接。
控制1.5≤Ⅱ≤2，Ⅱ＝[SiO2]/{[Al2O3]+[BaCO3]}，目的有二：
1)当比例超过2时，SiO2相对含量高，一方面对焊缝金属低温韧性不利，另一方面焊接熔池流动性提高、虽然部分改善了成型性能，但不利于仰焊、立向焊接，不能适用于全位置焊接；
2)当比例低于1时，会影响大电流焊接状态下的脱渣性能和成形性能，尤其是当电流增加到320-360A以上时，不仅会恶化成型性能、焊道表面质量吗，而且飞溅大，影响焊接质量。
为兼顾成型性、脱渣性和低温韧性，应确保三者优化的比例。
氟化物作为焊丝中的药芯粉加入、主要作用是降低焊缝金属的氧含量，从而有利于焊缝金属的强度、耐蚀性提高。当其含量低于0.1％时，脱氧排气效果不明显；当其含量超过2.5％时，会降低焊接电弧稳定性、增加飞溅和气泡形成机率。因此，优选含量为0.1-2.5％。
氟化物可以是单个品种，也可以是多个品种同时添加；可以是纯氟化物，也可以是萤石等以氟化物为主要成分的矿物等。
药粉占焊丝总重量的16-30％，比例低于16％会影响电弧特性、渣层结构、以及焊接工艺性能；比例高于30％会给制丝加工带来难度。
本发明药芯焊丝适用于100％的CO2气体保护焊接，焊接工艺性能优良、焊道表面光亮无色差、脱渣容易、飞溅小、无气孔夹渣等缺陷。
本发明焊丝，可适用于320-360A大电流气体保护焊接，且能保持低飞溅、良好的脱渣性能，熔敷率比现有水平提高1倍以上。克服了现有技术受限于280A以下电流焊接的难题。
独特芯粉材料设计，可得到纯净焊接熔敷金属；再辅以合金成分设计，以及组织转变控制，使得焊缝金属的抗拉强度≥580MPa；-40℃冲击功≥60J。
与现有技术相比，本发明技术的有益效果至少在于：
1.为含N高耐蚀不锈钢提供了一种低成本、高效率、高可靠性的焊接材料，从而兼顾工艺性能、作业效率和力学性能；
2.可适用于320-360A大电流CO2气体保护焊接、低飞溅、脱渣性能好。
具体实施方式
以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
将下述实施例1-10，对比例1-5，按照焊丝标准作业流程做成药芯焊丝，焊丝直径为1.2mm，填充率16-30％之间。
实施例1：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.2％Si，1.9％Mn，20％Cr，9.5％Ni，0.5％Mo，0.2％Ti，0.05％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：2.2％Al2O3，3.5％SiO2，1.2％BaCO3，1.8％氟化物，且Ⅰ＝1.0，Ⅱ＝1.1。
焊丝填充率为24％，直径为1.2mm。
实施例2：
外皮成分同实施例1；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.8％Al2O3，4.8％SiO2，1.7％BaCO3，0.1％氟化物，且Ⅰ＝0.1，Ⅱ＝1.4。
焊丝填充率为22％，直径为1.2mm。
实施例3：
外皮成分同实施例1；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：0.8％Al2O3，2％SiO2，0.2％BaCO3，2.5％氟化物，且Ⅰ＝0.6，Ⅱ＝2。
焊丝填充率为21％，直径为1.2mm。
实施例4：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.3％Si，0.6％Mn，20％Cr，12％Ni，3.0％Mo，0.1％Ti，0.2％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.2％Al2O3，2.4％SiO2，0.2％BaCO3，1.6％氟化物，且Ⅰ＝1，Ⅱ＝1.7。
焊丝填充率为22％，直径为1.2mm。
实施例5：
外皮成分同实施例4；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：2.3％Al2O3，4.9％SiO2，0.8％BaCO3，0.4％氟化物，且Ⅰ＝1.5，Ⅱ＝1.6。
焊丝填充率为24％，直径为1.2mm。
实施例6：
外皮成分同实施例4；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：2.5％Al2O3，5％SiO2，1.6％BaCO3，1.5％氟化物，且Ⅰ＝0.9，Ⅱ＝1.2。
焊丝填充率为25％，直径为1.2mm。
实施例7：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.5％Si，1.1％Mn，19％Cr，11％Ni，2.0％Mo，0.1％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.6％Al2O3，3％SiO2，1.2％BaCO3，1.2％氟化物，0.2％Ti，且Ⅰ＝0.4，Ⅱ＝1.2。
焊丝填充率为25％，直径为1.2mm。
