CN109530961A

CN109530961A - 一种大线能量焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用

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Publication number: CN109530961A
Application number: CN201811391453.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡俊; 杨恒闯; 杨宗全; 吴光辉
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: CN109530961B

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种大线能量焊接用药芯焊丝，包括外皮及填充于所述外皮内的药芯，所述药芯占所述药芯焊丝的质量百分比为13.0~13.5%；所述药芯包括的组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂5.0~5.6%，SiO₂0.3~0.6%，Al₂O₃0.15~0.25%，NaF 0.2~0.3%，Mg‑Al合金 0.4~0.5%，Si 0.4~0.5%，Mn 2.0~2.5%，Ti 0.04~0.11%，B 0.009~0.01%，Fe 余量。本发明还提供上述药芯焊丝的制备方法，采用钢带法，通过O型对接，将所述药芯封在所述外皮内，经过成型减径后即得所述药芯焊丝。本发明的上述药芯焊丝用于焊接屈服强度不小于400MPa级的钢板。本发明提供的用药芯焊丝在焊接电流260~280A、线能量1.6~2.0KJ/mm时，其熔敷金属的屈强比不高于0.83，塑性优良，可降低焊缝金属产生裂纹的风险。

Description

一种大线能量焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于金属焊接用焊接材料技术领域，具体涉及一种气体保护大线能量焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用。

背景技术

药芯焊丝是一种高效焊接材料，具有焊接效率高，缩短焊接周期、焊接工艺性能好、焊缝成型美观、成分易于调整、焊接变形小等诸多优点，因此在船舶、桥梁等钢结构焊接中得到广泛应用。药芯焊丝在工程应用中，为提高工作效率，其焊接电流通常在260~280A之间。普通的E501-1药芯焊丝只能满足在焊接电流220~240A之间、线能量在1.0~1.2KJ/mm时其屈强比达到0.85。当普通的E501-1药芯焊丝在焊接电流为260~280A之间、大线能量（线能量在1.6~2.0KJ/mm之间）焊接条件下时，其熔敷金属屈强比通常大于0.85，焊缝金属塑性大大降低，容易产生焊接裂纹，导致焊接结构件需要进行返工处理，耗费人力物力，增加成本。

为提高工作效率，使药芯焊丝适应其实际工况，需要设计一种焊接电流在260~280A、线能量在1.6~2.0KJ/mm之间时其屈强比不高于0.83的药芯焊丝，保证焊缝金属具有优良的塑性，不易产生裂纹。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种大线能量焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用，在焊接电流260~280A、线能量1.6~2.0KJ/mm时，其熔敷金属的屈强比不高于0.83，焊缝金属具有优良的塑性，且不易产生裂纹。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种大线能量焊接用药芯焊丝，包括外皮及填充于所述外皮内的药芯，所述药芯占所述药芯焊丝的质量百分比为13.0~13.5%；所述药芯包括的组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂5.0~5.6%，SiO₂0.3~0.6%，Al₂O₃0.15~0.25%，NaF 0.2~0.3%，Mg-Al合金 0.4~0.5%，Si 0.4~0.5%，Mn 2.0~2.5%，Ti0.04~0.11%，B 0.009~0.01%，Fe 余量。

进一步地，所述药芯中还包括Fe₃O₄，其占所述药芯焊丝的质量百分比为0.1~0.15%。

进一步地，所述药芯中SiO₂与Al₂O₃的质量比为2.4~3：1。

进一步地，所述药芯焊丝的熔敷金属中Ti元素与B元素的质量比为10~15：1。

进一步地，所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm~1.4mm。

进一步地，所述外皮采用低碳钢钢带，其各组分占低碳钢钢带的质量百分比如下：Mn 0.15~0.4%，Si≤0.025%，C≤0.03%，S≤0.015%，P≤0.012%，N≤0.005%。

