CN113441876A - 压力容器用气体保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力容器用气保护药芯焊丝，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉10‑20份，金属镍粉5‑10份，金属钼粉4‑8份，金属锰粉7‑12份，二氧化钛20‑25份，二氧化硅5‑8份，二氧化锆4‑6份，氧化铝2‑4份，氟化铝5‑8份，氟化镍3‑5份，稳弧剂2‑4份，脱氧剂2‑5份，铁粉10‑20份。本发明药芯焊丝脱渣容易，电弧稳定，飞溅颗粒极少且细小，焊缝成形美观，焊接工艺和接头性能优良，具有优良的冲击韧性，良好的抗点蚀性能。此焊丝主要应用于压力容器的焊接，且制备工艺简单，操作方便，适合批量化生产。

Description

压力容器用气体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其制备方法技术领域，具体涉及一种压力容器用气体保护药芯焊丝，本发明还涉及该气体保护药芯焊丝的制备方法。
背景技术
早在1950年代初气保护药芯焊丝便已开始开发问市，但至1957年才开始广为商业上使用。此种方法可说是取自埋弧焊与CO2焊接（指实心）的优点组合而成，焊剂包在焊丝内并藉外围CO2气体的保护可使焊接时产生较柔和且稳定的电弧以及低飞溅为其特点。开发之初只有大丝径焊丝（2.0—4.0mm），用于重大工件的平焊与横焊。直至1972年小丝径焊丝开始发展才大大的扩展了药芯焊丝使用的领域。
焊接是压力容器制造的重要工序，随着化工装置规模不断扩大,对压力容器的焊接质量和焊接效率提出了越来越高的要求。气保药芯焊接材料因其高质量、高效率、易于同母材匹配等优点而应用广泛,但在压力容器制造领域还应用较少。
药芯焊丝作为新一代高效和高性能焊接材料，具有工艺性能好、熔敷速度快、生产效率高的优点，广泛应用于各个工业化制造的焊接领域，其用量在造船和海工产品制造领域中最高。
目前大多数药芯焊丝是使用金红石作为主要的熔渣成型材料，成为金红石渣系药芯焊丝，具有成型好、易脱渣和飞溅小等优点，且可以实现横向、上向、下向、立向等全位置的焊接。目前可实现全位置焊接的药芯焊丝大都属于金红石渣系，但金红石渣系药芯焊丝中的Ti在焊接时会过渡到熔敷金属中，降低焊接接头的低温冲击韧性，这对压力容器焊接带来极为不利的影响。而以碱金属氧化物为主的碱性渣系药芯焊丝恰恰相反，其焊接成型的焊缝金属具有优良的力学性能，但由于其极易形成长渣，很难实现全位置焊接。因此，有必要在金红石渣系和碱性渣系的基础上，结合两种渣系的优点来设计和优化配方，既可以实现全位置焊接，又能够大幅度提升焊缝金属的低温冲击韧性的高性能压力容器用气体保护药芯焊丝。
发明内容
本发明提供一种压力容器用气体保护药芯焊丝及其制备方法，既可以实现全位置焊接，又能够大幅度提升焊缝金属的低温冲击韧性。
具体方案如下：
一种压力容器用气保护药芯焊丝，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉10-20份，金属镍粉5-10份，金属钼粉4-8份，金属锰粉7-12份，二氧化钛20-25份，二氧化硅5-8份，二氧化锆4-6份，氧化铝2-4份，氟化铝5-8份，氟化镍3-5份，稳弧剂2-4份，脱氧剂2-5份，铁粉10-20份。
进一步地，所述药芯焊丝焊接时的保护气体为纯度大于99.5％的CO2。
进一步地，焊丝中所述药芯粉末的填充质量百分数为焊丝总质量的25％-28％。
进一步地，所述稳弧剂为氟硅酸钠。
进一步地，所述脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成。
进一步地，其制备方法包括以下步骤：
步骤1.按重量份数取金属铬粉10-20份，金属镍粉5-10份，金属钼粉4-8份，金属锰粉7-12份，二氧化钛20-25份，二氧化硅5-8份，二氧化锆4-6份，氧化铝2-4份，氟化铝5-8份，氟化镍3-5份，氟硅酸钠2-4份，钛三铝0.5-1.5份，铁三铝1.5-2.5份，铁粉10-20份；
步骤2.将步骤1称取的原料充分研磨混合均匀，得到混合物，然后将混合物置于烘干炉中，在100-500℃下烘干2h得到药芯粉末；
