专利名称：一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接材料的生产方法，尤其涉及一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法。
背景技术：
焊接是钢铁材料的重要加工工艺，虽然目前开发了多种焊接工艺方法，但生产中广泛采用的焊接方法仍然是电弧焊，如焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。电弧焊所用的焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等；其中焊丝又分为实芯焊丝和药芯焊丝两种，由于药芯焊丝的生产设备比较复杂、技术要求较高，其成本居高不下，致使其应用受到一定限制。因此，焊条和实芯焊丝成为目前消耗量最大的焊接材料，应用领域也十分广泛。
盘条是制造焊条、实芯焊丝(以下称为焊丝)的重要原材料，通常是由钢铁企业专门冶炼生产的。将钢厂生产的直径5.5mm或6.5mm的盘条冷拔加工成直径为2.5mm～5.0mm、长度300mm～400mm规格的焊芯，再在焊芯周围压涂上药皮即可制成生产中常用的焊条。将盘条冷拔成直径1.2mm～4.0mm的线材，然后镀铜即可制成焊丝。
焊芯、焊丝的品质决定焊接质量，因此，焊芯、焊丝的生产对盘条的化学成分和冷拔性能提出了特殊要求，如C和S、P、氧、氮等杂质含量少、成分稳定均匀、韧塑性良好等。要生产出高质量、性能稳定的焊接用盘条，钢铁企业必须有现代化的冶金设备和先进的生产工艺。
目前，钢铁企业生产焊接材料用盘条的工艺是高炉铁水→KR铁水预处理(脱硫)→大型转炉冶炼→脱氧合金化→CAS站精炼→LF精炼→VD精炼、合金化→板坯连铸→热轧。采用这种工艺生产的板坯杂质含量较少、成分稳定、组织均匀；由板坯通过热轧制得的盘条化学成分和性能波动小，S、P等杂质含量控制严格，塑性良好，尺寸精度高，氧化铁皮少，具有优良拉拔性能，盘条质量高且其化学成分和性能有保证。但是，这种工艺不太适合需求量较少、性能要求特殊的焊接材料用盘条的生产，特别是特种焊丝用盘条的生产。因为，工艺中采用的是现代化的大型冶金设备，产量较大，若小量生产，成本会大幅度提高。
在制备少量焊丝时，中国专利CN1413795A采用真空熔炼技术，而CN1034561C采用真空感应炉或电炉加真空重熔方法的熔炼，以保证成分，特别是钢水洁净度的要求，这种工艺的生产成本较高，不适于工业化生产。
小型的钢铁企业虽可生产盘条，但由于其装备简单、工艺落后，采用转炉或电炉进行盘条生产，盘条杂质含量多，含碳量波动较大，成分不稳定，用这种盘条难以生产出高品质的焊接材料，无法满足大厚度、高强韧性钢材的焊接要求，如对焊接接头冲击韧性和抗裂性能的要求，以及高温、低温、腐蚀等苛刻环境下工作结构的焊接要求。
随着焊接结构向大型化、高参数化、轻量化方向的发展，焊接结构用钢材的强度级别大幅度提高，同时对钢材的韧塑性也提出了更高要求。钢板较厚，接头形式多样，拘束度大，使用环境温度较低以及要达到焊接接头有较高的冲击韧性和抗裂性能等各种焊接要求，目前常用的焊接材料已难以满足；因此，适应这些需求的、具有特殊性能的焊条、焊丝急待开发，特别是适宜自动焊的焊丝。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提出一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法。本发明方法以较低的成本实现了生产需求量相对较小的高强韧性焊丝及低合金钢、合金钢焊条的目的，同时大幅度降低了生产焊条、焊丝的成本。
本发明方法的技术构思是以钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的板头、板边、边角料等为原料，利用这些板头、板边和边角料中杂质(S、P、H、N、O等)含量较低，且有益的合金元素含量较多且稳定，含碳量控制的较低，合金元素含量特别是杂质元素的含量符合焊接材料用钢的要求的特性(如专利CN1152767C中公布的DB590钢的化学成分(质量百分比)为C 0.067、Si 0.305、Mn 1.439、P 0.019、S 0.008、Nb 0.041、Cu 0.108、Ti 0.021、B 0.0010；X70钢的化学成分(质量百分比)为C 0.06、Si O 0.25、Mn 1.46、P 0.012、S 0.003、Mo 0.22、Ni 0.20、Cu 0.22)，加工生产焊接材料用盘条。
