CN102554519A

CN102554519A - 适合大线能量强迫成型的药芯焊丝及其制备和使用方法

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Publication number: CN102554519A
Application number: CN2011104183879A
Authority: CN
Inventors: 阿荣; 潘川; 王彩芹
Original assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及金属焊接材料领域，特别涉及一种适合大线能量强迫成型的高效药芯焊丝及其制备和使用方法。该药芯焊丝包括外包钢带和填充焊剂两部分，填充焊剂的组分按质量百分比为C：0.03～0.06，Si：0.25～0.70，Mn：1.3～2.0，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.1，B：0.003～0.01，Mg：0.01～1.1，Al：≤0.1，造渣剂5～10，其余为Fe和不可避免的杂质；药芯焊丝内填充焊剂量占焊丝总质量的15～25％。该药芯焊丝适应性强，可采用的焊接工艺范围广，成分可调整以及熔化速度快；焊接过程平稳、烟尘量较少、脱渣性和流动性良好，气孔产生较少；合理的铁粉添加提高了焊接熔敷效率，保证了焊缝的低温韧性并获得优异的综合力学性能。

Description

适合大线能量强迫成型的药芯焊丝及其制备和使用方法

技术领域

本发明所涉及领域为金属焊接材料，特别涉及一种适合大线能量强迫成型、焊接线能量输入大于100kJ/cm的高效药芯焊丝。

背景技术

随着大型储罐、集装箱、海洋平台、桥梁等的建造需求不断提高，大厚板的应用及大线能量焊接方法(单道焊接热输入超过50kJ/cm)的应用也逐渐扩大，有些单道焊热输入甚至高达500kJ/cm～600kJ/cm。以焊接20mm厚钢板为例，其热输入约为100kJ/cm，热影响区温度范围约在1350℃～1450℃之间，此时t8/5可达到161s；当板厚增加到约55mm～65mm时，输入热为500kJ/cm～600kJ/cm，t8/5可达400s以上。焊接线能量的增加和冷却时间的延长导致有益合金元素烧损严重，在焊缝热影响区，尤其是粗晶区(Coarse Grain Heat Affected Zone)，常常由于脆硬的第二相(M-A/M-A-C等)生成而脆化，致使接头韧性下降，严重威胁结构安全。结构的焊接接头强韧性受母材钢板和焊接填充材料两方面的影响。母材方面主要通过氧化物冶金的方式来提高近逢区的性能。氧化物冶金由日本人在1990年代首先提出的，其是在炼钢过程中，控制液钢中夹杂物的大小、形态、数量和分布，使其成为诱导晶内铁素体形核的异质核心，在轧制或其它热加工过程中起到有效抑制晶粒长大，细化晶粒的作用。即使不经过热加工过程，很多奥氏体内的氧化物也能起到晶内铁素体形核质点的作用，达到细化晶粒的效果。在退火或其它快速冷却的情况下，钢中MnS或其它析出相会成为渗碳体的形核质点，减少钢中网状渗碳体，提高钢的延展性。比起采用TiN和TiO粒子来细化组织，提高强韧性，氧化物冶金有其明显优势。首先各种氧化物、硫化物的熔点要比氮化物高。热影响区粗晶区属母材，在焊接热循环过程中温度可高达1400℃以上，多数氮化物熔解，不仅不能抑制奥氏体长大，而且会释放出大量的自由氮，造成韧性下降。而氧化物如Ti2O3高温稳定性好，其内具有大量的阳离子空位，由于Mn+3和Ti+3具有相同的半径，因此很容易被吸引，引起局部的贫锰区(MDZs)产生，化学驱动力增加，促进针状铁素体的形成，从而改善粗晶区的韧性。应用氧化物冶金技术日本生产出YP460以上的钢板(厚度大于50mm)，经气电立向上焊接，粗晶区-20℃冲击功可达100J以上，说明其具有良好的强韧性。氧化物冶金钢的使用可大大提高粗晶区的韧性，保证接头最脆弱区域的性能，大大提升了结构的安全性和使用性。气电立焊过程要求单道一次强迫成型完成连接，因此对焊接材料的要求也较高。由于气电立焊采用较大的电流电压进行焊接，因此输入热较普通手工电弧焊、半自动焊及自动焊等大，要求焊接材料不仅具有耐高温性能，还要有阻止高温组织长大的能力。合金设计中一个很重要的部分就是微合金化。合理的微合金化可使焊缝内获得的贝氏体数量减少，针状铁素体量增加，从而减少脆硬组织的影响，提高焊缝性能。目前气电立焊材料主要为药芯焊丝，其主要优点是适应性强，可采用的焊接工艺范围广，成分可调整以及熔化速度快等。气电立焊药芯焊丝工艺性能对焊接质量的影响也较大，要求焊接过程平稳、烟尘量较少、脱渣性和流动性良好以及避免气孔产生等，因此对造渣剂也有一定的要求。通常造渣剂包括一定量的氟化物，具有造渣、稳弧及降低渣熔点的作用，因此可以降低飞溅，提高焊接稳定性。合金反应中产生的二氧化钛和二氧化硅等具有键能小的特点，可降低渣的表面张力，细化熔滴，使渣易于排出。此外一定比例的铁粉添加可提高药芯焊丝的熔敷效率，提升焊接质量。

