CN1219625C - 无铋细径不锈钢药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
无铋细径不锈钢药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。现有的不锈钢药芯焊丝生产中，Bi含量超过0.001%，会增加焊接接头的热裂纹敏感性。这样的焊接接头在较高温度工作一段时间后会发生断裂。本发明提供了一种无铋细径不锈钢药芯焊丝，其药芯包括以下质量百分比的物质：20-40%的TiO2，5-15%的ZrO2，4-12%的SiO2，2-10%的Al-Mg合金，20-25%的Cr，5-8%的Ni，9.5-24%的Fe，0.5-1.5%的Sb2O3。使采用该不锈钢药芯焊丝焊接的接头具有高的抗热裂性能，有效地降低其在高温工作时发生断裂的可能性。该发明与现有国内的产品相比较，提高了不锈钢焊接接头高温状态下工作的可靠性。这对石化，压力容器等行业降低成本提高生产效率具有重大意义。
Description
技术领域
无铋细径不锈钢药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。
背景技术
药芯焊丝是一种优良的新型焊接材料，具有工艺性能优良，力学性能稳定，生产效率高，综合成本低等特点。广泛应用于造船、石化、压力容器、钢结构和工程机械等行业。药芯焊丝用于不锈钢的焊接只有短短二三十年的历史。用不锈钢药芯焊丝焊接不锈钢与相应的焊条、实心焊丝相比，具有综合成本低，工艺性能优良，比实心焊丝飞溅小，电弧稳，成形好，全位置焊接性好的特点。
在现有的不锈钢药芯焊丝生产中，为了改善其脱渣性，在药芯中加入了含铋的氧化物。这样，元素Bi就随着熔滴过渡到焊缝中，使熔敷金属中Bi的含量远远大于0.001％。而熔敷金属中Bi含量超过0.001％，会增加焊接接头的热裂纹敏感性。这样的焊接接头在较高温度(一般为700℃以上)工作一段时间后会发生断裂。这主要是由于：(1)由于Bi元素在柱状晶晶界处凝固析出，导致晶界脆化。(2)因为Bi是以其氧化物的形式加入的，该氧化物会诱发穿晶凝固的产生，而在通过穿晶凝固释放应力的过程中，会导致晶界处的塑性变形的集中。(3)元素Bi促进了导致晶界脆化的物质的析出。
当前国内外对无铋药芯焊丝研究还处于起步阶段，未见相关的专利及文献报道。
发明内容
本发明采用在焊丝药芯中不加含铋的氧化物，而是通过加入其替代物，并合理地调整药芯成分的方法，改变熔渣的成分与结构，来达到改善脱渣性能的目的。从而避免熔敷金属中的Bi增加焊接接头热裂纹敏感性。使采用该不锈钢药芯焊丝焊接的接头具有高的抗热裂性能，有效地降低其在高温工作时发生断裂的可能性。该发明与现有国内的产品相比较，提高了不锈钢焊接接头高温状态下工作的可靠性。这对石化，压力容器等行业降低成本提高生产效率具有重大意义。
本发明提供了一种无铋细径不锈钢药芯焊丝，其特征在于，其药芯包括以下质量百分比的物质：
20-40％的TiO2，5-15％ZrO2，4-12％的SiO2，2-10％的Al-Mg合金，20-25％的Cr，5-8％的Ni，9.5-24％的Fe，0.5-1.5％的Sb2O3。
TiO2：是渣形成组分，可以改善渣的覆盖性能和焊缝脱渣性。另外，它还起到使电弧集中，稳定，从而减少飞溅的作用。质量百分含量为：20-40％。
ZrO2：主要起造渣，调整熔渣的物化性能，改善脱渣性，质量百分含量为：5-15％。
SiO2：主要起造渣作用，降低熔渣的碱度，调整熔渣的物化性能，质量百分含量为：4-12％。
Al-Mg合金：主要作用是脱氧，脱氧后生成的Al2O3，MgO具有造渣作用。质量百分含量为：2-10％。
Cr粉：向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：20-25％。
Ni粉：向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：5-8％。
Fe粉：向焊缝过渡金属，改善导电率。质量百分含量为：9.5-24％。
Sb2O3：改善脱渣性能。质量百分含量为：0.5-1.5％。
在原有的不锈钢药芯焊丝生产中，加入含铋的氧化物主要是为了改善熔渣的脱渣性能。所以，本发明从研究影响脱渣性的因素着手，通过添加含铋氧化物的替代物、调整药芯的成分，改变熔渣的成分与结构，来达到改善脱渣性能的目的。
对于脱渣性的影响因素，主要是物理因素和化学因素两个方面。对于物理因素的影响，主要是指由于熔点和粘度的调节而造成的熔渣的铺展和浸润是否适当，以及由于线膨胀系数的差别而造成的渣壳脱落的难易。而对于化学意义上的影响主要是尖晶石结构的作用。
就奥氏体不锈钢焊接而言，其线膨胀系数高，所以在配方的调整中，增大熔渣与焊缝金属的线膨胀系数差值这一点比较容易做到。所以，本发明将重点放在调整渣的粘度，熔点和化学成分上。
