CN102091884B - 能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成，药芯按照重量百分比包括金属镍粉50％～65％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅粉1％～3％，余量为铁粉，还可添加金属钛粉4％～7％，金属铌粉2％～5％；钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。本发明选用低相变点药芯焊丝熔修技术改善焊接接头焊趾处的疲劳性能，通过在焊趾处产生压缩应力，提高焊缝的疲劳性能，延长疲劳寿命，与传统的TIG熔修对操作人员的高水平技术要求和局部机械加工法的巨大工作量相比，对操作人员的技术水平要求降低，同时避免焊后加工的附加工序，提高生产效率。

Description

能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种药芯焊丝，具体地说，是涉及对不锈钢焊接接头焊趾疲劳性能进行改善的药芯焊丝。

背景技术

相比于其它连接技术，焊接技术在工程生产中应用最为广泛，焊接结构随焊接技术的发展而产生，从20世纪20年代开始得到了越来越广泛的应用。据统计，我国焊接结构用钢占钢产量的50％左右，在工业发达国家这一比例更高。然而焊接结构经常发生断裂事故，大量统计资料表明，工程结构失效有80％以上是由疲劳引起的，对于承受循环载荷的焊接构件有90％以上的失效是由于疲劳破坏。因此，规范规定设计承载交变载荷焊接结构时，以焊接接头的疲劳性能作为整体结构的疲劳性能，而不是母材的疲劳性能。应力集中和焊后残余拉伸应力对焊接接头的疲劳强度有较大的影响，造成整体结构的过早失效。因此消除焊接接头应力集中，改善焊后应力状态，可提高焊接接头疲劳强度，具有极大的经济和社会效益。

焊趾部位是焊接接头的薄弱环节，因为焊趾处既存在几何形状突变产生的应力集中，也会由于焊接过程中热收缩作用产生较大的残余拉伸应力，致使很多承载疲劳载荷的不锈钢结构件在未达到标准寿命时，焊趾处出现疲劳裂纹而失效。不锈钢普遍应用于耐酸抗腐的重要结构中，一旦发生过早失效，会造成重大的损失。

目前工程中应用最为广泛的改善焊趾性能的方法是TIG熔修法和局部机械加工法，这两种方法都有一定的局限性。TIG熔修的作用是改善焊趾处的过渡半径，消除应力集中，但要求操作工有一定的操作水平，操作工的水平差异对性能的改善程度有明显影响；并且这种方法依靠熔池液态金属的流动和铺展来改善焊趾部位的过渡半径，因此只适合于平焊和平角焊位置的焊缝，对仰焊、立焊和横焊等位置无法实施操作。局部机械加工法使焊缝表面应力集中大大减少，但这种机械加工的成本很高，需要很大的工作量，同时也延长了工时，增加了生产成本。因此，针对不锈钢焊接接头焊趾处的力学性能，需要更加有效和经济的改善方法。

中国专利号为ZL01130810.9的“用于提高焊接接头疲劳强度的焊条”以及中国专利号为ZL200510013182.7的“提高焊接接头疲劳性能的药芯焊丝”可用于低碳、低合金钢焊接接头疲劳强度的提高，其机理是使用所发明焊接材料改善焊接接头的应力状态，在焊缝处产生压缩应力。但对于不锈钢的单层焊接，特别是针对焊趾处的熔修处理，考虑到母材合金元素的过渡对焊缝合金成分的影响，上述发明不具有适用性。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中改善焊接接头焊趾处应力状态的焊接材料不适用于不锈钢母材的技术问题，提供一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，扩大低相变焊接材料的应用范围，使得低相变焊接材料可用于对不锈钢焊接接头焊趾处进行应力状态的改善，从而提高不锈钢焊接接头焊趾处的疲劳性能。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成，所述药芯按照重量百分比包括下列组分：金属镍粉50％～65％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅粉1％～3％，余量为铁粉；所述钢带采用碳素钢钢材。

所述药芯按照重量百分比由下列组分组成：金属镍粉50％～65％％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅1％～3％，金属钛粉4％～7％，金属铌粉2％～5％，余量为铁粉。

