CN110625298B - 一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料和焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料和焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石30‑40份、还原钛8‑12份、萤石4‑8份、钾长石3‑5份、氟化钾1‑2份、稀土硅铁3‑6份、铝镁合金3‑5份、低碳锰铁3‑5份、金属镍1‑3份、钛铁2‑3份、氧化铈3‑6份、钛酸铋2‑4份。本发明的药芯材料及焊丝适用于陶瓷衬垫焊接中，具有良好的抗裂纹、抗气孔性能，可以使熔敷金属组织得到具有优良抗裂、抗气孔性能的细晶粒针状铁素体组织。同时，净化焊缝晶粒组织使之达到抗氧化性好、熔敷金属杂质易析出从而使熔敷金属获得良好抗裂、抗气孔能力。解决了一般焊接材料无法解决的熔敷金属裂纹敏感、易出现气孔的难题。

Description

一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料和焊丝及其制 备方法
技术领域
本发明涉及焊材技术领域，具体涉及一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料和焊丝及其制备方法。
背景技术
随着中国造船事业的迅猛发展，超大型船舶的建造不仅给拓展国际市场带来了巨大的机遇与挑战，而且对造船材料带来了挑战。为此，大型船舶船体普遍采用高强韧和大厚度钢板。为了提高焊接质量和焊接效率，普遍采用陶瓷衬垫焊接方式。陶瓷衬垫焊接具有优异特性，使用后焊缝坚固，力学性能稳定。船体结构制造过程中，重要受力节点常有许多条焊缝要求熔透探伤。传统的焊接工艺是碳弧气刨反面清根工艺，近些年来，船体结构开始使用焊接陶瓷衬垫免清根工艺，这是一种在焊缝坡口反面敷设焊接陶瓷衬垫后在正面进行施焊，反面焊缝强制成型，使焊缝饱满、焊道整齐的焊接方法。船体结构在焊接时使用陶瓷衬垫免清根工艺的优势：
1、外观质量。传统反面气刨清根的焊接工艺决定了焊缝双面均为手工焊接，所以焊缝外观质量的优劣取决于操作人员技能水平的高低。而陶瓷衬垫免清根工艺，因为陶瓷衬垫本身协助焊接工件形成熔池，并强制熔融金属根据陶瓷衬垫形状形成焊缝，与陶瓷衬垫接触的反面焊缝外观平顺美观、无缺陷、焊缝尺寸及焊缝余高尺寸稳定。
2、环境。传统的碳弧气刨反面清根工艺，因为需要使用碳弧气刨对焊缝反面实施清根操作，会产生大量烟尘污染环境，作业过程中还会产生极大的噪声和弧光，附带造成噪声污染和光污染。而陶瓷衬垫免清根工艺，省掉了碳弧气刨清根工序，上述烟尘、弧光和噪声污染问题得到了解决，能使钢结构加工车间内操作微环境得到极大改善。
以上两点就是陶瓷衬垫清根工艺在钢结构焊接中的主要优势。陶瓷衬垫在一定程度上改善了焊接的外观，使其更加平顺美观。同时也保护了环境，减少了粉尘和噪声的污染。这两大方面的改善有效提高了焊接的工艺性。
但是，由于制作陶瓷衬垫采用的原材料质量参差不齐，无法严格控制其中的杂质含量特别是S、P含量，以及有效成分含量也不能得到保证，所以在使用陶瓷衬垫焊接过程中，由于杂质的存在、有效成分不稳定等因素，焊缝极易出现裂纹和气孔影响了焊接质量。鉴于以上原因，该专利研制一种新的药芯材料组份，满足陶瓷衬垫焊接、具有良好抗裂纹、抗气孔性能的药芯焊丝。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料和焊丝及其制备方法，满足现阶段陶瓷衬垫焊接中对焊丝的要求。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石30-40份、还原钛8-12份、萤石4-8份、钾长石3-5份、氟化钾1-2份、稀土硅铁3-6份、铝镁合金3-5份、低碳锰铁3-5份、金属镍1-3份、钛铁2-3份、氧化铈3-6份、钛酸铋2-4份。
进一步地，稀土硅铁中RE含量为28％-29％，Si含量为42.5％-43.5％。
进一步地，钛铁中金属含量为：Ti含量为37％-42％、Al含量≤8％、Si含量≤4.5％、C含量≤0.15％。
进一步地，铝镁合金中Al含量为(50±3)％、Mg含量≥47％，且Al和Mg总含量≥97.5％。
进一步地，钛酸铋中TiO2含量为25.34％-25.72％，Bi2O3含量为74.28％-74.66％，K2O和Na2O含量≤0.1％。
进一步地，低碳锰铁中Mn含量≥80％、C含量≤0.7％。
