CN109128585A - 一种基于组织均匀化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种基于组织均匀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药粉，其中，药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带；药粉占药芯焊丝总质量的15～25％，其成分质量百分比为：钛白粉或金红石中的一种或两种：1～3％，长石：2～6％，水玻璃：1～4％，氧化锂：1～4％，低碳锰铁：4～10％，硅铁：4～8％，铝粉：1～5％，钼铁：2～5％，镍粉：2～6％，稀土硅：4～8％，硼粉：0.05～0.1％，其余为还原铁粉。本发明可应用于中厚钢板100kJ/cm以上大热输入气电立焊接，满足690MPa及以下钢级结构钢中厚板大热输入气电立焊接，最大焊接热输入可以达到300kJ/cm。

Description

一种基于组织均匀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，特别涉及一种基于组织均匀化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，可应用于100kJ/cm以上大热输入气电立焊接。

背景技术

气电立焊是基于熔化极气体保护焊接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与焊接坡口形成空腔，熔融焊接金属填充空腔后冷却成型。随着当前大型制造业对各种钢结构需求的不断发展，对钢结构焊接质量与效率的要求也越来越高。对于常用钢结构的中厚钢板，通过适当的焊接坡口设计以及焊接工艺参数优化，利用气电立焊可以实现单道焊接一次成型，大大提高了现场施工焊接效率，降低了施工成本。

虽然大热输入气电立焊接在工业应用中具有诸多优势，但其固有的高焊接热输入特点为焊接接头性能带来了很多不利影响。高焊接热输入对焊接热影响区的不利影响可以通过钢材制造过程中成分设计以及控轧控冷轧制技术降到最低，但对焊缝金属的不利影响仍然存在，主要表现在以下几个方面：

第一、大热输入焊接导致的高温停留时间延长使有益合金元素大量烧损，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，有必要开发适合于中厚钢板高效大热输入气电立焊接的焊接材料，从熔池冶金反应以及控制后续焊缝金属固态相变的角度出发，改善焊缝金属综合力学性能特别是低温冲击韧性。气体保护药芯焊丝在大热输入气电立焊接中得到了比较广泛的应用。

当前针对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的气体保护药芯焊丝，大多采用了添加碱土金属氟化物和氧化物辅以适量的金红石造渣，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。如：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与低温冲击韧性的下降，在要求高韧性的场合具有一定的技术风险。

中国专利申请号CN201611163806.8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，侧重于各种合金成分的综合作用控制焊缝柱状晶粒的长大。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于组织均匀化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，该药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能，得到的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490MPa，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；可应用于中厚钢板100kJ/cm以上大热输入气电立焊接，满足690MPa及以下钢级结构钢中厚板大热输入气电立焊接，适用于各个工业领域要求低成本、高效率的单道一次成型焊接场合，最大焊接热输入可以达到300kJ/cm。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明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，基于焊缝金属组织均匀化机制，不刻意控制焊缝金属柱状晶粒的长大，设计较高碳含量的焊缝金属，通过添加在焊后高温固态相变过程中能够提高晶界活性、促进碳原子扩散迁移的化学成分，充分利用碳原子在特定条件下的有益作用，促进焊缝内部形成细小均匀的M-A组元，实现柱状晶内部组织均匀化的目的。这样，经过大热输入气电立焊接，即使柱状晶粒本身尺寸较大，由于其内部组织均匀细小，也能够保证焊缝金属具有良好的综合力学性能。

具体的，本发明的一种基于组织均匀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药粉，其中，

所述药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带，其化学成分质量百分比为：C：0.08～0.16％、Si<0.1％、Mn<0.5％、P<0.01％、S<0.01％、其余为Fe和不可避免杂质；

所述药粉占药芯焊丝总质量的15～25％，其成分质量百分比为：

钛白粉或金红石中的一种或两种：1～3％，

长石：2～6％，

水玻璃：1～4％，

氧化锂：1～4％，

低碳锰铁：4～10％，

硅铁：4～8％，

铝粉：1～5％，

钼铁：2～5％，

镍粉：2～6％，

稀土硅：4～8％，

硼粉：0.05～0.1％，

其余为还原铁粉。

优选的，所述药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带的厚度为0.4～0.7mm，宽度为8～12mm。

