一种低温钢用药芯焊丝的制作方法
【专利摘要】本发明适用于焊接材料【技术领域】，提供一种低温钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮以及药芯，所述碳钢外皮占焊丝总质量的80～86％，所述药芯占总质量的14～20％，其中所述药芯包含的成分以及各成分占焊丝总质量的百分配比如下：TiO24.2～6％；NaF、CaF2中的一种或两者混合物0.24～0.6％；SiO20.6～1.4％；钛铁合金0.48～1.2％；稀土合金0.15～0.44％；Mg0.36～0.5％；Mn0.5～1.5％；Fe3O40.12～0.3％；Ni2.64～3.5％；硼铁0.72～1.6％；ZrO20.05～0.3％；余量为铁粉。本发明采用钛-碱型渣系，保证一定Ni含量，并添加适量的Ti、B、Zr，保证焊缝金属晶粒细小，从而得到稳定的高韧性焊缝。
【专利说明】一种低温钢用药芯焊丝
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料【技术领域】，尤其涉及一种低温钢用药芯焊丝。
【背景技术】
[0002] 低温钢按照使用分度分为四个级别：-20°C?-40°c、-50°c?-80°c、-100°c?-110 °C、_196°C?_269°C，主要用于液化石油气及液化天然气等的贮存运输容器，以及海洋石油 工程结构等。从所查资料统计分析，目前国内焊接产商生产满足_8〇°C低温环境服役设备 上的焊材基本上都是焊条。药芯焊丝生产效率高，焊接工艺性能好，该焊接方式应用范围广 泛，因此有必要研制一种适用于-80°C低温环境服役的低温钢药芯焊丝。
【发明内容】
[0003] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种低温钢用药芯焊丝，该药芯焊丝可以 在-80°C低温环境服役。
[0004] 本发明采用如下技术方案：
[0005] -种低温钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于所述碳钢外皮中的药芯，所述碳 钢外皮占焊丝总质量的80?86%，所述药芯占总质量的14?20%，其中所述药芯包含的 成分以及各成分占焊丝总质量的百分配比如下：
[0006] Τ?〇2 4,2 ~ 6%; NaF、CaF2中的一种或两者混合物 0.24 ~ 0.6%; SiO： 0.6 ?1.4%; 钬铁合金 0,48 ~〗.2%; 稀土合金 0,15-0.44%;
[0007] Mg 0.36 ~ 0.5%; Μη 0,5 ~ 1,5%； 0.12 - 0.3%： Ni 2.64 ~ 3.5%; 硼铁 0.72-1,6%; ZK), 0.05 ~ 0.3%； 余量为铁粉。
[0008] 本发明的有益效果是：首先本发明药芯焊丝采用钛-碱型渣系，具有钛型渣系良 好的操作工艺，又具有一定的碱性，使用时，焊接电弧稳定，熔渣流动性好，焊缝成型美观； 其次，药芯中通过添加 Mg、Mn、Ti、Si，进行焊缝联合脱氧，尽量减少焊缝中的氧含量，提高 焊缝金属抗裂性能和低温韧性，有利于焊缝的成型；另外，药芯中通过添加合适比例的钛 铁合金、硼铁和Zr0 2，在保证焊接强度的前提下，确定焊缝金属中Mn/Ni比值、Mn/Si比值、 (Ti+Zr)/B比值与韧性的关系，改善了焊缝-80°C低温冲击韧性。
【具体实施方式】
[0009] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过具体实施例对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0010] 本发明实施例提供了一种低温钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于所述碳钢外 皮中的药芯，所述碳钢外皮占焊丝总质量的80?86%，药芯焊丝采用对接0型或搭接0型 的封口方式，所述低温钢药芯焊丝的直径为1. 2mm，所述药芯占总质量的14?20%，其中所 述药芯包含的成分以及各成分占焊丝总质量的百分配比如下：
