CN108406159B

CN108406159B - 一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝

Info

Publication number: CN108406159B
Application number: CN201810050042.4A
Authority: CN
Inventors: 王亚彬
Original assignee: Luoyang Shuangrui Speical Alloy Material Co ltd
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: CN108406159A

Abstract

一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉中各组分以及各组分占药芯粉的重量百分比为：金红石30‑40%、氧化铝1‑2%、脱水长石2‑4%、石英1‑3%、锆英砂1‑3%、稀土氧化物1‑2%、硅粉1‑2%、硼铁0.2‑0.4%、镍粉6‑8%、金属锰8‑15%、镁粉4‑9%，余量为铁粉和不可避免的杂质。本发明采用钛碱性渣系，通过优化合金元素比例，调节矿物粉含量，在CO₂气体保护下，能够实现平、横、立位置焊接；力学性能稳定，‑40℃冲击功达到100J，抗裂性好，扩散氢低，抗吸潮性强，具有良好的耐海水腐蚀性及良好的抗裂性能。

Description

一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝。

背景技术

随着船舶和海洋工程的发展，今后工程结构建造将会向着自动化、高效化方向转移，这对自动化高效焊接方法的需求更加迫切。现有的焊材中，药芯焊丝能够实现连续自动焊接，推进了焊接技术的自动化、高效化发展，且药芯焊丝成分易调，目前，船厂已普遍采用CO₂气保护药芯焊丝来焊接船舶结构，使用率达到80%以上。在桥梁、压力容器、汽车、铁路运输、管道、海洋工程、电站建设、采矿、石化、建筑机械、重型机械及高层建筑等行业，药芯焊丝也得到广泛应用。

相较于无缝药芯焊丝，传统的有缝药芯焊丝因其生产工艺的不同，导致在运输及储存过程中药粉易吸潮，后期施焊过程中，焊缝金属中扩散氢含量增加，裂纹倾向增加；同时，吸潮后的药芯焊丝在施焊时，气孔敏感性增加，最终会导致焊接质量和焊接接头的力学性能下降。

现有的酸性渣系药芯焊丝，具备良好的焊接工艺性，但由于其焊缝含氧量过高，不容易取得低温韧性良好的焊缝金属；碱性渣系焊丝的焊缝氧含量低，去氢、脱S、P能力强，具有优异的低温韧性，但焊接过程中存在飞溅大、电弧不稳、脱渣困难、立焊操作性不好，不能适用于全位置焊接。现有的焊丝难以满足同时具备优良的操作工艺性和稳定的低温韧性的特点。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，-40℃夏比冲击功达到100J，扩散氢<4ml/100g，具有良好的耐海水腐蚀性及良好的抗裂性能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉中各组分以及各组分占药芯粉的重量百分比为：金红石30-40%、氧化铝1-2%、脱水长石2-4%、石英1-3%、锆英砂1-3%、稀土氧化物1-2%、硅粉1-2%、硼铁0.2-0.4%、镍粉6-8%、金属锰8-15%、镁粉4-9%，余量为铁粉和不可避免的杂质。

其中，药芯粉占焊丝总重量的重量百分比为14-17%。

优选的，稀土氧化物采用氧化钇和/或氧化铈。

本发明中，药芯粉中，Ti含量与B含量的比值为5：1-20：1。

本发明中，低碳钢带的化学成分按重量百分比的含量为：C 0.035%、Si 0.02%、Mn0.22%、S 0.005%、P 0.01%，余量为Fe。

本发明选择TiO₂、MgO、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、Na₂O、K₂O为主要造渣成分的钛碱性渣系，以Mn-Si-Ni-Ti-B为合金系，药芯成分中加入Mn、Mg、Al、Ti元素作为强脱氧剂和固氮剂，加入稀土氧化物细化焊缝提高韧性。

本发明焊丝的熔敷金属金相组织以针状铁素体、先共析铁素体为主，还有少量的粒状贝氏体。本发明通过调整焊丝中药粉的成分，加入适量的镁粉，在熔池的反应过程中，镁粉的氧化产物氧化镁作为一种碱性氧化物更易与SiO₂结合，形成焊渣，减少熔敷金属中的SiO₂含量。SiO₂的减少，一方面，利于Si继续与焊缝金属中的氧反应，净化焊缝组织，提高韧性；另一方面焊缝中的Si含量影响焊缝组织中针状铁素体的比例，控制焊缝中Si含量在一个合适的水平，可以得到较多的针状铁素体。

本发明以镁粉为主要脱氧剂，提高碱度值，为钛碱性渣系。不同于酸性渣系的强氧化性导致的韧性下降，也不同于碱性渣系焊接工艺性较差。本发明调整配方至碱度接近1，使本发明不仅具有钛型渣系优良的工艺操作性，同时也具备碱性渣系稳定的力学性能。

