CN108620766A - 一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于不锈钢焊接材料技术领域，具体涉及一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝及其制备方法。该药芯焊丝采用钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数：铬粉：25～35%、镍粉：15～25%、钼粉：1～3%、锰粉：0.2～0.8%、钛粉：0.5～3%、多元合金：10～15%、稀土元素RE:0.1～0.3%、稳弧剂：0.5～4.0%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。本发明的焊丝的焊接工艺性能及力学性能优异，其具有较高的对接接头抗拉强度，满足高强度、高韧性的焊接要求；焊丝的制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢焊接材料技术领域，具体涉及一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展，不锈钢行业也得到较快的发展。不锈钢消费量的强劲增长，必将带动焊接市场的快速增长 ：一方面，钢材的品质进步促使不锈钢焊接材料的更新换代 ；另一方面，不锈钢焊接高效（自动化）进程明显提速，促使焊接材料的品种结构调整步伐加快。
与传统的手工焊条、镀铜实芯焊丝、埋弧焊剂相比，采用不锈钢药芯焊丝进行焊接具有明显的优势，其一，焊接过程更加连续，而且可以实现自动焊接，从而减少了焊接接头，极大的提高了生产效率，是手工电弧焊的 3-4 倍，焊接质量好，节约了能源，降低了综合成本 ；其二，不锈钢药芯焊丝不存在发热和发红现象，且飞溅极小，焊缝光亮呈银白色，焊后一般不需要酸洗、打磨和抛光 ；其三，药芯焊丝中的药粉都经过高温烘焙，水分极少，焊接之前不需要烘干，气孔敏感性较低。所以不锈钢药芯焊丝广泛应用于造船、石化、压力容器、钢结构和工程机械等行业。
CN201310061489.9 提出了一种高强度水下湿法焊接用不锈钢焊条，包括药皮和焊芯两部分，其特征在于焊芯为 304L 不锈钢，药皮由金红石、长石、白云石、羧甲基纤维素、锰粉、硅铁及镍粉组成，各组成成份的重量百分比为 ：金红石 42-52％，长石 20-30％，白云石5-10％，羧甲基纤维素 5-10％，锰粉 5-9％，硅铁 1-4％以及镍粉 0-5％。但是该焊条对接接头抗拉强度偏低。
因此，随着经济的快速、稳定、持续发展，市场对不锈钢材料的需求快速增长，对不锈钢药芯焊丝的需求量也越来越大，研制、开发一种与不锈钢配套的新型药芯焊丝，使其满足高强度高韧性的情况下，还具有焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观的特点，是十分重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，该焊丝的焊接工艺性能及力学性能优异，其具有较高的对接接头抗拉强度，满足高强度、高韧性的焊接要求。
本发明的另一目的是提供一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。
为了实现上述目的，本法采用如下技术方案：
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：25～35%、镍粉：15～25%、钼粉：1～3%、锰粉：0.2～0.8%、钛粉：0.5～3 %、多元合金：10～15%、稀土元素RE: 0.1～0.3%、稳弧剂：0.5～4.0%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
进一步，上述所述的钢带为9%Ni钢。
进一步，上述所述钢带壳体的厚度为0.4～0.8 mm，宽度为8～12 mm。
进一步，上述所述的药芯填充率为 30～35%。
进一步，上述所述多元合金中铌的含量为5-10%、镁的含量为40-45%、铝的含量35-45、钨的含量为5-15％。
进一步，上述所述的稀土元素RE为Y、Ce、Tb、Nd、La中的一种或几种
进一步，上述所述的稳弧剂由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比8-4:2-1:1组成，且该稳弧剂含水量≤400ppm。
进一步，一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：25～35%、镍粉：15～25%、钼粉：1～3%、锰粉：0.2～0.8%、钛粉：0.5～3 %、多元合金：10～15%、稀土元素RE: 0.1～0.3%、稳弧剂：0.5～4.0%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中150～180℃下干燥3-5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
进一步，上述所述的焊芯直径为0.9-1.2mm。
本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，铬粉能够改善抗点蚀能力，保证了焊缝金属的耐腐蚀性和焊接的强度，且能更有效的与镍粉、钼粉、锰粉、钛粉产生协同效果，药芯中铬粉的加入量如果过高，则容易引起脆性变化，造成冲击韧性降低 ；如果铬粉的加入量如果过低，焊接强度方面也达不到要求。
（2）本发明的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，多元合金粉可参与钢的合金化过程，起固溶强化作用，提高焊接接头的强度和韧性，与组分中的Cr和Ni具有较好的协同作用，在合金组织中，是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。
（3）本发明的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，稀土元素RE中的Y、Ce、Tb、Nd、La不但细化接头的组织，起晶界强化作用，而且加入稀土元素RE起到脱氧、脱硫作用，减少并细化钢中夹杂物，提高钢的韧塑性，抑制晶界偏析等；溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布，在焊接过程中，电弧稳定和熔渣剥离优异，能够得到优异的焊道构造。
（4）本发明的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，铬粉、镍粉、钼粉、锰粉、钛粉颗粒度较为均匀，焊丝药芯比重得到很大提高，药芯的填充率能够很好的控制，同时，药粉的流动性较好，生产出来的焊丝药粉均匀，性能稳定；组合的稳弧剂使得焊丝焊接时熔池流动性好，飞溅颗粒细小，焊后熔渣覆盖均匀，脱渣容易，焊缝成型细致美观。
