CN112975201B - 一种高强型水下焊接用药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及焊接材料领域，具体公开了一种高强型水下焊接用药芯焊丝及其制备方法，高强型水下焊接用药芯焊丝包括包覆层和填充层，所述包覆层为合金金属件，所述填充层包括下列重量份物质组成：30～50份锰硅合金、5～10份低碳锰铁、5～10份高碳锰铁、70～80份金红石、10～20份氧化镁、0～5份氟化钠、10～20份长石和5～10份纳米二氧化钛；本申请选用锰硅合金为主要成分，辅以金红石为添加剂，再通过添加的纳米二氧化钛为改性材料，使熔渣可以均匀覆盖在焊缝的熔敷金属上，进一步提高了焊缝结合部分的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后焊缝部分的力学性能和机械强度。

Description

一种高强型水下焊接用药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本申请涉及焊接材料领域，更具体地说，它涉及一种高强型水下焊接用药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

随着水下焊接技术在海洋和水利工程中应用的越来越广泛，越来越多的水下焊接方法得到应用。水下焊接法的原理与设备都是以陆上的焊接方法为基础的，通过各种方法消除水以及水下环境的因素影响。水下焊接技术大体上可以分为三种类型：干法焊接、湿法焊接以及局部干法焊接这三种。

水下焊接作为海洋钢结构至关重要的施工技术，根据在水下焊接作业的时候与水环境的接触程度，综合考虑焊缝的质量、成本、移动性以及耗时的情况，水下湿法焊接是最适合广泛发展的水下焊接方法。在进行水下湿法焊接时，电弧直接在水中燃烧，焊缝成形的全部过程均在水中进行。

针对上述中的相关技术，发明人认为，现有的药芯焊丝材料在水下湿法焊接过程中，由于部分焊渣溶于水中，导致周围水体呈酸性，使焊接形成的大量杂质掺杂至焊缝之间，从而使焊接后的金属材料的强度大幅度降低。

发明内容

为了克服现有药芯焊丝水下焊接后强度不佳的缺陷，本申请提供一种高强型水下焊接用药芯焊丝及其制备方法，采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种高强型水下焊接用药芯焊丝，所述高强型水下焊接用药芯焊丝包括包覆层和填充层，所述包覆层为合金金属件，所述填充层包括下列重量份物质组成：30～50份锰硅合金、5～10份低碳锰铁、5～10份高碳锰铁、70～80份金红石、10～20份氧化镁、0～5份氟化钠、10～20份长石和5～10份纳米二氧化钛。

通过采用上述技术方案，由于本申请选用锰硅合金为主要成分，辅以金红石为添加剂，再通过添加的纳米二氧化钛为改性材料，由于纳米二氧化钛键能很小，所以导致熔渣的表面张力会在熔化变为液态时降低，进而使熔渣可以均匀覆盖在焊缝的熔敷金属上，同时由于焊接过程在水下进行，其表面张力极速增大，进而约束焊缝成型，有效提高了熔渣的脱渣效率，这样在实际的焊接过程中，熔态与正处在冷却结晶的焊缝熔敷金属表面形成氧化膜，包覆在熔敷金属表面形成强化包覆，进一步提高了焊缝结合部分的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

进一步地，所述高强型水下焊接用药芯焊丝还包括结合层，所述结合层设于包覆层临近所述填充层的一侧，所述结合层包括质量比1:6～8混合的钛镍复合颗粒和硅溶胶的混合物，所述钛镍复合颗粒中钛元素与镍元素的摩尔比为3～5：1。

通过采用上述技术方案，由于本申请通过在包覆层与填充层之间设置一层结合层，由于该结合层中添加了钛镍复合颗粒，一方面，钛镍金属元素的添加有效抑制了焊缝区粗大棒状和块状共析铁素体的形成，从而有效密实焊缝，使其结构致密，另一方面，本申请通过包覆层的方式进行填充，改善传统添加方案均匀型不佳的问题，通过有效分散填充，改善焊缝结构的微观组织性能，从而进一步改善了结合层的结合填充性能，有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

进一步地，所述钛镍复合颗粒采用以下方案制成：（1）按钛元素与镍元素摩尔比，将硝酸镍和硫酸钛搅拌混合收集得基体液；（2）按质量比1:10～12，将氢氧化钠添加至基体液中，搅拌混合并静置，过滤并收集下层沉淀；（3）取下层沉淀并洗涤后干燥，收集干燥颗粒，在450～500℃下保温煅烧3～5h，得钛镍复合颗粒。