步骤3.将低碳钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤2得到的药芯粉末，并使用成型机将U型槽碾压闭合得到焊丝半成品，然后将焊丝半成品通过拉拔工序拉拔得到药芯焊丝；
步骤4.用拉丝机将步骤3得到的药芯焊丝拉直，并盘成圆盘，密封即得所述压力容器用气保护药芯焊丝。
进一步地，所述步骤4中将焊丝半成品通过拉拔工序将其拉拔的直径为1.2-2.0mm。
进一步地，所述步骤2的研磨混合过程中加入水玻璃作为粘结剂，加入量为原料总质量的0.3～0.8％。
药芯粉末占整个药芯焊丝总重量的25~28%，高于业内的药粉填充率（这是根据本申请的配方经过试验得到的最优比例），填充率高低会直接影响焊丝的焊接效果，高于28%则造成填充药粉溢出，低于25%则造成药粉不足致使焊接工艺性能降低。
金属铬粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Cr能够改善抗点蚀能力，为保证焊缝金属的耐腐蚀性和强度应至少含35％的Cr。但是，Cr的含量过高(超过40％)，容易析出σ相，引起脆性变化，造成冲击韧性的降低。所以Cr含量最好为35～40％。
金属钼粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Mo是保证焊缝金属的耐腐蚀性和高强度所必须的一种成分。含量不足11％，作用不足够。含量超过15％，焊缝金属结构中会产生金属间化合物使得韧性降低而有关脆裂的脆性增加了，Mo的含量为：11～15％。
金属镍粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Ni是稳定产生奥氏体显微结构增强焊缝金属的耐腐蚀性和韧性的一种元素。因此，含量不足2％韧性会不足。含量超过4％，奥氏体分数率会过大使得强度趋于降低而有效的韧性增加几乎饱和，而且会影响两相比。因此，上限应定在4％。质量百分含量为：2～4％。
金属锰粉：向焊缝金属中过渡合金元素。Mn能调节焊缝金属的显微结构有组于奥氏体的产生。然而，按3％可达到最大效果，所以将上限定在5％重是可取的。
二氧化钛是一种无机物，化学式为TiO2，白色固体或粉末状的两性氧化物，分子量79.9，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高，也被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。本申请通过试验得到，若二氧化钛含量超过25份会使得熔渣熔点过高，容易形成熔渣抱团现象，致使脱渣困难；若二氧化钛含量低于20份时，使得熔渣熔点过低，会稀释熔敷金属，致使其流向焊缝两边，导致熔覆不全。
配方中当加入二氧化硅5-8份，二氧化锆4-6份，氧化铝2-4份时，熔渣覆盖性好，若进一步提高其含量，会导致熔覆性变差。
氟化铝是一种无机物，化学式AlF3，无色或白色结晶。不溶于水，不溶于酸和碱。性质很稳定，加热的情况下可水解。主要用于炼铝。可由三氯化铝与氢氟酸、氨水作用制得。氟化镍是一种无机化合物，化学式为NiF2，为黄绿色正方系晶体，有吸湿性，微溶于水。用作铝合金表面处理剂、金属着色、催化剂等。试验表明，加入两种氟化物比单独加入氟化铝的全位置焊接性能好，飞溅和烟尘也可得到相应的改善。
氟化铝的含量控制在5-8份之间，可与氧发生放热反应，反应所释放的热量可使得粘性熔渣转变成易脱落的干性渣，明显改善脱渣性能；但含量过高会导致熔敷不全。
氟化镍具有改善熔滴过渡的作用，其中Ni元素也可起到进一步提升冲击韧性的作用，但其含量过高时，将导致焊接烟尘增大和气孔增多，最佳含量应保持在3-5份之间。
稳弧剂氟硅酸钠的加入可以起到进一步改善脱渣性能的作用，其含量应控制在2-4份。
药粉中的脱氧剂由钛三铝和铁三铝组成，钛三铝（Ti3Al），钛铝原子比为3:1的金属间化合物。具有密排六方超晶格结构(DOl9型)，密度小，为4.2g/cm3。比强度高，使用温度达800～850℃。通过加入足够数量的稳定元素铌、钒、钼提高塑性和室温延伸率。具有较高的高温强度、弹性模量、抗氧化性和低密度。铁三铝（Fe3Al）属金属间化合物高温合金。具有优良抗硫腐蚀性和抗氧化性，合金密度小价格低，可部分取代不锈钢。室温伸长率低，有环境脆性。
