CN110181199A - 一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝(简称“焊丝”)。其技术方案是：焊丝由钢带和药芯粉组成：钢带和药芯粉依次为焊丝的76～77wt％和23～24wt％。钢带的化学组分是：C为0.01～0.05wt％，Si为0.50～1.50wt％，Mn为4.00～16.00wt％，Cr为10.00～17.00wt％，P≤0.002wt％，S≤0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；药芯粉的化学组分是：氟化钡为27～33wt％，氟化锂为4～7wt％，氟铝酸钾为2～3wt％，氮化铬为13～16wt％，镁铝合金为10～12wt％，镁粉为5～8wt％，锰粉为20～22wt％，镍粉为8～10wt％，余量为铁粉。本发明焊接时电弧稳定、成型性好和能实现全位置焊接，满足新一代装甲车辆高强度和高塑韧性要求和野外快速修复要求。

Description

一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝
技术领域：
本发明属于高氮装甲钢用自保护药芯焊丝技术领域。特别涉及一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
背景技术：
主战坦克等装甲车辆是地面作战的突击兵器，在野外执行任务过程中不可避免会出现破坏和损伤，需要对破损处进行及时、快速的修复，以保证充分发挥装备的固有能力。野外修复的需求对装甲车辆用高氮装甲钢修复用焊材提出了更高的要求，不仅要满足新型高氮装甲钢的机械性能要求，还要充分考虑野外焊接修复的特点。
新一代装甲车辆用钢是通过较高的氮含量(0.7wt％以上)获得的高强度、高塑韧性、高抗弹性的高氮装甲钢(1Cr22Mn16N高氮钢)。目前装甲车辆的焊接主要采用熔化极气体保护焊、铝热焊和激光焊等焊接工艺。熔化极气体保护焊和激光焊等焊接工艺，由于受到焊接装备的限制，只能在厂房内进行。铝热焊是自蔓燃焊接技术的一种，虽具有操作条件简便、无需电和无需气的特点，但只能进行平面修复，难以实现全位置焊接修复。
自保护药芯焊丝有着以上焊接方法难以比拟的优点：无需外加气体，可在无法运送气瓶的野外场所焊接；抗风能力强，能在8m/s的风速条件下施焊；可实现全位置焊接，操作性强。对于在战场作战的车辆装备受到炮击产生的破损，采用自保护药芯焊丝焊接的方法对其进行快速修复，能迅速重新投入战场，促进战斗力再生。但目前却没有用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，在一定程度上限制了新一代装甲装备野外修复技术的发展。
发明内容：
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝(以下简称“高氮装甲钢用自保护药芯焊丝”)，用所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝焊接时电弧稳定、成型良好和能实现全位置焊接，操作工艺性优良；所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢相匹配，高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属的强度高和塑韧性好；不仅能满足新一代装甲车辆的高强度和高塑韧性的技术要求，且能满足新一代装甲车辆在野外快速修复的技术要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝由钢带和药芯粉组成：所述钢带为所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的76～77wt％，所述药芯粉为高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的23～24wt％。
所述钢带的化学组分是：C为0.01～0.05wt％，Si为0.50～1.50wt％，Mn为4.00～16.00wt％，Cr为10.00～17.00wt％，P≤0.002wt％，S≤0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药芯粉的化学组分是：氟化钡为27～33wt％，氟化锂为4～7wt％，氟铝酸钾为2～3wt％，氮化铬为13～16wt％，镁铝合金为10～12wt％，镁粉为5～8wt％，锰粉为20～22wt％，镍粉为8～10wt％，余量为铁粉。
所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的制备方法是：采用对接O型的封口方式，经拉拔、成型和减径的常规药芯焊丝制造工艺，制得高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
所述氟化钡的纯度≥99％；氟化钡的粒度为0.15～0.20mm。
