专利名称：能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种药芯焊丝，具体地说，是涉及对不锈钢焊接接头焊趾疲劳性能进 行改善的药芯焊丝。
背景技术：
相比于其它连接技术，焊接技术在工程生产中应用最为广泛，焊接结构随焊接技 术的发展而产生，从20世纪20年代开始得到了越来越广泛的应用。据统计，我国焊接结构 用钢占钢产量的50%左右，在工业发达国家这一比例更高。然而焊接结构经常发生断裂事 故，大量统计资料表明，工程结构失效有80%以上是由疲劳引起的，对于承受循环载荷的焊 接构件有90%以上的失效是由于疲劳破坏。因此，规范规定设计承载交变载荷焊接结构时， 以焊接接头的疲劳性能作为整体结构的疲劳性能，而不是母材的疲劳性能。应力集中和焊 后残余拉伸应力对焊接接头的疲劳强度有较大的影响，造成整体结构的过早失效。因此消 除焊接接头应力集中，改善焊后应力状态，可提高焊接接头疲劳强度，具有极大的经济和社 会效益。焊趾部位是焊接接头的薄弱环节，因为焊趾处既存在几何形状突变产生的应力集 中，也会由于焊接过程中热收缩作用产生较大的残余拉伸应力，致使很多承载疲劳载荷的 不锈钢结构件在未达到标准寿命时，焊趾处出现疲劳裂纹而失效。不锈钢普遍应用于耐酸 抗腐的重要结构中，一旦发生过早失效，会造成重大的损失。目前工程中应用最为广泛的改善焊趾性能的方法是TIG熔修法和局部机械加工 法，这两种方法都有一定的局限性。TIG熔修的作用是改善焊趾处的过渡半径，消除应力集 中，但要求操作工有一定的操作水平，操作工的水平差异对性能的改善程度有明显影响；并 且这种方法依靠熔池液态金属的流动和铺展来改善焊趾部位的过渡半径，因此只适合于平 焊和平角焊位置的焊缝，对仰焊、立焊和横焊等位置无法实施操作。局部机械加工法使焊缝 表面应力集中大大减少，但这种机械加工的成本很高，需要很大的工作量，同时也延长了工 时，增加了生产成本。因此，针对不锈钢焊接接头焊趾处的力学性能，需要更加有效和经济 的改善方法。中国专利号为ZL01130810. 9的“用于提高焊接接头疲劳强度的焊条”以及中国专 利号为ZL200510013182. 7的“提高焊接接头疲劳性能的药芯焊丝”可用于低碳、低合金钢 焊接接头疲劳强度的提高，其机理是使用所发明焊接材料改善焊接接头的应力状态，在焊 缝处产生压缩应力。但对于不锈钢的单层焊接，特别是针对焊趾处的熔修处理，考虑到母材 合金元素的过渡对焊缝合金成分的影响，上述发明不具有适用性。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中改善焊接接头焊趾处应力状态的焊接材料不适用 于不锈钢母材的技术问题，提供一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊 丝，扩大低相变焊接材料的应用范围，使得低相变焊接材料可用于对不锈钢焊接接头焊趾处进行应力状态的改善，从而提高不锈钢焊接接头焊趾处的疲劳性能。为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构 成，所述药芯按照重量百分比包括下列组分金属镍粉50% 65%，金属锰粉2% 5%，金 属钼粉4% 6%，稀土硅粉 3%，余量为铁粉；所述钢带采用碳素钢钢材。所述药芯按照重量百分比由下列组分组成金属镍粉50% 65%%，金属锰粉 2% 5%，金属钼粉4% 6%，稀土硅 3%，金属钛粉4% 7%，金属铌粉2% 5%， 余量为铁粉。所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。本发明的有益效果是与传统的TIG熔修对操作人员的高水平技术要求和局部机械加工法的巨大工作 量相比，本发明选用低相变点药芯焊丝熔修技术改善焊接接头焊趾处的疲劳性能，对操作 人员的技术水平要求降低，同时避免焊后加工的附加工序，提高生产效率。使用本发明的低 相变点药芯焊丝对不锈钢焊趾进行熔修，一方面可以保持与TIG熔修相类似的效果，改善 焊缝焊趾处的过渡，增大过渡半径降低应力集中，另一方面还可以在焊趾处产生压缩应力， 压缩应力的产生可以提高焊缝的疲劳性能，起到延长疲劳寿命的作用。
图1是本发明的药芯焊丝和普通药芯焊丝焊缝金属的冷却膨胀曲线对比图；图2是本发明药芯焊丝的横截面示意图。图中1 药芯，2 钢带。
