一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝

摘要

本发明涉及一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成重量％为：碳钢外皮78～84％，药芯16～22％，所述药芯的成分及含量占焊丝总重量％如下：TiO2 0.10～1.5％；SiO2 0.10～0.5％；Na2O+K2O 0.02～0.20％；Si 0.2～0.7％；Mg+Al 0.04～0.44％；C 0.02～0.18％；Zr 0.05～0.30％；Mn 1.2～2.6％；Cr 0.6～1.4％；Ni 3.0～5.0％；Mo 0.4～2.0％；NaF或CaF2一种或两种0.2～1.0％；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明提供的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用金属粉芯型渣系，配合80％Ar+20％CO2富氩混合气体保护，主要适用于平焊平角焊。此外，该高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝具有良好的焊接工艺适应性，焊缝金属屈强比达到0.87以下，力学性能稳定，熔敷金属扩散氢达到超低氢水平，抗冷裂性能较好，耐海水腐蚀性能优良，抗爆性能良好。

权利要求

1.一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成重量%为：碳钢外皮78~84%，药芯16~22%，其特征在于，所述药芯的成分及含量占焊丝总重量%如下： TiO2 0.10~1.5%；

SiO2 0.10~0.5%；

Na2O+K2O 0.02~0.20%；

Si 0.2~0.7%；

Mg+Al 0.04~0.44%；

C 0.02~0.18%；

Zr 0.05~0.30%；

Mn 1.2~2.6%；

Cr 0.6~1.4%；

Ni 3.0~5.0%；

Mo 0.4~2.0%；

NaF或CaF2 的一种或两种 0.2~1.0%；

Fe及不可避免的杂质 余量；

其中所述药芯中TiO2 +SiO2 +Na2O+K2O+NaF或CaF2的一种或两种的含量之和占焊丝总重量%＜3.2%。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用对接O型或搭接O型的封口方式。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝的直径为1.2~1.6mm。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用熔敷金属扩散氢含量水银法检测＜5.0mL/100g。

5.根据权利要求1所述的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊接，其中，平焊位置焊态熔敷金属屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，屈强比，即，屈服强度Rp0.2/抗拉强度Rm＜0.87，-50℃AKV均值＞34J。

6.根据权利要求3所述的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体垂直气电立焊焊接，当线能量达到100KJ/cm时，熔敷金属屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，屈强比，即，屈服强度Rp0.2/抗拉强度Rm＜0.87，-50℃AKV均值＞34J。

说明书

一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属焊接用焊接材料，特别指一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝。

背景技术

[0002] 药芯焊丝是上世纪50年代发展起来的高效焊接材料，具有焊接效率高、焊接周期短、建造进度快、焊接工艺性能好、焊缝成型美观、焊接变形小等诸多优点，因此在船舶、桥梁等钢结构焊接领域中得到规范应用。

[0003] 随着钢铁冶炼技术的不断发展，为降低建造成本和节约钢材，各类高强度钢广泛应用于船舶、海洋工程、桥梁等领域，特别是北方寒冷工况要求焊缝金属应具有良好的低温冲击韧性，拉强度大于900MPa乃至更高强度的钢种已在相应工程中得到应用，这要求配套的药芯焊丝需要满足与之相应的强度及韧性。现有高强钢配套药芯焊丝或是焊缝金属强度Rp0.2偏低，或是屈强比太高，塑性储备差，大大降低了结构使用的安全性。目前尚无抗拉强度大于900MPa结构钢配套用药芯焊丝（见表1）。

[0004] 表1 参考文献

[0005]序号专利申请号 公开号 说 明
1 200610071612.5 CN1840728A ReL440~680MPa
2 200710054660.8 CN101323057A Rp0.2＞785MPa，屈强比0.92~0.97
3 200710054753.0 CN101332546A Rp0.2＞785MPa，屈强比0.92~0.97

[0006] 因此，有必要研制一种满足拉强度大于900MPa且具有低屈强比的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，以提高焊缝塑性储备以及焊接结构使用的安全性。

[0008] 为达到上述目的，本发明提供一种高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，组成重量%为：碳钢外皮 78~84%，药芯16~22%，所述药芯的成分及含量占焊丝总重量%如下：

