CN111604615A - 一种高强耐候钢气保护药芯焊丝及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，合金钢外皮占药芯焊丝总质量85～87％，药芯占药芯焊丝总质量13～15％，药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：0.5～2％，氧化铋：0.2～0.6％，钇粉：0.5～1.5％，钛粉：0.5～1％，金红石：35～55％，萤石：1～2％，长石：2～6％，锆英砂1～2％，电解锰4～6％，75#硅铁：8～10％，硼铁3～5％，镍粉2.5～3.5％，铁粉：8％～15％。该高强耐候钢气保护药芯焊丝满足800MPa级耐候钢焊接要求，全位置焊接工艺性能好、焊缝美观、力学性能优良、熔敷金属扩散氢含量达到超低氢水平。

Description

一种高强耐候钢气保护药芯焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种高强耐候钢气保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
耐候钢具有耐大气腐蚀的能力，可用于制造车辆、桥梁、塔架、集装箱等钢结构的低合金结构钢。耐候钢在大气中具有更优良的抗蚀性能，钢材使用寿命提高一倍以上，表面无需喷涂耐腐蚀的化工油漆，减少对环境的污染。
目前国内与800MPa级耐候钢配套的焊接材料以焊条为主，没有与之配套的药芯焊丝。考虑到药芯焊丝的焊接效率高、飞溅小，成型美观操作方便等优点，本发明研制了一种与800MPa级耐候钢配套的药芯焊丝，替代美国进口产品。
发明内容
针对现有缺少800MPa级耐候钢配套药芯焊丝，本发明提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，其焊缝金属力学性能稳定，扩散氢含量低。
本发明技术方案提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，合金钢外皮占药芯焊丝总质量85～87％，药芯占药芯焊丝总质量13～15％，药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：0.5～2％，氧化铋：0.2～0.6％，钇粉：0.5～1.5％，钛粉：0.5～1％，金红石：35～55％，萤石：1～2％，长石：2～6％，锆英砂1～2％，电解锰4～6％，75#硅铁：8～10％，硼铁3～5％，镍粉2.5～3.5％，铁粉：8％～15％。
上述合金钢外皮采用低S、P的合金钢钢带，该合金钢钢带的化学组分为C：0.052％，Si：0.25％，Mn：1.85％，S：0.005％，P：0.006％，Cr：0.8％，Cu：0.37％，Ni：0.83％，铁：95％，余量为不可避免的杂质。
本发明中，优选的药芯粉剂占药芯焊丝总质量的13.7％，药芯粉剂的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：1％，氧化铋：0.5％，钇粉：1.2％，钛粉：0.8％，金红石：55％，萤石：2％，长石：6％，锆英砂：2％，电解锰：6％，75#硅铁：9％，硼铁4％，镍粉3.5％，铁粉9％。
本发明中，各组分的设计原则如下：
轻稀土氧化物：主要成分氧化铈+氧化镧，可净化焊缝，提高焊缝低温冲击韧性，过多加入效果不明显，因稀土价格过高，因此，控制其占所述药芯粉料总重量的百分比为0.5～2％。
氧化铋：主要成分Bi2O3，起稳定电弧，增强焊缝金属的抗氧化性，在焊缝金属焊接冷却过程中，延缓冷却速度，使其具有更好的力学性能，还可以改善焊缝金属亮度，加入过多会诱发焊缝金属裂纹，综合考虑控制其加入量为0.2～0.6％。
钇粉：起细化晶粒，提高焊缝金属低温冲击韧性的能力，过多加入效果不明显，控制其占所述药芯粉料总重量的百分比为0.5～1.5％。
钛粉：因其具有高抗拉强度+密度比、优良的抗腐蚀性、抗疲劳性、抗裂痕性及能够在没有蠕变的情况下抵受适度高温,加入适量的钛粉，可以有效的提高焊缝金属力学性能，并且得到优良的延展性跟低温冲击韧性，因钛粉价格过高，因此，控制其占所述药芯粉料总重量的百分比为0.5～1％。
金红石的主要成分TiO2，TiO2是形成焊接熔渣的主要成分。TiO2的加入可以稳定电弧，减少焊接飞溅，改善熔渣覆盖性和脱渣性；另外，TiO2可以改善熔渣流动性，使全位置焊接操作变得方便易掌握；当药芯中TiO2量太少时，上述特征不明显；当药芯中TiO2量过多时，不仅破坏了熔渣的覆盖性，而且对力学性能产生不良影响；因此，TiO2占所述药芯粉料总重量的百分比为35～55％。
萤石主要成分CaF2，起到造渣、改善熔渣流动性、去氢作用，本实施例中通过加入萤石，起到降低扩散氢作用，加入量控制为1～2％。
长石的主要成分Al2O3、K2O、Na2O、SiO2，也是熔渣的主要成分。能调节熔渣熔点和黏度，改善焊缝成形，有利于焊缝向母材圆滑过渡，使熔渣与焊缝界面增大，使熔渣具有良好的覆盖性。当药芯中加入量少时不能体现上述特征，加入量大时，焊缝中氧含量升高，降低焊缝金属的低温冲击韧性；因此，长石占所述药芯粉料总重量的百分比为2～6％。
