CN1240516C - 用于高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂的焊丝 - Google Patents

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Abstract

提供气体保护电弧焊用的填充焊剂的焊丝可以在各种姿势的焊接中表现出优良的焊接操作性，能提高焊接操作的效率，在保持高的强度的同时保持冲击吸收能，可以使焊接的结构件稳定。构成气体保护电弧焊用的填充焊剂的焊丝其适宜的化学成分为：相对于焊丝的总重含有具有脱氧剂功能的金属和铁合金成分中的Si、Mg、Al三种成分之和为0.5～1.5%、含Mn 1.5～2.7%、具有脱氧剂功能的金属和铁合金成分中Mn对(Mg+Al)的比值，即Mn/(Mg+Al)为3.5～5.0，从Cr、Ni、Mo和Nb中任选两种以上成分的和为1.0～2.5%。

Description

用于高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂的焊丝
[技术领域]
本发明是关于用于80kgf/mm2级高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂焊丝的发明，具体地说是关于采用填充二氧化钛系焊剂的方法，来改善操作性和低温韧性的80kgf/mm2级高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂焊丝的发明。
[背景技术]
此前用于高强度钢板的填充焊剂焊丝几乎都是60～70kgf/mm2级，特别是难以在保持高强度的同时保持良好的延伸率和低温韧性。因此为了使高强度、延伸率、低温韧性都满足，使用包覆焊药的焊条，或使用以填充碱性系焊剂焊丝为主。可是包覆焊药的焊条和填充碱性系焊剂焊丝存在有其使用部位受到限制，以及操作性差等很多问题。
另一方面代替填充碱性系焊剂焊丝，添加的TiO2与其他氧化物一起形成熔渣，有时会覆盖焊道表面，结果会有一部分以非金属夹杂物形式存在于焊接金属内，或增加焊接金属的氧含量，存在有使焊接金属的韧性降低的问题。
[发明内容]
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种操作性好，具有80kgf/mm2级以上的高的抗拉强度，而且低温冲击韧性优良的、用于高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂焊丝。
达到本发明的上述目的采用的方法是：气体保护电弧焊的填充焊剂焊丝的焊剂组成的化学成分，相对于焊丝的总重，具有脱氧剂功能的金属和铁合金成分中的Si、Mg、Al三种成分之和为0.5～1.5％、含Mn 1.5～2.7％、Mn对(Mg+Al)的比值，即Mn/(Mg+Al)为3.5～5.0，作为熔渣形成剂，含有TiO2为2.5～9.0％和SiO2为0.5～2.0％，添加从Cr、Ni、Mo和Nb中任选两种以上成分的和为1.0～2.5％。
如上所述，采用本发明的气体保护电弧焊用的填充焊剂的焊丝，通过适当控制使构成填充焊剂组成的化学成分和化学成分间的比，由于在各种姿势的焊接中表现出优良的焊接操作性，所以能提高焊接操作的效率，由于在保持高的强度的同时保持冲击吸收能，所以可以使焊接的结构件稳定。
具体实施方式
采用本发明可以提供操作性好、具有80kgf/mm2级以上的高的抗拉强度，而且在0℃具有27J以上的V型缺口夏比冲击特性的填充焊剂焊丝。
为了具有这样的特性，需要把焊接金属的组织进一步细化，为此不仅仅是调整在内部填充焊剂的成分，而且也要适当调整组成的比例。
本发明不是使用碱性系焊剂，而是使用了二氧化钛系焊剂，适当使用Ti或氧化物的TiO2和Si和氧化物的SiO2，为了防止非金属夹杂物残留在熔融金属内，把与脱氧剂相关的金属锰、金属硅或它的铁合金与含Mg、Al的合金或金属一起使用。
此外还含有作为附加成分的合金材料，以保持良好的抗拉强度和韧性。
下面说明构成本发明必要因素的焊剂成分的各种功能和数值限定的原因。
首先说明必须满足焊剂中Si、Mg、Al三种成分之和占焊丝总重0.5～1.5％的原因。
焊接过程中，要通过去除焊接金属内的杂质和氧、氮、氢等气体，获得良好的焊接部位必须使用脱氧剂，现有具有这种功能的脱氧剂主要使用Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Ti等。
可是使用这样的脱氧剂能达到一定程度脱氧的目的，但存在有不利于对焊接性能中电弧的稳定性和熔滴移动进行大的调整的问题。
