CN113681196B - 一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝及其制备方法与应用。本发明药芯焊丝包括外皮材料和药芯；所述外皮材料为低碳钢，含碳量为0.01‑0.1wt％；所述药芯包括如下质量份数的原料组成：金红石30～50份，氧化铁15～22份，铝1～3份，硅铁1～4份，锰8～12份，镍1～3份，氟化锂1～4份，铁2～28份，纳米氧化铝颗粒0.5～15份。发明药芯焊丝中加入纳米氧化铝颗粒，可以细化晶粒，结合其它原料的协同作用提高了焊缝的力学性能。

Description

一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝及其制备方法与应用，属于焊接材料领域。

背景技术

水下焊接分为干法，局部干法和湿法。水下湿法由于其操作简单，可达性强，适应性广，经济实用，在三种方法中应用最为广泛，研究更深入。

水下湿法焊接按照焊接材料的不同可以分为焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊。焊条电弧焊与水下焊条的研究与应用较早，早在20世纪末，名为Hydroweld的英国公司就已经研制出适用于低碳钢的性能优异焊条，其抗拉强度可以达到520Mpa，完全符合美国水下焊接标准AWSD3.6的要求。但是焊条电弧焊在焊接过程中需要经常更换焊条，并且难以实现自动化，所以需要焊工潜入水中操作；这就要求焊工同时需要具备潜水员的能力，并且水下焊接时气泡及烟尘会干扰视线，导致焊接难度进一步加大，所以培养一名专业的水下焊工较为困难。并且，目前超过50米水深条件下的焊接作业尚无法实现。药芯焊丝电弧焊由于其具有无需频繁更换焊丝，焊接效率高，易于实现自动化的优点，得到了越来越多的重视，近年来发展较快。尤其是为深水条件的焊接提供了无人化自动化的解决方案，为深水探测的发展提供基础。

水下湿法焊接过程中，水会给焊接过程带来很多负面影响。在水下湿法焊接过程中，电弧燃烧会使水变为气泡，气泡来维持电弧燃烧。但是气泡无法稳定存在，存在周期性的长大，破裂或上浮，使电弧稳定性变差。并且水的比热容比空气大很多，这会使熔池快速冷却，导致焊缝塑性韧性下降。水大量分解也会导致氢元素进入焊缝，使扩散氢含量增高，增大氢致裂纹的可能性。中国专利文献CN104057214A公开了一种用于水下湿法焊接的自保护药芯焊丝，以N6镍带作为焊丝的金属外皮，以碱性氟化钙-氧化铝型渣系为药芯基础渣系，内部药芯具体成分由氟化钙、铝粉、铁粉、氧化镁、硅铁、氟化锂、锰粉、金属铬组成，各组成成份的重量百分比为：氟化钙40％～55％，铝粉8％～13％，铁粉5％～9％，氧化镁0.5％～5％，硅铁3％～7％，氟化锂3％～9％，锰粉6％～11％，金属铬4％～10％。采用该药芯焊丝在水下进行湿法焊接时，容易起弧，电弧燃烧稳定，再引弧性能良好，焊缝成形性好，焊接后熔敷金属抗拉强度不低于460MPa，可满足一般强度要求的中低碳钢及低合金高强钢结；但由于其焊接过程仍暴露在水环境中，焊接过程不稳定，焊缝冷却速度快，导致其焊缝力学性能欠佳。

而水下埋弧焊接能完全隔离水的影响。水下埋弧焊接与陆地埋弧焊接过程相似，需要在待焊区域放置焊料，但不同的是，焊料由陆地埋弧焊剂和环氧树脂按一定比例混合而成。而环氧树脂不溶于水，能使水下埋弧焊接过程中焊缝不与水接触。同时，电弧燃烧产生的空腔会在焊料中稳定存在，使得焊接过程的稳定性大大提高。所以水下埋弧焊接的焊缝力学性能得到了极大改善。但是环氧的燃烧带来了更多的热量，导致其热输入变大，促进焊缝晶粒长大，阻碍其焊缝性能的进一步提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝及其制备方法与应用。本发明药芯焊丝中加入纳米氧化铝颗粒，可以细化晶粒，结合其它原料的协同作用提高了焊缝的力学性能。

本发明的技术方案如下：

一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝，包括外皮材料和药芯；所述外皮材料为低碳钢，含碳量为0.01-0.1wt％；所述药芯包括如下质量份数的原料组成：金红石30～50份，氧化铁15～22份，铝1～3份，硅铁1～4份，锰8～12份，镍1～3份，氟化锂1～4份，铁2～28份，纳米氧化铝颗粒0.5～15份。

根据本发明优选的，所述低碳钢的含碳量为0.02-0.06wt％，优选为0.04wt％。

根据本发明优选的，所述药芯包括如下质量份数的原料组成：金红石35～45份，氧化铁18～20份，铝2～3份，硅铁2～3份，锰9～10份，镍2～3份，氟化锂3～4份，铁14～20份，纳米氧化铝颗粒1～10份。

