CN1403240A - 具有优异可焊接性的碱性药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种碱性药芯焊丝，具有低碳钢或合金钢外皮，外皮中填充熔剂，其特征在于相对于焊丝的总重量所述熔剂主要包括：0.3～3.0％Ti和Ti的氧化物(换算成TiO2的数值)；1.0～2.5％Si和Si的氧化物(换算成SiO2的数值)；0.1～1.5％Mg和Mg的氧化物(换算成MgO的数值)；1.5～4.0％Mn和Mn的氧化物(换算成MnO的数值)；0.2～1.5％Al和Al的氧化物(换算成Al2O3的数值)；0.1～1.0％Zr和Zr的氧化物(换算成ZrO2的数值)；0.2～3.5％CaF2；和0.01～0.5％K2O，附带条件是上述成分满足碱度为0.5～4.5，碱度方程(1)定义为B＝(CaF2+MgO+MnO+K2O)/(TiO2+SiO2+Al2O3+ZrO2)。本发明的碱性药芯焊丝具有优异的抗裂性和低温韧性，并在所有焊接位置表现出优异的焊接加工性，保证提高焊接工作的效率。并且，本发明的碱性药芯焊丝即使在100％CO2保护气体下也表现出优异的焊接加工性。

Description

具有优异可焊接性的碱性药芯焊丝
发明领域
本发明涉及一种具有优异焊接性的碱性药芯焊丝，更具体地，涉及一种碱性药芯焊丝，这种焊丝具有优异的抗裂性和低温韧性，并提高了焊接加工性。
背景技术
某些传统的用于气体保护弧焊的碱性药芯焊丝具有优异的抗裂性和低温韧性，但多少在焊缝的外观和形状、脱渣性和弧稳定性方面较差。与二氧化钛基熔剂药芯焊丝相比，这是碱性药芯焊丝的缺点。作为传统非二氧化钛基熔剂药芯焊丝的例子，日本公开特许公报No.62-166098公开了一种氟化钡基熔剂药芯焊丝，其中添加了Mn、Si、Ni等。氟化钡基熔剂药芯焊丝具有优异的低温韧性，但焊接加工性差，并且焊缝外观和形状也差。至于日本公开特许公报No.52-65736中公开的非二氧化钛基熔剂药芯焊丝，熔剂含有Ni、Cu和Mn，焊接结构在焊接后经过热处理，消除了残余应力并提高了低温韧性。但是，在改善脆性断裂特性和低温韧性方面有局限性。
另外，传统碱性药芯焊丝必须使用混合气体(75～80％Ar+20～25％CO2)作为保护气体，以保证弧的稳定性和金属滴的移动。因此，碱性药芯焊丝的应用受到限制。
发明内容
因此，在考虑以上问题后产生本发明，本发明的目的是提供一种碱性药芯焊丝，这种焊丝具有优异的抗裂性、低温韧性和可焊接性，并且能使用Ar/CO2混合气体或100％CO2作为保护气体。
根据本发明，上述目的能通过提供以下碱性药芯焊丝来完成，该焊丝具有充满熔剂的低碳钢或合金钢外皮，其特征在于相对于焊丝的总重量所述熔剂主要包括：
0.3～3.0％Ti和Ti的氧化物(换算成TiO2的数值)；
1.0～2.5％Si和Si的氧化物(换算成SiO2的数值)；
0.1～1.5％Mg和Mg的氧化物(换算成MgO的数值)；
1.5～4.0％Mn和Mn的氧化物(换算成MnO的数值)；
0.2～1.5％Al和Al的氧化物(换算成Al2O3的数值)；
0.1～1.0％Zr和Zr的氧化物(换算成ZrO2的数值)；
0.2～3.5％CaF2；和
0.01～0.5％K2O，
附带条件是上述成分满足碱度(B)为0.5～4.5，其中碱度按方程(1)定义为B＝(CaF2+MgO+MnO+K2O)/(TiO2+SiO2+Al2O3+ZrO2)。
附图的简要说明
结合附图并从下面的详细描述中能更清楚地理解本发明上述和其它的目的、特征和其它优点，附图中：
图1是表示约束裂缝试验条件的平面图；和
图2是表示图1的横截面图。
优选实施方式的描述
下面将具体描述本发明熔剂中所加入的每种成分及其成分比例限制的原因。
TiO2作为熔渣形成剂和弧稳定剂，并且是一种酸性熔剂成分，主要来源于金红石、还原的钛铁矿等。如果TiO2含量小于0.3重量％，熔渣形成的数量少，在向上的垂直焊接中容易产生熔融金属的流失。相反，如果TiO2含量超过3.0重量％，弧稳定性变差，产生飞溅的数量增大，从而焊接加工性降低。因此，优选Ti和Ti的氧化物(换算成TiO2的数值)的加入量限制在0.3～3.0重量％的范围内。
SiO2是酸性熔剂成分，为熔渣提供合适的粘度和弧稳定性。如果SiO2含量小于1.0重量％，电弧不稳定，产生飞溅的数量增大，熔渣覆盖性变差。相反，如果SiO2含量超过2.5重量％，熔渣凝固并且脱渣性变差。因此，优选Si和Si的氧化物(换算成SiO2的数值)的加入量限制在1.0～2.5重量％的范围内。
Al2O3是酸性熔剂成分，能增大熔渣凝固点并使金属滴变小，从而导致飞溅弧转移。如果Al2O3含量小于0.2重量％，其效果不足，而如果其含量超过1.5重量％，焊缝形状变差。因此，优选Al和Al的氧化物(换算成Al2O3的数值)的加入量限制在0.2～1.5重量％的范围内。
