专利名称：管线钢全位置自保护药芯焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属焊接用的焊接材料，具体地是指管线钢全位置自保护药芯焊丝。本发明的药芯焊丝用于强度等于或低于X70的各种管线钢的全位置焊接，也可以用于同一强度级别的各种钢结构的全位置焊接。
背景技术：
由于自保护药芯焊丝具有无需外加保护气源，抗风能力强，焊接质量好，操作简便，生产成本低，适于全位置焊接等优点，近年来已在油气管道、冶金高炉和高层钢结构建筑中得到广泛的应用。一般的自保护药芯焊丝也用于管线钢的焊接。在普通管或大口径厚壁管的焊接过程中，当焊到横卧管线的下部时都需用焊枪上的小开关把电流衰减15％左右。采用较小的焊接电流是为了阻止铁水下坠。但这使得焊缝熔池的温度降低，铁水流动性差，熔深浅，焊接强度降低。特别是在焊接大口径厚壁管时会出现铁水凝固快，氮气和氢气不易逸出，扩散氢含量高，容易出现气孔和夹渣，导致冲击功下降。当环境温度低、加热不充分时焊缝的缺陷更为严重，焊缝中含氮量多，硬脆性增高；含氢量多，断口容易出现白点，冲击功降低，低温冲击韧性差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电弧稳定性好、低温冲击韧性好、适于立焊和仰焊、焊缝平滑及综合性能优良的管线钢全位置自保护药芯焊丝。
本发明的技术解决方案是管线钢全位置自保护药芯焊丝，由钢制外皮和药芯组成，焊丝总重中各成份的比例为BaF2、SrF2和CaF2中的至少一种7～12％，LiF 0.8～3.0％，CaO 0.2～0.8％，SiO20.1～0.4％，Al 1.2～2.0％，Mg 1.2～2.0％，Mn 0.6～1.2％，Ni 0.6～1.2％，C 0.05～0.10％，Zr 0.05～0.3％，B0.002～0.012％，其余为Fe，药芯占焊丝总重量的比例为18～25％。
本发明还可以使焊丝总重中所含水份的比例为0.010～0.120％。
为研制出在大电流平焊和小电流立焊或仰焊条件下都具有良好焊接性能的全位置自保护焊药芯焊丝，本发明药芯焊丝化学成分设计思路如下氟化物BaF2、SrF2、CaF2是造渣剂，焊接时能够阻止空气侵入焊缝，而且BaF2又是很好的稳弧剂，当颗粒度小于60目时稳弧效果较好。同时由于BaF2的熔点高，在立焊和仰焊时，有利于托住铁水，更好地保护熔池；CaF2使焊缝成型平滑，有利于脱渣，也使夹渣能够顺利浮出；SrF2的性能介于BaF2和CaF2之间，用氟化物造渣可以减少扩散氢。确定的用量范围是焊丝总重量的7～12％。在7～12％范围内BaF2、SrF2、CaF2可以单独加入，也可以是其中的二种或三种一起加入。BaF2、SrF2、CaF2含量太少时起不到上述作用，太多时影响稳弧。
LiF能够阻止外部空气的侵入，是很好的保护剂。LiF的用量范围是焊丝总重量的0.8～3.0％。量少了容易出气孔，量用多了熔池温度降低，容易产生气孔、焊缝成型凸以及夹渣等缺陷。
CaO加快渣的凝固，阻止铁水下坠，加少了作用不明显，多时成型粗、脱渣难并容易产生夹渣。
SiO2可以提高铁水的浸润性，使焊道两侧圆滑过渡，利于脱渣。SiO2的用量范围是焊丝总重量的0.1～0.4％。量少时作用不明显，量多时还原出的Si太多，影响焊缝金属的韧性。
Al能和N结合，有效阻止氮气孔的发生。Al的用量范围是焊丝总重量的1.2～2.0％。Al量少了容易出气孔，量多时焊缝金属变脆。
Al和Mg能与氧反应，阻止氧气孔的发生，同时也是很好的稳弧剂。增加Al、Mg合金时在不改变送丝速度的情况下，可以加大电流，提高熔池温度，增加熔深，使气体充分逸出，也使夹渣物充分浮出。Mg的用量范围是焊丝总重量的1.2～2.0％。Mg太少稳弧差，Mg太多时稳弧也差，使侵入熔池的空气增加。
Mn可以有效减少焊缝金属中的含硫量，提高强度和冲击功，Mn的用量范围是焊丝总重量的0.6～1.2％。太多时硬度提高，焊缝冲击功反而下降。
Ni可以有效提高韧性，Ni的用量范围是焊丝总重量的0.6～1.2％。量少时不起作用，量太多时不能和Mn有效匹配，焊缝冲击功反而下降。
C含量太少时铁水凝固快，残余N、H多，冲击功下降，含量太多时硬度也会提高。因此用量范围是焊丝总重量的0.05～0.10％。
Zr能细化晶粒，用量范围是焊丝总重量的0.05～0.30％。量太少时作用不明显，量太多时冲击功反而下降，脱渣困难。
B在线能量大时，有效阻止晶粒长大，用量范围是焊丝总重量的0.002～0.012％。B的用量太多时，冲击功急剧下降。
药芯粉料占焊丝总重量的比例即填充率为18～25％。这与普通自保护药芯焊丝的填充率基本相同。
经研究，申请人发现水也是药芯焊丝的重要组成成份。焊丝生产中，由于各种原因(如受潮、环境湿度大等)药芯粉料中总会含有水份。水可以改变药芯的电阻值，影响焊芯和钢制外皮的融化的同步性。因此对药芯粉料中水的含量应进行控制，使水的含量为焊丝总重中的0.010～0.120％。水份太多时稳弧差，容易出气孔，太少时电流变小，稳弧也差。
