CN111168273A

CN111168273A - 一种不锈钢焊接用药芯焊条

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Publication number: CN111168273A
Application number: CN202010089422.6A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 袁红高; 纠永涛; 潘继民; 李国立; 付雅迪; 王靖博; 连明洋
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: CN111168273B

Abstract

本发明属于焊接材料领域，具体是一种不锈钢焊接用药芯焊条，包括由内及外的药芯焊芯、纳米石墨烯涂层和药皮，本发明中药芯焊芯近似缆式结构，由镍带先依次弯曲成三个两两外切的等直径的e形圆，再绕成一个与三个e形圆相内切的圆环后闭合形成，药芯填充在闭合圆环内部空隙处，药芯中采用改性的钛酸钾作为稳弧剂。本发明焊接时焊芯中心导电性强，电弧稳定，药芯焊芯产生的电阻热小，焊芯的导热性能高，焊芯的体积膨胀小，药皮的抗发红开裂性能好。本发明焊条的使用长度为药皮长度的88％以上，提高了焊条的利用率，熔敷金属化学成分均匀，综合力学性能好，是不锈钢焊接用药芯焊条方面的创新。

Description

一种不锈钢焊接用药芯焊条

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体是一种不锈钢焊接用药芯焊条。

背景技术

目前，使用不锈钢焊条过程中普遍存在工艺性差的缺点，其关键问题是焊条焊接到后半段时药皮易发红开裂，发红会使药皮中的造气剂提前分解，使熔池失去保护气氛，从而易产生气孔；同时，通过药皮过渡的有益元素也会提前烧损，对焊缝金属性能产生不利影响，更严重时会引起药皮开裂或脱落而不得不终止焊接，造成了焊条的巨大浪费；另外，熔化速度增快，焊接工艺变差，飞溅增大，导致焊缝成形恶化、脱渣困难。总之，药皮发红意味着药皮组成中的造气剂会过早分解，并过早发生一系列冶金化学反应，这将使熔池的保护及冶金过程受到严重影响，而药皮的开裂则直接影响电弧的均匀性，药皮脱落就完全失去了其冶金作用。

不锈钢焊条药皮发红和开裂的原因是由于不锈钢焊芯的电阻率比碳钢焊芯大几倍，而导热性又仅为碳钢的几分之一，且热膨胀系数大，在焊接过程中，强烈的电阻热致使施焊时焊条端部熔化，在高电阻热和低热导性双重因素作用下，焊芯温度急剧升高，致使焊条药皮受热过高而发红，不锈钢焊芯的电阻率和热膨胀系数大，焊接时产生大量的电阻热而体积膨胀较大，当焊芯的直径方向的膨胀变形量超过药皮的变形能力时，药皮就会开裂，从而使焊条的焊接工艺性能严重恶化，剩余焊条基本不能使用，造成资源浪费。

目前科技人员采用的改进技术方案主要有：①改变药皮配方，增大塑性及透气性，这种方法作用有限，取得的效果不显著；②改用碳钢制作焊芯，在药皮配方中加入大量镍和铬，这种方法会造成熔敷金属化学成分不均匀且易存在夹渣等缺陷；③采用药芯焊丝作为焊芯，常规药芯焊丝会造成中心导电性差、稳弧剂易吸潮，焊接电弧不稳定，且熔敷金属化学成分不均匀；④在不锈钢焊芯表面涂覆低电阻率的金属材料，一般为银或铜，但其效果不显著。以上4种方法均不能从根本上提高不锈钢焊条的抗红热开裂性能。

申请号201410527597.5的中国专利(申请日2014年10月9日)公开了一种用于大电流焊接的碳钢芯不锈钢焊条，采用的技术方案是改用碳钢制作芯，而在药皮成分中加入大量的铬颗粒和镍颗粒，这样在焊接时碳钢制备的焊芯发热少，体积膨胀小，可使药皮既能抗发红抗开裂，而铬和镍又能熔入熔池形成类似不锈钢的成分，可以有效提高熔敷金属的耐蚀性。这种技术方案存在的缺点是：①大量铬颗粒和镍颗粒存在于药皮中，而电弧是移动的，为了不出现熔穿缺陷，电弧的移动速度要适中，不能太慢，这样会造成铬颗粒和镍颗粒无法全部熔化进入焊缝，而是一部分熔化进入熔池，一部分以颗粒的形式存在于焊接熔渣中，而熔于熔池和存留于熔渣的颗粒比例又无法预测和控制，所以其设计及制造极其困难，另一方面由于熔池温度降低较快，溶于熔池的颗粒一部分来不及熔化，而是以固态颗粒的形式存在于熔敷金属中，造成焊缝力学性能下降，无法达到需求的效果；②药皮中需加入大量的合金元素铬和镍，必然会导致焊条药皮的增厚，带来一系列的问题：如药皮附着力降低、焊条药皮熔化不充分等；③焊接时，焊芯先熔化，药皮稍后熔化，药皮中的铬镍等元素进入熔池后容易分布不均匀，造成焊接接头力学性能下降。

