CN111702371A - 一种超低氢型酸性药芯焊丝及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低氢型酸性药芯焊丝及其生产方法，所述药芯焊丝由低P、S钢带和包裹于所述钢带内的药芯组成，所述焊药占焊丝总重量的10～20％；所述生产方法是在于成型工艺前后进行加热工艺去除残存油分后，采用精密成型工艺将药芯包裹在低P、S钢带内，再透过减径、拉丝、收线，即得所述焊丝。本发明药芯焊丝具有优异的焊接工艺性能，其熔敷金属的机械性能优异且稳定，其熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平(＜3ml/100g，水银法)，因而焊缝具有良好的抗冷裂性能。

Description

一种超低氢型酸性药芯焊丝及其生产方法
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种具有超低氢型酸性药芯焊丝及其生产方法。
背景技术
近年来，药芯焊丝凭借高效、节能等一系列优点，被广泛应用于造船、钢结构、石油化工等领域。但是焊缝中氢的存在会造成气孔、裂纹、白点及脆断等工艺缺陷，因而需要尽量降低焊缝中的氢含量。而这样的焊接主要采用碱性渣系的超低氢型药芯焊丝，但这种焊丝在以CO2作保护气体时熔渣流动性过大，熔滴过渡形式为粗颗粒过渡，操作手感和焊接工艺性能极差，难以完成立、横位置的焊接。
如果采用普通的酸性渣系的药芯焊丝，其焊接工艺性能优异，但药粉中含有大量的金红石、硅铝酸盐和其他酸性氧化物，这不但提高了电弧稳定性，使电弧柔软，而且会使液态金属与熔渣的界面张力降低，促使熔滴颗粒变小，易形成喷射过渡，适用于全位置焊接。但酸性药芯焊丝存在的一个最大的问题是焊缝金属的低温冲击韧性很差。
随着工业装备向超低氢、高韧性发展，迫切需要一种焊接工艺性能优良、扩散氢含量较低的药芯焊丝，可提高焊道的抗龟裂性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超低氢型酸性药芯焊丝及其生产方法，所述超低氢型酸性药芯焊丝在焊接时不但具有优异的工艺性能，而且可获得超低的扩散氢含量及优异的低温冲击韧性。
本发明的技术方案是：一种超低氢型酸性药芯焊丝，由焊药和钢带构成，焊药包裹于钢带内，所述焊药占焊丝总重量的10～20％，；所述钢带是低P、S钢带；
(a)以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低P、S钢带的组分如下：
C：0.010～0.030％；
Si：0.01～0.03％；
Mn：0.10～0.30％；
Al：0.005～0.035％；
P：0.005～0.010％；
S：0.005～0.010％；
Fe：余量；
其中钢带含油量＜1.0g/10kg；
(b)以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：35～55％；
SiO2：3～8％；
ZrO2：0.5～3.0％；
氟化物：1～5％；
Na2O：0.1～2.0％；
K2O：0.1～3.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.05～0.20％；
Mn：12～20％；
Si：0.5～5.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
Fe：余量。
优选的，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：40.1～48.1％；
SiO2：3.6～5.4％；
ZrO2：1.6～2.5％；
氟化物：1.5～3.6％；
Na2O：0.42～0.84％；
K2O：1.4～2.5％；
Al+Mg：4.1～4.4％；
C：0.12～0.14％；
Mn：15.1～16.4％；
Si：2.0～2.3％；
Ti：1.9～2.6％；
B：0.01～0.10％；
Fe：余量。
其中，所述氟化物至少包括NaF、CaF2、BaF2、Na3AlF6、K3AlF6、K2SiF6、LiF中的一种或多种。
以重量百分比计，所述超低氢型酸性药芯焊丝的熔敷金属的组分包括：C：0.049～0.056％；Mn：1.25～1.35％；Si：0.43～0.48％；P：0.011～0.014％；S：0.005～0.008％；Ti：0.046～0.060％；Al：0.001～0.003％。
具体分析本发明中焊药各组分在药芯焊丝中各自发挥的作用如下：
