CN1966199B - 用于气体保护电弧焊的药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，该药芯焊丝对于需要10.5毫米以上的大的焊缝高度和7.5毫米以上的大的焊缝厚度的焊接，通过解决下部焊道的下塌以及上部焊道的咬边的问题，提高焊接效率，能在平焊以及水平角焊的位置上高效地进行焊接施工，即使在高电流下焊接，也不会发生熔融金属的下塌或上部母材的咬边。

Description

用于气体保护电弧焊的药芯焊丝

技术领域

本发明是关于一种用于气体保护电弧焊的药芯（flux）焊丝，更具体地，是关于这样一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，该药芯焊丝适用于主要使用低碳钢和高强度钢的铁支架、桥梁以及造船工业的焊接，尤其适用于在平焊和水平角焊专用的焊接中，能得到焊缝腰高10.5毫米以上、焊缝厚度（理论焊缝厚度）7.5毫米以上的焊接。

背景技术

在现代工业社会中，伴随着大型铁构造物制造的增加，需要在焊接中有大的焊缝腰高和焊缝厚度，对于焊接施工的高效化的要求也越来越高。为了满足这样的要求，特别是在平焊和水平角焊等中，在焊接设备上很多都引入了机器人焊接以及半自动化焊接等，在焊接材料上必须开发出能得到大的焊缝腰高和大的焊缝厚度的药芯焊丝。虽然开发使用了平焊和水平角焊专用的焊接材料，但是为了满足大型构造物的要求，必须开发出能得到具有大的焊缝腰高和大的焊缝厚度的焊道的焊接材料。

另外，在用以往的焊接材料进行平焊和水平角焊中，满足8毫米以上的大焊缝高度的焊道的焊接材料已被开发，可用于现场，但是对于需要10.5毫米以上的焊缝高度和7.5毫米以上的焊缝厚度的构造物，由于发生下部焊道的下塌现象以及上部焊道的咬边（under cut）现象，疲劳强度薄弱，为了补全疲劳强度的薄弱点，可以通过焊接2-3个焊层（pass）解决下塌现象和咬边现象，但是存在作业效率降低的缺点。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的是提供一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，该药芯焊丝对于需要10.5毫米以上的大的焊缝高度和7.5毫米以上的大的焊缝厚度的焊接，通过解决下部焊道的下塌问题以及上部焊道的咬边问题，提高焊接效率，能在平焊以及水平角焊的位置上高效地进行焊接施工。

此外，本发明另一目的是提供一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，该焊丝即使在高电流下焊接也不会发生熔融金属的下塌现象或上部母材的咬边现象。

本发明通过提供一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝来实现目的，其特征在于，该焊丝为在由低碳钢或合金钢制成的外皮中填充有焊药的用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，以焊丝的总重量为基准，该焊丝含有TiO₂(换算值)：2.00-6.00重量％、Al₂O₃(换算值)：0.20-1.50重量％、MgO(换算值)：0.50-2.00重量％、SiO₂(换算值)：1.50-3.50重量％、ZrO₂(换算值)：0.30-2.00重量％、MnO(换算值)：2.00-4.50重量％、K₂O(换算值)：0.03-0.25重量％、F(换算值)：0.05-0.30重量％，剩余部分由Fe以及其它成分构成。这里，所述各种氧化物成分表示将焊丝中含有的该元素成分以及该元素的氧化物成分换算成所述各种氧化物后的相加值。

附图说明

图1为本发明的实施例以及比较例中使用的、主要对铁支架、桥梁以及造船工业等构造物的角焊条件的概要示意图；

图2为在图1的角焊中用于表示焊道名称的角焊部位的纵剖面图；

图3为在图1的角焊中作为主要缺陷中的一种的咬边缺陷的纵剖面图；

图4为在图1的角焊中作为主要缺陷中的一种的焊瘤缺陷的纵剖面图。

附图标记说明

1焊枪；α为42±2°；L1为1-2毫米；L2上部焊缝腰高；L3下部焊缝腰高；L4理论焊缝厚度；L5实际焊缝厚度。

具体实施方式

下面通过适当的实施例来详细地说明本发明。

为了调节熔融金属的流度和焊渣的凝固点、凝固速度以及粘性，对于与熔融金属凝固时焊渣的形成、焊渣的凝固点以及焊道形状相关的低熔点氧化物和调节焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道形状的高熔点氧化物的两个侧面进行讨论，结果如下。

