CN117444464B - 一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝及其制备方法和应用。含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35%~40%，低碳锰铁合金粉10%~14%，钛铁合金粉3%~4%，镁粉0.01%~0.2%，铝粉1%~2%，钼铁合金粉0.5%~1%，硼铁合金粉0.1%~1%，CaF2‑SiO2熔炼焊剂35%~40%，硅铁合金粉0.5%~1%和镍粉4%~6%；CaF2‑SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计58%~62%的CaF2和38%~42%的SiO2制成。该药芯焊丝可以在保证较高熔敷率的前提下，提高针状铁素体含量。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
在当前的造船业、航空工业、汽车制造业等制造业大环境中，更好的质量、更大的吨位要求逐渐成为了以后的主要发展趋势，由于中厚板钢作为主要的结构钢，用传统的焊接手段往往不能一次性焊接成型而需要多次多道焊，这大大增加了时间和劳动成本。在此背景下，大热输入焊接技术得到了广泛应用。通常将焊接热输入量≥50kJ/cm的焊接方法定义为大线能量焊接，目前气电立焊、电渣焊、埋弧焊等大线能量焊接方法已在中厚板相关制造领域中得到广泛应用，焊接线能量的增加可以缩短焊接工时，提高焊接效率。其中，气电立焊在船体装焊中频繁使用，全机械化气电立焊可大大提高焊接效率，就装焊而言，气电立焊比手工焊、半自动焊更适用于厚板焊接。
但是，就焊缝组织而言，由于气电立焊较高的热输入，焊缝热影响区往往比较大，且焊缝及热影响区的微观组织中粗晶比较多，导致焊缝低温冲击韧性较差，不能满足船板结构的性能要求。
为了解决焊接线能量的提高为焊接带来的负面影响，现有技术研制了热输入量大于400kJ/cm的EH36、EH420等船板结构钢。然而，能够真正投入使用并适用于大线能量气电立焊的配套药芯焊丝鲜有生产，这使得气电立焊造价成本高昂，不利于普遍使用。
并且，目前的药芯焊丝大多采用纯金属芯型的药芯焊丝，此类药芯焊丝虽然熔敷率较高，但微观组织及力学性能方面达不到产业及客户端需求。
因此急需开发一种在满足熔敷率条件下，能够使焊缝具备优良微观组织的气电立焊药芯焊丝。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，该药芯焊丝通过加入较高含量的CaF2-SiO2熔炼焊剂，并与钛铁合金、镁粉等组分协同作用，用于焊接低合金高强度钢，不仅具备较高的熔敷率，使焊缝具有良好的成型性，而且还具有优异的稳弧性和主要为针状铁素体组成的微观组织，采用该药芯焊丝焊接后所得焊缝金属成分和组织均匀，无气孔、咬边、未熔合等缺陷。
本发明的第二目的在于提供一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，通过采用CaF2-SiO2熔炼焊剂与低碳锰铁合金粉、钛铁合金粉、镁粉、铝粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉等组分配合，可以在保证较高熔敷率的前提下，促进更多针状铁素体的产生。
本发明的第三目的在于提供一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝在焊接低合金高强度钢中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明首先提供了一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，包括外皮和填充在所述外皮内的药芯粉，所述药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35%~40%，低碳锰铁合金粉10%~14%，钛铁合金粉3%~4%，镁粉0.01%~0.2%，铝粉1%~2%，钼铁合金粉0.5%~1%，硼铁合金粉0.1%~1%，CaF2-SiO2熔炼焊剂35%~40%，硅铁合金粉0.5%~1%和镍粉4%~6%；
其中，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计58%~62%的CaF2和38%~42%的SiO2制成。
优选地，所述低碳锰铁合金粉包括FeMn88C0.2、FeMn84C0.4和FeMn88C0.7中的至少一种。
优选地，所述钛铁合金粉包括FeTi73、FeTi70-A、FeTi70-B和FeTi70-C中的至少一种。
优选地，所述钼铁合金粉包括FeMo70、FeMo60-A和FeMo60-B中的至少一种。
优选地，所述硼铁合金粉包括FeB22C0.05、FeB20C0.05和FeB18C0.1中的至少一种。
优选地，所述硅铁合金粉包括FeSi45、FeSi45-1、FeSi45-2和FeSi75中的至少一种。
优选地，所述外皮的材料包括低碳钢。
优选地，所述药芯粉的粒度为60目~100目。
优选地，所述药芯焊丝中所述药芯粉的填充率为21%~24%。
优选地，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂的制备方法包括如下步骤：将CaF2和SiO2混合后于1550℃~1600℃的温度下进行熔炼，然后水淬，得到所述CaF2-SiO2熔炼焊剂。
优选地，采用所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝对低合金高强度钢进行焊接后所得到的焊接接头中的针状铁素体占比≥50%。
优选地，所述焊接的线能量为150kJ/cm~200kJ/cm。
优选地，所述焊接的速度为38mm/min~45mm/min。
