CN109175777B - 一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝。药芯焊丝由低碳冷轧钢带包裹药芯粉制成，药芯粉占焊丝总质量的18%~35%。药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi‑45镍铬硼硅系自熔合金粉1.0%~2.0%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.2%~1.8%，FeTi80‑A钛铁3.0%~5.0%，REMgSiFe‑07CeC稀土镁硅铁2.5%~4.5%，AlSi50铝中间合金2.0%~3.0%，纳米Mo粉2.0%~3.5%，NaF 3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，更具体的是涉及一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝。
技术背景
药芯焊丝可以通过调整药粉的合金成分种类和比例，很方便地设计出各种不同用途的焊接材料，药芯焊丝要与母材相匹配，其化学成分、强度、韧性等对于焊接后的效果影响非常显著，它具有良好的工艺性能，焊接效率高。
造船、海洋工程、石油钻井平台、寒冷地区的生产设备、输油管道等各种钢结构件，为防止低温的脆性破坏，常使用屈服强度550MPa级低温钢来制造，焊接屈服强度550MPa级低温钢的药芯焊丝也必须与之匹配。当前，屈服强度550MPa级低温钢焊接技术难点在于焊接后的力学性能不易达到要求，尤其是低温冲击韧性很难满足使用要求。
中国专利CN104400250B公开了一种低温钢药芯焊丝，但其满足的是屈服强度460MPa级钢的要求，而且其成分中添加了氧化铝作为造渣剂，焊接过程中在电弧的热输入下，并不能使氧化铝全部熔化分解，也不会全部形成熔渣，部分氧化铝会作为硬质相夹杂存留在熔敷金属中，势必造成低温冲击韧性的下降。而且药芯中含有的15%~25%的低碳锰铁也容易造成Mn元素过量形成MnS夹杂，降低了低温冲击韧性。
中国专利CN103692110A公开了一种海洋工程用气保护药芯焊丝，其熔敷金属的屈服强度达到了375MPa，属于一般强度和较高强度级低温钢，无法满足用量更多的550MPa级低温钢的焊接要求。另外该专利在说明书摘要和说明书中对低温冲击吸收功的测试温度叙述不统一（说明书摘要中为－20℃，说明书中第0017段为－40℃），无法确定其低温冲击吸收能量值是否符合要求。
中国专利CN101450426B公开了一种低温钢药芯焊丝，具有优良的低温冲击韧性和优良的抗裂性。但其药芯配方中添加了5%~6%的中碳锰铁和14%~18%的硅锰合金，这样会造成最终溶入熔敷金属的Mn和C的含量过高，过量的Mn会形成MnS夹杂，过量的C也会形成碳化物夹杂，大大降低熔敷金属的冲击韧性。
中国专利CN104708227B公开了一种1Ni9低温钢用自保护药芯焊丝及其制备方法，其药芯中Mn的含量较高，加上外层钢带中的Mn，最后进入熔敷金属中的Mn元素含量过高，这样会产生大尺寸不均匀的MnS夹杂，大幅降低熔敷金属的低温冲击韧性，另外其制备工艺复杂，需要对药粉中各种成分按用量配好后用水玻璃粘结、烧结、碾碎、过筛，增大了制造难度。
在焊接材料熔敷金属强化过程中，可选择很多元素作为强化元素提高抗拉强度和屈服强度，但通常随着强度的增大，低温冲击韧性则会降低。若采用C作为主要强化元素，则其含量不宜过高，否则随着C含量的增大将显著提高焊缝低温开裂风险，而C含量过低则强度无法保证；若采用Si、Cr等强化，随着其含量升高，在熔敷金属中很容易形成粗大的铁素体组织，降低其低温冲击韧性；Nb、V作为微量强化元素，在熔敷金属中难以使其稳定均匀化，因而强化效果稳定性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝的熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能和熔敷金属耐腐蚀性能可以满足550MPa级低温钢的焊接要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量分数计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉1.0%~2.0%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.2%~1.8%，FeTi80-A钛铁3.0%~5.0%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁2.5%~4.5%，AlSi50铝中间合金2.0%~3.0%，纳米Mo 粉2.0%~3.5%，NaF 3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。
所述药芯质量占药芯焊丝总质量（即填充率）的18%~35%。
优选的，所述FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉为YS/T 527中产品；所述FeMn84C0.05微碳锰铁为YB/T 4140中产品；所述FeTi80-A钛铁为GB/T 3282中产品；所述REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁为GB/T 4138中产品；所述AlSi50铝中间合金为GB/T 27677中产品；所述纳米Mo粉的粒径为30~50nm，所述纳米Mo粉的纯度为≥99.5%；所述FHT100·25还原铁粉为YB/T 5138中产品；所述NaF的纯度为≥99.0%。
所述药芯粉80目通过率为100％。
所述焊丝直径为1.6~3.2mm。
所述外皮为宽度6~20mm、厚度0.25~1.6mm的低碳冷轧钢带，钢带的化学成分中的质量百分比为：C 0~0.003%，Mn 0.2%~0.35%，Si 0~0.028%，S 0~0.001%，P 0~0.001%，余量为Fe；钢带的抗拉强度为260~380MPa，伸长率不小于35％。
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，其制备步骤如下：