随着国内焊接材料技术和生产力的提高，以往气电立焊产品主要依靠国外进口的局面得到了缓解，但国内产品的质量及工艺性能还有进一步提升的空间。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种适合大线能量强迫成型的高效药芯焊丝。

本发明的进一步目的是提供上述高效药芯焊丝的制备和使用方法。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种适合大线能量强迫成型的高效药芯焊丝，它包括外包钢带和填充焊剂两部分，其特征在于：所述填充焊剂的各组分占药芯焊丝总质量的百分比为：C：0.03～0.06，Si：0.25～0.70，Mn：1.3～2.0，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.1，B：0.003～0.01，Mg：0.01～1.1，Al：≤0.1，造渣剂5～10，其余为Fe和不可避免的杂质；药芯焊丝内填充焊剂量占焊丝总质量的15～25％。

焊后焊缝各组分占总质量的百分比为：C：0.04～0.08，Si：0.25～0.60，Mn：1.0～1.6，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.06，B：0.002～0.007，Mg：0.001～0.5，Al：≤0.06，Cu：≤0.1，S：≤0.025，P：≤0.025，N：≤0.008，O：≤0.06，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述造渣剂各组分占填充焊剂的质量百分比为：氟化钾、氟化钠、氟化锂中的至少一种：1.5～8，萤石：1.2～8，金红石：1％～4％。

所述外包钢带选用C含量不超过0.07％及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带。

制备填充焊剂的方法包括如下步骤：

(1)按照以下质量百分比、以金属粉或合金粉末的形式配料：C：0.03～0.06，Si：0.25～0.70，Mn：1.3～2.0，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.1，B：0.003～0.01，Mg：0.01～1.1，Al：≤0.1，造渣剂3.7～20，其余为Fe和不可避免的杂质；

(2)烘干各组分，每种组分的烘干温度不超过450℃温度，保温2～4小时；

(3)每种组分用80目筛筛分，小于80目的装入混料机中混匀，混合时间不少于35分钟。

该方法进一步包括如下成型步骤：将制备好的填充焊剂加入成型机上的容器中，然后加入到要成型的钢带上，并用轧辊将带有填充焊剂的钢带进行卷曲、封口。

焊接方法为气电立焊，工艺参数范围如下：

电压：33V～49V；

电流：330A～600A；

焊丝伸出长度：钢板厚度+约15mm；

100％CO2气体保护，流量≥35L/min；

正面水冷和背面陶瓷衬垫、或者正面和背面水冷。

药芯焊丝焊接前进行如下准备：

对接钢板坡口角度：35°～0°；

底部间隙：8mm～10mm；焊前应对坡口进行砂轮打磨，除去锈层

坡口形式为V型，随厚度增加，坡口角度相应减少。

本发明提供了一种适合焊接线能量输入大于100kJ/cm的高效药芯焊丝，以提高气电立焊过程中熔敷金属低温韧性和抗裂纹能力，为大型船舶、集装箱、海工产品及大型结构桥梁的焊接，提供了一种可靠有效的焊接填充材料。

本发明的有益效果在于：本发明的药芯焊丝适应性强，可采用的焊接工艺范围广，成分可调整以及熔化速度快；焊接过程平稳、烟尘量较少、脱渣性和流动性良好，气孔产生较少；合理的铁粉添加提高了焊接熔敷效率，保证了焊缝的低温韧性并获得优异的综合力学性能。