钛三铝和铁三铝容易与熔敷金属中的氧相互作用，起到脱氧、除气的作用和减弱CO2保护气体氧化氛围的作用，此互相作用为放热反应，可有效地补充CO2气在高温电弧下发生分解反应所吸收的热量，降低熔池金属的冷却速度，减少气孔产生几率，从而实现利用纯CO2作为保护气体，有效降低焊接成本。此外Ti3Al和Fe3Al金属间化合物所特有的DO3亚点阵结构，其中Ti3Al起到诱导催化作用，使得Ni将占据Fe3Al结构中Fe原子的位置，Ti将靠近并占据Al原子的最近邻位置，形成Ni3(TiAl)沉淀强化相，产生畸变应力形成反相畴界强化，使得位错的移动需要更大的外力，从而阻碍位错运动，提高焊缝金属的屈服强度和冲击韧性。但当Ti3Al和Fe3Al含量过高时，易析出过多Al2O3造成熔敷金属流动性降低，其合适比例为脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成，加入量为2-5份。
本发明具有如下优点：
1、本发明可以实现全位置焊接，净化和强化焊缝金属，降低其扩散氢及氧化物夹渣含量，获得优异的低温冲击韧性和耐蚀性，具有飞溅小、裂纹少和焊接烟尘低等优良的焊接工艺性能；
2、药芯焊丝脱渣容易，电弧稳定，飞溅颗粒极少且细小，焊缝成形美观，焊接工艺和接头性能优良，具有优良的冲击韧性，良好的抗点蚀性能。此焊丝主要应用于压力容器的焊接；
3、该药芯焊丝焊缝表面光洁平整，焊后无需清理，可连续施焊，有效提高了焊接生产效率；
4、本发明药芯焊丝制备方法，工艺简单，操作方便，适合批量化生产。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种压力容器用气保护药芯焊丝，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉10份，金属镍粉5份，金属钼粉4份，金属锰粉7份，二氧化钛20份，二氧化硅5份，二氧化锆4份，氧化铝2份，氟化铝5份，氟化镍3份，稳弧剂2份，脱氧剂2份，铁粉10份。
所述药芯焊丝焊接时的保护气体为纯度大于99.5％的CO2。
焊丝中所述药芯粉末的填充质量百分数为焊丝总质量的25％。
所述稳弧剂为氟硅酸钠。
所述脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1.按重量份数取金属铬粉10份，金属镍粉5份，金属钼粉4份，金属锰粉7份，二氧化钛20份，二氧化硅5份，二氧化锆4份，氧化铝2份，氟化铝5份，氟化镍3份，稳弧剂2份，脱氧剂2份，铁粉10份；
步骤2.将步骤1称取的原料充分研磨混合均匀，得到混合物，然后将混合物置于烘干炉中，在100-500℃下烘干2h得到药芯粉末；
步骤3.将低碳钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤2得到的药芯粉末，并使用成型机将U型槽碾压闭合得到焊丝半成品，然后将焊丝半成品通过拉拔工序拉拔得到药芯焊丝；
步骤4.用拉丝机将步骤3得到的药芯焊丝拉直，并盘成圆盘，密封即得所述压力容器用气保护药芯焊丝。
所述步骤4中将焊丝半成品通过拉拔工序将其拉拔的直径为1.2mm。
所述步骤2的研磨混合过程中加入水玻璃作为粘结剂，加入量为原料总质量的0.3％。
应用试验，焊接的工艺参数为：纯度大于99.5％的CO2气保护下进行焊接，焊接电流170～220A，焊接电压28～32V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
Figure 509915DEST_PATH_IMAGE001
拉伸试验是按照国标GB/T17853-1999来进行的，具体的保证值为：其拉 伸强度Rm＞690MPA。
冲击试验是将各个试件在-20℃温度下，至少进行3次试验。如果其平均值 最大不超过27J，试验结果可判定为差或不合格。
点蚀试验是按照JISG0578执行，将试件集中进行点蚀试验，然后对腐蚀 损失进行评定。如果腐蚀损失在0.1g/mm2小时以下，判定为好，如果 0.1g/mm2～0.2g/mm2之间，判定为较差，如果等于或者高于0.2g/mm2此数， 则判定为差。
接头化学成分是根据AWSA5.4/A5.4M来衡量熔覆金属成分，在其范围内， 判定为合格。
