CN113695787A

CN113695787A - 一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法

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Publication number: CN113695787A
Application number: CN202111251055.6A
Authority: CN
Inventors: 罗怡; 朱建民; 罗国平
Original assignee: ZHANGJIAGANG HENGCHANG WELDING MATERIALS CO Ltd
Current assignee: ZHANGJIAGANG HENGCHANG WELDING MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-10-27
Also published as: CN113695787B

Abstract

本发明涉及一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括低碳钢钢带和药粉，其中药粉包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉、高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠。其制备方法，包括以下步骤：对焊丝药粉组分中的硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉进行低温烘干，对焊丝药粉组分中的高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠进行高温烘干，将烘干后的药粉混合均匀，由钢带包裹，再经过多次拉拔，制成成品焊丝。

Description

一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊材的技术领域，具体涉及一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法。

背景技术

药芯焊丝作为一种高效焊接材料，在船舶及海工装备制造业中得到广泛应用。虽然国产药芯焊丝在造船市场上已占绝大多数份额，但是一些重要工段仍采用国外知名品牌。国产药芯焊丝存在焊缝金属扩散氢含量偏高，低温韧性不稳定，仰焊及立向下焊焊接稳定性差，冬天焊接容易产生裂纹等问题。

上述问题中尤以裂纹问题影响最大，目前一般药芯焊丝在碳当量Ceq较高的母材（主要是中高碳钢和低合金高强度钢）、厚板窄焊缝、高拘束组板等条件下容易产生各种裂纹。裂纹主要分为热裂纹和冷裂纹两类，热裂纹是高温下在焊缝金属和焊缝热影响区中产生的一种沿晶裂纹，热裂纹的主要形成因素是熔敷金属低熔点元素及化合物、焊缝横截面形状、焊接应力。冷裂纹是由于材料在室温附近温度下脆化而形成的裂纹，一般为延迟裂纹。大量科学实践和理论，都表明冷裂纹形成有淬硬组织、拘束应力、扩散氢三个要素。

控制冷裂纹可采取预热和焊后热处理，预热是控制淬硬组织产生、焊后热处理是消除扩散氢的含量。

控制热裂纹可采取预热和控制母材和焊材杂质元素的含量，预热可以降低冷却速度并减少应力，也有助于减少热裂纹。

两种裂纹避免方法，都提到了预热，而目前客户使用的也多是焊前预热的办法，根据专家研究表示，预热温度和焊缝扩散氢含量、焊缝强度、母材厚度成正比，现在船舶及海洋平台工程中厚板及低合金高强度板占有量大，造成预热温度势必很高，造成客户金钱和时间成本的增加。预热的情况下，药芯焊丝打底焊时还是容易产生裂纹，焊工需要小电流小电压，且适量摆动，焊缝两侧均匀散热，才不致于产生底部裂纹。焊前预热大大增加客户使用成本，且操作不便，打底焊小电流小电压，摆动焊接，降低焊接效率，延长工作时间。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于从裂纹产生机理，焊接材料本身出发，通过降低熔敷金属低熔点元素及化合物和焊接材料的扩散氢含量，开发一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括低碳钢钢带和药粉，其中药粉包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉、高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；药粉中各组分占全部药粉的质量百分比如下：高品位97度金红石：33-40%，硅锰合金：15-20%，铁合金：1.5-5.0%，钛酸钾：3.8-6.0%，电解锰：5.5-10.0%，石英砂：3.1-6.0%，镁砂：4.0-7.5%，氟化钠：6.64-8.85%，钛铁：2.0-3.0%，镍粉：2.0-5.5%，还原铁粉：1.5-15.0%。一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

对焊丝药粉组分中的硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉进行低温烘干，低温烘干温度为150-200℃，烘干时间为4-5小时；对焊丝药粉组分中的高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠进行高温烘干，高温烘干温度为850-900℃，烘干时间为9-10小时；以上药粉烘干后混合均匀，经过人工筛选，取80目以上的细粉，由钢带包裹，药粉填充比在12-18%，再经过多次拉拔，制成成品焊丝。