本专利采用了稀土氧化物作为保证力学性能的一种方法。稀土氧化物在焊缝中起到球化夹杂物的作用。有利于优化焊缝组织，促进形成针状铁素体。

本发明侧重于为得到一种焊接工艺性及低温力学性能均优异的无缝药芯焊丝，从而做的药芯粉成分的调整。

有益效果：1、本发明含有适量的Ti与B，促使焊缝在凝固时形成针状铁素体；长石中的Na₂O和K₂O可以提高电弧稳定性，减少飞溅，SiO₂和Al₂O₃调节渣的熔点和粘度。

2、本发明含有适量的石英，石英为熔渣提供合适的粘度，有利于立焊成型，使焊渣覆盖良好。

3、锆英砂中的ZrO₂作为一种高熔点氧化物，可以提高焊渣熔点，在立焊时能够使焊渣迅速凝固，防止铁水下坠，获得成型良好的焊缝。

4、氧化铈和/或氧化钇稀土氧化物进入焊缝后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，并以弥散状态分布，可以抑制先共析铁素体，利于针状铁素体形核，使焊缝细化，从而提高韧性。

5、硅粉一方面与氧结合形成SiO₂，减少焊缝中氧含量，净化焊缝，改善低温韧性，另一方面，以金属元素形式固溶到焊缝中，增加强度。

6、B细化晶粒，降低晶界能，抑制先共析铁素体形核，促进针状铁素体形成，可提高低温冲击韧性；Ti/B在5-20之间时，B在和C、Si、Mn、Ti同时加入时能够显著提高低温冲击韧性。

7、本发明的焊丝采用新型的钛碱性渣系，通过优化合金元素比例，调节矿物粉含量，在CO₂气体保护下，能够实现平、横、立位置焊接，从而具备全位置焊接，操作性良好，电弧稳定，焊接飞溅小，焊缝成型美观，力学性能稳定，-40℃冲击功达到100J，抗裂性好，扩散氢低，抗吸潮性强，具有良好的耐海水腐蚀性及良好的抗裂性能，该焊丝不仅适用于海洋工程及船舶工程，还可以应用于桥梁及钢结构。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉占焊丝总重量的重量百分比为14-17%。

其中，药芯粉中各组分以及各组分占药芯粉的重量百分比为：金红石30-40%、氧化铝1-2%、脱水长石2-4%、石英1-3%、锆英砂1-3%、稀土氧化物1-2%、硅粉1-2%、硼铁0.2-0.4%、镍粉6-8%、金属锰8-15%、镁粉4-9%，余量为铁粉和不可避免的杂质。优选的，稀土氧化物采用氧化钇和/或氧化铈。

其中，药芯粉中，Ti含量与B含量的比值为5：1-20：1。

本发明采用钛碱性渣系，金红石作为主要的稳弧剂、造渣剂，具有热脱渣性好，电弧稳定，熔池平整，焊缝成型美观，熔渣覆盖好等优点；同时，适量的Ti与B促使焊缝在凝固时形成针状铁素体。为保证全位置焊接良好的工艺性，金红石含量不能太低；但金红石含量过高焊缝含氧量高，不利于焊接金属良好的低温韧性。因此，金红石占药芯粉总重量的百分比为30-40%。

氧化铝属于造渣剂，用于调节渣的熔点和粘度，改善焊缝成型。氧化铝作为一种中性氧化物，在铁水中不容易上浮，所以其含量过高时，容易在焊缝中形成夹渣使焊缝金属变脆。因此，氧化铝占药芯粉总重量的百分比为1-2%。

长石属于稳弧剂和造渣剂，长石中的Na₂O和K₂O可以提高电弧稳定性，减少飞溅，SiO₂和Al₂O₃调节渣的熔点和粘度，但含量过高会恶化工艺性，因此，配方中脱水长石占药芯粉总重量的百分比为2-4%。

在酸性渣中加入石英，使Si-O阴离子的聚合程度增大，其尺寸也增大，因而粘度迅速升高。石英为熔渣提供合适的粘度，有利于立焊成型，适量的石英使焊渣覆盖良好。由于石英属于酸性氧化物，药粉中石英过多，不容易浮出，在焊缝中形成夹渣，使焊缝增氧，低温韧性变差。因此，配方中石英占药芯粉总重量的百分比为1-3%较为合适。

锆英砂的主要成分是ZrO₂和SiO₂，锆英砂首先具备石英的作用；另外，ZrO₂作为一种高熔点氧化物，可以提高焊渣熔点，在立焊时能够使焊渣迅速凝固，防止铁水下坠，获得成型良好的焊缝。锆英砂含量较多，引入焊缝较多酸性氧化物，不利于低温韧性。因此，配方中锆英砂占药芯粉总重量的百分比为1-3%较为合适。

本发明采用的氧化铈和/或氧化钇稀土氧化物。实验证明，稀土氧化物进入焊缝后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，并以弥散状态分布，可以抑制先共析铁素体，利于针状铁素体形核，使焊缝细化，从而提高韧性。因此，稀土氧化物占药芯粉总重量的百分比为1-2%。