ZrO2是酸性熔剂成分，能增大熔渣凝固点并提供弧稳定性。如果ZrO2含量小于0.1重量％，其效果不足，而如果其含量超过1.0重量％，电弧容易不稳定并且产生飞溅的数量增大，从而焊接加工性变差。因此，优选Zr和Zr的氧化物(换算成ZrO2的数值)的加入量限制在0.1～1.0重量％的范围内。
CaF2是碱性熔剂成分并作为熔渣形成剂，从而使焊缝具有好的外观。并且，CaF2产生分解气体(CO2)，因而提高保护能力。为了达到这些目的，CaF2的加入量必须大于0.2重量％。如果CaF2含量超过3.5重量％，产生烟的数量和飞溅的数量增多，并且由于沉积金属粘度的减小使焊缝外观变差。因此，优选CaF2的加入量限制在0.2～3.5重量％的范围内。
MgO是碱性熔剂成分并增大渣的凝固点。并且，MgO作为脱氧剂和弧稳定剂。如果MgO含量小于0.1重量％，效果不充分；而如果MgO含量超过1.5重量％，电弧不稳定并且焊缝形状变差。因此，优选Mg和Mg的氧化物(换算成MgO的数值)的加入量限制在0.1～1.5重量％的范围内。
MnO是碱性熔剂成分并作为脱氧剂。并且，MnO能提高焊接金属的强度和韧性。如果MnO含量小于1.5重量％，脱氧效果不充分，从而在焊接部分出现焊接缺陷，降低焊接金属的强度和韧性。相反，如果MnO含量超过4.0重量％，焊接金属的强度增大，从而在高温下容易出现开裂并降低低温韧性。因此，优选Mn和Mn的氧化物(换算成MnO的数值)的加入量限制在1.5～4.0重量％的范围内。
K2O是碱性熔剂成分并能降低渣的熔点，从而使渣的流动性变好并提高弧稳定性。如果K2O含量小于0.01重量％，弧稳定性不充分并且焊缝外观变差。相反，如果K2O含量超过0.5重量％，渣的熔点降低到焊接温度，因此在向上的垂直位置过程中，容易出现焊缝流失。因此，优选K2O的加入量限制在0.01～0.5重量％的范围内。
下面将描述上述成分必须满足的方程(1)。
方程(1)
B＝(CaF2+MgO+MnO+K2O)/(TiO2+SiO2+Al2O3+ZrO2)
方程(1)将熔剂成分的碱度表示为数字公式。为了保证优异的抗裂性和低温韧性，B值必须优选地满足0.5～4.5的范围。如果B值小于0.5，抗裂性和低温韧性变差。在这种条件下，得到的熔剂是二氧化钛基熔剂，而不是碱性熔剂。如果B值超过4.5，焊接加工性变差，脱渣性能降低，焊缝形状变差。因此，B值优选的范围为0.5～4.5。
除了主要成分外，本发明的熔剂还包括铁粉。铁粉提高弧稳定性和沉积效率。并且，填充在钢外皮内的熔剂的流动性提高，因而防止熔剂在卷管和拔丝过程中的偏移。
同时，对填充在丝内的熔剂形状不进行提出限制。焊丝表面可以涂覆氧化性薄膜，以改善导电性并产生耐蚀性。焊丝的横截面优选的是圆形，但对焊丝内部形状不进行提出限制。
实施例
下面具体描述根据本发明制造的碱性药芯焊丝的物理性能和焊接加工性。
以焊丝总重量的10～20重量％的填充速率将各种熔剂中的每一种填充在钢外皮中(KS D3512，SPCC)，制造直径1.2mm的药芯焊丝。熔剂的成分如表1所示。
表3和表4中列出了所制造的焊丝在水平圆角和向上垂直位置处的焊接加工性试验的结果。表2表示焊接加工性试验的焊接条件。
根据KS、AWS标准程序完成沉积金属的拉伸强度、屈服强度和夏氏V缺口冲击性能试验，评价的结果列在表5中。焊接部分抗裂性试验在图1所示的条件下完成，结果列于表5中。
详细地，抗裂性试验是在焊接电流240～260A和焊接电压32V的焊接条件下完成的，用于焊接结构的轧制钢材，是用SM490A钢板25t作为试验钢板的材料。
表1实施例  TiO2  SiO2 ZrO2 Al2O3 CaF2  MgO    MnO   K2O   T-Fe   其它  方程(1)本   1  0.41   2.01   0.21   0.53    2.58   0.59   3.27  0.03   4.41   0.96    2.05发   2  2.49   1.82   0.37   0.77    1.47   0.17   2.67  0.08   4.40   0.76    0.81
   3  0.48   1.24   0.19   0.31    2.57   1.42   3.21  0.29   4.49   0.80    3.37明
   4  1.92   1.13   0.16   1.04    3.40   1.38   3.87  0.42   1.11   0.57    2.13
   5  2.81   2.42   0.21   1.27    0.26   1.27   3.79  0.37   2.17   0.43    0.85
   6  1.57   2.27   0.89   0.97    3.01   1.42   1.97  0.19   2.00   0.71    1.16
