CN107442966B - 一种适用于高强钢水下焊用自保护药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高强钢水下焊用自保护药芯焊丝，涉及焊接材料技术领域。本发明公开的自保护药芯焊丝的药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：造渣剂10.0～14.0％、造气剂5.0～8.0％、除氢剂8.0％、锰铁0.05～0.09％、硅铁0.1～0.2％、镍粉0.6～1.0％、铬铁4.0～8.0％、其余为铁粉；本发明提供的适用于高强钢水下焊用自保护药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能，并能很好控制焊缝金属扩散氢含量，在保证焊缝金属强度的基础上，获得韧性和综合性能较高的焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，特别涉及一种适用于海洋工程高强钢水下焊用自保护药芯焊丝。
背景技术
由于海上风力、潮湿以及海浪等自然力的因素，需要海洋结构件产品具有特殊的力学性能，如高强度和高韧性。屈服强度460MPa、550MPa、690MPa的高强度钢在海洋工程结构中广泛应用，我国各大钢企也已开发了相应级别的钢材，但配套的焊丝、焊条等焊材还不成熟，制约了国产钢材在海工产品中的应用。水下焊接由于水和压力的影响，存在着焊接气氛氢含量高、电弧不稳定，焊接冷却速度快，易产生气孔、裂纹等问题。因此水下焊接药芯焊丝配方除要解决焊缝强度、韧性和耐蚀性问题外，还要满足水下焊接工艺性的问题，如电弧稳定性、脱氢等。
此外，由于海洋服役环境恶劣，海洋工程结构受到海上飓风、波浪、腐蚀、撞击、地震等自然力的影响，可能受到损坏。因此，对于海洋工程用钢焊缝金属的强度、韧性要求很高，一般的焊接材料不适合水下焊接使用。因此，有必要针对水下油气系统所采用的海洋工程用钢，开发不同强度级别的水下药芯焊丝。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其能很好地解决普通高强钢药芯焊丝在水下建造和维修焊接过程中存在的工艺差，焊缝金属扩散氢含量高、韧性差的难题。
本发明的另一目的在于提供上述适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝在水下焊接中的应用。
本发明是这样实现的：
一种适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：
造渣剂10.0～14.0％、造气剂5.0～8.0％、除氢剂8.0％、锰铁0.05～0.09％、硅铁0.1～0.2％、镍粉0.6～1.0％、铬铁4.0～8.0％、其余为铁粉。
上述的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝在水下焊接中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：造渣剂10.0～14.0％、造气剂5.0～8.0％、除氢剂8.0％、锰铁0.05～0.09％、硅铁0.1～0.2％、镍粉0.6～1.0％、铬铁4.0～8.0％、其余为铁粉。该自保护药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能，其能很好控制焊缝金属扩散氢含量，在保证焊缝金属强度的基础上，获得韧性和综合性能较高的焊接接头。可适用于水下焊接，尤其适用于焊接屈服强度大于460Mpa的海洋工程高强钢。很好地解决了普通高强钢药芯焊丝在水下建造和维修焊接过程中存在的工艺差，焊缝金属扩散氢含量高、韧性差的难题。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的一种适用于高强钢水下焊用自保护药芯焊丝进行具体说明。
一方面，本发明提供了一种适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：
造渣剂10.0～14.0％、造气剂5.0～8.0％、除氢剂8.0％、锰铁0.05～0.09％、硅铁0.1～0.2％、镍粉0.6～1.0％、铬铁4.0～8.0％、其余为铁粉。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，造渣剂为钛酸锌。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，钛酸锌有ZnO:和TiO2按照1:1的质量比在管式气氛炉中1150-1250℃烧结1.8-2.2h制备而得。
与普通药芯焊丝相比，高强钢水下焊接时对脱渣性要求极高，特别是在多层多道焊时，若脱渣性不好，在水下施焊时无法及时去除熔渣，易在焊缝中形成夹渣的缺陷，导致焊缝金属力学性能下降。本发明中使用的钛酸锌是采用固相烧结法制备而得，其在电弧作用下与焊缝中的脱氧产物氧化铁、氧化锰等反应生成具有层状结构的ZnO-TiO2-Fe2O3-MnO2熔渣，在焊缝冷却后极易形成片状熔渣，简单处理即可从焊缝表面整体完全脱落。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，造气剂为碳酸镁钙。
