CN112917044A - 一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石34～42％，电解锰2～6％，硅锰合金10～15％，镍粉14～18％，钛铁2～6％，铝镁合金1～5％，氟化钠1～3％，锆英砂1～4％，硼铁4～8％，钛酸钾1～3％，硅铁2～6％，镁粉1～6％，长石2～5％，聚全氟乙丙烯1～5％，余量为铁粉。本发明提供的耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其使用纯CO2作为保护气，可以在海工建造工作环境下使用且满足‑40℃冲击韧性要求，扩散氢含量低于5ml/100g以下，且其屈服强度等级460MPa级，抗拉强度等级达到550MPa级，抗冷裂性能好，抗吸潮性极强、耐气孔性能高。

Description

一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝。
背景技术
气保护药芯焊丝因为具有良好的全位置焊接工艺性能及很高的焊接效率，在造船、海洋工程等行业得到越来越多应用。海工建造中除了355MPa级钢材外，屈服强度400-460MPa级钢板应用较为广泛，如E40、EH420、EH460等，海洋工程装备建造需要使用具有良好低温冲击韧性的药芯焊丝，因其使用环境要求，还必须具备优良的耐潮性和超低扩散氢含量。然而，当前能满足-40℃低温条件下的冲击韧性要求，且扩散氢含量满足5ml/100g以下的药芯焊丝大部分是无缝药芯焊丝，使用纯CO2气保护的钢带制作的有缝药芯焊丝未见报道。而部分能满足扩散氢含量5ml/100g以下的药芯焊丝其只能满足-20℃以上温度的冲击韧性要求。
公开号为CN109623193A的专利公开了一种具有低氢高韧性的低温钢用无缝药芯焊丝及其制备方法，该药芯焊丝熔敷金属-60℃冲击吸收能量达到120J，扩散氢含量降低到3ml/100g以下，但是该焊丝采用无缝药芯焊丝制造工艺制成。
另外，公开号为CN106695155A的专利公开了一种低氢高韧性酸性药芯焊丝，该药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量(甘油法平均值1.13ml/100g；水银法平均值5.8ml/100g)，其熔敷金属-20℃冲击吸收能量达到80J。又如公开号为CN106736023A的专利公开了一种低氢低烟雾型药芯焊丝，该药芯焊丝熔敷金属的扩散氢含量降低到5ml/100g以下，其熔敷金属-20℃冲击吸收能量达到90J以上。这些药芯焊丝都只能满足-20℃以上温度的冲击韧性要求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其使用纯CO2作为保护气，可以在海工建造工作环境下使用且满足-40℃冲击韧性要求，扩散氢含量低于5ml/100g以下，且其屈服强度等级460MPa级，抗拉强度等级达到550MPa级。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石34～42％，电解锰2～6％，硅锰合金10～15％，镍粉14～18％，钛铁2～6％，铝镁合金1～5％，氟化钠1～3％，锆英砂1～4％，硼铁4～8％，钛酸钾1～3％，硅铁2～6％，镁粉1～6％，长石2～5％，聚全氟乙丙烯1～5％，余量为铁粉。
优化地，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石36～42％，电解锰3～5％，硅锰合金12～15％，镍粉14～16％，钛铁3～5％，铝镁合金1～3％，氟化钠1～2％，锆英砂2～3％，硼铁5～6％，钛酸钾1～2％，硅铁2～4％，镁粉2～4％，长石3～5％，聚全氟乙丙烯1～4％，余量为铁粉。
优化地，所述药芯的质量为所述药芯焊丝总质量的12～17％。
优化地，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石36％，电解锰3％，硅锰合金15％，镍粉16％，钛铁4％，铝镁合金1％，氟化钠1％，锆英砂3％，硼铁6％，钛酸钾1％，硅铁2％，镁粉2％，长石5％，聚全氟乙丙烯4％，余量为铁粉。
优化地，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石38％，电解锰4％，硅锰合金12％，镍粉15％，钛铁3％，铝镁合金3％，氟化钠2％，锆英砂2％，硼铁5％，钛酸钾2％，硅铁4％，镁粉2％，长石3％，聚全氟乙丙烯2％，余量为铁粉。
进一步地，所述药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺制得。
更进一步地，在制造所述药芯焊丝之前，先将所述药芯装入混粉机中在270～280℃保温混粉处理50～60分钟。
进一步地，所述聚全氟乙丙烯的颗粒粒径为120-200目。
进一步地，所述碳钢外皮为SPCC钢带。
进一步地，所述药芯焊丝的焊接条件为：保护气体为纯度99.5％以上的CO2，焊接电流为280～300A，焊接电压为28～30V，焊接速度为25～35cm/min。
