CN109128573A - 一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，包括药芯焊丝外皮及其内药粉，其中，所述药芯焊丝外皮采用低碳钢冷轧钢带，其成分质量百分比为：C＜0.06％，Si<0.3％，Mn<0.8％，P<0.02％，S<0.01％，余量为Fe和不可避免杂质；所述药粉的成分质量百分比为：钛白粉或金红石中的一种或两种：1～5％，石英砂：2～6％，长石：3～8％，磁铁矿：1～5％，氧化锂、氧化钠或氧化钾中的一种或几种：2～5％，低碳锰铁：10～15％，铝粉：3～8％，钛铁：3～8％，镍粉：2～6％，稀土硅：2～6％，镁粉：1～3％，其余为还原铁粉；且，药粉占药芯焊丝总质量的15～20％。本发明焊丝能用于厚钢板100kJ/cm～300kJ/cm大热输入气电立焊接。

Description

一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯 焊丝

技术领域

本发明涉及气体保护药芯焊丝，特别涉及一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝。

背景技术

目前，随着现代制造业对各种大型钢结构需求的发展，钢结构焊接质量与效率愈发引起高度重视。为了提高钢结构制造现场施工焊接效率，降低施工成本，大热输入气电立焊技术得到了越来越多的应用。气电立焊是在熔化极气体保护焊接的基础上发展起来的一种特殊的立向上焊接技术，一般采用CO₂气体保护，采用水冷铜滑块或滑板对熔池内的熔融金属进行强制成型，同时防止熔化金属向下流淌。应用气电立焊接技术，可以根据钢材壁厚以及钢结构的不同需求，设计不同的坡口型式和尺寸，并应用不同的焊接热输入单道就可以完成焊接，比一般的多层多道焊接效率提高数倍，焊接施工成本也相应的大幅降低。

厚钢板大热输入气电立焊接有利于提高现场施工焊接效率并降低生产成本，在大型结构制造中具有诸多优势。然而，气电立焊带来的高焊接热输入延长了焊缝金属与焊接热影响区高温停留时间，降低了焊后冷却速度。焊接接头过热以及由于焊后冷却速度降低引起的高温固态相变恶化了焊接接头组织与性能。通过控轧控冷技术的应用，降低了钢材焊接热影响区性能对焊接热输入的敏感程度，但焊缝金属存在以下问题：

第一、高温停留时间延长使有益合金元素烧损的程度升高，焊缝合金化作用减弱；

第二、高温停留时间延长增加了原始柱状晶粒长大倾向，这种不可逆过程在后续冷却过程中是不能得到有效细化的，晶粒粗化容易引起焊接接头的各种脆化；

第三、冷却速度降低后，容易发生高温固态相变，并生成晶粒粗大的的先共析块状铁素体或魏氏组织。这些因素都将恶化接头性能，特别是塑性和韧性。

鉴于此，针对特厚钢板高效大热输入气电立焊接，为了保证焊缝金属综合力学性能特别是冲击韧性，需要开发合适的焊接材料。气体保护药芯焊丝在气电立焊过程中具有相对较好的工艺稳定性，其本身也具有灵活的可调配性，通过外皮钢带成分体系、造渣剂、造气剂、稳弧剂、脱氧剂、合金剂等多维度设计与调节，能够满足各种焊接场合的需求，已经成为大热输入气电立焊接首选的焊接材料。

当前大热输入气电立焊药芯焊丝如中国专利申请号201110418387.9、201010596115.3、201010602466.0等公开了几种适于大热输入气电立焊接施工的气体保护药芯焊丝，基本上采用了添加碱土氟化物和金红石造渣，轻金属离子具有稳弧作用，脱氧剂应用了金属粉(Al、Mg、Ti等)，同时添加适量的Ni、Mo等合金剂保证最终的接头性能；然而，其药粉成分体系存在以下问题：

