CN1248822C - 气体保护焊用管状焊丝 - Google Patents

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Abstract

提供一种使用上操作性和低温冲击值优良的气体保护焊用的管状焊丝。气体保护焊用的管状焊丝是在用低碳钢的软钢做外皮(Sheath)，在中间填充以氧化钛系为基的焊剂，上述焊剂含有焊丝总重的4.0～8.0%的TiO2、1.0～3.0%的Mn、0.1～1.0%的Si、0.002～0.02%的B、0.2～0.45%的Mg、0.15～0.3%的Al。希望上述的Mg含量为上述Al的1.45倍以上、1.55倍以下。用这样的焊丝具有全方位焊接操作性良好，同时得到低温韧性好的焊接金属，此外由于有良好的焊道形状和电弧的稳定性，而且焊接飞溅生成量最少，所以具有焊接效率非常高的效果。

Description

气体保护焊用管状焊丝
技术领域
本发明是关于管状焊丝的发明，具体说是关于填充以氧化钛为基的焊剂，以二氧化碳或氩气和二氧化碳气的混合气体作为保护气体使用的气体保护焊用的管状焊丝的发明。
背景技术
一般适用于软钢和抗拉强度50kgf/mm2以上高强度钢为主钢的氧化钛系管状焊丝操作性好，但一般认为存在有在低温和对焊等的焊接金属上冲击韧性低的不足。
特别是对冲击值要求严格的船级标准III级(III级：-20℃时大于55J)、铝镇静钢等的低温用钢(-40℃～50℃时大于28J)焊接金属存在问题，难以应用。
因此采用填充碱性焊剂使焊接金属低温冲击值得到一定程度的满足，但产生操作性方面全方位焊接不稳定、生成的焊接飞溅和焊接烟尘(Fume)增加等问题。
发明内容
因此鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种使用上操作性和低温冲击值优良的气体保护焊用的管状焊丝。
为了达到上述目的，本发明的特征为：气体保护焊用的管状焊丝是在用低碳钢的软钢做外皮(Sheath)，在中间填充以氧化钛系为基的焊剂，上述焊剂含有焊丝总重的4.0～8.0％的TiO2、1.0～3.0％的Mn、0.1～1.0％的Si、0.002～0.02％的B、0.2～0.45％的Mg、0.15～0.3％的Al。
其中希望上述的Mg含量为上述Al的1.45倍以上、1.55倍以下。
附图说明
[图1]
为表示用于本发明实施例和对比例进行操作性试验使用的仰焊试样的轴向视图。
[图2a]
为表示用于本发明实施例和对比例进行焊接部位高温裂纹试验使用的试样的平面图。
[图2b]
为图2a沿A-A线的断面图。
《符号说明》
1：母材              2、4：焊道
3：试验板材          5：约束台
6：衬垫陶瓷材料      D：焊接方向
具体实施方式
下面对本发明的组成做详细说明。
在本发明中，在软钢做的外皮中填充的焊剂分别由具有电弧稳定剂、熔渣形成剂、脱氧剂、合金添加剂等功能的材料配制而成。
其中考虑到熔渣包敷性能和流动性能，作为氧化物的TiO2成分含量(以下为重量％)占焊丝总重的4.0～8.0％。
此外把作为脱氧剂的Mn合金如Fe-Mn、金属-Mn、其他的Mn的铁合金等加入焊剂中，把它们换算成Mn含量占焊丝总重为1.0～3.0％的范围。
从脱氧功能和熔渣的粘度考虑，要添加Fe-Si、Fe-Si-B等，其比例为换算成Si含量占焊丝总重为0.1～1.0％的范围，B含量占焊丝总重为0.002～0.02％，熔渣包敷性能和流动性能稳定，可以稳定地全方位焊接，而且也能提高低温冲击值。
为了改善电弧稳定性和焊道形状添加Mg和Al，通过使Mg含量相对于Al含量的比(Mg/Al)满足(1)式，可以提高电弧稳定性和会聚能力，使上述焊剂的各功能进一步提高，可以容易地进行全方位焊接，特别是能提高低温冲击韧性。
1.45≤Mg/Al≤1.55                            (1)式
另一方面作为使用的原料可以添加合金如Mg-Al、金属-Mg、Fe-Al、金属-Al等。
