CN109530962B - 一种大电流立向上焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，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14.0~14.5%；所述药芯的各组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂ 5.0~5.8%，熔炼剂1.4~1.9%，Si 0.4~0.5%，Mn 1.6~2.0%，Mg‑Al合金0.42~0.65%，Ti 0.14~0.21%，B 0.056~0.08%，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立向上焊接，焊接电流为270A~290A。本发明提供的用药芯焊丝立向上焊接电流可高达270~290A，焊缝凸度低于2.4mm；低于该焊接电流时立向上焊接也可获得良好的焊缝成形；其熔敷金属延伸率高于26%，塑性优良，可增加焊缝金属的抗裂性。

Description

一种大电流立向上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电流立向上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。但普通的E501-1药芯焊丝立向上焊接时，当焊接电流高于240A时，焊缝几乎不能成形；而焊接电流低于240A时虽然焊缝成形美观，但焊接效率偏低。因此，为提高工作效率，减少因焊接成形差到增加的打磨、补焊等工作量，需要设计一种在大电流（焊接电流在270~290A）下仍能立向上焊接的药芯焊丝。

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电流立向上焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用，立向上焊接电流在270~290A时药芯焊丝具有优良的焊缝成形，其焊角凸度低于2.4mm，其熔敷金属延伸率高于26%。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，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14.0~14.5%；所述药芯的各组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂ 5.0~5.8%，熔炼剂 1.4~1.9%，Si 0.4~0.5%，Mn 1.6~2.0%，Mg-Al合金 0.42~0.65%，Ti 0.14~0.21%，B 0.056~0.08%，Fe 余量。

进一步地，所述熔炼剂是采用钠水玻璃粉、NaF、长石、金红石按质量比1：1：1：3~4进行熔炼制备而成。

更进一步地，所述熔炼剂制备过程中，熔炼温度为900~1000℃，熔炼时间为1~3小时。

进一步地，所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素的质量分数为0.04~0.06%。

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药芯焊丝的制备方法，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药芯焊丝的应用，所述药芯焊丝用于立向上焊接，焊接电流为270A~290A。

进一步地，所述药芯焊丝在焊接时，采用CO₂ 气体保护。

本发明的大电流立向上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，辅以少量钠水玻璃粉作为稳弧剂，更利于改善大电流立向上焊接，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%时大电流立向上焊接焊缝成形差；当加入量超过5.8%时，造渣量过多，影响焊缝成形，还易使冲击韧性下降。

熔炼剂的组分为钠水玻璃粉、长石、氟化钠以及金红石；

钠水玻璃粉为硅酸钠，其中的Na⁺可提高电弧稳定性；

长石含有SiO₂和Al₂O₃，SiO₂可调节熔渣流动性和粘度，细化熔滴，降低飞溅、改善熔渣覆盖性能；Al₂O₃可提高熔渣熔点，调整熔渣粘度和流动性；

金红石主要成分为TiO₂；

NaF作为去氢剂，降低焊缝扩散氢含量，加入量太少时去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量太多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；

当熔炼剂加入量少于1.4%时，熔渣粘度及流动性较差，焊缝成形不佳；当自制熔炼剂高于1.9%时，飞溅增加，熔渣流动性变差，焊缝不能成形。

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，其含量增多会使熔敷金属延伸率降低，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1.6%时，体现上述特性不足，大于2.0%时焊缝强度过高，熔敷金属延伸率下降，因此限定在1.6~2.0%。

Mg-Al合金作为强脱氧剂，提高冲击韧性；Mg、Al以镁铝合金的方式加入，与采用镁粉和铝粉脱氧的方式相比，其电弧吹力更柔和，飞溅更少，利于立向上焊接时熔池的稳定性，使焊缝焊缝成形美观，加入量少于0.42%时提高低温冲击韧性能力及脱氧能力不足，大于0.65%时由于脱氧产物含有镁或铝氧化物使熔渣的熔点上升凝固速度加快不利于焊缝气体的排除和焊缝成型，因此限定在0.42~0.65%。

B可抑制晶界铁素体的析出，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0.056%时，不能体现上述特征，加入量高于0.08%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0.056~0.08%。

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0.14%时，不能体现上述特征，加入量高于0.21%时，Ti易形成TiC或TiN从而细化晶粒，使延伸率显著下降；因此限定在0.14~0.21%。

C渗入熔敷金属中，能促进一次针状铁素体析出，控制先共析铁素体含量，从而细化晶粒，不仅能提高焊缝金属强度，还能提高焊缝金属的低温冲击韧性；熔敷金属中C含量低于0.04%时，熔敷金属表现为低温冲击韧性差，或者低温冲击韧性不稳定；熔敷金属中C含量高于0.06%时，由于C元素为典型的间隙固溶元素，其含量增加会使得熔敷金属延伸率下降，还会在焊接过程中使飞溅增多，影响焊接工艺。

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立向上焊接电流可高达270~290A，焊缝成形美观，焊缝凸度低于2.4mm；低于该焊接电流时立向上焊接也可获得良好的焊缝成形；