1)添加的碱土金属氟化物(CaF2)和氧化物(CaO)导致药芯焊丝熔渣碱度升高，从而使熔池铺展性能降低，焊缝外观成型难以得到保证；

2)采用了传统的外加合金元素进行焊缝金属合金化的思路，一方面在大热输入焊接过程中阻碍奥氏体晶粒长大，另一方面形成能够促进晶粒内部非均质形核的核心，达到细化晶粒的目的；

3)将碳、氧等非金属元素完全作为有害元素，并将其含量控制到最低。

中国专利申请号200710182309.7、200810148998.4、201580038994.9等的专利公开了几种低熔渣含量大热输入气电立焊药芯焊丝，日本人的设计理念是降低药芯焊丝熔渣含量，提高熔敷效率，并通过药粉内部合金种类与成分设计保证焊接工艺性能和接头力学性能，主要是进行Cr、Mo与Ni元素的合理配比，同时满足不同热输入范围的大热输入气电立焊接施工。由于药芯焊丝合金含量较高，焊缝金属冷裂纹敏感指数P_cm值可以达到0.22，高Cr、Mo含量增加了焊缝金属淬硬倾向，合金元素的各种析出物阻碍位错运动也造成了焊接接头延伸率的下降。中国专利申请号CN201611163806.8等的专利综合了酸性渣系焊接工艺性能良好以及低氢型渣系的优点，具有良好的工艺性能与接头力学性能，但适用的焊接热输入范围受限。中国专利申请号CN201510350945.0的专利公开了一种用于大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，其采用了Ti、B与稀土联合作用强韧化机制，同时采用较高碳含量配置，当焊接热输入过高时，具有产生焊缝脆化的风险。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，能够用于厚钢板100kJ/cm～300kJ/cm大热输入气电立焊接，通过特定成分体系冷轧薄钢带外皮以及药粉成分设计与配比，特别是在药粉中添加一定种类与数量的造渣剂与合金剂，基于晶粒细化机制，在熔滴与熔池反应阶段以及后续固态相变过程中达到抑制晶粒长大的目的，从而保证焊丝焊接工艺性能以及接头综合力学性能，从而满足各种大型钢结构行业对大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，包括药芯焊丝外皮及其内药粉，其中，

所述药芯焊丝外皮采用低碳钢冷轧钢带，其成分质量百分比为：C＜0.06％，Si&lt;0.3％，Mn&lt;0.8％，P&lt;0.02％，S&lt;0.01％，余量为Fe和不可避免杂质；

所述药粉的成分质量百分比为：

钛白粉或金红石中的一种或两种：1～5％，

石英砂：2～6％，

长石：3～8％，

磁铁矿：1～5％，

氧化锂、氧化钠或氧化钾中的一种或几种：2～5％，

低碳锰铁：10～15％，

铝粉：3～8％，

钛铁：3～8％，

镍粉：2～6％，

稀土硅：2～6％，

镁粉：1～3％，

其余为还原铁粉；且，药粉占药芯焊丝总质量的15～20％。

优选的，所述药芯焊丝外皮的厚度为0.4～0.7mm，宽度为8～12mm。

优选的，所述低碳锰铁中含Mn量≥95％，铝粉含Al≥99％，镍粉含Ni&gt;99％，稀土硅含Re+Si为60～80％，镁粉含Mg≥99％，还原铁粉含Fe&gt;99％。

应用本发明所述的基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝在100％CO₂气体保护条件下进行焊接后的焊缝熔敷金属，其成分质量百分比为：

