CN109759744B

CN109759744B - 一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝及应用

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Publication number: CN109759744B
Application number: CN201910064465.6A
Authority: CN
Inventors: 张文军; 王亚彬; 范会卿
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109759744A

Abstract

本发明公开了一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝及应用，属于焊接材料技术领域。一种焊丝药粉，包括如下按质量百分比计的组分：1%‑2%的氟硅酸钠、0.2%‑1%的硅微粉、5%‑10%的电解金属锰、3%‑8%的高碳锰铁、10%‑20%的硅铁、3%‑5%的钛铁、20%‑30%的雾化镍粉，余量为铁粉及不可避免的杂质。可热处理无缝药芯焊丝是采用上述焊丝药粉及钢带外皮制备的。该可热处理无缝药芯焊丝焊接的09MnNiDR低温钢热处理后具有超低扩散氢，力学性能稳定，强度合适，‑70℃时的冲击功平均值为大于125J，因此，该药芯焊丝适用于低温压力容器的焊接。

Description

一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝及应用

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝，以及该药芯焊丝在焊接低温压力容器领域的应用。

背景技术

随着我国工业的发展，低温压力容器的建造逐年增多，其中，09MnNiDR低温钢因焊接性好、适于低温使用而成为建造低温压力容器的常用钢。为保证09MnNiDR低温钢压力容器设备的安全性，此类钢所匹配的焊材有严格的要求：焊缝金属具有良好的低温韧性、焊材具有良好的焊接工艺性、焊缝金属扩散氢低等。无缝药芯焊丝具有超低扩散氢、工艺性优良、抗吸潮性优异、自动化适应能力强等优点，因而在09MnNiDR低温钢建造的低温压力容器焊接方面具有广阔的发展前景。

在生产实践中为了消除和降低压力容器焊接过程中的产生的应力，避免焊接结构产生裂纹，一般会对焊接后的压力容器进行热处理。现有技术生产的药芯焊丝由于已吸潮扩散氢含量大(>2ml/100g)，而且热处理后力学性能恶化严重而不能满足使用要求。因而，开发一种符合要求的且能够进行热处理的适于焊接09MnNiDR低温钢压力容器的焊材十分重要。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种焊丝药粉。

本发明的另一目的在于提供一种可热处理无缝药芯焊丝，该无缝药芯焊丝具有良好的焊接工艺性，焊缝金属经620℃×1h热处理后具有超低扩散氢和良好的低温冲击韧性，

本发明的再一目的是提供上述药芯焊丝在低温压力容器焊接领域的应用。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种焊丝药粉，该焊丝药粉包括如下按质量百分比计的组分：1％-2％的氟硅酸钠、0.2％-1％的硅微粉、5％-10％的电解金属锰、3％-8％的高碳锰铁、10％-20％的硅铁、3％-5％的钛铁、20％-30％的雾化镍粉，余量为铁粉及不可避免的杂质。

优选地，所述焊丝药粉包括如下按质量百分比计的组分：1％的氟硅酸钠、1％的硅微粉、5.5％的电解金属锰、8％的高碳锰铁、20％的硅铁、3％的钛铁、21％的雾化镍粉，余量为铁粉。

优选地，所述氟硅酸钠的粒度为80目，其化学成分为：Na2SiF6≥97.0％；

所述硅微粉的粒度为300目，其化学成分为：SiO₂≥98.0％，S≤0.010％，P≤0.010％；

所述高碳锰铁的粒度为80目，其化学成分为：C≤7.0％，Mn 65-72％，Si≤4.5％，S≤0.020％，P≤0.150％；

所述硅铁的粒度为80目，其化学成分为：Si 43.0-47.0％，C≤0.020％，S≤0.010％，P≤0.010％；

所述钛铁的粒度为80目，其化学成分为：Ti 25-35％，C≤0.1％，S≤0.03％，P≤0.05％，Al≤8.0％，Si≤4.5％；

所述雾化镍粉的粒度为80目，其化学成分为：Ni+Co≥99.5％，C≤0.05％，S≤0.005％，P≤0.005％；

所述铁粉的粒度为80目，其化学成分为：Fe≥98.0％，S≤0.025％，P≤0.020％，C≤0.03％。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种可热处理无缝药芯焊丝，包含上述焊丝药粉。

优选地，一种可热处理无缝药芯焊丝，其由外皮和上述焊丝药粉组成，所述外皮采用低碳钢带，所述外皮中所含元素的质量百分比为：C 0.02％，Si 0.01％，Mn 0.21％，S0.005％，P 0.01％，Fe余量。

