一种超低氢高韧性的酸性CO₂药芯焊丝及其制备的制作方法

专利名称：一种超低氢高韧性的酸性CO₂药芯焊丝及其制备的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝及其制备。
背景技术：
随着焊接技术的发展，药芯焊丝以其生产效率高、工艺性能好、焊接质量优、焊缝成型美观、操作简单、容易实现自动化和半自动化等优点已经在船舶制造行业得到了非常广泛的应用。药芯焊丝按合缝形状分为“无缝”和“有缝”两种，无缝药芯焊丝制造工艺较复杂，有缝药芯焊丝制造工艺较简单，在国内外采用较普遍，但是由于普通有缝药芯焊丝在生产过程中或放置一段时间后药芯均容易通过对接合缝缝隙吸潮，导致焊接过程中熔敷金属扩散氢含量较高，在高寒、高湿等恶劣环境下桥梁钢焊接时容易出现大量致命的冷裂纹 缺陷。另外，普通酸性药芯焊丝扩散氢含量也较高、抗裂性能和低温冲击韧性较差，而碱性药芯焊丝虽然扩散氢含量较低，但焊接工艺性能较差、无法实现全位置焊接等这一系列的因素限制了药芯焊丝在我国桥梁钢焊接领域的广泛使用。现已公开的专利都是通过调整药芯组分来降低药芯焊丝熔敷金属的扩散氢含量，虽然利用这些方法在一定的条件下对扩散氢含量有所降低，但对于有缝酸性CO2药芯焊丝要实现超低氢含量与防止在生产过程中、使用过程中和放置一段时间后药芯吸潮是非常困难的。

发明内容
解决上述所存在的问题，提出了一种桥梁钢用超低氢高韧性的有缝酸性C02药芯焊丝及其制备方法。本发明主要通过调整药芯的组分和在制备过程中对焊丝进行高频加热烘焙的方法，所采取的具体方案如下。所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，由钢带和药芯组成，其特征在于，所述钢带采用低碳和低杂质元素含量的钢带，由酸性渣系药芯进行填充，所述药芯的主要组分和重量百分比为Ti02 42% 45%，NaF 2. 5% 3%，SiO2 4% 6%，Si-Mn 16% 18%, Al-Mg 3% 5%，MgO 3% 4%，ReF O. 5% 1%，ZrO2 2% 3%，Ti-Fe 1% 3%，Al-FeI. 5% 3%，B-Fe 2% 3%，余量为金属铁粉。作为优选，所述药芯的组分和重量百分比为=TiO2 42%, NaF 2. 5%, SiO2 :4%，Si-Mn 18%, Al-Mg :3%，MgO :4%，ReF 0. 5%, ZrO2 :2%，Ti-Fe :3%，Al-Fe :3%，B-Fe :3%，金属铁粉15%。作为优选，所述所述药芯的组分和重量百分比为=TiO2 45%, NaF :3%，SiO2 :6%，Si-Mn 16%, Al-Mg :5%，MgO :3%，ReF 1%, ZrO2 :3%，Ti-Fe 1%, Al-Fe 1. 5%, B-Fe :2%，金属铁粉13. 5%ο进一步地，所述药芯的填充率为14% 15%。进一步地，所述药芯焊丝为有缝药芯焊丝。所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，包含药芯焊丝生产行业内通用的制造工艺，如成型、轧制减径的步骤，拉拔、聚晶模减径的步骤，其特征在于还包括在线高频加热烘焙处理的步骤。进一步地，所述高频加热烘焙处理的步骤为，在药芯焊丝拉拔至直径为φ I. 2mm时，通过在线高频加热装置对焊丝进行烘焙，药芯焊丝的拉拔速度为6m/s，高频电源的频率为4 6KHz，瞬时烘焙温度为350°C 500°C。进一步地，所述在线高频加热烘焙装置，包含空心陶瓷管，以及缠绕于陶瓷管上的螺旋形状的电感线圈。进一步地，所述缠绕于陶瓷管上的螺旋形状的电感线圈由紫铜制成。进一步地，所述在线高频加热烘焙装置，其陶瓷管的外径尺寸为Φ100±6_，内径尺寸为Φ 80 ± 5mm,长度尺寸为1000 ± 30mm,其电感线圈的外径尺寸为Φ30±5ι πι。
本发明所述药芯各组分的工作原理
TiO2是药芯的一种主要成分，有助于改善药芯焊丝的电弧稳定性，可调整渣的熔点和粘度。本发明中以金红石的形式加入，当加入量低于42%时，药芯焊丝立向下焊焊接工艺性能变差，当加入量超过45%时，熔敷金属含氧量增加，降低焊缝低温冲击韧性。NaF是药芯中脱氢物质之一，在焊接过程中起了造气剂作用，有利于降低电弧气氛中氢的分压，从而起到去氢的作用，也有利于改善熔渣的覆盖性。ReF也是药芯中主要脱氢物质之一，也具有改善低温冲击韧性的作用，本发明中以氟化稀土的形式加入，其加入量为