C：0.02～0.06％，

Si：0.1～0.4％，

Mn：0.8～1.6％，

P：P&lt;0.02％，

S&lt;0.01％，

Ni：0.2～0.8％，

Ti：0.02～0.06％，

Al：0.04～0.10％，

Mg：0.02～0.06％，

Cu：&lt;0.2％，

B：&lt;0.001％，

余量为Fe和不可避免杂质。

本发明所述焊缝熔敷金属的屈服强度超过460MPa，抗拉强度超过550MPa，延伸率超过20％。-20℃条件下冲击功最低值大于40J，平均值大于45J。

在本发明药芯焊丝药粉成分设计中：

本发明采用碳含量较低的冷轧薄钢带，并避免其他途径碳元素的进入，同时通过磁铁矿增加熔池中的氧化势，辅以铝脱氧固氮的作用，在焊接熔池中创造低碳高氧环境。低碳锰铁起到适当脱氧并调节氧化气氛的作用，辅以高活性物质镁粉的加入，大大增加了熔池活性，促进了对后续细化晶粒有利的氧化还原反应的进行。在较高氧化势条件下，钛粉置换磁铁矿中的氧离子形成高熔点硬质Ti₂O₃颗粒，铝粉的脱氧固氮作用有助于形成TiN、Al₂O₃等，Ti₂O₃、TiN、Al₂O₃等高熔点硬质相不仅能够阻止高温时原始柱状晶区奥氏体晶粒长大，并使之成为晶内形核质点，促进针状或细颗粒状铁素体的形成，细化二次相变晶粒，通过晶粒细化机制提高焊接接头韧性。适量的稀土元素可以改善高熔点间隙相的形态和分布，更有利于其发挥阻止奥氏体晶粒长大，促进形核细化晶粒的作用，同时能够去除有害非金属杂质，起到净化焊缝金属的作用。镍粉的作用在于扩大奥氏体区，最大限度的避免高温固态相变的产生，对细化晶粒非常有利。

钛白粉或金红石以二氧化钛为主要组成，能够降低熔渣表面张力，细化焊接熔滴，在一定工艺条件下容易实现细熔滴过渡，并有利于焊后脱渣。钛离子在焊接过程中同时具有稳定电弧、降低飞溅的作用。但二氧化钛本身熔点偏高，如果其含量过高，在高热输入焊接时容易出现钢带优先熔化，药粉端头滞后的现象，不利于熔滴与熔池保护，并恶化焊缝成形质量。

石英砂和长石均以二氧化硅为主要组成，与二氧化钛类似，有利于熔渣上浮与焊后脱渣，保证焊缝成型，避免从下往上焊接过程中焊道底部夹渣。另外，长石中含有K₂O和Na₂O将引入大量的K、Na离子，能够有效稳定电弧。长石中含有的Al₂O₃熔点很高，能够成为焊缝冷却过程中铁素体组织形核质点，具有细化晶粒的作用。

磁铁矿主要成分为Fe₃O₄，通过熔滴过渡到焊接熔池后增加了熔池的氧化势，特别是在Al、Mn脱氧后与Ti发生置换反应形成高熔点Ti₂O₃，成为焊缝冷却过程中柱状晶内形核质点，细化晶粒。如果加入过多，则影响焊缝最终的脱氧效果，反而会恶化焊缝性能。

氧化锂、氧化钠或氧化钾均为有效的稳弧剂，在高电流、高电压的大热输入气电立焊过程中，能够最大程度的保证焊接过程的稳定性。

低碳锰铁首先作为重要的脱氧剂，保证熔池氧化势的均衡，并控制焊缝金属整体氧含量。其次，锰以固溶的方式存在于焊缝金属中，固溶强化作用能够保证焊缝金属即使在非常高的热输入条件下也具有足够的强度。但是，如果低碳锰铁加入量过高，会导致焊缝强度明显升高，塑韧性显著降低。同时，锰充分脱氧后，无法形成能够促进非均质形核的Ti₂O₃，对细化晶粒以及最终的焊缝韧性不利。

铝粉在高温下具有很高的活性，其形成的高熔点Al₂O₃与Ti₂O₃类似，具有促进非均质形核细化晶粒的作用。同时，铝在熔池中与氧结合，调整熔池反应中的氧化势，促进了高熔点TiN和Ti₂O₃的生成，并同时起到细化晶粒的作用。如果铝含量过高，在后续固态相变过程中无限扩大铁素体区，促使发生高温相变，并产生粗大的块状铁素体组织，使焊缝脆化。