（1）选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制；
（2）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度160℃±5℃，干燥时间0.5~1h；
（3）筛粉：将干燥后的粉分别用80目筛网过筛，过筛后保存细粉；
（4）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入混粉机内，进行搅拌混合，搅拌转速25r/min，搅拌时间为1.5~2.5h，搅拌混合后成混合药粉；
（5）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳冷轧钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤（4）得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，将其拉拔至1.6~3.2mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。
本发明所述的550MPa级低温钢配套药芯焊丝中的各化学元素的设计原理为：
Ni：Ni来源于镍铬硼硅系自熔合金粉，Ni可以提高熔敷金属的强度和冲击韧性，尤其是提高熔敷金属的低温冲击韧性，并降低脆性转变温度，而且Ni有极好的耐大气腐蚀能力。
Cr：Cr来源于镍铬硼硅系自熔合金粉，Cr可提高熔敷金属的耐蚀性，另外还可以细化铁素体晶粒，增加金属二次组织的强韧性，但不能太高，否则会增大冷裂纹敏感性并降低韧性，本技术方案中熔敷金属中Cr的质量分数控制在0.15%~0.30%范围内。
B：B来源于镍铬硼硅系自熔合金粉，B可固溶于奥氏体晶界，强化晶界，抑制先共析铁素体的形核与长大，避免晶界形成晶界铁素体，降低熔敷金属的韧脆转变温度，可有效提高熔敷金属的低温冲击吸收能量值。
Si：Si来源于镍铬硼硅系自熔合金粉、稀土镁硅铁、铝中间合金，Si除了具有良好的脱氧作用外，Si还可以固溶在铁素体和奥氏体中，提高焊缝金属的强度，同时Si还可以增加焊缝金属的流动性，使焊丝在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能。
Mn：Mn来源于微碳锰铁，Mn是增加焊缝金属强韧性的有益元素，锰含量的增加不仅有利于防止焊缝金属出现热裂纹，还有利于焊缝金属的脱氧。
Ti：Ti来源于钛铁，Ti作为脱氧剂，可以与氧形成钛的氧化物，与碳形成碳化钛，可作为晶内二次焊缝组织的形核质点，细化晶粒，提高熔敷金属的综合力学性能。
Mg：Mg来源于稀土镁硅铁，Mg作为强脱氧剂，兼具脱硫和脱磷的作用。
RE：RE来源于稀土镁硅铁，RE可以细化晶粒，促使合金元素均匀分布，提高熔敷金属的塑性和冲击韧性，特别是提高低温冲击韧性。
Al：Al来源于铝中间合金，Al作为强脱氧剂，兼具脱硫和脱磷的作用，铝可减轻熔敷金属对缺口的敏感性，减少或消除熔敷金属的时效现象，特别是降低韧脆转变温度，提高熔敷金属的低温冲击吸收能量值。
Mo：Mo可以与C形成MoC和Mo2C，这两种颗粒均匀分布于组织中，结晶时作为外来核心，控制结晶过程中的晶粒长大和碳化物晶界的移动，从而细化组织，提高熔敷金属的强度和冲击韧性。纳米Mo表面原子数目增多，比表面积大，比表面能高，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，同时纳米Mo表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数远大于常规材料，这一点对提高熔敷金属的低温下的冲击吸收韧性有明显作用。
NaF：稳定电弧，保证焊接操作顺利进行，焊接过程中产生的氟离子与氢反应，可以降低熔敷金属的残余氢含量，进而提高其低温冲击吸收能量。
本发明的有益效果是：①本发明在药芯焊丝使用过程中采用CO2气体保护，CO2气体纯度大于99.5%，H2O小于0.2%。通过在550MPa级低温钢（AH550、DH550）上施焊表明：焊丝的焊接工艺性能优良，焊缝脱渣容易、成型美观，其熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能均满足550MPa级低温钢的焊接要求，上屈服强度大于550MPa，抗拉强度大于610MPa，伸长率大于20%，－60℃条件下的冲击吸收能量大于55J；②药芯配方简单，8种原料中有6种是国家标准或行业标准中的常用牌号，市场货源充足，便于大规模工业化生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
实施例1：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝，即本发明的550MPa级低温钢配套药芯焊丝。
所述药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉2.0%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.8%，FeTi80-A钛铁5.0%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁4.5%，AlSi50铝中间合金3.0%，纳米Mo粉3.5%，NaF 4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。
实施例2：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝，即本发明的550MPa级低温钢配套药芯焊丝。
所述药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉1.8%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.6%，FeTi80-A钛铁4.5%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁4.0%，AlSi50铝中间合金2.8%，纳米Mo粉3.0 %，NaF 4.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。