O.5% 1%。SiO2是药芯中主要的酸性氧化物，有助于减小熔渣碱度、细化熔滴、减少飞溅、改善工艺性能。本发明中以石英的形式加入，当加入量低于4%时，不利于脱渣，对工艺性能的改善作用不明显，当加入量超过6%时，容易使焊缝出现压痕缺陷，飞溅增大爆炸声显著，同时降低焊缝低温冲击韧性。MgO是为了调整熔渣的碱度而加入放的一种碱性氧化物，有助于造渣和改善熔渣的透气性，并可调整熔渣熔点、粘度等，可改善渣覆盖及焊缝成形。本发明中以镁砂的形式加入，当加入量低于3%时，电弧的稳定性较差，飞溅增加，当加入量超过4%时，焊接熔渣覆盖较差，严重影响焊缝的成形。Al-Mg合金是一种活泼金属，Al，Mg属于强脱氧剂，对于降低焊缝的氧含量起重要作用，同时也有利于稳定电弧和减少飞溅。当含量增加时，会增加电弧的挺度，但不利于焊缝成形。若焊缝中Al，Mg的残存含量过高，会使焊缝强度过高，也不利于焊缝的低温冲击韧性。ZrO2的加入有助于改善药芯焊丝的脱渣性能，本发明中以锆英砂的形式加入，其加入量为2% 3%。金属铁粉的加入有助于改善药芯熔化状况，有利于改善焊丝的工艺性能，如提高电弧稳定性，降低飞溅等。加入铁粉还可以增加焊丝熔敷速度，提高焊丝熔敷效率。为了保证药芯焊丝熔敷金属的力学性能，特别是强度和低温冲击韧性，本发明还在药芯中加入多种铁合金，如钛铁、硼铁、铝铁、硅锰合金等，主要作为脱氧剂和合金剂使用。同时加入的纯金属粉末除金属铁粉以外还有金属锰，主要作为合金剂使用。本发明的特点及优点
本发明超低氢高韧性的酸性有缝CO2药芯焊丝，通过在线高频加热烘焙处理，此处理方法具有高效节能、绿色环保、安全可靠、操作简单等优点。批量生产时简单、高效、可控，可有效防止在生产过程中和放置一段时间后药芯的吸潮，具有良好的抗吸潮性能。采用CO2作为保护气体，在高湿度环境下焊接时具有优良的抗冷裂纹性能，熔敷金属具有高韧性(在-20°c下低温冲击韧性在140J以上)、超低氢(水银法测试扩散氢[H]〈4mL/100g)，可进行平、立、横、仰等全位置全位置焊接、焊缝熔渣覆盖性好、脱渣容易、焊接飞溅小、焊缝成形美观。非常适合于高寒、高湿等恶劣环境下50kg级桥梁钢的焊接。


图I为药芯焊丝轧制过程示意图。图2为药芯焊丝拉拔过程示意图。图3为药芯焊丝在线高频加热烘焙过程原理图。图4为药芯焊丝在线高频加热烘焙装置剖面示意图。 其中1、放线机；2、中间张力机；3、下药粉装置；4、药粉保温装置；5、焊丝成型机；
6、辊模；7、焊丝轧制机；8、收线机；9、聚晶模；10、焊丝拉拔机；11、高频加热烘焙装置；12、Φ1. 2mm药芯焊丝；13、陶瓷管；14、感应铜线圈。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的实施方式。如图I和图2所示，本发明中药芯焊丝的制备工艺路线钢带一重卷一超声波清洗—烘干一收线；放线机放带一轧U形槽一下粉装置加粉一成型一轧制减径(粗拉)一收线；放线一拉拔(精拉)一聚晶模减径一高频加热烘焙一收线；放线一校直一层绕一包装一入库，获得超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝。如图2所示，本发明中药芯焊丝的制备，除采用药芯焊丝生产行业内通用的制造工艺以外，还发明了一种对药芯焊丝在线高频加热烘焙的方法来防止药芯吸潮。药芯焊丝批量生产过程中，在药芯焊丝拉拔至直径为Φ I. 2mm时，通过在线高频加热装置对焊丝进行烘焙，药芯焊丝的拉拔速度为6m/s，高频电源的频率为4 6KHz，瞬时烘焙温度为350°C 500°C，可以有效去除药芯焊丝在拉拔过程中表面所带润滑剂，烘焙药芯焊丝内药芯所吸收的水分，解决了有缝药芯焊丝在生产过程中容易吸潮的难题，有效降低扩散氢含量。药芯焊丝高频加热烘焙的原理当药芯焊丝处在一个高频交变电场中时，根据法拉第电磁感应定律和焦耳一楞次定律可知，有电流通过药芯焊丝时，在其周围就同时产生磁场，高频电流流向由紫铜制成的螺旋形状的电感线圈中，由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，磁束就会贯通整个药芯焊丝，在药芯焊丝内部与加热电流相反的方向产生很大的涡流，交变磁场将使药芯焊丝中的电流趋向表面流通，引起集肤效应，瞬间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于药芯焊丝的表面，即集肤效应就越严重，有效的导电面积减少，电阻增大，使药芯焊丝整体的温度迅速上升，从而完成对药芯焊丝的加热烘焙处理。通过具体实施例对本发明作进一步的说明
表I药芯组分及其重量百分比(％)
