CN108672977A

CN108672977A - 一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝及其焊接方法

Info

Publication number: CN108672977A
Application number: CN201810823875.XA
Authority: CN
Inventors: 张亚平; 刘玉双; 宋昌宝; 韩海峰; 田海成
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2018-10-19
Anticipated expiration: 2038-07-25
Also published as: CN108672977B

Abstract

本发明提供了一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于碳钢外皮中的药芯，所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.8～1.2％，氟化钠2～3.2％，钛铁1～2％，硼铁0.2～0.5％，镁粉0.4～0.8％，75#雾化硅铁2～4％，硅锆合金0.3～0.7％，钼铁3～3.8％，镍粉25～30％，无水长石0.4～1.1％，氟化稀土0.2～0.6％，电解锰2.2～3.1％，余量为铁粉。该药芯焊丝采用Mn‑Mg‑Si‑Ti‑Zr联合脱氧的方式，减少焊缝中的氧含量，同时加入适量矿物质，改善焊缝成型及电弧稳定性，加入铁粉，提高其熔敷效率，添加稀土合金，降低焊缝金属中S含量并改变夹杂物形态，从而改善低温韧性，使得其堆熔金属力学性能稳定、抗裂性好，‑50℃低温韧性优良。

Description

一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝及其焊接方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

增材制造技术以电弧为热源，基于TIG、MIG、MAG、SAW等焊接技术发展而来，采用逐层堆熔的方式制造装备构件，具有全堆熔材料构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率高等特点。

从增材制造的发展来说，材料、设备、工艺是该技术的三大核心要素，在打印设备和工艺逐步成熟的同时，材料瓶颈已经成为限制增材制造技术发展的首要问题，原材料的限制是影响增材制造发展的研发壁垒。增材制造用堆熔材料的研制，对增材制造技术的发展以及产业链的建立和产业的升级起到促进作用。金属增材制造虽然发展了近30年，但生产过程中由于冷却速度太快，内应力大，晶粒组织难以控制，容易产生内部缺陷；裂纹一旦形成，高速扩展，并且出现的裂纹、残余应力都没有办法及时监测和有效避免。而通过传统的铸造技术生产的零件可以通过铸造工艺，控制零部件的质量，避免缺陷的产生。若要使增材制造技术生产的零部件与铸件具有相同的性能，那么增材制造使用的原材料，较普通的焊材在控制S、P的含量方面要求更为严格，且化学成分范围更为精准，以避免在增材制造过程中产生裂纹、成分偏析等不利于增材制造质量的缺陷。现有原材料在S、P含量控制及成分精准控制方面仍存在技术难度，而舰船行业往往对零件性能的要求很高，一定程度上制约了金属增材制造技术的兴起与发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备堆熔金属力学性能稳定、抗裂性好，-50℃低温韧性优良的特性，满足增材制造焊接材料要求的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝。

本发明的技术方案是提供了一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于碳钢外皮中的药芯，所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.8～1.2％，氟化钠2～3.2％，钛铁1～2％，硼铁0.2～0.5％，镁粉0.4～0.8％，75#雾化硅铁2～4％，硅锆合金0.3～0.7％，钼铁3～3.8％，镍粉25～30％，无水长石0.4～1.1％，氟化稀土0.2～0.6％，电解锰2.2～3.1％，余量为铁粉。

进一步的，所述药芯占药芯焊丝总质量的17～21％。

作为实施方式之一，所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石1.2％，氟化钠2％，钛铁1％，硼铁0.4％，镁粉0.7％，75#雾化硅铁3.3％，硅锆合金0.5％，钼铁3.5％，镍粉30％，无水长石0.4％，氟化稀土0.5％，电解锰3.1％，余量为铁粉。

作为实施方式之一，所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.8％，氟化钠3.2％，钛铁1.7％，硼铁0.5％，镁粉0.4％，75#雾化硅铁4％，硅锆合金0.3％，钼铁3.8％，镍粉26％，无水长石1.1％，氟化稀土0.2％，电解锰2.2％，余量为铁粉。