优选地，所述焊接采用直流反接，焊接电流为320A~360A，焊接电压为34V~38V。
优选地，所述焊接的方法为气电立焊。
本发明进一步提供了所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将铁粉、低碳锰铁合金粉、钛铁合金粉、镁粉、铝粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉、CaF2-SiO2熔炼焊剂、硅铁合金粉和镍粉混合，得到药芯粉；
将所述药芯粉填充至外皮中，并使所述外皮包裹所述药芯粉，然后进行拉拔减径，得到所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
本发明还提供了所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝在焊接低合金高强度钢中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，通过加入较高含量的CaF2-SiO2熔炼焊剂，并与钛铁合金、镁粉等组分协同作用，用于焊接低合金高强度钢，熔敷率高达90%以上，使焊缝具有良好的成型性，而且还具有优异的稳弧性和主要为针状铁素体组成的微观组织，采用该药芯焊丝焊接后所得焊缝金属成分和组织均匀，无气孔、无夹杂、咬边、未熔合等缺陷。
（2）本发明提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，由于经熔炼水淬后CaF2-SiO2熔炼焊剂呈非晶态的特点，药芯粉在混合以及焊丝在拉拔过程中不会出现成分分布不均的现象，相较于传统的机械混合的方式，采用CaF2-SiO2熔炼焊剂可以更加确保药芯粉中的成分均匀性，且该焊丝利用“氧化物冶金”的理论，在大线能量焊接后的焊缝组织中会产生大量氧化物夹杂物，从而抑制先共析体的生成并诱导针状铁素体形成，有效解决了大热输入下的晶粒粗化问题，进而提高了焊缝的低温冲击韧性。
（3）本发明提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，可以完善船板钢大线能量焊接配套焊材的供给，实现较大焊接线能量下得到以针状铁素体为主的焊缝金属。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例5提供的焊接后所得焊缝的宏观形貌图；
图2为本发明实施例5提供的焊接后所得的焊缝的微观组织图片；
图3为本发明对比例1提供的焊接后所得的焊缝宏观形貌图；
图4为本发明对比例1提供的焊接后所得的焊缝的微观组织图片。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如果没有特别的说明，在本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”、“第四方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。
如果没有特别的说明，本发明所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明，在本发明中，“一种或多种”或“至少一种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。其中，“几种”指任两种或任两种以上。
第一方面，本发明提供了一种用于焊接低合金高强度钢的气电立焊用含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，包括外皮和填充在所述外皮内的药芯粉，即药芯焊丝由外皮包裹药芯粉制成。
其中，所述药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35%~40%，低碳锰铁合金粉10%~14%，钛铁合金粉3%~4%，镁粉0.01%~0.2%，铝粉1%~2%，钼铁合金粉0.5%~1%，硼铁合金粉0.1%~1%，CaF2-SiO2熔炼焊剂35%~40%，硅铁合金粉0.5%~1%和镍粉4%~6%。
药芯粉中，铁粉按照质量百分比计包括但不限于35%、36%、37%、38%、39%、40%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；低碳锰铁合金粉按照质量百分比计包括但不限于10%、11%、12%、13%、14%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；钛铁合金粉按照质量百分比计包括但不限于3%、3.2%、3.5%、3.8%、4%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；镁粉按照质量百分比计包括但不限于0.01%、0.03%、0.05%、0.08%、0.1%、0.12%、0.15%、0.18%、0.2%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；铝粉按照质量百分比计包括但不限于1%、1.2%、1.4%、1.5%、1.8%、2%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；钼铁合金粉按照质量百分比计包括但不限于0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；硼铁合金粉按照质量百分比计包括但不限于0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；CaF2-SiO2熔炼焊剂按照质量百分比计包括但不限于35%、36%、37%、38%、39%、40%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；硅铁合金粉按照质量百分比计包括但不限于0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；镍粉按照质量百分比计包括但不限于4%、4.3%、4.5%、4.8%、5%、5.2%、5.5%、5.8%、6%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
