CN108971798B

CN108971798B - 混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝及制备方法

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Publication number: CN108971798B
Application number: CN201811145520.6A
Authority: CN
Inventors: 赵佳; 蒋勇; 明廷泽; 袁均山
Original assignee: ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2018-09-29
Filing date: 2018-09-29
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2038-09-29
Also published as: CN108971798A

Abstract

本发明公开了一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝及制备方法，该焊丝由外皮钢带和药芯组成，该药芯组成和含量为：天然金红石0.5‑2.0重量份、石英砂1.5‑6.0重量份、冰晶粉0.15‑0.5重量份、钛酸钾0.2‑0.6重量份、钛酸钠0.8‑1.3重量份、电解锰1.0‑1.7重量份、金属铬5.0‑7.0重量份、雾化铁粉5.0‑9.0重量份、镍粉2.5‑4.0重量份、锑华0.15‑0.3重量份、煅烧α氧化铝0.1‑0.4份、铝铁0.1‑0.3份。与现有的相比，本发明焊缝颜色纯正，成型美观，无需酸洗和后期打磨，适用于对焊接工艺性能和焊缝质量、美观度要求较高的SUS304、SUS304L钢的焊接。

Description

混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝及制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料领域技术，尤其涉及一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝、制备方法及焊接方法。

背景技术

我国焊材行业整体呈现集中度高，但企业数量也较多、两极分化较为明显的格局。在低端焊材产品领域，由于进入门槛较低，大量中小企业聚集在此，生产能力过剩，导致市场竞争极其激烈，获利水平低。近年来，随着钢材品质的提升及品种的完善，以及各类装备制造业、基础设施和重点工程品质提升，对焊接材料的性能和稳定性提出了更高的要求。作为焊接领域的新材料，我国药芯焊丝在焊材中的比重已经由2000年的0.5％增长为2016年的10％左右，但与发达国家的药芯焊丝占比尚存在一定差距。日后，高质量、自动化高和专用的药芯焊丝是我国该行业的总体发展趋势，也将成为企业的核心竞争力和优势所在。

SUS304、SUS304L钢因其良好的耐腐蚀性能和综合力学性能成为使用最广泛的奥氏体不锈钢。

CN201711233908.7公开了一种不锈钢药芯焊丝，其特征在于，由药芯和包裹药芯的不锈钢带组成，所述药芯占药芯焊丝总重量的18-28％，所述药芯包含以下质量百分比的组分：铬粉15-20％、金红石粉10-15％、镍粉5-10％、锰粉4-8％、长石粉4-8％、铝镁合金粉2-4％、钼铁粉2-4％、复合氮化物2-4％、复合氟化物0.5-2％、锑华0.5-1％、二氧化碲0.1-1％、氧化铈0.1-1％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；但该专利一方面需要改变焊丝制备工艺，另一方面其仅能用于双相钢焊接，不能用于奥氏体不锈钢焊接。

CN201711426148.1公开了一种铁素体不锈钢用金属粉芯型焊丝，由焊药和钢带构成，焊药包裹于钢带内，所述钢带是极低C、低P、S钢带；所述焊药占焊丝总重量的18～22％。本发明的金属粉芯型不锈钢药芯焊丝，焊缝组织为铁素体，通过其稳弧剂及钛铁的比例，搭配钢带规格，在形成焊丝后，能在一定的操作范围内，产生短电弧及稳定的射流过渡，使飞溅减少及焊道成型均匀，因其焊道表面几乎无渣，在厚板焊接中节省了大量的清渣时间，减少了工人的劳动强度，提高了焊接效率，特别适用于汽车排气***的焊接。虽然该专利中焊接也采用了混合气体焊接，但该专利中的焊丝适配于焊缝组织为铁素体，当将其用于焊缝金属组织为奥氏体的焊接时并不适配，焊接效果差，熔敷金属成分和理化性能不能满足304L、和304奥氏体钢的要求。

发明内容

本发明的目的之一就在于提供一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝及制备方法，该焊丝焊接工艺性能优异，焊缝颜色纯正，成型美观，无需酸洗和后期打磨，适用于对焊接工艺性能和焊缝质量及美观度要求较高的SUS304、SUS304L钢的焊接。