钛氧化物是从金红石、钛渣得到且具有稳弧剂的作用，可稳定电弧状态并使熔滴过度平滑。同时还会形成熔融焊渣来包覆整个焊道，使得焊道外观及焊道形状良好。此外还能够调整熔融焊渣的熔点及黏性来防止金属下淌。而一部分的钛氧化物可过渡到焊缝金属中，得到微观组织细微化并提高韧性的效果。当钛氧化物的组分比例不足35％时，电弧状态变得不稳定且熔滴过度变得不规则，飞溅发生量增加。此外由于焊渣的生成量变少，在立上焊及仰焊焊接时变得容易金属下淌，焊道外观及焊道形状变成秃状。另外焊缝金属的微观组织粗大化导致韧性降低。另一方面当钛氧化物的组分比例超过55％时，焊渣量变得太多，在在立上焊及仰焊焊接时变得容易金属下淌且焊道外观及焊道形状变得不良，容易发生残渣及熔融不良等焊接缺陷。此外，由于焊缝金属的非金属介在物变多导致韧性降低，因此焊药中的钛氧化物组分比例应控制在35～55％。
从硅沙、锆沙和硅酸钠等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣包覆性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。当硅氧化物的组分比例不足3％时，由于焊渣的黏性变低，导致全位置焊接时的焊渣包覆性变差，焊道外观及焊道形状也变得不良。另一方面，硅氧化物的组分比例超过8％时，会促使焊缝金属的微观组织产生硬化相，导致韧性降低。因此焊药中的硅氧化物组分比例应控制在3～8％。
从锆沙和氧化锆等得到的锆氧化物，有调整熔融焊渣的熔点并防止金属下淌的效果。当锆氧化物的组分比例不足0.5％时，熔融焊渣的熔点变低，在立上焊及仰焊焊接时变得容易金属下淌，焊道外观及焊道形状变得不良。另一方面，锆氧化物的组分比例超过3.0％时，焊渣会变得致密而且坚固，在全位置焊接时的脱渣性变得不良。因此焊药中的锆氧化物组分比例应控制在0.5～3.0％。
从氟化钠、冰晶石、氟化铝、硅氟化钾等得到的氟化物，除了能提高电弧的指向性并强烈稳定电弧状态以外，还有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣包覆性的效果，并利用适量的氟化物进行脱氢处理，因而可将熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平。当氟化物的组分比例不足1.0％时，电弧状态会变得不稳定，熔滴过度变得不规则且飞溅发生量增加，全位置焊接时的焊道外观及焊道形状变得不良，熔敷金属的扩散氢含量高。另一方面，氟化物的组分比例超过5.0％时，电弧状态变得过强且飞溅发生量变多。此外，由于熔融焊渣的黏性变得过低，导致在立下焊、立上焊及仰焊焊接时容易发生金属下淌，焊道外观及焊道形状变得不良。因此焊药中的氟化物组分比例应控制在1.0～5.0％。
从钾长石、硅酸钠和硅酸钾形成的水玻璃固体成分、氟化钠和硅氟化钾等氟化物得到的氧化钠和氧化钾，有稳弧及造渣的功能。当氧化钠和氧化钾的组分比例各别不足0.1％时，电弧状态变得不稳定，熔滴过渡变得不规则且飞溅发生量变多。另一方面，氧化钠和氧化钾的组分比例各别超过2.0％、3.0％时，电弧长度变长且在立下焊、立上焊及仰焊焊接时容易发生金属下淌，且焊道外观及焊道形状变得不良。因此氧化钠和氧化钾的组分比例应分别控制在0.1～2.0％、0.1～3.0％。
铝和镁在熔池中形成氧化铝及氧化镁并调整熔融焊渣的黏性及熔点，有防止在立上焊及仰焊焊接时发生金属下淌的效果。此外镁在熔池中起到脱氧剂作用，可减少焊缝金属的氧含量来提高韧性。当铝和镁的组分比例合计不足1％时，熔融焊渣的熔点变低，在立上焊及仰焊焊接时容易发生金属下淌，焊道外观及焊道形状也变得不良。而且焊缝金属的氧含量变多导致韧性降低。另一方面，当铝和镁的组分比例合计超过8％时，熔融焊渣的熔点变得过高，在全位置焊接时发生残渣。此外由于焊丝前端的熔滴脱离变差，在立下焊焊接时焊道外观及焊道形状变得不良。而电弧状态变粗，熔滴过度变得不规则且飞溅发生量变多，导致熔金中铝和镁含量太高且韧性差。因此铝和镁的组分比例合计应控制在1～8％。铝可从钢带和焊药中的金属铝、铝铁合金等铝合金来添加。镁可从焊药中的金属镁、铝镁合金等镁合金来添加。
碳有使电弧稳定并使熔滴过渡平滑，同时还有过渡到焊缝金属中来提高强度的效果。当碳的组分比例不足0.05％时，这些效果无法充分呈现出来，电弧状态变得不稳定且熔滴过渡变得不规则，飞溅发生量增加。也无法得到必要的焊缝金属强度。另一方面，碳的组分比例超过0.20％时，碳会过渡过多到焊缝金属中，导致强度变得过高而使韧性降低，因此焊药中的碳组分比例应控制在0.05～0.20％。碳可从焊药中的金属粉及合金粉来添加。
锰在焊接时会形成熔融焊渣并均匀地包覆焊道表面，在全位置焊接时使焊道外观及焊道形状良好。并且可过渡到焊缝金属内提高强度及韧性。当锰的组分比例不足12％时，全位置焊接时的焊道外观及焊道形状变得不良，而且无法得到必要的焊缝金属强度及韧性。另一方面，锰的组分比例超过20％时，由于锰会过渡过多到焊缝金属中，导致强度变得过高而韧性降低。因此锰的组分比例应控制在12～20％。锰可从金属锰、锰铁、硅锰铁等锰合金来添加。