（2）本发明提供的药芯焊丝其熔敷金属延伸率高于26%，塑性优良，可增加焊缝金属的抗裂性；

（3）本发明提供的熔炼剂通过采用钠水玻璃粉将矿物粉高温烧结，一方面可有效控制矿物粉的粒度，使药粉的均匀性更好，提高了药芯焊丝产品质量的稳定性；另一方面钠水玻璃粉中自带的Na元素具有良好的稳弧效果，对提高立向上焊接电流有明显改善作用；再者熔炼剂通过烧结处理，其吸潮性得到有效改善，降低了药粉的吸潮率；

（4）C元素作为间隙固溶元素，对熔敷金属强度的强化效果非常明显，但是不利于其塑性，容易导致熔敷金属延伸率降低，因此需要控制熔敷金属中的C含量，才能保证其塑性，进而确保延伸率高于26%，同时C元素含量的增加还易引起飞溅增多，不利于电弧的稳定，影响立向上焊接的焊缝成形；

（5）通过调整Ti、B元素含量，以及Si、Mn元素含量，有效控制晶粒的细化，使得熔敷金属延伸率高于26%。

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电流立向上焊接用药芯焊丝，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14.0~14.5%；所述药芯的各组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂ 5.0~5.8%，熔炼剂1.4~1.9%，Si 0.4~0.5%，Mn1.6~2.0%，Mg-Al合金 0.42~0.65%，Ti 0.14~0.21%，B 0.056~0.08%，Fe 余量。本发明所采用的药芯焊丝的成分配比，可最大限度的发挥各组份的优势，能使焊接电流在270~290A时立向上焊接具有良好的焊缝成形，且具备优良延伸率，其熔敷金属延伸率大于26%，具有良好的塑性。

本发明熔炼剂是用钠水玻璃粉将NaF、长石、金红石熔炼而成，其中，钠水玻璃粉、NaF、长石、金红石的质量比1：1：1：3~4，熔炼温度为950℃，熔炼时间2小时。熔炼剂的加入有利于调整熔渣流动性和粘度，使焊缝成形良好。

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，本发明的填充率为14~14.5%。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，采用O型对接的封口方式，将药芯封在低碳钢钢带制成的外皮中，药芯的配方见表1，填充率为14.0~14.5%，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：采用体积百分比含量为100%的CO₂ 保护，在室温25℃，相对湿度80%的条件下，采用本发明实施例提供的药芯焊丝立向上焊接，焊接电流270A~290A。

（1）采用本发明实施例1~5提供的药芯焊丝立向上焊接时焊接电流、焊角尺寸及其对应焊缝凸度见表3。

从表3可以看出，在焊接电流为270~290A时，采用本实施例1~5提供的药芯焊丝立向上焊接，其焊缝凸度小于2.4mm，具有良好的焊缝成形。

本发明实施例1~5所制备的药芯焊丝的熔敷金属的力学性能以及熔敷金属的C含量分别见表4和表5。

从表5可以看出，本发明严格限制焊缝中杂质元素的含量，尤其是C的含量，为0.04~0.06%，不仅能提高焊缝金属强度，还能提高焊缝金属的低温冲击韧性。从表4可以看出，本发明实施例1~5提供的药芯焊丝的熔敷金属的抗拉强度可以到达510MPa以上，下屈服强度可达到410MPa以上，延伸率在26%以上，在-20℃低温冲击功稳定在100J以上，塑性优良，低温冲击韧性优异；本发明的药芯焊丝中加入了自制的熔炼剂经过烧结处理，其吸潮性得到有效改善，降低了药粉的吸潮率，其不仅可以有效控制矿物粉的粒度，使药粉的均匀性更好，而且钠水玻璃粉中自带的Na元素具有良好的稳弧效果，对提高立向上焊接电流有明显改善作用。

（2）斜Y型焊接裂纹试验

对本发明实施例1~5制备的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。

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 (7)

1.一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，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14.0～14.5％；所述药芯的各组分及其占所述药芯焊丝的质量百分比如下：TiO₂ 5.0～5.8％，熔炼剂1.4～1.9％，Si 0.4～0.5％，Mn 1.6～2.0％，Mg-Al合金0.42～0.65％，Ti 0.14～0.21％，B 0.056～0.08％，Fe余量；所述熔炼剂是采用钠水玻璃粉、NaF、长石、金红石按质量比1：1：1：3～4进行熔炼制备而成；所述熔炼剂制备过程中，熔炼温度为900～1000℃，熔炼时间为1～3小时。

2.如权利要求1所述的一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素的质量分数为0.04～0.06％。

3.如权利要求1所述的一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的横截面直径为1.2mm～1.4mm。

4.如权利要求1所述的一种大电流立向上焊接用药芯焊丝，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％。

5.制备如权利要求1～4任一项所述的大电流立向上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。

6.一种如权利要求1～4任一项所述的大电流立向上焊接用药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝用于立向上焊接，焊接电流为270A～290A。

7.如权利要求6所述的大电流立向上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。