CN113146097A - 一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法。本发明属于焊接材料及焊材制造工艺技术领域。本发明为解决目前针对高氮低镍奥氏体不锈钢进行焊接时，焊接接头低温冲击韧性不高的技术问题。本发明的药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮制备而成；所述药芯粉由金红石、钾长石、锆英砂、萤石、冰晶石、铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬混合而成。方法：将矿物粉分批干燥，与干燥后的合金粉混合，然后填充在外皮中进行轧制，拉拔减径，得到药芯焊丝。本发明的焊丝低温力学性能优异。

Description

一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料及焊材制造工艺技术领域，具体涉及一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
传统奥氏体不锈钢以铬、镍为主要合金元素，其中镍可形成并稳定奥氏体元素，与铬等元素联合作用是其具备优良的耐腐蚀性能与力学性能，并得到广泛应用。
针对镍合金储量不断减少且价格昂贵的现状，以氮元素取代合金元素镍的方式一方面达到了节约铬的目的，另一方面为奥氏体不锈钢的各项性能改善提供更有效的帮助，如帮助扩大且稳定奥氏体相区，且氮在钢中固溶时具有强化作用，极大程度的提高合金的强度，改善了奥氏体不锈钢的耐点蚀和抗应力腐蚀的能力。因此，高氮低镍奥氏体不锈钢在石油化工、军事工业、交通运输等领域得到了广泛应用。然而目前的高氮低镍奥氏体不锈钢焊丝仍存在低温性能不高不稳定、存在低值的问题，因此，研发配套焊丝对于提高高氮低镍奥氏体不锈钢焊接工艺适用性，提高焊接接头的低温冲击韧性具有重大意义。
发明内容
本发明为解决目前针对高氮低镍奥氏体不锈钢进行焊接时，焊接接头低温冲击韧性不高的技术问题，而提供了一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝及其制备方法。
本发明的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：16％～18％、钾长石：1.5％～2％、锆英砂：1％～2％、萤石：0.5％～1％、冰晶石：0.8％～1.5％、铜粉：8％～9％、铝铁合金：0.5％～1.0％、电解锰：34％～36％、雾化硅铁：2％～4％、硅钙合金：1％～2.5％、金属镍：9％～12％、钼铁：1％～1.5％、铌铁：1％～2％、钛铁：0.5％～2％、氮化金属铬：15％～17％混合而成。
进一步限定，所述药芯粉的粒度为60～80目。
进一步限定，所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为24％～26％。
进一步限定，所述氮化金属铬中的氮含量为8％～10％。
进一步限定，所述不锈钢外皮具体为430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％。
进一步限定，所述药芯焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
进一步限定，所述药芯焊丝在施焊后所得熔敷金属的化学组成为C：0.050％～0.060％、Si：0.45～0.50％、Mn：8.20～8.80％、Cr：18.50～19.00％、Ni：2.30～2.50％、Mo：0.15～0.20％、N：0.35～0.40％、Cu：2.0～2.2、Ti：0.005～0.01、S≤0.02％、P≤0.03％、Nb：0.02～0.04％和余量的铁。
本发明的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂高温烘干，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石中温烘干，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬低温烘干，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
进一步限定，步骤一中所述高温烘干的参数为：温度为800～1000℃，时间为3h～5h。
进一步限定，步骤二中所述中温烘干的参数为：温度为300～500℃，时间为2h～4h。
进一步限定，步骤三中所述低温烘干的参数为：温度为110～130℃，时间为1h～3h。
本发明相比现有技术的优点如下：
1)本发明的节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝以氮元素作为强烈的奥氏体形成元素，大量节省了镍含量。
2)采用气保护对焊接熔池和熔滴过渡进行保护，确保在焊接过程中具备优异的焊接工艺性。
3)本发明的节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝极大提高焊接接头的抗应力腐蚀的能力，在200h的试验条件下无裂纹产生；提高焊接接头的低温冲击韧性的同时确保性能的稳定性，-70℃低温冲击功由常规药芯焊丝的40J提高至60J，且数值稳定不存在低值。
4)本发明对金红石和锆英砂进行800～1000℃×4h的高温烘干，可有效去除表面的吸附水和内部的结晶水，减少焊接过程中H、O对焊缝性能的影响，如氢脆、冷裂纹等微观缺陷的产生，保证焊缝的纯净度，以提高低温冲击韧性的稳定性。
5)本发明对钾长石、萤石、冰晶石进行300～500℃×3h的中温烘干，可有效去除表面的吸附水，减少焊接过程中H、O对焊缝性能的影响，保证焊缝的纯净度，以提高低温冲击韧性的稳定性，温度过高会改变其自身性质，影响焊接效果。
6)本发明对铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬进行100～130℃×2h的低温烘干，可有效去除表面的吸附水，减少焊接过程中H、O对焊缝性能的影响，保证焊缝的纯净度，以提高低温冲击韧性的稳定性；合金类药粉抗吸潮能力较强，故烘干温度以达到除去吸附水效果即可。
具体实施方式