本发明中的一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法进一步设置为：所述拉拔时，依次为6道粗拉和12道细拉。

本发明中的一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法进一步设置为：所述拉拔时，采用干式拉丝粉作为载体润滑。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：上述的一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法，具有不受环境温湿度和母材材质厚度的影响，在高强度、大板厚、高拘束的情况下，焊接时冷热裂纹概率低，底部焊接热输入适应性佳，降低客户预热和焊后热处理温度和时间，甚至于无需预热和焊后热处理。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述的一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分及其制备方法作进一步的详细描述。

一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括低碳钢钢带和药粉，其中药粉包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉、高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；药粉中各组分占全部药粉的质量百分比如下：高品位97度金红石：33-40%，硅锰合金：15-20%，铁合金：1.5-5.0%，钛酸钾：3.8-6.0%，电解锰：5.5-10.0%，石英砂：3.1-6.0%，镁砂：4.0-7.5%，氟化钠：6.64-8.85%，钛铁：2.0-3.0%，镍粉：2.0-5.5%，还原铁粉：1.5-15.0%。

实施例1

一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括金属及氧化物和非金属及氧化物，其中金属及氧化物包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉；非金属及氧化物包括：高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；各组分的质量百分比如下：高品位97度金红石：33%，硅锰合金：20%，铁合金：4.0%，钛酸钾：4.0%，电解锰：6.0%，石英砂：6.0%，镁砂：4.0%，氟化钠：7.5%，钛铁：2.0%，镍粉：2.0%，还原铁粉：11.5%。

经焊接试验，熔敷金属抗拉强度：585MPa，下屈服强度：463MPa，伸长率：25%，-40度冲击平均值：122J，熔敷金属主要化学成分：C：0.04，Mn:1.56,Ni:0.35,S:0.012,Si:0.47,P:0.018,Mn/S=130，扩散氢含量(水银法)=3.8mL/100g；

对接焊接抗拉强度：590MPa,-40度冲击平均值：128J，冷弯中面弯和背弯均无裂纹；

斜 y 坡口焊接裂纹试验：裂纹率3%，厚板角焊缝裂纹试验：裂纹率2%。

以上实验都满足设计要求。

实施例2

一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括金属及氧化物和非金属及氧化物，其中金属及氧化物包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉；非金属及氧化物包括：高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；各组分的质量百分比如下：高品位97度金红石： 40%，硅锰合金：15%，铁合金：2.0%，钛酸钾： 6.0%，电解锰： 10.0%，石英砂： 3.1%，镁砂：4.0%，氟化钠：7.6%，钛铁： 3.0%，镍粉：4.8%，还原铁粉：4.5%。

经焊接试验，熔敷金属抗拉强度：596MPa，下屈服强度：472MPa，伸长率：24%，-40度冲击平均值：146J，熔敷金属主要化学成分：C：0.04，Mn:1.58,Ni:0.78,S:0.010,Si:0.25,P:0.013,Mn/S=158，扩散氢含量(水银法)=3.6mL/100g;

对接焊接抗拉强度：592MPa,-40度冲击平均值：138J，冷弯中面弯和背弯均无裂纹；

斜 y 坡口焊接裂纹试验：裂纹率1%，厚板角焊缝裂纹试验：裂纹率1%。

以上实验都满足设计要求。

实施例3

一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，包括金属及氧化物和非金属及氧化物，其中金属及氧化物包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉；非金属及氧化物包括：高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；各组分的质量百分比如下：高品位97度金红石：37%，硅锰合金：17%，铁合金：3.5%，钛酸钾：4.5%，电解锰：7.5%，石英砂：4.5%，镁砂：5.5%，氟化钠：7.5%，钛铁：2.5%，镍粉：3.5%，还原铁粉：7.0%。