硅和锰相同，在焊接时会形成熔融焊渣并均匀地包覆焊道表面，在全位置焊接时可使焊道外观及焊道形状良好，还能过渡到焊缝金属中提高强度。当硅的组分比例不足0.5％时，全位置焊接时焊道外观及焊道形状变得不良。而且也得不到必要的焊缝金属强度。另一方面，硅的组分比例超过5％时，硅会过渡过多到焊缝金属中导致韧性降低。因此硅的组分比例应控制在0.5～5％。硅可从焊药中的金属硅、硅铁、硅锰铁等硅合金来添加。
钛有提高焊缝金属韧性的效果，当钛的组分比例不足0.1％时，无法生成足够多的晶核，焊缝金属韧性提高效果变得不明显。另一方面，钛的组分比例超过5％时，固溶钛会变得过多，焊缝金属的强度变得过高而韧性降低。因此钛的组分比例应控制在0.1～5％。钛可从焊药中的金属钛、钛铁等合金来添加。
硼有抑制焊缝金属微细组织的晶界铁素体粗大化并提高焊缝金属韧性的效果。硼的组分比例不足0.01％时无法得到此效果，也无法提高焊缝金属的韧性。另一方面，硼的组分比例超过0.10％时，低熔点的硼会在晶界偏析导致在全位置焊接时容易发生高温裂纹，因此，焊药中的碳组分比例应控制在0.01～0.10％。硼可从焊药中的硼铁、锰硼铁等硼合金来添加。
以上为本发明的超低氢型酸性药芯焊丝的焊药成分组成含量原理。残余部分为铁及无法避免的杂质，焊药中的铁是从铁粉、硅铁、锰铁、硅锰铁等铁合金粉而来，铁粉以提高熔敷速度和调整药芯焊丝填充比的目的来添加。
本发明另一方面亦提供了上述超低氢型酸性药芯焊丝的生产方法工艺，包含如下步骤：
(1)将焊药材料各组份按照成分含量分别称重后混合并进行搅拌，烘干，当作配方药粉待用；
(2)将含油量＜1.0g/10kg的钢带清洗后，于成形工艺前进行加热工艺A，即将钢带加热至80～120℃，然后轧制U型槽，再将步骤(1)中所述配方药粉加入到U型槽中后进行闭合，闭合完成后于在线将焊丝再加热至180～250℃，此为加热工艺B，再通过眼模精确拉拔减径至规定的焊丝直径，并将焊丝表面残存拔丝润滑剂予以清洁处理，最后在焊丝表面均匀涂覆一层送丝润滑剂后经过排层绕制成所述超低氢型酸性药芯焊丝。
本发明的生产步骤中，前段钢带加热工艺A及后段焊丝加热工艺B有专门的目的、优点及特征。钢带中油份和水份及焊丝中的水份一直是扩散氢含量的主要来源。本发明将钢带于清洗后进行前段加热工艺A将钢带升温至80～120℃，其目的在于去除清洗后钢带残存之油份和水份。而在钢带加入配方药粉进行闭合、成型后，于在线进行后段加热工艺B将焊丝升温至150～250℃，其原因在于迫使被外鞘钢带包裹的配方药粉中的水份形成水汽并从焊丝闭合缝隙中逸出。
本发明采用低P、S的钢带，因而具有优异的抗热裂性能；药芯采用TiO2-SiO2酸性渣系，因而具有十分优异的焊接工艺性能；配合在线钢带、焊丝加热，并利用适量的氟化物进行脱氢处理，因而可将熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平(≤3ml/100g，水银法)；熔敷金属的机械性能优异且稳定，尤其是低温冲击韧性。
本发明的药芯焊丝焊接电弧稳定，焊缝外形美观，具有优异的焊接工艺性能，其熔敷金属的机械性能优异且稳定，其熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平(≤3ml/100g，水银法)，因而焊缝具有良好的抗冷裂性能。
附图说明
图1是本发明超低氢型酸性药芯焊丝的生产方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明由钢带和焊药组成，焊药包裹在钢带内，采用低P、S的碳钢钢带，在生产工艺中，加热工艺A其温度控制在100℃，加热工艺B则为200℃，钢带组分(重量百分比％)如下表：
表1：钢带组分
C Si Mn Al
0.010-0.030 0.01-0.03 0.10-0.30 0.005～0.035
P S Fe 含油量
0.005-0.010 0.005-0.010 余量 0.8g/10kg
焊药占焊丝全重量比例为10％～20％，其焊药组分实施例及比较例如下表2：
Figure BDA0002558560530000111
Figure BDA0002558560530000121
如图1所示，以如下步骤制备所述超低氢型酸性药芯焊丝：
(1)将焊药材料各组份按照成分含量分别称重后混合并进行搅拌，烘干，当作配方药粉待用；
(2)将含油量＜1.0g/10kg的钢带清洗后，于成形工艺前进行加热工艺A，即将钢带加热至80～120℃，然后轧制U型槽，即弯曲，再将步骤(1)中所述配方药粉加入到U型槽中后进行闭合，成型，闭合完成后于在线将焊丝再加热至180～250℃，此为加热工艺B，再通过眼模精确拉拔减径至规定的焊丝直径，并将焊丝表面残存拔丝润滑剂予以清洁处理，最后在焊丝表面均匀涂覆一层送丝润滑剂后经过排层绕制成所述超低氢型酸性药芯焊丝。