根据本发明，金红石的主要成分为TiO₂，含量可达95wt％以上。它是焊丝中的主要造渣成分，焊接过程中可以促进熔渣均匀覆盖焊缝并提高脱渣性能。它也是主要的稳弧剂，可以提高起弧性能及电弧燃烧的稳定性。所述金红石的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，氧化铁主要作用与金红石类似，是焊材中常见的造渣成分。所述氧化铁的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，铝是焊材中常见的稳弧剂和脱氧剂，尤其对于水下焊接来说，维持电弧的稳定燃烧，降低焊缝含氧量非常重要。所述铝的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，硅铁有脱氧和合金化的作用。硅与氧的亲和力比铁大，容易形成SiO₂，可以防止铁元素的氧化，并可还原FeO，起到了脱氧的作用。硅元素是重要的合金，少量的硅元素可以提高焊接接头的轻度和硬度。所述硅铁的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，锰元素在水下焊接中主要起脱氧、脱硫和固溶强化的作用，并对焊缝微观组织的改善有一定效果。锰元素比硅元素的脱氧能力稍差，用锰元素的目的是采用硅锰联合脱氧。单独用硅或者锰元素脱氧，会产生SiO₂或MnO，容易在熔池中形成夹渣缺陷。而硅锰联合脱氧会形成MnO·SiO₂(硅酸盐)，容易在熔池中浮出。锰元素可以与硫元素反应形成MnS，去除焊缝中的硫元素，减小热裂纹倾向。锰元素也是重要的合金元素，适量的锰元素可以提高焊缝的韧性。所述锰的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，镍是焊材中重要的合金元素，一定量镍的加入对于改善焊缝组织，提高接头强度具有显著效果。所述镍的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，通常由于水下焊接的焊缝含氢量较高，因此常在焊材中添加氟化锂作为主要的去氢剂，以实现降低焊缝氢含量的目的。所述氟化锂的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，铁粉可以提高焊接过程的熔敷率，提高焊接效率。所述铁粉的颗粒粒径为80-100目。

根据本发明，纳米氧化铝颗粒可以在熔池凝固阶段充当形核质点，实现焊缝晶粒的进一步细化，达到改善焊接接头力学性能的效果。同时，添加纳米氧化铝颗粒可以使流体的热导率增加。在焊接过程中，焊丝在电弧和液态熔滴的共同加热下熔化。由于加入纳米颗粒后液态熔滴的热导率增大，所以液体熔滴可以将更多的热量传导至未熔化的焊丝，促使其熔化。因此焊接电源只需提供较小的电流就可以熔化焊丝。所述纳米氧化铝颗粒的粒径为10-80纳米。

根据本发明优选的，所述药芯焊丝的直径为1-2mm，优选为1.6mm，填充率为30～32％。

上述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的制备方法，包括步骤：

将金红石、氧化铁、铝、硅铁、锰、镍、氟化锂、铁和纳米氧化铝颗粒充分混合得到药芯；使用低碳钢带包覆药芯，然后经拔丝得到药芯焊丝。

根据本发明优选的，所述低碳钢带的宽度为7-9mm，厚度0.2-0.4mm。

根据本发明，药芯焊丝制备过程中的条件按现有技术即可。

上述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的应用，用于低碳钢的水下埋弧焊接。

本发明的有益效果如下：

本发明药芯焊丝中加入特定用量特定粒径的纳米氧化铝颗粒可以在熔池凝固阶段充当形核质点，实现焊缝晶粒的进一步细化，达到改善焊接接头力学性能的效果；同时能够提高流体的热导率，在恒压条件下，能够减小焊接过程中电流值，减少能量消耗，降低热输入。本发明特定用量与粒度的纳米氧化铝颗粒结合其它特定用量的原料，发挥协同作用，实现了焊缝的拉伸强度、塑韧性等力学性能的提高。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

同时，下述实施例中所用原料，如无特殊说明，均可市购获得；所用方法和设备，如无特殊说明，均为现有方法和设备。

实施例1-3

一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝，包括外皮材料和药芯；所述外皮材料为低碳钢，含碳量为0.04wt％；所述药芯包括如下质量份数的原料组成：金红石(颗粒粒径为80-100目)，氧化铁(颗粒粒径为80-100目)，铝(颗粒粒径为80-100目)，硅铁(颗粒粒径为80-100目)，锰(颗粒粒径为80-100目)，镍(颗粒粒径为80-100目)，氟化锂(颗粒粒径为80-100目)，铁(颗粒粒径为80-100目)，纳米氧化铝颗粒(粒径为15-25纳米)。原料配比如表1所示。

上述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的制备方法，包括步骤：

将金红石、氧化铁、铝、硅铁、锰、镍、氟化锂、铁和纳米氧化铝颗粒放入混粉机中5小时，使其混合足够均匀。将低碳钢带(宽度为8mm，厚度为0.3mm)卷成U形，将药芯装入。将U形低碳钢钢带通过拔丝模变为O形。并逐渐将焊丝直径拔细，直至1.6mm。药芯焊丝的填充率为30～32％。

