CN104139250B - 一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，焊丝的强度为600MPa级，以SPCC-SD冷轧低碳钢钢带为焊丝原料，焊丝药芯的配方由氟化物；碳酸盐；氧化物；铁合金粉；金属粉组成。制备方法包括烘烤、配粉、裁带、填充成型、拉拔、层绕、包装等步骤。本发明的积极效果：本发明的600MPa级高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，焊接工艺好、电弧稳定、飞溅小、易脱渣、焊缝成形美观、-40℃低温冲击性能优异。主要用于10万立方石油储罐纵缝的焊接。

Description

一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料制备技术，尤其是涉及一种级高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，其强度为600MPa级。
背景技术
目前，我国经济处于高速发展阶段，对能源的需求量增长迅速，国家对于石油储备的建设加大投入，我国石油储罐正向大型化、集群化方向发展。10万立方石油储罐的建造技术也随之提高，自动焊技术逐渐取代手工焊，被广泛应用于石油储罐焊接，尤其是气电立焊技术在10万立方石油储罐建设中的成功应用，大大提高了焊接质量和焊接效率，并降低了焊工的劳动强度。
目前，我国10万立方石油储罐使用的主体材料主要是日本进口的高强度调质钢板SPV490Q，与之配套的气电立焊焊接材料同样是日本进口，其中有新日铁公司生产的气电立焊焊丝牌号为EG-60或神户制钢公司生产的气电立焊焊丝牌号为DW-S1LG。日本焊接材料采购周期长、采购成本高，使我国大型石油储罐建设成本提高。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，该焊丝强度达到600MPa级，配套钢板SPV490Q使用，满足10万立方石油储罐的建设需求。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，焊丝药芯由如下重量份数的原料制备而成：氟化物30-60份﹑碳酸盐10-30份、二氧化硅0-10份、二氧化钛0-10份、氧化钾0-10份、氧化钠0-10份、氧化镁0-10份、氧化钙0-10份、硅锰合金40-80份、电解锰10-40份、硅铁10-40份、铝镁合金5-10份、镁粉5-10份、钼铁10-20份、镍粉50-100份、钛铁10-40、硼铁1-5份、铁粉600-750份。
优选的，所述氟化物为氟化钙、氟化钠和氟化钡中的一种或两种以上混合物。
优选的，所述碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡中的一种或两种以上混合物。
优选的，所述硅锰合金的型号为FeMn64Si23或FeMn62Si23；所述硅铁的型号为FeSi75；所述铝镁合金的铝镁比例为1：1；所述钼铁的型号为FeMo60；所述钛铁的型号为FeTi30或FeTi40；所述硼铁的型号为FeB22或FeB23。。
优选的，氟化物、碳酸盐、二氧化硅、二氧化钛、氧化钾、氧化钠、氧化镁以及氧化钙这几种物质总量占药粉总量的重量百分比为5％～15％。
气电立焊焊接工艺的焊接方向是垂直向上，电弧会始终作用在熔池上方，熔池中的熔渣量非常重要，应保持焊丝生成熔渣量与焊缝表面形成的焊渣保持平衡。焊丝生成焊渣过多，会使熔池表面焊渣越积越多，影响电弧稳定性，以及熔合不良、夹渣等缺陷；焊丝生成焊渣过少，会使焊缝表面焊渣覆盖不全，影响焊缝成形。因此，气电立焊药芯焊丝中造渣剂的具体物质选择以及造渣剂的总量对于焊接工艺和焊接性能都有很大的影响，保持熔渣生成量与排出量的平衡非常重要。
优选的，以SPCC-SD冷轧低碳钢钢带为焊丝原材料。
本发明中的配方分析：本发明提供的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，强度为600MPa级，主要用于10万立方石油储罐纵缝的焊接。该焊丝使用钢带为普通碳钢钢带SPCC-SD。加入各种药粉的作用如下：
氟化物为主要造渣剂，高强钢焊丝必然要加入合金元素提高强度，较多的合金元素会提高熔渣粘度，氟化物可以起到稀渣作用，有利于焊渣排除，覆盖到焊缝表面。
碳酸盐为造渣剂，主要作用改善熔渣粘度，分解生成的CO2起到保护熔池的作用。
氧化物为造渣剂，主要作用改善熔渣粘度，稳定电弧，优化焊缝成形，改善焊缝脱渣性能。
硅锰合金、硅铁和电解锰，作为主要合金剂向熔敷金属过渡合金元素，提高金属强度，并且作为脱氧剂，起到净化熔池作用。
铝镁合金、镁粉为脱氧剂，起到净化熔池作用，并且保护了有效合金元素向熔池过渡。
钼铁、镍粉、钛铁、硼铁共同作用主要起细化晶粒和提高低温冲击性能的作用。
本发明还提供了一种制备如上所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝的方法，包括如下制备步骤：
(1)、烘烤：将氟化物、碳酸盐、二氧化硅、二氧化钛、氧化钾、氧化钠、氧化镁、氧化钙在混合配粉前先在高温烘烤设备中进行烘烤；