药芯粉采用上述范围的用量配比，可以提高焊接接头针状铁素体的占比并改善焊缝成形性，并有利于提高焊缝金属成分和组织的均匀性。
其中，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计58%~62%的CaF2和38%~42%的SiO2制成。
CaF2-SiO2熔炼焊剂中，CaF2按照质量百分比计包括但不限于58%、59%、60%、61%、62%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；SiO2按照质量百分比计包括但不限于38%、39%、40%、41%、42%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
目前的气电立焊用药芯焊丝大多为纯金属芯型，此类药芯焊丝熔敷率较高，但微观组织及力学性能方面无法满足需求，或者强度级别与母材无法实现高强或等强匹配原则。而本发明在药芯粉中加入适量的CaF2-SiO2熔炼焊剂，能在保证较高的熔敷率的前提下，使焊缝具备优良微观组织，微观组织主要由针状铁素体组成，采用该药芯焊丝焊接后所得焊缝金属成分和组织均匀，无气孔、咬边、未熔合等缺陷。
其中，SiO2作为造渣剂能向焊缝金属中过渡氧和Si元素，以诱导焊缝金属中产生更多的有效夹杂物，促进针状铁素体形核，同时增加焊缝金属的显微硬度和强度。
CaF2起到调控焊剂粘度的作用，使得熔炼焊剂在气电立焊过程中能够及时排出焊缝而不至于堵塞焊道。并且，CaF2还能提高焊剂的碱度，降低焊剂氧势及焊缝金属的氧含量，优化熔渣的物理和化学性能，尤其是高温粘度的控制以及表面张力，优化焊缝的成形性，提高焊缝的抗拉强度与低温韧性。
相较于分别加入CaF2和SiO2，本发明在药芯粉中加入CaF2-SiO2熔炼焊剂，熔炼后二者在药芯粉中的均匀性更好，能够有效避免在药芯粉中因密度不同而导致的不均匀性，从而使焊缝金属的成分更加均匀。
本发明基于氧化物冶金理论，在纯金属芯型药芯焊丝的基础上在药芯粉中添加了适量的CaF2-SiO2熔炼焊剂，通过SiO2向焊缝金属中过渡O元素和Si元素，促使熔池在凝固及固态相变过程中形成特定成分的氧化物型夹杂物，为针状铁素体提供形核位点，并以此抑制贝氏体、魏氏体、晶界铁素体等粗大组织的形成。针状铁素体通常呈细长的针状，由于其具有良好的互锁性而能够使金属基体具备良好的韧性及较高的强度而成为焊缝金属中最有益于性能的结构，能够有效解决因焊接线能量高而导致的晶粒粗大、组织恶化的问题。
可见，本发明通过采用特定的组分并采用特定的配比制得的药芯焊丝是一种焊接过程稳定、焊缝宏观形貌优良、焊缝金属组织均匀，能够获得以针状铁素体为主的微观组织的药芯焊丝，其用于焊接HSLA钢焊接效果好。
本发明提供的药芯粉中的各组分，主要起到如下作用：
铁粉：焊缝金属的主要填充元素，是主要的填充剂。
硅铁合金粉、低碳锰铁合金粉：Si是强铁素体形成元素，Si除在铁素体和奥氏体中提高固溶强化的作用外，还具有脱氧作用，降低焊缝中的氧含量，降低氧对焊缝金属的不利作用。Mn是稳定奥氏体元素，降低Ms点，提高淬透性；并且，Mn还是良好的脱氧剂和脱硫剂，Mn与Si联合作用有利于降低焊缝中的氧含量，与S结合形成MnS，防止低熔点的FeS形成，防止焊缝金属中产生热裂纹的倾向，提高焊缝的抗热裂纹的能力。此外，Mn和铁能够形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度，同时又是弱碳化物形成元素，取代渗碳体中的部分Fe，形成复合渗碳体。但是过量的Mn含量将使钢的晶粒粗化，使钢的延展性降低，韧性下降。
镁粉、铝粉：脱氧，增加渣的松脆度，促进脱渣，提高电弧稳定性。
镍粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉、钛铁合金粉：抑制先共析铁素体的生成，促进针状铁素体形核，改善并提高熔敷金属的低温冲击韧性，提高电弧稳定性。
CaF2-SiO2熔炼焊剂：CaF2减少焊缝中的氢含量，减少焊缝中氢气孔的形成，有利于提高低温韧性，但CaF2太少会导致熔渣分布不均匀，焊缝成形性差，反之，CaF2含量太多也会影响焊缝成形，并且使电弧不稳定。SiO2可以提高熔渣粘度，增大焊缝深宽比，焊缝组织中的二次先共析铁素体减少，针状铁素体增多。
一些具体的实施方式中，所述低碳锰铁合金粉包括FeMn88C0.2、FeMn84C0.4和FeMn88C0.7中的至少一种。
一些具体的实施方式中，所述钛铁合金粉包括FeTi73、FeTi70-A、FeTi70-B和FeTi70-C中的至少一种。
一些具体的实施方式中，所述钼铁合金粉包括FeMo70、FeMo60-A和FeMo60-B中的至少一种。
一些具体的实施方式中，所述硼铁合金粉包括FeB22C0.05、FeB20C0.05和FeB18C0.1中的至少一种。
一些具体的实施方式中，所述硅铁合金粉包括FeSi45、FeSi45-1、FeSi45-2和FeSi75中的至少一种。
一些具体的实施方式中，所述外皮的材料包括低碳钢。
一些具体的实施方式中，所述药芯粉的粒度为60目~100目，包括但不限于65目、70目、75目80目、85目、90目、95目中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
采用上述粒度范围的药芯粉有利于保证药芯粉的流动性，使得药芯焊丝在制作过程中不易被拉断，且成分均匀。
一些具体的实施方式中，所述药芯焊丝中所述药芯粉的填充率为21%~24%，包括但不限于21%、21.5%、22%、22.5%、23%、23.5%、24%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