作为实施方式之一，所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.9％，氟化钠3％，钛铁2％，硼铁0.2％，镁粉0.8％，75#雾化硅铁2％，硅锆合金0.7％，钼铁3％，镍粉25％，无水长石0.8％，氟化稀土0.6％，电解锰2.9％，余量为铁粉。

进一步的，所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝的直径为1.0～1.2mm。

进一步的，所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用对接O型或搭接O型的方式封口。

另外，本发明还提供了上述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝的焊接方法，焊接时，所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用75～85％Ar+CO₂的气体保护。

本发明增材制造用金属粉芯型药芯焊丝中药芯成分的设计原则如下：

金红石可以使得在堆熔时稳定电弧，减少焊接飞溅，改善焊缝成型；当药芯中TiO₂量太少时，上述特征不明显；当药芯中TiO₂量过多时，不仅对力学性能产生不良影响，而且使堆熔时熔渣过多，因此，本发明中控制TiO₂占所述药芯总重量的0.8～1.2％。

氟化钠可以去氢，适量可以稳定电弧；本实施例中，加入量过大电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘，加入量过少去氢能力不足，容易出现气孔压坑，因此，控制氟化钠占所述药芯总重量的2～3.2％。

钛铁合金，作为主要脱氧剂加入，同时过渡Ti元素，细化晶粒；本实施例中，钛铁加入量过多，造成堆熔金属强度过高、韧性下降，加入量过少，脱氧不足，因此，控制钛铁占所述药芯总重量的1～2％。

硼铁，作为脱氧剂加入，同时过渡微量B元素，与Ti、Zr配合细化晶粒，提高冲击韧性；本实施例中，硼铁加入量过多，造成堆熔金属韧性下降，加入量过少，细化晶粒作用不明显，因此，控制硼铁占所述药芯总重量的0.2～0.5％。

镁粉是强脱氧剂，用于提高低温冲击韧性，加入量少于0.4％时提高低温冲击韧性能力不足，加入Mg量大于0.8％时，不利于焊缝成型，且会使渣量过多，因此，控制Mg占所述药芯总重量的0.4～0.8％。

75#雾化硅铁作为脱氧剂加入，同时过渡适量Si元素，加入量过多，堆熔金属强度大幅上升，塑、韧性下降，加入量过少，脱氧作用不明显，因此，控制75#雾化硅铁占所述药芯总重量的2～4％。

硅锆合金作为脱氧剂加入，加入量过多，形成多量ZrO₂酸性氧化物夹杂，塑、韧性下降，加入量过少，脱氧作用不明显，因此，控制硅锆合金占所述药芯总重量的0.3～0.7％。

钼铁主要作为合金剂加入，加入量过多，堆熔金属强度过高，加入量过少，强度提升作用不明显，因此，控制钼铁占所述药芯总重量的3～3.8％。

镍粉既可以提高强度，又对提高低温冲击韧性有利，但Ni含量过高则会增大热裂敏感性，而且会大幅提高药芯焊丝的成本；因此，本发明中控制Ni占所述药芯总重量的25％-30％。

无水长石在堆熔时稳定电弧，减少焊接飞溅，改善焊缝成型；当加入量太少时，上述特征不明显；当加入量过多时，不仅对力学性能产生不良影响，而且使堆熔时熔渣过多，因此，控制无水长石占所述药芯总重量的0.4～1.1％。

电解锰是主要脱氧剂，用于降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性；加入Mn量大于3.1％时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低；因此，控制Mn占所述药芯总重量的2.2～3.1％。

氟化稀土可以去氢，且稀土合金可以固定氮，与杂质硫的亲和力大，改变夹杂质的形状、数量和分布，减少夹杂质对韧性的有害作用。

铁粉能改善焊接电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用Mn-Mg-Si-Ti-Zr联合脱氧的方式，尽量减少焊缝中的氧含量，提高焊缝金属抗裂性能和低温韧性，同时加入适量矿物质，改善焊缝成型及电弧稳定性，使得其在不增加额外渣量的前提下，电弧稳定，焊缝成型良好，加入大量铁粉，提高其熔敷效率，添加稀土合金，降低焊缝金属中S含量并改变夹杂物形态，从而改善低温韧性，使得其堆熔金属力学性能稳定、抗裂性好，-50℃低温韧性优良。