第一、与焊渣的形成、焊渣的凝固点以及焊道形状相关的成分，可列举Ti以及Ti氧化物、Al以及Al氧化物、Si以及Si氧化物等。

上述Ti、Al以及Si等在焊接时起脱氧作用，Ti氧化物、Al氧化物以及Si氧化物等作为焊渣形成剂被添加，最终形成TiO₂、Al₂O₃、SiO₂等氧化物。这些TiO₂、Al₂O₃、SiO₂等氧化物为低熔点氧化物，与熔融金属凝固时焊渣的形成、焊渣的凝固点以及焊道形状相关。

第二、调节焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道形状的成分，可列举Mg以及Mg氧化物、Zr以及Zr氧化物等。

上述Mg、Zr等在焊接时起脱氧作用，Mg氧化物、Zr氧化物等作为焊渣形成剂被添加，最终形成MgO、ZrO₂等氧化物。这些MgO、ZrO₂等氧化物为高熔点氧化物，作为调节焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道形状的主要因子发挥作用。

因此，本发明中用MgO、ZrO₂等高熔点氧化物来调节焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道形状，使上部焊道的咬边和下部焊道的下塌现象不再发生；另外，用TiO₂、Al₂O₃、SiO₂等低熔点氧化物来调节焊渣的形成、焊渣的凝固点以及焊道形状，使上部焊道的咬边和下部焊道的下塌现象不再发生。

如上所述，若仅有与焊渣的形成、焊渣的凝固点以及焊道形状相关的低熔点氧化物或调节焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道形状的高熔点氧化物中的任何一种，就无法得到在高电流下没有上部焊道的咬边和下部焊道的下塌现象的大焊缝高度、大焊缝厚度的焊接金属。只有这两个因子适当地组合在一起的情况下，才能解决本发明的问题。

另外，通过调整K₂O、F等电弧稳定剂以及能调整电弧焊接力的成分，能调整上部焊道的咬边现象的发生。尤其是能确保电弧稳定性，减少飞溅的产生量，提高焊接作业效率。

如上所述，本发明通过调整高熔点氧化物MgO、ZrO₂和低熔点氧化物TiO₂、Al₂O₃、SiO₂的组成比例，能防止焊渣流下，另外还能使焊道不下塌，因此，将表示低熔点氧化物和高熔点氧化物的关系的数学式1的值调整在1.80-6.50的范围内，即可完成本发明。

数学式1

$1.80\≤\frac{{\mathrm{TiO}}_2+{\mathrm{Al}}_2{O}_3+{\mathrm{SiO}}_2}{\mathrm{MgO}+{\mathrm{ZrO}}_2}\≤6.50$

下面说明本发明中的各成分的作用以及适当的含量。

TiO ₂ ：2.00-6.00重量%

TiO₂一般用作焊渣形成剂和电弧稳定剂。TiO₂的含量不足2.00重量％时，焊渣覆盖性不足，焊道的外观形状以及电弧稳定性不好。TiO₂的含量超过6.00重量％时，焊渣的含量就会增多，成为发生焊接缺陷的原因，且低熔点焊渣的含量也会增加，成为焊道下塌的原因。因此，TiO₂的含量优选为2.00-6.00重量%。

另外，对供给TiO₂的原料没有限定，可举出金红石（Rutile，TiO₂）以及钛铁矿（Ilmenite，FeTiO₃）等。

Al ₂ O ₃ ：0.20-1.50重量％

Al₂O₃起降低焊渣覆盖性、剥离性以及飞溅的产生量的作用。Al₂O₃的含量不足0.20重量％时，飞溅的产生量增多，Al₂O₃不起作用。Al₂O₃的含量超过1.50重量％时，焊道的形状不好，剥离性差。因此，Al₂O₃的含量优选为0.20-1.50重量％。

另外，对供给Al₂O₃的原料没有限定，可举出氧化铝（Aluminum oxide，Al₂O₃）等。

MgO：0.50-2.00重量％

MgO是高熔点氧化物，对焊渣的凝固速度以及粘性有影响，对咬边以及焊道的下塌有影响，能调整焊道的形状。MgO的含量不足0.50重量％时，焊道的形状下塌，产生焊瘤。MgO的含量超过2.00重量％时，焊渣的粘性增强，焊渣的剥离性差，上部焊缝腰高发生咬边，焊道形状变差。因此，MgO的含量优选为0.50-2.00重量％。

另外，对供给MgO的原料没有限定，可举出镁熔块（Magnesia clinker，MgO）、菱镁矿（Magnesite，MgCO₃）等。

SiO ₂ ：1.50-3.50重量％

SiO₂是焊渣形成剂以及电弧稳定剂，它是降低焊渣的凝固点和粘性、调整焊道形状的成分。SiO₂的含量不足1.50重量％时，电弧不稳定，飞溅的产生量增加，焊渣的覆盖性不均一，焊道的形状不好。SiO₂的含量超过3.50重量％时，低熔点的焊渣增多，下部焊缝腰高产生焊瘤。因此，SiO₂的含量优选为1.50-3.50重量％。