实施例3：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝，即本发明的550MPa级低温钢配套药芯焊丝。
所述药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉1.5%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.4%，FeTi80-A钛铁4.0%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁3.5%，AlSi50铝中间合金2.5%，纳米Mo粉3.0%，NaF 3.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。
实施例4：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝，即本发明的550MPa级低温钢配套药芯焊丝。
所述药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉1.0%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.2%，FeTi80-A钛铁3.0%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁2.5%，AlSi50铝中间合金2.0%，纳米Mo粉2.0%，NaF 3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例1：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝。
本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“纳米Mo粉”外，其他完全相同。
对比例2：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝。
本对比例与实施例1药芯成分及用量除无“FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉”外，其他完全相同。
对比例3：
一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先进行下述工序：选料→药粉处理→筛粉→配粉和混粉；然后选用宽度为18mm，厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的25％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф3.2mm的焊丝。
本对比例与实施例1药芯成分及用量除将“纳米钼粉”换成“钼铁”外，其他完全相同。
将实施例1、2、3、4和对比例1、2、3得到的焊丝在550MPa级低温钢（AH550、DH550）上施焊，焊接电流为170~235A，焊接电压为20~25V，焊接速度为15~18mm/s，气体流量为16L/min。按GB/T 25776―2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》进行工艺性能评定，按GB/T2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》和GB/T 2650－2008《焊接接头冲击试验方法》进行力学性能测试。
药芯焊丝的熔敷金属力学性能如表1所示。
以上实施例及对比例表明：①本发明中未添加“纳米Mo粉”或未添加“FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉”或将“纳米钼粉”换成“钼铁”时，熔敷金属的上屈服强度、抗拉强度、伸长率、低温冲击吸收能量值均不符合要求；②本发明中添加纳米Mo粉、FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉”时，元素的合理设计使焊缝熔敷金属上屈服强度、抗拉强度、伸长率、低温冲击吸收能量值均符合要求。
需要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组成物成分及用量，特别是在药芯粉中添加了“纳米Mo粉”，并优化各组分用量的合理范围，通过多种元素的复合强化实现了确保使用强度的前提下，有效提高低温冲击吸收能量值。特别需要说明的是，并非其中一种物质的加入起到了关键作用，组成物的综合作用才是本发明的核心创造。
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。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种550MPa级低温钢配套药芯焊丝，其特征在于，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量百分比计为：FZNi-45镍铬硼硅系自熔合金粉1.0%~2.0%，FeMn84C0.05微碳锰铁1.2%~1.8%，FeTi80-A钛铁3.0%~5.0%，REMgSiFe-07CeC稀土镁硅铁2.5%~4.5%，AlSi50铝中间合金2.0%~3.0%，纳米Mo 粉2.0%~3.5%，NaF 3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉，所述纳米Mo粉的粒径为30~50nm，药芯粉80目通过率为100%，所述药芯质量占药芯焊丝总质量的18%~35%。
2.根据权利要求1所述的550MPa级低温钢配套药芯焊丝，其特征在于，所述外皮为宽度6~20mm、厚度0.25~1.6mm的低碳冷轧钢带。
3.根据权利要求1所述的550MPa级低温钢配套药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.6~3.2mm。
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