一種無鎳藥芯焊絲及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及低溫焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性的無鎳藥芯焊絲及其制備方 法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 藥芯焊絲是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的高效焊接材料，它不僅繼承了焊條成份可 調(diào)的優(yōu)點，又克服了焊條不能連續(xù)、自動焊接的缺點，其熔敷效率高達(dá)焊條的4倍，還具有 焊縫成型美觀、焊接變形小等優(yōu)點。
[0003] E501T-1藥芯焊絲是二氧化碳?xì)獗Ｗo(hù)藥芯焊絲，在一 20°C條件下具有較好的低溫 沖擊韌性，該焊絲目前最為廣泛地用于造船、機械制造、壓力容器、鍋爐、石油機械、化工機 械、起重機械等重要結(jié)構(gòu)的焊接。隨著高強度低溫用鋼的大量使用，特別是在北方寒冷地區(qū) 作業(yè)的橋梁、工程機械以及深遠(yuǎn)海區(qū)域作業(yè)的船舶等要求在一 40°C下具有良好的低溫沖擊 韌性，因此對低溫鋼用焊接材料的需求量逐年增加，目前市場上出現(xiàn)的低溫系列焊材主要 包括I. 5Ni、3. 5Ni、9Ni鋼配套焊接材料。由于國際市場上鎳金屬的價格十分高昂，含鎳焊 材生產(chǎn)成本高，因此，研制一種不含鎳但具有較高低溫沖擊韌性的藥芯焊絲，對于擴大鋼結(jié) 構(gòu)應(yīng)用范圍、提高船舶建造水平、縮短建造周期、提高經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型無鎳藥芯焊絲，具備高韌性，完全滿足低溫焊接 需求，以克服目前低溫焊接材料生產(chǎn)成本高的問題。
[0005] 本發(fā)明提供的無鎳藥芯焊絲，由碳鋼外皮和填充在外皮內(nèi)的藥粉組成，藥粉質(zhì)量 占藥芯焊絲總質(zhì)量的13.0~18.0%，藥粉的成分及其占藥芯焊絲總質(zhì)量的百分含量為： Ti025 . 0 ~8. 0%，Si020 . 6 ~I. 5%，Zr020 . 5 ~I. 5%，Mn 1. 5 ~3. 0%，Si 0· 4 ~I. 2%;Mg0 0. 20 ~0. 60 % ;CaC030. 10 ~0. 50%，CaF2O. 10 ~0. 20%，NaFO. 10 ~0. 30%，Re 0. 010 ~ 0. 020 %，鎂鋁合金0. 40~0. 70 %，F(xiàn)e余量。
[0006] 上述無鎳藥芯焊絲采用鈦鈣型渣系，這種渣系介于鈦型和堿性之間，在酸性渣系 中含有一定的堿性物質(zhì)，使之達(dá)到低氫及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時具有鈦型渣系原有的 優(yōu)良操作工藝，該藥芯焊絲的渣系為TiO2-CaO-CaF2-SiO2，并通過大量的試驗確定了各成分 含量對工藝性能的影響。
[0007] 1102是主要的造渣劑，其含量多少對工藝性能和力學(xué)性能影響都很大。當(dāng)TiO 2小 于5. 0%時，全位置焊接工藝不好；大于8. 0%時，焊縫金屬低溫沖擊韌性下降，容易出現(xiàn)氣 孔和壓痕，因此本發(fā)明限定在5. 0~8. 0%。
[0008] 3102是主要的造渣劑，對焊縫的脫渣性和焊縫的表面質(zhì)量影響很大。隨著SiO 2含 量的增加，焊縫表面更光亮，熔渣顏色更深，對焊縫的脫渣性有很好的作用，少于〇. 6%則上 述效果不明顯；但是大于1.5%時，降低熔渣的透氣性，容易使焊道產(chǎn)生壓痕缺陷，同時，焊 縫的低溫韌性下降，因此本發(fā)明限定在〇. 6~1. 5%。
[0009] 21〇2是造渣劑，同時向焊縫金屬過渡微量Zr，其含量多少對工藝性能影響較大，特 別是對焊縫的脫渣性有一定的幫助。隨著ZrO2含量的增加，熔渣變得酥脆，熔渣的強度降 低，焊縫成形較好，少于0.5%上述效果不明顯；但大于1.5%時，渣熔點高，容易出現(xiàn)壓鐵 水現(xiàn)象，且焊縫金屬強度過高，因此本發(fā)明限定在0. 5~1. 5%。
[0010] MgO是鎂砂的主要成分，用于造渣、改善熔渣透氣性和焊縫成形，適量MgO可以增 加熔渣的堿度，提高焊縫的低溫韌性，同時可以增加熔渣的透氣性，減少出現(xiàn)氣孔和壓痕的 概率。少于0. 20%，則上述作用不明顯；當(dāng)含量大于0. 60%，立向上焊接操作工藝變差，平 焊熔渣覆蓋性變差，因此本發(fā)明限定在〇. 20~0. 60%。