基于水下焊接时，需要通过焊丝燃烧和水蒸发产生的气体将电弧周围的水排开，对焊缝金属进行保护，因此需要能瞬间产生大量的气体物质作为造气剂，本发明中使用的碳酸镁钙能在电弧作用下迅速分解产生大量二氧化碳气体对焊缝进行保护。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，除氢剂为氟化锂与氟化稀土的混合物。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，氟化锂与氟化稀土的质量比为2.8-3.2:1。
优选地，在本发明的一些实施方案中，氟化锂与氟化稀土的质量比为3:1。
以氟化锂与氟化稀土的混合物作为除氢剂，其在水下焊接过程中，在电弧作用下电离出Re3+、F-与焊缝金属中的游离氢反应，生成HF气体逸出。此外，电离出的Re，Li还可与氢形成配位氢化物，进一步降低焊缝金属中的扩散氢含量。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，药芯粉末填充于钢带中，药芯粉末的填充率为26.0～32.0％。
药粉中的锰铁、硅铁为联合脱氧、脱氮剂，镍粉可增强焊缝金属韧性，铬粉与Cr5钢带的Cr元素共同作用可显著提高焊缝金属耐蚀性。
需要说明的是：
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，造渣剂的质量百分比为10.0～14.0％，其可以是10％、11％、12％、13％、14％，也可以是10.5％、11.5％、12.2％、13.5％等，只要在造渣剂的质量百分比在10.0～14.0％的范围内即可。
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，造气剂的质量百分比为5.0～8.0％，其可以是5％、6％、7％、8％，也可以是5.5％、6.5％、7.5％等，只要造气剂的质量百分比在5.0-8.0％的范围内即可。
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，锰铁的质量百分比为0.05～0.09％，其可以是0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％，也可以是0.055％、0.065％、0.075％、0.085％等，只要锰铁的质量百分比在0.05～0.09％的范围内即可。
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，硅铁的质量百分比为0.1～0.2％，其可以是0.12％、0.14％、0.16％、0.18％、0.2％，也可以是0.11％、0.13％、0.15％、0.17％、0.19％等，只要硅铁的质量百分比在0.1～0.2％的范围内即可。
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，镍粉的质量百分比为0.6～1.0％，其可以是0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％，也可以是0.65％、0.75％、0.85％、0.95％等，只要镍粉的质量百分比在0.6～1.0％的范围内即可。
在本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的药芯中，铬铁的质量百分比为4.0～8.0％，其可以是4.0％、5.0％、6.0％、7.0％、8.0％，也可以是4.5％、5.5％、6.5％、7.5％等，只要铬铁的质量百分比在4.0～8.0％的范围内即可。
在实际的制备过程中，可以根据焊接母材的强度不同例如海洋工程高强钢强度的不同，各组分的用量可以调节，以制备适应该强度母材的自保护药芯焊丝。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的直径为1.2mm。
另一方面，本发明提供了上述适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝在水下焊接中的应用。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，焊接的母材为高强钢。
进一步地，在本发明的一些实施方案中，焊接的母材为屈服强度大于460Mpa的海洋工程高强钢。
综上，本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能，其能很好控制焊缝金属扩散氢含量，在保证焊缝金属强度的基础上，获得韧性和综合性能较高的焊接接头。可适用于水下焊接，尤其适用于焊接屈服强度大于460Mpa级别的海洋工程高强钢。很好地解决了普通高强钢药芯焊丝在水下建造和维修焊接过程中存在的工艺差，焊缝金属扩散氢含量高、韧性差的难题。
总之，本发明提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝具有以下有益效果：
(1)通过加入固相烧结制备的钛酸锌造渣剂，能在水下焊接过程中对焊缝进行保护，并形成极易脱落的片状熔渣，降低水下焊时熔渣去除的难度；
(2)碳酸镁钙造气剂的加入，能将电弧周围水迅速排开，进一步保护焊缝组织；
(3)氟化锂除氢剂的加入，能显著降低扩散氢含量，降低焊缝金属气孔与裂纹生成倾向。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1-3
根据水下焊接用海洋工程高强钢强度的不同，分别按照表1中的成分和用量制备实施例1-3提供的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝。