技术方案是：一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝及制备方法，该焊丝由外皮钢带和药芯组成，该药芯组成和含量为：天然金红石0.5-2.0重量份、石英砂1.5-6.0重量份、冰晶粉0.15-0.5重量份、钛酸钾0.2-0.6重量份、钛酸钠0.8-1.3重量份、电解锰1.0-1.7重量份、金属铬5.0-7.0重量份、雾化铁粉5.0-9.0重量份、镍粉2.5-4.0重量份、锑华0.02-0.1重量份、煅烧α氧化铝0.1-0.4份、铝铁0.05-0.2份。

作为优选，所述药芯重量为焊丝重量的22～28％。

作为优选，所述外皮钢带包含以下成分：C≤0.02％、Mn≤2.0％、Si≤0.50％、Cr18～20.0％、Ni 8.0～12.0％；Cu≤0.20％、S≤0.01％、P≤0.025％、N≤0.06％、Mo≤0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

作为优选，所述外皮钢带包含以下成分：C 0.014％、Mn 1.33％、Si 0.29％、Cr18.63％、Ni 8.40％、Cu 0.001％、S 0.0023％、P 0.013％、N 0.025％、Mo 0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质。

作为优选，所述天然金红石0.8重量份、石英砂4.5重量份、冰晶粉0.25重量份、钛酸钾0.4重量份、钛酸钠1.2重量份、电解锰1.4重量份、金属铬5.5重量份、雾化铁粉8.06重量份、镍粉2.5重量份、锑华0.04重量份、煅烧α氧化铝0.1重量份、铝铁0.25重量份。

作为优选，所述天然金红石1.0重量份、石英砂5.6重量份、冰晶粉0.43重量份、钛酸钾0.2重量份、钛酸钠0.97重量份、电解锰1.7重量份、金属铬5.0重量份、雾化铁粉6.62重量份、镍粉3.0重量份、锑华0.06重量份、煅烧α氧化铝0.3重量份、铝铁0.12重量份。

作为优选，所述天然金红石为含TiO₂ 96.52％、S 0.022％、P 0.027％的天然金红石，石英砂为含SiO₂ 99.4％、Al₂ O₃ 0.33％、S 0.019％、P 0.023％的石英砂，冰晶粉为含F53.5％、含Al 14％、含Na 31％的冰晶粉，钛酸钾为含K₂O 26.43％、TiO₂ 58.21％、S0.02％、P 0.024％的钛酸钾，钛酸钠为含Na₂O 16.57％、TiO₂ 75.29％、S 0.021％、P0.054％的钛酸钠，电解锰为含Mn 99.7％、C 0.035％、S 0.017％、P 0.017％的电解锰，金属铬为含Cr 98.9％、C 0.012％、S 0.016％、P 0.008％的金属铬，雾化铁粉为含Fe98.9％、C 0.026％、S 0.015％、P 0.014％的雾化铁粉，镍粉为含Ni 99.7％、C 0.008％、S0.007％、P 0.007％的镍粉，锑华为含Sb₂O₃ 99.08％的锑华，煅烧α氧化铝为含Al₂O₃99.95％的煅烧α氧化铝，铝铁为含Al 53.94％、S 0.006％、P 0.01％的铝铁。

作为优选，所述药芯焊丝用于焊接，焊接熔敷金属的化学成分为：C 0.024-0.030％、Mn1.29-1.71％、Si 0.48-0.69％、S 0.0027-0.0031％、P 0.012-0.013％、Cr18.57-19.69％、Ni 9.24-9.98％、Mo 0.037-0.038％、N 0.021％-0.028％、Cu 0.012-0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的目的之二在于提供一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝的制备方法。

技术方案是：一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝的制备方法，包括以下步骤：

①将药芯各组分混合均匀后待用；

②将混合后的药芯在200～250℃条件下保温2～4小时并在搅拌均匀后采用精密成型工艺将药芯包裹在超低碳不锈钢钢带中，通过纯CRD拉拔减径至规定的焊丝直径，再进行在线退火消除加工硬化和将焊丝表面油污碳化后予以清洁处理，随后在焊丝表面均匀涂覆一层润滑剂以保证焊丝的送丝性能，最后经过密排层绕制成焊丝。