附图说明

图1为实施例2的焊缝金属SEM照片，由均匀的针状铁素体组成。

图2为实施例2的焊缝-20℃冲击试样断口SEM照片，为韧窝断口。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步说明。

本发明的适合大线能量强迫成型的高效药芯焊丝，它包括外包钢带和填充焊剂两部分，所述钢带选用C含量及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带(SPCC，即Steel Plate Cold Common)，所述焊剂包括的组分及各组分所占质量百分比为：

C：0.03％～0.06％Wt；

Si：0.25％～0.70％Wt；

Mn：1.3％～2.0％Wt；

Ni：0.1％～0.7％Wt；

Mo：0.1％～0.4％Wt；

Ti：0.01％～0.1％Wt；

B：0.003％～0.01％Wt；

Mg：0.01％～1.1％Wt；

Al：≤0.1％Wt；

造渣剂；

其余为Fe和不可避免的杂质。

焊接后的焊缝中包含的组分及各组分所占质量百分比为：

C：0.04％～0.08％Wt；

Si：0.25％～0.60％Wt；

Mn：1.0％～1.6％Wt；

Ni：0.1％～0.7％Wt；

Mo：0.1％～0.4％Wt；

Ti：0.01％～0.06％Wt；

B：0.002％～0.007％Wt；

Mg：0.001％～0.5％Wt；

Al：≤0.06％Wt；

Cu：≤0.1％Wt；

S：≤0.025％Wt；

P：≤0.025％Wt；

N：≤0.008％Wt；

O：≤0.06％Wt；

余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明药芯焊丝中各合金元素的作用如下：

C元素非有意添加，但适当含量对保证熔敷金属的强度、韧性及延伸率是非常显著的。其含量较高时容易增加焊缝的硬度和淬硬性倾向，损害焊缝力学性能。C主要源于外包钢带及各种合金粉末，本药芯焊丝中C：0.03％～0.06％Wt。

Mn和Si是脱氧剂，在熔池反应过程中可降低焊缝总O含量，细化晶粒，提高焊缝韧性。Mn含量过量时焊缝硬度升高，组织粗化，韧性下降。Si含量过量时，焊缝中的SiO2增加，造成熔渣粘度增加，排渣困难，影响焊缝性能。焊缝中的Mn主要来自锰粉或锰铁，Si主要来自硅铁，为了减少焊缝杂质应应尽量选用品质较高的合金。本药芯焊丝中Si：0.25％～0.7％Wt，Mn：1.3％～2％Wt。

Ni可有效提高焊缝低温冲击韧性，少量添加可有效提高焊缝韧性，因此在熔敷金属中其含量至多不超过0.7％，以免与其它元素不匹配，导致强度、硬度升高，韧性下降。Ni的主要来源为金属镍粉，本药芯焊丝中Ni：0.1％～0.7％Wt。

Mo元素可促进针状铁素体生成，细化晶粒，提高强度，改善韧性。Mo的强化作用大于Mn，因此在焊丝中应适量添加，以免过量Mo引起焊缝强度过高，韧性下降。Mo主要来源于钼铁和钼粉等原料，本药芯焊丝中Mo：0.1％～0.4％Wt。

B元素可细化奥氏体晶粒，减少侧板条铁素体，促进针状铁素体，因此少量添加有益于获得韧性良好的焊缝。熔敷金属B过量时会引起冲击韧性下降。B来自硼铁和三氧化二硼，本药芯焊丝中B：0.003％～0.01％Wt。

Ti也属于有效的脱氧元素，可降低焊缝中的O含量，并形成Ti的氧化物、氮化物，并与一些硫化物如MnS等形成复合夹杂物，促进针状铁素体形成，由此提高焊缝冲击韧性。Ti的氧化物内含有大量阳离子空位，可有效吸引与Ti+3原子半径相同的Mn+3，引起局部贫锰区的产生，增加化学驱动力，促进针状铁素体的形成。Ti还可以阻止BN的形成。Ti源于钛铁等合金，本药芯焊丝中Ti：0.01％～0.1％Wt。