本发明的利用钢板边角料生产焊接材料的方法，包括如下步骤(1)钢板边角料的选择所述钢板边角料是指钢板的板头、板边、边角料，其化学成分中C、S、P、O、N，以质量百分比计，必须满足C小于0.10％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％，Cu不超过0.5％、B不超过0.09％；(2)由步骤(1)所述钢板边角料热轧后对焊生产盘条将步骤(1)所述钢板边角料置于常用的加热炉内加热到1200℃，保温0.5～3.5小时(根据板边的尺寸利装炉量确定时间)，出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧，在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径5.5mm或6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来；即制得盘条；或者由步骤(1)所述钢板边角料添加合金元素熔炼后生产盘条若步骤(1)所述钢板边角料的成分经检测不符合预制备焊芯或焊丝成分要求时，先将边角料放入感应熔炼炉中，用最短的时间将其熔化，边角料放入量根据炉膛的尺寸确定，要求熔化后铁水能够有10mm～20mm深；然后加入埋弧焊常用的焊剂(在熔化的过程中，为了防止空气中的氧、氮作用使钢水增氧、增氮，本专利采用熔渣保护技术)，并将其熔化(焊剂熔化后形成熔渣覆盖于铁水表面起到保护作用)，焊剂的加入量以在钢水表面形成2mm～3mm厚的液态熔渣为原则；同时再向钢水中加入炉料总质量0.5％的含27％Ti的钛铁，使其与N结合形成TiN质点(为了降低空气中氮的有害作用，本专利除了在熔炼过程中采用熔渣保护外，还在钢水中加入炉料总质量0.5％的钛铁(含27％Ti)，使其与N结合形成TiN质点，这样不仅降低了N的危害，而且TiN作为晶核，促使形成针状铁素体，细化晶粒，有利于冷拔性能的改善，这是本专利为了降低空气的影响所采取的冶金措施)；然后根据预制备焊芯或焊丝用盘条的设计成分，确定加入合金剂的量，并将其加入钢水中熔炼，熔炼后浇铸成坯料，然后将坯料置于常用的加热炉内加热到1200℃，保温0.5～3.5小时，出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧，在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径5.5mm或6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来，即制得盘条；(3)将上述盘条冷拔、切丝、校直加工成直径为2.5mm～5.0mm、长度300mm～400mm规格的焊芯，再在焊芯周围压涂上药皮即可制成焊条；或者，将上述盘条冷拔成直径1.2mm～4.0mm的线材，然后镀铜即可制成焊丝。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述加热炉加热到1200℃时，保温时间根据钢板边角料的尺寸和装炉量确定，优选为1.0～3.0小时。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述焊剂优选采用埋弧焊中常用的焊剂431。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述合金剂优选硅铁、锰铁、钛铁、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁、金属镍之一或几种或全部。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述坯料截面尺寸为50mm×50mm～110mm×110mm。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述盘条制备中，对于截面尺寸如110mm×110mm的较大坯料，优选在高线轧机上制备盘条。
在上述利用钢板边角料生产焊接材料的方法中所述的盘条用于制造焊芯、气体保护焊焊丝、埋弧焊焊丝。
本发明方法实施具有如下明显效果(1)焊接材料用盘条的生产工艺简化、成本降低。
本专利利用板头、板边、边角料制备焊接材料用盘条，充分利用了板头、板边、边角料C、S、P、氧、氮含量少的洁净化优势和其中的有益合金元素，与目前“高炉铁水→KR铁水预处理(脱硫)→大型转炉冶炼→脱氧合金化→CAS站精炼→LF精炼→VD精炼、合金化→板坯连铸→热轧”生产工艺相比大大简化，降低了生产成本。