本发明还提供上述的大线能量焊接用药芯焊丝的制备方法，步骤如下：采用钢带法生产所述药芯焊丝，通过O型对接，将所述药芯封在所述外皮内，经过成型减径后即得所述药芯焊丝。

本发明还提供上述的大线能量焊接用药芯焊丝的应用，所述药芯焊丝用于焊接屈服强度不小于400MPa级的钢板。

进一步地，所述药芯焊丝在焊接时，采用CO₂气体保护。

进一步地，所述药芯焊丝的焊接条件为：焊接电流260~280A，焊接电压27~28V，线能量1.6~2.0KJ/mm，道间温度135~165℃。

本发明的大线能量焊接用药芯焊丝的设计原理如下：

本发明的药芯焊丝采用钛型TiO₂- SiO₂渣系，该渣系电弧稳定性良好，电弧柔和，可进行全位置焊接。焊接时配合CO₂气体进行保护，且采用Mg–Al–Mn–Si联合脱氧的方式。

TiO₂用于调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性和焊缝成型，加入量少于5.0%时，焊缝成形差，飞溅多；当加入量超过5.6%时，造渣量过多，影响焊缝成形，还易使冲击韧性下降。

SiO₂作为主要的造渣剂，对焊缝的脱渣性和焊缝的表面成形影响很大。随着SiO₂含量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，对焊缝的脱渣性有很好的作用，少于0.3%则上述效果不明显；但是大于0.6%，会降低熔渣的透气性，容易使焊道产生压痕缺陷，同时，焊缝的低温韧性下降。

Al₂O₃可提高熔渣熔点，调整熔渣粘度和流动性，提高立焊工艺性能，利于立焊成形；当加入量少于0.15%时，上述效果不明显；当加入量大于0.25%，容易导致Al₂O₃以杂质形式沉积在焊缝中，使冲击韧性大幅下降。

SiO₂与Al₂O₃的质量比在2.4~3：1之间；控制SiO₂与Al₂O₃的比值，可增加熔渣的透气性，改善全位置焊工艺；当比值小于2.4:1时，熔渣覆盖不均匀，导致焊缝成形不美观；当比值大于3:1时，熔渣流动性过强，立焊成形不佳。

NaF为去氢剂，降低焊缝扩散氢含量；加入量少于0.2%时去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量大于0.3%时焊接飞溅和烟尘增大，在大电流立向上焊接条件下飞溅增大会使焊缝变差，还会降低熔渣熔点，使熔渣流动性变差，覆盖不良，脱渣困难。

Fe₃O₄可适度增加电弧的氧化性，从而迫使焊缝金属中的C元素与O元素结合产生CO或CO₂气体，间接的降低了熔敷金属中的C含量；而C元素作为间隙固溶元素，虽然强化效果明显但是会大幅牺牲熔敷金属的塑性，容易导致熔敷金属屈强比增加。

Si作为重要脱氧剂，焊丝中含有一定量的Si能降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性；加入量少于0.4%时不能体现上述特征，大于0.5%时，一方面容易增大铁水表面张力，使其流动性变差，另一方面Si作为置换固溶元素，其含量增多会使降低熔敷金属塑性，因此限定在0.4~0.5%。

Mn作为主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性；加入量少于2.0%时，体现上述特性不足，大于2.5%时焊缝强度过高，影响熔敷金属塑性，因此限定在2.0~2.5%。

Mg-Al合金作为强脱氧剂，提高冲击韧性；在高温下反应产生的MgO进入熔渣，有利于提高熔渣的碱度，对焊缝金属的低温韧性有好处；加入量少于0.4%时提高低温冲击韧性能力及脱氧能力不足，大于0.5%时易使电弧的吹力太大，焊角焊缝时容易产生咬边现象，因此限定在0.4~0.5%。