本发明的耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝配方的设计原理：本发明中含有大量金红石，可确保具有良好的全位置焊接工艺适用性；采取多种脱氧剂联合脱氧方式，以提高脱氧效果，其中Al、Mg、Si、Mn来源于铝镁合金、硅铁、电解锰，脱氧剂优先与氧发生氧化反应，减少铁的氧化，同时有部分硅、锰作为合金成分过渡到焊缝中，起到固溶强化的作用，从而确保焊缝金属力学性能达到要求；药芯粉料中加入了适量聚全氟乙丙烯，焊接中可以脱氢，降低焊缝氢含量，同时在药芯粉料270℃保温混粉预处理过程中会逐渐软化，对粉料进行再处理，有利于提高耐潮性；通过向焊缝金属中加入微量的细化晶粒合金元素，如Ti、B、Zr、Al等，可以使焊缝金属的晶粒细化，既可提高焊缝金属的强度和韧性，又可改善其抗裂性能。
药芯中金红石主要成分是TiO2，起造渣和稳弧作用；TiO2的加入可以使熔化的金属熔滴以细雾状过渡，减少焊接飞溅，改善熔渣流动性和覆盖性；这有利于焊丝的全位置焊接工艺；金红石质量百分含量少于34％时，全位置焊接中立、仰焊难操作，成型不好；金红石质量百分含量多于42％时，熔渣熔点升高，焊缝成形变差，对力学性能产生不良影响。
电解锰是主要脱氧剂，可以参与脱氧，同时具有渗合金作用，用于降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性。
硅锰合金为主要脱氧剂及过渡合金用，占所述药芯粉料总重量的百分比为10～15％。
镍粉作为渗合金剂使用，Ni是奥氏体形成元素，能够降低因A1导致铁素体晶粒变粗大的影响，并且Ni具有固溶强化的作用，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。
钛铁、硼铁合金作为脱氧剂，同时过渡Ti、B元素，细化晶粒，提高焊缝金属的韧性，并有脱氧、稳弧、促使熔滴以雾状过渡和实现焊缝成型细而光亮的作用；Ti可与N结合为TiN形核质点，降低焊缝N含量，进一步提高冲击韧性。
镁粉和铝镁合金是强脱氧剂，脱氧产物为Al2O3和MgO，适量的Al2O3可改善全位置焊接操作工艺性能，MgO可提高熔渣碱度，从而提高焊缝金属低温韧性。
氟化钠熔点较低，可降低熔渣的共熔点，降低熔渣的粘度和表面张力，有利于改善焊缝脱渣性和焊缝表面成形；氟化钠在高温下分解产生HF气体，起到焊缝去氢和提高抗压痕的作用，显著提高焊缝的低温韧性；其加入量大于3％时，焊接飞溅增大，熔渣变稀，使焊丝的全位置焊接工艺变差；加入量少于1％时去氢能力不足，容易出现气孔压痕。
锆英砂主要成分是ZrO2和SiO2，通常ZrO2含量大于60％，ZrO2能够显著改善焊缝的脱渣性和全位置焊接工艺性能；锆英砂质量百分含量少于1％时，ZrO2含量低，改善脱渣作用不明显；锆英砂含量多于4％时，显著降低熔渣碱度，降低焊缝冲击韧性。
钛酸钾中的K+可提高电弧稳定性，减少飞溅，显著改善焊接工艺。
硅铁作为渗合金剂，同时具有脱氧作用，其质量百分含量过多时，会提高熔渣的酸度和粘度，抗拉强度过高，焊缝冲击韧性下降，其含量太少会导致焊缝强度达不到要求。最佳添加量为2～6％。
长石的主要成分是SiO2，同时还有Al2O3、K2O、Na2O，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。当药芯中加入量少于2％时不能体现上述特征，加入量高于5％时，焊缝中氧含量升高，降低焊缝金属的低温冲击韧性。SiO2还容易和A12O3、MgO、Na2O、K2O等成分在高温条件下形成玻璃物质，从而降低熔渣的透气性，容易使焊缝产生压痕缺陷。
聚全氟乙丙烯作为药芯填充粉料有以下作用：1、焊接中可以脱氢，降低焊缝氢含量，从而有效降低了焊缝金属的裂纹发生率；2、其熔点约为265-285℃，熔融粘度较低，流动性较好，在药芯粉料270～280℃保温混粉预处理过程中会逐渐软化，包裹粘接到药芯粉料各个颗粒表面，粉体颗粒之间互相填充，减少很多孔隙及与外界接触的表面积，降低了粉料吸附水的能力，有利于提高耐潮性，降低焊缝金属扩散氢含量。
聚全氟乙丙烯摩擦系数极低，高润滑，还可以用于药芯焊丝表面处理，有以下优点：1、在焊丝拉拔定径工序，可以清除残留在焊丝表面上的润滑剂。润滑剂的主要成分是钠基或者钙基碳氢化合物，吸附水的能力较强，清除残留的润滑剂降低了焊丝受潮的概率，同时进一步降低了焊缝氢含量；2、在拉拔过程中清除焊丝表面残留物，同时在焊丝表面形成均匀致密一层薄膜，不易受外界环境影响，可长期保持该较低的扩散氢值，抗吸潮性极强、耐气孔性能高；3、修复焊丝表面微小划痕，润滑焊丝表面，提高焊丝送给性能，可降低焊接用导电嘴消耗，节约成本。聚全氟乙丙烯颗粒粒径为120-200目，颗粒粒径过大时，不利于其均匀软化，影响其填充效果，也不利于焊丝表面处理，影响其表面处理效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的这种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能，其熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥460MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥17％；-40℃条件下，Akv≥47J；
(2)本发明提供的这种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝的焊缝熔敷金属扩散氢含量≤5ml/100g，达到超低氢水平，且抗冷裂性能好，抗吸潮性极强、耐气孔性能高；
(3)本发明的药芯粉料中加入了聚全氟乙丙烯，降低焊缝氢含量，从而有效降低了焊缝金属的裂纹发生率；焊丝拉拔过程中软化包裹粘接粉料，减少很多孔隙及与外界接触的表面积，降低了粉料吸附水的能力，有利于提高耐潮性；