所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。

本发明的有益效果是：

与传统的TIG熔修对操作人员的高水平技术要求和局部机械加工法的巨大工作量相比，本发明选用低相变点药芯焊丝熔修技术改善焊接接头焊趾处的疲劳性能，对操作人员的技术水平要求降低，同时避免焊后加工的附加工序，提高生产效率。使用本发明的低相变点药芯焊丝对不锈钢焊趾进行熔修，一方面可以保持与TIG熔修相类似的效果，改善焊缝焊趾处的过渡，增大过渡半径降低应力集中，另一方面还可以在焊趾处产生压缩应力，压缩应力的产生可以提高焊缝的疲劳性能，起到延长疲劳寿命的作用。

附图说明

图1是本发明的药芯焊丝和普通药芯焊丝焊缝金属的冷却膨胀曲线对比图；

图2是本发明药芯焊丝的横截面示意图。

图中：1：药芯，2：钢带。

具体实施方式

钢铁材料从高温到室温的冷却过程中，会发生体积的热收缩。同时伴有一系列的组织转变，此组织相变伴随有体积膨胀。室温下的焊接残余应力由焊接热收缩应力和相变应力共同决定的，对于低碳钢、中碳钢和低合金元素材料，组织转变在较高的温度下进行，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会改变焊接残余应力。对于高合金材料，比如奥氏体不锈钢，由于材料从高温到低温的冷却过程中并不发生相变，所以通常选用与奥氏体不锈钢相匹配的焊接材料进行焊接时，焊接的残余应力主要由焊接热收缩决定，最终焊缝表面得到残余拉伸应力。但对于一定合金成分的钢铁材料，组织转变开始和结束均在较低温度，此时材料处于弹塑性或弹性状态，因此相变体积膨胀，可减少残余拉伸应力，以致出现对焊缝性能有益的残余压缩应力。

本发明和普通药芯焊丝的焊缝金属冷却曲线如图1所示。虚线是普通药芯焊丝熔敷金属的冷却膨胀曲线，从图1虚线可以看出，普通低碳钢药芯焊丝相变温度较高，普通不锈钢药芯焊丝未发生相变，最终焊缝表面得到的都是残余拉伸应力。实线为能够使能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的低相变点药芯焊丝。从图1中的实线可以看出，在相变开始温度Ms点，曲线出现转折点，此时奥氏体开始向马氏体转变，奥氏体量逐渐减少，马氏体量逐渐增大，随着温度继续降低，马氏体相变所产生的膨胀应变越加明显。当相变转变结束温度在室温附近时，焊缝金属不再发生热收缩，从而使得焊缝金属获得残余压应力。

依据以上原理分析和相关实验的基础上，研究出适合不锈钢使用的改善焊趾应力状态的药芯焊丝。如图2所示，药芯焊丝的药芯1采用多种元素合金化，通过药芯过渡合金元素，以Cr-Ni-Mn-Si合金系作为药芯焊丝的基础合金***，以Ti、Nb等合金元素的添加改善焊缝金属的力学性能。药芯焊丝的钢带2最好采用SPCC冷轧低碳钢优质钢材，尺寸在厚0.8～1.2mm，宽12～15mm的范围内。药芯1和钢带2均要控制碳含量，以保证焊缝中得到低碳板条马氏体组织，焊丝直径为1.2～2.0mm，用于填丝的非熔化极TIG焊接方法。

下述各实施例药芯焊丝使用通用的药芯焊丝制造方法在药芯焊丝制造装置上制造而成，直径均为

钢带2均采用SPCC冷轧低碳钢钢材，其主要成分含量为C0.05％，Si0.01％，Mn0.25％，S、P含量在0.025％以下；钢带2尺寸选用厚1mm，宽14mm。

实施例采用的研究方法是在304L不锈钢材料表面焊接一层本发明药芯焊丝，用得到的焊缝模拟本发明药芯焊丝在304L不锈钢焊缝焊趾处熔修所得到的熔修焊缝，并对其成分和残余应力进行测量。焊接时选择填丝的非熔化极TIG焊接方法，并选用直流正接的电源极性接法。