权利要求
1.一种桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，由钢带和药芯组成，其特征在于，所述钢带采用低碳和低杂质元素含量的钢带，所述药芯的主要组分和重量百分比为=TiO242% 45%，NaF 2. 5% 3%，SiO2 4% 6%，Si-Mn 16% 18%，Al-Mg 3% 5%，MgO 3% 4%, ReF O. 5% 1%，ZrO2 2% 3%，Ti-Fe 1% 3%，Al-Fe I. 5% 3%，B-Fe 2% 3%，余量为金属铁粉。
2.根据权利要求I所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分和重量百分比为Ti02 42%, NaF :2. 5%, SiO2 4%, Si-Mn 18%, Al-Mg 3%, MgO 4%, ReF 0. 5%, ZrO2 2%, Ti-Fe 3%, Al-Fe 3%, B-Fe :3%，金属铁粉15%。
3.根据权利要求I所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的组分和重量百分比为:Ti02 45%, NaF :3%，SiO2 :6%, Si-Mn :16%，Al-Mg :5%，MgO 3%, ReF 1%, ZrO2 :3%，Ti-Fe 1%, Al-Fe 1. 5%, B-Fe :2%，金属铁粉13. 5%。
4.根据权利要求I 3任一项所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的填充率为14% 15%。
5.根据权利要求I 3任一项所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝为有缝药芯焊丝。
6.根据权利要求I 3任一项所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，包含成型、轧制减径的步骤，拉拔、聚晶模减径的步骤，其特征在于还包括在线高频加热烘焙处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，其特征在于所述在线高频加热烘焙处理的步骤为，在药芯焊丝拉拔至直径为Φ I. 2mm时，通过在线高频加热装置对焊丝进行烘焙，药芯焊丝的拉拔速度为6m/s，高频电源的频率为4 6KHz，瞬时烘焙温度为350°C 500°C。
8.根据权利要求7所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，其特征在于所述在线高频加热烘焙装置，包含空心陶瓷管，以及缠绕于陶瓷管上的螺旋形状的电感线圈。
9.根据权利要求8所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，其特征在于所述缠绕于陶瓷管上的螺旋形状的电感线圈由紫铜制成。
10.根据权利要求8所述的桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝的制备方法，其特征在于所述在线高频加热烘焙装置，其陶瓷管的外径尺寸为Φ 100±6mm，内径尺寸为Φ80±5πιπι，长度尺寸为1000±30mm，其电感线圈的外径尺寸为Φ30±5πιπι。
全文摘要
本发明涉及一种桥梁钢用超低氢高韧性的酸性CO2药芯焊丝及其制备。焊丝由碳钢钢带作为外皮和药芯组成，其药芯的主要组分和重量百分比为TiO2 42%～45%，NaF 2.5%～3%，SiO2 4%～6%，Si-Mn 16%～18%，Al-Mg 3%～5%，MgO 3%～4%，ReF 0.5%～1%，ZrO2 2%～3%，Ti-Fe 1%～3%，Al-Fe 1.5%～3%，B-Fe 2%～3%，余量为铁粉。制备时要对焊丝进行在线高频加热烘焙处理。批量生产时简单、高效、可控，药芯焊丝具有良好的抗吸潮性能，焊接时具有优良的抗冷裂纹性能，熔敷金属具有高韧性、超低氢特点，可进行全位置焊接、焊缝熔渣覆盖性好、脱渣容易、焊接飞溅小、焊缝成形美观，适于高寒、高湿等恶劣环境下50kg级桥梁钢的焊接。
文档编号B23K35/368GK102873475SQ201210345850
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者徐文福, 吕奎清, 赵华中 申请人:武汉铁锚焊接材料股份有限公司