（5）本发明的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，工艺简单，生产成本低，合金系统设计合理，效率高，适于工业化生产。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用厚度为0.6 mm，宽度为10 mm的9%Ni钢钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：30%、镍粉：20%、钼粉：2%、锰粉：0.5%、钛粉：2 %、多元合金：10%、稀土元素Y:0.2%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比8:2:1组成的稳弧剂：2%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：30%、镍粉：20%、钼粉：2%、锰粉：0.5%、钛粉：2 %、多元合金：10%、稀土元素Y: 0.2%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比8:2:1组成的稳弧剂：2%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中150℃下干燥5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，药芯粉末的填充率为35%，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.2mm的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
实施例2
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用厚度为0.4 mm，宽度为8 mm的9%Ni钢钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：25%、镍粉：15%、钼粉：1%、锰粉：0.2%、钛粉：0.5 %、多元合金：12%、稀土元素Ce:0.%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比6:2:1组成的稳弧剂：0.5%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：铬粉：25%、镍粉：15%、钼粉：1%、锰粉：0.2%、钛粉：0.5%、多元合金：12%、稀土元素Y: 0.%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比6:2:1组成的稳弧剂：0.5%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中160℃下干燥4h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，药芯粉末的填充率为 34%，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.1mm的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
实施例3
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用厚度为0.8 mm，宽度为12 mm的9%Ni钢钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉： 35%、镍粉： 25%、钼粉： 3%、锰粉： 0.8%、钛粉： 3 %、多元合金： 15%、稀土元素Tb: 0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比4:2-1:1组成的稳弧剂：1%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉： 35%、镍粉： 25%、钼粉： 3%、锰粉： 0.8%、钛粉： 3 %、多元合金： 15%、稀土元素Tb: 0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比4:2-1:1组成的稳弧剂：1%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中170℃下干燥5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，药芯粉末的填充率为 32%，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.0mm的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
实施例4
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用厚度为0.5 mm，宽度为10 mm的9%Ni钢钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：28%、镍粉：18%、钼粉：2%、锰粉：0.5%、钛粉：1.5 %、多元合金：12%、稀土元素Nd:0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比5:1:1组成的稳弧剂：3%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：28%、镍粉：18%、钼粉：2%、锰粉：0.5%、钛粉：1.5 %、多元合金：12%、稀土元素Nd: 0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比5:1:1组成的稳弧剂：3%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中180℃下干燥3h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，药芯粉末的填充率为 31%，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为0.9mm的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
实施例5