另外，对供给SiO₂的原料没有限定，可举出石英（Quartz，SiO₂）、硅藻土（Diatomaceous earth，SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃）、正长石（Orthoclase，K₂O-Al₂O₃-6SiO₂）等。

ZrO ₂ ：0.30-2.00重量％

ZrO₂和MgO一样，是影响焊渣的凝固速度以及粘性、影响咬边以及焊道的下塌、以及能调整焊道的形状的成分。ZrO₂的含量不足0.30重量％时，没有改善焊道形状的效果。ZrO₂的含量超过2.00重量％时，焊渣的粘性增强，焊渣的剥离性差，上部焊缝腰高发生咬边，焊道的形状变差。因此，ZrO₂的含量优选为0.30-2.00重量％。

另外，对供给ZrO₂的原料没有限定，可举出锆石沙（Zircon-Sand，ZrSiO₄）、氧化锆（Zirconia，ZrO₂）等。

MnO：2.00-4.50重量％

MnO用作脱氧剂的同时，还能增强焊接金属的抗拉强度以及韧性。MnO的含量不足2.00重量％时，由于脱氧不充分，焊接部容易发生气孔等的焊接缺陷，抗拉强度和韧性变差。MnO的含量超过4.50重量％时，由于焊接金属的抗拉强度增大，容易发生热裂纹。因此，MnO的含量优选为2.00-4.50重量％。

另外，对供给MnO的原料没有限定，可举出金属镁粉末（MetalManganese Powder）、铁锰合金（Ferro-Manganese）、或者Fe-Si-Mn等。

K ₂ O：0.03-0.25重量％

K₂O是电弧稳定剂和影响电弧焊接力的成分。K₂O的含量不足0.03重量％时，电弧不稳定，飞溅的产生量增多。K₂O的含量超过0.25重量％时，电弧焊接力增强，上部焊道发生咬边，飞溅产生量也增多。因此，K₂O的含量优选为0.03-0.25重量％。

另外，对供给K₂O的原料没有限定，可举出正长石（Orthoclase，K₂O-Al₂O₃-6SiO₂）、钛酸钾（Potassium titanate，K₂TiO₃）等。

F：0.05-0.30重量％

F是碱性氟化物，它能提高电弧稳定性，并降低飞溅的产生，提高焊接作业性。氟化物的含量不足0.05重量％时，电弧不稳定，飞溅的产生增多。氟化物的含量超过0.30重量％时，电弧的集中性相对过大，诱发上部焊道的咬边，导致飞溅产生增多。因此，F的含量优选0.05-0.30重量％。

另外，对供给F的原料没有限定，可举出NaF、CaF₂、MgF₂、BaF₃、AlF₃、KF、LiF等。

上述成分中，若高熔点氧化物增加，焊渣的凝固速度以及粘性增加，熔融金属不会流下，但是上部焊道会发生咬边；若低熔点氧化物增加，焊渣的凝固速度相对减慢，焊道发生下塌，从而诱发焊瘤。从上述情况考虑，在能控制焊渣的凝固速度、焊渣的粘性以及焊道的形状的上述成分中，导出作为高熔点氧化物的MgO、ZrO₂和作为低熔点氧化物的TiO₂、Al₂O₃、SiO₂之间的关系，如下述数学式1所示，该数学式1的值控制在1.80-6.50的范围内。

数学式1

$1.80\≤\frac{{\mathrm{TiO}}_2+{\mathrm{Al}}_2{O}_3+{\mathrm{SiO}}_2}{\mathrm{MgO}+{\mathrm{ZrO}}_2}\≤6.50$

上述数学式的值不足1.80时，上部焊道发生咬边，超过6.50时，无法成为等焊缝腰高的焊道形状，就会产生焊道的下塌，由此产生焊瘤。因此，数学式1的值在1.80-6.50的范围内最适当。

另外，在外皮或焊药中也可以添加Si、Mn等的合金元素。此外，为了提高焊接部的耐腐蚀性、高温强度、耐冲击性以及耐高温腐蚀性等，也可以添加上述之外的合金成分（Cr，Cu，Ni，Ti，Mo，V，Nb等）。

另外，对焊丝表面的状态以及断面的焊药填充形状没有任何限定。为了使焊丝表面的导电性良好、防止生锈，也可以镀铜或形成氧化保护膜，对表面处理没有限定。还有，焊丝的断面可以是圆形的，但对此并没有限定。