(2)、配粉：将上述步骤(1)中处理好的药芯粉末以及其他的粉末在混粉设备内混合；
(3)、裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)、填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为22-26％；
(5)拉拔、层绕、包装。
优选的，步骤(1)中，烘烤温度为380～420℃。
优选的，步骤(2)中，混合时间为2～3小时。
本发明创造具有的优点和积极效果是：采用本发明的配方与制备方法得到的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，采用CO2作为保护气体，焊接工艺好、电弧稳定、飞溅小、易脱渣、焊缝成形美观、-40℃低温冲击性能优异，可以满足10万立方石油储罐纵缝的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例一
一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝的制备方法，强度为600MPa级，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙20份﹑氟化钠10份、氟化钡5份、碳酸钙10份、碳酸镁7份、碳酸钡4份、二氧化硅8份、氧化钾5份、二氧化钛4份、氧化钠2份、氧化镁2份、氧化钙8份在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为420℃；
(2)配粉：称取硅锰合金50份，其型号为FeMn64Si23、电解锰20份、硅铁30份，其型号为FeSi75、铝镁合金5份，其铝镁比例为1：1、镁粉5份、钼铁20份，其型号为FeMo60、镍粉60份、钛铁30份，其型号为FeTi30、硼铁4份，其型号为FeB22，铁粉676份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为2小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为22％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.06％、锰1.75％、硅0.32％、镍0.98％、钼0.19％、钛0.05％、硼0.0035％余量为铁。抗拉强度为672MPa，延伸率23％，-40℃冲击性能为平均126J。
实施例二：
一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，强度为600MPa级，包括如下的步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙10份﹑氟化钠30份、氟化钡5份、碳酸钙5份、碳酸镁10份、碳酸钡5份、二氧化硅3份、二氧化钛2份、氧化钾10份、氧化钠7份、氧化镁3份在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为380℃；
(2)配粉：称取硅锰合金80份，其型号为FeMn62Si23、电解锰10份、硅铁10份，其型号为FeSi75、铝镁合金15份，其铝镁比例为1：1、镁粉10份、钼铁10份，其型号为FeMo60、镍粉50份、钛铁10份，其型号为FeTi40、硼铁1份，其型号为FeB23、铁粉724份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为3小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为22％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.09％、锰1.58％、硅0.22％、镍0.85％、钼0.11％、钛0.02％、硼0.0008％余量为铁。抗拉强度为645MPa，延伸率25％，-40℃冲击性能为平均147J。
实施例三：
一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，强度为600MPa级，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙30份﹑氟化钠10份、碳酸钙10份、碳酸镁5份、二氧化硅5份、氧化钠3份、氧化镁5、氧化钙2份在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为400℃；