[0009] 矿物成分 ＜3.2%；

[0010] 纯金属粉、Fe合金及不可避免的杂质 余量；

[0011] 其中上述矿物成分包含TiO2 、SiO2、Na2O+K2O、NaF或CaF2；上述纯金属粉包含Fe、Mg、Al、Mn、Cr和Ni；上述Fe合金包含Si、Al、C、Zr、Mn、Cr和Mo的铁合金。

[0012] 优选地，上述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝，所述药芯的成分及含量占焊丝总重量%如下：

[0013] TiO2 0.10~1.5%；

[0014] SiO2 0.10~0.5%；

[0015] Na2O+K2O 0.02~0.20%；

[0016] Si 0.2~0.7%；

[0017] Mg+Al 0.04~0.44%；

[0018] C 0.02~0.18%；

[0019] Zr 0.05~0.30%；

[0020] Mn 1.2~2.6%；

[0021] Cr 0.6~1.4%；

[0022] Ni 3.0~5.0%；

[0023] Mo 0.4~2.0%；

[0024] NaF或CaF2 的一种或两种 0.2~1.0%；

[0025] Fe及不可避免的杂质 余量。

[0026] 优选地，上述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用对接O型或搭接O型的封口方式。

[0027] 优选地，上述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝的直径为1.2~1.6mm。

[0028] 所述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用熔敷金属扩散氢含量水银法检测＜5.0mL/100g。

[0029] 优选地，上述高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊接，其中，平焊位置焊态熔敷金属屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，屈强比，即，屈服强度Rp0.2/抗拉强度Rm＜0.87，-50℃AKV均值＞34J。

[0030] 优选地，上述高强度高韧性金属粉芯型药芯采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体垂直气电立焊，当线能量达到100KJ/cm时，熔敷金属屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，屈强比，即，屈服强度Rp0.2/抗拉强度Rm＜0.87，-50℃AKV均值＞34J。

[0031] 本发明的具体技术方案说明如下：

[0032] 采用金属粉芯型渣系，配合富Ar气体（Ar/CO2 80:20）保护，使该焊丝焊接时呈细熔滴射流过渡，熔渣覆盖率低，熔敷效率高且无未熔合的敏感性，主要适用于平焊和平角焊，使用短路过渡或脉冲电弧方式的过渡时，也可使用其它位置。采用Mn-Mg-Si联合脱氧的方式，尽量减少焊缝中的氧含量。在造渣组分中，加入稳弧物质，以满足焊接操作工艺性能要求。加入大量铁粉，提高其熔敷效率。通过控制合金的配比、加入微量合金元素，实现焊缝的微合金化，使该药芯焊丝在力学性能上与母材达到良好的匹配。该渣系采用富Ar气体（Ar/CO2 80:20）保护焊接时，能达到良好的操作工艺性能，满足-50℃低温韧性要求。采用该渣系，焊缝金属力学性能稳定、抗裂性好，生产过程中采取相应措施，进一步控制扩散氢含量。

[0033] TiO2 、SiO2、Na2O+K2O、NaF或CaF2为药芯中矿物成分：

[0034] TiO2 ：调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性，在金属粉芯型不能加入太多，因此，加入量控制为0.10~1.5%。

[0035] SiO2：调节熔渣熔点和粘度，改善焊缝成型，在金属粉芯型不能加入太多，因此，加入量控制为0.10~0.50%。

[0036] Na2O+K2O：Na、K是主要稳弧剂，含量适当可提高电弧稳定性，减少飞溅，含量过高则恶化工艺，因此，Na2O+K2O加入量控制为0.02~0.2%。

[0037] NaF或CaF2的一种或两种：NaF、CaF2，去氢剂，降低焊缝扩散氢含量。加入量太少时电弧稳定性不好，去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量太多时焊接飞溅和烟尘增大。因此，NaF或CaF2的一种或两种加入量控制为0.2~1.0%。

[0038] Si、Mg、Al、C、Zr、Mn、Cr、Ni、Mo、Fe为药芯中铁合金及纯金属粉：

[0039] Si 0.2~0.7%

[0040] Mg+Al 0.04~0.44%

[0041] C 0.02~0.18%

[0042] Zr 0.05~0.30%

[0043] Mn 1.2~2.6%

[0044] Cr 0.6~1.4%

[0045] Ni 3.0~5.0%

[0046] Mo 0.4~2.0%

[0047] C包括钢制外皮中的C和药芯中的C，可以细化熔滴，增加电弧挺度。从降低飞溅和烟尘来看，C越低越好，希望在0.02%以下，但从保证焊缝金属力学性能和铁水流动性来看含量在0.02%-0.18%为好。大于0.18%时焊缝金属强度过高，低温冲击韧性降低，烟尘和飞溅增大，裂纹敏感性增加。

