CN105689918A - 一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯、药皮及制备方法 - Google Patents

一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯、药皮及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯、药皮及制备方法，所述焊芯化学成分质量百分含量如下：C：0～0.10％，Mn：1.00％～1.60％，Si：0～0.50％，Cr：0.30～1.50，Ni：1.75～2.50，Mo：0.30～0.55，S：0～0.010％，P：0～0.020％，余量为Fe；所述药皮由以下质量百分含量的组分组成：大理石：32～42％，萤石：15～25％，石英：2～8％，天然金红石：2～6％，铁粉：0～25％，电解金属锰：2～8％，稀土硅铁：2～7％，金属铬：2～6％，钼铁：1～4％，镍粉：3～6％。本发明的低合金高强度钢焊条在焊接过程中具有理想的焊接工艺性能，且焊缝金属具有高强度和低温冲击韧性良好的力学性能。本焊条适用于830MPa等级的高强度结构用钢的焊接。

Description

一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯、药皮及制备方法
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种适用于830MPa左右强度等级的结构钢高韧性超低氢碱性焊条的焊芯、药皮及制备方法。
背景技术
低合金高强度结构钢的生产工艺以及材料所具有的水平，是一个国家钢铁材料水平的重要标志，在一定程度上显示了国家综合竞争实力的高低。随着改革开放和国民的经济高速发展，我国低合金高强度结构钢得到发展迅猛，为适应钢结构、机械、汽车、煤机、海工、水电等轻量化和安全性的要求，低合金高强度钢可以在节约材料的同时节约能源，有利于全社会绿色环保。
低合金高强度钢是指在碳钢的基础上添加Cr、Ni、Mo等其他合金元素，屈服强度大于500MPa的钢种，是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。其主要特点是含碳量低，可焊性好，晶粒细化，屈服强度高，大多采用先进的冶炼工艺和热处理工艺进行生产。低合金高强度钢可以分为非调质钢和调质钢。
低合金调质高强度钢常用的焊接方法有手工电弧焊、CO2气体保护焊、混合气体保护焊等。低合金调制高强度钢焊后一般不进行再热处理，故在选择焊接材料时要求焊后所形成的焊缝金属应具有接近于母材的力学性能。在特殊情况下，对焊缝金属强度要求可低于母材，或刚度很大的焊接结构，为减少焊接冷裂纹倾向，可选择比母材强度低一些的焊接材料。
在设计与830MPa级低合金高强度钢相匹配的焊条时，一方面焊缝金属的化学成分尽量与此强度等级结构钢的化学成分接近，以保证强度等级相匹配。另一方面，利用稀土金属元素对焊接熔池进行净化，使焊缝金属更纯净化，保证低温理想的冲击韧性；此外，借助稀土元素形成的氢陷阱，控制焊缝金属的扩散氢，防止氢致裂纹的产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于为了解决上述技术问题而选用一种用于稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯。
本发明所要解决的技术问题之二在于为了解决上述技术问题而提供一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的药皮。
本发明所要解决的技术问题之三在于提供上述药皮的制备方法。
本发明所要解决的技术问题之四在于提供一种用于稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条。
本发明所要解决的技术问题之五在于提供一种用于稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的制备方法。
作为本发明第一方面的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的焊芯，所述焊芯选用H08E盘元，该焊芯所含元素的质量百分数如下：C：0～0.10％，Mn：1.00％～1.60％，Si：0～0.50％，Cr：0.30～1.50，Ni：1.75～2.50，Mo：0.30～0.55，S：0～0.010％，P：0～0.020％，余量为Fe。
作为本发明第二方面的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的药皮，其由固体组分和液体组分混合而成，所述液体组分的加入质量为固体组分质量的20～24％；
所述固体组分按照质量百分含量包括以下组分：大理石：32～42％，萤石：15～25％，石英：2～8％，天然金红石：2～6％，铁粉：0～25％，电解金属锰：2～8％，稀土硅铁：2～7％，金属铬：2～6％，钼铁：1～4％，镍粉：3～6％；
所述液体组分为水玻璃。
在本发明的一个优选实施例中，所述水玻璃由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比3:7配制而成。
在本发明的一个优选实施例中，所述固体组分按照质量份计，包括以下组分：
大理石34％，萤石22％，石英6％，天然金红石4％，铁粉14％，电解金属锰4％，稀土硅铁：5％，金属铬：4％，钼铁：3％，镍粉：5％。
在本发明的一个优选实施例中，所述大理石与萤石的质量比为1.5～2.0。
作为本发明第三方面的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的药皮的制备方法，其步骤是将固体组分各原料首先经过40目的筛子过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组分，按照固体组分质量的20～24％加入水玻璃，再搅拌均匀后，即制得药皮。