(2)配粉：称取硅锰合金60份，其型号为FeMn64Si23、电解锰30份、硅铁15份，其型号为FeSi75、铝镁合金7份，其铝镁比例为1：1、镁粉8份、钼铁15份，其型号为FeMo60、镍粉80份、钛铁25份，其型号为FeTi30、硼铁3份，其型号为FeB22，铁粉687份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为2.5小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为24％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.08％、锰1.63％、硅0.25％、镍1.30％、钼0.15％、钛0.04％、硼0.0023％余量为铁。抗拉强度为658MPa，延伸率25％，-40℃冲击性能为平均143J。
实施例四
一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，强度为600MPa级，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙40份﹑氟化钠15份、氟化钡5份、碳酸钙5份、碳酸镁10份、二氧化硅10份、二氧化钛10份、氧化钾5份、氧化钠10份、氧化镁10份在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为380℃；
(2)配粉：称取硅锰合金40份，其型号为FeMn62Si23、电解锰40份、硅铁30份，其型号为FeSi75、铝镁合金10份，其铝镁比例为1：1、镁粉5份、钼铁10份，其型号为FeMo60、镍粉100份、钛铁40份，其型号为FeTi40、硼铁2份，其型号为FeB23、铁粉603份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为3小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为24％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.05％、锰1.61％、硅0.23％、镍1.63％、钼0.09％、钛0.06％、硼0.0019％余量为铁。抗拉强度为667MPa，延伸率26％，-40℃冲击性能为平均156J。
实施例五
一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝及制备方法，强度为600MPa级，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙20份﹑氟化钠30份、碳酸钙20份、碳酸镁5份、碳酸钡5份、二氧化硅2份、氧化钾3份、氧化钠5份、氧化钙10在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为420℃；
(2)配粉：称取硅锰合金70份，其型号为FeMn64Si23、电解锰20份、硅铁10份，其型号为FeSi75、铝镁合金5份，其铝镁比例为1：1、镁粉10份、钼铁20份，其型号为FeMo60、镍粉90份、钛铁20份，其型号为FeTi30、硼铁5份，其型号为FeB22，铁粉650份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为2小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为26％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.09％、锰1.66％、硅0.27％、镍1.48％、钼0.22％、钛0.03％、硼0.0042％余量为铁。抗拉强度为673MPa，延伸率24％，-40℃冲击性能为平均151J。
对比例一
一种气电立焊药芯焊丝及制备方法，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙50份﹑氟化钠20份、氟化钡10份、碳酸钙20份、碳酸镁10份、碳酸钡10份、二氧化硅15份、二氧化钛5份、氧化钾5份、氧化钠10份、氧化镁15份、氧化钙10在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为400℃；
(2)配粉：称取硅锰合金50份，其型号为FeMn64Si23、电解锰30份、硅铁20份，其型号为FeSi75、铝镁合金5份，其铝镁比例为1：1、镁粉10份、钼铁10份，其型号为FeMo60、镍粉60份、钛铁20份，其型号为FeTi30、硼铁2份，其型号为FeB23，铁粉613份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为2.5小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为24％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.07％、锰1.55％、硅0.29％、镍1.01％、钼0.11％、钛0.03％、硼0.0018％余量为铁。抗拉强度为647MPa，延伸率18％，-40℃冲击性能为平均65J。
对比例二
一种气电立焊药芯焊丝及制备方法，包括如下的工艺步骤：
(1)烘烤：先将称取的氟化钙20份﹑碳酸钙5份、二氧化硅5份、氧化钠5份、氧化镁5份在高温烘烤设备中进行烘烤，烘烤温度为380℃；