进一步地，氧化铈中REO≥98％。
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯由上述所述的焊丝药芯材料制得。
进一步地，所述药芯在外皮内的填充系数为13.5％-14.5％。
一种制备上述所述焊丝的方法，包括以下步骤：
(1)将焊丝药芯材料各组份分别称重后混合、充分搅拌，烘干，得药粉待用；
(2)将焊丝外皮纵剪、清洗，然后轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝
优选地，步骤(1)中烘干温度为360-420℃，烘干时间为4-6小时。
优选地，步骤(2)中外皮采用低碳钢带，其中，低碳钢带含碳量不大于0.03％。进一步地，低碳钢带的厚度为0.8-1mm，宽度为12-14mm。
本发明配方中用稀土硅铁代替市场通用产品中采用的45#硅铁或75#硅铁，除有效控制硅含量和碳含量外，还具有细化晶粒增强韧性的作用；通过添加氧化铈可以有效清除熔敷金属中的杂质，使焊缝技术得到净化从而提高焊缝的抗裂性和抗气孔能力；通过添加钛酸铋增强焊缝脱渣能力，使焊缝气体非常容容易溢出从而减少了产生气孔的可能性。
将本发明制得的药芯焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用不同电压/电流：22V/180A、26V/220A，经过X射线探伤发现本发明的焊丝焊接后焊缝没有裂纹，而传统产品在焊接收弧处不同程度存在气孔和裂纹现象。
总之，本发明的药芯材料及焊丝适用于陶瓷衬垫焊接中，具有良好的抗裂纹、抗气孔性能，可以使熔敷金属组织得到具有优良抗裂、抗气孔性能的细晶粒针状铁素体组织。同时，净化焊缝晶粒组织使之达到抗氧化性好、熔敷金属杂质易析出从而使熔敷金属获得良好抗裂、抗气孔能力。解决了一般焊接材料无法解决的熔敷金属裂纹敏感、易出现气孔的难题。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石30份、还原钛8份、萤石4份、钾长石3份、氟化钾1份、稀土硅铁3份、铝镁合金3份、低碳锰铁3份、金属镍1份、钛铁2份、氧化铈3份、钛酸铋2份。
采用上述药芯材料制备焊丝的方法为：(1)将上述药芯材料混合，充分搅拌，850℃下烘干12h，得配方药粉待用；
(2)取厚度0.8mm、宽度12mm的低碳钢钢带，纵剪，然后经过清洗液清洗，轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。焊丝药芯填充系数为13.5％。
将本实施例制得的药芯焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流180A，焊接电压20V，保护气体CO2，观察焊缝表面无裂纹和气孔，对焊缝进行探伤检测内部组织无裂纹和气孔。
实施例2
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石34份、还原钛9份、萤石5份、钾长石3.5份、氟化钾1.2份、稀土硅铁3.5份、铝镁合金3.5份、低碳锰铁4份、金属镍1.5份、钛铁2.3份、氧化铈3.5份、钛酸铋2.5份。
采用上述药芯材料制备焊丝的方法为：(1)将上述药芯材料混合，充分搅拌，900℃下烘干12h，得配方药粉待用。
(2)取厚度0.8mm、宽度12mm的低碳钢钢带，纵剪，然后经过清洗液清洗，轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。焊丝药芯填充系数为13.8％。
将本实施例制得的药芯焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流200A，焊接电压22V，保护气体CO2，观察焊缝表面无裂纹和气孔，对焊缝进行探伤检测内部组织无裂纹和气孔。
实施例3
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石38份、还原钛10份、萤石7份、钾长石4.5份、氟化钾1.8份、稀土硅铁5份、铝镁合金4.5份、低碳锰铁4.5份、金属镍2.5份、钛铁2.8份、氧化铈4.5份、钛酸铋3份。
采用上述药芯材料制备焊丝的方法为：(1)将上述药芯材料混合，充分搅拌，900℃下烘干12h，得配方药粉待用。
(2)取厚度1.0mm、宽度14mm的碳钢钢带，纵剪，然后经过清洗液清洗，轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。焊丝药芯填充系数为14％。