实施例8：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.5％Si，1.1％Mn，19％Cr，11％Ni，0.1％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：2.2％Al2O3，4.4％SiO2，1.8％BaCO3，2.2％Mo粉，1.8％氟化物，0.4％Ti，且Ⅰ＝0.4，Ⅱ＝1.1。
焊丝填充率为25％，直径为1.2mm。
实施例9：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.5％Si，0.8％Mn，19％Cr，0.1％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.6％Al2O3，3.4％SiO2，11％Ni，0.5％BaCO3，1.2％Mo粉，2.3％氟化物，0.3％Ti，且Ⅰ＝0.1，Ⅱ＝1.6。
焊丝填充率为23％，直径为1.2mm。
实施例10：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.5％Si，1.6％Mn，0.1％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.2％Al2O3，3.4％SiO2，19％Cr，11％Ni，2.2％Mo粉，1.1％BaCO3，2.3％氟化物，0.5％Ti，且Ⅰ＝0.1，Ⅱ＝1.5。
焊丝填充率为22％，直径为1.2mm。
对比例1：
外皮成分同实施例1；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：3.5％Al2O3，5％SiO2，1.4％BaCO3，2.5％氟化物，且Ⅰ＝2.1，Ⅱ＝1.1。
焊丝填充率为21％，直径为1.2mm。
对比例2：
外皮成分同实施例1；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.5％Al2O3，3.5％SiO2，1.4％BaCO3，4.5％氟化物，且Ⅰ＝0.1，Ⅱ＝1.2。
焊丝填充率为21％，直径为1.2mm。
对比例3：
外皮成分同实施例4；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.5％Al2O3，4％SiO2，3.0％BaCO3，1.5％氟化物，且Ⅰ＝-1.5，Ⅱ＝0.9。
焊丝填充率为26％，直径为1.2mm。
对比例4：
外皮成分同实施例4；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.8％Al2O3，3％SiO2，1.6％BaCO3，1.8％氟化物，且Ⅰ＝0.2，Ⅱ＝0.8。
焊丝填充率为24％，直径为1.2mm。
对比例5：
药芯焊丝外皮成分(占焊丝重量百分比)为：0.01％C，0.5％Si，1.6％Mn，0.3％N；内部芯料成分(占焊丝重量百分比)为：1.2％Al2O3，3.4％SiO2，19％Cr，11％Ni，1.5％BaCO3，2.2％Mo粉，2.3％氟化物，0.5％Ti，且Ⅰ＝-0.3，Ⅱ＝1.3。
焊丝填充率为22％，直径为1.2mm。
对上述实施例和对比例进行焊接试验，具体参数如下：
实施例1-3，对比例1-2为水平对接焊。母材为20mm后钢板，采用V型坡口，角度为60°。保护气体为CO2。焊接电流为360A。
实施例4-6，对比例3-4为立向上焊接，母材为20mm后钢板；采用V型坡口，角度为45°；保护气体为CO2。焊接电流为340A。
实施例7-8，对比例5为仰焊，角焊缝，V型40°坡口，保护气体为CO2。焊接电流为320A。
实施例9-10为水平对接焊，母材为20mm后钢板，采用V型坡口，角度为55°，保护气体为CO2，焊接电流为240A。
焊接试验后，首先对脱渣性、焊道表面成型性能、气孔/裂纹等进行检验；然后再对焊接接头进行金相和组织分析、分析微裂纹和微气孔；最后进行拉伸试验、冲击试验以检测强度、低温韧性等指标，结果见表1。
通过以上实施例可知，本发明药芯焊丝用于焊接含N不锈钢，具备脱渣性能好、焊道成型好、无气孔裂纹；能够适应大电流100％的CO2焊接，且飞溅少；同时焊接熔敷金属具备高强度、优良低温冲击韧性。
该技术克服了现有技术不能兼顾脱渣性、气孔裂纹缺陷、大电流焊接、高强度、低温韧性的技术难题，给含N高耐蚀不锈钢的工业应用提供了低成本、高效率、强度和低温韧性优良的定性的解决方法。
表1：试验焊丝工艺性能和力学性能
(备注：“O”表示合格，“X”表示不合格)

Claims (2)

1.一种高强度高耐蚀奥氏体不锈钢用药芯焊丝，由药粉和外层不锈钢带组成，其特征在于，所述的外皮或药粉中各组分占焊丝总重量的百分比为：C≤0.025％，Si:0.1-0.5％，Mn:0.5-1.9％，Cr:18-20％，Ni:9.5-12％，Mo:0.5-3.0％，Ti:0.1-0.5％；N:0.05-0.2％，Al2O3:0.2-2.5％，SiO2:2-5％，BaCO3:0.2-2％，氟化物:0.1-2.5％，且需满足：Ⅰ≥0；1≤Ⅱ≤2，药粉占焊丝总重量的16-30％，其中：
Ⅰ＝[Al2O3]-[BaCO3]，Ⅱ＝[SiO2]/{[Al2O3]+[BaCO3]}。
2.如权利要求1所述的药芯焊丝，其特征还在于：可适应320-360A的大电流焊接。
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