优选地，所述焊丝药粉的填充率为8％-12％。

为实现上述目的，本发明第三方面提供了可热处理无缝药芯焊丝在低温压力容器焊接领域中的应用。

优选地，可热处理无缝药芯焊丝用于09MnNiDR低温钢压力容器的焊接。

本发明焊丝药粉中各组分的作用是：

本发明所述的无缝药芯焊丝具有高的熔敷效率，但一般药芯焊丝的全位置焊接工艺性不良，为改善焊丝的全位置焊接工艺性，加入部分氟硅酸钠以改善工艺性，同时氟硅酸钠的加入也可改善焊接过程的电弧稳定性，但其加入量过多会导致焊缝金属渣量增加，失去焊丝优势，因此氟硅酸钠加入量以1％-2％为宜。

本发明所述的无缝药芯焊丝中添加硅微粉，其主要成分为SiO₂，硅微粉的加入也可以改善焊丝的全位置焊接工艺性，改善焊接过程液态金属的流动性。为保证焊接完成后渣量合适，其加入量为0.2％-1％。需要特别提出的是，本发明所述药芯焊丝中添加的硅微粉粒度需严格控制，若粒度大于300目，焊丝拉丝受到影响，不能顺利得到目标直径焊丝，经过多次试验，确定合适粒度为全通过300目。

本发明中所述的无缝药芯焊丝添加电解金属锰作为合金剂引入，以满足最终熔敷金属的成分，同时又对焊缝金属的强度和韧性产生影响，若电解金属锰的加入量过低，则会影响焊缝金属的强度；相反，若加入量过高，则会导致焊缝金属强度过高，进而影响焊缝金属韧性，因此，电解金属锰的合理的加入量为5％-10％。

本发明中所述的无缝药芯焊丝添加高碳锰铁主要有两方面作用：一方面，高碳锰铁中的碳元素和锰元素可产生强烈的脱氧作用，以改善焊缝金属的冲击韧性；另一方面，碳和锰可以过渡进入焊缝金属中，调节焊缝金属强度。若高碳锰铁加入量过低，则脱氧效果不明显，相反，若加入量过高，则会导致碳和锰过渡增多，过多的增强焊缝金属强度，因此，高碳锰铁的合理的加入量为3％-8％。

本发明中所述的无缝药芯焊丝添加硅铁作用与高碳锰铁作用相似，即脱氧与合金过渡，若硅铁加入量过低，则脱氧效果不明显，相反，若加入量过高，则会导致Si过渡进入焊缝金属中的量增多，过多的增强焊缝强度，因此，硅铁的合理的加入量为10％-20％。

本发明中所述的无缝药芯焊丝添加钛铁作用主要为脱氧，其脱氧产物具有防止晶粒粗大，细化晶粒的作用，此外，脱氧产物可以促进焊缝中针状铁素体的形成，提高焊缝金属的韧性。钛铁的合理的加入量为3％-5％。

本发明中所述的无缝药芯焊丝添加雾化镍粉，雾化镍粉是以纯镍为原料采用雾化法制备的，其主要作用是调节焊缝金属成分以匹配09MnNiDR低温钢的成分，但雾化镍粉加入量过多会提高焊缝的热裂纹敏感性，因此雾化镍粉合理的加入量为20％-30％。

本发明中各化学成分的作用是：

碳是固溶强化保证熔敷金属强度的重要元素，同时一定的碳含量能够降低焊丝短路过渡的飞溅。

硅是重要的脱氧元素，同时也是强化元素，一定量的硅对于提高强度和韧性具有重要作用，但是过量的硅会恶化焊缝金属低温韧性。

锰是重要的脱氧元素，同时也是强化元素，一定量的锰能够降低奥氏体转变温度，细化晶粒，这对于提高强度和韧性具有重要作用，过量的锰会导致强度过高，恶化低温韧性。

镍作为一种奥氏体化元素，不仅能够提高焊缝金属强度，同时可以促进韧脆转变温度向低温区移动，保证焊缝金属韧性。

铁具有调节填充率和改善焊接电弧稳定性的作用，但是过量的铁会产生大量飞溅。

有益效果：

如上所述，本发明的一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝及应用，具有以下有益效果：

1：本发明制备的无缝药芯焊丝焊接工艺性良好，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：本发明制备的药芯焊丝焊接的09MnNiDR低温钢热处理后具有超低扩散氢，力学性能稳定，强度合适，-70℃时的冲击功平均值为大于125J。