从上述可以看出，本发明的药芯焊丝在焊接不锈钢时，接头具有良好的耐腐蚀性能和冲击韧性，能够满足我国在压力容器领域不锈钢的焊接。
实施例2
一种压力容器用气保护药芯焊丝，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉15份，金属镍粉8份，金属钼粉6份，金属锰粉10份，二氧化钛23份，二氧化硅6份，二氧化锆5份，氧化铝3份，氟化铝6份，氟化镍4份，稳弧剂3份，脱氧剂4份，铁粉15份。
所述药芯焊丝焊接时的保护气体为纯度大于99.5％的CO2。
焊丝中所述药芯粉末的填充质量百分数为焊丝总质量的26％。
所述稳弧剂为氟硅酸钠。
所述脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1.按重量份数取金属铬粉15份，金属镍粉8份，金属钼粉6份，金属锰粉10份，二氧化钛23份，二氧化硅6份，二氧化锆5份，氧化铝3份，氟化铝6份，氟化镍4份，稳弧剂3份，脱氧剂4份，铁粉15份；
步骤2.将步骤1称取的原料充分研磨混合均匀，得到混合物，然后将混合物置于烘干炉中，在100-500℃下烘干2h得到药芯粉末；
步骤3.将低碳钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤2得到的药芯粉末，并使用成型机将U型槽碾压闭合得到焊丝半成品，然后将焊丝半成品通过拉拔工序拉拔得到药芯焊丝；
步骤4.用拉丝机将步骤3得到的药芯焊丝拉直，并盘成圆盘，密封即得所述压力容器用气保护药芯焊丝。
所述步骤4中将焊丝半成品通过拉拔工序将其拉拔的直径为1.6mm。
所述步骤2的研磨混合过程中加入水玻璃作为粘结剂，加入量为原料总质量的0.5％。
应用试验，焊接的工艺参数为：纯度大于99.5％的CO2气保护下进行焊接，焊接电流170～220A，焊接电压28～32V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
Figure 709952DEST_PATH_IMAGE002
拉伸试验是按照国标GB/T17853-1999来进行的，具体的保证值为：其拉 伸强度Rm＞690MPA。
冲击试验是将各个试件在-20℃温度下，至少进行3次试验。如果其平均值最大不超过27J，试验结果可判定为差或不合格。
点蚀试验是按照JISG0578执行，将试件集中进行点蚀试验，然后对腐蚀 损失进行评定。如果腐蚀损失在0.1g/mm2小时以下，判定为好，如果 0.1g/mm2～0.2g/mm2之间，判定为较差，如果等于或者高于0.2g/mm2此数， 则判定为差。
接头化学成分是根据AWSA5.4/A5.4M来衡量熔覆金属成分，在其范围内， 判定为合格。
从上述可以看出，本发明的药芯焊丝在焊接不锈钢时，接头具有良好的耐腐蚀性能和冲击韧性，能够满足我国在压力容器领域不锈钢的焊接。
实施例3
一种压力容器用气保护药芯焊丝，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉20份，金属镍粉10份，金属钼粉8份，金属锰粉12份，二氧化钛25份，二氧化硅8份，二氧化锆6份，氧化铝4份，氟化铝8份，氟化镍5份，稳弧剂4份，脱氧剂5份，铁粉20份。
所述药芯焊丝焊接时的保护气体为纯度大于99.5％的CO2。
焊丝中所述药芯粉末的填充质量百分数为焊丝总质量的28％。
所述稳弧剂为氟硅酸钠。
所述脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1.按重量份数取金属铬粉20份，金属镍粉10份，金属钼粉8份，金属锰粉12份，二氧化钛25份，二氧化硅8份，二氧化锆6份，氧化铝4份，氟化铝8份，氟化镍5份，稳弧剂4份，脱氧剂5份，铁粉20份；
步骤2.将步骤1称取的原料充分研磨混合均匀，得到混合物，然后将混合物置于烘干炉中，在100-500℃下烘干2h得到药芯粉末；
步骤3.将低碳钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤2得到的药芯粉末，并使用成型机将U型槽碾压闭合得到焊丝半成品，然后将焊丝半成品通过拉拔工序拉拔得到药芯焊丝；
