CN111055040A

CN111055040A - 一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝

Info

Publication number: CN111055040A
Application number: CN201911036611.0A
Authority: CN
Inventors: 张文军; 王亚彬; 张延超
Original assignee: Luoyang Shuangrui Speical Alloy Material Co ltd
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: CN111055040B

Abstract

本发明涉及大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，属于焊接材料领域，包括焊丝外皮和药芯粉；所述焊丝外皮采用低碳钢带；按照质量百分比，所述药芯粉包括金红石30%‑40%、石英2%‑4%、氧化铝1%‑2%、铝镁合金1%‑2%、镁粉2%‑4%、低碳锰铁4%‑6%、金属锰5%‑9%、锆英砂1%‑2%和氟化钠1%‑2%，余量为铁粉。利用通过合理的配方及成分设计，能够在大拘束条件的工况条件下匹配陶瓷衬垫进行焊接，焊接完成焊道无热裂纹，同时焊接工艺性良好，可实现全位置焊接。

Description

一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，进一步地，涉及一种无缝药芯焊丝。

背景技术

近年来，焊接材料产品的结构调整和产品升级过程将明显加快，其中，由于药芯焊丝能够实现连续自动焊接，推进了焊接技术的自动化、高效化发展，在桥梁、压力容器、汽车、铁路运输、管道、海洋工程、电站建设、采矿、石化、建筑机械、重型机械及高层建筑等行业，药芯焊丝也得到广泛应用，目前船舶建造行业已普遍采用CO₂气保护药芯焊丝来焊接船舶结构，使用率达到80%以上。

在造船行业中，分段建造、船体合拢中内底板、甲板的拼接焊缝等大拘束条件下，采用药芯焊丝匹配陶瓷衬垫进行打底焊接，可以提高工作效率，但焊道焊缝正面时常产生焊接热裂纹，具体表现为在焊缝正面的中心会产生长短不一、深浅不同的纵向裂纹，其中短小较浅的纵向裂纹多数情况下在多道焊后会被熔透而消除，但长而深的裂纹则有时会发生未熔透的情况，存在很大的安全隐患，严重影响生产效率和结构安全。

中国专利公开号CN201610955632.2、 CN201810385371.4分别提出了一种抗热裂纹焊丝，但其均为不锈钢药芯焊丝，中国专利公开号CN201910179963.5提出了一种高抗裂性药芯焊丝，但其应用仅为常规场合，并未明确在大拘束条件工况下的应用，且此焊丝结构形式为有缝焊丝。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，利用通过合理的配方及成分设计，能够在大拘束条件的工况条件下匹配陶瓷衬垫进行焊接，焊接完成焊焊道无热裂纹，同时焊接工艺性良好，可实现全位置焊接。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，包括焊丝外皮和药芯粉；所述焊丝外皮采用低碳钢带；按照质量百分比，所述药芯粉包括金红石30%-40%、石英2%-4%、氧化铝1%-2%、铝镁合金1%-2%、镁粉2%-4%、低碳锰铁4%-6%、金属锰5%-9%、锆英砂1%-2%和氟化钠1%-2%，余量为铁粉。

作为对上述方案的进一步优化，所述低碳钢带的碳含量小于0.03%，避免钢带中引入过多的碳。

作为对上述方案的进一步优化，所述铝镁合金中Al、Mg质量比为1：1。

作为对上述方案的进一步优化，所述低碳锰铁中C小于0.2%。

作为对上述方案的进一步优化，所述药芯粉的填充率为13%-15%。

作为对上述方案的进一步优化，所述无缝药芯焊丝的直径为1.2mm。

有益效果：

本发明中所述的无缝药芯焊丝药芯粉主要组成物金红石，其作用是主要的造渣剂和电弧稳定剂，其主要成分TiO₂熔渣凝固温度高，TiO₂的作用为调节熔渣凝固速度，使得熔渣变为短渣，能适应全位置焊接，此外金红石中的TiO₂的在焊接过程中可向熔池中过渡Ti，改善熔池的结晶，降低产生结晶裂纹的风险。为使得熔渣得到合适的熔点和粘度，改善焊缝的成型和脱渣，同时也避免向焊缝金属中过多的引入Ti，金红石加入量以30%-40%为宜。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入石英，主要组成为SiO₂，主要作用为调节液态渣池的粘度和流动性，改善焊丝的工艺性，保证焊丝的全位置焊接性。加入过多将严重降低熔池粘度，导致焊丝无法实现全位置焊接。因此石英加入量以2%-4%为宜。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入氧化铝，主要成分为Al₂O₃，主要作用在于调节熔渣粘度、流动性和表面张力，改善焊丝工艺性，保证焊丝全位置焊接的工艺性。加入量过多会使得熔渣的粘度和流动性增加过多，影响焊丝工艺性。因此氧化铝的加入量以1%-2%为宜。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入铝镁合金，主要组成物为Al和Mg，主要作用在于利用脱氧进而提高焊缝金属力学性能，其脱氧产物可以调节焊丝工艺性，Al的脱氧产物为Al₂O₃，作用前文已述，镁的脱氧产物几乎全部进入熔渣，可以提高渣的熔点使焊丝可以适用于全位置焊接，但Al过高时将显著降低焊缝的塑性和韧性。因此，铝镁合金的加入量控制在1%-2%。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入镁粉，主要目的在于利用其进行脱氧进而提高焊缝金属力学性能，由于镁粉的脱氧反应剧烈，可增加熔池的搅动，有利于脱氧产物上浮，提高焊缝金属的纯净度，提高焊缝的抗结晶裂纹能力，镁粉加入过多则会引起飞溅。为保证最佳的脱氧效果，镁粉与铝镁合金的加入的最佳比例为2：1，因而镁粉的加入量控制在2%-4%。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入低碳锰铁，主要目的在于脱氧的同时提高焊缝金属的抗拉强度和韧性，控制焊缝金属中的C含量，C含量过高增加焊缝的热裂纹敏感性，同时也会加剧其他元素的有害作用，C含量过低会降低焊缝金属强度，导致焊缝金属在大拘束条件下由于强度不足产生热裂纹。此外，锰具有脱硫的作用，将液体熔池中的FeS置换为MnS，同时也能改善硫化物的分布形体啊，使薄膜状的FeS改变为球状，提高焊缝的抗裂性。因此为保证合适的C含量，低碳锰铁的加入量为4%-6%。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入金属锰，主要目的在于调节焊缝金属成分，保证焊缝金属得到合适的强度，同时也为了弥补因严格控制C含量带来的锰含量不足。金属锰含量过低焊缝金属的强度过低，含量过高将会导致焊缝金属强度过高，引起焊缝金属韧性下降。因此金属锰的加入量为5%-9%。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入锆英砂，主要作用在于改善焊缝脱渣，保证焊缝成型。锆英砂主要组分为ZrO₂及SiO₂，其中ZrO₂具有在熔渣冷却过程中体积发生变化，使得渣壳可顺利与焊缝金属分离。锆英砂合适的加入量为1%-2%。