[0011] Ti〇2 4.2-6%; NaF、CaF2f的一种或两者混合物 0.24 ~ 0.6%;
[0012] SiO ； 0.6 ~ 1.4%: 钬铁合金 0.48 ~ 1.2%; 稀土合金 0.15 ~ 0.44%; Mg 0.36-0.5%; Μη 0.5 ~ 1.5%; l'c；〇, 0.12.....0.；VVn； Ν? 2.64-3.5%; 硎铁 0.72-1.6%; /r〇； 0.05 · 0.3%： 余量为铁粉。
[0013] 上述原料组分中：
[0014] Ti02是形成焊接熔渣的主要成分。加入Ti02可以使得在焊接时稳定电弧，减少焊 接飞溅，改善熔渣覆盖性和脱渣性。另外，Ti02可以改善熔渣流动性，使全位置焊接操作变 得方便易掌握。当药芯中11〇 2量太少时，上述特征不明显；当药芯中1102量过多时，不仅 破坏了熔渣的覆盖性，而且对力学性能产生不良影响。因此，Ti〇 2占所述药芯焊丝总重量的 4· 2 ?6%。
[0015] Si02也是熔渣的主要成分。Si02能调节熔渣熔点和黏度，改善焊缝成形，有利于焊 缝向母材圆滑过渡；使熔渣与焊缝界面增大，使熔渣具有良好的覆盖性。当药芯中si〇2W 入量少时不能体现上述特征，Si02加入量大时，焊缝中氧含量升高，降低焊缝金属的低温冲 击韧性。因此，Si0 2占所述药芯焊丝总重量的0. 6?1. 4%。
[0016] NaF和CaF2可以去氢，本实施例中，选择两者之一或取两者的混合物，加入量过大 电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘，加入量过少去氢能力不足，容易出现气孔压坑。因 此，NaF、CaF 2中的一种或两者混合占所述药芯焊丝总重量的0. 24?0. 6 %。
[0017] Zr02能够提高熔渣熔点、黏度和表面张力，使熔渣很好的覆盖于焊缝，防止立焊 时熔渣和铁水下坠。Zr0 2加入量少上述特征不明显，加入量太高，熔渣熔点太高，流动性差， 同时降低焊缝金属的低温韧性。过渡微量Zr元素，与Ti、B配合，细化晶粒，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。Zr0 2占所述药芯焊丝总重量的0. 05?0. 3%。
[0018] Fe304可以稀释熔渣，造成合适的熔渣表面张力及黏度，改善熔渣与铁水的浸润性。 加入Fe 304量大于0. 3%时，熔渣表面张力过小，熔渣不能拖住铁水，立向下焊接困难。因此， Fe304占所述药芯焊丝总重量的0. 12?0. 3%。
[0019] Ni既可以提高强度，又对提高低温冲击韧性有利。但Ni含量过高则会增大热裂敏 感性。因此，Ni占所述药芯焊丝总重量的2. 64?3. 5%。
[0020] Μη是主要脱氧剂，用于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Μη量大于1. 5 %时焊缝强度过高，低温冲击韧性降 低。因此占 Μη占所述药芯焊丝总重量的0. 5?1. 5%。
[0021] Mg是强脱氧剂，用于提高低温冲击韧性，加入量少于时提高低温冲击韧性能力不 足，加入Mg量大于0.5%时，由于脱氧产物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，Mg占所述药芯焊丝总重量的0. 36?0. 5%。
[0022] 稀土合金可以固定氮，与杂质硫的亲和力大，改变夹杂质的形状、数量和分布，减 少夹杂质对韧性的有害作用。
[0023] 钛铁合金作为主要脱氧剂加入，同时过渡Ti元素，细化晶粒。
[0024] 硼铁作为脱氧剂加入，同时过渡B元素，与Ti、Zr配合细化晶粒。没有足够的Ti 和Zr，B对提高冲击韧性的影响不明显，当（Ti+Zr)/B比值为8?17时，提高冲击韧性的作 用比较明显。
[0025] Fe即铁粉，能改善焊接电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