优选的，所述稀土硅中含Re+Si质量比为60～80％。

优选的，所述低碳锰铁中含Mn量≥95％；硅铁中含Si≥70％；铝粉中含Al≥99％；钼铁中含Mo≥50％；镍粉中含Ni≥99％，还原铁粉中含Fe≥99％，以质量百分比计。

进一步，应用本发明所述的药芯焊丝在100％CO₂气体保护条件下进行焊接后焊缝熔敷金属，其化学成分质量百分比为：

C：0.08～0.12％，

Si：0.2～0.4％，

Mn：0.4～0.7％，

P<0.01％，

S<0.01％，

Ni：0.1～0.6％，

Mo：0.07～0.2％，

Al：0.03～0.08％，

Cu<0.2％，

B<0.001％，

余量为Fe和不可避免杂质元素。

又，所述焊丝熔敷金属屈服强度为480～570MPa，抗拉强度为560～680MPa，延伸率为20～30％，-20℃条件下冲击功最低值大于40J，平均值大于45J。

在上述的熔覆金属化学成分范围内，可以充分发挥碳原子向晶界方向偏聚的作用，并在柱状晶粒内部形成细小且均匀分布在铁素体基体的M-A组元，从而实现即使在较高热输入条件进行焊接，也能够保证焊缝金属综合力学性能。

在本发明药芯焊丝药粉设计中：

本发明药芯焊丝采用偏酸性TiO₂-SiO₂渣系，实现造渣稳弧并自带Al₂O₃形核质点。同时，创造了低氧、高碳的熔池环境，采用较高碳含量钢带外皮，在充分脱氧的条件下，通过在药粉中添加能够提高焊接熔池以及固态相变中晶界活性的稀土、硼与锂离子的作用，提高碳原子在固态相变中的扩散迁移能力，从而使中低温固态相变时产生的M-A组元得到显著细化，并均匀分布在块状或针状铁素体基体上。这样，即使柱状晶粒尺寸较大，但其内部细小均匀的二次组织能够保证焊缝金属综合力学性能。

钛白粉或金红石主要成分是二氧化钛，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，提高焊后脱渣性。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药粉端部滞后于钢带熔化，降低了对熔滴与熔池保护效果。长石以二氧化硅为主要组成，并含有一定量的Al₂O₃以及K₂O和Na₂O，其作为主要造渣材料，不仅改善了熔渣特性，钾离子和钠离子则具有显著的稳定电弧作用。Al₂O₃熔点很高，能够成为焊缝冷却过程中作为二次组织的形核质点，具有细化晶粒的作用。水玻璃以SiO₂、K₂O和Na₂O为主，其具有一定粘性，增加了药芯焊丝的可制造性。SiO₂能够改善熔渣特性，提高药芯焊丝焊接工艺性能。钾离子和钠离子的引入则大大提高了气电立焊大热输入焊接过程中的电弧稳定性。钛白粉或金红石、长石、水玻璃作为主要的造渣与稳弧剂，在低氧、高碳熔池环境下联合作用，不仅改善了焊接过程中电弧的稳定性，同时改善了焊后脱渣性。

低碳锰铁和硅铁是药粉中重要的脱氧剂，对控制熔池反应时的氧化气氛具有重要作用。在CO₂气体保护焊接时，熔池中的氧化势较高，低碳锰铁和硅铁与铝粉联合脱氧作用显得重要。因为如果焊缝金属氧含量过高，不利于固态相变过程中碳原子的扩散。然而，如果低碳锰铁和硅铁加入量过多，焊缝金属中过量的锰会阻止碳原子扩散速度，不利于最终形成柱状晶内细小均匀的M-A组元。硅含量过高则会引起焊缝金属脆化。铝粉加入过多，不仅诱发焊缝金属高温相变生成粗大块状铁素体，其与铁形成金属间化合物会导致焊缝严重脆化。

