一种海工低温高强钢专用药芯焊丝的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种海工低温高强钢专用药芯焊丝。
【背景技术】
[0002] 药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能及焊接效率，在造船、海洋工程等行业得到越 来越多应用，在海洋石油钻井平台建造中需要大量使用低温高强钢焊接材料，尤其需要具 有良好低温冲击韧性的药芯焊丝。同时，由于海洋石油钻井平台使用了很多大厚板，对焊接 材料还要求有良好的抗裂性。
[0003] 目前钻井平台及海工项目中常用的高强钢钢板主要包括A514、A517、EQ70、 WELD0X700、EQ51、EQ63等，而相应的焊接材料均为美国及意大利的产品。
[0004] CNlO 1450426B公开了一种低温钢药芯焊丝，它的药芯原料包括金红石、硅灰石、硅 锰合金、铁粉、镍粉、冰晶石、长石、钛铁、硼铁、中碳锰铁、镁砂、石英、萤石。其为偏酸性渣 系，熔敷金属_40°C低温冲击功平均值为78J (焦耳）。
[0005] CN103692110A公开了一种海洋工程用气保护药芯焊丝，药芯包括金红石、氟化 物、其它造渣剂、强脱氧剂、弱脱氧剂、合金剂，其余为铁粉，其中合金剂中至少含有占药芯 总质量2~5%的镍粉。该药芯焊丝屈服强度等级为375Mpa，熔敷金属低温冲击试验温度 为-40。。。
[0006] 当前大部分气体保护焊接用药芯焊丝通常只能满足-40°c低温冲击韧性要求且屈 服强度低于470MPa。为了满足低温韧性要求，常常采用钛-硼（Ti-B)作为合金细化元素。 而众所周知，相对其它常规元素，硼（B)对抗裂性危害更大，如冷裂纹敏感指数
[0007] Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B,
[0008] 其中硼的系数最高，达到5,而在P cm的计算公式中，硼的系数更高达23。因此， 使用Ti-B细化焊缝金属时需要严格控制硼的含量，但实际很难稳定控制其含量。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术中焊接材料抗裂性不佳、低温冲击韧性 不理想的情况，提供一种无添加硼（B)元素力学性能可满足_60°C冲击韧性要求，且满足屈 服强度等级更高的海工低温高强钢专用药芯焊丝。
[0010] 本发明提供的海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，按质量百 分比计，药芯原料成分包括：金红石35~40 %;氧化镁和/或氧化钙2~5 %;锆英砂0. 5~ 2% ;低碳锰铁15~25% ;氟化镁4~6% ;错镁合金2~4% ;娃铁7~10% ;钛铁5~ 8% ;稀土氧化物0. 5~2% ;镍粉9~11% ;余量为铁粉及不可避免的杂质。
[0011] 本发明中，含有大量金红石，可确保具有良好焊接工艺适用性。采取 Al-Mg-Ti-Si-Mn联合脱氧方式，Al、Mg、Ti、Si、Mn来源于铝镁合金、钛铁、硅铁、低碳锰 铁。其原理是：铝、镁、钛、硅、锰与氧元素的亲和力大于铁，优先与氧发生氧化反应，减少铁 的氧化，同时有部分硅、锰作为合金成分过渡到焊缝中，从而确保焊缝金属屈服强度能达到 470MPa 以上。
[0012] 药芯中金红石主要成分是TiO2，起造渣作用。金红石少于35 %时，立焊难操作，成 型不好；金红石多于40%时，熔渣熔点升高，焊缝成形变差。
[0013] 氧化镁和/或氧化钙主要用于调节熔渣碱度。碱金属氧化物少于2%时，提高碱 度作用不显著；多于5%时，熔渣熔点变高，渣聚集成团，焊缝成形变差，焊接时飞溅变多变 大。氧化镁和/或氧化钙可降低锆英砂中SiO 2活度，有利于锆英砂中ZrO2作为形核剂，促 使针状铁素体形核，从而提高焊缝金属冲击韧性。锆英砂少于0.2%，ZrO 2含量低，形核作 用不明显；锆英砂多于2%，需要更多碱金属氧化物提高碱度，焊接工艺变差。
[0014] 低碳锰铁是指含碳量小于0. 7%的锰铁合金，可以参与脱氧，同时具有渗合金作 用。药芯中低碳锰铁少于15%，焊缝Mn含量低，难以形成针状铁素体，冲击韧性低；低碳锰 铁多于25%，焊缝Mn含量过高，易形成马氏体，提高抗拉强度降低冲击韧性。