首先，本发明通过加入锑华(Sb2O3)，来替代含铋的氧化物。Sb2O3晶体属斜方晶系，晶体常呈柱状或板状，集合体呈柱状、片状、羽毛状，熔点656℃，相对密度5.8左右。由于Sb2O3相对密度较大，比熔渣的主要组分：TiO2，SiO2，ZrO2等的相对密度都要大，而熔点比它们都要低。因此，在形成熔渣的过程中，它分布于熔渣的内表面，与焊缝金属直接接触，并呈羽毛状，易与焊缝金属分离，从而使熔渣易脱落，表现出良好的脱渣性。不锈钢中加入微量的Sb，并不增加其热裂纹敏感性，无不良影响。一般情况下加入量为药芯重量的0.5-1.5％较为合适。
另外，本发明采用TiO2-SiO2-ZrO2渣系，可通过调整TiO2与SiO2的比例来改变渣的粘度。当熔渣粘度较低，浸润性不良时，易于向焊缝金属两侧分布，在焊趾处造成夹渣，或不能均匀覆盖焊缝金属，产生粘渣现象。本发明在加入Sb2O3的基础上，通过调整TiO2与SiO2的比例(TiO2/SiO2：2.5-7)，加入适当的ZrO2，以及由Al-Mg合金氧化形成的高熔点的Al2O3、MgO等来调节渣的粘度和熔点，使之在适当的范围内，来达到改善脱渣性的目的。
脱渣性与熔渣的微观组织有相当密切的关系。通过对大量粘渣试件的观察，检测分析，发现：粘渣的主要原因是酸性渣系的氧化性较强而形成了FeO，铬和锰的氧化物。这样，渣中存在Cr2O3、Al2O3、Fe2O3、Mn2O3等三价氧化物与渣中的二价氧化物FeO、MnO等结合形成所谓的尖晶石(MnO·Mn2O3)的复合化合物，这层氧化物牢固地粘在焊缝金属地表面上，所以造成严重地粘渣现象。本发明通过大量试验，加入Sb2O3形成易脱落层，并合理调整熔渣的化学成分(典型成分举例见表3)，从而该变熔渣的微观结构，使熔渣在凝固之后，焊缝和渣壳之间形成网状接触，在两者之间形成了一层隔离膜，消弱FeO的粘结作用。使焊缝具有优良的脱渣性，避免了含铋氧化物的加入。
本发明的制备方法为现有技术，包括以下步骤：
1、将奥氏体不锈钢带轧成U形；
2、向U形槽中加入本发明的药粉；
3、将U形槽合口，使上述的药粉包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、
减径，最后使其直径达到1.2mm。
附图说明
图1：热裂纹试验试板坡口；
图2：脱渣性试验装置；
图3：脱渣性试验试板坡口；
其中1为钢球，2为支架，3为试板。
具体实施方式
本发明所制焊丝采用由昆明重机厂生产的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制造：选用宽度为7-10mm，厚度为0.28-0.5mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形，再向U形槽中加入粒度为过60-120目筛子的混合药粉，药粉的填充率(药粉重量占焊丝总重的百分率)为15-20％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。从焊丝横截面看，其为搭接结构。
选取本发明的几个无铋药芯焊丝实例与现有常用药芯焊丝焊接效果进行对比。具体实施方式如下(所有实施例焊丝都是由昆明重机厂制造的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制出)：
1.选用宽度为8mm，厚度为0.3mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形。取TiO2粉末30g、SiO2粉末4g、ZrO2粉末6g、Al-Mg合金粉末10g、Sb2O3粉末0.5g、Cr粉25g、Ni粉7g、Fe粉17.5g(所取粉末的粒度为能通过60目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢带槽中，填充率为20％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。焊丝使用效果测试见表1。
2.选用宽度为7mm，厚度为0.25mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形。取TiO2粉末35g、SiO2粉末8g、ZrO2粉末7g、Al-Mg合金粉末6g、Sb2O3粉末1g、Cr粉18g、Ni粉5g、Fe粉20g(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢带槽中，填充率为16％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。焊丝使用效果测试见表1。