[0011] CaF2是造渣劑，CaF2的加入可以提高渣的堿度，同時CaF2中的F可以起到去氫的 效果，適量的CaF2起到焊縫去氫和提高抗壓痕的作用。本發(fā)明中CaF 2與NaF共同配合。少 于0. 10%上述作用不明顯；但是多于0.20%電弧聲音變差，飛濺變大，熔渣變稀，焊絲的全 位置焊接工藝變差，同時焊接煙塵的有毒性物質(zhì)增強，因此本發(fā)明限定在〇. 10~〇. 20%。
[0012] NaF是去氫劑，降低焊縫擴散氫含量。本發(fā)明中NaF與CaF2*同配合。加入量太 少時電弧穩(wěn)定性不好，去氫能力不足，焊縫易產(chǎn)生氣孔壓坑；加入量太多時焊接飛濺和煙塵 增大。因此本發(fā)明限定在0.10~0.30%。
[0013] 鎂鋁合金是藥芯配方中的強脫氧劑，其含量在配方中應(yīng)控制在0. 40~0. 70%以 內(nèi)。適量的鎂鋁合金可以使在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生的MgO進(jìn)入熔渣，有利于提高熔渣的堿度，對 焊縫金屬的低溫韌性有好處。少于〇. 40%藥芯焊絲脫氧不足，焊縫中的氧含量增加，降低 焊縫金屬的低溫沖擊韌性；但是多于〇. 70%電弧的吹力太大，焊角焊縫時容易產(chǎn)生咬邊現(xiàn) 象，同時鎂鋁合金在使用過程中安全性差，極容易燃燒產(chǎn)生爆炸，從生產(chǎn)安全考慮，在滿足 脫氧的情況下，盡量減少鎂鋁合金的加入量，因此本發(fā)明限定在〇. 40~0. 70%。
[0014] 0&〇)3是造渣劑，可提高熔渣的堿度，對焊縫金屬低溫沖擊韌性有好處，同時可以 使溶滴尺寸變小，降低焊絲的飛濺，對全位置焊接有一定的幫助。少于〇. 10%則上述作用 不明顯；多于0. 50%，焊絲在焊接過程中熔滴增大，飛濺增加，同時焊絲全位置焊接性能變 差，因此本發(fā)明限定在0. 10~0.50%。
[0015] Si (硅）是主要脫氧劑，降低焊縫金屬的氧含量，提高低溫沖擊韌性，調(diào)節(jié)鐵水的 流動性，加入量少于0. 4% (占焊絲總質(zhì)量）時不能體現(xiàn)上述特征，大于1. 2%時鐵水變粘， 焊縫強度過高，低溫沖擊韌性降低。因此本發(fā)明限定在〇. 4%~1. 2%。
[0016] Mn (錳）是主要脫氧劑，降低焊縫金屬的含氧量，增加焊縫金屬強度和抗裂性，提 高低溫沖擊韌性，調(diào)節(jié)鐵水流動性，加入量少于1. 5%時，體現(xiàn)上述特性不足，大于3. 0%時 焊縫強度過高，低溫沖擊韌性降低。因此本發(fā)明限定在1. 5~3. 0%。
[0017] Re (錸，稀土元素）可以通過凈化焊縫組織、細(xì)化晶粒、改變夾雜物的形狀和大 小來改善焊縫金屬的低溫沖擊韌性，同時可以降低擴散氫含量。在本發(fā)明藥芯焊絲中Re 元素優(yōu)選采用稀土鐵合金的方式加入。該元素含量少于0.010%，上述作用不明顯，多于 0. 020%則使焊接工藝變差，因此本發(fā)明限定在0. 010~0. 020%。
[0018] Fe即鐵粉，能改善電弧狀態(tài)，調(diào)節(jié)鐵水熔點和粘度，余量加入。
[0019] 本發(fā)明所采用的藥粉成分配比，可最大限度的發(fā)揮各組分的優(yōu)勢，能使焊縫金屬 化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足屈服強度為390MPa級鋼板的焊接要求，同時-40°C低溫沖擊韌性 大于47J，是一種與屈服強度為390MPa級鋼板相配套的藥芯焊絲。
[0020] 填充率是指藥粉質(zhì)量占該藥粉所在藥芯焊絲總質(zhì)量的百分比例。填充率的多少關(guān) 系到堆焊層的金屬化學(xué)成分，不僅要影響焊絲的力學(xué)性能，還會對焊絲的工藝性能產(chǎn)生影 響。填充率過小，焊絲填充不實，會導(dǎo)致焊絲挺度小，焊接時送絲不暢，焊絲也會因空松帶 入熔池的氣體增加，使焊接熔池內(nèi)氣體飽和和蒸汽壓增大，氣孔傾向增大，此外可能會因為 焊絲內(nèi)脫氧劑不足產(chǎn)生CO氣孔，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。填充率過大時，會影響焊絲的軋制， 使焊絲生產(chǎn)過程中容易被拉斷，這樣會導(dǎo)致在施焊過程中，火花飛濺過大，安全性較差。過 大或過小都會影響堆焊層金屬的物理和化學(xué)性能，本發(fā)明經(jīng)過大量試驗，最終將其確定在 13. 0~18. 0%的范圍內(nèi)。
[0021] 優(yōu)選地，上述無鎳藥芯焊絲中，所述藥芯焊絲的熔敷金屬中C元素