CN1775452A - 一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝，属于全位置焊接药芯焊丝，所述药芯中含有(占焊丝总重量％)：TiO2 4－6.5，Si 0.3－0.8，Mn 1.5－3.1，SiO2 0.1－0.8，ZrO2 0.1－0.5，Fe 2－7，Al+Mg 0.5－1.2，碱金属氧(氟)化物折合K、Na、Li的含量0.1－0.35，F(换算值)0.05－0.2。稀土金属的氟化物或氧化物0.005－0.2。全位置焊接工艺性能好，可在大电流、快速焊接的条件下保持良好的电弧稳定性和焊接操作性能，其焊缝平滑，连接强度高且焊缝金属具有良好的低温冲击韧性。

Description

一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝
所属技术领域
本发明涉及金属焊接用的焊接材料，具体地是指一种二氧化碳气体保护焊所用的碳钢药芯焊丝。
背景技术
二氧化碳气体保护药芯焊丝焊接兼容了焊条和二氧化碳气体保护实芯焊丝焊接的优点，其生产效率高，焊接工艺性能好，焊缝成分及操作性能可调。因此该焊接方式在船舶、桥梁等钢结构加工制造过程中得到了广泛的应用。正因为如此，目前对药芯焊丝的功能性要求也越来越高，要求药芯焊丝不仅可以适应更快的焊接速度，而且具有良好的电弧稳定性和焊接操作性能；(不仅可以进行平焊立焊等全位置焊接，还可以进行自动、半自动焊接)。中国专利公告号：CN1143750C，公告日：2004年3月31日，发明名称为《气体保护电弧焊用药芯焊丝》，提出了角焊及全位置焊接所用药芯焊丝的化学成份构成方案。可在较大电流的焊接条件下进行较高速的角焊或全位置焊接，具有较好的焊接操作性能，焊缝形状平滑。但该技术方案焊缝低温冲击韧性不稳定，-20℃低温冲击韧性以及全位置焊接的综合性能还有待改善。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电弧稳定性好、低温冲击韧性好、焊缝平滑及综合性能优良的二氧化碳气体保护焊用全位置碳钢药芯焊丝。
本发明的技术解决方案是：一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成(重量％)为碳钢外皮：80-90，药芯10-20，其特征在于：所述药芯的成份及含量(占焊丝总重量％)如下：TiO2 4-6.5，Si 0.3-0.8，Mn 1.5-3.1，SiO2 0.1-0.8，ZrO2 0.1-0.5，Fe 2-7，Al+Mg 0.5-1.2，碱金属氧(氟)化物折合K、Na、Li的含量0.1-0.35(其中K 0.04-0.07，Na或Li或两者之和为0.06-0.28)，氟化物F(换算值)0.05-0.2，稀土金属的氟化物或氧化物折合稀上金属0.005-0.2。
本发明所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和(占焊丝总重量％)为4.5-8。
本发明所述焊丝(碳钢外皮和药芯)中C的含量(占焊丝总重量％)为0.06-0.15。
本发明药芯化学成分设计思路如下：
TiO2是主要造渣剂，电弧稳定剂，改善焊缝的成型和脱渣，是全位置焊接不可缺少的材料。钛铁中的钛折合TiO2加入量少于4％时不能体现上述特性，大于7％时由于氧含量高，低温冲击韧性降低，渣层变厚，影响气体从熔池逸出易产生气孔。因此限定在4-6.5。
Si是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于0.3％时不能体现上述特性，大于0.8％时铁水变粘，焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.3％-0.8％。
Mn是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于1.5％时体现上述特性不足，大于3.1％时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在1.5％-3.1％。
SiO2是造渣剂，可调节熔渣熔点和粘度，改善焊缝成型，有利焊缝向母材圆滑过渡。加入量少于0.1不能体现上述特性，大于1％时由于氧含量高，低温冲击韧性降低，而且容易造成焊缝上的焊渣烧结，因此限定在0.1-0.8％。
ZrO2是全位置焊接不可缺少的材料，能有效地提高熔渣的熔点，使之良好的覆盖于焊缝，防止立焊铁水下坠，减少熔渣厚度，有利于焊缝气体的排除。加入量少于0.1％时不能体现上述特性，大于0.6％时焊缝金属强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.1％-0.5％。