经焊接试验，熔敷金属抗拉强度：575MPa，下屈服强度：461MPa，伸长率：25%，-40度冲击平均值：135J，熔敷金属主要化学成分：C：0.03，Mn:1.55,Ni:0.66,S:0.012,Si:0.35,P:0.015,Mn/S=129，扩散氢含量(水银法)=4.0mL/100g;

对接焊接抗拉强度：563MPa,-40度冲击平均值：126J，冷弯中面弯和背弯均无裂纹；

斜 y 坡口焊接裂纹试验：裂纹率2%，厚板角焊缝裂纹试验：裂纹率1%。

以上实验都满足设计要求。

一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

对焊丝药粉组分中的硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉进行低温烘干，低温烘干温度为150-200℃，烘干时间为4-5小时；对焊丝药粉组分中的高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠进行高温烘干，高温烘干温度为850-900℃，烘干时间为9-10小时；

以上药粉烘干后混合均匀，经过人工筛选，取80目以上的细粉，由钢带包裹，药粉填充比在12-18%，再经过多次拉拔，制成成品焊丝。所述拉拔时，依次为6道粗拉和12道细拉。

焊丝拉拔都需要载体润滑，采用的是干式拉丝粉，最终成品焊丝表面覆着大量拉丝粉颗粒，大量实践已表明拉丝粉本身含有含氢物质，如附着在焊丝表面，一起焊接进入熔池反应，会大大提高熔敷金属扩散氢含量。因此细拉后收线前，加装箱式盒子，里面有大量立体布置的百洁布，焊丝穿过这些百洁布，对焊丝表面拉丝粉进行360度物理擦拭，降低焊丝表面拉丝粉含量，进而降低焊接后的焊缝扩散氢含量和焊接冷裂纹概率。

气体保护焊用药芯焊丝按药粉中是否含有造渣成分可分为熔渣型药芯焊丝（含有造渣成分）和金属粉型药芯焊丝（无造渣成分）。熔渣型药芯焊丝，按熔渣碱度区分，可大致分为钛型酸性渣系、钙型碱性渣系药芯焊丝两类。常用合金系有Mn-Si-Ni系、Mn-Si-Mo-V系和Mn-Si-Ti-B等合金系。试验焊丝的研究目标是一种超低氢、高韧性、高抗裂的药芯焊丝。

金属粉型药芯焊丝价格较高，且为新产品，目前市场中还是以熔渣型药芯焊丝为主。钙型碱性渣系药芯焊丝低温韧性较高，扩散氢含量低，但是因其焊接时飞溅大，成型较差，电弧不稳，熔滴颗粒大，且不能全位置焊接，总体焊接工艺差，所以实际客户使用不多。市场上流通较多的是钛型酸性渣系药芯焊丝，本发明也是在该渣系基础上，再设计其合金系统，确认相应的各种药粉种类及含量，预期能达到设计的要求。

Ni是一种常用的稳定焊缝强度且能改善韧性的奥氏体元素，其相比于Mn、Si 元素来说，能够在焊缝强度变化不大的情况下，明显改善焊缝韧性，同时降低韧脆转变温度，提高焊缝低温性能。焊缝微观组织中铁素体主要由针状铁素体和晶界铁素体为主，针状铁素体对提高焊缝的强度和韧性有利，而晶界铁素体的周围却常常存在冷裂纹，研究表明晶界铁素体对冷裂纹扩展起了重要作用，而提高合金系中Ni的含量，可提高焊缝组织针状铁素体含量，降低晶界铁素体含量，从而阻止冷裂纹的扩散。由于Ni有稳定强度提高韧性，降低晶界铁素体含量阻止冷裂纹的扩散的作用，采用Mn-Si-Ni 合金系，作为焊丝的合金系。