Mg是脱氧剂，可降低O含量，并形成Mg-O-Ti氧化物，细化组织晶粒，帮助提高焊缝韧性。微量Mg可以明显提高韧性，过量时会引起晶粒粗大，并在焊接时引起电弧不稳等工艺问题。Mg源于各种镁合金及镁粉等。本药芯焊丝中Mg：0.01％～1.1％Wt。

Al的作用较为复杂，适量添加可以起到脱氧的作用，并提高熔渣凝固温度，改善脱渣性。但过量时产生大量Al2O3，由于其不溶于液态金属，也不易上浮到渣中，因此导致焊缝夹渣以及焊缝金属脆化。因此要控制其含量，避免焊接缺陷的产生。Al主要来自铝合金，本药芯焊丝中Al：≤0.1％Wt。

药芯焊丝焊剂余量为Fe，以及Cu、V、Cr、Nd等不可避免之金属杂质和S、P等非金属杂质，其影响不容忽视，因此应严格限制其含量，以免损害接头性能。本药芯焊丝中Cu：≤0.1％Wt，S：≤0.025％Wt，P：≤0.025％Wt。此外，N是损害韧性的一个重要因素，因此要严格控制焊缝中的N含量。N主要来自空气，可通过调整保护气体流量避免N的侵入。此外还可以通过合金化设计去除余N。本药芯焊丝中保证N：≤0.008％Wt。由于Ti等微合金元素的氧化物对针状铁素体生成具有促进作用，因此大线能量焊接用材料要保证一定的含氧量，通常不超过O：≤0.06％Wt。

所述造渣剂包括的组分及各组分所占质量百分比为：

氟化钾/钠/锂：1.5％～8％Wt；

萤石：1.2％～8％Wt；

金红石占：1％～4％Wt。

其中，造渣剂中的氟化物(氟化钾/钠/锂、萤石中的一种或多种)在焊接过程中具有降低飞溅、稳弧、降低渣熔点以及提高焊接稳定性的作用。氟化物太少，不足以形成熔渣，而过多时渣量增加，造成焊渣排出困难，电弧连续性差，母材稀释率变小，强度、强度上升，延伸率下降，韧性恶化，并容易引起焊接缺陷。金红石的加入可降低渣的表面张力，因此可以有效细化熔滴，使渣更容易被排出。

本发明中焊剂的制备方法为如下：

(1)按设定的质量百分比准备各组分；

(3)每种组分100％过80目筛，后将其装入混料机中均匀混合，混合时间不少于35分钟。

制备好的填充焊剂，立即在干燥、密封状态包覆外包钢带，且搬运过程中做好密封工作，以免受潮。

本发明所述气电立焊药芯焊丝焊接时选择：电压：33V～49V，电流：330A～600A，焊丝伸出长度：钢板厚度+15mm，100％CO2气体保护，流量≥35L/min，正面水冷和背面陶瓷衬垫，或正面和背面均水冷。

本发明中所述药芯焊丝焊接前准备包括：对接钢板坡口角度：35°～0°，坡口形式首选V型，且为了保证厚板的熔敷效率，随厚度增加，坡口角度相应减少，底部间隙：8mm～10mm。焊前应对坡口进行砂轮打磨，除去锈层，以保证熔合质量。

实施例1

本实施案例中基于药芯焊丝总质量含：C：0.03％～0.04％Wt，Si：0.3％～0.45％Wt，Mn：1.3％～1.6％Wt，Ni：0.2％～0.5％Wt，Mo：0.2％～0.3％Wt，Ti：0.05％～0.07％Wt，B：0.003％～0.009％Wt，Mg：0.01％～1.0％Wt，Al：≤0.1％Wt；上述含量之外余量为Fe，以及Cu、V、Cr、Nd等不可避免之金属杂质和S、P等非金属杂质；钢带选用C含量不超过0.07％及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带(SPCC)。造渣剂基于药芯焊丝总质量的含量为：氟化钾/钠/锂：1.5％～4％Wt，萤石：1.2％～4％Wt，金红石占：1％～3.5％Wt。药芯焊丝内焊剂量占焊丝总质量的15％。