Al、Mg是强脱氧剂，(其中含有铝和镁氧化物折合成Al和Mg计算)能提高低温冲击韧性，加入量少于0.3％时提高低温冲击韧性不足，大于1.3％时由于脱氧产物含有铝和镁氧化物使熔渣的熔点上升凝固速度加快不利于焊缝气体的排除和焊缝成型，立焊时焊道外凸，易产生气槽。因此限定在0.5％-1.2％。
Fe即铁粉及铁合金的铁，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度。加入量少于2％时体现上述特性不足，大于7％时立焊性能变差，烟尘变大。因此限定在2％-7％。
Na2O、K2O、Li2O是电弧稳定剂，折合其中的Na、Li或两者之和的含量占焊丝总重量的0.06％-0.28％。加入量少于0.06％时电弧稳定性不足，电弧过于集中，立焊熔池铁水外翻，电弧不稳定。加入量大于0.28％时电弧变长，烟尘和飞溅增大，立焊铁水下坠。折合其中的K含量占焊丝总重量的0.04％-0.07％。K含量在0.04％以下时电弧不稳定，立焊熔池铁水外翻，K含量在0.07％以上时，焊缝低温冲击韧性降低。
氟化物NaF、KF、LiF是电弧稳定剂，去氢剂，折合F含量占焊丝总重量的0.05％-0.2％。加入量少于0.05％时电弧稳定性不足，去氢能力不足，易产生焊缝气孔压坑。加入量大于0.2％时烟尘和飞溅增大。当以氟化物NaF、KF、LiF作为电弧稳定剂，去氢剂时，仍应保证焊丝中Na或Li或两者之和的含量占焊丝总重量的0.06％-0.28％，K的含量占焊丝总重量的0.04％-0.07％。
C包括钢制外皮中的C和药芯中的C，从降低飞溅和烟尘来看，C越低越好，希望在0.02％以下，但从保证焊缝金属力学性能和铁水流动性来看含量在0.06％-0.15％为好。大于0.15％时焊缝金属强度过高，低温冲击韧性降低，烟尘和飞溅增大。
氧化物TiO2+SiO2+ZrO2＝4.5％-8％，氧化物TiO2+SiO2+ZrO2小于4.5％时全位置焊接工艺不好。氧化物TiO2+SiO2+ZrO2大于8％时含氧量过高，低温冲击韧性降低，易产生焊缝气孔压坑。
稀土金属的氟化物或氧化物有固定氢、氮，提高低温冲击韧性的作用，折合稀土金属氟化物或氧化物含量占焊丝总重量的0.005％-0.2％。小于0.005％时对固定氢、氮的作用很小，大于0.2％时对熔渣的稀释过大造成电弧不稳飞溅增多，影响焊缝成型。稀土金属的氟化物或氧化物可以在市场上购得。
本发明的有益效果是：1，明确地限定了电弧稳定剂Na、K、Li及F的加入量，而且深入研究了K对电弧稳定性及低温冲击韧性的影响，限定了K的加入量，使其药芯焊丝既保证了良好地电弧稳定性，又具有较好的低温冲击韧性。焊缝的 -20℃低温冲击韧性大于60J，焊丝的综合性能好，全位置焊接性能优良。2，加入稀土金属的氧化物或氟化物，提高其固定氢、氮的效果，有效地提高了焊缝的低温冲击韧性。3，加入强脱氧剂Al、Mg，提高了焊缝的低温冲击韧性，有利于焊缝气体的排出和焊缝成型。4，控制氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的加入量，确保了药芯焊丝全位置焊接的工艺性能。从整体上控制焊丝中C的含量，保证了焊缝金属的力学性能；可在大电流、快速焊接的条件下保持良好的电弧稳定性和焊接操作性能，其焊缝平滑，连接强度高且焊缝金属具有良好的低温冲击韧性。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
药芯焊丝的钢制外皮采用低碳钢，其化学成分见表1。
表1：药芯焊丝钢制外皮的化学成分％
  C   Si   Mn   S   P
  0.04   0.04   0.3   0.012   0.015
药芯粉料的化学成份及原料构成见表2。
表2：药芯粉料的构成
  药芯成分   构成   含量(占焊丝％)
  TiO2   金红石 钛白粉 还原钛铁矿 钛铁   4-6.5
  Si   硅铁 硅铁合金   0.3-0.8
  Mn   锰铁 硅锰合金 金属锰   1.5-3.1
  SiO2   石英 钾、钠长石 锆英砂 锆石   0.1-0.8
  ZrO2   锆英砂 锆石   0.1-0.5
  Fe   铁粉 硅锰合金 锰铁 还原钛铁矿铝铁   2-7
  Al+Mg   铝铁 铝镁合金 镁粉   0.5-1.2
  碱金属氧化物   K(钾长石、钾)   0.04-0.07
  碱金属氧化物   Na或Li或两者和(钠长石纯碱钠水玻璃)   0.06-0.28
  碱金属氟化物   NaF KF LiF   F：0.05-0.2
  稀土金属   稀土金属的氟化物或氧化物   0.005-0.2
  C   钢制外皮中的C，铁粉 硅铁   0.06-0.15
在低碳钢带制成的外皮(宽14毫米，厚0.9毫米)内填充药芯粉料，填充率10％-20％，经过成型减径后得到直径1.2-1.6毫米的成品焊丝。