   7  0.42   1.21   0.17   0.31    3.34   1.35   3.75  0.42   3.12   0.91    4.20对   8  0.27   0.69   0.16   0.67    0.62   1.41   3.59  0.62   6.02   0.95    3.49
   9  0.57   2.04   0.38   0.92    0.35   0.07   3.89  0.47   5.39   0.92    1.22比
  10  0.92   1.89   0.55   1.23    1.09   0.92   1.35  0.15   5.97   0.93    0.76例
  11  1.28   2.11   0.72   0.67    3.62   1.78   2.84  0.29   1.07   0.62    1.78
  12  1.49   1.16   0.21   0.12    2.67   0.52   3.84  0.46   3.94   0.59    2.51
  13  2.54   1.53   0.06   0.87    2.19   1.38   3.41  0.09   2.45   0.48    1.41
  14  0.48   0.89   1.02   0.42    1.67   1.35   3.05  0.34   5.00   0.78    2.28
  15  3.11   1.32   0.24   0.71    3.28   1.16   4.07  0.39   0.58   0.14    1.65
  16  2.84   2.32   0.82   1.43    0.41   0.17   1.72  0.21   4.26   0.82    0.34
  17  0.34   1.13   0.15   0.31    3.39   1.41   3.68  0.42   3.36   0.81    4.61
                  1)T-Fe：熔剂中Fe粉和钢外皮中的总Fe量
                  2)其它：痕量元素例如C，NaF等，以及杂质
表2
         项目               焊接条件
         钢板            KS D 3515 SM 490A
       钢板厚度               12mm(t)
       焊接极性                 DC+
       保护气体               100％CO2
   保护气体流动速率                20l/min
       焊接位置    水平圆角位置    向上垂直位置
       焊接电流     280-300A     200-220A
       焊接电压      33-34V      29-30V
       焊接速度      35cm/min     12-17cm/min
   Tip与钢之间的距离       20mm      15mm
表3
                 水平圆角位置焊接
  实施例                                          产生飞溅的
           焊缝形状  弧稳定性  渣流动性  脱渣性
                                                     数量本发明    1     ○        ○         ◎       ○        ◎
        2     ◎        ◎         ○       ○        ◎
        3     ○        ○         ◎       ◎        ◎
        4     ◎        ◎         ◎       ◎        ○
        5     ◎        ◎         ○       ○        ◎
        6     ◎        ◎         ◎       ○        ○
        7     ○        ○         ◎       ◎        ○对比例     8     △        △         ×       ×        ○
        9     ×                  ×                    △               ○                  ○
