CN109483091A - 一种焊丝药芯粉、金红石型无缝药芯焊丝及制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种焊丝药芯粉、金红石型无缝药芯焊丝及制备与应用。所述的焊丝药芯粉包含如下按质量百分比计的组分：金红石30～40％，铝粉0～5％，硅粉0～4％，铝镁合金1～2％，金属锰7～12％，锆英砂1～2％，碳酸钠1～2％，铁粉补足100％。本发明还提供了一种包含上述焊丝药芯粉的金红石型无缝药芯焊丝，该焊丝工艺性良好，在合适的工艺规范下，能够实现全位置焊接，焊接过程稳定，熔敷金属力学性能稳定，满足相关标准要求，适用于460MPa级别钢的焊接，焊丝熔敷金属扩散氢含量低，抗冷裂纹能力强。

Description

一种焊丝药芯粉、金红石型无缝药芯焊丝及制备与应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种焊丝药芯粉、金红石型无缝药芯焊丝及制备与应用。

背景技术

近年来，焊接材料产品的结构调整和产品升级过程明显加快，在海洋工程、船舶修造等技术领域中，药芯焊丝以其优异的工艺性已逐渐取代了手工焊条及实心焊丝。无缝药芯焊丝除具有普通药芯焊丝的优点外，还因其优异的抗吸潮性、良好的自动化适应能力等优点，在船舶制造、海洋工程等领域焊接时，具有非常大的技术优势。

无缝药芯焊丝因其结构特点，决定了其制造过程中必须经过退火，而退火过程会造成药芯粉的变化，导致最终焊丝与初始设计有一定差异，增加配方设计难度。中国专利公开号CN106181128A提出了一种无缝无镀铜焊丝，其配方组成为常规的药芯焊丝组成，中国专利公开号CN 104028913 A中所述为一种无缝自保护药芯焊丝，中国专利公开号CN105057925A中所述的无缝药芯焊丝为金属粉芯型。

本发明考虑利用无缝药芯焊丝的特点，提出一种基于逆向设计的金红石型无缝药芯焊丝，经检索未发现有与本申请相关的无缝药芯焊丝。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种焊丝药芯粉。

本发明的另一目的在于提供一种金红石型无缝药芯焊丝，该焊丝包含上述药芯粉。

本发明的再一目的在于提供上述金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，该方法基于逆向设计，利用无缝药芯焊丝的制造特性，通过配方设计，经过600～950℃的高温退火，能够得到焊接工艺性良好，可全位置焊接的金红石型无缝药芯焊丝。

本发明的第四个目的在于提供上述焊丝药芯粉和金红石型无缝药芯焊丝的应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种焊丝药芯粉，包含如下按质量百分比计的组分：

其中，铝粉和硅粉含量不能同时为0；

所述的金红石的化学成分优选为TiO₂≥95wt％；

所述的铝镁合金的化学成分优选为Al：48～52wt％，Al+Mg≥96wt％；

一种金红石型无缝药芯焊丝，包含上述焊丝药芯粉；

所述的金红石型无缝药芯焊丝，还包含焊丝外皮；

所述的焊丝外皮优选为低碳钢带；

所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，包含如下步骤：

将焊丝外皮添加焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体保护下，将焊丝盘条600～950℃退火处理4～7h；退火后的焊丝盘条减径，得到金红石型无缝药芯焊丝；