将药芯各成份含量改变后按不同直径，不同填充率制成焊丝进行试验。其药芯焊丝的直径，填充率及药芯各组份见表3。
表3：焊丝及药芯组份配比试验表
  序号   焊丝直径(毫米)   填充率(％)   填充药芯成分的含量(占焊丝总重量％)
  TiO2   Si   Mn   SiO2   ZrO2   Fe   Al+Mg   碱金属氧(氟)化物折合   氟化物折合F量   其他
  Na+Li   K
  D1   1.2   13.2   5.2   0.52   2.5   0.8   0.5   2   1.2   0.20   0.05   0.1   0.13
  D2   1.2   14.5   6   0.55   2.8   0.8   0.5   2.4   1   0.25   0.05   0.05   0.1
  D3   1.2   14.8   5.8   0.5   2.7   0.9   0.5   2.6   1.4   0.10   0.04   0.09   0.17
  D4   1.2   14.4   6.2   0.48   2.4   0.7   0.55   2.5   1.3   0.07   0.05   0.09   0.06
  D5   1.2   12.7   4.8   0.4   2.1   0.6   0.4   2.8   1.1   0.17   0.06   0.09   0.08
  D6   1.2   15   6.3   0.52   2.7   0.6   0.4   2.8   1   0.28   0.07   0.2   0.13
  D7   1.2   14.42   5.7   0.47   2.5   0.65   0.5   3.1   1.1   0.22   0.04   0.1   0.04
  D8   1.2   13.8   5.6   0.48   2.2   0.6   0.4   3.1   1.1   0.20   0.05   0.05   0.02
  D9   1.4   15.5   5.5   0.45   2   0.5   0.41   5   1.1   0.23   0.07   0.12   0.12
  D10   1.4   15.3   5.8   0.55   2.3   0.73   0.45   4   1   0.22   0.05   0.1   0.10
  D11   1.4   17.28   5.1   0.54   1.8   0.7   0.3   7   1.2   0.25   0.05   0.15   0.19
  D12   1.6   15.8   6   0.8   1.5   0.4   0.2   5   1.35   0.25   0.05   0.15   0.10
  D13   1.6   15.5   5.5   0.2   3.1   0.8   0.3   4.6   0.5   0.25   0.05   0.15   0.05
  D14   1.6   14.6   5.8   0.52   2.3   0.15   0.4   3.6   1.1   0.28   0.07   0.25   0.13
  D15   1.2   17   7   0.85   3.2   0.7   0.5   3.1   1.1   0.27   0.08   0.2   0
  D16   1.2   14.7   6   0.6   2.3   0.7   0.5   2.7   1.1   0.33   0.12   0.3   0.05
  D!7   1.2   14.5   6   0.5   2.3   1   0.5   2.7   1.3   0.03   0.05   0.03   0.09
  D!8   1.2   16   6   0.5   2.3   1.2   0.51   2.6   1.3   0.6   0.10   0.8   0.19
  D19   1.2   14.3   4.8   0.45   2.4   0.8   0.8   3   1.5   0.35   0.05   0.1   0.05
  D20   1.2   14.5   4   0.3   3.2   0.6   0.6   3.8   1.4   0.3   0.07   0.2   0.03
  D21   1.4   17   7.5   0.5   3   0.8   0.5   3   1.3   0.13   0.07   0.15   0.05
  D22   1.4   16   6.   0.8   3.3   0.8   0.5   3   1.3   0.1   0.04   0.1   0.06