(2)本发明提供的这种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用金属粉芯型，焊接时配合采用75％～85％Ar+CO₂气体保护，电弧稳定，熔化均匀，焊缝成型美观，可实现连续堆熔，无需清渣，提高了生产时的焊接效率。

(3)本发明提供的这种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝所使用的原材料均为高品位原料，S、P含量少，有利于提高药芯焊丝的性能。

具体实施方式

下面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。

实施例中增材制造用金属粉芯型药芯焊丝的碳钢外皮采用钢带，其化学成分见表1，药芯配方见表2，在碳钢外皮中填充药芯，填充率为17～21％，并采用对接O型或搭接O型的封口方式，经拉拔成型减径等常规药芯焊丝制造工艺步骤，制成直径为1.2mm的成品药芯焊丝。

表1碳钢外皮化学成分(质量百分比％)

C	Si	Mn	S	P
					0.071	0.11	0.42	0.007	0.009

表2药芯成分配比(质量百分比％)

将上述实施例1～3所得到的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝进行堆熔试验，采用75～85％Ar+CO₂气体保护焊接，堆熔金属中化学成分(质量分数％)测试结果如表3所示。

表3堆熔金属中化学成分(质量百分比％)

实施例	C	Si	Mn	S	P	Ni	Mo	Ti	B	Zr
											1	0.031	0.50	1.55	0.0044	0.0077	2.71	0.27	0.039	0.0028	0.009
2	0.033	0.50	1.53	0.0049	0.0075	2.77	0.28	0.051	0.0041	0.010
											3	0.034	0.48	1.51	0.0048	0.0071	2.69	0.28	0.058	0.0035	0.007

由表3可看出，上述实施例的药芯焊丝得到的堆熔金属各化学成分波动范围非常小，满足增材制造过程中堆熔成分精准要求。

将上述实施例1～3中得到的堆熔金属进行力学性能测试，其结果如表4所示。

表4药芯焊丝的堆熔金属力学性能

由表4可以看出，本实施例增材制造用金属粉芯型药芯得到的堆熔金属力学性能稳定、抗裂性好低温冲击韧性优良。

另外，对上述实施例1～3中得到的堆熔金属进行射线探伤试验，结果为Ⅰ级。

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

1.一种增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于碳钢外皮中的药芯，其特征在于：所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.8～1.2％，氟化钠2～3.2％，钛铁1～2％，硼铁0.2～0.5％，镁粉0.4～0.8％，75#雾化硅铁2～4％，硅锆合金0.3～0.7％，钼铁3～3.8％，镍粉25～30％，无水长石0.4～1.1％，氟化稀土0.2～0.6％，电解锰2.2～3.1％，余量为铁粉。

2.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述药芯占药芯焊丝总质量的17～21％。

3.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石1.2％，氟化钠2％，钛铁1％，硼铁0.4％，镁粉0.7％，75#雾化硅铁3.3％，硅锆合金0.5％，钼铁3.5％，镍粉30％，无水长石0.4％，氟化稀土0.5％，电解锰3.1％，余量为铁粉。

4.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.8％，氟化钠3.2％，钛铁1.7％，硼铁0.5％，镁粉0.4％，75#雾化硅铁4％，硅锆合金0.3％，钼铁3.8％，镍粉26％，无水长石1.1％，氟化稀土0.2％，电解锰2.2％，余量为铁粉。

5.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述药芯包含的成分以及各成分占药芯总质量的百分比为：金红石0.9％，氟化钠3％，钛铁2％，硼铁0.2％，镁粉0.8％，75#雾化硅铁2％，硅锆合金0.7％，钼铁3％，镍粉25％，无水长石0.8％，氟化稀土0.6％，电解锰2.9％，余量为铁粉。

6.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝的直径为1.0～1.2mm。

7.如权利要求1所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于：所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用对接O型或搭接O型的方式封口。

8.如权利要求1～7任一项所述的增材制造用金属粉芯型药芯焊丝的焊接方法，其特征在于：焊接时，所述增材制造用金属粉芯型药芯焊丝采用75～85％Ar+CO₂的气体保护。