CN110497113B - 一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，其解决了现有焊接材料适用范围有限、焊接效果较差的的技术问题，其设有外层金属皮和内部药芯，其特征是，所述外层金属皮为纯镍带，所述内部药芯成分由产热剂、造气造渣剂、稳弧剂及合金剂组成，各组成成分的质量百分比为：稳弧剂2‑10％，产热剂10‑50％，合金剂10‑30％，余为造气造渣剂。本发明可广泛用于水下湿法焊接领域。

Description

一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝
技术领域
本发明涉及一种焊接材料，具体地说，涉及一种水下湿法焊接自保护药芯焊丝。
背景技术
目前，越来越多的金属结构服役于水下环境，如核电站压水堆蓄水池、海洋平台等，为了保证这些结构的正常稳定运行，亟需发展水下焊接技术。水下湿法焊接作为一种特殊环境下的技术，由于其设备简单，成本低及适应强的优势，在沉船打捞、海底石油管道铺设等领域受到较多的关注。尽管我国这几年在水下湿法焊接方面取得较大发展，但湿法焊接接头扩散氢含量高，氢致裂纹倾向较大，仍然制约水下湿法焊接技术的应用，同时现有的水下湿法焊接专用材料种类少，性能偏低，因此，必须下更大力度开发新型的焊接工艺及焊接材料。工艺的改进可以一定程度上改善水下焊接质量，研制新型的水下湿法焊接材料是更为有效的手段。
水下湿法焊接专用焊材中，水下专用焊条的研究较多，中国专利CN 103084759A、102773634B及103317261A各公开了一种水下湿法专用焊条。但焊条使用时，需要频繁更换，降低焊接效率，增加水下焊工下潜时间。
中国专利CN 103084761A及107442966A公开了一种低合金钢用水下湿法焊接自保护药芯焊丝，均以金红石为渣系主要成分。中国专利 CN104057214A及CN106964918A公开了一种镍基自保护药芯焊丝，其以 CaF2为渣系主要组分，也可满足一般强度要求的中低碳钢及低合金高强钢结构的水下焊接需求。上述公开的几类低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，适用的母材主要是碳钢及低合金钢，无法对不锈钢及镍基合金进行焊接。同时，中国专利CN104057214A及CN106964918A专利公开的镍基药芯焊丝含有大量的CaF2，在热输入超过22kJ/cm时，焊接过程稳定性变差，限制了其应用。
中国专利CN101444876A及CN102151982A分别公开一种手工热剂焊条(笔)，均是以铝热剂的产热作为热源实现焊接过程，一方面该类型的焊条制备工艺复杂，所需药芯需要高能球磨，效率低下，焊后接头性能较差，无法获得高性能的焊缝，仅适合焊接碳当量较小的钢种及铜合金。中国专利CN 104690419 A公开了一种适合野外作业的水下自蔓延焊接装置及其药芯组分，其装置较为复杂，仅适合用于水深较小的情况下，且焊缝质量较差。
发明内容
本发明就是为了解决现有焊接材料适用范围有限、焊接效果较差的的技术问题，提供一种焊接效果好的低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝。
为此，本发明提供一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，其设有外层金属皮和内部药芯，所述外层金属皮为纯镍带，所述内部药芯成分由产热剂、造气造渣剂、稳弧剂及合金剂组成，各组成成分的质量百分比为：稳弧剂2-10％，产热剂10-50％，合金剂10-30％，余为造气造渣剂。
优选的，所述造气造渣剂由萤石、BaF2或氟铝酸钠组成，所述萤石所占造气造渣剂质量百分比为70-90％，BaF2所占造气造渣剂质量百分比为3-20％，氟铝酸钠所占造气造渣剂质量百分比为0-10％。
优选的，所述产热剂由Al/CuO和Al/NiO两种体系组成，所述产热剂中，Al/CuO:Al/NiO质量比为1:(1-5)，所述Al粉的添加量为：满足产热剂放热反应完全时铝粉量的2～10倍。
优选的，所述药芯中含有镁粉和二氧化硅，所述镁粉占所述药芯的质量百分比为1-5％，所述二氧化硅占所述药芯的质量百分比含量为 2-10％。
优选的，所述药芯中含有占所述药芯的质量百分比含量10-30％的合金剂，所述合金粉含有占所述药芯的质量百分比含量的如下成份：Mn粉 0-5％，铁粉0-5％，Cu粉1-5％，铬铁5％-15％，钼铁3-10％。
本发明中，氟化物是含量较多的成分，通过优化其组成及配比，实现对水下焊接过程的渣气联合保护。氟化钙中F离子较强的反电离作用，会恶化电弧稳定性，通过加入适量的BaF2，借助Ba离子的低电离电位，提高镍基药芯焊丝的工艺性能，氟铝酸钠也可起到造渣稳弧作用。
本发明中，加入的热剂的作用是提高焊接质量，一方面通过加入熔化热较低Al/NiO，促进药芯焊丝的熔化，改善镍基药芯焊丝在较大焊接规范下的工艺性能，其次，Al/CuO反应产物Cu在焊缝金属中起到固溶强化的作用，提高焊缝金属的抗拉强度及冲击韧性。“/”的含义为Al和 CuO二者整体为一种热剂，Al/NiO“/”的含义与此相同。
本发明中，加入的合金剂目的是提高焊缝金属综合性能，一方面合金元素过渡到焊缝金属中，形成Fe-Cr-Mn-Mo-Ni体系的焊缝金属，以保证焊缝金属具有高的力学性能，此外，Cr及Mo元素的添加可以保证焊缝金属的耐蚀性。
本发明中，镍基填充金属的选用，一方面为了保证焊缝金属的力学性能，此外，由于镍基焊缝金属是奥氏体型，可有效地降低扩散到热影响区的扩散氢含量，同时考虑到药芯中含有较多的氟化物，通过F与H 的反应，进一步降低焊缝金属中扩散氢含量，进而缓解焊接接头的氢致裂纹倾向。
本发明的有益效果为：本发明的自保护药芯焊丝，使用纯镍金属外皮，制作工艺简单，焊后的镍基焊缝金属为Fe-Mn-Cr-Cu-Mo合金体系。同时，药粉中加入适量的热剂，辅助水下焊接过程，降低焊接过程中电能消耗，此优势在大水深、远距离水下焊接时较为明显。可以实现对水下碳钢、低合金钢、不锈钢及镍基合金的水下湿法焊接，且焊接质量高。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。
一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，包括外层金属皮和内部药芯，所述外层金属皮为纯镍带，所内部药芯具体成分由产热剂、造气造渣剂、稳弧剂及合金剂组成，各组成成分的质量百分比为：造气造渣剂45-60％，稳弧剂2-10％，产热剂10-50％，合金剂10-30％。
本发明的药芯焊丝的制备方法为，选择N6纯镍带，由拔丝机制作而成，药芯焊丝截面呈‘O’形，焊丝直径1.6mm，药芯粉通过常规的机械混合即可。
表1为本发明实例所用的焊接工艺参数。
Figure BDA0002177182820000041
表2 低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝典型实施例的化学成分(质量百分比含量)
Figure BDA0002177182820000042
表3 本发明实例所得到的焊缝金属的力学性能
Figure BDA0002177182820000051
与公开号分别为CN104057214A及CN106964918A的中国在先中国专利申请相比，本申请中的自保护药芯焊丝焊接电弧稳定性提高15％(以弧压变异系数为指标)，电能消耗降低16％，焊缝金属耐腐蚀性显著提高(以腐蚀电流为指标，提高20％)，焊接接头扩散氢含量仅为4ml/100g，且可以对水下环境中的低合金钢、不锈钢及镍基合金进行全位置焊接。