304L不锈钢母材主要成分范围(％)见下表1：

表1

C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo
								0.032	0.351	1.58	0.0016	0.040	18.26	8.20	0.108

实施例1

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见下表2

表2

金属锰粉	稀土硅粉	金属镍粉	金属钼粉	铁粉
					3	2	57.5	5	32.5

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.11％。

实施例1按不同焊接电流大小所得焊缝金属主要成分范围(％)见下表3

表3

根据原理，要保证焊缝金属各个合金元素的含量，才能使不锈钢焊接接头焊趾处获得表面压缩应力。由于母材是不锈钢，本身含有大量合金元素，而焊丝是在不锈钢材料上焊接一层，因此必须考虑不锈钢母材向焊缝金属的合金过渡问题，从而要严格控制熔合比，调整热输入量。由表3可知，焊接电流不同，即焊接时热输入量不同，对熔合比及最终焊缝金属成分有较大影响，电流的过大或过小都可能达不到在焊缝表面产生压缩应力的效果。

因此，最终选取焊接电流为85A方案进行焊后残余应力的测试，使用iXRD-便携式残余应力测量仪进行测量，在焊缝中心区域表面选取两点对纵向残余应力进行测量，再选取两点对横向残余应力进行测量，结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-190±35MPa

                  第二点  应力σx＝-270±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-45±35MPa

                  第二点  应力σy＝-330±35MPa

以下实施例2至实施例6均选取焊接电流为85A方案进行焊后残余应力的测试，使用iXRD-便携式残余应力测量仪进行测量，在焊缝中心区域表面选取两点对纵向残余应力进行测量，再选取两点对横向残余应力进行测量。

实施例2

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见下表4

表4

金属锰粉	稀土硅粉	金属镍粉	金属钼粉	铁粉
					2	1	50	4	43

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.13％。

应力测量结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-70±35MPa

                  第二点  应力σx＝-110±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-40±35MPa

                  第二点  应力σy＝-100±35MPa

实施例3

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见下表5

表5

金属锰粉	稀土硅粉	金属镍粉	金属钼粉	铁粉
					5	3	65	6	21

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.08％。

应力测量结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-150±35MPa

                  第二点  应力σx＝-100±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-175±35MPa

                  第二点  应力σy＝-70±35MPa

实施例4

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见表6

表6

金属锰粉	稀土硅粉	金属镍粉	金属钼粉	金属钛粉	金属铌粉	铁粉
							2	1	50	4	4	2	37

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.18％。

应力测量结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-85±35MPa

                  第二点  应力σx＝-130±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-50±35MPa

                  第二点  应力σy＝-190±35MPa

实施例5

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见表7

表7

金属锰粉

稀土硅粉

金属镍粉

金属钼粉

金属钛粉

金属铌粉

铁粉

4

2

60

5

5

4

20

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.03％。

应力测量结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-250±35MPa

                  第二点  应力σx＝-280±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-160±35MPa

                  第二点  应力σy＝-290±35MPa

实施例6

实施例药芯组分及重量百分比含量(％)以及钢带尺寸见表8

表8

金属锰粉	稀土硅粉	金属镍粉	金属钼粉	金属钛粉	金属铌粉	铁粉
							5	3	65	6	7	5	9

按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16.05％。

应力测量结果表明焊缝表面存在压缩应力，其结果如下：

两个纵向残余应力：第一点  应力σx＝-130±35MPa

                  第二点  应力σx＝-95±35MPa

两个横向残余应力：第一点  应力σy＝-70±35MPa

                  第二点  应力σy＝-90±35MPa

综上所述，本发明药芯焊丝的各实施例，焊缝中心表面处都产生了对焊缝疲劳性能有益的残余压缩应力。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成，其特征在于，所述药芯按照重量百分比包括下列组分：金属镍粉50％～65％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅粉1％～3％，余量为铁粉；所述钢带采用碳素钢钢材。

2.一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成，其特征在于，所述药芯按照重量百分比由下列组分组成：金属镍粉50％～65％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅1％～3％，金属钛粉4％～7％，金属铌粉2％～5％，余量为铁粉；所述钢带采用碳素钢钢材。

3.根据权利要求1所述的一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，其特征在于，所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。

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