B可抑制晶界铁素体的析出，降低魏氏组织出现的可能性，使组织呈现均匀分布的针状铁素体，提高冲击韧性；其原理为B在晶界上形成硼化物Fe₂₃(CB)₆，它先于铁素体产生，当这类硼化物尺寸很小时可阻碍铁素体形核，从而抑制晶界铁素体（即先共析铁素体）生成；加入量少于0.009%时，不能体现上述特征，加入量高于0.01%时，产生过多的针状铁素体会使熔敷金属强度增加，而延伸率降低，因此限定在0.009~0.01%。

Ti作为脱氧剂及脱氮剂，主要是为了保护B元素，因为B易与N元素生产BN，特别是大热输入焊接时；加入Ti元素后，Ti元素与N元素结合生产TiN，从而保护了B元素，使其固溶到焊缝中；加入量低于0.04%时，不能体现上述特征，加入量高于0.11%时，Ti易形成TiC或TiN来强化焊缝，使焊缝金属塑性下降，因此限定在0.04~0.11%。

熔敷金属中Ti与B元素含量的比例要控制在10~15：1之间，否则易导致熔敷金属低温冲击值不稳定。

Fe即铁粉，提高熔敷效率，改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的药芯焊丝在焊接电流为260~280A，焊接电压为27~28V，线能量为1.6~2.0KJ/mm，道间温度为135~165℃，其熔敷金属的屈强比不高于0.83，塑性优良，可降低焊缝金属产生裂纹的风险；可全位置焊接，用于焊接屈服强度大于等于400MPa的钢板；

（2）本发明提供的药芯焊丝的药芯组分中还包括Fe₃O₄，Fe₃O₄可适度增加电弧的氧化性，从而迫使焊缝金属中的C元素与O元素结合产生CO或CO₂气体，间接的降低了熔敷金属中的C含量；而C元素作为间隙固溶元素，虽然强化效果明显但是会大幅牺牲熔敷金属的塑性，容易导致熔敷金属屈强比增加；

（3）Ti本身作为一种脱氧剂，其在焊缝中的含量与脱氧剂含量存在一定关系；当配方中脱氧剂较多、焊缝中氧含量低时，配方中Ti的加入量要适当降低；配方中脱氧剂在一般水平、焊缝中氧含量较高时，Ti的加入量则要随之增加，因此Ti元素的添加量需根据配方中脱氧剂的多少进行调整，同时还要保证Ti/B的比值；

（4）本发明通过研究Si、Mn元素含量，并将Ti：B的比值控制在10~15：1，制备的药芯焊丝的熔敷金属低温冲击韧性在-20℃时可到达80J以上；

（5）本发明通过控制药芯中TiO₂、SiO₂、Al₂O₃的加入量，确保焊丝全位置焊接性能；

（6）本发明的药芯焊丝焊接时采用纯CO₂气体保护，有利于焊缝成形，不产生气孔或压痕。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种气体保护大线能量焊接用药芯焊丝，包括外皮及填充于所述外皮内的药芯，所述药芯占所述药芯焊丝的质量百分比为13.0~13.5%；所述药芯包括的组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂5.0~5.6%，SiO₂0.3~0.6%，Al₂O₃0.15~0.25%，NaF 0.2~0.3%，Mg-Al合金 0.4~0.5%，Si 0.4~0.5%，Mn 2.0~2.5%，Ti 0.04~0.11%，B 0.009~0.01%，Fe 余量。本发明所提供的药芯焊丝，可最大限度的发挥各组份的优势，在焊接电流为260~280A，焊接电压为27~28V，线能量为1.6~2.0KJ/mm，道间温度为135~165℃，其熔敷金属的屈强比不高于0.83，保证焊缝金属具有优良的塑性，不易产生裂纹。

根据外皮的厚度和宽度情况，确定合适的药芯焊丝的填充率，本发明的药芯焊丝的填充率为13.0~13.5%。本发明实施例1-5提供的药芯焊丝中药芯的各组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如表1所示。

本发明的外皮采用低碳钢钢带，其的化学成分见表2。

本发明实施例1~5提供的药芯焊丝的制备方法：使用钢带法生产药芯焊丝，通过O型对接的封口方式，将所述药芯封在低碳钢钢带制成的外皮内，药芯的配方见表1，填充率为13.0~13.5%，经过成型减径后得到直径为1.2mm~1.4mm的成品焊丝。