本发明人发现含Mg、Al等的金属粉末或合金材料的脱氧剂中Si、Mg、Al三种成分之和占焊丝总重0.5～1.5％的话，可以在保持脱氧功能的同时，使电弧稳定、熔滴移动微细。
可是上述Si、Mg、Al三种成分之和占焊丝总重不足0.5％的话，不仅不能满足作为脱氧剂的功能，而且电弧变得不稳定，会出现在焊接金属内产生气孔缺陷的问题，熔滴移动中熔滴颗粒也变大，有崩爆的现象，此外熔渣的包覆性恶化，形成焊接的焊道外观不良，因此Si、Mg、Al三种成分之和必须占焊丝总重0.5～1.5％。
Mn能起到促进焊接金属脱氧作用的同时，还具有提高焊接金属韧性和强度的作用。
Mn含量占焊丝总重在1.5％以下的话，不能充分确保期望的强度和韧性，超过2.7％的话，不仅会导致强度过高、韧性降低的结果，而且在操作中也会产生增加焊接烟尘量的问题。
因此希望Mn含量占焊丝总重的1.5～2.7％。
另一方面Mn除了金属Mn以外，还可以以Fe-Mn、Fe-Si-Mn等的Mn合金的形式加入，此时要换算成Mn含量。
Mg和Al能调节仰焊中焊接金属的凝固速度，起到使焊道性质均匀的作用。
具有这样功能的Mg和Al在焊剂中的含量，在焊丝总重换算成Mg+Al后，用上述Mn与它的比值表示时(也就是Mn/(Mg+Al))，希望此值为3.5～5.0。
如果Mn/(Mg+Al)小于3.5，由于调节凝固的功能强，不能得到均匀的焊道，如果超过5.0的话，由于调整凝固的功能弱，相反不仅会产生焊道偏斜的现象，而且会增加喷溅和烟尘的生成量。
因此Mn/(Mg+Al)的值希望为3.5～5.0。
添加的Mg和Al可以是金属粉末，也可以以Fe-Al、Mg-Al合金的形式加入，此时要分别换算成Mg和Al的含量。
TiO2和SiO2起到熔渣形成剂的作用，此外还具有提高熔渣流动性和电弧稳定性的附加功能。
TiO2含量小于焊丝总重的2.5％，或者SiO2含量小于0.5％的话，由于流动性和缺乏粘性，在中、高电流(φ1.2mm焊丝情况下，中电流是指240～280A、高电流是指300～360A)中，横向角缝焊接姿势下容易出现咬边(undercut)，立焊姿势下增加喷溅量，产生焊道下垂现象。此外焊接速度快的话，生成的熔渣量不足，同时焊道包覆性差，焊道的外观恶化。
另一方面TiO2含量大于9.0％，或者SiO2含量大于2.0％的话，生成过多的熔渣，同时由于熔渣的自重造成焊道形状不良，产生电弧不稳定现象。此外增加进入焊接金属内的非金属夹杂物，使焊接金属的强度和韧性恶化。
因此希望TiO2和SiO2含量分别占焊丝总重的2.5～9％、0.5～2.0％。
TiO2和SiO2添加形式可以用Ti、Si的粉末或铁合金的形式，以及金红石矿砂、白钛石、硅矿石、长石、云母等氧化物形式，上述的含量范围是被换算成TiO2和SiO2的形式进行计算。
添加Cr、Ni、Mo、Nb是为了提高抗拉强度和韧性。
从Cr、Ni、Mo和Nb中选两种以上成分的和占焊丝总重小于1.0％的话，焊接金属得不到80kgf/mm2级以上的抗拉强度和韧性，其和超过2.5％的话，强度过高，韧性降低。因此希望从Cr、Ni、Mo和Nb中选两种以上成分的和占焊丝总重的1.0～2.5％。
下面对比本发明范围的发明示例与本发明范围外的对比示例进行说明。
首先在具有表1所述的化学成分软钢外皮内，填充表2所述成分的焊剂制成原料线，把它延伸制成直径1.4mm的焊丝。填充率为15％。
[表1]
  项目   C   Si   Mn   P   S
  重量％   0.03以下   0.03以下   0.15～0.45   0.02以下   0.02以下
[表2]
项目   焊丝中的化学成分(重量％)
  TiO2   SiO2   Al2O3   MgO   Mg   Al   Mn   Si
发明示例   1   6.5   1.5   0.6   0.5   0.33   0.25   2.2   0.45
  2   6.0   1.5   0.6   0.5   0.33   0.25   2.2   0.45
  3   5.0   1.5   0.6   0.5   0.33   0.25   2.2   0.45
  4   5.0   2.0   0.7   0.5   0.33   0.25   2.5   0.45
  5   5.5   2.0   0.7   0.5   0.33   0.25   2.5   0.75
  6   5.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.75