  D23   1.4   14.2   3.2   0.9   3.1   0.8   0.6   4   1.2   0.06   0.04   0.2   0.1
  D24   1.4   16.8   6.8   0.7   3.2   0.7   0.6   3.2   1.2   0.15   0.05   0.1   0.1
  D25   1.4   13.45   5.12   0.5   3   0.7   0.6   1.8   1.4   0.12   0.05   0.06   0.1
  D26   1.4   14.8   5.45   0.5   2.9   0.8   0.65   3   1.1   0.13   0.07   0.03   0.17
    注：其他栏内含稀土金属氧化物或氟化物等
力学性能焊接试验，一般焊接条件：焊丝伸出长度20毫米，CO2气体流量20升/分。
1.熔敷金属焊接条件参见表4。
表4：熔敷金属力学性能测试焊接条件
  项目   焊接条件
  焊接电流   260-280A
  焊接电压   30-32V
  焊接层数   5层10道
  道间温度   150℃
  焊接速度   250毫米/分
  焊道宽度   2/3-4/5焊缝宽度
2.对接接头焊接条件参见表5。
表5：平对接横对接接头力学力学性能测试焊接条件
  项目   焊接条件
  焊接电流   260-280A
  焊接电压   30-32V
  焊接层数   4层6道
  道间温度   150℃
  焊接速度   250毫米/分
  焊接宽度   2/3-1焊缝宽度
3.立对接接头焊接条件参见表6。
表6：立对接接头力学力学性能测试焊接条件
  项目   焊接条件
  焊接电流   160-200A
  焊接电压   26-28V
  焊接层数   4层6道
  道间温度   150℃-250℃
  焊接速度   100-200毫米/分
  焊接宽度   2/3-1焊缝宽度
4.平角焊焊接条件参照表5，立角焊焊接条件参照表6。
抗裂性焊接试验
1.角焊缝抗裂性试验：
角焊缝试板尺寸12×150×500毫米，间隙3.5毫米。角焊缝试板材质AH32或AH36、DH32、DH36，角焊缝抗裂试验焊接条件参照表7：
表7：角焊缝抗裂试验焊接条件
  项目   焊接条件
  焊接电流   300A
  焊接电压   30-32V
  焊缝间隙   3.2-4毫米
  焊缝长度   450毫米
  焊接速度   320-400毫米/分
  焊角   6.5毫米
2.对接接头抗裂性试验：
对接接头试板尺寸25×150×300毫米，坡口30度，间隙6毫米，反面加衬垫。试板材质AH32或AH36、DH32、DH36，对接接头抗裂试验焊接条件参照表8：
表8：对接接头抗裂试验焊接条件
  项目   焊接条件
  焊接电流   220A
  焊接电压   26-28V
  焊缝间隙   6毫米
  焊缝长度   300毫米
  焊接方法   衬垫单面焊
  焊接速度   140-200毫米/分
  焊缝厚度   3-6毫米
3.斜Y试验参照GB4675.1，焊接条件同表8。
以上三项抗裂性试验均无裂纹。
试验焊丝性能的综合评价
焊丝综合评价：焊丝综合评价参见表9，其中，
焊丝低温冲击韧性表达方法：AKV-20℃达到80J以上为◎，达到60J-80J为○，达到47J-60J为△，47J以下为×。
焊丝力学性能测试表达方法：Rm N/mm2在520-590为◎，在590-630为○，在630-660或490-520为△，660以上或490以下为×。
焊接工艺性能和综合评价的表达方法：优良为◎，良好为○，及格为△，不及格为×，没有做为--。
经试验：序号D1-D14的焊丝脱渣及焊缝成型良好，无气孔气槽，力学性能良好，适应于全位置焊接。
D15焊丝中TiO2的含量过高，大于6.5％，渣量大、厚，易产生气孔；而且氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和大于8％，由于含氧量过高，低温冲击韧性降低。
D16焊丝中碱金属氧(氟)化物折合Na、K、Li的含量之和大于0.35％，电弧变长，烟尘和飞溅增大，立焊铁水下坠，立焊力学性能差，且K含量超过0.07％，低温冲击韧性降低。
D17焊丝中碱金属氟化物的含量小于0.05％，电弧稳定性不足，去氢能力不足，易产生焊缝气孔压坑。
D18焊丝中碱金属氟化物的含量大于0.2％，焊缝成型差，烟尘和飞溅增大，立焊铁水下坠。
D19焊丝中Al+Mg的含量大于1.2％，脱氧能力过强，产生焊渣烧结，脱渣不好，立焊铁水下坠。
D20焊丝中Mn的含量大于3.1％，焊缝强度过高，且K含量超过0.07％，低温冲击韧性降低。
