CN103962746A

CN103962746A - 一种电弧焊用气体保护药芯焊丝

Info

Publication number: CN103962746A
Application number: CN201410192425.7A
Authority: CN
Inventors: 王凯; 易江龙; 郑世达; 陈和兴; 郭春富; 刘凤美; 闫德俊; 马凯夫
Original assignee: GUANGDONG RESEARCH INSTITUTE OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY (GUANGZHOU RESEARCH INSTITUTE OF NON-FERROUS METALS)
Current assignee: Guangdong Institute Of Welding Technology (guangdong Institute Of China And Ukraine)
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: CN103962746B

Abstract

一种电弧焊用气体保护药芯焊丝，其特征是药芯组成包括如下组分及质量百分含量：TiO₂20～22%、SiO₂1～4%、ZrO₂1～2.5%、Al₂O₃1～3%、MgO1.5%、AlF₃5～9%、NiF₂5～6%、Na₂SiF₆1～6%、Ti₃Al3～4%、Fe₃Al4～6%、Co1～2%，余量为Fe。本发明的药芯焊丝，具有焊缝金属扩散氢含量低，飞溅小、气孔裂纹等缺陷少的优良工艺性能，焊接接头具有优良的低温冲击韧性以及优异的耐蚀性能，尤其适用于海洋工程装备制造行业中屈服强度为700MPa级高强钢的焊接。

Description

一种电弧焊用气体保护药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种电弧焊用的气体保护药芯焊丝，特别涉及一种高强度级别的钢材电弧焊用的药芯焊丝。

背景技术

药芯焊丝作为新一代高效和高性能焊接材料，具有工艺性能好、熔敷速度快、生产效率高的优点，广泛应用于各个工业化制造的焊接领域，其用量在造船和海工产品制造领域中最高。目前大多数药芯焊丝是使用金红石作为主要的熔渣成型材料，成为金红石渣系药芯焊丝，具有成型好、易脱渣和飞溅小等优点，且可以实现横向、上向、下向、立向等全位置的焊接。目前可实现全位置焊接的药芯焊丝大都属于金红石渣系，但金红石渣系药芯焊丝中的Ti在焊接时会过渡到熔敷金属中，降低焊接接头的低温冲击韧性，这对高强钢焊接带来极为不利的影响。而以碱金属氧化物为主的碱性渣系药芯焊丝恰恰相反，其焊接成型的焊缝金属具有优良的力学性能，但由于其极易形成长渣，很难实现全位置焊接。因此，有必要在金红石渣系和碱性渣系的基础上，结合两种渣系的优点来设计和优化配方，既可以实现全位置焊接，又能够大幅度提升焊缝金属的低温冲击韧性，实现可实现高强钢全位置焊接用的高性能气保护药芯焊丝。

CN101623799A公开了一种二氧化钛系的气体保护弧焊用药芯焊丝，其针对金红石渣系药芯焊丝进行了优化，含有TiO₂、Al₂O₃、SiO₂和ZrO₂等氧化物以及Mn、Si、Mg、Na和K等金属单体或合金，其余为铁粉填充，可用于高焊接电流的立向上焊，可获得具有良好机械性能的焊接接头。但在其应用实例中，其屈服强度评价值只有620MPa，无法实现海工装备制造中700MPa级别高强钢的焊接。

CN102785041A公开了一种全位置碱性气体保护药芯焊丝，其采用CaO、MgO、K₂O和Na₂O等氧化物，CaF₂、LiF₂、SrF₂和BaF₂等氟化物，以及铝镁合金、锰和硅等合金元素，其余为铁粉填充是一种冲击韧性和抗裂性能都较强的药芯焊丝；但其屈服强度最高只能达到430MPa，同样无法满足海工装备制造中700MPa级别高强钢的焊接。

CN102655978A公开了一种可全位置焊接的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，该焊丝构成主要有CaO，MgF₂、CaF₂、SrF₂、BaF等氧化物，Si、Al、Ti、Mg、Zr、Ca等金属，SiO₂、MnO、Al₂O₃、TiO₂等金属氧化物，余量为Fe和电弧稳定剂等。该焊丝可以实现全位置焊接，焊道形成良好，焊接缺陷良好，但没有低温冲击韧性的检测，仅对焊接金属氧化物含量进行了控制，因此无法判定其焊接接头的低温冲击韧性和耐蚀性的优劣。

海洋工程装备用钢材除了必须具备高强度和高韧性的特性外，还必须具备优良的耐海水腐蚀特性。现有的药芯焊丝只能作为一种常用钢种的高效的焊接材料，尚不能完全满足海工用钢的焊接要求。