所述氟化锂的纯度≥99％；氟化锂的粒度为0.15～0.20mm。
所述氟铝酸钾的纯度≥99％；氟铝酸钾的粒度为0.15～0.20mm。
所述氮化铬的化学成分是：氮含量为10～15wt％，铬含量为85～90wt％；氮化铬的粒度≤0.30mm。
所述镁铝合金的化学成分是：镁含量为55～60wt％，铝含量为40～45wt％；镁铝合金的粒度≤0.30mm。
所述镁粉的纯度≥99％；镁粉的粒度≤0.30mm。
所述锰粉的纯度≥99％；锰粉的粒度≤0.30mm。
所述镍粉的纯度≥99％；镍粉的粒度≤0.30mm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明的钢带主要合金元素为Mn和Cr，其中，Mn为4.00～16.00wt％，Cr为10.00～17.00wt％；Mn与Cr合金元素采用钢带过渡的方式，全部过渡到所形成的熔敷金属中，提高了所形成的熔敷金属的强度。
本发明的钢带采用超低碳设计，能有效避免高氮装甲钢用自保护药芯焊丝在拉拔过程中严重的形变强化，减化加工工艺，提高了适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的质量。
本发明的钢带中P≤0.002wt％、S≤0.003wt％，提高了所形成的熔敷金属的纯净度，有利于熔敷金属力学性能的提高，尤其是低温冲击韧性的显著提高。
本发明的药芯粉采用碱性渣系，该碱性渣系有利于合金元素的过渡和去除O、S、P等有害杂质，且熔敷金属中的扩散氢含量较低。因此，熔敷金属具有塑韧性高和抗裂性优良的力学性能，满足新一代装甲装备的高强度和高塑韧性的技术要求。
本发明在药芯粉中采用氟化钡，其熔渣能在较高温度下凝固，且凝固速度快，满足全位置焊接的要求。在氟化钡中，钡的电离电位为5.21V，小于钙的6.11V，钡比钙更加容易电离，能使电弧更加稳定，保证良好的操作工艺性，因此，本发明中的氟化钡加入量为所述药芯粉的27～33wt％。
本发明的药芯粉中所采用的氟化锂，一方面可以去氢，另一方面适量添加可稳定电弧；但加入氟化锂数量过大时，电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘；加入氟化锂数量过少时，去氢能力不足，容易出现气孔压坑。因此，本发明中的氟化锂的加入量为所述药芯粉的4～7wt％，保证了去氢能力，提高了抗气孔性。
本发明的药芯粉中所采用的氟铝酸钾可以去氢，适量添加可起到稳定电弧和造渣作用。因此，本发明中的氟铝酸钾加入量为所述药芯粉的2～3wt％。
本发明的药芯粉中所采用的镁铝合金是自保护焊丝中重要的脱氧剂，如果熔敷金属中铝含量增加，其含氧量、氮含量明显下降，抗气孔性能明显上升。铝能有效减小焊缝气孔的敏感性，其主要原因是脱氧能力非常强。另一方面，铝与氮有很强的结合力，能形成稳定的氮化物，该氮化物不溶于焊缝金属中而熔于熔渣，一定量的铝可以保证抗气孔性能。因此，本发明中的镁铝合金加入量为所述药芯粉的10～12wt％。
本发明的药芯粉中所采用的镁粉是强脱氧剂，主要提高抗气孔性能，与镁铝合金配合使用既能提高抗气孔性能，又不会过渡到熔敷金属中，影响其力学性能。因此，本发明中的镁粉加入量为所述药芯粉的5～8wt％。
本发明的药芯粉中所采用的锰粉是主要脱氧剂，也是主要的固氮元素，锰还具有提高氮的溶解度和奥氏体组织稳定性的作用，因此，控制锰粉的加入量为所述药芯的20～22wt％，能有效提供奥氏体焊缝金属的抗裂性。
本发明的药芯粉中所采用的氮化铬是过渡氮元素的主要组分，氮元素在熔敷金属中的溶解度随着铬的增加而增大；此外，铬元素在铁中的扩散速度较慢，它与碳原子交互作用也降低碳的扩散，从而提高奥氏体的稳定性。因此，本发明中的氮化铬加入量为所述药芯粉的13～16wt％，使所形成的熔敷金属的含氮量在0.6wt％以上、奥氏体含量在97wt％以上，提高熔敷金属的高强度和高塑韧性。
本发明的药芯粉中所采用的镍粉是提高熔敷金属塑韧性的有效元素，但含量过高会降低氮在焊缝中的溶解度。因此，本发明中的镍粉加入量为所述药芯粉的8～10wt％，有效提高了所形成熔敷金属的塑韧性。
本发明的药芯粉中采用铁粉能改善焊接电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入，能保证高氮装甲钢用自保护药芯焊丝焊接时，电弧稳定，熔敷金属成型好，能实现全位置焊接，操作工艺性优良。
本发明的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属经检测：抗拉强度为820～950MPa；延伸率为30～40％；-40℃冲击韧性为50～72J；奥氏体含量≥97wt％；N含量≥0.62wt％；扩散氢含量≤3.47ml/100g。