其中，填充率是指药芯粉的质量占药芯焊丝总质量的百分比。
一些具体的实施方式中，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂的制备方法包括如下步骤：将CaF2和SiO2混合后于1550℃~1600℃的温度下进行熔炼，然后水淬，得到所述CaF2-SiO2熔炼焊剂。
其中，熔炼的温度包括但不限于1560℃、1570℃、1580℃、1590℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
经熔炼水淬后CaF2-SiO2熔炼焊剂呈非晶态的特点，因此药芯粉在混合以及焊丝在拉拔过程中不会出现成分分布不均的现象。相较于传统的机械混合的方式，采用CaF2-SiO2熔炼焊剂可以更加确保药芯粉中的成分均匀性。
一些具体的实施方式中，熔炼的保温时间为30min~40min，包括但不限于30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min、40min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，熔炼所用的设备包括坩埚，优选为石墨坩埚。
一些具体的实施方式中，水淬后将水淬后材料在200℃~250℃的烘干温度下烘干3h~6h。其中，烘干温度包括但不限于205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
一些具体的实施方式中，采用所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝对低合金高强度钢进行焊接后所得到的焊接接头中的针状铁素体占比≥50%，包括但不限于50%、52%、55%、56%、58%、60%、61%、63%、65%、68%、70%、72%、75%、78%、80%中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
其中，低合金高强度钢即高强度低合金结构钢，简称HSLA钢，属于海洋工程用钢的主要种类。
采用含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接后所得到的焊缝具有主要为针状铁素体组成的微观组织。
该含有熔炼造渣剂的药芯焊丝能够应用于大于150kJ/cm线能量下气电立焊的焊接环境，对应于中厚板HSLA钢的焊接，其焊缝金属能够得到以针状铁素体为主的微观组织，焊缝成型性良好，组织均匀。
一些具体的实施方式中，所述焊接的线能量为150kJ/cm~200kJ/cm；包括但不限于150kJ/cm、155kJ/cm、160kJ/cm、165kJ/cm、170kJ/cm、175kJ/cm、180kJ/cm、185kJ/cm、190kJ/cm、195kJ/cm、200kJ/cm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
焊接工艺的具体焊接参数是控制和改善焊接成型性和微观组织的重要手段之一，本发明通过采用上述范围的焊接线能量，有利于进一步提高焊缝的均匀性及其形貌。
一些具体的实施方式中，所述焊接的速度为38mm/min~45mm/min；包括但不限于39mm/min、40mm/min、41mm/min、42mm/min、43mm/min、44mm/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
采用上述范围的焊接速度，有利于进一步提高焊缝的均匀性及其形貌。
一些具体的实施方式中，所述焊接采用直流反接，焊接电流为320A~360A，包括但不限于325A、330A、335A、340A、345A、350A、355A中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；焊接电压为34V~38V，包括但不限于35V、36V、37V中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
采用上述范围的焊接电流和电压，可进一步提高焊缝的均匀性及其形貌。
一些具体的实施方式中，所述焊接的方法为气电立焊。
第二方面，本发明提供了所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将铁粉、低碳锰铁合金粉、钛铁合金粉、镁粉、铝粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉、CaF2-SiO2熔炼焊剂、硅铁合金粉和镍粉混合均匀，得到药芯粉。
将低碳钢压制成U型后，将所述药芯粉填充至U型的外皮中，并使所述外皮包裹所述药芯粉，然后进行拉拔减径，得到所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
本发明提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，通过采用CaF2-SiO2熔炼焊剂、低碳锰铁合金粉、钛铁合金粉、镁粉、铝粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉等组分配合，可以在保证较高熔敷率的前提上，促进更多针状铁素体的产生。
并且，该方法制得的药芯焊丝可以优化焊接过程中的电弧稳定性和焊缝金属的成分均匀性。
一些具体的实施方式中，外皮的材料包括低碳钢。
一些具体的实施方式中，低碳钢包括冷轧低碳钢。
一些具体的实施方式中，将低碳钢压制成U型外皮，再将药芯粉填充至U型外皮内，最后将U型外皮的U型槽合口并包裹药芯粉，然后进行拉拔、减径和装盘。
一些具体的实施方式中，药芯粉的粒度为60目~100目。