通过采用上述技术方案，由于本申请优化了钛镍复合颗粒的制备步骤，通过共沉淀制备的方案，使制备的复合颗粒具有良好的稳定性、均匀性和分散性，从而使制备的钛镍复合颗粒具有良好的尺寸效应，从而在其分散过程中，有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

进一步地，所述结合层厚度为2～3mm。

通过采用上述技术方案，由于本申请优化了结合层的厚度，由于结合层厚度的优化，其内部填充的钛镍复合颗粒的填充量能得到有效地控制，通过防止钛镍复合颗粒填充量过低，导致改性效果不够显著，不能有效提高焊接焊缝的力学性能，同时又防止结合层过厚，导致焊接过程中产生大量的焊渣，对焊接形成的焊缝掺杂导致其焊缝的力学性能产生负面影响。

进一步地，所述填充层在包覆层中填充率为25～28％

通过采用上述技术方案，由于本申请优化了填充层的填充率，由于本申请优化后的填充率，在一定程度上就可以有效满足在水下焊接的焊接性能，从而提高焊接质量，另一方面，也能有效防止填充率过高导致焊接过程中，焊接成型的焊缝之间掺杂过多的杂质，从而提高对堆焊合金基体的韧性和耐磨性，从而有效降低药芯焊丝水下焊接后力学性能。

进一步地，所述包覆层的材质为掺杂有Nb元素或掺杂有V元素的E40钢中的任意一种。

通过采用上述技术方案，本申请优选E40钢为基础材料，E40钢材有一定的淬硬倾向，同时其内部添加的Mn元素，能推迟奥氏体冷却过程中铁素体的析出，起到固溶强化和细化晶粒的作用，从而使E40钢的韧性和强度有效提高。同时本申请通过在基体材料中添加Nb和V元素，能有效细化奥氏体晶粒，使焊渣在冷却过程中以碳氮化物形式析出，进一步提高钢的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

第二方面，本申请提供一种高强型水下焊接用药芯焊丝的制备方法，所述高强型水下焊接用药芯焊丝的制备步骤包括：S1、包覆层制备：取熔炼掺杂有Nb元素或V元素E40钢洗涤后，对其表面处理后，辊压成型，得包覆层；S2、结合层制备：按质量比1:6～8混合的钛镍复合颗粒和硅溶胶的混合物置于室温下研磨5～8h，收集得研磨浆液，将研磨浆液涂覆至包覆层两侧，在室温下静置固化并得结合层；S3、药芯焊丝制备：按配方将锰硅合金、低碳锰铁、高碳锰铁、金红石、氧化镁、氟化钠、长石和纳米二氧化钛搅拌混合并研磨过2000目筛，得过筛颗粒并填充至包覆层内部，制备得填充焊丝，将填充焊丝缝轧制成型后，再次精拔减径，经装桶或呈绕，即可制备得高强型水下焊接用药芯焊丝。

通过采用上述技术方案，本申请的制备方法通过药芯焊丝各组成部分加以区分并依次进行制备，既可以有效改善包覆层的结构和力学性能，同时优化后的添加步骤也能很好的降低制备的成本，提高制备的效率，所以本申请提供的高强型水下焊接用药芯焊丝的制备方法，有效提高了生产效率的同时，改善了药芯焊丝在实际使用过程中的使用效果。

进一步地，步骤S1所述表面处理包括：S11、依次采用250#、600#、800#和2000#的砂纸打磨处理。

通过采用上述技术方案，本申请通过对包覆层采用多规格的砂纸进行打磨处理，能对包覆层表面的氧化层进行彻底的处理，这样在后续的包覆过程中，能使包覆层表面与结合层形成直接的接触和良好的结合性能，从而优化了包覆层和结合层之间的结合强度，使其在使用过程中，防止出现水下焊接过程中出现脱落的现象，进一步改善了水下焊接的稳定性能。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