[0015] 氟化镁（MgF2)焊接中可以脱氢，降低焊缝氢含量，减少产生冷裂纹的机率，含量少 于4%时，脱氢作用不明显；多于6%时，焊接过程中熔滴变大，飞溅增多，焊接工艺变差。此 外，氟化镁脱氢后可形成MgO,进一步提高熔渣碱度。
[0016] 铝镁合金作为脱氧剂，脱氧产物为Al2O3和MgO。适量的Al 203可改善全位置焊接 操作工艺性能，MgO可提高熔渣碱度。铝镁合金作为脱氧剂，可使熔池反应中形成Ti 2O3，促 使针状铁素体形核，从而提高焊缝冲击韧性。
[0017] 硅铁、钛铁作为脱氧剂，同时具有渗合金作用，确保熔敷金属屈服强度等级满足 470MPa。含量过多时，屈服强度过高，焊缝冲击韧性下降，太少则焊缝强度达不到要求。硅铁 是硅和铁按一定比例组成的铁合金，可直接购买市售商品，牌号有FeSi75、FeSi65、FeSi45 等。钛铁是含钛量为20%~27% (质量百分含量）的铁合金，可直接购买市售商品，牌号 有 FeTi30、FeTi40 等。
[0018] 稀土氧化物可细化晶粒，含量少于0. 5%时，作用不明显；多于2%，焊缝金属中稀 土含量过多，反而降低冲击韧性。
[0019] 镍粉含有大量Ni，作为渗合金剂使用。焊缝含有适量的Ni，可降低脆性转变温度， 使低温冲击韧性满足要求。
[0020] 上述药芯配方中不添加硼，通过各特定用量成分之间的相互作用来实现提高冲击 韧性和抗屈服强度的要求。
[0021] 优选地，所述药芯的质量占药芯焊丝总质量的13~17%。
[0022] 优选地，所述锆英砂中质量百分比在65%以上。锆英砂主要成分是ZrO 2、 3102等。当ZrO 2的质量百分比较低时，SiO2等其它成分含量较高，将降低熔渣碱度，会降低 焊缝冲击韧性数值。
[0023] 优选地，所述氧化镁和/或氧化钙，与锆英砂的质量比大于等于2。锆英砂主要成 分Zr0 2、5102均为酸性氧化物，氧化镁和/或氧化钙为碱性氧化物。氧化镁和/或氧化钙， 与锆英砂的质量比值影响焊接熔渣的碱度，当比值大于等于2时，可确保焊缝获得较好的 韧性。
[0024] 优选地，所述氧化镁为电熔镁砂。电熔镁砂中MgO含量高，杂质含量低，且其结构 致密，相对其它含MgO材料（如轻烧镁砂），具有较好的耐潮性，有利于获得扩散氢更低的焊 缝。
[0025] 优选地，所述锆英砂的颗粒直径小于74 μ m。锆英砂熔点很高，可达2200°C以上。 当其粒度大于74 μ m时，焊接过程难以熔化，易在焊缝表面形成"麻点"。
[0026] 本发明还提供上述任一海工低温高强钢专用药芯焊丝的焊接方法，焊接条件为： 保护气体CO2，纯度99. 95 % ;焊接电流230~240A ;焊接电压26~27V ;焊接速度28~ 32mm/min〇
[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028] 1、本发明的药芯焊丝使用CO2保护气体焊接，具有优良的焊接工艺性能，熔敷金属 和焊接接头综合性能：屈服强度彡470MPa ;抗拉强度彡550MPa ;伸长率彡22% ;-60°C时， KV2^ 50J 〇
[0029] 2、本发明的药芯焊丝没有添加硼，焊缝金属具有良好的抗冷裂性能。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地 理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0031] 实施例药芯焊丝配方见表1，钢皮为SPCC钢带，采用常规药芯焊丝制造工艺。
[0032] 其中，实施例1、3的金属氧化物为普通氧化镁，稀土氧化物为氧化钇。实施例2为 电熔镁砂，稀土氧化物为氧化钇。实施例4的金属氧化物为氧化钙，稀土氧化物为氧化镧， 实施例5~9的金属氧化物为氧化镁和氧化钙的混合物，稀土氧化物为混合稀土；其中实施 例5、7和9中氧化镁为电容镁砂。实施例4、5和9中锆英砂粒度小于200目（小于74 μ m)， 其中ZrOj^质量百分比在65%以上。
[0033] 表1药芯焊丝配方（质量百分比）