所述的焊丝外皮优选采用在线同步添加药芯粉；

所述的惰性气体优选为氩气；

所述的退火优选在井式退火炉内进行；

所述的焊丝药芯粉的填充率为13～15wt％；

所述的金红石型无缝药芯焊丝的直径优选为1.0mm或1.2mm；

所述的焊丝药芯粉或金红石型无缝药芯焊丝在石化、压力容器、造船、钢结构和工程机械等领域中的应用；

本发明的原理：

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝采用金红石型药芯焊丝渣系，主要组成物金红石是主要的造渣剂和电弧稳定剂，其主要成分TiO₂熔渣凝固温度高，TiO₂的作用为调节熔渣凝固速度，使得熔渣变为短渣，能适应全位置焊接，此外金红石中含有部分水，可在退火过程中提供氧的来源。为使得熔渣得到合适的熔点和粘度，改善焊缝的成型和脱渣，同时也避免带入过多的氧，金红石加入量以30～40％为宜。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入铝粉有两方面作用。一方面，在无缝焊丝经历的退火过程中，铝粉由于其活泼的金属特性，可以与混合粉中所含水分中的氧反应，得到部分Al₂O₃，从而起到加入Al₂O₃所得到的改善液态熔渣的流动性和表面张力的作用，保证焊丝全位置焊接的工艺性，这也就是逆向设计的基础；另一方面由于反应平衡的存在，部分铝粉可以在焊接过程中起到脱氧的作用，而铝的脱氧产物部分以夹杂物的形式进入焊缝金属中提高钢的硬度和强度，部分进入熔渣中调节熔渣的粘度，改善焊丝工艺性。为避免铝粉加入过多导致的Al₂O₃过多，因此铝粉的加入量应控制在0～5％之间，本发明中铝粉与硅粉的含量不能同时为0，若同时为0，焊丝工艺性将受到严重影响。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入硅粉与铝粉的作用类似。一方面，在无缝焊丝经历的退火过程中，硅粉由于其活泼的金属特性，可以与混合粉中所含水分中的氧反应，得到部分SiO₂，从而起到单纯加入SiO₂所得到的改善熔渣的流动性和表面张力的作用，保证焊丝全位置焊接的工艺性；另一方面未完全反应的硅粉可以在焊接过程中起到脱氧的作用，改善焊缝性能。为避免硅粉加入过多导致SiO₂过多，硅粉的加入量应控制在0～4％之间，本发明中硅粉与铝粉的含量不能同时为0，若同时为0，焊丝工艺性将受到严重影响。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入铝镁合金主要目的在于脱氧进而提高焊缝金属力学性能，此外铝镁合金脱氧反应过程较为柔和，可减少焊接过程的飞溅，其脱氧产物可以调节焊丝工艺性，铝的脱氧作用前文已述，镁的脱氧产物几乎全部进入熔渣，可以提高渣的熔点使焊丝可以适用于全位置焊接，但铝过高时将显著降低焊缝的塑性和韧性。因此，铝镁合金的加入量控制在1～2％。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入金属锰，主要目的在于调节焊缝金属成分，保证焊缝金属得到合适的强度。金属锰含量过低焊缝金属的强度过低，含量过高将会导致焊缝金属强度过高，引起焊缝金属韧性下降。因此金属锰的加入量为7～12％。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入锆英砂，主要目的在于改善焊缝脱渣，保证焊缝成型。锆英砂主要组分为ZrO₂及SiO₂，其中ZrO₂具有在熔渣冷却过程中体积发生变化，使得渣壳可顺利与焊缝金属分离，并且ZrO₂可以调节渣池粘度，改善焊缝成型，保证焊缝的工艺性。但由于锆英砂中的ZrO₂为高熔点氧化物，含量过多将会在焊道表面形成麻点，因而锆英砂合适的加入量为1～2％为宜。

本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入碳酸钠，主要目前是提高电弧稳定性，改善电弧吹力，使焊丝焊接过程稳定，并得到合适的熔深，保证焊缝性能。碳酸钠加入过多对电弧改变不明显，因此碳酸钠的加入量以1～2％为宜。

为了使得上述铝粉及硅粉的作用得到足够的体现，添加药芯粉后的焊丝外皮，经轧辊成型和焊合后得到焊丝盘条，焊丝盘条需经600～950℃退火处理4～7h，然后减径得到焊接工艺性良好，可全位置焊接的金红石型无缝药芯焊丝。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝工艺性良好，在合适的工艺规范下，能够实现全位置焊接，焊接过程稳定。

(2)本发明提供的金红石型无缝药芯焊丝熔敷金属力学性能稳定，满足相关标准要求，适用于460MPa级别钢的焊接。焊丝熔敷金属扩散氢含量低，抗冷裂纹能力强。

(3)本发明提供的焊丝药芯粉可同时适合1.0mm焊丝和1.2mm焊丝。

附图说明

图1是实施例1制得的金红石型无缝药芯焊丝的焊道成型图。

图2是实施例2制得的金红石型无缝药芯焊丝的焊道成型图。

图3是实施例3制得的金红石型无缝药芯焊丝的焊道成型图。

图4是实施例4制得的金红石型无缝药芯焊丝的焊道成型图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中，金红石的化学成分为TiO₂≥95wt％；铝镁合金的化学成分为Al：48～52wt％，Al+Mg≥96wt％；

实施例1

一种焊丝药芯粉，包含如下按质量百分比计的组分：

一种金红石型无缝药芯焊丝，包含上述焊丝药芯粉和焊丝外皮低碳钢带(成分及性能见表1、表2)；

所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，包含如下步骤：

(1)将焊丝药芯粉各组分混合，得到焊丝药芯粉；

(2)将焊丝外皮低碳钢带采用在线同步添加步骤(1)制得的焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体氩气保护下，将焊丝盘条在井式退火炉内950℃退火处理4h；退火后的焊丝盘条减径，分别得到直径为1.0mm和1.2mm的金红石型无缝药芯焊丝，其中，焊丝药芯粉的填充率为13wt％。

实施例2

一种焊丝药芯粉，包含如下按质量百分比计的组分：

一种金红石型无缝药芯焊丝，包含上述焊丝药芯粉和焊丝外皮低碳钢带(成分及性能见表1、表2)；

所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，包含如下步骤：

(1)将焊丝药芯粉各组分混合，得到焊丝药芯粉；

(2)将焊丝外皮低碳钢带采用在线同步添加步骤(1)制得的焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体氩气保护下，将焊丝盘条在井式退火炉内750℃退火处理5.5h；退火后的焊丝盘条减径，分别得到直径为1.0mm和1.2mm的金红石型无缝药芯焊丝，其中，焊丝药芯粉的填充率为15wt％。