实施例2

本实施案例中基于药芯焊丝总质量含：C：0.035％～0.045％Wt， Si：0.35％～0.5％Wt，Mn：1.35％～1.65％Wt，Ni：0.2％～0.45％Wt，Mo：0.2％～0.25％Wt，Ti：0.05％～0.065％Wt，B：0.003％～0.008％Wt，Mg：0.01％～0.8％Wt，Al：≤0.1％Wt；上述含量之外余量为Fe，以及Cu、V、Cr、Nd等不可避免之金属杂质和S、P等非金属杂质；钢带选用C含量不超过0.07％及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带(SPCC)。造渣剂基于药芯焊丝总质量的含量为：氟化钾/钠/锂：1.5％～3.5％Wt，萤石：1.2％～6％Wt，金红石占：1.5％～3％Wt。药芯焊丝内焊剂量占焊丝总质量的21％。附图1为实施例2的焊缝金属SEM照片，由均匀的针状铁素体组成；附图2为实施例2的焊缝-20℃冲击试样断口SEM照片，为韧窝断口。

实施例3

本实施案例中基于药芯焊丝总质量含：C：0.045％～0.055％Wt，Si：0.45％～0.6％Wt，Mn：1.55％～1.8％Wt，Ni：0.2％～0.35％Wt，Mo：0.2％～0.25％Wt，Ti：0.05％～0.075％Wt，B：0.0045％～0.009％Wt，Mg：0.03％～0.85％Wt，Al：≤0.1％Wt；上述含量之外余量为Fe，以及Cu、V、Cr、Nd等不可避免之金属杂质和S、P等非金属杂质；钢带选用C含量不超过0.07％及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带(SPCC)。造渣剂中基于药芯焊丝总质量的含量为：氟化钾/钠/锂：3.5％～7％Wt，萤石：3.2％～6.5％Wt，金红石占：3％～4％Wt。药芯焊丝内焊剂量占焊丝总质量的25％。

上述元素的来源应尽量选择杂质含量小，元素含量较高的材料，以降低总的杂质含量，保证焊缝的纯净度，减少焊接缺陷的产生。生产工艺方面应严格遵守生产工艺，焊剂必须充分混合，以保证送粉有效性。

Claims

1.一种适合大线能量强迫成型的高效药芯焊丝，它包括外包钢带和填充焊剂两部分，其特征在于：所述填充焊剂的各组分占药芯焊丝总质量的百分比为：C：0.03～0.06，Si：0.25～0.70，Mn：1.3～2.0，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.1，B：0.003～0.01，Mg：0.01～1.1，Al：≤0.1，造渣剂5～10，其余为Fe和不可避免的杂质；药芯焊丝内填充焊剂量占焊丝总质量的15～25％。

2.如权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：焊后焊缝各组分占总质量的百分比为：C：0.04～0.08，Si：0.25～0.60，Mn：1.0～1.6，Ni：0.1～0.7，Mo：0.1～0.4，Ti：0.01～0.06，B：0.002～0.007，Mg：0.001～0.5，Al：≤0.06，Cu：≤0.1，S：≤0.025，P：≤0.025，N：≤0.008，O：≤0.06，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：所述造渣剂各组分占填充焊剂的质量百分比为：氟化钾、氟化钠、氟化锂中的至少一种：1.5～8，萤石：1.2～8，金红石：1％～4％。

4.如权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：所述外包钢带选用C含量不超过0.07％及其它杂质含量较少的药芯焊丝专用钢带。

5.一种如权利要求1所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：制备填充焊剂的方法包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：该方法进一步包括如下成型步骤：将制备好的填充焊剂加入成型机上的容器中，然后加入到要成型的钢带上，并用轧辊将带有填充焊剂的钢带进行卷曲、封口。

7.一种如权利要求1所述的药芯焊丝的使用方法，其特征在于：焊接方法为气电立焊，工艺参数范围如下：

电压：33V～49V；

电流：330A～600A；

焊丝伸出长度：钢板厚度+约15mm；

100％CO2气体保护，流量≥35L/min；

正面水冷和背面陶瓷衬垫、或者正面和背面水冷。

8.如权利要求7所述的药芯焊丝的使用方法，其特征在于：药芯焊丝焊接前进行如下准备：

对接钢板坡口角度：35°～0°；

底部间隙：8mm～10mm；焊前应对坡口进行砂轮打磨，除去锈层。

9.如权利要求8所述的药芯焊丝的使用方法，其特征在于：坡口形式为V型，随厚度增加，坡口角度相应减少。