本发明的目的之三在于提供一种混合气体保护奥氏体不锈钢的焊接方法。

技术方案是：一种混合气体保护奥氏体不锈钢的焊接方法，该焊接方法采用上述的专用焊丝焊接该奥氏体不锈钢，焊接采用富氩气混合气体保护焊接。

本发明中，金红石粉的作用主要是稳定电弧并造渣，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。在本发明中加入的金红石粉对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。石英砂的主要作用是造渣、调整熔渣的酸碱度、粘度、表面张力和流动性。冰晶粉的主要作用是除氢以提升焊丝的抗气孔敏感性和平衡电离电位及熔渣熔点。钛酸钾中含有二氧化钛和氧化钾，造渣的同时可调整电弧稳定性和熔渣的熔点及流动性。钛酸钠中含有二氧化钛和氧化钠，造渣的同时可调整电弧和熔渣的熔点及流动性。电解锰是药芯中主要的脱氧剂和脱硫剂，并能够提高焊缝的淬性，改善热加工性能。金属铬的主要作用是向焊缝中过渡铬元素提高焊缝的抗氧化性和耐腐蚀性能。镍粉的主要作用是向焊缝中过渡镍元素，提高焊缝的塑性和韧性，保持高温下的防锈和耐热性能。锑华具有较低的线膨胀系数，是良好的表面活性剂。煅烧α氧化铝是经过高温煅烧的氧化铝，可以调整熔渣的酸碱度和熔渣黏度及流动性。铝铁中的铝是较活泼的合金在药芯焊丝先期反应阶段和氧气进行反应实现先期脱氧降低氧化性的效果。

发明原理及有益效果：

本发明304L型不锈钢药芯焊丝因其具有工艺性能优良、力学性能稳定、生产效率高和综合成本低等特点，可广泛应用于石化、压力容器、造船、钢结构和工程机械等行业。药芯焊丝气保护焊接时，采用混合气体比单纯采用CO₂保护气体焊接时获得的电弧更平稳、飞溅更小，焊缝质量大大提高，同时降低了焊后清理的时间，也改善了超声波焊缝的检测成本。使用混合气体与使用CO2保护气体施焊相比，它的热传导能力较低，因此它能保持熔池的热度和液态状态。这能使熔池的反应更彻底，焊缝焊脚部分更轻易融化充分，当进行非凡位置焊接时(比如上坡焊或仰焊时)，混合气体具有更大的吸引力，因为技术欠佳的焊工也能更好控制电弧和熔池，间接提高了生产效率。

本发明采用渣、气联合保护的不锈钢药芯焊丝，焊缝金属组织为奥氏体，通过调整药芯酸、碱氧化物配比，钛酸钾、钛酸钠和氟化物配比的方法使焊丝具有良好的焊接工艺性能，特别适配奥氏体不锈钢焊接。

本发明通过调整药芯中酸性、碱性氧化物的配比，使熔池内的气体在熔渣凝固前及时逸出，且熔渣凝固后形成的渣层均匀覆盖焊缝有效保护焊缝免受外部环境的侵蚀；通过调整钛酸钾、钛酸钠和冰晶粉的配比，使焊接电弧燃烧稳定，熔滴过渡连续，焊接过程中几乎不产生飞溅；最终形成的焊缝颜色纯正，成型美观，无需酸洗和后期打磨，适用于对焊接工艺性能和焊缝质量及美观度要求较高的SUS304、SUS304L钢的焊接。

定义及解释

％-如无特别说明，该符号为质量百分比。

如无特别说明，本发明中采用的物品均为市售产品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

选取75kg的超低碳不锈钢钢带，以质量百分比计，所述超低碳不锈钢钢带包含以下成分(wt％)：C 0.014％、Mn 1.33％、Si 0.29％、Cr 18.63％、Ni 8.40％、Cu 0.001％、S0.0023％、P 0.013％、N 0.025％、Mo 0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质。

药芯中各组分的重量如下：含TiO₂ 96.52％、S 0.022％、P 0.027％的天然金红石0.8kg；含SiO₂ 99.4％、Al₂ O₃ 0.33％、S 0.019％、P 0.023％的石英砂4.5kg；含F 53.5％、含Al 14％、含Na 31％的冰晶粉0.25kg；含K₂O 26.43％、TiO₂ 58.21％、S 0.02％、P0.024％的钛酸钾0.4kg；含Na₂O 16.57％、TiO₂ 75.29％、S 0.021％、P 0.054％的钛酸钠1.2kg；含Mn 99.7％、C 0.035％、S 0.017％、P 0.017％的电解锰1.4kg；含Cr 98.9％、C0.012％、S 0.016％、P 0.008％的金属铬5.5kg；含Fe 98.9％、C 0.026％、S 0.015％、P0.014％的雾化铁粉8.06kg；含Ni 99.7％、C 0.008％、S 0.007％、P 0.007％的镍粉2.5kg；含Sb₂O₃ 99.08％的锑华0.04kg；含Al₂O₃ 99.95％的煅烧α氧化铝0.1kg；含Al 53.94％、S0.006％、P 0.01％的铝铁0.25kg。