实施例3

一种焊丝药芯粉，包含如下按质量百分比计的组分：

一种金红石型无缝药芯焊丝，包含上述焊丝药芯粉和焊丝外皮低碳钢带(成分及性能见表1、表2)；

所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，包含如下步骤：

(1)将焊丝药芯粉各组分混合，得到焊丝药芯粉；

(2)将焊丝外皮低碳钢带采用在线同步添加步骤(1)制得的焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体氩气保护下，将焊丝盘条在井式退火炉内600℃退火处理7h；退火后的焊丝盘条减径，分别得到直径为1.0mm和1.2mm的金红石型无缝药芯焊丝，其中，焊丝药芯粉的填充率为14wt％。

对比实施例

一种焊丝药芯粉，包含如下按质量百分比计的组分：

一种药芯焊丝，包含上述焊丝药芯粉和焊丝外皮低碳钢带(成分及性能见表1、表2)；

所述的药芯焊丝的制备方法，包含如下步骤：

(1)将焊丝药芯粉各组分混合，得到焊丝药芯粉；

(2)将焊丝外皮低碳钢带采用在线同步添加步骤(1)制得的焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体氩气保护下，将焊丝盘条在井式退火炉内600℃退火处理7h；退火后的焊丝盘条减径，分别得到直径为1.0mm和1.2mm的药芯焊丝，其中，焊丝药芯粉的填充率为14wt％。

效果实施例

(1)实施例1～3及对比实施例选用外皮钢带的化学成分及性能见表1、表2。

表1实施例1～3及对比实施例选用外皮钢带的化学成分(wt％)

化学成分

C

Si

Mn

S

P

Fe

重量％

0.022

0.01

0.19

0.005

0.01

余量

表2实施例1～3及对比实施例选用外皮钢带的性能

性能	显微硬度(HV)	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
				保证值	160	310	45

(2)将实施例1～3制得的1.2mm金红石型无缝药芯焊丝以及对比实施例制得的1.2mm药芯焊丝按照如下规范进行焊接：保护气体采用CO₂，平焊位置焊接，电流240～260A，电压28～30V，焊接速度32～35cm/min。

焊后焊道成型如图1～4所示。其中，实施例1～3制得的1.2mm金红石型无缝药芯焊丝焊道成型良好，而对比实施例制得的1.2mm药芯焊丝焊道熔敷覆盖不良，表明缺少铝粉和硅粉的情况下焊丝工艺性发生明显变化。

(3)由于对比实施例制得的1.2mm药芯焊丝工艺性不良，未对此实施例进行熔敷试板焊接，将实施例1～3制得的1.2mm金红石型无缝药芯焊丝按照如下规范进行焊接：保护气体采用CO₂，平焊位置焊接，电流220～260A，电压26～30V，焊接速度30～35cm/min。

实施例1～3制得的1.2mm金红石型无缝药芯焊丝熔敷金属化学成分及力学性能如表3、表4所示。

表3实施例1～3制得的金红石型无缝药芯焊丝熔敷金属的化学成分(wt％)

表4实施例1～3制得的金红石型无缝药芯焊丝熔敷金属的力学性能

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊丝药芯粉，其特征在于包含如下按质量百分比计的组分：

其中，铝粉和硅粉含量不能同时为0。

2.根据权利要求1所述的焊丝药芯粉，其特征在于：

所述的金红石的化学成分为TiO₂≥95wt％。

3.根据权利要求1所述的焊丝药芯粉，其特征在于：

所述的铝镁合金的化学成分为Al：48～52wt％，Al+Mg≥96wt％。

4.一种金红石型无缝药芯焊丝，其特征在于包含权利要求1～3任一项所述的焊丝药芯粉。

5.根据权利要求4所述的金红石型无缝药芯焊丝，其特征在于还包含焊丝外皮。

6.根据权利要求5所述的金红石型无缝药芯焊丝，其特征在于：

所述的焊丝外皮为低碳钢带。

7.权利要求4～6任一项所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

将焊丝外皮添加焊丝药芯粉，轧辊成型和焊合，得到焊丝盘条；然后在惰性气体保护下，将焊丝盘条600～950℃退火处理4～7h；退火后的焊丝盘条减径，得到金红石型无缝药芯焊丝。

8.根据权利要求7所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于：

所述的惰性气体为氩气。

9.根据权利要求7所述的金红石型无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于：

所述的焊丝药芯粉的填充率为13～15wt％。

10.权利要求1～3任一项所述的焊丝药芯粉或权利要求4～6任一项所述的金红石型无缝药芯焊丝在石化、压力容器、造船、钢结构和工程机械领域中的应用。