       10     △        ○         ○       ×        ○
       11     ×                  △                   △               ○                 ×
       12     △        ×         △       ×        ○
       13     △        △         ×       △        △
       14     ○        ×         △       ○        ×
       15     ×                  ○                    △               △                 △
       16     ×                  ○                    △               ○                 △
       17     ×                  ×                    △               ×                 ×
        焊接加工性评价如下：◎：很好，○：好，△：平均，×：差
表4
                     向上垂直位置
  实施例                                        产生飞溅的
           焊缝形状  弧稳定性  渣流动性  脱渣性    数量本发明    1     ○        ○        ◎       ◎       ◎
        2     ◎        ◎        ○       ○       ◎
        3     ○        ○        ◎       ○       ◎
        4     ◎        ○        ◎       ◎       ○
        5     ◎        ◎        ○       ◎       ◎
        6     ◎        ◎        ◎       ◎       ○
        7     ○        ○        ◎       ◎       ○对比例     8     △        △        ×       ×       ○
        9     ×                  ×                  △               ○                ○
       10     △        ○        △       ×       ○
       11     ×                  △                 △               ○                ×
       12     △        ×        △       ×       ○
       13     △        △        ×       △       △
       14     ○        ×        △       ○       ×
       15     △        ○        △       ×       △
       16     ×                  ◎                  ×               ○                ○
       17     ×                  ×                  △               ×                ×
         焊接加工性评价如下：◎：很好，○：好，△：平均，×：差
表5
            力学和物理性能试验的结果
   实施例
           拉伸强度  屈服强度  夏氏冲击  抗裂性本发明    1    通过      通过      通过      ◎
        2    通过      通过      通过      ◎
        3    通过      通过      通过      ◎
        4    通过      通过      通过      ○
        5    通过      通过      通过      ○
        6    通过      通过      通过      ◎
        7    通过      通过      通过      ○对比例     8    通过      通过      通过      ×