申请号201910447426.4的中国专利(申请日2019年5月27日)公开了一种焊芯为无缝药芯焊丝的超低氢、耐吸潮电焊条及制备方法，该电焊条包括焊芯和药皮，焊芯包括表皮和药芯。这种技术方案的缺点是：①由无缝管中心填充药粉构成焊芯，中心部位由药粉颗粒组成，无论颗粒堆压多么密实也会存留有间隙，造成焊芯的导电性差，焊接时电弧很容易沿四周的管壁旋转，电弧不稳定性，焊接性差；②药芯是一个圆形整体，由于重力的原因，在储存或运输过程中由于振动等原因，药粉会根据密度的不同发生不同的位移从而变得分布不均匀，焊接时经常出现熔穿或者焊不透的现象；③由于焊接时电弧在不停地移动，熔池冷却速度较快，焊芯熔化后，圆周的表皮成分与中间的药芯成分由于位置关系很难混合均匀，造成焊缝熔敷金属的化学成分不均匀，影响焊接接头的力学性能；④虽然采用了无缝钢管，但焊条长期储存和运输过程中不可避免的接触水气，水分会从药芯焊丝的两端进入药芯，而且是渐渐渗入，从两端直至中间，钛酸钾又极易吸潮，进而影响焊接工艺性，该技术方案所述的耐吸潮效果并不显著。

申请号94118437.4的中国专利(申请日1994年11月20日)公开了一种抗发红奥氏体不锈钢焊条及制备方法，采用的技术方案是在不锈钢焊芯表面涂覆一层低电阻率的金属材料，达到较快散热的目的，但效果并不显著，对改善焊条抗裂性作用并不明显，无法阻止不锈钢焊芯的膨胀变形量增大造成药皮开裂现象的产生。

如何解决上述问题，是本领域科技人员工作的当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供一种不锈钢焊接用药芯焊条，解决如下技术问题：①焊芯中心导电性好，稳弧剂耐吸潮，焊接工艺性好；②焊接时焊芯产生的热量少且能及时散发，焊条抗药皮发红开裂的能力好，焊条的利用率高；③熔敷金属化学成分均匀，综合力学性能高。

本发明采用如下技术方案：

一种不锈钢焊接用药芯焊条，包括药芯焊芯、纳米石墨烯涂层和药皮，所述药芯焊芯外部由内至外依次设有纳米石墨烯涂层和药皮，所述药芯焊芯由镍带层和药芯组成；所述镍带层由连续的带层制成，在垂直于焊条轴线的横截面上，镍带层通过带层先依次弯曲成三个两两外切的等直径的e形圆，再绕成一个与三个e形圆相内切的圆环后闭合形成，所述药芯填充在闭合圆环内部空隙处。

近似缆式的焊芯结构由于在圆环内部存在中心对称的三个镍带制备的小圆，且三个小圆呈e形，在焊接时整个焊芯的中心导电性好，焊接电弧燃烧稳定，焊接工艺性好；而且这种结构对药芯进行了有效的分割，焊条在储存或运输过程中，药粉颗粒在药芯中不会因为密度不同而发生较大位移，各组分颗粒分布均匀，有效提高了焊后熔敷金属化学成分的均匀性，另外，镍带与药芯的近似网格式的间隔分布使焊芯熔化后熔池成分更易混合均匀。

所述镍带层的成分按质量百分比计为：铜23％-26％，锰2.1％-2.6％，铁3.2％-3.8％，余量为镍。

镍的电阻率约为6.84×10^－8Ω·m，不锈钢的电阻率约为73×10^－8Ω·m，采用镍带作为药芯焊芯的表皮制备的焊条，相比采用不锈钢焊芯制备的焊条，有效降低了焊芯产生的电阻热，增强了焊条药皮的抗发红性能。