作为本发明第四方面的一种用于稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条，包括上述的焊芯和药皮。
作为本发明第五方面的一种830MPa级低合金高强度高韧性超低氢碱性焊条的制备方法，包括以下步骤：(1)将所述药皮中的固体组分混合均匀；(2)加入药皮中的液体成分，混合均匀后得到所述的药皮混合物；(3)将步骤(2)的药皮混合物搅拌均匀后压涂在所述焊芯上，在焊条生产设备上进行焊条制备。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的焊条焊接工艺性能极佳，熔深适中，飞溅很小，焊道成形美观；焊缝金属低温冲击韧性理想，适用于WEL-TEN80等高强度结构钢的焊接结构的焊接。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，进一步阐述本发明。
一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的焊芯，该焊芯所含元素的质量百分数如下：C：0～0.10％，Mn：1.00％～1.60％，Si：0～0.50％，Cr：0.30～1.50，Ni：1.75～2.50，Mo：0.30～0.55，S：0～0.010％，P：0～0.020％，余量为Fe。
一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条所使用的药皮，由固体组分和液体组分混合而成，所述液体组分的加入质量为固体组分质量的20～24％；所述固体组分按照质量百分含量包括以下组分：大理石：32～42％，萤石：15～25％，石英：2～8％，天然金红石：2～6％，铁粉：0～25％，电解金属锰：2～8％，稀土硅铁：2～7％，金属铬：2～6％，钼铁：1～4％，镍粉：3～6％。
上述固体组分按照质量百分含量也可以为以下组分：大理石34％，萤石22％，石英6％，天然金红石4％，铁粉14％，电解金属锰4％，稀土硅铁：5％，金属铬：4％，钼铁：3％，镍粉：5％。
液体组分是水玻璃(3:7钾钠、模数3.1M、波美度43°Beˊ)：此种有利于焊条电弧的稳定，同时又利于此配方焊条的压涂。经过试验，水玻璃的加入量占固体组分质量的20～24％；水玻璃为混合物，由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比3:7配制而成，也可向水玻璃生产厂家直接购买。
一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的制备方法，包括以下步骤：将固体组分各原料首先经过40目的筛子过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组分，按照固体组分质量的22～24％加入水玻璃，再搅拌均匀后形成湿料，通过常规焊条生产设备将其压涂在焊芯上制备出焊条。最后将压涂成形的焊条用常规烘焙工艺将焊条烘干即制备出所需焊条。
本发明药皮中各组分的主要作用如下：
1)大理石(CaCO3≥97％)：大理石主要起到的作用为造渣剂和造气剂，对焊接冶金反应影响较大。分解产生的CaO属于碱性氧化物。能提高熔渣的碱度，增强熔渣的脱S、脱P能力。但同也增加熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，粗化熔滴(量过大时，电弧吹力过大，飞溅增大)。经过试验并综合有利和不利因素，确定大理石的加入量在30～45％范围内。
2)萤石(CaF2≥95％)：萤石主要起到造渣和稀渣作用，它可降低碱性熔渣的熔点、粘度和表面张力，增加熔渣的流动性，亦可减少液体金属的吸氢量。但当CaCO3含量一定时，CaF2加入量过多时，将影响焊接电弧的稳定性，粗化熔滴。因此根据CaCO3/CaF2的最佳比值1.5～2.0，同时考虑CaF2对焊接工艺性能影响因素，控制萤石的加入量在15～25％的范围内。
3)石英(SiO2≥97％)：石英可用于调整熔渣的物化性质，降低熔渣的表面张力，改善焊道成形美观性，提高电弧电压，细化熔滴，提高焊条熔化系数。但加入量过多时，降低熔渣的碱度，恶化焊接冶金性，不利于获得力学性能理想的焊缝金属。经过试验并综合有利和不利因素，控制石英的加入量在2～8％范围内。
4)天然金红石(TiO2≥95％)：天然金红石具有稳弧和造渣作用，可调整熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性。适量的TiO2有利于全位置焊接，改善焊缝成形，减少飞溅，改善脱渣性。过多的TiO2将提高熔渣的熔点，缩小熔渣的凝固温度区间，使熔池内部气体逸出阻力增大，易形成气孔、夹杂等缺陷。经过试验并综合有利和不利因素，控制天然金红石的加入量在2～6％的范围内。
5)铁粉(Fe)：焊条配方中加入适量的铁粉，具有降低熔池温度，增加结晶速度，有利于获得细晶粒焊缝组织。同时也能提高焊条的熔敷效率，并改善焊接工艺性能。经过试验，铁粉的加入量控制在6～15％范围内。
6)电解金属锰(Mn≥99％)：Mn在焊条配方中主要起脱氧和合金化作用。Mn脱氧后的生成物为MnO，属于碱性氧化物，它提高熔渣的碱度，同时起造渣的作用。经过试验，电解金属锰的加入量在2～8％范围可满足焊缝金属Mn含量的控制要求。
7)稀土硅铁(Si含量为38％，Ce含量为14％)：Si在焊条配方中主要起脱氧和合金化作用。脱氧产物为SiO2，属酸性氧化物，它降低熔渣的碱度及熔渣中FeO的活度，同时起造渣作用。稀土Ce可与熔池中的溶解氧结合形成球状活性氧化物夹杂，可作为液、固态相变中异质形核剂，起到晶粒细化的作用。经过试验，控制稀土硅铁的加入量在2～7％的范围。