(2)本专利所用原材料来源广，使得废钢资源得到了更加充分合理的利用。
钢铁企业在生产板材过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量5％左右的板头和板边，钢材用户也会产生一定量的边角料。这些板头、板边目前多作为废钢处理了，有的回炉、有的用于小部件制造，没有充分发挥其成分、组织、性能稳定，杂质含量少的优越性。
(3)采用本专利可以小批量生产盘条，特别是生产有特殊性能要求的盘条。增加了焊丝(包括气体保护焊焊丝、埋弧焊焊丝)开发的灵活性，并使成本大幅度降低。
(4)本专利制备的盘条用于焊条焊芯，增加了合金元素的过渡系数，提高了合金元素的利用率，增加了焊条设计的灵活性，降低了焊条的制造成本。
目前生产焊条用的焊芯普遍采用H08A，H08A的化学成分(质量％)为，C不大于0.1％、Si不大于0.03％、0.3％～0.55％Mn、S和P分别不大于0.03％。用该焊芯生产低合金钢焊条、合金钢焊条等需通过焊条药皮中加入的合金剂向焊缝过渡合金元素，这种合金化方式有部分合金元素残留于熔渣，合金元素的过渡系数低；药皮中所加合金粉末价格较高，增加了焊条的生产成本。本专利所述方法生产的焊芯含有一定量的合金元素和微合金元素，制成的焊条通过焊芯过渡大量的合金元素，提高了合金元素的过渡系数，焊条药皮中合金剂的加入量大大降低，增加了焊条设计的灵活性，降低了焊条的制造成本。
具体实施例方式
实施例1(高强度、高韧性气体保护焊焊丝的制造)高强度、高韧性焊丝在成分设计上以低碳、洁净、微合金化为目标，熔敷金属化学成分(质量％)的调整原则如下C 0.05～0.10C是调整焊缝金属强度的主要元素，必须保证焊丝中有一定的C含量。C含量在一定范围内，随着C含量增加，电弧稳定性提高，熔滴过渡特性改善，焊丝工艺性能提高。但过多的C含量会使焊缝金属淬硬性和裂纹敏感性增加，塑性降低。因此，焊丝中的C含量范围设定为0.05～0.10。
Si 0.2～1.0在气体保护焊丝中，Si是主要的脱氧元素，同时Si在焊缝金属中还起到调整强度的作用。当焊丝中Si含量低于0.20时，脱氧不充分，使焊缝中氧含量过高；当焊缝中Si含量过高时，会使焊缝金属硬化，同时使焊接飞溅增加，焊接工艺性能下降。因此，将Si含量控制在0.2～1.0是合适的。
Mn 1.00～1.80Mn和Si起联合脱氧作用，Mn是焊缝强化的有效元素，当焊丝中Mn含量低于1.00时，在熔滴和熔池反应阶段脱氧不充分使焊缝氧含量过高，并且焊缝强度偏低。当焊丝中Mn含量过高时，焊缝金属的低温冲击韧性明显下降。因此，焊丝中的Mn含量控制在1.00～1.80。
Ni 0.5～1.40Ni可以提高焊缝金属的韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性，降低脆性转变温度。同时Ni在焊缝金属中起着重要的强化作用。因此，焊丝中的Ni含量不应低于0.5，但Ni属于贵金属元素，不宜多加，因此焊丝中的Ni含量控制在0.50～1.40之间。
Ti 0.10～0.20Ti起到脱氧，保护其他合金元素的过渡，降低焊接过程中的飞溅，改善焊接工艺性能的作用。Ti与O、N具有极高的亲合力，Ti的氧化物和氮化物可作为针状铁素体的形核质点。焊缝金属中Ti的含量一般在0.01～0.04之间，由于Ti的过渡系数低，焊丝中Ti含量应为0.10～0.20。
Mo 0.1～0.4Mo封闭奥氏体区，无限扩大铁素体区。通过固溶强化提高强度，同时改善韧性、抑制先共析铁素体的析出，增加针状铁素体(AF)的数量。钼还是强碳化物形成元素，一定量的钼能够升高奥氏体向铁素体的转变温度，增加奥氏体与铁素体的自由能差，增大转变的驱动力。适当的钼含量能够明显缩短贝氏体转变的孕育期，进一步延长铁素体—珠光体转变的孕育期，有利于在较宽的冷却条件下都获得贝氏体组织，降低焊缝组织对焊接热输入的敏感性。考虑到Mo价格较高，其含量控制在0.1～0.4。
S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，应尽量降低。要求焊丝中S≤0.02、P≤0.02。
根据以上化学成分调整原则，设计的抗拉强度700MPa级焊丝的化学成分(质量％)为0.08％C、0.56％Si、1.65％Mn、0.15％Ti、0.28％Mo、1.28％Ni、0.014％P、0.008％S、0.18％Cu。
生产盘条所选用的板头、板边的化学成分为(质量％)0.06％C、0.28％Si、1.55％Mn、0.014％Ti、0.22％Mo、0.45％Ni、0.011％P、0.004％S、0.2％Cu。