D21焊丝中的Fe含量大于7％，且氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和大于8％，氧含量过高，低温冲击韧性降降低，渣层变厚，影响气体从熔池逸出，易产生气孔压坑。
D22、D24焊丝中Mn的含量大于3.1％，焊缝强度过高，全位置焊接工艺性能不好。
D23焊丝中的TiO2含量小于4％，渣量少薄，覆盖不好，焊缝成型不好，立焊工艺性能不好。
D25焊丝中的Al+Mg含量大于1.2％脱氧能力过强，焊缝成型不好。
D26焊丝中的ZrO2含量大于0.6％焊缝强度过高，K含量为0.07％，低温冲击韧性偏低
表9：焊丝综合评价
序号   低温冲击韧性AKV-20℃   力学性能RmN/mm2 焊接工艺性能 综合评价
  平   立   平   立   焊缝成型   脱渣   铁水下坠   气孔
  D1   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ◎   ○
  D2   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎
  D3   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  D4   ◎   ○   ◎   ○   ◎   ○   ○   ◎   ◎
  D5   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  D6   ○   ○   △   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  D7   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  D8   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎
  D9   ○   ○   △   ◎   ◎   ◎   ○   ○   ○
  D10   ◎   ◎   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   △   ○
  D11   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  D12   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  D13   ◎   ○   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  D14   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ○
  D15   ×   --   ×   --   ○   ◎   ◎   ◎   ×
  D16   ○   ×   ○   ×   ◎   ◎   ×   ◎   ×
  D17   ○   ○   ○   ○   ◎   ◎   ◎   ×   ×
  D18   ○   ○   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ×
  D19   ○   ○   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ○
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Claims (3)

1.一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成(重量％)为碳钢外皮：80-90，药芯10-20，其特征在于：所述药芯的成份及含量(占焊丝总重量％)如下：TiO2 4-6.5，Si 0.3-0.8，Mn 1.5-3.1，SiO2 0.1-0.8，ZrO2 0.1-0.5，Fe 2-7，Al+Mg 0.5-1.2，碱金属氧(氟)化物折合K、Na、Li的含量0.1-0.35(其中K 0.04-0.07，Na或Li或两者之和为0.06-0.28)，氟化物F(换算值)0.05-0.2，稀土金属的氟化物或氧化物折合稀土金属0.005-0.2。
2.根据权利要求1所述的一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中氧化物TiO2+SiO2+ZrO2的含量之和(占焊丝总重量％)为4.5-8。
3.根据权利要求1或2所述的一种气体保护焊用碳钢药芯焊丝，其特征在于：在焊丝(碳钢外皮和药芯)中C的含量(占焊丝总重量％)为0.06-0.15。
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