发明内容

为克服金红石渣系和碱性渣系药芯焊丝的不足之处，本发明的目的是提供一种冲击韧性优良的焊接用气体保护药芯焊丝。

本发明的药芯焊丝包括如下组分及质量百分含量：TiO₂20~22%、SiO₂1~4%、ZrO₂1~2.5%、Al₂O₃1~3%、MgO 1.5%、AlF₃ 5~9%、NiF₂5~6%、Na₂SiF₆1~6%、Ti₃Al 3~4%、Fe₃Al4~6%、Co1~2%，余量为Fe。

本发明的药芯焊丝还含有质量百分含量的Cu 0.1%。

本发明的药芯焊丝还含有质量百分含量的Ce 0.1%。

本发明的药芯焊丝还含有质量百分含量的Nd 0.1%。

本发明的药芯焊丝还含有质量百分含量的Sm 0.1%。

本发明的药芯焊丝还含有质量百分含量的Gd 0.1%。

本发明的药芯粉末由造渣剂TiO₂、SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、MgO、AlF₃和NiF₂，稳弧剂Na₂SiF₆和脱氧剂Ti₃Al和Fe₃Al，以及铁粉。按照本发明的含量均匀混合，烧结烘干后，填充入焊丝。药芯粉末占整个药芯焊丝总重量的16~24%，业内定义为药粉填充率，填充率高低会直接影响焊丝的焊接效果，过高则造成填充药粉溢出，过低则造成药粉不足致使焊接工艺性能降低。试验结果表明，合适的TiO₂含量为药粉重量的20~22%，若TiO₂含量超过22%会使得熔渣熔点过高，容易形成熔渣抱团现象，致使脱渣困难；若TiO₂含量低于20%时，使得熔渣熔点过低，会稀释熔敷金属，致使其流向焊缝两边，导致熔覆不全。SiO₂含量在1~4%，ZrO₂含量在1~2.5%，Al₂O₃含量在1~3%时，熔渣覆盖性好，若进一步提高其含量，会导致熔覆性变差。造渣剂AlF₃和NiF₂的含量与TiO₂等氧化物比值应当保持在0.5~1之间。试验表明，加入两种氟化物比单独加入AlF₃的全位置焊接性能好，飞溅和烟尘也可得到相应的改善。AlF₃的含量一般控制在5~9%之间，可与氧发生放热反应，反应所释放的热量可使得粘性熔渣转变成易脱落的干性渣，明显改善脱渣性能；但含量过高会导致熔敷不全。NiF₂具有改善熔滴过渡的作用，其中Ni元素也可起到进一步提升冲击韧性的作用，但其含量过高时，将导致焊接烟尘增大和气孔增多，最佳含量应保持在5~6%之间。稳弧剂Na₂SiF₆的加入可以起到进一步改善脱渣性能的作用，其含量应控制在4%。药粉中的脱氧剂为Ti₃Al和Fe₃Al金属间化合物，容易与熔敷金属中的氧相互作用，起到脱氧、除气的作用和减弱CO₂保护气体氧化氛围的作用，此互相作用为放热反应，可有效地补充CO₂气在高温电弧下发生分解反应所吸收的热量，降低熔池金属的冷却速度，减少气孔产生几率，从而实现利用纯CO₂作为保护气体，有效降低焊接成本。此外Ti₃Al和Fe₃Al金属间化合物所特有的DO3亚点阵结构，其中Ti₃Al起到诱导催化作用，使得Ni将占据Fe₃Al结构中Fe原子的位置，Ti将靠近并占据Al原子的最近邻位置，形成Ni₃(TiAl)沉淀强化相，产生畸变应力形成反相畴界强化，使得位错的移动需要更大的外力，从而阻碍位错运动，提高焊缝金属的屈服强度和冲击韧性。但当Ti₃Al和Fe₃Al含量过高时，易析出过多Al₂O₃造成熔敷金属流动性降低，其合适比例为7~10%。添加适量的Co，可阻止碳化物的析出，细化晶粒，减少对冲击的敏感性能，从而提高焊缝的低温冲击韧性，其合适含量为1~2%，过低则韧化效果不好，过高则容易在晶界析出。药粉中还可添加Cu、Ce、Nd、Sm和Gd等稀土元素，其质量比不超过药粉总重量的0.5%，研究结果表明这些元素的加入有利于细化焊缝组织以及提高焊缝金属的耐蚀性。