[0026] 本实施例方案中，药芯采用钛-碱型渣系，焊接时配合C02气体保护，具有一般钛 型渣系的工艺性能，又具有适当的碱度；焊接电弧稳定，熔化均匀，熔渣流动性好，焊缝成型 美观，全位置操作工艺好。焊缝金属力学性能稳定、抗裂性好，满足_80°C低温韧性要求。 生产过程中采取相应措施，进一步控制扩散氢含量。其次，药芯采用Mn-Mg-Ti-Si联合脱 氧的方式，可以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。第三，通过控制钛铁合金、硼铁、Zr0 2的配 t匕，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，在焊接使用时，采用C02气体保护焊接，经测试，焊缝金属的Mn/Ni比值为0. 17? 0. 22，Mn/Si比值为1. 9?2. 5,（Ti+Zr)/B比值为8?17,改善了焊缝-80°C低温冲击韧性。 最后，通过添加稀土合金，降低焊缝金属中S含量并改变夹杂物形态，从而改善低温韧性。
[0027] 本发明实施例中焊丝的药芯成分可在上述限定范围中任意选取，下面通过六个具 体实例验证本发明提供的药芯焊丝的工艺性能。六个实施例的药芯成分配比（占药芯焊丝 总重量百分比）如下表1所示：
[0028] 药芯成分 |实施例1 |实施例2 |实施例3 |实施例4 |实施例5 |实施例6 TiOa 4.2 ^ 6 ~5. 5 4.2 6~ 5 NaF、CaF2 中的一种或两者混合物 0.35 一 0.6 "〇. 24 0.6 ~24 0.6 SiOa 0.9 -0.6 " 1.4 1.4 ~6 0.9 钛4合金 0.48 一 0.8 " 1.2 0.8 T~2 0.48 稀土合金 0.15 一 0.27 "〇. 44 0.27 ~27 0.44 Mg 0. 36 -0.4 "〇. 5 0. 5 ~4 0.4 Μη 0.5 -0.8 " 1. 3 1. 5 Τ~0 1.0 FeA 0. 12 -0.2 ~0. 3 0.2 (Γ2 0.2 Ni 3. 5 -2.64 " 3.2 3.2 ~88 2.88 硼铁 1.1 -1.6 "〇. 72 1.1 T~05 0. 72 ZrOa 0.1 -0. 3 "〇. 05 0.05 ~3 0. 3 Fe及不可避免的杂质_余量余量余量 余量余量余量 填充率（药芯占焊丝总重量百分比）|20 |l6 |l5 |l4 |l6 |20
[0029] 表 1
[0030] 将通过上述六个实施例配比所得到的药芯焊丝进行焊接试验，采用C02气体保护 焊接，熔敷金属中化学成分（质量分数％ )测试，结果如下表2 :
[0031] . ； j I | I 编号 C I Si I Mn S P : ? -i Β It | Ti+Zr/ Μ?/ : Μη/ __---:^!____ 实施例 1 0. 043 I 0. 23 I 0. 5： 0. 0Q8? ?). 0：3 ; 2. 81 0. 036 0. 00:6 0. 009 I 8. 03 0. 18 j 2. 22 实施例 2 0. 04? 0. 21 0. 45.............0. 006 ! i). 0'4 I 2. 6S 0, 04： 0.003 0. 010 ] 1? 0. i 7 ! 2. 14 实施例 3 0. Ml j 0.23 j 0.57 (i. 0i>91 0. 01S i 2. 72 0. D28 0. 0025 0.00? | 14 0.21 ! 2.5 实施例 4 0.041 I 0.2 3 0.55 0. 0C>77 0. 0:5 i 2. 5:5 0. ?24 0. 0032 0. 013 | 1 1. 6 0.22 丨 2. 4 实施例 5 0.044 0.25 0. fi. 0()~2 (I. 0:4 i 2. M 0. ?3? 0. β?)41 I). Ofig | ：(). 97 0. ：8 ； 1.9 实施例 6 0. 042 [ 0. 22 j 0, 4? (i. 00b8 0.(：! ； 2. 66 0. M44 U. 0034 0. 006 I 14. ?1 0. ：8 ! 2. 18
[0032] 表 2
