CN109175781A

CN109175781A - 一种船舶及海洋工程用钢eh500配套药芯焊丝

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Publication number: CN109175781A
Application number: CN201811240155.7A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 连明洋; 孟迪; 王靖博; 王瑞娟; 陈志民
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109175781B

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种船舶及海洋工程用钢EH500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20%~35%。药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米Ti 2.5%~4.5%，纳米石墨烯0.5%~1.0%，FMW8雾化镁粉0.5%~1.0%，FLPN20.0氮气雾化铝粉0.6%~1.2%，Mo 2.0%~3.0%，Ni 2.0%~3.5%，SiF₄粉3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。

Description

一种船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，更具体的是涉及一种船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝。

技术背景

药芯焊丝也称为管状焊丝，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。

船舶及海洋工程用钢在焊接过程中需要使用低温焊接材料，尤其是需要材料具有较高的低温冲击韧性。随着海洋石油、天然气的开采日益增加，并且开采地区由过去的浅海温暖地区扩大到深海寒冷地区，海洋结构件将大量使用低温钢，因此对屈服强度500MPa的钢的焊接提出了更高更严的要求。在这种情况下，研究开发船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝是科技工作者的当务之急。

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。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，根据国家标准GB/T3795－2014《锰铁》的规定，其中至少含有75%的Mn和1.0%的C，国家标准GB/T 4008－2008《锰硅合金》规定至少含有60%的Mn，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，过量的碳也会降低冲击韧性。

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，焊接过程中电弧的热输入是移动的，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，势必造成冲击韧性的下降。而且药芯中的低碳锰铁也容易造成Mn元素含量过高，降低熔敷金属的低温冲击韧性。

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船舶及海洋工程用钢，无法满足用量更多的超高强度级钢的焊接要求。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（5%~7%），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，这样会产生大尺寸的MnS夹杂，对提高低温冲击韧性极为不利，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船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝，该药芯焊丝的熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能可以满足船舶及海洋工程用钢EH500的焊接要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种船舶及海洋工程用钢EH500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：纳米Ti 2.5%~4.5%，纳米石墨烯0.5%~1.0 %，FMW8雾化镁粉0.5%~1.0%，FLPN20.0氮气雾化铝粉0.6%~1.2%，Mo2.0%~3.0%，Ni 2.0%~3.5%，SiF₄粉3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。

优选的，所述纳米Ti的粒径为20~80nm。

优选的，所述纳米石墨烯的粒径为40~100nm。

所述药芯质量占药芯焊丝总质量（即填充率）的20%~35%。

优选的，所述药芯粉80目通过率为100％。

优选的，纳米Ti的纯度为≥99.6%，所述纳米石墨烯的纯度为≥99.5%，所述雾化镁粉的纯度为≥99.5%，所述氮气雾化铝粉的纯度≥99.5%，Mo的纯度≥99.9%，Ni的纯度≥99.9%，所述SiF₄的纯度≥99.5%。

所述焊丝直径为1.2~4.0mm。

所述外皮为宽度8~20mm、厚度0.3~1.5mm的低碳冷轧钢带，钢带化学成分质量百分比为：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400~495MPa，伸长率不小于32％。

一种船舶及海洋工程用钢EH500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120℃±5℃，干燥时间1.8~2.2h；

（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，弃掉杂质；

（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1.2~4.0mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。

本发明所述的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝中的各化学元素的设计原理为：

纳米Ti：在电弧热输入的作用下，一部分Ti与氧反应起到脱氧作用，一部分与碳反应形成钛的碳化物作为焊缝组织的形核质点，细化晶粒；没有来得及反应的纳米Ti则作为形核质点，起到非自发形核的作用，可以细化熔敷金属的晶粒，促使合金元素分布均匀化，另外由于其纳米尺寸的结构很容易与其他原子结合，就不会在熔敷金属中生成尺寸大小不均匀的夹杂物，对熔敷金属的综合力学性能尤其是低温冲击韧性的提高有显著作用。

纳米石墨烯：合金元素对力学性能的影响不仅取决于碳与合金元素形成碳化物的类型、尺寸、形状、数量以及分布状态，而且取决于晶粒的大小及合金元素的分布均匀度。焊缝中为获取碳，在药芯焊丝中加入一定量的纳米级石墨烯，其表面原子具有极高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，这使得其在金属熔体中更容易扩散，提高其均匀度。而这种纳米级石墨烯的加入，既增加了C含量进而提高熔敷金属的强度，又能均匀分布，避免了大尺寸不均匀夹杂的产生，对提高强度的同时不降低韧性非常有利。