按照配比将上述药芯的各组分混合均匀得到药芯，将上述药芯在200～250℃条件下保温2～4小时并在搅拌均匀后采用现有成型工艺将药芯包裹在超低碳不锈钢钢带中，通过纯CRD精确拉拔减径至规定的焊丝直径，再进行在线退火消除加工硬化和将焊丝表面油污碳化后予以清洁处理，随后在焊丝表面均匀涂覆一层润滑剂以保证焊丝的送丝性能，最后经过密排层绕制成1#药芯焊丝。

将上述1#药芯焊丝按照GB/T17853-1999、AWS A5.22进行焊接工艺评定和熔敷金属焊接试验。焊接主体母材为SUS304L奥氏体不锈钢。

焊接工艺评定结果如下：1#药芯焊丝的焊接电弧稳定、焊缝尺寸规则成形美观、颜色纯正、母材周边无飞溅物、脱渣良好、熔敷效率为91.13％。

熔敷金属的成分为：C 0.024wt％、Mn 1.39wt％、Si 0.48wt％、S 0.0031wt％、P0.012wt％、Cr 18.72wt％、Ni 9.29wt％、Mo 0.037wt％、N 0.021wt％、Cu 0.015wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

熔敷金属的力学性能：(1)在常温下的X射线探伤等级为I级，抗拉强度Rm 602MPa，延伸率A 38％；(2)按照GB/T 4334-2008E法，不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法测定该药芯焊丝焊缝金属无晶间腐蚀倾向。

实施例2：

本实施例除药芯中各组分的重量不同外，其余条件及制造过程与实施例1均相同，得到2#药芯焊丝。

其中，本实施例选取超低碳不锈钢钢带75kg，取药芯，药芯中各组分的重量如下：含TiO₂ 96.52％、S 0.022％、P 0.027％的天然金红石1.0kg；含SiO₂ 99.4％、Al₂ O₃0.33％、S 0.019％、P 0.023％的石英砂5.6kg；含F 53.5％、含Al 14％、含Na 31％的冰晶粉0.43kg；含K₂O 26.43％、TiO₂ 58.21％、S 0.02％、P 0.024％的钛酸钾0.2kg；含Na₂O16.57％、TiO₂ 75.29％、S 0.021％、P 0.054％的钛酸钠0.97kg；含Mn 99.7％、C 0.035％、S 0.017％、P 0.017％的电解锰1.7kg；含Cr 98.9％、C 0.012％、S 0.016％、P 0.008％的金属铬5kg；含Fe 98.9％、C 0.026％、S 0.015％、P 0.014％的雾化铁粉6.62kg；含Ni99.7％、C 0.008％、S 0.007％、P 0.007％的镍粉3kg；含Sb₂O₃ 99.08％的锑华0.06kg；含Al₂O₃ 99.95％的煅烧α氧化铝0.3kg；含Al 53.94％、S 0.006％、P 0.01％的铝铁0.12kg。

将上述2#药芯焊丝按照GB/T17853-1999、AWS A.22进行焊接工艺评定和熔敷金属焊接试验。

焊接工艺评定结果如下：2#药芯焊丝的焊接电弧稳定、焊缝尺寸规则成形美观、颜色纯正、母材周边无飞溅物、脱渣良好、熔敷效率为90.54％。

熔敷金属的成分为：C 0.030wt％、Mn 1.51wt％、Si 0.49wt％、S 0.0027wt％、P0.013wt％、Cr 18.57wt％、Ni 9.87wt％、Mo 0.038wt％、N 0.021wt％、Cu 0.012wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质。熔敷金属的力学性能：(1)在常温下的X射线探伤等级为I级，抗拉强度Rm 574MPa，延伸率A 39％；(2)按照GB/T 4334-2008E法，不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法测定该药芯焊丝焊缝金属无晶间腐蚀倾向。