具体实施方法是，首先将20公斤边角料放入感应熔炼炉中，用最短的时间将其熔化后再加入焊剂431，加入量以在钢水表面形成2～3mm厚的液态熔渣保护层为原则。随后将剩余的板头、板边和所有炉料总质量1.85％的硅铁(含45％Si)、0.13％的钼铁(含55％Mo)、0.85％的金属镍一块加入感应熔炼炉中，熔化后熔炼10～15分钟，再依次加入所有炉料总质量0.18％的锰铁(含79％Mn)、3％的钛铁(含27％Ti)，再熔炼5～10分钟。然后浇铸成截面尺寸为60mm×60mm的坯料。
将坯料置于常规加热炉内加热到1200℃，保温40分钟。出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧。在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来，即制得盘条。
盘条采用常规的冷拔、镀铜工艺制备出气体保护焊的焊丝，焊丝直径为1.2mm，按GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》的有关规定测试焊丝CO2气体保护焊的力学性能，结果如下熔敷金属的抗拉强度为712MPa、屈服强度617MPa、伸长率24％、-20℃的冲击功为87J。该焊丝可用于700MPa级低合金高强度钢的焊接。
实施例2(高强度、高韧性焊条的制造)选用抗拉强度610MPa级低碳微合金钢的板边，其化学成分为(质量％)0.09％C、1.47％Mn、0.22％Si、0.26％Ni、0.18％Mo、0.042％V、0.016％Ti、0.002％S、0.007％P。
将上述板边置于常用的加热炉内加热到1200℃，保温40分钟。出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧。在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来，即制得盘条。
按冷拔、切丝、校直等常规的焊芯制备工艺由盘条制得焊芯。焊芯的直径为4mm，长度为400mm。
用本实施例制得的焊芯设计抗拉强度600MPa级的高强度高韧性焊条。
焊条药皮采用CaO-SiO2-TiO2-CaF2碱性渣系，药皮配方如下大理石34，萤石24，石英7，钛白粉7，硅铁4，中碳锰铁1.5，镍粉2.5，钼铁2，钛铁5。焊条规格为4mm。合适熔点和粘度的熔渣，使焊缝表面光滑、波纹细致、美观，焊缝成型良好，Ti、Si、Mn的充分脱氧，降低了飞溅，使焊条的脱渣性得到明显改善。该焊条熔敷金属的化学成分为(质量％)0.07％C、1.12％Mn、0.27％Si、0.75％Ni、0.21％Mo、0.008％S、0.012％P、0.022％V、0.011％Ti。熔敷金属的屈服强度为558MPa，抗拉强度为652MPa，伸长率为24％，-20℃的V形缺口冲击功为126J，-40℃的V形缺口冲击功为96J。该焊条可用于抗拉强度600MPa级，对低温韧性要求较高的结构钢焊接，如球罐、压力容器、钢结构等。
实施例3(高强度、高韧性埋弧焊丝的制造)生产盘条所选用的板头、板边的化学成分为(质量％)0.07％C、0.28％Si、1.55％Mn、0.014％Ti、0.22％Mo、0.25％Ni、0.011％P、0.004％S、0.2％Cu。
设计埋弧焊丝的化学成分(质量％)为0.08％C、0.23％Si、1.80％Mn、0.15％Ti、0.62％Mo、0.22％Ni、0.014％P、0.008％S、0.18％Cu。
具体实施方法是，首先将20公斤边角料放入感应熔炼炉中，用最短的时间将其熔化后再加入焊剂431，加入量以在钢水表面形成2～3mm厚的液态熔渣保护层为原则。
随后将剩余的板头、板边和所有炉料总质量0.78％的钼铁(含55％Mo)一块加入感应熔炼炉中，熔化后熔炼10～15分钟，再依次加入所有炉料总质量0.36％的锰铁(含79％Mn)、3.2％的钛铁(含27％Ti)，再熔炼5～10分钟。熔炼后浇铸成截面尺寸为60mm×60mm的坯料。
将坯料置于常用的加热炉内加热到1200℃，保温40分钟。出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧。在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来，即制得盘条。
经检测制备的盘条的成分符合H08Mn2MoA埋弧焊丝的成分要求。使用该盘条可按常规的埋弧焊丝的生产工艺制备埋弧焊丝。
权利要求