3：本发明制备的可热处理无缝药芯焊丝适用于低温压力容器的焊接，尤其适用于09MnNiDR低温钢压力容器的焊接。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种焊丝药粉包括如下组分：1％-2％的氟硅酸钠、0.2％-1％的硅微粉、5％-10％的电解金属锰、3％-8％的高碳锰铁、10％-20％的硅铁、3％-5％的钛铁、20％-30％的雾化镍粉，余量为铁粉及不可避免的杂质。

本发明无缝药芯焊丝的制备方法是：采用在线同步添加焊丝药粉，添加焊丝药粉后的低碳钢带外皮，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径至合适直径，进而制备出无缝药芯焊丝。

本发明的无缝药芯焊丝，最终产品焊丝的直径为1.2mm、1.4mm，所述药芯粉的填充率为8％-12％。

焊丝药粉和药芯焊丝主要用于低温压力容器的焊接。

下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示质量百分比。

实施例1

一种焊丝药粉包括如下组分：1％的氟硅酸钠、1％的硅微粉、5.5％的电解金属锰、8％的高碳锰铁、20％的硅铁、3％的钛铁、21％的雾化镍粉，余量为铁粉。

一种可热处理无缝药芯焊丝，包括上述焊丝药粉和外皮，其中外皮采用低碳钢带，无缝药芯焊丝的制备方法为：采用在线同步添加焊丝药粉，添加焊丝药粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径，制备出直径为1.2mm的无缝药芯焊丝。其中，所述药芯粉的填充率为8％。

实施例2

一种焊丝药粉包括如下组分：1.5％的氟硅酸钠、0.8％的硅微粉、8％的电解金属锰、5％的高碳锰铁、16％的硅铁、5％的钛铁、26％的雾化镍粉，余量为铁粉。

一种可热处理无缝药芯焊丝，包括上述焊丝药粉和外皮，其中外皮采用低碳钢带，无缝药芯焊丝的制备方法为：采用在线同步添加焊丝药粉，添加焊丝药粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径，进而制备出直径为1.2mm的无缝药芯焊丝。其中，所述药芯粉的填充率为10％。

实施例3

一种焊丝药粉包括如下组分：1.9％的氟硅酸钠、0.2％的硅微粉、10％的电解金属锰、3.2％的高碳锰铁、11％的硅铁、5％的钛铁、30％的雾化镍粉，余量为铁粉。

一种可热处理无缝药芯焊丝，包括上述焊丝药粉和外皮，其中外皮采用低碳钢带，无缝药芯焊丝的制备方法为：采用在线同步添加焊丝药粉，添加焊丝药粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径，进而制备出直径为1.4mm的无缝药芯焊丝。其中，所述药芯粉的填充率为12％。

效果实施例

(1)、实施例1-3中焊丝药粉的组分的化学成分要求如表1所示。

表1实施例1-3中焊丝药粉的组分的化学成分要求

原材料名称	粒度(目)	化学成分(％)
			氟硅酸钠	80	Na2SiF6≥97.0
硅微粉	300	SiO<sub>2</sub>≥98.0，S≤0.010，P≤0.010
			高碳锰铁	80	C≤7.0，Mn65-72，Si≤4.5，S≤0.020，P≤0.150
硅铁	80	Si43.0-47.0，C≤0.020，S≤0.010，P≤0.010
			钛铁	80	Ti25-35，C≤0.1，S≤0.03，P≤0.05，Al≤8.0，Si≤4.5
铁粉	80	Fe≥98.0，S≤0.025，P≤0.020，C≤0.03
			雾化镍粉	80	Ni+Co≥99.5，C≤0.05，S≤0.005，P≤0.005

(2)、实施例1-3中低碳钢带外皮的化学成分要求和力学性能要求如表2和表3所示。

表2实施例1-3中低碳钢带外皮的化学成分要求(％)

化学成分

C

Mn

Si

S

P

Fe

要求值

0.02

0.21

0.01

0.005

0.01

余量

表3实施例1-3中低碳钢带外皮的力学性能要求

性能	显微硬度(HV)	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
				要求值	178	330	47

(3)、将制备的无缝药芯焊丝，按照如下规范焊接09MnNiDR低温钢：保护气体组成为80％Ar+20％CO₂，气体流量20L/min-25L/min，焊接电流为220A-260A，焊接电压为24V-26V，焊接速度为30cm/min-40cm/min，实施例1-3中可热处理无缝药芯焊丝的熔敷金属的化学成分如表4所示。

表4实施例1-3可热处理无缝药芯焊丝的熔敷金属的化学成分(％)