本发明实施例1~5提供的药芯焊丝的应用：采用纯CO₂保护，在室温25℃，焊接电流260~280A、线能量1.6~2.0KJ/mm，道间温度135~165℃的条件下，本发明实施例的药芯焊丝用于焊接屈服强度大于等于400MPa级的钢板。

（1）采用本发明实施例1~5提供的药芯焊丝焊接时焊接电流、线能量及其对应熔敷金属的力学性能见表3。

从表3可以看出，在焊接电流为260~280A，焊接电压28V，线能量1.6~2.0KJ/mm时，采用本发明实施例1~5提供的药芯焊丝焊接时，其熔敷金属的抗拉强度可以到达520MPa以上，下屈服强度可达到410MPa以上，延伸率在25%以上，在-20℃低温冲击功稳定在80J以上。

本发明实施例1~5所制备的药芯焊丝对应的熔敷金属的屈强比及Ti/B见表4。

从表4可以看出，本发明通过严格控制熔敷金属中Ti元素与B元素含量的质量比在10~15：1之内，使熔敷金属的屈强比小于等于0.83，保证焊缝金属具有优良的塑性，不易产生裂纹。

（2）斜Y型焊接裂纹试验

对本发明实施例1~5制备的药芯焊丝进行抗裂性试验。采用30mm厚钢板，焊接环境温度为19℃，湿度为45RH%；焊后自然冷却，放置48h以上进行解剖试验。试验结果表明：斜Y型坡口焊接裂纹试验3副试板的表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0，本发明提供的药芯焊丝具有良好的抗裂性。

（3）对熔敷金属扩散氢测定：[H]=6.4ml/100g（水银法）

经过多次实际检测，采用本发明实施例1~5的药芯焊丝的熔敷金属扩散氢可满足扩散氢含量低于10ml/100g。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大线能量焊接用药芯焊丝，包括外皮及填充于所述外皮内的药芯，其特征在于：所述药芯占所述药芯焊丝的质量百分比为13.0~13.5%；所述药芯包括的组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂5.0~5.6%，SiO₂0.3~0.6%，Al₂O₃0.15~0.25%，NaF 0.2~0.3%，Mg-Al合金 0.4~0.5%，Si 0.4~0.5%，Mn 2.0~2.5%，Ti 0.04~0.11%，B 0.009~0.01%，Fe 余量。

2.如权利要求1所述的一种大线能量焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中还包括Fe₃O₄，其占所述药芯焊丝的质量百分比为0.1~0.15%。

3.如权利要求1所述的一种大线能量焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中SiO₂与Al₂O₃的质量比为2.4~3：1。

4.如权利要求1所述的一种大线能量焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的熔敷金属中Ti元素与B元素的质量比为10~15：1。

5.如权利要求1所述的一种大线能量焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm~1.4mm。

6.如权利要求1所述的一种大线能量焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述外皮采用低碳钢钢带，其各组分占低碳钢钢带的质量百分比如下：Mn 0.15~0.4%，Si≤0.025%，C≤0.03%，S≤0.015%，P≤0.012%，N≤0.005%。

7.制备如权利要求1~6任一项所述的大线能量焊接用药芯焊丝的方法，其特征在于：采用钢带法生产所述药芯焊丝，通过O型对接，将所述药芯封在所述外皮内，经过成型减径后即得所述药芯焊丝。

8.一种如权利要求1~6任一项所述的大线能量焊接用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝用于焊接屈服强度不小于400MPa级的钢板。

9.如权利要求8所述的大线能量焊接用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝在焊接时，采用CO₂气体保护。

10.如权利要求8所述的大线能量焊接用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝的焊接条件为：焊接电流260~280A，焊接电压27~28V，线能量1.6~2.0KJ/mm，道间温度135~165℃。