镍的热导率约为65W/(m·K)，不锈钢的热导率为21W/(m·K)，采用镍带作为药芯焊芯的表皮，相比采用不锈钢焊芯，可以有效增大其焊接时产生的电阻热的传导，使其更容易散发，有效提高了焊条药皮的抗发红性能。

镍的热膨胀系数约为11.8×10^－6/℃，不锈钢的热膨胀系数约为19×10^－6/℃，采用镍带作为药芯焊芯的表皮制备的焊条，相比采用不锈钢焊芯制备的焊条，有效降低了焊芯的体积膨胀，减小了焊条药皮的开裂倾向。

所述药芯的成分按质量百分比计为：铬32％-38％，钼2.2％-3.0％，钛2.5％-3.0％，硅1.2％-1.8％，改性钛酸钾3.2％-4.5％，氧化铈1.5％-2.5％，余量为铁，所述改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛32％-34％、碳酸钾56％-59％、余量为叶腊石矿粉。药皮中加入少量的钛酸钾作为稳弧剂，不但能稳定焊接电弧，而且还会降低焊条熔敷金属的扩散氢含量，由于焊条长期储存和运输过程中不可避免的接触水气，钛酸钾在空气中极易吸潮，本发明的药芯中采用改性钛酸钾，具有非常好的抗吸潮性能，在稳定电弧的同时，不会增加熔敷金属的扩散氢，从而提高了熔敷金属的力学性能。

所述纳米石墨烯涂层的厚度约为10nm-20nm。通过在药芯焊芯外圆表面涂覆纳米级石墨烯，极大地增强了焊芯的导热性，可以使焊接时焊芯产生的电阻热及焊接电弧的热量迅速散发，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红性能。另外，纳米石墨烯具有明显的表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，其表面原子具有极高的化学活性，大量的界面为热量扩散提供了高密度的短程快扩散路径，使焊芯散热极快，显著提高了药皮抗发红开裂性能。还有，涂覆的纳米石墨烯面积虽然较大，但厚度极薄，所以含量很小，焊条熔敷金属的碳含量略有增加但在允许范围内，而纳米石墨烯的小尺寸效应既能有效提高熔敷金属的强度和硬度，又不会造成其冲击韧度下降，熔敷金属的综合力学性能高。

本发明具有以下有益技术效果：

1、由于采用了近似缆式的焊芯结构，药芯中颗粒更易保持均匀状态，且e形圆结构使焊接时焊芯中心导电性大大增强，而药芯中的稳弧剂又具有极强的耐吸潮性，焊接时电弧燃烧稳定，焊接工艺性好；药芯焊芯产生的电阻热小，体积膨胀小，焊条抗开裂性能好。

2、由于采用镍带层作为药芯焊芯的表皮，有效降低了焊接时的电阻热并增大了热量的散发速度，通过在药芯焊芯外圆表面涂覆纳米石墨烯，极大地增强了焊芯的导热性，可以使焊接时焊芯产生的电阻热及焊接电弧的辐射热迅速散发，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红开裂性能，焊条的使用长度为总长度(药皮长度)的88％以上，提高了焊条的利用率。纳米石墨烯熔入焊接熔池后，焊条熔敷金属的碳含量略有增加但在允许范围内，既能有效提高熔敷金属的强度和硬度，又不会造成其冲击韧度下降，有效提高了熔敷金属的综合力学性能。

3、由于近似缆式的焊芯结构和镍带层作为药芯焊芯的表皮，焊接时熔池金属更容易混合均匀，最后得到的熔敷金属化学成分均匀，符合不锈钢焊条熔敷金属化学成分要求，力学性能高。

附图说明

图1是一种不锈钢焊接用药芯焊条的垂直于焊条轴线的横截面图；

图2是一种不锈钢焊接用药芯焊条的药芯焊芯的横截面图。

图中：1、药芯焊芯；1-1、镍带层；1-2、药芯；2、纳米石墨烯涂层；3、药皮。

具体实施方式

在本发明中，需要理解的是：“横截面”是指与焊条或焊芯长度方向垂直的截面。

下面结合实施例和对比例，进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

制备本发明所述的不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层的成分按质量百分比计为：铜23％，锰2.1％，铁3.2％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬32％，钼2.2％，钛2.5％，硅1.2％，改性钛酸钾3.2％，氧化铈1.5％，余量为铁，所述改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛32％、碳酸钾56％、余量为叶腊石矿粉；纳米石墨烯涂层的厚度约为10nm。