[0048] Mn是主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性，加入量少于1.2%时，体现上述特性不足，大于2.6%时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在1.2~2.6%。

[0049] Mg、Al是强脱氧剂，提高低温冲击韧性，加入量少于0.04%时提高低温冲击韧性能力不足，大于0.44%时由于脱氧产物含有镁氧化物使熔渣的熔点上升凝固速度加快不利于焊缝气体的排除和焊缝成型。因此限定在0.04%-0.44%。

[0050] Si是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于0.2%时不能体现上述特征，大于0.7%时铁水变粘，焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在0.2%-0.7%。

[0051] Ni：焊缝金属中重要的合金元素，能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度，但镍含量过高则会增大热裂敏感性。按照合金要求，加入范围为3.0-5.0%。

[0052] Cr：有提高强度和淬透性的作用，可提高焊缝耐大气和海水腐蚀的能力。但是同时Cr还降低焊缝的低温韧性和延伸率，因此必须控制加入。按照合金要求，加入范围为0.6-1.4%。

[0053] Mo：有提高强度的作用，在一定的范围可以提高低温冲击韧性。含量过多时强度增加过多，低温冲击韧性下降。按照合金要求，加入范围为0.4-2.0%。

[0054] Zr：脱氧固氮，细化晶粒，净化晶界，使焊缝金属微合金化，提高强度的同时能提高低温冲击韧性，加入量少于0.05%时不能体现上述特征，大于0.30%时焊缝强度过高，低温冲击韧性下降，因此限定在0.05%-0.30%。

[0055] Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。

[0056] 焊丝药芯和碳钢外皮中的S、P、N等杂质元素有增加焊缝的裂纹，降低焊缝低温冲击韧性倾向，必需进行严格的控制。药芯及碳钢外皮中S、P等杂质元素在满足材料标准的情况下，尽可能控制到最低。

[0057] 本发明具有以下有益效果：

[0058] 本发明提供的高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝采用金属粉芯型渣系，配合80%Ar +20%CO2富氩混合气体保护，主要适用于平焊和平角焊；此外，该高强度高韧性金属粉芯型药芯焊丝具有良好的焊接工艺适应性，焊缝金属屈强比达到0.87以下，力学性能稳定，熔敷金属扩散氢达到超低氢水平，抗冷裂性能较好，耐海水腐蚀性能优良，抗爆性能良好。

具体实施方式

[0059] 通过以下实施例对本发明做进一步的详细描述。

[0060] 实施例1

[0061] 药芯焊丝的钢制外皮采用低碳钢钢带，其化学成分及含量占钢带重量%见表 2。

[0062] 表2 钢带的化学成分

[0063]

[0064] 实施例2

[0065] 药芯粉料的化学成分及原材料构成见表3。

[0066] 实施例3

[0067] 在低碳钢钢带（14X0.9mm）内填充药芯粉料，填充率16~22%，经拉拔成型减径，制成直径1.2~1.6mm的成品焊丝。

[0068] 按药芯各成分含量配比，采用不同填充率拉拔制成不同直径药芯焊丝进行试验，其成分配比、药芯直径、填充率见表4。

[0069] 表3 药芯粉料构成

[0070]

[0071] 表4 成分配比、药芯直径、填充率试验

[0072]编号 1 2 3 4 5 6 7
TiO2 0.30 0.70 0.10 0.80 1.5 0.90 1.3
SiO2 0.20 0.35 0.40 0.30 0.10 0.50 0.42
Na2O+K2O 0.14 0.15 0.02 0.10 0.07 0.2 0.18
NaF+CaF2 1.0 0.9 0.5 0.6 0.7 0.2 0.4
Si 0.30 0.20 0.50 0.45 0.5 0.40 0.7
Mg+Al 0.44 0.18 0.35 0.24 0.20 0.04 0.40
C 0.14 0.18 0.08 0.02 0.12 0.05 0.07
Zr 0.30 0.22 0.08 0.18 0.15 0.05 0.24
Mn 1.9 2.0 1.9 2.6 1.8 1.6 1.2
Cr 0.8 1.0 0.6 1.3 1.4 1.1 1.2
Ni 4.6 4.2 5.0 3.8 3.4 3.0 3.3
MoFe 2.0 1.8 1.5 1.2 0.7 1.0 0.4
Fe(铁粉) 3.88 5.12 6.97 7.41 9.36 10.96 12.19
焊丝直径mm 1.2 1.2 1.2 1.2 1.4 1.4 1.6
填充率% 16 17 18 19 20 21 22