第一、本申请选用锰硅合金为主要成分，辅以金红石为添加剂，再通过添加的纳米二氧化钛为改性材料，由于纳米二氧化钛键能很小，所以导致熔渣的表面张力会在熔化变为液态时降低，进而使熔渣可以均匀覆盖在焊缝的熔敷金属上，同时由于焊接过程在水下进行，其表面张力极速增大，进而约束焊缝成型，有效提高了熔渣的脱渣效率，这样在实际的焊接过程中，熔态与正处在冷却结晶的焊缝熔敷金属表面形成氧化膜，包覆在熔敷金属表面形成强化包覆，进一步提高了焊缝结合部分的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

第二、本申请通过在包覆层与填充层之间设置一层结合层，由于该结合层中添加了钛镍复合颗粒，一方面，钛镍金属元素的添加有效抑制了焊缝区粗大棒状和块状先共析铁素体的形成，从而有效密实焊缝，使其结构致密，另一方面，本申请通过包覆层的方式进行填充，改善传统添加方案均匀型不佳的问题，通过有效分散填充，改善焊缝结构的微观组织性能，从而进一步改善了结合层的结合填充性能，有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

第三、优化了填充层的填充率，由于本申请优化后的填充率，在一定程度上就可以有效满足在水下焊接过程中，保证良好的焊接程度，从而提高焊接质量，另一方面，也能有效防止填充过高导致焊接过程中，焊接成型的焊缝之间掺杂过多的杂质，降低对堆焊合金基体的韧性和耐磨性，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

第四、本申请通过对包覆层采用多规格的砂纸进行打磨处理，能对包覆层表面的氧化层进行彻底的处理，这样在后续的包覆过程中，能使包覆层表面与结合层形成直接的接触和良好的结合性能，从而优化了包覆层和结合层之间的结合强度，使其在使用过程中，防止其水下焊接过程中出现脱落的现象，进一步改善了水下焊接的稳定性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例中，所用的原料和仪器设备如下所示，但不以此为限：

本申请中各原料和仪器设备均可通过市售获得，具体型号如下：

低碳锰铁为含碳量0.5％锰铁合金；

高碳锰铁为含碳量6％的锰铁合金；

E40钢为海洋工程用E40热轧H型钢；

打磨机、GNT 200型电子万能试验机。

制备例

钛镍复合颗粒制备

制备例1

按钛元素与镍元素的摩尔比为3：1，将质量分数5％硝酸钴和1mol/L硫酸钛置于搅拌装置中，搅拌混合收集得基体液，再按质量比1:10，将4mol/L氢氧化钠添加至基体液中，搅拌混合并静置，过滤并收集下层沉淀，用去离子水冲洗3次后，再在450℃下保温煅烧3h，得钛镍复合颗粒1。

制备例2

按钛元素与镍元素的摩尔比为4：1，将质量分数5％硝酸钴和1mol/L硫酸钛置于搅拌装置中，搅拌混合收集得基体液，再按质量比1:11，将4mol/L氢氧化钠添加至基体液中，搅拌混合并静置，过滤并收集下层沉淀，用去离子水冲洗4次后，再在475℃下保温煅烧4h，得钛镍复合颗粒2。

制备例3

按钛元素与镍元素的摩尔比为5：1，将质量分数5％硝酸钴和1mol/L硫酸钛置于搅拌装置中，搅拌混合收集得基体液，再按质量比1:12，将4mol/L氢氧化钠添加至基体液中，搅拌混合并静置，过滤并收集下层沉淀，用去离子水冲洗5次后，再在500℃下保温煅烧5h，得钛镍复合颗粒3。

结合层浆液制备

制备例4

按质量比1:6，将钛镍复合颗粒1添加至固含量15％硅溶胶中，在室温下研磨5h，收集得研磨浆液1。

制备例5

按质量比1:7，将钛镍复合颗粒2添加至固含量15％硅溶胶中，在室温下研磨6h，收集得研磨浆液2。

制备例6

按质量比1:6～8，将钛镍复合颗粒3添加至固含量15％硅溶胶中，在室温下研磨8h，收集得研磨浆液3。

实施例1

包覆层制备：取掺杂有Nb元素E40钢板并裁剪至合适形状，先对其表面用丙酮洗涤后，再依次采用250#、600#、800#和2000#的砂纸打磨处理；

结合层制备：将研磨浆液1涂覆至钢板两侧，在室温下静置固化，得2mm厚度的结合层；

药芯焊丝制备：将30kg锰硅合金、5kg低碳锰铁、5kg高碳锰铁、70kg金红石、10kg氧化镁、10kg长石和5kg纳米二氧化钛搅拌混合并研磨过2000目筛，得过筛颗粒并按填充率为25％，将其填充至包覆层内部，制备得填充焊丝，将填充焊丝缝轧制成型后，再次精拔减径，经装桶或呈绕，即可制备得高强型水下焊接用药芯焊丝。