锆英砂主要成分ZrO2，适量加入可改善低温冲击韧性，含量过多会造成冲击性能变差，脱渣不好，因此，本发明中将锆英砂含量控制在1～2％。
75#硅铁(Si-Fe)为主要脱氧剂，适量加入可改善工艺及脱氧，过多加入对工艺性能不利，本发明中以镁粉为主，因此75#硅铁占所述药芯粉料总重量的百分比为8～10％。
电解锰起脱氧作用，与75#雾化硅铁相同原理，本发明中将电解锰含量控制在4～6％。
硼铁:焊缝金属在发生冶金反应时，B与Ti反应生成TiB2，可作为焊缝金属的陶瓷硬质增强相，提高焊缝金属强度，本发明中将硼铁含量控制在3～5％。
镍粉起提高低温冲击韧性作用，其加入量少于2.5％时提高低温冲击韧性能力不足，加入Ni量大于3.5％时，固溶强化减弱，低温冲击没有有效的提高；因此，Ni占所述药芯粉料总重量的百分比为2.5～3.5％。
S、P是杂质元素，降低焊缝金属的低温冲击韧性，S与Fe等元素形成硫化物夹杂物会诱发点蚀和应力腐蚀开裂；P的偏析作用很强，引起焊缝金属不均匀，尤其是冷脆性增加,因此，S、P含量越少越好。
Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，加入8％～15％。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种高强耐候钢气保护药芯焊丝，配合CO2气体保护，焊接电弧稳定，熔化均匀，熔渣流动性好，焊缝成型美观，全位置操作工艺好，焊缝金属力学性能稳定。
(2)本发明提供的这种高强耐候钢气保护药芯焊丝的熔敷金属抗拉强度在≥800MPa、屈服强度≥720MPa、-40℃KV2均值≥47J，其扩散氢含量水银法检测＜5.0mL/100g。
具体实施方式
在本发明中，所述高强耐候钢气保护药芯焊丝合金钢外皮宽度12～16mm,优选为14mm,厚度0.6～1.0mm,厚度优选为0.9mm，合金钢外皮在高强耐候钢气保护药芯焊丝占比86.3％。
在本发明中，所述高强耐候钢气保护药芯焊丝药芯制备原料的粒度优选为120～220目，最优选为180～200目，药芯粉剂在高强耐候钢气保护药芯焊丝占比13.7％。
本发明还提供了上述技术方案所述高强耐候钢气保护药芯焊丝的制备方案，具体包含以下步骤：
1.在本发明中将药芯包含矿物粉加锂水玻璃均匀搅拌，混合矿物粉在350～380℃进行高温熔炼，熔炼矿物粉与铁合金粉料利用本行业V型混粉机均匀混合，混合时间1h～1.5h，得到药芯粉剂混合料。在本发明中,对所述矿物粉进行高温熔炼，可以有效降低矿物粉体积，提高粉料填充率，同时去除粉料结晶水，提高焊接时电弧稳定性。
2.得到药芯混合料后，本发明将所述药芯混合料利用常规的保温桶半开口进行保温，保温温度优选80～100℃，保温时间优选1h～2h。保温桶保温是为了烘干混合粉吸附水。
3.在本发明中所述合金钢外皮的组份对应上述技术方案所述高强耐候钢气保护药芯焊丝中合金钢外皮的成分组成,这里不再赘述。本发明对所述合金钢外皮的制备方式没有特殊要求，采用本领域常规的合金钢外皮制备方式即可。
4.在本发明中,得到药芯混合料后，本发明将所述药芯混合料利用常规的药芯焊丝制造工艺包裹在合金钢外皮里面，经过拉拔后得到高强耐候钢气保护药芯焊丝。
本发明对所述焊接的条件没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的焊接条件即可。本发明对所述高强耐候钢的种类无特殊要求，使用本领域技术人员熟知的800MPa级耐候钢焊接即可。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，药芯占药芯焊丝总质量的13.7％，药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：0.6％，氧化铋：0.4％，钇粉：0.8％，钛粉：0.5％，金红石：35％，萤石：2％，长石：6％，锆英砂：1％，电解锰：6％，75#硅铁：10％，硼铁5％，镍粉2.5％，铁粉21.2％。
其中，合金钢外皮采用低S、P的合金钢钢带，该合金钢钢带的化学组分为C：0.052％，Si：0.25％，Mn：1.85％，S：0.005％，P：0.006％，Cr：0.8％，Cu：0.37％，Ni：0.83％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属化学成分测试，结果如表1所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属力学性能测试，结果如表2所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的扩散氢测试(水银法)，结果如表3所示。
实施例2：