[0073] 实施例4

[0074] 采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护，成品焊丝工艺性能试验、力学性能试验规范见表5。

[0075] 表5 焊接规范

[0076]

[0077] 实施例5

[0078] 试验焊丝工艺性能试验

[0079] 采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护平焊位置以及气电立焊焊接，焊丝送进稳定，电弧稳定，熔滴细小能够形成射流过渡，飞溅小，烟雾较小，渣薄易脱，焊缝成型光亮。

[0080] 实施例6

[0081] 试验焊丝的力学性能试验

[0082] 采 用80%Ar+20%CO2富 氩 混 合 气 体 保 护，试 板 坡 口 角 度40 °，尺 寸20×150×600mm，平焊位置焊接， 1~8号试验焊丝熔敷金属力学性能如表6所示，其中1~7号试验焊丝为80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊丝， 8号试验焊丝为80%Ar+20%CO2富氩混合气体垂直气电立焊焊丝。

[0083] 表6 熔敷金属力学性能

[0084]编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/% Rp0.2/Rm% AKV-50℃冲击功均值/J
1 815 960 18.584.8 53
2 830 975 18.085.2 52
3 810 970 19.583.5 47
4 830 970 20.085.6 52
5 850 980 18.086.7 45
6 820 960 18.585.4 46
7 825 960 19.085.9 48
8（气电立焊） 840 1000 17.584.0 38

[0085] 采用80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊接，平焊位置以及线能量达到100KJ/cm的垂直气电立焊焊态熔敷金属，均达到屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，屈强比（屈服强度Rp0.2/抗拉强度Rm）＜0.87，-50℃AKV均值＞34J。

[0086] 采用4号配方批量生产的直径1.2mm、填充率19%以及采用5号配方批量生产的直径1.4mm、填充率20%的成品药芯焊丝，采用抗拉强度大于900MPa钢板，80%Ar+20%CO2气体保护，进行各项试验检测，具体结果如下：

[0087] 1. 焊缝组织微观分析

[0088] 焊缝柱状晶区、焊道热影响区、熔合线外母材粗晶区均为马氏体为主含有少量贝氏体的组织。焊缝的组织非常细，柱状晶区与焊道间热影响区的组织形貌没有差别。母材热影响区原奥氏体晶粒粗大，晶内组织主要是板条马氏体。

[0089] 2. 焊丝熔敷金属扩散氢含量（水银法）试验

[0090] 表7 熔敷金属扩散氢含量（水银法）

[0091]

[0092] 熔敷金属扩散氢含量水银法开包以及放置24小时后检测均＜5.0mL/100g。

[0093] 3. 窗型拘束对接裂纹试验

[0094] 采用对称X型坡口焊接，为了检测实际结构多层多道焊时焊缝的横向裂纹敏感性，进行了窗型拘束对接裂纹试验，拘束板厚85mm，试验板厚60mm，预热及道温100℃。经检测，窗型拘束对接裂纹试验未发现裂纹。通过实际接头考核，可获得合格接头，满足产品焊接要求。

[0095] 4. 工程应用性能研究试验

[0096] 根据工程化应用要求，进行以下特殊性能试验测试：焊缝落锤NDT试验、疲劳裂纹扩展速率、焊接接头耐海水腐蚀试验、爆炸试验。

[0097] 采用35mm厚度钢板，坡口单面V型60°，2mm钝边，间隙0~2mm，焊制对接试板，经射线探伤合格按相应标准进行检测。

[0098] 4.1 焊缝落锤NDTT试验

[0099] NDTT试验测定的是材料的无塑性转变温度，即标准试样发生断裂的最高温度，表征含有小裂纹的材料在动态加屈服应力下发生脆断的最高温度。落锤试验也是用于评价材料韧性的主要试验方法之一，在结构实际中是一个重要的防止脆性破坏的安全设计参数。

[0100] 本发明检测焊缝金属的NDTT为-90℃。无塑性转变温度低，设计安全选择裕量大。