以上设计思路是在反复试验和测试比较的基础上，对焊丝成份进行组合搭配而成，其药芯粉料各成份的综合作用保证了焊丝的全位置焊接性能，焊缝具有良好的力学性能。
本发明的有益效果是1，通过增加保护剂，加强稳弧，减少侵入熔池的空气，增加熔深，延长熔池凝固时间使浸入熔池中的空气充分逸出，减少熔池中残余的氮和氢，保证了焊缝具有良好的力学性能。2，加入氟化物，提高其造渣和稳弧的效果，减少气孔和夹渣现象的产生，增加焊缝的平滑性，立焊和仰焊时有利于托住铁水，有效地提高了焊缝的质量。3，加入强脱氧脱氮剂Al和强脱氧剂Mg，减少了熔池中的氮、氧含量，提高了焊缝的低温冲击韧性。4，研究并发现了焊丝药芯中水份对焊丝焊接性能的影响，提出了控制药芯粉料的含水量，进而减少电流波动，改善焊丝焊接效果的技术方案，提高了药芯焊丝全位置焊接的工艺性能。可保持良好的电弧稳定性和焊接操作性能，其焊缝平滑，连接强度高且焊缝金属具有良好的低温冲击韧性。而且在环境温度低、加热不充分的情况下焊接大口径厚壁管也能保证焊缝有良好的力学性能。
具体实施例方式
以下结合具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述
本发明的管线钢全位置自保护药芯焊丝，由钢制外皮和药芯组成，焊丝总重中各成份的比例为BaF2、SrF2和CaF2中的至少一种7～12％，LiF 0.8～3.0％，CaO 0.2～0.8％，SiO20.1～0.4％，Al 1.2～2.0％，Mg 1.2～2.0％，Mn 0.6～1.2％，Ni 0.6～1.2％，C 0.05～0.10％，Zr 0.05～0.3％，B 0.002～0.012％，其余为Fe，药芯占焊丝总重量的比例为18～25％。
而且在焊丝总重中所含水份的比例为0.010～0.120％。
实施例调整药芯各原料的成份含量，分别制成焊丝试样，按顺序编成1-13号进行试验。其试样焊丝的原料组份参见表1。
表1焊丝成份(％)
按照表1中1～13号试样的组份配比称量粉料，混合均匀，取厚度为0.5毫米的钢带作为焊丝的钢制外皮，清除钢带表面的油污、锈蚀，将钢带轧制成U型，通过加粉装置按粉料占焊丝总重量20％的比例将制备好的药芯粉料均匀地落入U型槽内，再合拢为O型，经过轧制减径后制成药芯焊丝，焊丝直径φ2.0mm。其水份主要通过药芯粉料的干燥情况来控制。
试验条件送丝速度90英寸/分钟电压21V焊接速度12cm/min道间温度50℃试板材质16Mn，板厚20mm，坡口角度10°，槽底宽度16mm焊接姿势下向多层焊焊接极性焊丝接负各试样焊丝的工艺性能、-20℃冲击功及结论等试验数据如表2所示。其中电流大小随试样中的含水量变化，电弧的稳定性用数理统计出来的电流波动标准差σn-1表示，冲击功以所取得五个值中的最低值判断其稳定性。
表2试验数据
其中，第1～7号试样中各原料成份的含量比例均控制在本发明所述的范围内，其焊丝的耐气孔性、冲击功最低值等数值均达到了管线钢焊接强度的规范要求。另对第1～7号试样进行人工立焊、仰焊试验，反映其电弧稳定性和焊接操作性能较好，焊缝平滑规整。
第8～13号试样中有一些原料的成份含量超出本发明所规定的范围，其焊丝的工艺性能、冲击功最低值等数值均不太理想。
第8号试样药芯中LiF含量偏低，Zr含量过高，导致其焊丝气孔增加，脱渣困难，冲击功有所降低。
第9号试样药芯中，Mn、Ni含量较高，导致冲击功下降。
第10号试样药芯中，B含量较多，冲击功下降。
第11号试样药芯中水分多，电流波动大，稳弧差，氮侵入多，冲击功下降。
第12号试样中，C含量太少，铁水凝固快，残余的氮多，硬度提高，冲击功下降。
第13号试样药芯中水分太少，电流波动也大，稳弧差，电流小，熔深浅，气体不容易逸出，硬度提高，冲击功下降。
权利要求
1.管线钢全位置自保护药芯焊丝，由钢制外皮和药芯组成，其特征在于焊丝总重中各成份的比例为BaF2、SrF2和CaF2中的至少一种7～12％，LiF 0.8～3.0％，CaO 0.2～0.8％，SiO20.1～0.4％，Al 1.2～2.0％，Mg 1.2～2.0％，Mn 0.6～1.2％，Ni 0.6～1.2％，C 0.05～0.10％，Zr 0.05～0.3％，B 0.002～0.012％，其余为Fe，药芯占焊丝总重量的比例为18～25％。
2.根据权利要求1所述的管线钢全位置自保护药芯焊丝，其特征在于焊丝总重中所含水份的比例为0.010～0.120％。
全文摘要
管线钢全位置自保护药芯焊丝，焊丝总重中各成份的比例为BaF
文档编号B23K35/30GK1943965SQ20061012492
公开日2007年4月11日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者崔东植, 韩海峰 申请人:武汉铁锚焊接材料股份有限公司