本发明的创新之处在于：本发明采用金红石渣系和碱性渣系的优点，采用Fe₃Al和Ti₃Al作为脱氧剂，可以实现全位置焊接，净化和强化焊缝金属，降低其扩散氢及氧化物夹渣含量，获得优异的低温冲击韧性和耐蚀性，具有飞溅小、裂纹少和焊接烟尘低等优良的焊接工艺性能。Fe₃Al和Ti₃Al作为脱氧剂还可使用纯CO₂作为保护气体；加入NiF₂可使焊缝获得优异的耐蚀性能，尤其适合于海洋工程装备制造领域中屈服强度为700MPa级别钢材的纯CO₂气保护电弧焊。

具体实施方法

本发明的TiO₂经过500~600℃烧结处理，其余组分经过100~300℃烘烤处理后，再均匀混合，按照16~24%的填充率加入焊丝中。焊丝用冷轧低碳钢带作为外皮，截面形状为O型对接或搭接，钢带卷成半圆弧形后，然后填充上述混合均匀的药芯粉末，封口成型，再经过多道拉拔工序，最终减径至1.0~1.2mm直径。

使用本发明的药芯焊丝的预热温度应当控制在120~180℃ (ISO 18276-A)，但当焊接母材金属的碳含量低于1%时，第一层焊道不需要进行预热处理，而余下焊道焊接时，母材温度不得高于180℃。如果层间温度超过这个数值，应当放置冷却至120~180℃方可进行焊接。

实施例

表1是本发明的药芯焊丝组分及质量百分含量。

表1 药芯焊丝组分及质量百分含量（%）

实施例	TiO₂	SiO₂	ZrO₂	Al₂O₃	MgO	AlF₃	NiF₂	Na₂SiF₆
									1	20	4	2.5	2	1.5	8	6	4
2	20	4	2.5	3	1.5	8	6	4
									3	22	3	2	1.5	1.5	9	5	4
4	22	3	2	2.5	1.5	9	5	4
									实施例	Ti₃Al	Fe₃Al	Co	Cu	Ce	Nd	Sm	Gd
1	4	4	1.7	0.1	0.1	0.1	-	-
									2	3	5	1	-	-	-	-	-
3	4	5.8	1.9	0.1	-	-	0.1	0.1
									4	3	6	2	-	-	-	-	-

试验材料为ASTM A514低合金调质高强钢，试板尺寸为 300×150×14mm。根据中国船级社的《材料与焊接规范》，加工Y形坡口，采用多层多道焊施焊方式，正面堆焊完背面清根后焊一道，采用无脉冲恒电压电源直流反接。根据中国船级社《材料与焊接规范》制备焊接接头V形缺口冲击试样。冲击试样尺寸为10×10×55mm，缺口位置位于焊缝中心，试验温度为﹣40℃。各焊接位置的焊接条件如表2所示，对于本发明的焊丝而言，除纯CO₂之外的其它保护气体（如Ar+20%CO₂、He等）也可以满足使用需求。试验结果表明，全部配方均可实现全位置焊接。

表2 焊接条件

表3给出了采用实施例1~4药芯焊丝所制备的焊接接头性能评定的方法及标准，用于综合评价各组药芯焊丝的性能。

检测结果表明，实施例1~4焊缝成型优良，焊接缺陷、飞溅物产生量、烟尘产生量和脱渣性能合格。

实施例1~4的机械性能、耐蚀性和扩散氢含量检测数据如表4所示，1~4均具有优良的机械性能和合格的扩散氢含量，其中1和3具有优良的耐蚀性。

表3 焊接接头性能评定方法及标准

表4 机械性能、耐蚀性及扩散氢含量测试结果。

相关人员可在以上发明描述的内容和基础上做出各种变更，但这些变更仍然属于本发明的范畴。

Claims

1.一种电弧焊用气体保护药芯焊丝，其特征是包括如下组分及质量百分含量：TiO₂20~22%、SiO₂1~4%、ZrO₂1~2.5%、Al₂O₃1~3%、MgO 1.5%、AlF₃ 5~9%、NiF₂5~6%、Na₂SiF₆1~6%、Ti₃Al 3~4%、Fe₃Al4~6%、Co1~2%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是含有质量百分含量的Cu 0.1%。

3.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是含有质量百分含量的Ce 0.1%。

4.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是含有质量百分含量的Nd 0.1%。

5.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是含有质量百分含量的Sm 0.1%。

6.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是含有质量百分含量的Gd 0.1%。

7.根据权利要求1所述的气体保护药芯焊丝，其特征是Na₂SiF₆的质量百分含量为4%。