8)金属铬(Cr≥99％)：金属铬主要过渡Cr元素至焊缝金属中，起到合金化的作用。经过试验，金属铬的加入量为2～6％可满足焊缝金属化学成分要求。
9)钼铁(Mo≥55％)：钼铁主要过渡Mo元素至焊缝金属中，起到合金化的作用。经过试验，钼铁的加入量在1～4％时能满足焊缝金属化学成分要求。
10)镍粉(Ni≥99％)：镍粉主要过渡Ni元素至焊缝金属中，起到合金化的作用。经过试验，镍粉的加入量在3～6％时能满足焊缝金属化学成分要求。
实施例1
药皮的组分及其质量百分含量如下：大理石：35％，萤石：18％，石英4％，天然金红石3％，铁粉：22％，电解金属锰：4％，稀土硅铁：4％，金属铬：3％，钼铁：3％，镍粉：4％。
将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到40目以下，干粉搅拌均匀后加入占固体组分质量含量21％的3∶7钾钠水玻璃，再搅拌均匀后，通过常规焊条生产设备将其压涂在上述焊芯上制备出焊条。生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。
对焊条的熔敷金属化学成分检测得：C:0.056％、Mn：1.47％、Si：0.24％、Cr：1.33％、Ni：2.20％、Mo：0.47％、S:0.009％、P:0.010％。
常温力学性能Rm：862MPa，Rel：743MPa；-50℃平均KV2：67J；水银法测得的熔敷金属扩散氢含量为4.05ml/100g。
实施例2
药皮各组分的质量分数如下：大理石：37％，萤石：20％，石英5％，天然金红石4％，铁粉：10％，电解金属锰：6％，稀土硅铁：5％，金属铬：4％，钼铁：4％，镍粉：5％。
焊条的制备方法与实施例1相同，生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条的熔敷金属化学成分检测得C：0.049％、Mn：1.43％、Si：0.23％、Cr：1.30％、Ni：2.40％、Mo：0.51％、S：0.008％、P：0.010％。
常温力学性能Rm：852MPa，Rel：739MPa；-50℃平均KV2：60J；水银法测得的熔敷金属扩散氢含量为4.74ml/100g。
实施例3
药皮各组分的质量分数如下：大理石：40％，萤石：22％，石英5％，天然金红石3％，铁粉：2％，电解金属锰：7％，稀土硅铁：6％，金属铬：6％，钼铁：4％，镍粉：5％。
焊条的制备方法与实施例1相同，生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条的熔敷金属化学成分检测得C：0.047％、Mn：1.40％、Si：0.21、Cr：1.41％、Ni：2.45％、Mo：0.53％、S:0.008％、P:0.010％。
常温力学性能Rm：872MPa，Rel：725MPa；-50℃平均KV2：53J；水银法测得的熔敷金属扩散氢含量为3.81ml/100g。
对比实施例1-3的焊条直流反接焊接时，虽然工艺性能上稍有差别，但是总体操作性能良好，熔深适中，飞溅小，成形美观，其中实例2的焊条综合工艺性能最佳。
经实验测试所得焊条的熔敷金属化学成分、力学性能均能满足830MPa级低合金高强度结结构的焊接要求。熔敷金属扩散氢含量达到超低氢焊条水平。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的焊芯，其特征在于，所述焊芯选用H08E盘元，所述焊芯所含元素的质量百分数如下：C：0～0.10％，Mn：1.00％～1.60％，Si：0～0.50％，Cr：0.30～1.50，Ni：1.75～2.50，Mo：0.30～0.55，S：0～0.010％，P：0～0.020％，余量为Fe。
2.一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的药皮，其特征在于，由固体组分和液体组分混合而成，所述液体组分的加入质量为固体组分质量的20-24％；
所述固体组分按质量百分含量组成如下：大理石：32～42％，萤石：15～25％，石英：2～8％，天然金红石：2～6％，铁粉：0～25％，电解金属锰：2～8％，稀土硅铁：2～7％，金属铬：2～6％，钼铁：1～4％，镍粉：3～6％；
所述液体组分为水玻璃。
3.根据权利要求2所述的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的药皮，其特征在于，所使用水玻璃为由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比3:7配制而成。
4.根据权利要求2所述的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的药皮，其特征在于，所述固体组分按质量百分含量组成如下：大理石34％，萤石22％，石英6％，天然金红石4％，铁粉14％，电解金属锰4％，稀土硅铁：5％，金属铬：4％，钼铁：3％，镍粉：5％。
5.根据权利要求2所述的一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的药皮，其特征在于，所述大理石与萤石的质量比为1～1.5。
6.一种稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条，其特征在于，包括权利要求1所述的焊芯和权利要求2至5任一项权利要求的药皮。
7.一种权利要求6所述的稀土处理的830MPa级低合金高强度高韧性碱性焊条的制备方法，其特征在于该方法包括步骤：
(1)将所述药皮中的固体组分混合均匀；
(2)加入药皮中的液体成分，混合均匀后得到所述的药皮混合物；
(3)将步骤(2)的药皮混合物搅拌均匀后压涂在所述焊芯上，在焊条生产设备上进行焊条制备。
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