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，采用厚度为0.7 mm，宽度为8 mm的9%Ni钢钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：32%、镍粉：22%、钼粉：1%、锰粉： 0.8%、钛粉：2.5 %、多元合金： 15%、稀土元素La:0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比5:2:1组成的稳弧剂：3.5%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：32%、镍粉：22%、钼粉：1%、锰粉： 0.8%、钛粉：2.5 %、多元合金： 15%、稀土元素La: 0.3%、由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比5:2:1组成的稳弧剂：3.5%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中165℃下干燥4h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，药芯粉末的填充率为 30%，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.0 mm的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
对比例1与实施例1比较，铬粉：36%，其他同实施例1。
对比例2与实施例1比较，铬粉：24%，其他同实施例1。
对比例3与实施例1比较，无多元合金，其他同实施例1。
对比例4与实施例1比较，无稀土元素，其他同实施例1。
对比例5与实施例1比较，无稳弧剂，其他同实施例1。
性能测试
使用实施例1-5和对比例1-5获得的焊丝，进行焊接操作，具体来说，保护气体使用80%氩气-20%二氧化碳，以焊接电流（150-180A）、电弧电压（28-30V）进行焊接，评价焊接操作性。
焊接金属的抗拉强度和韧性依据AWS B4.0的试验来评价；
各项性能指标汇总如表1
表1
| 序号 | 晶间腐蚀倾向 | 电弧稳定性 | 抗拉强度（MPa） | 吸收能（J） | 焊缝脱渣率（%） | 焊接飞溅率（%） |
| 实施例1 | 小 | 好 | 890 | 65 | 100 | 1.25 |
| 实施例2 | 小 | 好 | 875 | 63 | 100 | 1.32 |
| 实施例3 | 小 | 好 | 865 | 62 | 100 | 1.35 |
| 实施例4 | 小 | 好 | 880 | 64 | 100 | 1.30 |
| 实施例5 | 小 | 好 | 870 | 62 | 100 | 1.28 |
| 对比例1 | 小 | 好 | 810 | 50 | 100 | 2.25 |
| 对比例2 | 大 | 好 | 710 | 55 | 100 | 2.55 |
| 对比例3 | 小 | 好 | 690 | 53 | 90 | 3.25 |
| 对比例4 | 小 | 好 | 705 | 54 | 76 | 3.45 |
| 对比例5 | 小 | 差 | 745 | 56 | 70 | 8.25 |
通过表1各项指标测试得到：本发明实施例 1-5所制的本发明药芯焊丝，其晶间腐蚀倾向小，抗拉强度和韧性高，电弧稳定性好，脱渣率高，焊接飞溅率低，其性能显著优于对比例1-5。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1. 一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：采用钢带作为包芯壳体，内部填充药芯，所述的药芯包括以下成份的重量百分数 ：
铬粉：25～35%、镍粉：15～25%、钼粉：1～3%、锰粉：0.2～0.8%、钛粉：0.5～3 %、多元合金：10～15%、稀土元素RE: 0.1～0.3%、稳弧剂：0.5～4.0%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述的钢带为9%Ni钢。
3. 如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述钢带壳体的厚度为0.4～0.8 mm，宽度为8～12 mm。
4. 如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述的药芯填充率为 30～ 35%。
5.如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述多元合金中铌的含量为5-10%、镁的含量为40-45%、铝的含量35-45、钨的含量为5-15％。
6.如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述的稀土元素RE为Y、Ce、Tb、Nd、La中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述的稳弧剂由K4O4Ti、Na2O和Na3AlF6按质量比8-4:2-1:1组成，且该稳弧剂含水量≤400ppm。
8.一种如权利要求1-7所述的高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
（1）按质量百分比分别称取铬粉：25～35%、镍粉：15～25%、钼粉：1～3%、锰粉：0.2～0.8%、钛粉：0.5～3 %、多元合金：10～15%、稀土元素RE: 0.1～0.3%、稳弧剂：0.5～4.0%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
（2）将步骤（1）的各组份混合均匀，置于烘干炉中150～180℃下干燥3-5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
（3）通过药芯焊丝制丝机把步骤（2）得到的药芯粉末包裹在U型9%Ni钢钢带内，并采用成型机将9%Ni钢钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
（4）焊丝半成品经步骤（3）拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝。
9.如权利要求8所述的一种高强度高韧性不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述的焊芯直径为0.9-1.2mm。
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