3.选用宽度为9mm，厚度为0.4mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形。取TiO2粉末25g、SiO2粉末10g、ZrO2粉末10g、Al-Mg合金粉末8g、Sb2O3粉末0.5g、Cr粉18g、Ni粉6g、Fe粉22.5g(所取粉末的粒度为能通过90目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢带槽中，填充率为17％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。焊丝使用效果测试见表1。
4.选用宽度为10mm，厚度为0.5mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形。取TiO2粉末20g、SiO2粉末8g、ZrO2粉末15g、Al-Mg合金粉末2g、Sb2O3粉末1g、Cr粉22g、Ni粉8g、Fe粉24g(所取粉末的粒度为能通过120目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢带槽中，填充率为15％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。焊丝使用效果测试见表1。
5.选用宽度为9mm，厚度为0.4mm的奥氏体不锈钢带。先将其轧成U形。取TiO2粉末40g、SiO2粉末12g、ZrO2粉末5g、Al-Mg合金粉末6g、Sb2O3粉末1.5g、Cr粉20g、Ni粉6g、Fe粉9.5g(所取粉末的粒度为能通过80目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢带槽中，填充率为16％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：2.4mm、2.3mm、2.2mm、2.1mm、2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm。焊丝使用效果测试见表1。
表1中热裂纹试验方法如下：选用合适的试板，其化学成分如表2，在上面开y形坡口，其尺寸如图1，施焊一段长80mm的焊缝。然后将此试件以1.6℃/min的速度加热到500-800℃，保温100小时，然后再将其以2.5℃/min的速度冷却到室温。从y形坡口的横截面看是否有裂纹出现。
脱渣性试验方法如下：对本发明所得的药芯焊丝进行平板堆焊及45°V型坡口内堆焊的落锤法试验。试验装置如图2，测得焊缝的脱渣率平均在96％以上。具体方法为：钢球重3000g，钢球以初速度为零的自由落体状态锤击试板焊道背面，平板堆焊时焊后停留1分钟后锤击，试验架高度为500mm，坡口内堆焊时，试验架高度调至100mm，堆焊后立即用钢球砸击焊道背面，第一层时砸5次，第二层以后砸3次。脱渣率按下式计算：
D＝{L-(L0+0.5L1+0.2L2)}/L×100％
式中：D——脱渣率(％)
L——焊道总长度(mm)
L0——未脱渣长度(mm)
L1——轻微粘渣长度(mm)
试验中，试板材料为18-8不锈钢，其化学成分见表2，V型坡口试板尺寸如图3所示。
从表1中可以看出，用根据本发明制造的焊丝施焊的焊缝无热裂纹发生，且脱渣性优良，焊接工艺性能良好。而用一般焊丝施焊的焊缝则出现了热裂纹。因此，本发明很好的解决了用不锈钢药芯焊丝施焊工件易出现热裂纹这一难题。
表1 对比例与实施例效果对比
表2 脱渣及热裂纹试验用试板化学成分
| 成分 | C | Cr | Ni | Mn | Si | S | P |
| 含量(wt％) | 0.048 | 18.58 | 9.41 | 1.16 | 1.33 | ＜0.05 | ＜0.05 |
表3 熔渣成分
| 成分 | TiO2 | SiO2 | MnO | Na2O | Al2O3 | K2O | CaO | Cr2O3 | FeO | ZrO2 |
| 外表面含量(wt％) | 16.60 | 20.27 | 30.83 | 6.58 | 4.59 | 2.09 | 0.16 | 10.13 | 4.09 | 4.64 |
| 内表面含量(wt％) | 24.41 | 23.88 | 20.19 | 7.12 | 5.04 | 0.85 | 0.24 | 9.63 | 8.48 | 0.16 |
Claims (1)
1、一种无铋细径不锈钢药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯包括以下质量百分比的物质：20-40％的TiO2，5-15％的ZrO2，4-12％的SiO2，2-10％的Al-Mg合金，20-25％的Cr，5-8％的Ni，9.5-24％的Fe，0.5-1.5％的Sb2O3，控制TiO2与SiO2的比例为TiO2/SiO2：2.5-7。
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