一些具体的实施方式中，选择粒度为60目~100目的各原料，将各原料混合均匀后得到粒度为60目~100目的药芯粉；或者，选择任意粒度的各原料，将各原料混合并研磨，再进行筛分，得到得到粒度为60目~100目的药芯粉。
一些具体的实施方式中，研磨的转速为330r/min~350r/min，研磨的时间为6h~10h。
一些具体的实施方式中，研磨的方法包括但不限于球磨。
第三方面，本发明提供了所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝在焊接低合金高强度钢中的应用。
采用本发明提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝对低合金高强度钢进行气电立焊焊接，不仅具备较高的熔敷率，使焊缝具有良好的成型性，而且还具有优异的稳弧性和主要为针状铁素体组成的微观组织，采用该药芯焊丝焊接过程中电弧稳定，无飞溅，焊接后所得焊缝金属成分和组织均匀，无气孔、咬边、未熔合等缺陷，可以完善船板钢大线能量焊接配套焊材的供给，实现较大焊接线能量下得到以针状铁素体为主的焊缝金属。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉36.5%，低碳锰铁合金粉12%，钛铁合金粉3%，镁粉0.2%，铝粉1.5%，钼铁合金粉0.8%，硼铁合金粉0.5%，CaF2-SiO2熔炼焊剂40%，硅铁合金粉0.5%和镍粉5%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计60%的CaF2和40%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
（1）将CaF2和SiO2按照上述比例投入混料设备中搅拌，使其混合均匀；然后将混合均匀后的混合物料置于石墨坩埚中，在1550℃的温度下熔炼，得到熔炼产物；再将该熔炼产物进行水淬，得到CaF2-SiO2熔炼焊剂。
（2）将步骤（1）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂置于温度为250℃的烘干箱中干燥3h。
（3）将步骤（2）烘干后的CaF2-SiO2熔炼焊剂以350r/min的转速球磨6h。
（4）将上述步骤（3）球磨的熔炼造渣剂用筛网筛出，得到粒度为80目的CaF2-SiO2熔炼焊剂颗粒。
（5）按照上述比例，取步骤（4）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂，与粒度均为80目的铁粉、低碳锰铁合金粉FeMn88C0.2、钛铁合金粉FeTi73、镁粉、铝粉、钼铁合金粉FeMo70、硼铁合金粉FeB22C0.05、硅铁合金粉FeSi45和镍粉混合，并投入混料设备中搅拌，使其混合均匀，得到药芯粉。
（6）将H08A低碳钢压制成U型，然后将步骤（5）制得的药芯粉填充至U型钢带外皮中，使U型钢带外皮封合包裹药芯粉，其中药芯粉的填充率为22%；然后进行拉拔减径后装盘，得到直径为1.6mm的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，并采用气电立焊方法对EH36钢进行焊接，焊接参数如下：焊接线能量为189kJ/cm，焊接速度为40mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为350A，焊接电压为36V。
实施例2
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35%，低碳锰铁合金粉13%，钛铁合金粉4%，镁粉0.1%，铝粉1.5%，钼铁合金粉0.85%，硼铁合金粉0.55%，CaF2-SiO2熔炼焊剂38.5%，硅铁合金粉0.5%和镍粉6%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计59%的CaF2和41%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
（1）将CaF2和SiO2按照上述比例投入混料设备中搅拌，使其混合均匀；然后将混合均匀后的混合物料置于石墨坩埚中，在1550℃的温度下熔炼，得到熔炼产物；再将该熔炼产物进行水淬，得到CaF2-SiO2熔炼焊剂。
（2）将步骤（1）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂置于温度为230℃的烘干箱中干燥3h。
（3）将步骤（2）烘干后的CaF2-SiO2熔炼焊剂以340r/min的转速球磨6h。
（4）将上述步骤（3）球磨的熔炼造渣剂用筛网筛出，得到粒度为75目的CaF2-SiO2熔炼焊剂颗粒。
（5）按照上述比例，取步骤（4）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂，与粒度均为75目的铁粉、低碳锰铁合金粉FeMn88C0.2、钛铁合金粉FeTi73、镁粉、铝粉、钼铁合金粉FeMo70、硼铁合金粉FeB22C0.05、硅铁合金粉FeSi45和镍粉混合，并投入混料设备中搅拌，使其混合均匀，得到药芯粉。
（6）将H08A低碳钢压制成U型，然后将步骤（5）制得的药芯粉填充至U型钢带外皮中，使U型钢带外皮封合包裹药芯粉，其中药芯粉的填充率为21%；然后进行拉拔减径后装盘，得到直径为1.6mm的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，并采用气电立焊方法对EH36钢进行焊接，焊接参数如下：焊接线能量为155kJ/cm，焊接速度为42mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为320A，焊接电压为34V。
实施例3