[0036] 表2所示为实施例药芯焊丝熔敷金属的化学成分与力学性能。焊接条件：保护气 体CO2，纯度99. 95% ;焊接电流230~240A ;焊接电压26~27V ;焊接速度约30mm/min。
[0037] 表2熔敷金属的化学成分与力学性能
[0038]
[0039] 从表1及表2所示实施例的化学成分可以得出：本发明的药芯焊丝使用0)2保护 气体焊接，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度彡470MPa ;抗拉强度彡550MPa ;伸长率 彡 22% ;-6(TC条件下，Akv 彡 50J〇
[0040] 表3斜Y抗裂试验裂纹率（％ )
[0041]
[0043] 实施例1~9进行了斜Y抗裂试验，试验结果见表3,显示均具有较好的抗裂能力。 [0044] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范 围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明 的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
【主权项】
1. 一种海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，其特征在于，按质量百 分比计，药芯原料成分包括：金红石35~40 %;氧化镁和/或氧化钙2~5 %;锆英砂0. 5~ 2% ;低碳锰铁15~25% ;氟化镁4~6% ;错镁合金2~4% ;娃铁7~10% ;钛铁5~ 8% ;稀土氧化物0.5~2% ;镍粉9~11% ;余量为铁粉及不可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的质 量占药芯焊丝总质量的13~17%。3. 根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述锆英砂中 ZrO2的质量百分含量在65%以上。4. 根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述氧化镁和/ 或氧化钙，与锆英砂的质量比大于等于2。5. 根据权利要求1~4任一所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述氧 化镁为电熔镁砂。6. 根据权利要求5所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述锆英砂的 颗粒直径小于74 y m。7. -种权利要求1~6任一所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝的焊接方法，其特征 在于，焊接条件为：保护气体CO 2，纯度99. 95%;焊接电流230~240A ;焊接电压26~27V ; 焊接速度28~32mm/min。
【专利摘要】本发明公开了一种海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，按质量百分比计，药芯原料成分包括：金红石35～40％；氧化镁和/或氧化钙2～5％；锆英砂0.5～2％；低碳锰铁15～25％；氟化镁4～6％；铝镁合金2～4％；硅铁7～10％；钛铁5～8％；稀土氧化物0.5～2％；镍粉9～11％；余量为铁粉及不可避免的杂质。该药芯焊丝无添加硼(B)元素，具有优良的焊接工艺性能，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥470MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥22％；-60℃时，KV2≥50J。
【IPC分类】B23K35/30, B23K35/368
【公开号】CN104959748
【申请号】CN201510378935
【发明人】吴光辉, 张少健, 王天虎
【申请人】武汉铁锚焊接材料股份有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月2日