雾化镁粉和氮气雾化铝粉：比铝镁合金的活性大得多，有极强的脱氧、脱硫、脱磷作用，有效净化熔敷金属的化学成分，提高低温抗裂性。

Ni：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。

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。

SiF₄：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；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韧性。

本发明的有益效果是：①通过Ti元素脱氧及纳米结构细化晶粒并减少夹杂物的产生，提高低温冲击韧性；②通过添加纳米石墨烯细化晶粒并促进熔敷金属内合金元素的均匀分布，进而提高熔敷金属的综合力学性能；③通过添加雾化镁粉和氮气雾化铝粉来强化脱氧、脱硫和脱磷，净化熔敷金属化学成分；④通过加入Ni、Mo元素提高熔敷金属的的低温冲击韧性；⑤通过添加SiF₄脱氧、脱氢，提高焊缝金属的强度并增大焊缝的流动性；⑥本发明的药芯焊丝通过在船舶及海洋工程用钢EH500上施焊表明：焊丝的焊接工艺性能良好、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海洋工程用钢EH500的焊接要求。

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：

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16mm，厚度为0.6mm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Ф4.0mm的焊丝，即本发明的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分数计为：纳米Ti 2.5%，纳米石墨烯0.5%%，FMW8雾化镁粉0.5%，FLPN20.0氮气雾化铝粉0.6%，Mo 2.0%，Ni 2.0%，SiF₄粉3.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例2：

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16mm，厚度为0.6mm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Ф2.8mm的焊丝，即本发明的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米Ti 3.5%，纳米石墨烯0.75%，FMW8雾化镁粉0.8%，FLPN20.0氮气雾化铝粉0.9%，Mo 2.5%，Ni 2.8%，SiF₄粉3.8%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例3：

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16mm，厚度为0.6mm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Ф1.2mm的焊丝，即本发明的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量分数计为：纳米TiO₂ 4.5%，纳米石墨烯1.0 %，FMW8雾化镁粉1.0%，FLPN20.0氮气雾化铝粉1.2%，Mo 3.0%，Ni 3.5%，SiF₄粉 4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。

对比例1：

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16mm，厚度为0.6mm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Ф4.0mm的焊丝。

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米Ti”外，其他完全相同。

对比例2：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米石墨烯”外，其他完全相同。

对比例3：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除将“雾化镁粉、氮气雾化铝粉”换成“铝镁合金”外，其他完全相同。

对比例4：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米Ti、纳米石墨烯、雾化镁粉和氮气雾化铝粉”外，其他完全相同。

将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4得到的焊丝在船舶及海洋工程用钢EH500上施焊，焊接电流为185~255A，焊接电压为22~28V，焊接速度为16~20mm/s，气体流量为18L/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Ti、纳米石墨烯、雾化镁粉和氮气雾化铝粉”任何一种或均未添加时，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Ti、纳米石墨烯、雾化镁粉和氮气雾化铝粉”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合物成分及用量，特别是在药芯粉中添加了“纳米Ti、纳米石墨烯、雾化镁粉和氮气雾化铝粉”，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，有效提高低温冲击韧性。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，组合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

1.一种船舶及海洋工程用钢EH500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百分比计为：纳米Ti 2.5%~4.5%，纳米石墨烯0.5%~1.0 %，FMW8雾化镁粉0.5%~1.0%，FLPN20.0氮气雾化铝粉0.6%~1.2%，Mo 2.0%~3.0%，Ni 2.0%~3.5%，SiF₄粉3.0%~4.5%，余量为FHT100·25还原铁粉，所述纳米Ti的粒径为20~80nm，所述纳米石墨烯的粒径为40~100nm。

2.根据权利要求1所述的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯质量占药芯焊丝总质量的20%~35%。

3.根据权利要求1所述的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉80目通过率为100％。

4.根据权利要求1所述的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝，其特征在于，所述外皮为宽度8~20mm、厚度0.3~1.5mm的低碳冷轧钢带。

5.根据权利要求1-4之一所述的船舶及海洋工程用钢EH500配套药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.2~4.0mm。