实施例2～3

实施例2～3：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例1的区别在于，实施例2中结合层制备过程中采用是研磨浆液2，实施例3结合层制备过程中采用是研磨浆液3，剩余原料配比、制备参数如表1所示，其余制备步骤和制备环境均与实施例1相同。

表1实施例1～3各原料组分配比表

实施例4：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，实施例4采用掺杂有V元素E40钢板作为包覆层进行制备，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

实施例5：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，实施例5结合层厚度为3mm，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

实施例6：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，实施例6填充层在包覆层中填充率为26％，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

实施例7：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，实施例7填充层在包覆层中填充率为28％，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例

对比例1：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例1采用718钢作为焊丝包覆层进行制备，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例2：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例2采用718钢中掺杂Nb元素作为焊丝包覆层进行制备，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例3：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例3采用718钢中掺杂V元素作为焊丝包覆层进行制备，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例4：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例4中制备的填充层中不添加纳米二氧化钛，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例5：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例5中设置的结合层厚度为1mm，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例6：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例6中设置的结合层厚度为4mm，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例7：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例7中填充层在包覆层中填充率为20％，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比例8：一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比例8中填充层在包覆层中填充率为30％，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

对比实施例

对比实施例1

一种高强型水下焊接用药芯焊丝，与实施例2的区别在于，对比实施例1中未设置结合层，其余制备步骤和制备环境均与实施例2相同。

性能检测试验

分别对实施例1～7、对比例1～8和对比实施例1中制备的高强型水下焊接用药芯焊丝进行力学性能测试。

检测方法/试验方法

检测方法：在水槽中分别进行水下湿法焊条电弧焊的堆焊，单道焊及多层多道焊对接试验。电源极性采用直流正接，焊接前钢板表面用磨轮打磨至露出金属光泽，堆焊和单道焊均采用100mm×200mm×15mm的钢板。

检测试验：（1）在室温下，利用电子万能试验机进行拉伸性能测试，单道焊缝的拉伸试样为长100mm宽10mm，厚4mm，对接拉伸试样为长220mm、宽12mm、高10mm的长方体，拉伸速度为5mm/min，取拉伸结果的平均值作为抗拉强度。

（2）在室温下，采用电子万能试验机进行弯曲试验，弯曲试样大小形状与拉伸试样相同，弯头直径20μm，加载速度100N/min，测试其弯曲角度，具体检测结果如下表表2所示：

表2高强型水下焊接用药芯焊丝力学性能检测表

由上表表2进行性能分析：

（1）由实施例1～7各组分配比结合表2可以发现，本申请制备的高强型水下焊接用药芯焊丝具有良好的弯曲性能和拉伸强度，说明了本申请技术方案选用锰硅合金为主要成分，辅以金红石为添加剂，再通过添加的纳米二氧化钛为改性材料，由于纳米二氧化钛键能很小，所以导致熔渣的表面张力会在熔化变为液态时降低，进而使熔渣可以均匀覆盖在焊缝的熔敷金属上，同时由于焊接过程在水下进行，其表面张力极速增大，进而约束焊缝成型，有效提高了熔渣的脱渣效率，这样在实际的焊接过程中，熔态与正处在冷却结晶的焊缝熔敷金属表面形成氧化膜，进一步提高了焊缝结合部分的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

（2）将实施例2与对比例1～3进行性能对比，由于对比例1～3调整了包覆层的材质，由表2可以看出，其制备的焊丝材料的弯曲性能和抗拉强度均有所降低，这说明本申请技术方案优选E40钢为基础材料，有E40钢材有一定的淬硬倾向，同时其内部添加的Mn元素，能推迟奥氏体冷却过程中铁素体的析出，起到固溶强化和细化晶粒的作用，从而使E40钢的韧性和强度有效提高，同时本申请通过在基体材料中添加Nb和V元素，能有效细化奥氏体晶粒，同时在冷却过程中以碳氮化物形式析出，进一步提高钢的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