综上所述，本发明研发的一种混合气体保护奥氏体不锈钢药芯焊丝同时满足GB/T17853标准、AWS A5.22标准中E308LT1-4型药芯焊丝相应技术要求。该药芯焊丝焊接电弧燃烧稳定，熔滴过渡连续，焊接过程中几乎不产生飞溅；最终形成的焊缝颜色纯正，成型美观，无需酸洗和后期打磨，适用于对焊缝质量和美观度要求较高的SUS304、SUS304L钢的焊接。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，该焊丝由外皮钢带和药芯组成，其特征在于该药芯组成和含量为：天然金红石0.5-2.0重量份、石英砂1.5-6.0重量份、冰晶粉0.15-0.5重量份、钛酸钾0.2-0.6重量份、钛酸钠0.8-1.3重量份、电解锰1.0-1.7重量份、金属铬5.0-7.0重量份、雾化铁粉5.0-9.0重量份、镍粉2.5-4.0重量份、锑华0.02-0.1重量份、煅烧α氧化铝0.1-0.4重量份、铝铁0.05-0.2重量份；所述外皮钢带包含以下成分：C≤0.02％、Mn≤2.0％、Si≤0.50％、Cr 18～20.0％、Ni 8.0～12.0％；Cu≤0.20％、S≤0.01％、P≤0.025％、N≤0.06％、Mo≤0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质，％指质量百分比。

2.根据权利要求1所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，其特征在于：所述药芯重量为焊丝重量的22～28％。

3.根据权利要求1所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，其特征在于所述外皮钢带包含以下成分：C 0.014％、Mn 1.33％、Si 0.29％、Cr 18.63％、Ni 8.40％、Cu0.001％、S 0.0023％、P 0.013％、N 0.025％、Mo 0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质，％指质量百分比。

4.根据权利要求1-3任一所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，其特征在于：所述天然金红石1.0重量份、石英砂5.6重量份、冰晶粉0.43重量份、钛酸钾0.2重量份、钛酸钠0.97重量份、电解锰1.7重量份、金属铬5.0重量份、雾化铁粉6.62重量份、镍粉3.0重量份、锑华0.06重量份、煅烧α氧化铝0.3重量份、铝铁0.12重量份。

5.根据权利要求1-3任一所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，其特征在于：所述天然金红石为含TiO₂ 96.52％、S 0.022％、P 0.027％的天然金红石，石英砂为含SiO₂99.4％、Al₂O₃ 0.33％、S 0.019％、P 0.023％的石英砂，冰晶粉为含F 53.5％、含Al 14％、含Na 31％的冰晶粉，钛酸钾为含K₂O 26.43％、TiO₂ 58.21％、S 0.02％、P 0.024％的钛酸钾，钛酸钠为含Na₂O 16.57％、TiO₂75.29％、S 0.021％、P 0.054％的钛酸钠，电解锰为含Mn99.7％、C 0.035％、S 0.017％、P 0.017％的电解锰，金属铬为含Cr 98.9％、C 0.012％、S0.016％、P 0.008％的金属铬，雾化铁粉为含Fe 98.9％、C 0.026％、S 0.015％、P 0.014％的雾化铁粉，镍粉为含Ni 99.7％、C 0.008％、S 0.007％、P 0.007％的镍粉，锑华为含Sb₂O₃99.08％的锑华，煅烧α氧化铝为含Al₂O₃ 99.95％的煅烧α氧化铝，铝铁为含Al 53.94％、S0.006％、P 0.01％的铝铁，％指质量百分比。

6.根据权利要求1-3任一所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝，其特征在于：所述焊丝用于焊接，焊接熔敷金属的成分为：C 0.024-0.030％、Mn 1.29-1.71％、Si 0.48-0.69％、S 0.0027-0.0031％、P 0.012-0.013％、Cr 18.57-19.69％、Ni 9.24-9.98％、Mo0.037-0.038％、N 0.021％-0.028％、Cu 0.012-0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质，％指质量百分比。

7.一种权利要求1至6任一权利要求所述的混合气体保护奥氏体不锈钢专用焊丝的制备方法，包括以下步骤：

①将药芯各组分混合均匀后待用；

8.一种奥氏体不锈钢的焊接方法，该焊接方法采用权利要求1-6任一所述的专用焊丝焊接该奥氏体不锈钢，焊接采用富氩气混合气体保护焊接。