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉37.5%，低碳锰铁合金粉13.5%，钛铁合金粉3.5%，镁粉0.1%，铝粉1.5%，钼铁合金粉0.5%，硼铁合金粉0.9%，CaF2-SiO2熔炼焊剂36%，硅铁合金粉0.7%和镍粉5.8%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计61%的CaF2和39%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法包括如下步骤：
（1）将CaF2和SiO2按照上述比例投入混料设备中搅拌，使其混合均匀；然后将混合均匀后的混合物料置于石墨坩埚中，在1570℃的温度下熔炼，得到熔炼产物；再将该熔炼产物进行水淬，得到CaF2-SiO2熔炼焊剂。
（2）将步骤（1）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂置于温度为220℃的烘干箱中干燥3h。
（3）将步骤（2）烘干后的CaF2-SiO2熔炼焊剂以330r/min的转速球磨6h。
（4）将上述步骤（3）球磨的熔炼造渣剂用筛网筛出，得到粒度为90目的CaF2-SiO2熔炼焊剂颗粒。
（5）按照上述比例，取步骤（4）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂，与粒度均为90目的铁粉、低碳锰铁合金粉FeMn88C0.2、钛铁合金粉FeTi73、镁粉、铝粉、钼铁合金粉FeMo70、硼铁合金粉FeB22C0.05、硅铁合金粉FeSi45和镍粉混合，并投入混料设备中搅拌，使其混合均匀，得到药芯粉。
（6）将H08A低碳钢压制成U型，然后将步骤（5）制得的药芯粉填充至U型钢带外皮中，使U型钢带外皮封合包裹药芯粉，其中药芯粉的填充率为23%；然后进行拉拔减径后装盘，得到直径为1.6mm的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，并采用气电立焊方法对EH36钢进行焊接，焊接参数如下：焊接线能量为186.55kJ/cm，焊接速度为44mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为360A，焊接电压为38V。
实施例4
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉38%，低碳锰铁合金粉13%，钛铁合金粉3.45%，镁粉0.15%，铝粉1.6%，钼铁合金粉1%，硼铁合金粉1%，CaF2-SiO2熔炼焊剂35.4%，硅铁合金粉0.6%和镍粉5.8%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计59%的CaF2和41%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：
（1）将CaF2和SiO2按照上述比例投入混料设备中搅拌，使其混合均匀；然后将混合均匀后的混合物料置于石墨坩埚中，在1570℃的温度下熔炼，得到熔炼产物；再将该熔炼产物进行水淬，得到CaF2-SiO2熔炼焊剂。
（2）将步骤（1）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂置于温度为225℃的烘干箱中干燥3h。
（3）将步骤（2）烘干后的CaF2-SiO2熔炼焊剂以320r/min的转速球磨6h。
（4）将上述步骤（3）球磨的熔炼造渣剂用筛网筛出，得到粒度为80目的CaF2-SiO2熔炼焊剂颗粒。
（5）按照上述比例，取步骤（4）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂，与粒度均为80目的铁粉、低碳锰铁合金粉FeMn88C0.2、钛铁合金粉FeTi73、镁粉、铝粉、钼铁合金粉FeMo70、硼铁合金粉FeB22C0.05、硅铁合金粉FeSi45和镍粉混合，并投入混料设备中搅拌，使其混合均匀，得到药芯粉。
（6）将H08低碳钢压制成U型，然后将步骤（5）制得的药芯粉填充至U型钢带外皮中，使U型钢带外皮封合包裹药芯粉，其中药芯粉的填充率为24%；然后进行拉拔减径后装盘，得到直径为1.6mm的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，并采用气电立焊方法对E40钢进行焊接，焊接参数如下：焊接线能量为191.85kJ/cm，焊接速度为41mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为345A，焊接电压为38V。
实施例5
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35.4%，低碳锰铁合金粉14%，钛铁合金粉4%，镁粉0.1%，铝粉2%，钼铁合金粉1%，硼铁合金粉1%，CaF2-SiO2熔炼焊剂38%，硅铁合金粉0.5%和镍粉4%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计60%的CaF2和40%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：
（1）将CaF2和SiO2按照上述比例投入混料设备中搅拌，使其混合均匀；然后将混合均匀后的混合物料置于石墨坩埚中，在1550℃的温度下熔炼，得到熔炼产物；再将该熔炼产物进行水淬，得到CaF2-SiO2熔炼焊剂。
（2）将步骤（1）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂置于温度为250℃的烘干箱中干燥3h。
（3）将步骤（2）烘干后的CaF2-SiO2熔炼焊剂以360r/min的转速球磨6h。
（4）将上述步骤（3）球磨的熔炼造渣剂用筛网筛出，得到粒度为80目的CaF2-SiO2熔炼焊剂颗粒。