  7   4.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.75
  8   4.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.75
对比示例   9   2.0   1.5   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.45
  10   2.0   1.5   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.45
  11   5.0   2.4   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.75
  12   5.0   2.4   0.6   0.5   0.33   0.3   2.5   0.75
  13   5.5   2.0   0.6   0.5   0.6   0.3   2.5   0.75
  14   5.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   1.0
  15   4.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   3.3   0.5
  16   4.5   2.0   0.6   0.5   0.33   0.25   2.5   0.5
                          [表3]
  项目            焊剂的化学成分
  Si+Al+Mg(重量％) Mn/(Mg+Al)   Cr、Ni、Mo、Nb中两种以上的和(重量％)
  发明示例   1   1.03   3.8   1.5(Cr+Ni)
  2   1.03   3.8   1.5(Mo+Nb)
  3   1.03   3.8   2.3(Cr+Mo)
  4   1.03   4.3   2.3(Mo+Nb)
  5   1.33   4.3   2.3(Cr+Mo)
  6   1.33   4.3   2.0(Cr+Nb)
  7   1.33   4.3   2.0(Ni+Mo)
  8   1.33   4.3   2.0(Ni+Nb)
  对比示例   9   1.03   4.3   0.8(Mo+Nb)
  10   1.03   4.3   0.5(Cr+Ni)
  11   1.33   4.3   0.9(Cr+Mo)
  12   1.38   3.96   2.7(Ni+Mo)
  13   1.65   2.8   2.0(Cr+Nb)
  14   1.58   4.3   2.0(Ni+Nb)
  15   1.08   5.86   2.0(Cr+Ni)
  16   1.08   4.3   3.0(Cr+Nb)
按：表2各种组成构成的焊剂，具有其成分之间象表3那样的组成，在表3中重量％是以焊丝的总重量为基准。
表4为由表2和表3的组成制造的填充焊剂的焊丝的焊接条件，其结果示于表5。
焊接金属的机械、物理性能的试验按AWS规定的制作试样，此时适用的焊接条件示于表6。以表6的焊接条件为基础，被焊接的金属性能试验评价结果示于表7。
                    [表4]
  项目   焊接条件
  试验板材   焊接结构用钢轧材SM490A
  试验板材尺寸   厚度12mm、宽度100mm、长度300mm
  焊接形式   横向角缝焊接姿势   立焊姿势
  焊接电流   340A   240A
  焊接电压   32V   26V
  焊接速度   40cm/分   -
  保护气体   100％CO2
  保护气体流量   20升/分
[表5]
项目   焊接操作
  横向角缝焊接   立焊
  电弧稳定性   焊道形状   熔渣剥离性   喷溅产生量   电弧稳定性   焊道形状   熔渣剥离性   喷溅产生量
  发明示例   1   ◎   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  2   ◎   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  3   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ○