其中，钛酸锌造渣剂按照ZnO:TiO2＝1:1比例(质量比)在管式气氛炉中1200℃烧结2h制备而得。其他组分按照表1进行称量，混合均匀后按照不同填充率加至以Cr5钢带为外皮的焊丝中，钢带尺寸为0.8×16mm，封口成型，经过拉拔减径后制备得到直径为1.2mm的成品焊丝，得到实施例1-3提供的自保护药芯焊丝。
表1实施例1-3提供的自保护药芯焊丝的组分及质量百分含量(％)
表1中显示了实施例1提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：造渣剂钛酸锌10.0％、造气剂碳酸镁钙5.0％、除氢剂(由质量比为3:1的氟化锂和氟化稀土组成)8.0％、锰铁0.05％、硅铁0.1％、镍粉0.6％、铬铁4.0％、其余为铁粉；药粉填充率为26％，自保护药芯焊丝直径为1.2mm。
表1中显示了实施例2提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：造渣剂钛酸锌12.0％、造气剂碳酸镁钙6.0％、除氢剂(由质量比为3:1的氟化锂和氟化稀土组成)8.0％、锰铁0.08％、硅铁0.16％、镍粉0.8％、铬铁6.0％、其余为铁粉；药粉填充率为30％，自保护药芯焊丝直径为1.2mm。
表1中显示了实施例3提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其由钢带和药芯粉末组成，钢带为Cr5钢，药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：造渣剂钛酸锌14.0％、造气剂碳酸镁钙8.0％、除氢剂(由质量比为3:1的氟化锂和氟化稀土组成)8.0％、锰铁0.09％、硅铁0.20％、镍粉1.0％、铬铁8.0％、其余为铁粉；药粉填充率为32％，自保护药芯焊丝直径为1.2mm。
实验例
采用水下湿法焊接试验装置对实施例1-3提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝的性能测试。该装置主要包括压力舱、运动平台和电源三部分。试验时通过向高压舱内注水并通入高压气体来模拟一定水深处的压力环境。试板尺寸为300×150×20mm。
根据中国船级社的《材料与焊接规范》，加工Y形坡口，直接在水中点燃起弧，采用多层多道焊施焊方式。依次截取冲击试样、拉伸试样，熔敷金属拉伸试验按GB/T 2652-2008进行，V型缺口冲击试验按GB/T 2650-2008进行。
利用HD-X扩散氢测定仪采用气相色谱法按照GB/T3965-2012标准测定熔敷金属扩散氢的含量。焊接实验前，试样用的试板、引弧板、引出板经650℃高温保温一小时，然后随炉冷却。保温除氢后的试板经打磨后，称出试板质量m1。焊接完后，将试板与引弧板、引出板分离，在冷水中急速冷却，用丙酮清洗后吹干，放入取样桶。取样桶中通入氩气，排出空气。在焊接过程与冷却过程所需时间不超过一分钟。通过置换取样桶空气，排除空气干扰。
试样筒装好试样后放入恒温干燥箱，温度设定45℃，保温时间72小时。待熔敷金属中残余氢充分溢出后，连接扩散氢测定仪进行检测。试验中选用1号试样桶为校正组，三次校正后在仪器稳定后在进行测定。测定结束后，从试样桶中取出试样，称出试板适量m2。通过m1和m2，可计算出熔敷金属质量m。收集到扩散氢含量V与熔敷金属m的比值即可换算为熔敷金属扩散氢含量HD。表2是采用实施例1-3提供的自保护药芯焊丝焊接后的测试结果。
表2采用实施例1-3提供的自保护药芯焊丝焊接后的力学性能及扩散氢测试结果
综上，本发明实施例提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能，其能很好控制焊缝金属扩散氢含量，在保证焊缝金属强度的基础上，获得韧性和综合性能较高的焊接接头。可适用于水下焊接，尤其适用于焊接屈服强度大于460Mpa级别的海洋工程高强钢。很好地解决了普通高强钢药芯焊丝在水下建造和维修焊接过程中存在的工艺差，焊缝金属扩散氢含量高、韧性差的难题。
总之，本发明实施例提供的用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝具有以下有益效果：
(1)通过加入固相烧结制备的钛酸锌造渣剂，能在水下焊接过程中对焊缝进行保护，并形成极易脱落的片状熔渣，降低水下焊时熔渣去除的难度；
(2)碳酸镁钙造气剂的加入，能将电弧周围水迅速排开，进一步保护焊缝组织；
(3)氟化锂除氢剂的加入，能显著降低扩散氢含量，降低焊缝金属气孔与裂纹生成倾向。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其特征在于，其由钢带和药芯粉末组成，所述钢带为Cr5钢，所述药芯粉末按重量百分比由以下成分组成：
造渣剂10.0～14.0％、造气剂5.0～8.0％、除氢剂8.0％、锰铁0.05～0.09％、硅铁0.1～0.2％、镍粉0.6～1.0％、铬铁4.0～8.0％、其余为铁粉；
所述造渣剂是采用固相烧结法制备而得的钛酸锌；
所述造气剂为碳酸镁钙。
2.根据权利要求1所述的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其特征在于，所述除氢剂为氟化锂与氟化稀土的混合物。
3.根据权利要求2所述的适用于海洋工程高强钢水下焊接用自保护药芯焊丝，其特征在于，所述氟化锂与所述氟化稀土的质量比为2.8-3.2:1。
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