下面对本发明的焊剂中数值限定的原因做详细说明。
氧化钛系焊剂的主要成分TiO2是非常重要的成分，起到熔渣形成剂功能和电弧稳定剂功能，作为熔渣形成剂具有非常好的包敷性和剥离性。
可是上述TiO2低于4.0％时得不到良好的焊道外观和形状，电弧包敷性差，电弧稳定性恶化，产生焊接飞溅的量增加。超过8.0％的话担心生成过多熔渣，熔渣层变厚，非金属夹杂物在熔池中上浮过程中残留下来，混入熔渣。
作为提供TiO2的原料矿石可以使用金红石型粗矿石(rutile sand)和还原的钛铁矿，或氧化钛、白钛石(leucoxene)等。
作为脱氧剂添加的Mn主要起到脱氧剂的作用，同时减少焊接金属的氧含量还起到提高低温韧性的附加作用。
可是上述Mn低于1.0％时，脱氧能力不足，所以电弧不稳定，容易产生气孔。此外超过3.0％的话，强度超过标准规定，容易产生高温裂纹。
因此Mn含量占焊丝总重为1.0～3.0％比较合适，原料可以使用Mn合金如Fe-Mn、金属-Mn、Si-Mn等。
作为脱氧剂添加的Si减少焊接金属内的氧，变成SiO2形式的熔渣，流动性和包敷性都好，而且调整熔渣的粘度后使仰焊更容易。
可是低于0.1％时，其作用不充分，脱氧能力差，会产生因生成气孔造成的焊接缺陷，由于熔渣的包敷性和粘度不够，造成仰焊时使用性能差。超过1.0％的情况下，焊接金属内Si含量增加，促进形成σ相，产生低温韧性恶化的相反的效果，所以必须予以注意。此外由于产生焊接飞溅和产生焊接烟尘的量增加，希望限定在占焊丝总重的1.0％以下，原料有Fe-Si、Fe-Si-Mn等。
B起到使焊接金属组织细化，提高低温韧性的作用，超过限定范围的话，使金属快速硬化，产生高温裂纹，所以需要特别关注其使用量。
因此上述B的限定范围最好在占焊丝总重的0.002～0.02％。
Mg具有电弧稳定剂和强脱氧剂的功能，在电弧中通过瞬时氧化反应变成MgO，MgO使熔渣的凝固点上升，所以仰焊时可以得到焊滴不下垂的焊接的外观。
可是低于0.2％时其效果很小，超过0.45％时产生焊接飞溅的量增加，熔渣形成弱，再加上焊道形状恶化，所以把其含量限定在占焊丝总重的0.2～0.45％。
Al具有脱氧剂的功能，利用Fe-Mn、Fe-Si的复合作用有助于熔渣的形成，防止熔融金属下垂。
可是超过0.3％的情况下，焊道的形状恶化，电弧的感觉也硬，低温韧性降低，其添加量最好为0.15～0.3％。
上述Mg和Al添加的比例Mg/Al大于1.45、小于1.55的话，本发明的主要特征之一的全方位焊接性能提高，仰焊可以更方便。由于电弧稳定使焊接效率提高，用铝镇静钢能够得到适用于-40℃水平的低温韧性值在50J以上。
可以说利用Mg和Al这种适当的组合能够使其他脱氧剂的功能提高，同时可以调整熔渣的熔点，使全方位的适应性好。可是在本发明要求的范围以外的情况下，即使其他的成分满足焊剂组成比例，其效果也要减少一半。
下面用本发明的实施例和对比例详细进行比较和说明。
(实施例)
在软钢外皮的内部填充的焊剂成分和组成比例在本发明设计的限定范围内的焊丝为实施例，至少有一种以上的焊剂在设计限定范围以外的焊丝作为对比例，制作了试样。
表1中表示实施例和对比例焊剂的组成比例。
制造填充率为15％、直径1.2mm的试样，并进行评价。
然后用制造的焊丝按表2所示的焊接条件进行试样焊接，确定了焊接时电弧的稳定性、焊接飞溅生成量、熔渣的剥离性和焊接烟尘生成量。
[表1]
  填充焊剂组成比例(重量％)   Mg/Al
  TiO2   Mn   Si   Al   Mg   B
  实施例   1   6   2.5   0.3   0.2   0.3   0.005   1.5
  2   6   2   0.3   0.2   0.3   0.005   1.5
  3   6   2.5   0.4   0.15   0.22   0.005   1.47
  4   6.5   2.5   0.4   0.15   0.22   0.005   1.47