Mo作为提高淬透性元素，有利于保证高热输入条件下焊缝强度性能。同时，Mo作为一种高温稳定性元素，在固态相变过程中能够阻止合金渗碳体的聚集长大，间接促进了碳原子的扩散行为，避免了固态相变后形成大块状聚集的M-A组元及其对焊缝金属低温冲击韧性造成的不利影响。如果Mo含量过高，则会由于发生高温固态相变并产生粗大铁素体而造成焊缝脆化。

Ni作为扩大奥氏体区元素，与C联合作用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粗大块状铁素体。同时，Ni也具有明显的晶界偏聚作用，能够辅助提高晶界活性，从而促进碳原子固态相变扩散迁移。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、硼粉以及氧化锂引入的稀土元素、硼原子、锂离子均具有强烈的晶界吸附与偏聚作用，在焊缝金属凝固后的固态相变中，显著提高了柱状晶界活性，促进了碳原子扩散迁移，从而有利于柱状晶内形成细小均匀的M-A组元分散分布在小块状或针状铁素体基体上。这样，即使单个柱状晶粒尺寸很大，但由于内部具有细小均匀的亚结构而对焊缝金属综合力学性能产生有利影响。焊缝金属中显著的脱氧效果更能促进这种作用。

总之，不同药粉成分在大热输入气电立焊接过程中组织均匀化机制如下：

首先通过采用较高碳含量的冷轧薄钢带焊丝外皮以及低碳锰铁和硅铁、铝粉的脱氧作用，创造了熔池中低氧高碳的环境，TiO₂-SiO₂渣系中的各种氧化物同时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。在这种条件下，晶界活性元素稀土、硼和锂离子能够不被氧化而起到明显的晶界吸附与偏聚作用，促进较高含量的碳原子向柱状晶界方向扩散迁移，最终能够促使柱状晶粒内部形成尺寸细小且均匀分布在铁素体基体上的M-A组元。在这种组织状态下，即使单个柱状晶粒尺寸很大，但由于内部具有细小均匀的亚结构而不会使焊缝金属脆化，对提高焊缝金属综合力学性非常有利。在此过程中，钼元素的高温稳定性阻止了含量较高的碳原子聚集形成硬脆的大块状渗碳体，保证了碳原子能够在固态相变中自由扩散迁移。镍元素不仅与碳共同作用扩大奥氏体区，抑制高温固态相变以及粗大块状铁素体的形成，其在较低氧化气氛中显示出一定的晶界偏聚作用同样促进了碳原子的扩散迁移。本发明通过创造低氧环境，在晶界活性元素的辅助下，充分利用了焊缝金属中含量相对较高的碳原子扩散迁移作用，达到了柱状晶内部亚结构组织均匀化的目的。

本发明涉及的药芯焊丝采用二氧化钛和二氧化硅为主的酸性渣系，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与最终焊缝成形质量。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。

本发明药芯焊丝应用场合：

本发明焊丝熔敷金属屈服强度为480～570MPa，抗拉强度为560～680MPa，延伸率为20～30％。采用不同的坡口设计形式与焊接工艺组合，力学性能指标会有所变化。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。

本发明涉及的大热输入气电立焊接气体保护药芯焊丝具有以下突出优点：

基于焊缝金属组织均匀化机制，本发明不刻意控制焊缝金属柱状晶粒的长大，通过添加能够提高晶界活性的物质促进后续固态相变中焊缝金属中含量较高的碳原子扩散迁移，形成焊缝金属柱状晶内部铁素体基体上分散分布细小均匀的M-A组元的二次组织。即使柱状晶粒尺寸较大，但其内部这种均匀组织能够保证焊缝金属综合力学性能。

药芯焊丝外皮采用较高碳含量设计，同时创造良好的脱氧环境，辅以晶界活性的提高，保证固态相变中碳原子的扩散。本发明充分利用了一般认为的有害元素碳在特定环境条件下在焊缝金属中扩散迁移作用，与以前类似技术属于完全不同的设计思路。