具体实施例方式钢铁材料从高温到室温的冷却过程中，会发生体积的热收缩。同时伴有一系列的 组织转变，此组织相变伴随有体积膨胀。室温下的焊接残余应力由焊接热收缩应力和相变 应力共同决定的，对于低碳钢、中碳钢和低合金元素材料，组织转变在较高的温度下进行， 此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会改变焊接残余应力。对于高合金材料，比如奥氏 体不锈钢，由于材料从高温到低温的冷却过程中并不发生相变，所以通常选用与奥氏体不 锈钢相匹配的焊接材料进行焊接时，焊接的残余应力主要由焊接热收缩决定，最终焊缝表 面得到残余拉伸应力。但对于一定合金成分的钢铁材料，组织转变开始和结束均在较低温 度，此时材料处于弹塑性或弹性状态，因此相变体积膨胀，可减少残余拉伸应力，以致出现 对焊缝性能有益的残余压缩应力。本发明和普通药芯焊丝的焊缝金属冷却曲线如图1所示。虚线是普通药芯焊丝熔 敷金属的冷却膨胀曲线，从图1虚线可以看出，普通低碳钢药芯焊丝相变温度较高，普通不 锈钢药芯焊丝未发生相变，最终焊缝表面得到的都是残余拉伸应力。实线为能够使能够使 不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的低相变点药芯焊丝。从图1中的实线可以看出，在 相变开始温度Ms点，曲线出现转折点，此时奥氏体开始向马氏体转变，奥氏体量逐渐减少， 马氏体量逐渐增大，随着温度继续降低，马氏体相变所产生的膨胀应变越加明显。当相变转 变结束温度在室温附近时，焊缝金属不再发生热收缩，从而使得焊缝金属获得残余压应力。
依据以上原理分析和相关实验的基础上，研究出适合不锈钢使用的改善焊趾应力 状态的药芯焊丝。如图2所示，药芯焊丝的药芯1采用多种元素合金化，通过药芯过渡合金 元素，以Cr-Ni-Mn-Si合金系作为药芯焊丝的基础合金系统，以Ti、Nb等合金元素的添加改 善焊缝金属的力学性能。药芯焊丝的钢带2最好采用SPCC冷轧低碳钢优质钢材，尺寸在厚 0. 8 1. 2mm,宽12 15mm的范围内。药芯1和钢带2均要控制碳含量，以保证焊缝中得 到低碳板条马氏体组织，焊丝直径为1. 2 2. 0mm，用于填丝的非熔化极TIG焊接方法。下述各实施例药芯焊丝使用通用的药芯焊丝制造方法在药芯焊丝制造装置上制 造而成，直径均为01. 6mm。钢带2均采用SPCC冷轧低碳钢钢材，其主要成分含量为CO. 05%, SiO. 01%, MnO. 25%, S、P含量在0. 025%以下；钢带2尺寸选用厚1mm，宽14mm。实施例采用的研究方法是在304L不锈钢材料表面焊接一层本发明药芯焊丝，用 得到的焊缝模拟本发明药芯焊丝在304L不锈钢焊缝焊趾处熔修所得到的熔修焊缝，并对 其成分和残余应力进行测量。焊接时选择填丝的非熔化极TIG焊接方法，并选用直流正接 的电源极性接法。304L不锈钢母材主要成分范围(％ )见下表1 表 1
CSiMnSPCrNiMo0. 0320. 3511. 580. 00160. 04018. 268. 200. 108实施例1实施例药芯组分及重量百分比含量(％ )以及钢带尺寸见下表2表2
金属锰粉稀土硅粉金属镍粉金属钼粉铁粉3257. 5532. 5按常规工艺将上述各组分按比例混合，药芯焊丝填充率为16. 11%。实施例1按不同焊接电流大小所得焊缝金属主要成分范围(％ )见下表3表 权利要求
1.一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成， 其特征在于，所述药芯按照重量百分比包括下列组分金属镍粉50% 65%，金属锰粉 2% 5 %，金属钼粉4% 6%，稀土硅粉 3 %，余量为铁粉；所述钢带采用碳素钢钢 材。
2.根据权利要求1所述的一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊 丝，其特征在于，所述药芯按照重量百分比由下列组分组成金属镍粉50% 65%%，金属 锰粉2% 5%，金属钼粉4% 6%，稀土硅 3%，金属钛粉4% 7%，金属铌粉2% 5%，余量为铁粉。
3.根据权利要求1所述的一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊 丝，其特征在于，所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。
全文摘要
本发明公开了一种能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应力的药芯焊丝，由药芯和钢带构成，药芯按照重量百分比包括金属镍粉50％～65％，金属锰粉2％～5％，金属钼粉4％～6％，稀土硅粉1％～3％，余量为铁粉，还可添加金属钛粉4％～7％，金属铌粉2％～5％；钢带采用SPCC冷轧低碳钢钢材。本发明选用低相变点药芯焊丝熔修技术改善焊接接头焊趾处的疲劳性能，通过在焊趾处产生压缩应力，提高焊缝的疲劳性能，延长疲劳寿命，与传统的TIG熔修对操作人员的高水平技术要求和局部机械加工法的巨大工作量相比，对操作人员的技术水平要求降低，同时避免焊后加工的附加工序，提高生产效率。
文档编号B23K35/30GK102091884SQ20111002637
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者徐连勇, 荆洪阳, 赵森, 韩永典 申请人:天津大学