  5   6.5   2   0.55   0.15   0.23   0.005   1.53
  6   6.5   2   0.55   0.18   0.27   0.005   1.5
  7   7   2   0.55   0.18   0.27   0.005   1.5
  8   7   2   0.6   0.22   0.34   0.005   1.55
  对比例   9   6   0.5   0.3   0.25   0.3   0.005   1.2
  10   8.4   1.5   0.3   0.2   0.3   0.005   1.5
  11   3.6   2.5   0.4   0.2   0.22   0.005   1.1
  12   6.5   2   1.4   0.1   0.23   0.005   2.3
  13   6.5   2   0.3   0.1   0.3   0.005   3
  14   4   2.5   0.4   0.15   0.3   0.005   2
  15   7   2.5   0.5   0.2   0.34   0.03   1.7
  16   7   2   0.5   0.2   0.3   0.03   1.5
表[2]
  分类   焊接条件
试验板材   焊接结构用轧制钢材SM490A   焊接结构用轧制钢材SM490A
  试验板材尺寸(mm)   厚12×宽100×长300   厚12×宽100×长300
  焊接方式   俯焊和水平填角焊   仰焊
  焊接电流(A)   260～340   200～240
  焊接电压(V)   28～35   24～25
  焊接速度(cm/分)   40   15～20
  保护气体   100％CO2   100％CO2
  气体流量(1/分)   20   20
仰焊如图1所示的T形试样进行连续的焊道多层堆积，焊接时熔融金属下垂程度和焊接后焊道下垂等用肉眼观察，其结果示于表3(图中符号1为母材、2为焊道、D为焊接方向)。
表[3]
  焊接操作
  水平填角焊   仰焊
  电弧稳定性   焊接飞溅生成量   焊接烟尘生成量   焊道形状   电弧稳定性   焊接飞溅生成量   焊接烟尘生成量   焊道形状
  实施例   1   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  2   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  3   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ○
  4   ○   ◎   ○   ○   ○   ○   ◎   ○
  5   ◎   ○   ○   ○   ○   ◎   ◎   ◎
  6   ◎   ○   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  7   ○   ◎   ○   ◎   ◎   ○   ◎   ◎
  8   ○   ○   ○   ◎   ◎   ○   ○   ◎
  对比例   9   △   ○   ○   △   △   ○   ○   ×
  10   ○   ○   ○   △   △   ○   ○   △
  11   ○   ○   ○   ×   ○   ○   ○   ×
  12   △   ×   △   △   ×   ×   △   △
  13   ○   ○   △   ×   ○   ○   △   ×
  14   ○   ○   ○   △   ○   ○   △   ×
  15   ○   ○   △   ○   ○   ○   △   *△
  16   ◎   ○   ○   ○   ○   ○   ○   *○
注：◎：非常好 ○：良好 △：一般 ×：不好
*：在焊接首层或焊口多发焊道破裂