钛铁主要作用体现在钛在一定氧化势的熔池反应过程中，能够和铝共同起作用，生成细小弥散分布的TiN和Ti₂O₃作为焊缝金属柱状晶区二次组织形核质点，起到细化晶粒的作用，进而提高焊缝金属综合力学性能。如果Ti含量过高，则会在一定条件下与Fe形成复杂金属间化合物，恶化焊缝金属冲击韧性。如果同时具有较高的碳含量，则较低熔点的TiC的生成对细化晶粒也不利。

Ni作为扩大奥氏体区元素，能够避免由大热输入焊接造成的焊缝冷却速度慢以及可能由此引起的高温固态相变，并可能生成对焊缝塑韧性不利的块状先共析铁素体。如果Ni含量过高，不仅会降低焊缝强度，还会引起晶间偏析并与焊缝内杂质元素形成低熔点共晶物，促使焊缝产生裂纹。

稀土硅在熔池反应中产生的稀土氧化物可以吸附焊缝中S、P、O、N、H等有害杂质元素，净化焊缝，同时能够改善焊缝中各种高熔点析出物(如：TiN、Ti₂O₃、Al₂O₃)的形状与分布，促使其作为形核质点细化焊缝柱状晶区二次组织晶粒，提高了焊缝金属冲击韧性。稀土元素在一定条件下具有的晶界吸附和偏聚作用还可以阻碍高温奥氏体晶粒长大，同样起到细化晶粒的作用。

镁粉为强化学活性物质，在熔池反应中剧烈燃烧放热，增强了熔池化学活性，促进各种熔池反应向有利于细化晶粒的方向发展，同时能够克服金红石中TiO₂熔点过高可能导致的钢带与药粉熔化不同步以及由此造成的焊接质量下降的问题。但是，镁粉加入量过多不仅具有安全隐患，同时能够破坏熔池的稳定性造成剧烈飞溅，不利于焊接质量的保证。

总之，不同药粉成分在大热输入气电立焊接过程中对焊缝金属的晶粒细化机制如下：

本发明采用碳含量较低的焊丝钢带，并避免其他途径碳元素的渗入，通过加入适量磁铁矿增加熔池氧化势，加之铝粉脱氧固氮、低碳锰铁适当调整氧化气氛的作用，同时利用适量镁粉提高熔池活性增加其氧化还原反应能力。TiO₂-SiO₂渣系中的各种氧化物同时也起到了调节熔池中氧化气氛的作用，轻金属离子联合作用能够稳定焊接电弧。在低碳高氧环境下，钛粉置换磁铁矿中的氧离子形成高熔点硬质Ti₂O₃颗粒，加之铝粉的脱氧固氮作用有助于形成TiN、Al₂O₃等，这些高熔点硬质间隙相不仅能够阻止高温时原始柱状晶区奥氏体晶粒长大，并使之成为晶内形核质点，促进针状或细颗粒状铁素体的形成，细化二次相变晶粒，通过晶粒细化机制提高焊接接头韧性。适量的稀土元素可以改善高熔点间隙相的形态和分布，从而更有利于发挥其形核质点的作用，同时能够去除有害非金属杂质，能够净化焊缝金属成分。镍粉的作用在于扩大奥氏体区，最大限度的避免高温固态相变的产生，对细化晶粒非常有利。本发明的最大特点在于：创造低碳高氧的熔池环境，通过熔池内部系列氧化还原反应，形成能够促进后续焊缝金属固态相变非均质形核的高熔点氧化物和氮化物硬质间隙相，达到细化晶粒的目的。本发明没有如大多数类似发明一样进行充分脱氧，将氧原子完全作为有害物质去除。