本实施例提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，药芯占药芯焊丝总质量的15％，所述药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：1％，氧化铋：0.5％，钇粉：1.2％，钛粉：0.8％，金红石：45％，萤石：1％，长石：4％，锆英砂：1.5％，电解锰：5％，75#硅铁：9％，硼铁4％，镍粉3.0％，铁粉19％。
其中，合金钢外皮采用低S、P的合金钢钢带，该合金钢钢带的化学组分为C：0.052％，Si：0.25％，Mn：1.85％，S：0.005％，P：0.006％，Cr：0.8％，Cu：0.37％，Ni：0.83％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属化学成分测试，结果如表1所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属力学性能测试，结果如表2所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的扩散氢测试(水银法)，结果如表3所示。
实施例3：
本实施例提供了一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，药芯占药芯焊丝总质量的14％，所述药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：轻稀土氧化物：1.5％，氧化铋：0.6％，钇粉：1.5％，钛粉：1.0％，金红石：55％，萤石：1.5％，长石：2％，锆英砂：2％，电解锰：4％，75#硅铁：8％，硼铁3％，镍粉3.5％，铁粉16.4％。
其中，合金钢外皮采用低S、P的合金钢钢带，该合金钢钢带的化学组分为C：0.052％，Si：0.25％，Mn：1.85％，S：0.005％，P：0.006％，Cr：0.8％，Cu：0.37％，Ni：0.83％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属化学成分测试，结果如表1所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属力学性能测试，结果如表2所示。
本实施例所制备的药芯焊丝的扩散氢测试(水银法)，结果如表3所示。
表1：药芯焊丝熔敷金属化学成分
编号 C Si Mn S P Ni Cr Cu Ti
实施例1 0.053 0.28 1.78 0.006 0.006 0.81 0.70 0.35 0.065
实施例2 0.042 0.26 1.66 0.006 0.004 0.86 0.73 0.28 0.102
实施例3 0.051 0.34 1.70 0.004 0.005 0.90 0.69 0.30 0.141
表2：药芯焊丝熔敷金属力学性能
编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％ KV<sub>2</sub>(-40℃)/J
实施例1 810 740 25 108、114、121
实施例2 835 752 24 124、128、123
实施例3 843 748 26 123、125、133
表3：药芯焊丝扩散氢含量测试
Figure BDA0002545292560000071
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，包括合金钢外皮和药芯，其特征在于，合金钢外皮占药芯焊丝总质量85～87％，药芯占药芯焊丝总质量13～15％，药芯的成分及含量占药芯总质量百分比包括：轻稀土氧化物：0.5～2％，氧化铋：0.2～0.6％，钇粉：0.5～1.5％，钛粉：0.5～1％，金红石：35～55％，萤石：1～2％，长石：2～6％，锆英砂1～2％，电解锰4～6％，75#硅铁：8～10％，硼铁3～5％，镍粉2.5～3.5％，铁粉：8％～15％。
2.如权利要求1所述的一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，其特征在于：所述合金钢外皮采用低S、P的合金钢钢带，该合金钢钢带的化学组分及含量包括：C：0.052％，Si：0.25％，Mn：1.85％，S：0.005％，P：0.006％，Cr：0.8％，Cu：0.37％，Ni：0.83％，余量为铁。
3.如权利要求1所述的一种高强耐候钢气保护药芯焊丝，其特征在于：所述高强耐候钢气保护药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：将药芯包含混合矿物粉加锂水玻璃均匀搅拌，混合的矿物粉在350～380℃进行高温熔炼，熔炼矿物粉与铁合金粉料利用本行业V型混粉机均匀混合，混合时间1h～1.5h，得到药芯粉剂混合料；得到药芯混合料后，将所述药芯混合料利用常规的保温桶半开口进行保温，保温温度为80～100℃，保温时间为1h～2h；将所述药芯混合料利用常规的药芯焊丝制造工艺包裹在合金钢外皮里面，经过拉拔后得到高强耐候钢气保护药芯焊丝。
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