Claims (2)

1.一种低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，其设有外层金属皮和内部药芯，其特征是，所述外层金属皮为纯镍带，所述内部药芯成分由产热剂、造气造渣剂、稳弧剂及合金剂组成，各组成成分的质量百分比为：稳弧剂2-10%，产热剂10-50%，合金剂10-30%，余为造气造渣剂；所述产热剂由Al/CuO和Al/NiO两种体系组成，所述产热剂中，Al/CuO:Al/NiO质量比为1:（1-5）；所述造气造渣剂由萤石、BaF2及氟铝酸钠组成，所述萤石所占造气造渣剂质量百分比为70-90%，BaF2所占造气造渣剂质量百分比为3-20%，氟铝酸钠所占造气造渣剂质量百分比为0-10%；所述药芯中含有占所述药芯的质量百分比含量10-30%的合金剂，所述合金剂含有占所述药芯的质量百分比含量的如下成分：Mn粉0-5%，铁粉0-5%，Cu粉1-5%，铬铁5%-15%，钼铁3-10%。
2.根据权利要求1所述的低能耗多用途的水下湿法焊接自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中含有镁粉和二氧化硅，所述镁粉占所述药芯的质量百分比为1-5%，所述二氧化硅占所述药芯的质量百分比含量为2-10%。
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