因此，本发明的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝在焊接时电弧稳定、成型性好和能实现全位置焊接，操作工艺性优良；所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢相匹配，高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属的强度高和塑韧性好；不仅能满足新一代装甲车辆的高强度和高塑韧性的技术要求，且能满足新一代装甲车辆在战场和野外快速修复的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：
本具体实施方式中：
所述氟化钡的纯度≥99％；氟化钡的粒度为0.15～0.20mm。
所述氟化锂的纯度≥99％；氟化锂的粒度为0.15～0.20mm。
所述氟铝酸钾的纯度≥99％；氟铝酸钾的粒度为0.15～0.20mm。
所述氮化铬的化学成分是：氮含量为10～15wt％，铬含量为85～90wt％；氮化铬的粒度≤0.30mm。
所述镁铝合金的化学成分是：镁含量为55～60wt％，铝含量为40～45wt％；镁铝合金的粒度≤0.30mm。
所述镁粉的纯度≥99％；镁粉的粒度≤0.30mm。
所述锰粉的纯度≥99％；锰粉的粒度≤0.30mm。
所述镍粉的纯度≥99％；镍粉的粒度≤0.30mm。
所述高氮装甲钢为1Cr22Mn16N高氮钢板，厚度为20mm，长度为500mm；焊接坡口为V型，单面角度为45°。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。所述钢带为高氮自保护药芯焊丝的76～77wt％；所述药芯粉为高氮自保护药芯焊丝的23～24wt％。
所述钢带的化学组分为：C为0.03～0.04wt％；Si为1.20～1.50wt％；Mn为4.00～7.00wt％；Cr为14.00～15.50wt％；P≤0.002wt％，S≤0.003wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药芯粉的化学组分是：氟化钡为31～33wt％，氟化锂为4～5wt％，氟铝酸钾为2.6～3.0wt％，氮化铬为15～16wt％，镁铝合金为10.5～11.3wt％，镁粉为5～6wt％，锰粉为20～20.7wt％，镍粉为8～8.8wt％，余量为铁粉。
所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的制备方法是：采用对接O型的封口方式，经拉拔、成型和减径的常规药芯焊丝制造工艺，制得直径为1.6mm的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
本实施例采用的焊接工艺参数：电弧电压为19～20V，焊接电流为210～220A，焊接速度为9～12mm/min。
本实施例的高氮自保护药芯焊丝用于高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属经检测：抗拉强度为910～950MPa；延伸率为30～38％；-40冲击韧性为55～65J。奥氏体含量≥97％；N含量≥0.68wt％；扩散氢含量≤2.76ml/100g。
实施例2
一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。所述钢带为高氮自保护药芯焊丝的76～77wt％；所述药芯粉为高氮自保护药芯焊丝的23～24wt％。
所述钢带的化学组分为：C为0.04～0.05wt％；Si为0.75～1.20wt％；Mn为7.00～11.00wt％；Cr为15.50～17.00wt％；P≤0.0018wt％，S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药芯粉的化学组分是：氟化钡为29～31wt％，氟化锂为5～6wt％，氟铝酸钾为2.0～2.3wt％，氮化铬为13～14wt％，镁铝合金为11.3～12wt％，镁粉为7～8wt％，锰粉为21.2～22wt％，镍粉为8.8～9.3wt％，余量为铁粉。
所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的制备方法是：采用对接O型的封口方式，经拉拔、成型和减径的常规药芯焊丝制造工艺，制得直径为3.0mm的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
本实施例采用的焊接工艺参数：电弧电压为19～20V，焊接电流为220～230A，焊接速度为9～12mm/min。
本实施例的高氮自保护药芯焊丝用于高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属经检测：抗拉强度为875～922MPa；延伸率为34～36％；-40冲击韧性为60～68J。奥氏体含量≥98％；N含量≥0.62wt％；扩散氢含量≤3.47ml/100g。
实施例3
一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。所述钢带为高氮自保护药芯焊丝的76～77wt％；所述药芯粉为高氮自保护药芯焊丝的23～24wt％。