本发明利用镍钼联合微合金化作用，促进焊缝金属柱状晶内组织均匀化的同时，保证其综合力学性能。

本发明在保证焊缝金属低氢的前提下，采用酸性渣系有利于改善药芯焊丝的工艺性能，保证最终焊缝成型质量。

本发明的有益效果：

本发明提供一种适合690MPa及以下钢级结构钢中厚板大热输入气电立焊接CO₂气体保护药芯焊丝，适用于各个工业领域要求低成本、高效率的单道一次成型焊接场合，最大焊接热输入可以达到300kJ/cm。该药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能，得到的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490MPa，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。

本发明没有刻意控制焊缝金属柱状晶粒尺寸的长大，而是在低氧高碳环境下，通过增加晶界活性促进碳原子在固态相变过程中的扩散与迁移，从而在柱状晶内形成铁素体+细小分散分布的M-A组元的二次组织，在这种情况下，即使焊缝金属中存在粗大的柱状晶组织，但由于其内部均匀的亚结构同样能够保证焊缝金属综合力学性能特别是韧性指标。本发明采用的酸性渣系设计能够改善药芯焊丝工艺性能，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。

表1所示为本发明药芯焊丝钢带化学成分，其成分余量为还原铁粉。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敷金属化学成分。

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370～400A，焊接电压为39～42V，焊接速度为4.0～4.5mm/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30～40mm。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。不需要进行焊前预热与焊后热处理。

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5焊缝综合力学性能更加稳定。

表1药芯焊丝钢带化学成分

C

Si

Mn

P

S

杂质(As、Sb、Sn等)

Fe

0.12～0.15

0.05～0.10

0.2～0.4

<0.01

<0.01

<0.005

余量

表2 单位wt％

表3药芯焊丝实施例熔敷金属化学成分单位wt％

表4药芯焊丝实施例焊缝金属性能

综上所述，本发明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，并对药粉成分配比进行优化设计，特别是在药粉中添加一定种类与数量的造渣剂与合金剂，基于焊缝金属组织均匀化机制，在熔滴与熔池反应阶段以及后续固态相变过程中达到焊缝金属柱状晶内部组织均匀的目的。经过大热输入气电立焊接，即使柱状晶粒本身尺寸较大，由于其内部组织均匀细小，也能够保证焊缝金属具有良好的综合力学性能。本发明涉及的药芯焊丝主要用于各个工业领域690MPa及以下级别结构用碳钢和低合金钢板材的大热输入气电立焊接。

Claims (5)

1.一种基于组织均匀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药粉，其中，

所述药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带，其化学成分质量百分比为：C：0.08～0.16％、Si<0.1％、Mn<0.5％、P<0.01％、S<0.01％、其余为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：1～3％，

长石：2～6％，

水玻璃：1～4％，

氧化锂：1～4％，

低碳锰铁：4～10％，

硅铁：4～8％，

铝粉：1～5％，

钼铁：2～5％，

镍粉：2～6％，

稀土硅：4～8％，

硼粉：0.05～0.1％，

其余为还原铁粉；且，药粉占药芯焊丝总质量的15～25％。

2.如权利要求1所述的基于组织均匀化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，其特征是，所述药芯焊丝外皮采用冷轧薄钢带的厚度为0.4～0.7mm，宽度为8～12mm。

3.如权利要求1所述的基于组织均匀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％；硅铁中含Si≥70％；铝粉中含Al≥99％；钼铁中含Mo≥50％；镍粉中含Ni≥99％，稀土硅中含Re+Si质量比为60～80％，还原铁粉中Fe>99％，以质量百分比计。

4.应用如权利要求1或2或3所述的药芯焊丝在100％CO₂气体保护条件下进行焊接后焊缝熔敷金属，其化学成分质量百分比为：

C：0.08～0.12％，

Si：0.2～0.4％，

Mn：0.4～0.7％，

P<0.01％，

S<0.01％，

Ni：0.1～0.6％，

Mo：0.07～0.2％，

Al：0.03～0.08％，

Cu<0.2％，

B<0.001％，

余量为Fe和不可避免杂质元素。

5.如权利要求4所述的焊缝熔敷金属，其特征是，所述焊丝熔敷金属屈服强度为480～570MPa，抗拉强度为560～680MPa，延伸率为20～30％，-20℃条件下冲击功最低值大于40J，平均值大于45J。