  4   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ○   ○   ○
  5   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ○
  6   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ○   ○
  7   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ○   ○
  8   ◎   ○   ◎   ○   ◎   ○   ○   ○
  对比示例   9   ×   △   △   △   △   △   △   △
  10   ×   △   △   △   △   △   △   ×
  11   ○   ○   ○   △   △   △   ○   ×
  12   ○   △   △   ×   ○   △   ○   ×
  13   △   △   △   ×   △   ○   △   ×
  14   △   ○   ○   ×   △   ○   ○   ×
  15   △   △   ○   △   △   ○   ○   △
  16   △   △   △   △   △   ○   ○   △
在表5中◎表示非常好、○良好、△普通、×不良。
                    [表6]
  项目   焊接条件
  试验钢板材料   焊接结构用轧材SM490A
  试验钢板尺寸   厚度：19mm、宽度：150mm、长度：300mm
  焊缝坡口角度   45°
  焊缝根部间隔   12mm
  道次和层数   17道6层
  层间温度   150℃
  保护气体   100％CO2
  焊接电流   260A
  焊接电压   32V
                    [表7]
项目   抗拉、冲击试验结果
  抗拉强度(kgf/mm2)  CVN(j、-18℃)
  发明示例   1   78  60
  2   79  62
  3   80  58
  4   79  63
  5   81  60
  6   84  55
  7   82  63
  8   82  63
  对比示例   9   73  21
  10   72  23
  11   83  33
  12   82  32
  13   82  33
  14   84  24
  15   88  20
  16   90  18
从表5和表7可以看出，在构成焊剂的化学成分的组成和化学成分间的比在本发明范围内的发明示例1～8中，横向角缝焊接姿势和立焊姿势都显示出优良的焊接操作性，不仅保持高的抗拉强度，而且在-18℃有良好的冲击吸收能。
另一方面对比示例9～16构成焊剂的化学成分的一种或二种在本发明要求的范围之外的情况下，表现出操作性恶化，或抗拉强度和冲击吸收能恶化。
对比示例9和10由于添加的换算成氧化物的TiO2小于2.5％，电弧的稳定性和熔渣的剥离性不好，喷溅生成量增加等，表现出整体焊接操作性恶化。
对比示例11和12由于添加的换算成氧化物的SiO2大于2.0％，焊道形状凹凸不平严重，特别是立焊时出现喷溅生成量增加的问题。
对比示例13和14是Si、Al、Mg三种成分的和超出本发明的范围的情况，电弧稳定性恶化，喷溅生成量增加，整体上看显示出操作性恶化。
对比示例15是Mn含量超过2.7％，Mn/(Mg+Al)的值超出本发明范围的情况，表现出抗拉强度高，冲击吸收能恶化。
对比示例16是从Cr、Ni、Mo、Nb中选两种以上成分的和超过2.5％的情况，与对比示例15相同，表现出抗拉强度高，冲击吸收能极低。
因此本发明提出的范围内的焊丝整体的焊接操作性和机械、物理性能都好，在本发明范围以外的焊丝不仅操作性差，机械、物理性能也非常不好。

Claims (1)

1、用于高强度钢的气体保护电弧焊的填充焊剂的焊丝，其特征为：该焊丝是把焊剂填充到软钢外皮中的气体保护电弧焊用的焊丝，所述焊剂的组成相对于焊丝的总重含有具有脱氧剂功能的金属和铁合金成分中的Si、Mg、Al三种成分之和为0.5～1.5％、含Mn1.5～2.7％、Mn对(Mg+Al)的比值，即Mn/(Mg+Al)为3.5～5.0，作为熔渣形成剂，含有TiO2为2.5～9.0％和SiO2为0.5～2.0％，添加从Cr、Ni、Mo和Nb中任选两种以上成分的和为1.0～2.5％。
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