所述钢带的化学组分为：C为0.01～0.03wt％；Si为0.50～0.75wt％；Mn为11.00～15.00wt％；Cr为10.00～14.00wt％；P≤0.0015wt％，S≤0.002wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药芯粉的化学组分是：氟化钡为27～29wt％，氟化锂为6～7wt％，氟铝酸钾为2.3～2.6wt％，氮化铬为14～15wt％，镁铝合金为10～10.5wt％，镁粉为6～7wt％，锰粉为20.7～21.2wt％，镍粉为9.3～10wt％，余量为铁粉。
所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的制备方法是：采用对接O型的封口方式，经拉拔、成型和减径的常规药芯焊丝制造工艺，制得直径为2.4mm的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
本实施例采用的焊接工艺参数：电弧电压为19～20V；焊接电流为230～240A；焊接速度为9～12mm/min。
本实施例的高氮自保护药芯焊丝用于高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属的力学性能经检测：抗拉强度为820～905MPa；延伸率为35～40％；-40冲击韧性为64～72J。奥氏体含量≥99％；N含量≥0.77wt％；扩散氢含量≤2.87ml/100g。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式的钢带主要合金元素为Mn和Cr，其中，Mn为4.00～16.00wt％，Cr为10.00～17.00wt％；Mn与Cr合金元素采用钢带过渡的方式，全部过渡到所形成的熔敷金属中，提高了所形成的熔敷金属的强度。
本具体实施方式的钢带采用超低碳设计，能有效避免高氮装甲钢用自保护药芯焊丝在拉拔过程中严重的形变强化，减化加工工艺，提高了适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的质量。
本具体实施方式的钢带中P≤0.002wt％、S≤0.003wt％，提高了所形成的熔敷金属的纯净度，有利于熔敷金属力学性能的提高，尤其是低温冲击韧性的显著提高。
本具体实施方式的药芯粉采用碱性渣系，该碱性渣系有利于合金元素的过渡和去除O、S、P等有害杂质，且熔敷金属中的扩散氢含量较低。因此，熔敷金属具有塑韧性高和抗裂性优良的力学性能，满足新一代装甲装备的高强度和高塑韧性的技术要求。
本具体实施方式在药芯粉中采用氟化钡，其熔渣能在较高温度下凝固，且凝固速度快，满足全位置焊接的要求。在氟化钡中，钡的电离电位为5.21V，小于钙的6.11V，钡比钙更加容易电离，能使电弧更加稳定，保证良好的操作工艺性，因此，本具体实施方式中的氟化钡加入量为所述药芯粉的27～33wt％。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的氟化锂，一方面可以去氢，另一方面适量添加可稳定电弧；但加入氟化锂数量过大时，电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘；加入氟化锂数量过少时，去氢能力不足，容易出现气孔压坑。因此，本具体实施方式中的氟化锂的加入量为所述药芯粉的4～7wt％，保证了去氢能力，提高了抗气孔性。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的氟铝酸钾可以去氢，适量添加可起到稳定电弧和造渣作用。因此，本具体实施方式中的氟铝酸钾加入量为所述药芯粉的2～3wt％。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的镁铝合金是自保护焊丝中重要的脱氧剂，如果熔敷金属中铝含量增加，其含氧量、氮含量明显下降，抗气孔性能明显上升。铝能有效减小焊缝气孔的敏感性，其主要原因是脱氧能力非常强。另一方面，铝与氮有很强的结合力，能形成稳定的氮化物，该氮化物不溶于焊缝金属中而熔于熔渣，一定量的铝可以保证抗气孔性能。因此，本具体实施方式中的镁铝合金加入量为所述药芯粉的10～12wt％。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的镁粉是强脱氧剂，主要提高抗气孔性能，与镁铝合金配合使用既能提高抗气孔性能，又不会过渡到熔敷金属中，影响其力学性能。因此，本具体实施方式中的镁粉加入量为所述药芯粉的5～8wt％。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的锰粉是主要脱氧剂，也是主要的固氮元素，锰还具有提高氮的溶解度和奥氏体组织稳定性的作用，因此，控制锰粉的加入量为所述药芯的20～22wt％，能有效提供奥氏体焊缝金属的抗裂性。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的氮化铬是过渡氮元素的主要组分，氮元素在熔敷金属中的溶解度随着铬的增加而增大；此外，铬元素在铁中的扩散速度较慢，它与碳原子交互作用也降低碳的扩散，从而提高奥氏体的稳定性。因此，本具体实施方式中的氮化铬加入量为所述药芯粉的13～16wt％，使所形成的熔敷金属的含氮量在0.6wt％以上、奥氏体含量在97wt％以上，提高熔敷金属的高强度和高塑韧性。