实施例1：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：17％、钾长石：2％、锆英砂：1.2％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.8％、铝铁合金：0.5％、电解锰：35.5％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：1.3％、金属镍：10％、钼铁：1.2％、铌铁：1％、钛铁：1％、氮化金属铬：17％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为24％。
制备实施例1的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.2mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.051，Si：0.49，Mn：8.52，Cr：18.60，Ni：2.44，Mo：0.18，Cu：2.08，N：0.36；Ti：0.007；S：0.016；P：0.001；Nb：0.025；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
实施例2：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：17.0％、钾长石：2％、锆英砂：1％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.9％、铝铁合金：0.5％、电解锰：36％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：2.4％、金属镍：9％、钼铁：1.2％、铌铁：1％、钛铁：1％、氮化金属铬：16.5％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为24％。
制备实施例2的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.6mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.050，Si：0.50，Mn：8.46，Cr：18.60，Ni：2.36，Mo：0.16，Cu：2.08：0.38；Ti：0.008；S：0.017；P：0.001；Nb：0.024；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
实施例3：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：17.5％、钾长石：2％、锆英砂：1.5％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.5％、铝铁合金：0.5％、电解锰：35％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：1.6％、金属镍：10％、钼铁：1.4％、铌铁：1％、钛铁：1％、氮化金属铬：16.5％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为25％。
制备实施例3的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.2mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.052，Si：0.48，Mn：8.37，Cr：18.52，Ni：2.41，Mo：0.17，Cu：2.0；N：0.37；Ti：0.007；S：0.016；P：0.003；Nb：0.031；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
实施例4：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：17.5％、钾长石：1.8％、锆英砂：1.3％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.2％、铝铁合金：0.5％、电解锰：35％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：1.5％、金属镍：10％、钼铁：1.2％、铌铁：1％、钛铁：1.5％、氮化金属铬：17％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为25％。
制备实施例4的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.6mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.055，Si：0.45，Mn：8.70，Cr：18.57，Ni：2.47，Mo：0.15，Cu：2.05：0.38；Ti：0.006；S：0.017；P：0.001；Nb：0.034；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
实施例5：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：18.3％、钾长石：2％、锆英砂：1.5％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.5％、铝铁合金：0.5％、电解锰：34.5％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：1.4％、金属镍：10％、钼铁：1.3％、铌铁：1％、钛铁：1.5％、氮化金属铬：16％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为26％。