焊接冶金反应中，Fe和S能形成低熔点共晶物FeS，低熔点共晶物如大量偏析在焊缝中心，进而晶粒粗化，焊缝中心易产生纵向热裂纹，而Mn比Fe更易与S结合生成MnS，从而减少了低熔点共晶物和焊接热裂纹的产生，研究表面Mn和S大于一定比例时，会显著降低焊缝中产生热裂纹概率。Mn也是奥氏体元素和合金元素，起固溶强化作用，可以增加焊缝强度和韧性，成分主要来自药粉电解锰和硅锰合金。

经分析认为，氟化物对熔敷金属中扩散氢含量的影响主要有三个方面的作用。一是通过氟化物在焊接过程中电离分解后形成的[F^-]离子与[H⁺]离子反应生成稳定的HF逸出，进而降低熔敷金属中扩散氢含量，且可提高焊缝金属韧性；二是通过氟化物在焊接过程中电离分解后形成的气体压力降低氢在电弧中的分压而减少熔敷金属中扩散氢含量；三是通过熔渣的碱度影响熔敷金属中的扩散氢含量。试验表明，熔敷金属扩散氢含量，在焊缝F含量0%到5%时，与F含量成反比关系，但是过量的F会增加焊接飞溅，增加焊接时缺陷，不利于焊接的工艺性。当F含量在3%至4%之间，即NaF含量在6.64%至8.85%之间，焊缝扩散氢较低且焊接工艺性优良。

镁砂的主要成分为MgO，MgO为碱性氧化物，该药芯焊丝为氧化钛性酸性焊丝，但可通过添加一定量的镁砂，提高熔渣的碱度，增加碱度有利于降低扩散氢含量，降低焊接时预热温度，也减少冷裂纹发生概率。

钛铁是钛和铁的合金，焊接时向焊缝过度微量Ti元素，改变组织形态，细化组织晶粒，同时起到脱硫的作用，降低熔敷金属低熔点元素，进而减少热裂纹概率。

Si元素作为主要的脱氧剂，在焊缝中起脱氧的作用，降低熔敷金属氧含量，影响焊缝组织针状铁素体数量，提高焊缝低温韧性，焊缝中Si含量一般以不超过0.6%为宜，Si元素来源主要来自药粉中的硅锰合金。

经测试，低氢抗裂型药芯焊丝的化学及力学性能符合公司内部标准，具体指标如下：

1、熔敷金属

主要化学成分:C≤ 0.10,Mn≤ 1.75,Si≤ 0.60,P≤0.025,S≤0.015,Ni≤1.10，Mn/S≥100

抗拉强度：490-660MPa

下屈服强度≥375MPa

伸长率≥22%

-40度冲击值≥47J

扩散氢含量(水银法)≤5.0mL/100g

2、抗拉强度：≥490MPa

冷弯中面弯和背弯（3T，120度）不能有大于3mm的裂纹

-40度冲击值≥47J

2、3、斜 y 坡口焊接裂纹试验和厚板角焊缝裂纹试验

裂纹率均≤10%

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种低氢抗裂型药芯焊丝的组分，其特征在于：包括低碳钢钢带和药粉，其中药粉包括：硅锰合金、电解锰、镍粉、镁砂、铁合金、钛铁、还原铁粉、高品位97度金红石、钛酸钾、石英砂、氟化钠；药粉中各组分占全部药粉的质量百分比如下：高品位97度金红石：33-40%，硅锰合金：15-20%，铁合金：1.5-5.0%，钛酸钾：3.8-6.0%，电解锰：5.5-10.0%，石英砂：3.1-6.0%，镁砂：4.0-7.5%，氟化钠：6.64-8.85%，钛铁：2.0-3.0%，镍粉：2.0-5.5%，还原铁粉：1.5-15.0%。

2.一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

以上药粉烘干后混合均匀，经过人工筛选，取80目以上的药粉，由钢带包裹，药粉填充比在12-18%，再经过多次拉拔，制成成品焊丝。

3.如权利要求2所述的一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述拉拔时，依次为6道粗拉和12道细拉。

4.如权利要求2所述的一种低氢抗裂型药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述拉拔时，采用干式拉丝粉作为载体润滑。