（5）按照上述比例，取步骤（4）制得的CaF2-SiO2熔炼焊剂，与粒度均为80目的铁粉、低碳锰铁合金粉FeMn88C0.2、钛铁合金粉FeTi73、镁粉、铝粉、钼铁合金粉FeMo70、硼铁合金粉FeB22C0.05、硅铁合金粉FeSi45和镍粉混合，并投入混料设备中搅拌，使其混合均匀，得到药芯粉。
（6）将H08E低碳钢压制成U型，然后将步骤（5）制得的药芯粉填充至U型钢带外皮中，使U型钢带外皮封合包裹药芯粉，其中药芯粉的填充率为22%；然后进行拉拔减径后装盘，得到直径为1.6mm的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，并采用气电立焊方法对EH420钢进行焊接，焊接参数如下：焊接线能量为191.85kJ/cm，焊接速度为41mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为345A，焊接电压为38V。
如图1所示为本实施例5提供的焊接后所得焊缝的宏观形貌图。从图1能够看出，实施例5的焊缝无焊接缺陷，且成型性良好。
如图2所示为本实施例5提供的焊接后所得的焊缝的微观组织图片，从图2能够看出，微观组织类别多为细小的针状铁素体组织。
实施例6
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉37.5%，低碳锰铁合金粉13.5%，钛铁合金粉3.5%，镁粉0.1%，铝粉1.5%，钼铁合金粉0.5%，硼铁合金粉0.9%，CaF2-SiO2熔炼焊剂36%，硅铁合金粉0.7%和镍粉5.8%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计60%的CaF2和40%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5基本相同，区别仅在于，步骤（2）中的烘干温度不同，本实施例中的烘干温度为230℃。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
实施例7
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉37.5%，低碳锰铁合金粉13.5%，钛铁合金粉3.5%，镁粉0.1%，铝粉1.5%，钼铁合金粉0.5%，硼铁合金粉0.9%，CaF2-SiO2熔炼焊剂36%，硅铁合金粉0.7%和镍粉5.8%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计60%的CaF2和40%的SiO2制成。
本实施例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。
使用本实施例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数与实施例5基本相同，区别在于：本实施例的焊接线能量为198.95kJ/cm，焊接速度为38mm/min，焊接采用直流反接，焊接电流为350A，焊接电压为36V。
对比例1
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉39.9%，低碳锰铁合金粉10%，钛铁合金粉2%，镁粉0.1%，铝粉4%，钼铁合金粉0.5%，硼铁合金粉0.3%，CaF2-SiO2熔炼焊剂40%，硅铁合金粉0.2%和镍粉3%。其中，CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计60%的CaF2和40%的SiO2制成。
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。使用本对比例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
如图3所示为本对比例1提供的焊接后所得焊缝的宏观形貌图。从图3能够看出，对比例1的焊缝存在未焊透缺陷，成型较差。
如图4所示为本对比例1提供的焊接后所得的焊缝的微观组织图片。
对比例2
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉的组成与对比例1基本相同，区别仅在于：CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计80%的CaF2和20%的SiO2制成。
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。使用本对比例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
对比例3
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉的组成与实施例5基本相同，区别仅在于：将CaF2-SiO2熔炼焊剂替换为等质量的CaF2。
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。使用本对比例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
对比例4
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉的组成与实施例5基本相同，区别仅在于：将CaF2-SiO2熔炼焊剂替换为等质量的SiO2。
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。使用本对比例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
对比例5
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝包括外皮和填充在外皮内的药芯粉，药芯粉的组成与实施例5基本相同，区别仅在于：将钛铁合金粉替换为等质量的铁粉。