硅粉是主要的脱氧剂和合金过渡成分，一方面与氧结合形成SiO₂，减少焊缝中氧含量，净化焊缝，改善低温韧性；另一方面，以金属元素形式固溶到焊缝中，增加强度。此外，与现有常用的低碳锰铁相比，硅粉中碳含量低，硅粉含量过低，引起脱氧不足，含量过高焊缝金属强度过高，都会导致低温冲击韧性下降。硅粉占药芯粉总重量的最佳百分比含量为1-2%。

硼铁中的B细化晶粒，降低晶界能，抑制先共析铁素体形核，促进针状铁素体形成，可提高低温冲击韧性，在和C、Si、Mn、Ti同时加入时能够显著提高低温冲击韧性。当Ti/B在5-20之间时，提高冲击韧性的作用比较显著。此外，焊缝金属中硼含量过多容易引起热裂纹。因此，硼铁占药芯粉总重量的百分比为0.2-0.4%。

镍粉对提高低温冲击韧性有利，但Ni含量过高会增大热裂敏感性。因此，镍粉占药芯总重量的百分比为6-8%。

金属锰是一种脱氧剂，同时也起到固溶强化作用。在焊接过程中，一部分锰与氧结合，以氧化物的形式进入焊缝，提高渣的碱度，一部分锰以合金元素形式固溶在焊缝金属中，增加强度。此外锰可以减少焊缝热裂纹的产生。锰占药芯粉总重量的最佳百分比含量为：8-15%。

镁粉是强脱氧剂，提高低温冲击韧性，Mg和氧反应生成的氧化物主要进入到熔渣中，其含量太低造成脱氧不足，含量太高会造成焊缝塑韧性降低。镁粉占药芯粉总重量的百分比为4-9%较为合适。

实施例1

一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉占焊丝总重量的重量百分比为15%，焊丝直径为Ф1.2mm。

药芯粉的成分为：金红石：33%，氧化铝：1.5%，脱水长石：3.5%，石英：2%，锆英砂：2.5%，稀土氧化物：1.2%，硅粉：14%，硼铁：0.2%，镍粉：6.5%，金属锰：10%，镁粉：7%，余量为铁粉和不可避免的杂质。

实施例2

一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉占焊丝总重量的重量百分比为15%，焊丝直径为Ф1.0mm。

药芯粉的成分为：金红石：39%，氧化铝：1.5%，脱水长石：3%，石英：1.5%，锆英砂：2%，稀土氧化物：1%，硅粉：15%，硼铁：0.2%，镍粉：6.5%，金属锰：8%，镁粉：8%，余量为铁粉和不可避免的杂质。

实施例3

药芯粉的成分为：金红石：35%，氧化铝：1%，脱水长石：2.5%，石英：2.5%，锆英砂：2.5%，稀土氧化物：1%，硅粉：16%，硼铁：0.2%，镍粉：6.5%，金属锰：12%，镁粉：6%，余量为铁粉和不可避免的杂质。

本发明全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝的制造方法如下：外皮选用SPHC钢带，成分及性能见表1、表2所示；焊丝熔敷金属化学成分和力学性能见表3和表4；熔敷金属扩散氢含量见表5。

表1 本发明实施例的金属粉芯型无缝药芯焊丝选用钢带的化学成分

表2 对SPHC钢带性能要求

表3 焊丝熔敷金属化学成分

表4 焊丝熔敷金属力学性能

表5 熔敷金属扩散氢含量（气相色谱法）

本发明熔敷金属具有超低扩散氢，可以有效降低焊缝金属处裂纹的发生概率，，耐气孔性能较高。

以上实施例是为了说明本发明的技术方案，其目的是在于使本领域技术人员能够了解本发明的内容并予以实施，但并不以此限制本发明的保护范围。凡是依据本发明的实质内容所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，其特征在于：焊丝由外围的低碳钢带和内部的药芯粉组成，其中，药芯粉中各组分以及各组分占药芯粉的重量百分比为：金红石30-40%、氧化铝1-2%、脱水长石2-4%、石英1-3%、锆英砂1-3%、稀土氧化物1-2%、硅粉1-2%、硼铁0.2-0.4%、镍粉6-8%、金属锰8-15%、镁粉4-9%，余量为铁粉和不可避免的杂质；药芯粉中，Ti含量与B含量的比值为5：1-20：1。

2.根据权利要求1所述的一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，其特征在于：所述的药芯粉占焊丝总重量的重量百分比为14-17%。

3.根据权利要求1所述的一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，其特征在于：所述的稀土氧化物采用氧化钇和/或氧化铈。

4.根据权利要求1所述的一种适用于全位置焊接的高韧性钛碱型无缝药芯焊丝，其特征在于：低碳钢带的化学成分按重量百分比的含量为：C 0.035%、Si 0.02%、Mn 0.22%、S0.005%、P 0.01%，余量为Fe。