(4)本发明中的聚全氟乙丙烯用于药芯焊丝表面处理，可以清除残留在焊丝表面上的润滑剂，降低了焊丝受潮的概率，进一步降低了焊缝氢含量；在焊丝表面形成均匀致密一层薄膜，不易受外界环境影响，可长期保持该较低的扩散氢值，抗吸潮性极强、耐气孔性能高；修复焊丝表面微小划痕，润滑焊丝表面，提高焊丝送给性能，可降低焊接用导电嘴消耗，节约成本。
具体实施方式
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1-5提供的耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝的药芯配方见表1，碳钢外皮为SPCC钢带，采用常规药芯焊丝制造工艺制得，且药芯粉料在用于制造药芯焊丝之前，先装入混粉机中在270～280℃保温混粉处理50～60分钟。
实施例1-5制得的药芯焊丝熔敷金属的化学成分与力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
表1药芯焊丝配方(质量百分含量)
实施例编号 1 2 3 4 5
金红石 38 36 38 40 42
电解锰 6 3 4 2 3
硅锰合金 12 15 12 10 10
镍粉 14 16 15 16 14
钛铁 6 4 3 4 3
铝镁合金 2 1 3 1 2
氟化钠 1 1 2 3 2
锆英砂 4 3 2 1 2
硼铁 4 6 5 4 6
钛酸钾 1 1 2 3 2
硅铁 2 2 4 3 6
镁粉 1 2 2 6 3
长石 2 5 3 4 2
聚全氟乙丙烯 3 4 2 1 1
铁粉 4 1 3 2 2
药粉填充率 15 16 14.5 13 14
表2熔敷金属的化学成分与力学性能
Figure BDA0002931956210000071
由表1和表2可以看出，本发明提供的这种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥460MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥17％；-40℃条件下，Akv≥47J；能满足低温-40℃条件下冲击韧性的要求。
表3药芯焊丝的熔敷金属扩散氢含量(水银法)
Figure BDA0002931956210000081
由表3可以看出，本发明制备的药芯焊丝具有超低的扩散氢，可有效降低焊缝金属的裂纹发生率，耐气孔性能高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，其特征在于，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石34～42％，电解锰2～6％，硅锰合金10～15％，镍粉14～18％，钛铁2～6％，铝镁合金1～5％，氟化钠1～3％，锆英砂1～4％，硼铁4～8％，钛酸钾1～3％，硅铁2～6％，镁粉1～6％，长石2～5％，聚全氟乙丙烯1～5％，余量为铁粉。
2.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石36～42％，电解锰3～5％，硅锰合金12～15％，镍粉14～16％，钛铁3～5％，铝镁合金1～3％，氟化钠1～2％，锆英砂2～3％，硼铁5～6％，钛酸钾1～2％，硅铁2～4％，镁粉2～4％，长石3～5％，聚全氟乙丙烯1～4％，余量为铁粉。
3.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于：所述药芯的质量为所述药芯焊丝总质量的12～17％。
4.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石36％，电解锰3％，硅锰合金15％，镍粉16％，钛铁4％，铝镁合金1％，氟化钠1％，锆英砂3％，硼铁6％，钛酸钾1％，硅铁2％，镁粉2％，长石5％，聚全氟乙丙烯4％，余量为铁粉。
5.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的成分及其在药芯中所占的质量百分含量为：金红石38％，电解锰4％，硅锰合金12％，镍粉15％，钛铁3％，铝镁合金3％，氟化钠2％，锆英砂2％，硼铁5％，钛酸钾2％，硅铁4％，镁粉2％，长石3％，聚全氟乙丙烯2％，余量为铁粉。
6.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺制得。
7.如权利要求6所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于：在制造所述药芯焊丝之前，先将所述药芯装入混粉机中在270～280℃保温混粉处理50～60分钟。
8.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于：所述聚全氟乙丙烯的颗粒粒径为120-200目。
9.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于：所述碳钢外皮为SPCC钢带。
10.如权利要求1所述的一种耐潮性优良的550MPa级药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的焊接条件为：保护气体为纯度99.5％以上的CO2，焊接电流为280～300A，焊接电压为28～30V，焊接速度为25～35cm/min。
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