（3）结合对比例4和实施例2进行对比，对比例4中在焊丝材料中，未添加纳米二氧化钛，改变了填充层的组分，由表2可以看出，其弯曲强度有所降低，这说明本申请技术方案通过添加的纳米二氧化钛为改性材料，由于纳米二氧化钛键能很小，所以导致熔渣的表面张力会在熔化变为液态时降低，进而使熔渣可以均匀覆盖在焊缝的熔敷金属上，同时由于焊接过程在水下进行，其表面张力极速增大，进而约束焊缝成型，有效提高了熔渣的脱渣效率，这样在实际的焊接过程中，熔态与正处在冷却结晶的焊缝熔敷金属表面形成氧化膜，进一步提高了焊缝结合部分的强度，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

（4）结合对比例5～6、对比实施例1和实施例2进行对比，对比例5～6调整了结合层厚度，对比实施例1未添加结合层，由表2可以看见，其力学性能略降低，这说明本申请技术方案优化了结合层的厚度，由于结合层厚度的优化，其内部填充的钛镍复合颗粒的填充量能得到有效地控制，防止其填充量过低，导致改性效果不够显著，不能有效提高焊接焊缝的力学性能，同时又防止结合层过厚，导致焊接构成中产生大量的焊渣，对焊接形成的焊缝掺杂导致其焊缝的力学性能有效降低。

（4）结合对比例7～8和实施例2进行对比，对比例7～8调整了填充层在包覆层中填充率，由表2可以看见，其力学性能略降低，这说明本申请技术方案优化了填充层的填充率，由于本申请优化后的填充率，在一定程度上就可以有效满足在水下焊接过程中，保证良好的焊接程度，从而提高焊接质量，另一方面，也能有效防止填充过高导致焊接过程中，焊接成型的焊缝之间掺杂过多的杂质，降低对堆焊合金基体的韧性和耐磨性，从而有效提高了药芯焊丝水下焊接后力学性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述高强型水下焊接用药芯焊丝包括包覆层和填充层，所述包覆层为合金金属件，所述填充层包括下列重量份物质组成：

锰硅合金30～50份；

低碳锰铁5～10份；

高碳锰铁5～10份；

金红石70～80份；

氧化镁10～20份；

氟化钠0～5份；

长石10～20份；

纳米二氧化钛5～10份。

2.根据权利要求1所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述高强型水下焊接用药芯焊丝还包括结合层，所述结合层设于包覆层临近所述填充层的一侧，所述结合层包括质量比1:6～8混合的钛镍复合颗粒和硅溶胶的混合物，所述钛镍复合颗粒中钛元素与镍元素的摩尔比为3～5：1。

3.根据权利要求2所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述钛镍复合颗粒采用以下方案制成：

（1）按钛元素与镍元素摩尔比，将硝酸镍和硫酸钛搅拌混合收集得基体液；

（2）按质量比1:10～12，将氢氧化钠添加至基体液中，搅拌混合并静置，过滤并收集下层沉淀；

（3）取下层沉淀并洗涤后干燥，收集干燥颗粒，在450～500℃下保温煅烧3～5h，得钛镍复合颗粒。

4.根据权利要求3所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述结合层厚度为2～3mm。

5.根据权利要求4所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述填充层在包覆层中填充率为25～28％。

6.根据权利要求5所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述包覆层的材质为掺杂有Nb元素或掺杂有V元素的E40钢中的任意一种。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述高强型水下焊接用药芯焊丝的制备步骤包括：

S1、包覆层制备：取熔炼掺杂有Nb元素或V元素E40钢洗涤后，对其表面处理后，辊压成型，得包覆层；

S2、结合层制备：按质量比1:6～8混合的钛镍复合颗粒和硅溶胶的混合物置于室温下研磨5～8h，收集得研磨浆液，将研磨浆液涂覆至包覆层两侧，在室温下静置固化并得结合层；

S3、药芯焊丝制备：按配方将锰硅合金、低碳锰铁、高碳锰铁、金红石、氧化镁、氟化钠、长石和纳米二氧化钛搅拌混合并研磨过2000目筛，得过筛颗粒并填充至包覆层内部，制备得填充焊丝，将填充焊丝缝轧制成型后，再次精拔减径，经装桶或呈绕，即可制备得高强型水下焊接用药芯焊丝。

8.根据权利要求7所述的一种高强型水下焊接用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S1所述表面处理包括：S11、依次采用250#、600#、800#和2000#的砂纸打磨处理。