        9    通过      通过      通过      ×
       10    失败      失败      失败      ◎
       11    失败      失败      失败      ○
       12    通过      通过      通过      ×
       13    通过      通过      失败      △
       14    失败      失败      失败      ○
       15    通过      通过      通过      ×
       16    失败      失败      通过      ◎
       17    通过      通过      通过      ×
约束裂纹试验评价如下：◎：0％开裂，○：1-5％开裂，△：5-10％开裂，×：大于10％开裂
上面的表3到表5列出了本发明和对比例的焊接加工性以及力学和物理性能试验的结果。
实施例1-7的焊丝，其中熔剂组成的成分和比例在本发明的范围内，在水平圆角位置和向上垂直位置都表现出“通过”的焊接加工性。并且，它们在拉伸强度、屈服强度和夏氏冲击试验中满足KS、AWS标准，并表现出优异的约束裂纹抵抗性和优异的在100％CO2保护下的焊接加工性。
另一方面，对于对比例8-17的焊丝，其熔剂成分中的一种或两种不在本发明的成分和比例范围内或者碱度(B)不满足本发明限定的范围。由于这一原因，焊接加工性变差，力学和物理性能不满足标准。并且，在约束裂纹试验中产生大量裂纹，抗裂性差。
在对比例8的焊丝中，弧稳定性和脱渣性差，约束裂纹试验中抗裂性非常差，因为TiO2、SiO2和K2O的含量超出本发明限定的范围。
在对比例9的焊丝中，弧稳定性和焊缝形状差，因为MgO含量小于0.10％。
在对比例10的焊丝中，脱渣性差，力学和物理性能不满足标准，因为MnO含量小于1.5％。
在对比例11的焊丝中，整个焊接加工性差，例如，焊缝形状差，产生的飞溅数量增大，因为MgO和CaF2的含量分别超过1.5％和3.5％。
在对比例12的焊丝中，弧稳定性和脱渣性差，抗裂性差，因为Al2O3含量在本发明限定的范围之外。
在对比例13的焊丝中，渣流动性和脱渣性差。在力学和物理性能试验中，拉伸强度和屈服强度满足标准，但夏氏冲击性能不满足标准。这是因为ZrO2含量小于0.1％。
在对比例14的焊丝中，弧稳定性和渣流动性差，特别是，在向上垂直位置焊接中产生飞溅数量增大，力学和物理性能不满足标准，因为SiO2和ZrO2含量在本发明限定的范围之外。
在对比例15的焊丝中，脱渣性差，焊缝形状差。尽管力学和物理性能满足相应标准的上限，但抗裂性差。这是因为MnO和TiO2含量超出本发明限定的上限。
在对比例16的焊丝中，渣流动性差，焊缝形状差，力学和物理性能不满足标准，因为方程(1)中的碱度小于0.5。
在对比例17的焊丝中，整个焊接加工性差，抗裂性差，因为方程(1)中的碱度超过本发明限定的上限。
如上所述，根据本发明的碱性药芯焊丝，当优化熔剂的化学成分及其比例时，具有优异的抗裂性和低温韧性，并在所有焊接位置表现出“通过”的焊接加工性，保证焊接工作效率的提高。
传统碱性药芯焊丝使用混合气体(75～80％Ar+20～25％CO2)作为保护气；另一方面，本发明的碱性药芯焊丝甚至在100％CO2的保护气下表现出优异的可焊接性
与传统碱性药芯焊丝的焊接加工性相比，本发明的碱性药芯焊丝在所有焊接位置表现出优异的焊接加工性和焊接形状，例如向下、水平圆角和向上垂直焊接位置，而传统碱性药芯焊丝的焊接加工性比二氧化钛基熔剂药芯焊丝差。
尽管为了解释的目的描述了本发明优选的实施方式，但本领域技术人员应意识到，在不超出所附权利要求限定的本发明范围和精神的情况霞各种修改、增添和替换是可能的。

Claims (1)

1、一种碱性药芯焊丝，具有低碳钢或合金钢外皮，外皮中填充熔剂，其特征在于相对于焊丝的总重量所述熔剂主要包括：
0.3～3.0％Ti和Ti的氧化物(换算成TiO2的数值)；
1.0～2.5％Si和Si的氧化物(换算成SiO2的数值)；
0.1～1.5％Mg和Mg的氧化物(换算成MgO的数值)；
1.5～4.0％Mn和Mn的氧化物(换算成MnO的数值)；
0.2～1.5％Al和Al的氧化物(换算成Al2O3的数值)；
0.1～1.0％Zr和Zr的氧化物(换算成ZrO2的数值)；
0.2～3.5％CaF2；和
0.01～0.5％K2O，
附带条件是上述成分满足碱度(B)为0.5～4.5，其中碱度按方程(1)定义为B＝(CaF2+MgO+MnO+K2O)/(TiO2+SiO2+Al2O3+ZrO2)。
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