本对比例提供的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法与实施例5相同。使用本对比例制得的含有熔炼造渣剂的药芯焊丝进行焊接，焊接参数同实施例5。
实验例一 针状铁素体含量测试
将以上各实施例和各对比例焊接后所得到的焊接接头进行针状铁素体含量测试并统计，结果如下表1所示。
其中，针状铁素体的占比是在OLYMPUS GX51金相显微镜下将焊接接头取样进行500倍放大，运用截线法测得，针状铁素体的占比=针状铁素体所占格点数/观察视场内总格点数×100%。
表1 各实施例和各对比例所得焊接接头中的针状铁素体占比
从表1能够看出，采用各实施例制得的焊丝经焊接后所得的焊接接头的针状铁素体含量更高，可达到55%以上。而各对比例所得的焊接接头的针状铁素体含量较低，不足40%。
由此可见，本发明通过在药芯粉中加入特定含量的CaF2-SiO2熔炼焊剂，并与钛铁合金、镍粉、铝粉、低碳锰铁合金粉等组分协同作用，能够获得主要为针状铁素体组成的微观组织的焊缝，焊接后所得焊缝金属成分和组织均匀，无气孔、咬边、未熔合等缺陷。
实验例二 熔敷率测定
分别测定以上各实施例和各对比例制得的药芯焊丝的熔敷率并统计，结果如下表2所示。其中，熔敷率=填充在焊缝坡口中的金属重量/熔融焊丝的总重量×100%。
表2 各实施例和各对比例制得的焊剂的熔敷率
从表2能够看出，本发明各实施例制得的药芯焊丝的熔敷率在90%以上。可见，本发明提供的药芯焊丝可以在保证较高熔敷率的前提下，提高针状铁素体含量。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (8)
1.一种含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，包括外皮和填充在所述外皮内的药芯粉，所述药芯粉由按照质量百分比计的如下组分制成：铁粉35%~40%，低碳锰铁合金粉10%~14%，钛铁合金粉3.2%~4%，镁粉0.01%~0.2%，铝粉1%~2%，钼铁合金粉0.5%~0.9%，硼铁合金粉0.1%~1%，CaF2-SiO2熔炼焊剂35%~40%，硅铁合金粉0.5%~1%和镍粉4%~6%；
其中，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂由按照质量百分比计58%~62%的CaF2和38%~42%的SiO2制成；
所述药芯粉的粒度为60目~100目；
所述药芯焊丝中所述药芯粉的填充率为21%~24%。
2.根据权利要求1所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，所述低碳锰铁合金粉包括FeMn88C0.2、FeMn84C0.4和FeMn88C0.7中的至少一种；
所述钛铁合金粉包括FeTi73、FeTi70-A、FeTi70-B和FeTi70-C中的至少一种；
所述钼铁合金粉包括FeMo70、FeMo60-A和FeMo60-B中的至少一种；
所述硼铁合金粉包括FeB22C0.05、FeB20C0.05和FeB18C0.1中的至少一种；
所述硅铁合金粉包括FeSi45、FeSi45-1、FeSi45-2和FeSi75中的至少一种。
3.根据权利要求1所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，所述外皮的材料包括低碳钢。
4.根据权利要求1所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，所述CaF2-SiO2熔炼焊剂的制备方法包括如下步骤：将CaF2和SiO2混合后于1550℃~1600℃的温度下进行熔炼，然后水淬，得到所述CaF2-SiO2熔炼焊剂。
5.根据权利要求1所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，采用所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝对低合金高强度钢进行焊接后所得到的焊接接头中的针状铁素体占比≥50%。
6.根据权利要求5所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝，其特征在于，所述焊接的线能量为150kJ/cm~200kJ/cm；
所述焊接的速度为38mm/min~45mm/min；
所述焊接采用直流反接，焊接电流为320A~360A，焊接电压为34V~38V；
所述焊接的方法为气电立焊。
7.如权利要求1~6任一项所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铁粉、低碳锰铁合金粉、钛铁合金粉、镁粉、铝粉、钼铁合金粉、硼铁合金粉、CaF2-SiO2熔炼焊剂、硅铁合金粉和镍粉混合，得到药芯粉；
将所述药芯粉填充至外皮中，并使所述外皮包裹所述药芯粉，然后进行拉拔减径，得到所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝。
8.如权利要求1~6任一项所述含有熔炼造渣剂的药芯焊丝在焊接低合金高强度钢中的应用。
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| CN117444464A CN117444464A (zh) | 2024-01-26 |
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- 2023-12-26 CN CN202311799186.7A patent/CN117444464B/zh active Active
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