[0033] 从表2中可看出，焊缝金属中，Mn/Ni比值为0. 17?0. 22, Μη/Si比值为1.9? 2. 5,（Ti+Zr/) B比值为8?17,对于Ni系以铁素体为基体组织的焊缝金属，影响其低温韧 性的最主要的因素是铁素体晶粒度及细针状铁素体的数量，本发明实施例将（Ti+Zr)/B、 Μη/Si、Mn/Ni的比值控制在上述范围内，改善了焊缝-80°C低温冲击韧性。
[0034] 上述六个实施例中，将焊接测试得到的熔敷金属进行力学性能测试，结果如下表3 所示：
[0035] jj￥ |Re1/MPa 卜/MPa |A/% |KV2-60°C冲击功 |KV2-80°C冲击功均值/J ^|例 1 if 542 一 24. 5 ΤΓο 69 卖知例 2 569 一 26 98 55 ^|例 3 |452 |548 |25. 5 Il05 |63 ^|例 4 ? 554 一 23. 5 ~8 81 卖知例 5 i75~ 561 一 26 ?22 77 ^|例 6 丨488 丨580 丨24· 5 |l01 丨61
[0036] 表 3
[0037] 从表3可看出，熔敷金属_60°C KV2均值> 90J，_80°C KV2均值> 47J ;熔敷金属力 学性能稳定、抗裂性好。
[0038] 另外，对由上述六个实施例制得的药芯焊丝进行平对接接头焊接和立对接接头焊 接力学性能测试，结果分别如表4和表5所示：
[0039]
[0040] |R m/|KV2-60°C 冲|KV2-80 °C|正反弯（120。?180。） MPa击功均值/冲击功均 __J_it__ ___/J__ 实施例 1 557 95_55__ 实施例? 88 51 ^良好 ^ 实施#56~ 良好 实施#59~ 良好 实施#--^^ΤΓ5 6Γ 良好 实施例6|58l|80 |49 |良好
[0041] 表4平对接接头力学性能
[0042] 编号 1,/MPa 冲击#均Λ OV80O冲击功均Λ 正反弯（120β ~ 180β ) -1--'1--丨上-- 实施例 1 I 557 _95__55__ijf_ _ 实施例 2 | I_88__51___ 实施+W S | 563 | 83 56 良好 实施倒 4 | 569 _103__59__R?_ _ 实施W 5 j | 115 - 61 良好 实施例6 [ 581 I SO 49 良好
[0043] 表5对接接头力学性能
[0044] 为了检测焊缝的冷裂纹敏感性，进行了斜Y型坡口焊接试验。经检测，斜Y试验未 发现裂纹。通过实际接头考核，可获得合格接头，满足产品焊接需要。
[0045] 最后，上述六个实施例中，焊接测试得到的敷金属进行扩散氢测试（水银法），测 试结果如下表6所示：
[0046]
【权利要求】
1. 一种低温钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮以及置于所述碳钢外皮中的药芯，其特征在 于，所述碳钢外皮占焊丝总质量的80?86%，所述药芯占总质量的14?20%，其中所述药 芯包含的成分以及各成分占焊丝总质量的百分配比如下： Ti02 4.2-6%； NaF、CaFa中的一种或两者麗合物 0.24 ~ 0,6%; SiO： 0.6 ?1.4%; 钬铁合金 0.48 ~ 1.2%; 稀土合金 0.15?0.44%; Mg 0.36-0.5%; Μη 0.5-1.5%; Fe；,04 0.12 ?0.3%; Ni 2,64-3.5%: 硼铁 0J2?丨.6%; Zr02 0.05-0.3%; 余量为铁粉=
2. 如权利要求1所述低温钢用药芯焊丝，其特征在于，所述低温钢药芯焊丝采用对接0 型或搭接〇型的封口方式。
3. 如权利要求2所述低温钢用药芯焊丝，其特征在于，所述低温钢药芯焊丝的直径为 1. 2mm〇
【文档编号】B23K35/368GK104117789SQ201410382708
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】张亚平, 刘玉双, 吕奎清, 田海成, 李磊, 韩海峰 申请人:武汉铁锚焊接材料股份有限公司