下面通过下述实施例对本发明作更详细的说明。但是，本发明不限于此。

实施例

实施例1：用于气体保护电弧焊的焊丝的制备

冷轧钢（KS D3512）的外皮中填充焊药，以焊丝的总重量为基准，焊药的含量为12-18重量％，制备焊丝的直径为1.6毫米的药芯焊丝。上述焊丝的组成成分如下表1所示。

这样制备的药芯焊丝按照下述表2以及图1所示的焊接条件进行焊接，对焊缝腰高、焊缝厚度、焊道焊瘤、咬边、电弧稳定性、焊渣剥离性、焊渣覆盖性、以及飞溅的产生量进行评价。结果如下述表3所示。

表1                                     (单位：重量％)

*T-Fe：金属外皮中的Fe和焊药中的Fe的合计

**其它成分：C、Na₂O、CaO等微量元素以及杂质

表2  使用焊接条件的一例

表3

*作业性的评价基准－优秀：◎、良好：○、普通：△、差：×

从上述表1以及表3可以看出，比较例17中TiO₂的含量超出了上限值，产生焊瘤，飞溅的产生量也较多。比较例18中SiO₂的含量超出了上限值，由于焊渣流下，焊道产生焊瘤，焊渣剥离性不好。

比较例19与比较例17相同，TiO₂的含量超出了上限值，产生焊瘤，飞溅的产生量也较多。比较例20中不但MgO的含量超出了上限值，而且F的含量超出了下限值，上部焊缝腰高发生咬边，焊接焊道的形状不好，焊渣剥离性差以及焊接作业中电弧稳定性不好。

比较例21中，由于数学式1的值超出了合适的上限值，低熔点氧化物多，高熔点氧化物少，焊道产生焊瘤，焊渣剥离性差。比较例22中，SiO₂的含量超出了下限值，电弧稳定性不好，飞溅产生量多。

比较例23中，F的含量超出了下限值，数学式1的值也超出了合适的下限值，电弧稳定性不好，高熔点氧化物多，低熔点氧化物少，上部焊缝腰高发生咬边，焊渣剥离性不好。比较例24中，TiO₂的含量超出下限值的同时，Al₂O₃的含量超出了上限值，上部焊缝腰高发生咬边，焊渣剥离性不好。还有，总体的焊渣形成剂不足，焊渣覆盖性不好。

比较例25中，Al₂O₃的含量超出了下限值，焊接作业性中飞溅产生量多。比较例26中，ZrO₂的含量超出了下限值，上部焊缝腰高发生咬边，焊接焊道不好。比较例27中，MnO以及K₂O的含量均超出下限值，焊接作业性中电弧稳定性不好，飞溅产生量多，由于MnO的影响，抗拉强度降低，韧性不符合规定值。

比较例28中，K₂O的含量超出了上限值，焊接作业性中飞溅的产生量多。比较例29中，MnO以及ZrO₂的含量均超出了上限值，上部焊缝腰高发生咬边，焊道形状不好。

比较例30中，MnO的含量超出了上限值的同时，MgO的含量超出了下限值，焊道产生焊瘤，焊道的形状不好。比较例31中，ZrO₂以及F的含量都超出了上限值，上部焊缝腰高发生咬边，焊渣剥离性不好，焊接作业性中飞溅的产生量多。

与此相反，本发明的实施例1-16不仅未发生熔融金属以及焊渣的下塌，而且焊渣的剥离性也很好，焊道的形状中焊缝腰高在10.5毫米以上，焊缝厚度在7.5毫米以上，电弧稳定性好，飞溅的产生量少，焊接作业性也很好。

如上所述，按照本发明，根据平焊以及水平角焊位置能高效地进行焊接施工，即使在高电流下进行焊接，也能解决熔融金属的焊道下塌以及上部焊道的咬边、焊道的形状不好等问题，而且能得到大的焊缝腰高和大的焊缝厚度。

Claims (1)

1.一种用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，其特征在于，该焊丝为在由低碳钢或合金钢制成的外皮中填充有焊药的用于气体保护电弧焊的药芯焊丝，以焊丝的总重量为基准，以换算值计，该焊丝含有TiO₂：2.00-6.00重量％、Al₂O₃：0.20-1.50重量％、MgO：0.50-2.00重量％、SiO₂：1.50-3.50重量％、ZrO₂：0.30-2.00重量％、MnO：2.00-4.50重量％、K₂O：0.03-0.25重量％、F：0.05-0.30重量％，剩余部分由Fe以及其它成分构成；并且，TiO₂、Al₂O₃、SiO₂、MgO、ZrO₂的含量满足下述数学式，

数学式1：

$1.80\≤\frac{{\mathrm{TiO}}_2+{\mathrm{Al}}_2{O}_3+{\mathrm{SiO}}_2}{\mathrm{MgO}+{\mathrm{ZrO}}_2}\≤6.50.$

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