	C	Si	Mn	Ni	S	P
							实施例1	0.051	0.281	1.06	2.14	0.005	0.014
实施例2	0.046	0.255	0.86	2.51	0.0052	0.013
							实施例3	0.042	0.211	0.77	2.92	0.005	0.014

(4)、将焊接后的09MnNiDR低温钢在热处理炉进行620℃×1h的热处理，热处理后熔覆金属的力学性能和扩散氢含量的结果如表5和表6所示。

表5实施例1-3中热处理后无缝药芯焊丝的熔敷金属的力学性能

表6实施例1-3中热处理后无缝药芯焊丝熔敷金属的扩散氢含量

	扩散氢含量(ml/100g)
		实施例1	1.56
实施例2	1.65
		实施例3	1.49

由表5可知，实施例1-3制备的可热处理无缝药芯焊丝的熔敷金属力学性能均符合要求，且实施例1制备的可热处理无缝药芯焊丝的熔敷金属力学性能优于另外两组实施例，通过表4的熔敷金属的化学成分可知，实施例1中的C、Si、Mn元素均高于另外两组实施例，而Ni的含量低于其余实施例，其中，C、Si、Mn元素能够提高无缝药芯焊丝的强度和韧性，而Ni元素含量较高时会增大热裂纹的倾向。因此，在权利要求限定的无缝药芯焊丝的药粉各组分的范围内，适当提高C、Si、Mn元素含量的同时降低Ni元素含量有利于提高制备的药芯焊丝的力学性能。由表6可知，实施例1-3制备的可热处理无缝药芯焊丝的熔敷金属的扩散氢含量均小于1.70ml/100g，明显低于现有技术制备的药芯焊丝的扩散氢含量(大于2.0ml/100g)，实施例1-3制备的可热处理无缝药芯焊丝的低扩散氢效果优。

综上可知，本发明制备的可热处理无缝药芯焊丝焊接后的09MnNiDR低温钢热处理后力学性能稳定，强度合适，延伸率和断面收缩率均符合要求，-70℃时的冲击功平均值大于125J，具有超低扩散氢，因此，该可热处理无缝药芯焊丝适用于以09MnNiDR低温钢为代表的压力容器的焊接。

以上对本发明所提供的一种焊丝药粉、可热处理无缝药芯焊丝及应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种焊丝药粉，其特征在于，包括如下按质量百分比计的组分：1%-2%的氟硅酸钠、0.2%-1%的硅微粉、5%-10%的电解金属锰、3%-8%的高碳锰铁、10%-20%的硅铁、3%-5%的钛铁、20%-30%的雾化镍粉，余量为铁粉及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种焊丝药粉，其特征在于：包括如下按质量百分比计的组分：1%的氟硅酸钠、1%的硅微粉、5.5%的电解金属锰、8%的高碳锰铁、20%的硅铁、3%的钛铁、21%的雾化镍粉，余量为铁粉。

3.根据权利要求1所述的一种焊丝药粉，其特征在于：

所述氟硅酸钠的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：Na₂SiF₆≥97.0%；

所述硅微粉的粒度为300目，其化学成分以质量百分比计为：SiO₂≥98.0%，S≤0.010%，P≤0.010%；

所述高碳锰铁的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：C≤7.0%，Mn 65-72%，Si≤4.5%，S≤0.020%，P≤0.150%；

所述硅铁的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：Si 43.0-47.0%，C≤0.020%，S≤0.010%，P≤0.010%；

所述钛铁的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：Ti 25-35%，C≤0.1%，S≤0.03%，P≤0.05%，Al≤8.0%，Si≤4.5%；

所述雾化镍粉的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：Ni+Co≥99.5%，C≤0.05%，S≤0.005%，P≤0.005%；

所述铁粉的粒度为80目，其化学成分以质量百分比计为：Fe≥98.0%，S≤0.025%，P≤0.020%，C≤0.03%。

4.一种可热处理无缝药芯焊丝，其特征在于包含权利要求1-3任一项所述的焊丝药粉。

5.根据权利要求4所述的一种可热处理无缝药芯焊丝，其特征在于，其由外皮和焊丝药粉组成，所述外皮采用低碳钢带，所述外皮中所含元素的质量百分比为：C 0.02%，Si0.01%，Mn 0.21%，S 0.005%，P 0.01%，Fe 余量。

6.根据权利要求5所述的一种可热处理无缝药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝药粉的填充率为8%-12%。

7.一种根据权利要求4-6任一项所述的可热处理无缝药芯焊丝在低温压力容器焊接领域中的应用。