本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入氟化钠，主要作用是提高电弧挺直度，提高电弧吹力，增加焊接过程中熔池的搅动，帮助熔渣上浮，净化焊缝组织，提高焊缝金属的抗裂性，但氟化钠加入过多会导致焊接电弧稳定性下降，熔池反应剧烈并增加飞溅，恶化焊接工艺性，因此氟化钠的合适的加入量为1%-2%。

本发明技术方案实施后，所制造的药芯焊丝具有以下特点：

1)、焊丝工艺性良好，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)、焊丝在大拘束条件下匹配陶瓷衬垫进行焊接（刚性固定对接裂纹试验方法），焊道无热裂纹产生；

3)、熔敷金属力学性能稳定，满足相关标准要求，适用于D36、E36级别钢的焊接。

附图说明

图1是刚性固定对接裂纹试验方法示意图；其中，1、拘束底板；2、拘束焊缝；3、陶瓷衬垫；4、试验钢板；

图2是实施例1的焊丝T1焊接裂纹情况图；

图3是实施例2的焊丝T2焊接裂纹情况图；

图4是实施例3的焊丝T3焊接裂纹情况图；

图5是对比例的焊丝B1焊接裂纹情况图；其中，箭头所指细长部分为裂纹。

具体实施方式

本发明中所述的无缝药芯焊丝，采用前述成分钢带作为外皮，在线同步添加药芯粉工艺，添加药芯粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后得到焊丝盘条，并经退火、减径后，得到最终无缝焊丝的直径为1.2mm，药芯粉的填充率为13%-15%。

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

据本发明设计的组分含量，配制了3种药芯粉料作为实施例，同时配制一个比较例，实施例和比较例采用低碳钢带作为焊丝外皮，按照前述制备工艺制备无缝药芯焊丝，分别标记为T1（实施例1）、T2（实施例2）、T3（实施例3），比较例标记为B1。各实施例焊丝均能同时得到和1.2 mm，各实施例及对比例药芯粉的具体质量配比见表1，焊丝填充率见表2，所用钢带成分及性能见表3，实施例焊丝熔敷金属成分及性能见表4和表5。

表1 本发明实施例及比较例无缝药芯焊丝的药芯粉的组成（wt%）

表1所述本发明所采用的原料中，铝镁合金中Al、Mg质量比为1：1。低碳锰铁牌号选用FeMn80C0.4。

表2药芯粉的填充率（%）。

表3选用外皮钢带的化学成分（wt%）。

表4本发明实施例无缝药芯焊丝熔敷金属的化学成分(wt％)。

编号	C	Si	Mn	S	P
						T1	0.048	0.309	1.43	0.0050	0.011
T2	0.051	0.312	1.46	0.0055	0.013
						T3	0.052	0.302	1.44	0.0052	0.012

表5本发明实施例无缝药芯焊丝熔敷金属的力学性能。

匹配陶瓷衬垫进行试验的试板装配情况见图1，裂纹情况见图2-5(经渗透探伤)，实施例与比较例焊接时所采用的保护气均为二氧化碳，焊接电压均为30V，焊接电流均为260A。由图可知，实施例1-3焊接时没有出现明显的细长裂纹，而对比例焊接时则出现红色的细长裂纹。

需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，包括焊丝外皮和药芯粉；其特征在于：所述焊丝外皮采用低碳钢带；按照质量百分比，所述药芯粉包括金红石30%-40%、石英2%-4%、氧化铝1%-2%、铝镁合金1%-2%、镁粉2%-4%、低碳锰铁4%-6%、金属锰5%-9%、锆英砂1%-2%和氟化钠1%-2%，余量为铁粉。

2.根据权利要求1所述的一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，其特征在于：所述低碳钢带的碳含量小于0.03%。

3.根据权利要求1所述的一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，其特征在于：所述铝镁合金中Al、Mg质量比为1：1。

4.根据权利要求1所述的一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，其特征在于：所述低碳锰铁中C小于0.2%。

5.根据权利要求1所述的一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，其特征在于：所述药芯粉的填充率为13%-15%。

6.根据权利要求1所述的一种大拘束条件抗热裂纹无缝药芯焊丝，其特征在于：所述无缝药芯焊丝的直径为1.2mm。