表1药芯原料组成

对比例1

一种药芯焊丝，如实施例1所述，所不同的是：不加入纳米氧化铝颗粒；其它原料组成和制备方法与实施例1一致。具体原料组成见表1。

对比例2

一种药芯焊丝，如实施例2所述，所不同的是：加入非纳米氧化铝颗粒，即氧化铝颗粒粒径为80-100目；其它原料组成和制备方法与实施例1一致。具体原料组成见表1。

对比例3

一种药芯焊丝，如实施例1所述，所不同的是：纳米氧化铝颗粒加入量较大，为20份；其它原料组成和制备方法与实施例1一致。具体原料组成见表1。

对比例4

一种药芯焊丝，如实施例1所述，所不同的是：不加镍；其它原料组成和制备方法与实施例1一致。具体原料组成见表1。

试验例

焊接试验：

放置工件，选用的母材为低合金高强钢Q345B，厚度为14mm，开梯形坡口。放置混合剂，混合剂由埋弧焊剂HJ431与环氧树脂组成，质量比为5:4。调整焊枪位置，使的焊丝干伸长为15mm，将焊丝伸出导电嘴。设定焊接参数，设定恒压模式，电压设置为30V，焊接电流自适应调节，开始焊接。焊接速度为120mm/min，送丝速度为5m/min。焊接过程中使用电信号采集装置采集焊接过程的电信号。最后，对焊接过程的电信号及焊接得到的焊缝进行分析测试。测试结果如表2所示。

表2药芯焊丝各实施例与对比例的焊接电流与焊缝力学性能

序号	焊接电流	拉伸强度	延伸率	正弯	背弯	冲击韧性20℃	冲击韧性0℃
								实施例1	215.3	560.3	10.5	122.5	115.5	68.5	62.3
实施例2	216.5	561.3	12.3	180.0	180.0	70.5	63.5
								实施例3	223.5	561.5	11.8	180.0	150.5	75.6	63.8
对比例1	250.2	563.1	10.4	55.6	80.6	67.5	61.4
								对比例2	251.3	553.2	10.2	60.5	70.3	65.5	60.3
对比例3	220.6	545.5	9.8	72.5	61.5	60.5	55.6
								对比例4	215.9	560.5	10.3	121.2	110.8	43.2	31.6

实验结果表明，三组实施例与对比例1相比，电流有不同程度的减小，减少了能量消耗。拉伸实验结果表明，抗拉强度都很高，延伸率有不同程度的提高，其中实施例2的焊接试样延伸率最高，达到了12.47％，相较于对比例1，提高了20.13％。弯曲试验中，分别取两个试样进行背弯和正弯；实施例2的试样展现了最好的塑形，所有4个试样均达到180°弯曲角；且实施例1的塑形也远远优于对比例。在不同温度下的冲击韧性方面，本发明相比对比例展现出更优异的效果。对接接头由多层焊接完成，三组实施例细晶区晶粒尺寸均比对比例小；实施例1、2、3的晶粒平均尺寸分别为5.45μm、4.34μm、4.08μm；对比例1的晶粒平均尺寸分别为6.24μm。

三组实施例与对比例2与相比，焊接电流减小，热输入减小，焊缝的综合力学性能提高。三组实施例细晶区晶粒尺寸均比对比例小，对比例2细晶区晶粒尺寸为6.32μm。

三组实施例与对比例3相比，焊接电流无明显变化，焊缝的综合力学性能提高。三组实施例细晶区晶粒尺寸均比对比例小，对比例3细晶区晶粒尺寸为6.15μm。

三组实施与例对比例4相比，焊接电流无明显变化，力学性能方面，冲击韧性值大大提高。三组实施例细晶区晶粒尺寸与对比例接近，对比例4细晶区晶粒尺寸为5.43μm。

Claims (4)

1.一种适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝，其特征在于，包括外皮材料和药芯；所述外皮材料为低碳钢，含碳量为0.04wt％；所述药芯包括如下质量份数的原料组成：金红石35～45份，氧化铁18～20份，铝2～3份，硅铁2～3份，锰9～10份，镍2～3份，氟化锂3～4份，铁14～20份，纳米氧化铝颗粒1～10份；

所述金红石的颗粒粒径为80-100目；所述氧化铁的颗粒粒径为80-100目；所述铝的颗粒粒径为80-100目；所述硅铁的颗粒粒径为80-100目；所述锰的颗粒粒径为80-100目；所述镍的颗粒粒径为80-100目；所述氟化锂的颗粒粒径为80-100目；所述铁粉的颗粒粒径为80-100目；所述纳米氧化铝颗粒的粒径为20-80纳米；

所述药芯焊丝的直径为1-2mm，填充率为30～32％。

2.如权利要求1所述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的制备方法，包括步骤：

将金红石、氧化铁、铝、硅铁、锰、镍、氟化锂、铁和纳米氧化铝颗粒放入混粉机中5小时，使充分混合得到药芯；使用低碳钢带包覆药芯，然后经拔丝得到药芯焊丝。

3.根据权利要求2所述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述低碳钢带的宽度为7-9mm，厚度0.2-0.4mm。

4.如权利要求1所述适用于低碳钢的水下埋弧焊接药芯焊丝的应用，用于低碳钢的水下埋弧焊接。