制备实施例5的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.2mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.053，Si：0.48，Mn：8.45，Cr：18.68，Ni：2.39，Mo：0.17，Cu：2.13；N：0.37；Ti：0.006；S：0.015；P：0.001；Nb：0.036；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
实施例6：本实施例的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮(厚度为0.4mm、宽度为10mm的430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％)制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：19％、钾长石：2％、锆英砂：1.5％、萤石：0.5％、冰晶石：1％、铜粉：8.2％、铝铁合金：0.5％、电解锰：34％、雾化硅铁：2％、硅钙合金：2.3％、金属镍：9％、钼铁：1.5％、铌铁：1％、钛铁：1.5％、氮化金属铬：16％混合而成；其中氮化金属铬中的氮含量为9％，药芯粉的粒度为60～80目，药芯焊丝中药芯粉的填充率为26％。
制备实施例6的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂于900℃下高温烘干4h，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石于400℃下中温烘干3h，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬于120℃下低温烘干2h，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到直径为1.6mm的焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
本实施例的药芯焊丝采用CO2气体保护进行施焊，焊丝施焊后熔敷金属化学成分为：C：0.056，Si：0.47，Mn：8.80，Cr：18.69，Ni：2.31，Mo：0.18，Cu：2.06；N：0.370；Ti：0.008；S：0.015；P：0.002；Nb：0.027；其所形成的焊缝成形美观，焊接工艺性优异；焊接接头各项力学性能优良，在200h的试验条件下无应力腐蚀的裂纹产生。
用实施例1～6的焊丝按照表1的焊接参数进行焊接，采用夏比冲击试验对焊缝低温力学性能进行检测，结果见表1。
表1不同焊接工艺参数下低温冲击韧性结果
Figure BDA0002960065220000071

Claims (10)

1.一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，该药芯焊丝由药芯粉和包裹在药芯粉外的不锈钢外皮制备而成；所述药芯粉按质量分数由金红石：16％～18％、钾长石：1.5％～2％、锆英砂：1％～2％、萤石：0.5％～1％、冰晶石：0.8％～1.5％、铜粉：8％～9％、铝铁合金：0.5％～1.0％、电解锰：34％～36％、雾化硅铁：2％～4％、硅钙合金：1％～2.5％、金属镍：9％～12％、钼铁：1％～1.5％、铌铁：1％～2％、钛铁：0.5％～2％、氮化金属铬：15％～17％混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉的粒度为60～80目，所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为24％～26％。
3.根据权利要求1所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述氮化金属铬中的氮含量为8％～10％。
4.根据权利要求1所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述不锈钢外皮具体为430低碳不锈钢钢带，其中杂质元素及其质量含量为P≤0.020％，S≤0.005％。
5.根据权利要求1所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝在施焊后所得熔敷金属的化学组成为C：0.050％～0.060％、Si：0.45～0.50％、Mn：8.20～8.80％、Cr：18.50～19.00％、Ni：2.30～2.50％、Mo：0.15～0.20％、N：0.35～0.40％、Cu：2.0～2.2、Ti：0.005～0.01、S≤0.02％、P≤0.03％、Nb：0.02～0.04％和余量的铁。
7.如权利要求1～6任意一项权利要求所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将金红石和锆英砂高温烘干，备用；
步骤二、将钾长石、萤石、冰晶石中温烘干，备用；
步骤三、将铜粉、铝铁合金、电解锰、雾化硅铁、硅钙合金、金属镍、钼铁、铌铁、钛铁、氮化金属铬低温烘干，然后与步骤一和步骤二烘干后的矿物粉混合均匀，得到药心粉；
步骤四、将不锈钢钢带轧成U形，向U形槽内加入药芯粉并合口，然后依次进行轧制成型、连续拉拔减径处理，得到焊丝，对焊丝表面进行机械清理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝。
8.根据权利要求7所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高温烘干的参数为：温度为800～1000℃，时间为3h～5h。
9.根据权利要求7所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤二中所述中温烘干的参数为：温度为300～500℃，时间为2h～4h。
10.根据权利要求7所述的一种节镍高氮奥氏体不锈钢气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤三中所述低温烘干的参数为：温度为110～130℃，时间为1h～3h。
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