各实施例及比较例对应其熔敷金属化学成分测试结果如下表3：
Figure BDA0002558560530000131
Figure BDA0002558560530000141
各实施案例对应其熔敷金属机械性能、扩散氢、烟尘及抗裂性测试结果如下表4：
表4
Figure BDA0002558560530000142
Figure BDA0002558560530000151
上述实验可见，本发明药芯焊丝具有优异的焊接工艺性能，其熔敷金属的机械性能优异且稳定，尤其是-20℃冲击韧性。其熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平(≤3ml/100g，水银法)，因而焊缝具有良好的抗冷裂性能。
比较例6的氟化物太低，扩散氢过高；比较例7的氟化物太高，焊接烟雾大；比较例8的Ti太低，冲击值低；比较例9的Ti太高，强度太高，冲击韧性低；比较例10的B太低，韧性差；比较例11的B太高，抗裂性较差；比较例12的Al+Mg太高，熔金中氧含量高，韧性不好；比较例13的Al+Mg含量过高，冲击性能差。
本发明的药芯焊丝焊接电弧稳定，焊缝外形美观，具有优异的焊接工艺性能，其熔敷金属的机械性能优异且稳定，其熔敷金属的扩散氢含量降低到超低氢水平(≤3ml/100g，水银法)，因而焊缝具有良好的抗冷裂性能。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超低氢型酸性药芯焊丝，由焊药和钢带构成，焊药包裹于钢带内，其特征在于，所述焊药占焊丝总重量的10～20％，所述钢带是低P、S钢带；
(a)以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低P、S钢带的组分如下：
C：0.010～0.030％；
Si：0.01～0.03％；
Mn：0.10～0.30％；
Al：0.005～0.035％；
P：0.005～0.010％；
S：0.005～0.010％；
Fe：余量；
其中钢带含油量＜1.0g/10kg；
(b)以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：35～55％；
SiO2：3～8％；
ZrO2：0.5～3.0％；
氟化物：1.0～5.0％；
Na2O：0.1～2.0％；
K2O：0.1～3.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.05～0.20％；
Mn：12～20％；
Si：0.5～5.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
Fe：余量。
2.根据权利要求1所述的超低氢型酸性药芯焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：40.1～48.1％；
SiO2：3.6～5.4％；
ZrO2：1.6～2.5％；
氟化物：1.5～3.6％；
Na2O：0.42～0.84％；
K2O：1.4～2.5％；
Al+Mg：4.1～4.4％；
C：0.12～0.14％；
Mn：15.1～16.4％；
Si：2.0～2.3％；
Ti：1.9～2.6％；
B：0.01～0.10％；
Fe：余量。
3.根据权利要求1或2所述的超低氢型酸性药芯焊丝，其特征在于，以重量百分比计，所述超低氢型酸性药芯焊丝的熔敷金属的组分包括：C：0.049～0.056％；Mn：1.25～1.35％；Si：0.43～0.48％；P：0.011～0.014％；S：0.005～0.008％；Ti：0.046～0.060％；Al：0.001～0.003％。
4.如权利要求1或2所述超低氢型酸性药芯焊丝的生产方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)将焊药材料各组份按照成分含量分别称重后混合并进行搅拌，烘干，当作配方药粉待用；
(2)将含油量＜1.0g/10kg的钢带清洗后，于成形工艺前进行加热工艺A，即将钢带加热至80～120℃，然后轧制U型槽，再将步骤(1)中所述配方药粉加入到U型槽中后进行闭合，闭合完成后于在线将焊丝再加热至180～250℃，此为加热工艺B，再通过眼模精确拉拔减径至规定的焊丝直径，并将焊丝表面残存拔丝润滑剂予以清洁处理，最后在焊丝表面均匀涂覆一层送丝润滑剂后经过排层绕制成所述超低氢型酸性药芯焊丝。
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