本具体实施方式的药芯粉中所采用的镍粉是提高熔敷金属塑韧性的有效元素，但含量过高会降低氮在焊缝中的溶解度。因此，本具体实施方式中的镍粉加入量为所述药芯粉的8～10wt％，有效提高了所形成熔敷金属的塑韧性。
本具体实施方式的药芯粉中采用铁粉能改善焊接电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入，能保证高氮装甲钢用自保护药芯焊丝焊接时，电弧稳定，熔敷金属成型好，能实现全位置焊接，操作工艺性优良。
本具体实施方式的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属经检测：抗拉强度为820～950MPa；延伸率为30～40％；-40℃冲击韧性为50～72J；奥氏体含量≥97wt％；N含量≥0.62wt％；扩散氢含量≤3.47ml/100g。
因此，本具体实施方式的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝在焊接时电弧稳定、成型性好和能实现全位置焊接，操作工艺性优良；所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢相匹配，高氮装甲钢用自保护药芯焊丝与高氮装甲钢焊接所形成的焊缝金属的强度高和塑韧性好；不仅能满足新一代装甲车辆的高强度和高塑韧性的技术要求，且能满足新一代装甲车辆在战场和野外快速修复的技术要求。

Claims (9)

1.一种适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝由钢带和药芯粉组成：所述钢带为所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的76～77wt％，所述药芯粉为高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的23～24wt％；
所述钢带的化学组分是：C为0.01～0.05wt％，Si为0.50～1.50wt％，Mn为4.00～16.00wt％，Cr为10.00～17.00wt％，P≤0.002wt％，S≤0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述药芯粉的化学组分是：氟化钡为27～33wt％，氟化锂为4～7wt％，氟铝酸钾为2～3wt％，氮化铬为13～16wt％，镁铝合金为10～12wt％，镁粉为5～8wt％，锰粉为20～22wt％，镍粉为8～10wt％，余量为铁粉；
所述高氮装甲钢用自保护药芯焊丝的制备方法是：采用对接O型的封口方式，经拉拔、成型和减径的常规药芯焊丝制造工艺，制得高氮装甲钢用自保护药芯焊丝。
2.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述氟化钡的纯度≥99％；氟化钡的粒度为0.15～0.20mm。
3.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述氟化锂的纯度≥99％；氟化锂的粒度为0.15～0.20mm。
4.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述氟铝酸钾的纯度≥99％；氟铝酸钾的粒度为0.15～0.20mm。
5.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述氮化铬的化学成分是：氮含量为10～15wt％，铬含量为85～90wt％；氮化铬的粒度≤0.30mm。
6.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述镁铝合金的化学成分是：镁含量为55～60wt％，铝含量为40～45wt％；镁铝合金的粒度≤0.30mm。
7.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述镁粉的纯度≥99％；镁粉的粒度≤0.30mm。
8.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述锰粉的纯度≥99％；锰粉的粒度≤0.30mm。
9.根据权利要求1所述的适用于全位置焊接的高氮装甲钢用自保护药芯焊丝，其特征在于所述镍粉的纯度≥99％；镍粉的粒度≤0.30mm。
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