将本实施例制得的药芯焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流220A，焊接电压24V，保护气体CO2，观察焊缝表面无裂纹和气孔，对焊缝进行探伤检测内部组织无裂纹和气孔。
实施例4
一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，包括以下原料及重量份数：金红石40份、还原钛12份、萤石8份、钾长石5份、氟化钾2份、稀土硅铁6份、铝镁合金5份、低碳锰铁5份、金属镍3份、钛铁3份、氧化铈6份、钛酸铋4份。
采用上述药芯材料制备焊丝的方法为：(1)将上述药芯材料混合，充分搅拌，950℃下烘干12h，得配方药粉待用。
(2)取厚度1.0mm、宽度14mm的碳钢钢带，纵剪，然后经过清洗液清洗，轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。焊丝药芯填充系数为14.5％。
将本实施例制得的药芯焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流240A，焊接电压26V，保护气体CO2，观察焊缝表面无裂纹和气孔，对焊缝进行探伤检测内部组织无裂纹和气孔。
对比例1
药芯配方：金红石30份、还原钛8份、萤石4份、钾长石3份、氟化钾1份、45#硅铁3份、铝镁合金3份、低碳锰铁3份、金属镍1份、钛铁2份、钛酸铋2份。
制备药芯焊丝步骤同实施例1。
将本对比例中制备的焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流180A，焊接电压20V，保护气体CO2，观察焊缝表面收弧处有气孔，对焊缝进行探伤检测内部组织有裂纹一处。
对比例2
药芯配方：金红石30份、还原钛8份、萤石4份、钾长石3份、氟化钾1份、45#硅铁3份、铝镁合金3份、低碳锰铁3份、金属镍1份、钛铁2份。
制备药芯焊丝步骤同实施例1。
将本对比例中制备的焊丝用于陶瓷衬垫试板焊接，采用D36钢板厚度20mm，焊接电流180A，焊接电压20V，保护气体CO2，观察焊缝表面收弧处及焊缝有气孔两处，对焊缝进行探伤检测内部组织裂纹两处。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝药芯材料，其特征在于，包括以下原料及重量份数：金红石30-40份、还原钛8-12份、萤石4-8份、钾长石3-5份、氟化钾1-2份、稀土硅铁3-6份、铝镁合金3-5份、低碳锰铁3-5份、金属镍1-3份、钛铁2-3份、氧化铈3-6份、钛酸铋2-4份；其中，稀土硅铁中RE含量为28％-29％，Si含量为42.5％-43.5％；钛铁中金属含量为：Ti含量为37％-42％、Al含量≤8％、Si含量≤4.5％、C含量≤0.15％；铝镁合金中Al含量为(50±3)％、Mg含量≥47％，且Al和Mg总含量≥97.5％。
2.如权利要求1所述的焊丝药芯材料，其特征在于，还包括以下技术特征的任一项或多项：
钛酸铋中TiO2含量为25.34％-25.72％，Bi2O3含量为74.28％-74.66％，K2O和Na2O含量≤0.1％；
低碳锰铁中Mn含量≥80％、C含量≤0.7％；
氧化铈中REO≥98％。
3.一种具有抗裂纹、抗气孔性能的焊丝，包括外皮和药芯，其特征在于，所述药芯由权利要求1至2任一项所述的焊丝药芯材料制得。
4.如权利要求3所述的焊丝，其特征在于，所述药芯在外皮内的填充系数为13.5％-14.5％。
5.一种制备权利要求3至4任一项所述焊丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将焊丝药芯材料各组份分别称重后混合、充分搅拌，烘干，得药粉待用；
(2)将焊丝外皮纵剪、清洗，然后轧U型槽，将步骤(1)所述药粉加入U型槽中，然后闭合、减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤(1)中烘干温度为360-420℃，烘干时间为4-6小时。
7.如权利要求5所述方法，其特征在于，步骤(2)中外皮采用低碳钢带，低碳钢带中含碳量不大于0.03％。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，低碳钢带的厚度为0.8-1mm，宽度为12-14mm。
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