药粉占药芯焊丝总质量的15～20％。如果药粉总含量过高，造渣量过多，熔渣来不及上浮会造成焊缝底部夹渣，同时降低了焊接熔敷效率。如果药粉总含量过低，则不能发挥药芯焊丝焊机工艺性能良好的优势。

本发明涉及的药芯焊丝没有采用常见的碱土金属氧化物和氟化物为主的碱性渣系，而是以二氧化钛和二氧化硅等酸性氧化物为主，有利于保证在大热输入气电立焊接过程中良好的焊接工艺性能，使焊缝成形美观。同时，由于本发明从源头上避免了氢元素对焊缝性能的不利影响，金属氟化物的去氢作用也就没有必要。然而：所有药粉配料需要进行严格的烘干和保温，并避免选用含有结晶水的矿物质，避免氢对焊缝金属的有害作用。

本发明焊丝熔敷金属的屈服强度为450～560MPa，抗拉强度为560～670MPa，延伸率为20～30％。采用不同的坡口形式与焊接热输入，力学性能指标有所变化。综合来看，该药芯焊丝适用于690MPa以下强度级别大厚度结构钢板的大热输入气电立焊接，最高焊接热输入可以达到300kJ/cm。

本发明的优点在于：

1、通过在焊接熔池中创造低碳高氧环境，通过Ti与Al的共同作用生成TiN、Ti₂O₃、Al₂O₃等能够促进焊缝柱状晶区二次相变组织非均质形核的高熔点间隙相，辅以其阻碍高温奥氏体晶粒长大的作用，促使中低温相变产生以及较细小针状和颗粒状铁素体形核，最终达到细化晶粒和改善焊缝综合性能的目的；

2、本发明没有如大多数类似发明一样进行充分脱氧，将氧原子完全作为有害物质去除，即充分发挥了高熔点氧化物促进非均质形核细化晶粒的作用，有降低了脱氧的成本；

3、采用低碳设计思路，避免了熔池中同时形成低熔点TiC及其对细化晶粒产生的不利影响；

4、适量的稀土元素净化焊缝的同时，能够阻碍高温奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的效果。镁粉在熔池中燃烧增加了熔池活性，有利于相关化学反应的进行；

5、在保证焊缝金属低氢的前提下，采用以二氧化钛和二氧化硅为主的酸性渣系替代以碱土氟化物为主的碱性渣系，优化了该药芯焊丝的工艺性能，有利于焊缝成型质量的提高。

本发明的有益效果：

本发明适合690MPa及以下钢级结构钢厚板大热输入气电立焊接CO₂气体保护药芯焊丝，特别适用于要求低成本、高效率的单道一次成型焊接场合，如造船、海洋工程、储罐、桥梁以及大型钢结构等，最大焊接热输入可以达到300kJ/cm。焊缝金属具有较好的综合力学性能指标特别是低温冲击韧性。焊缝金属屈服强度超过460MPa，抗拉强度超过550MPa，延伸率超过20％。-20℃条件下冲击功最低值大于40J，平均值大于45J。

本发明通过选用低碳薄钢带外皮以及药粉的优化设计，通过熔池反应中主动生成的TiN、Ti₂O₃、Al₂O₃等高熔点间隙相抑制高热输入焊接条件下奥氏体晶粒长大，特别是作为焊缝柱状晶区二次相变组织形核质点，具有显著的细化晶粒作用，从而能够保证焊缝金属综合力学性能。本发明酸性渣系设计改善了药芯焊丝焊接工艺性能，有利于保证焊缝成型质量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明药芯焊丝钢带化学成分参见表1。表2为本发明药芯焊丝药粉的成分，其成分中余量为还原铁粉。