焊接部位性能的评价是按船级社的规定制作焊接金属力学物理性能试验的试样，表4表示用于制作试样的焊接条件。
焊接部位的高温裂纹试验用与力学物理试验用的板材相同的钢种，制作成图2a和图2b所示的试样，根部间隔6mm，在250A/31V条件下以每分钟24cm的焊接速度进行焊接，然后去除熔渣，用液浸法确定了是否有裂纹(图中符号3为试验板材、4为焊道、5为约束台、6为衬垫的陶瓷材料、D为焊接方向)。
拉伸试验、低温冲击试验和高温裂纹试验的结果示于表5。
[表4]
  分类   焊接条件
  试验板材   焊接结构用轧制钢材SM490A
  试验板材尺寸(mm)   厚19×宽150×长300
  改善角度   45
  根部间隔   12mm
  道数和层数   17道6层
  层间温度   150℃
  保护气体   100％CO2、80％Ar+20％
  焊接电流   240～260A
  焊接电压   26～30V
[表5]
  抗拉强度(kgf/mm)   低温冲击值(-40℃)  高温裂纹(有、无)
  实施例   1   580   53.8J  无
  2   590   54J  无
  3   590   56J  无
  4   605   54J  无
  5   605   53.6J  无
  6   620   55J  无
  7   620   55J  无
  8   620   54J  无
  对比例   9   540   24J  无
  10   560   23J  有
  11   590   48J  有
  12   680   21J  有
  13   610   48J  无
  14   600   42J  无
  15   620   56J  有
  16   620   54J  有
如上述表1所示，焊剂结构中化学成分组成比例在本发明要求的限定范围内的实施例1至实施例8的焊丝，具有优良的焊接操作性能，同时在仰焊时也不会有熔融金属的下垂和焊滴的下垂，能够得到非常好的外观。
此外抗拉强度满足标准，-40℃低温冲击韧性也得到满足美国焊接协会(AWS)规定的值。
而在高温裂纹试验中，也得到在焊接金属的焊道上不产生裂纹的良好的结果。
可是在本发明的焊剂结构和组成比例中，一种以上偏离到焊剂限定范围以外的对比例表现出使用上操作性差，力学物理性能中的冲击值达不到要求。
特别是在对比例9中作为脱氧剂的Mn不足，以及Mg/Al的比在要求的限定范围以外的情况下，由于脱氧能力不足造成的气泡产生频率增加和电弧的稳定性差，而由于仰焊时产生焊滴的下垂，造成焊接效率降低。
对比例10的情况是操作性大体良好，不能满足低温冲击要求的水平，焊道的形状也表现为稍有不齐的状态。
对比例11的情况是TiO2和Mg/Al比在限定范围以外的情况，由于熔渣不足造成包敷性恶化，熔融熔渣的粘度不足造成仰焊时焊滴下垂。
对比例12至对比例15是Mg/Al比超过要求的限定范围的情况，焊接烟尘生成量增加，出现焊道偏，再加上带来与本发明追求的焊接性能相反的效果，特别是对比例15和对比例16的情况，由于超过B的含量带来产生的焊道裂纹增加的结果。
像上述说明的那样，采用本发明的气体保护焊用管状焊丝具有全方位焊接操作性良好，同时得到低温韧性好的焊接金属的效果。
此外由于有良好的焊道形状和电弧的稳定性，而且焊接飞溅生成量最少，所以具有焊接效率非常高的效果。

Claims (2)

1.气体保护焊用管状焊丝，用低碳钢的软钢做外皮，在中间填充以氧化钛系为基的焊剂，其特征在于：上述焊剂含有焊丝总重的4.0～8.0％的TiO2、1.0～3.0％的Mn、0.1～1.0％的Si、0.002～0.02％的B、0.2～0.45％的Mg、0.15～0.3％的Al。
2.如权利要求1所述的气体保护焊用管状焊丝，其特征为：上述的Mg含量为上述Al的1.45倍以上、1.55倍以下。
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