实施例2

制备本发明所述的不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层的成分按质量百分比计为：铜26％，锰2.6％，铁3.8％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬38％，钼3.0％，钛3.0％，硅1.8％，改性钛酸钾4.5％，氧化铈2.5％，余量为铁，所述改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛34％、碳酸钾59％、余量为叶腊石矿粉；纳米石墨烯涂层的厚度约为20nm。

实施例3

制备本发明所述的不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层的成分按质量百分比计为：铜24％，锰2.3％，铁3.6％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬35％，钼2.6％，钛2.7％，硅1.5％，改性钛酸钾3.8％，氧化铈2.0％，余量为铁，所述改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛33％、碳酸钾58％、余量为叶腊石矿粉；纳米石墨烯涂层的厚度约为15nm。

对比例1

按公知方法制备不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层改为低碳钢带层；药芯的成分按质量百分比计为：铬35％，钼2.6％，钛2.7％，硅1.5％，改性钛酸钾3.8％，氧化铈2.0％，余量为铁，所述改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛33％、碳酸钾58％、余量为叶腊石矿粉；纳米石墨烯涂层的厚度约为15nm。

对比例2

按公知方法制备不锈钢焊接用药芯焊条，药芯焊芯的采用镍带弯曲成普通的圆环形，中间全部为药芯，镍带层的成分按质量百分比计为：铜24％，锰2.3％，铁3.6％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬35％，钼2.6％，钛2.7％，硅1.5％，改性钛酸钾3.8％，氧化铈2.0％，余量为铁，改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛33％、碳酸钾58％、余量为叶腊石矿粉；纳米石墨烯涂层的厚度约为15nm。

对比例3

按公知方法制备不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层的成分按质量百分比计为：铜24％，锰2.3％，铁3.6％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬35％，钼2.6％，钛2.7％，硅1.5％，钛酸钾3.8％，氧化铈2.0％，余量为铁；纳米石墨烯涂层的厚度约为15nm。

对比例4

按公知方法制备不锈钢焊接用药芯焊条，镍带层的成分按质量百分比计为：铜24％，锰2.3％，铁3.6％，余量为镍；药芯的成分按质量百分比计为：铬35％，钼2.6％，钛2.7％，硅1.5％，改性钛酸钾3.8％，氧化铈2.0％，余量为铁，改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛33％、碳酸钾58％、余量为叶腊石矿粉；焊芯外表面没有涂覆纳米石墨烯涂层。

对比例5

普通不锈钢焊条。

实施例与对比例的结果见表1。

表1

由以上实施例1-3可以看出：采用本发明制备的焊条焊接时，焊条药皮不发红不开裂，焊缝成型好，电弧稳定，焊接工艺性好，熔敷金属化学成分均匀，符合不锈钢焊条熔敷金属化学成分要求，焊条利用率高。

由以上对比例1-5可以看出：镍带层改为低碳钢带层、镍带弯曲成普通圆环且中心全部为药芯、钛酸钾未改性、未涂覆纳米石墨烯涂层、采用普通不锈钢焊条，均达不到理想效果。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种不锈钢焊接用药芯焊条，其特征在于：包括药芯焊芯(1)、纳米石墨烯涂层(2)和药皮(3)，所述药芯焊芯(1)外部由内至外依次设有纳米石墨烯涂层(2)和药皮(3)，所述药芯焊芯(1)由镍带层(1-1)和药芯(1-2)组成；

所述镍带层(1-1)由连续的镍带制成，在垂直于焊条轴线的横截面上，镍带层通过镍带先依次弯曲成三个两两外切的等直径的e形圆，再绕成一个与三个e形圆相内切的圆环后闭合形成；所述药芯(1-2)填充在闭合圆环内部空隙处；

所述镍带层的成分按质量百分比计为：铜23％-26％，锰2.1％-2.6％，铁3.2％-3.8％，余量为镍；

所述药芯的成分按质量百分比计为：铬32％-38％，钼2.2％-3.0％，钛2.5％-3.0％，硅1.2％-1.8％，改性钛酸钾3.2％-4.5％，氧化铈1.5％-2.5％，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的不锈钢焊接用药芯焊条，其特征在于：所述的改性钛酸钾的成分按质量百分比计为：二氧化钛32％-34％、碳酸钾56％-59％、余量为叶腊石矿粉。

3.根据权利要求1或2所述的不锈钢焊接用药芯焊条，其特征在于：所述纳米石墨烯涂层的厚度约为10nm-20nm。