(2)配粉：称取硅锰合金100份，其型号为FeMn64Si23、电解锰40份、硅铁20份，其型号为FeSi75、铝镁合金10份，其铝镁的比例为1：1、镁粉10份、钼铁20份，其型号为FeMo60、镍粉60份、钛铁20份，其型号为FeTi40、硼铁5份，其型号为FeB22，铁粉675份，将上述配制好的药芯粉末在混粉设备内混合，混合时间为3小时；
(3)裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为22％；
(5)拉拔、层绕、包装。
采用长500mm、宽200mm、厚20mm的SPV490Q钢板，坡口角度35度，根部间隙5mm，背面采用气电立焊专用陶瓷衬垫，进行熔敷金属试片焊接，焊丝熔敷金属成分检测，其重量百分比为碳0.12％、锰2.42％、硅0.38％、镍1.05％、钼0.23％、钛0.04％、硼0.0038％余量为铁。抗拉强度为762MPa，延伸率15％，-40℃冲击性能为平均28J。
对比例1～2与实施例1～5的元素含量与力学性能进行对比：
实验分析：
对比例1造渣剂总量占药粉总重量的18％，由于造渣剂过多，随着焊接的进行，熔池中的熔渣越积越多，造成电弧不稳定，熔敷金属中出现了夹杂物，严重影响了熔敷金属的延伸率以及冲击韧性。
对比例2造渣剂总量占药粉总重量的4％，由于造渣剂过少，焊缝表面出现大面积没有焊渣覆盖的情况，影响焊缝成形。
因此造渣剂优选范围为药粉总重量在7％～12％。
对比例2合金元素量加入过多，造成抗拉强度过高，超出了600MPa级钢板的强度范围，对熔敷金属的延伸率以及冲击韧性造成很大影响。
实验结果：本发明的实施例1～5中的焊丝的力学性能指标都优于对比例1～2。
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝药芯由如下重量份数的原料制备而成：氟化物30-60份﹑碳酸盐10-30份、二氧化硅0-10份、二氧化钛0-10份、氧化钾0-10份、氧化钠0-10份、氧化镁0-10份、氧化钙0-10份、硅锰合金40-80份、电解锰10-40份、硅铁10-40份、铝镁合金5-10份、镁粉5-10份、钼铁10-20份、镍粉50-100份、钛铁10-40、硼铁1-5份、铁粉600-750份，所述碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡中的一种或两种以上混合物。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，其特征在于：所述氟化物为氟化钙、氟化钠和氟化钡中的一种或两种以上混合物。
3.根据权利要求1或2所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，其特征在于：所述硅锰合金的型号为FeMn64Si23或FeMn62Si23；所述硅铁的型号为FeSi75；所述铝镁合金的铝镁比例为1：1；所述钼铁的型号为FeMo60；所述钛铁的型号为FeTi30或FeTi40；所述硼铁的型号为FeB22或FeB23。
4.根据权利要求3所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，其特征在于：氟化物、碳酸盐、二氧化硅、二氧化钛、氧化钾、氧化钠、氧化镁以及氧化钙这几种物质组成造渣剂，造渣剂的量占药粉总量的重量百分比为5％～15％。
5.根据权利要求4所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝，其特征在于：以SPCC-SD冷轧低碳钢钢带为焊丝原材料。
6.一种制备如权利要求1、2、4或5所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝的方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
(1)、烘烤：将氟化物、碳酸盐、二氧化硅、二氧化钛、氧化钾、氧化钠、氧化镁、氧化钙在混合配粉前先在高温烘烤设备中进行烘烤；
(2)、配粉：将上述步骤(1)中处理好的药芯粉末以及其他的粉末在混粉设备内混合；
(3)、裁带：选用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带，裁取适合尺寸，经轧机成型辊轧制成“U”型；
(4)、填充成型：通过送粉装置将药粉加入到U型槽中，药粉占焊丝的质量百分比为22-26％；
(5)拉拔、层绕、包装。
7.根据权利要求6所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，烘烤温度为380～420℃。
8.根据权利要求6或7所述的高强度高韧性气电立焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，混合时间为2～3小时。
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