1.一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法，包括如下步骤(1)钢板边角料的选择所述钢板边角料是指钢板的板头、板边、边角料，其化学成分中C、S、P、O、N，以质量百分比计，必须满足C小于0.10％、S小于0.035％、P小于0.035％、氧不超过50ppm、氮不超过50ppm的含量；其他合金元素Mn应为0.1％～2.0％、Si应为0.02％～1.8％、Mo不超过2.5％、Cr不超过3.5％、Ni不超过6.0％、Ti不超过0.5％、V不超过0.5％、Nb不超过0.5％，Cu不超过0.5％、B不超过0.09％；(2)由步骤(1)所述钢板边角料热轧后对焊生产盘条将步骤(1)所述钢板边角料置于常规加热炉内加热到1200℃，保温0.5～3.5小时，出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧，在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径5.5mm或6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来；即制得盘条；或者由步骤(1)所述钢板边角料添加合金元素熔炼后生产盘条若步骤(1)所述钢板边角料的成分经检测不符合预制备焊芯或焊丝成分要求时，先将边角料放入感应熔炼炉中，用最短的时间将其熔化，边角料放入量根据炉膛的尺寸确定，要求熔化后铁水能够有10mm～20mm深；然后加入埋弧焊常用的焊剂，并将其熔化，焊剂的加入量以在钢水表面形成2mm～3mm厚的液态熔渣为原则；同时再向钢水中加入炉料总质量0.5％的含27％Ti的钛铁，使其与N结合形成TiN质点；然后根据预制备焊芯或焊丝用盘条的设计成分，确定加入合金剂的量，并将其加入钢水中熔炼，熔炼后浇铸成坯料，然后将坯料置于常用的加热炉内加热到1200℃，保温0.5～3.5小时，出炉温度控制在1120～1160℃，然后进行热轧，在出炉温度～1000℃温度区间，将坯料粗轧到直径10mm；在930～850℃温度区间，进一步热轧到直径8.5mm；在850～820℃温度区间，再精轧到直径5.5mm或6.5mm；然后再用常规的电阻对焊工艺将其连接起来，即制得盘条；(3)将上述盘条冷拔、切丝、校直加工成直径为2.5mm～5.0mm、长度300mm～400mm规格的焊芯，再在焊芯周围压涂上药皮即可制成焊条；或者，将上述盘条冷拔成直径1.2mm～4.0mm的线材，然后镀铜即可制成焊丝。
2.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述加热炉加热到1200℃时，保温时间根据钢板边角料的尺寸和装炉量确定，优选为1.0～3.0小时。
3.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述焊剂采用埋弧焊中常用的焊剂431。
4.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述合金剂是硅铁、锰铁、钛铁、钼铁、钒铁、铌铁、硼铁、金属镍之一或几种或全部。
5.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述坯料截面尺寸为50mm×50mm～110mm×110mm。
6.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述盘条制备中，对于截面尺寸如110mm×110mm的较大坯料，优选在高线轧机上制备盘条。
7.如权利要求1所述利用钢板边角料生产焊接材料的方法，其特征是所述的盘条用于制造焊芯、气体保护焊焊丝、埋弧焊焊丝。
全文摘要
本发明公开了一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法，包括(1)钢板边角料的选择，(2)由所述钢板边角料热轧后对焊生产盘条，或者由所述钢板边角料添加合金元素熔炼后生产盘条，(3)将上述盘条冷拔、切丝、校直加工成焊芯，再在焊芯周围压涂上药皮制成焊条；或者，将上述盘条冷拔成线材，然后镀铜制成焊丝等步骤。本方法合理利用了钢板生产过程中产生的废料，提高了钢材的利用率，充分利用了其中的合金元素，降低了焊接材料的制造成本，同时特别适合开发批量较小的特种焊接材料，其经济效益和社会效益显著。
文档编号B21B37/16GK1947924SQ20061006955
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者孙俊生, 孙逸群 申请人:山东大学