表3所示为5种不同成分设计的药芯焊丝实施例熔覆金属化学成分。

本发明实施例选用35mm壁厚的EH40级造船用钢进行热输入约为230kJ/cm的气电立焊接试验。焊接电流为390～430A，焊接电压为40～42V，焊接速度为4.2～4.6mm/min。焊接采用没有钝边的V型坡口，坡口角度为30°±2°，组对间隙为5～8mm，相应的正面开口宽度为23～26mm。焊接过程中背面使用陶瓷衬垫辅助成型，陶瓷衬垫凹槽宽度为12mm。焊丝干伸长度为35～45mm。使用100％CO₂进行气体保护，气体流量为35～45L/min。焊前需要对焊接坡口及其两侧30mm范围内进行打磨清理，去除表面可见的油污、锈蚀等，避免焊接缺陷的产生。焊前不需要进行与热处理。

表4所示为5种不同成分设计的药芯焊丝实施例焊接接头性能。在上述大热输入气电立焊接条件下，5种不同实施例所示的不同成分体系药芯焊丝得到的焊缝性能均较好，但实施例3焊缝综合力学性能更加稳定。

表1

C

Si

Mn

P

S

杂质(As，Sb，Sn等)

Fe

0.02～0.06

0.05～0.25

0.5～0.8

<0.02

<0.01

<0.005

余量

表2 单位wt％

表3 单位wt％

表4

综上所述，本发明大热输入气电立焊接药芯焊丝采用一定成分体系冷轧薄钢带作为药芯焊丝外皮，并进行特定的药粉成分配比，特别是在药粉中添加一定种类与数量的造渣剂与合金剂，基于晶粒细化机制，在熔滴与熔池反应阶段以及后续固态相变过程中达到抑制晶粒长大的目的，从而保证经过大热输入气电立焊接的焊缝金属具有良好的焊接工艺性能和接头综合力学性能。本发明药芯焊丝可用于各个工业领域690MPa及以下级别结构用碳钢和低合金钢板材、100kJ/cm～300kJ/cm大热输入气电立焊接。

Claims (5)

1.一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，包括药芯焊丝外皮及其内药粉，其中，

所述药芯焊丝外皮采用低碳钢冷轧钢带，其成分质量百分比为：C＜0.06％，Si&lt;0.3％，Mn&lt;0.8％，P&lt;0.02％，S&lt;0.01％，余量为Fe和不可避免杂质；

所述药粉的成分质量百分比为：

钛白粉或金红石中的一种或两种：1～5％，

石英砂：2～6％，

长石：3～8％，

磁铁矿：1～5％，

氧化锂、氧化钠或氧化钾中的一种或几种：2～5％，

低碳锰铁：10～15％，

铝粉：3～8％，

钛铁：3～8％，

镍粉：2～6％，

稀土硅：2～6％，

镁粉：1～3％，

其余为还原铁粉；且，药粉占药芯焊丝总质量的15～20％。

2.如权利要求1所述的基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，其特征是，所述药芯焊丝外皮的厚度为0.4～0.7mm，宽度为8～12mm。

3.如权利要求1所述的基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，其特征是，所述低碳锰铁中含Mn量≥95％，铝粉含Al≥99％，镍粉含Ni&gt;99％，稀土硅含Re+Si为60～80％，镁粉含Mg≥99％，还原铁粉含Fe&gt;99％。

4.应用如权利要求1或2或3所述的基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝在100％CO₂气体保护条件下进行焊接后的焊缝熔敷金属，其成分质量百分比为：

C：0.02～0.06％，

Si：0.1～0.4％，

Mn：0.8～1.6％，

P：P&lt;0.02％，

S&lt;0.01％，

Ni：0.2～0.8％，

Ti：0.02～0.06％，

Al：0.04～0.10％，

Mg：0.02～0.06％，

Cu：&lt;0.2％，

B：&lt;0.001％，

余量为Fe和不可避免杂质。

5.如权利要求4所述的焊缝熔敷金属，其特征是，所述焊缝熔敷金属的屈服强度超过460MPa，抗拉强度超过550MPa，延伸率超过20％。-20℃条件下冲击功最低值大于40J，平均值大于45J。