步骤4.用拉丝机将步骤3得到的药芯焊丝拉直，并盘成圆盘，密封即得所述压力容器用气保护药芯焊丝。
所述步骤4中将焊丝半成品通过拉拔工序将其拉拔的直径为2.0mm。
所述步骤2的研磨混合过程中加入水玻璃作为粘结剂，加入量为原料总质量的0.8％。
应用试验，焊接的工艺参数为：纯度大于99.5％的CO2气保护下进行焊接，焊接电流170～220A，焊接电压28～32V，焊接速度0.5m/min，气流量15l/min。
Figure 735939DEST_PATH_IMAGE003
拉伸试验是按照国标GB/T17853-1999来进行的，具体的保证值为：其拉 伸强度Rm＞690MPA。
冲击试验是将各个试件在-20℃温度下，至少进行3次试验。如果其平均值 最大不超过27J，试验结果可判定为差或不合格。
点蚀试验是按照JISG0578执行，将试件集中进行点蚀试验，然后对腐蚀 损失进行评定。如果腐蚀损失在0.1g/mm2小时以下，判定为好，如果 0.1g/mm2～0.2g/mm2之间，判定为较差，如果等于或者高于0.2g/mm2此数， 则判定为差。
接头化学成分是根据AWSA5.4/A5.4M来衡量熔覆金属成分，在其范围内， 判定为合格。
从上述可以看出，本发明的药芯焊丝在焊接不锈钢时，接头具有良好的耐腐蚀性能和冲击韧性，能够满足我国在压力容器领域不锈钢的焊接。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，该药芯焊丝是用低碳钢带包裹特定组分比例的药芯经拉拔而成，其中药芯包括以下重量份数的成分：金属铬粉10-20份，金属镍粉5-10份，金属钼粉4-8份，金属锰粉7-12份，二氧化钛20-25份，二氧化硅5-8份，二氧化锆4-6份，氧化铝2-4份，氟化铝5-8份，氟化镍3-5份，稳弧剂2-4份，脱氧剂2-5份，铁粉10-20份。
2.根据权利要求1所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝焊接时的保护气体为纯度大于99.5％的CO2。
3.根据权利要求1所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，焊丝中所述药芯粉末的填充质量百分数为焊丝总质量的25％-28％。
4.根据权利要求1所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述稳弧剂为氟硅酸钠。
5.根据权利要求1所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述脱氧剂由钛三铝和铁三铝按质量比1:2组成。
6.根据权利要求1所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
步骤1.按重量份数取金属铬粉10-20份，金属镍粉5-10份，金属钼粉4-8份，金属锰粉7-12份，二氧化钛20-25份，二氧化硅5-8份，二氧化锆4-6份，氧化铝2-4份，氟化铝5-8份，氟化镍3-5份，氟硅酸钠2-4份，钛三铝0.5-1.5份，铁三铝1.5-2.5份，铁粉10-20份；
步骤2.将步骤1称取的原料充分研磨混合均匀，得到混合物，然后将混合物置于烘干炉中，在100-500℃下烘干2h得到药芯粉末；
步骤3.将低碳钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤2得到的药芯粉末，并使用成型机将U型槽碾压闭合得到焊丝半成品，然后将焊丝半成品通过拉拔工序拉拔得到药芯焊丝；
步骤4.用拉丝机将步骤3得到的药芯焊丝拉直，并盘成圆盘，密封即得所述压力容器用气保护药芯焊丝。
7.根据权利要求6所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述步骤4中将焊丝半成品通过拉拔工序将其拉拔的直径为1.2-2.0mm。
8.根据权利要求6所述压力容器用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述步骤2的研磨混合过程中加入水玻璃作为粘结剂，加入量为原料总质量的0.3～0.8％。
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