双相不锈钢用埋弧药芯焊丝焊剂的制作方法

本发明涉及一种不锈钢用埋弧焊接材料，特别涉及一种双相不锈钢用埋弧药芯焊丝和焊剂。

背景技术：

双相不锈钢以其优异的耐腐蚀性能和高强度，在化学容器、油井、LNG船、海水淡化设备、车辆制造等领域得到了广泛应用，其中以牌号为2205（UNS S32205）应用最为广泛。双相不锈钢的耐点蚀性能优于传统奥氏体不锈钢304L和316L。

手工电弧焊、气体保护焊和埋弧焊是双相不锈钢最常用的焊接方法。现有技术JP4672177提供了一种焊丝加工难度小、不易发生焊接缺陷的埋弧焊接用实芯焊丝和焊剂组合；实芯焊丝采用低合金含量设计，而焊剂采用添加PbO、限制TiO₂、添加部分Cr粉Ni粉并控制两者比例的技术路线。但是由于实芯焊丝中仍含有21-24%Cr，4.5-6.5%Ni，2.5-3.5%Mo和 0.1-0.2%N等元素，导致焊丝盘圆的轧制难度、焊丝拉拔难度仍然较大；尤其是Mo元素的存在导致加工硬化指数较高，给焊丝加工带来难度。

采用碳素钢或低合金钢外皮的药芯焊丝一方面可有效解决高合金含量实芯焊丝的加工难度问题，另一方面也可以提高焊接效率。截至目前，关于双相不锈钢用埋弧药芯焊丝和焊剂的报道不多。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双相不锈钢用埋弧焊接用药芯焊丝和焊剂，从而解决实芯焊丝带来的加工难度大的问题，同时也可改善焊接工艺性能，提高焊接效率。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

药芯焊丝由金属外皮和内部芯料卷制而成。

金属外皮为低合金钢，以重量百分比计，含有≤0.04% C，0.1-1.0% Si，0.1-2.0% Mn，5-15% Cr；芯部粉料包括30-45%Cr，20-35%Ni，10-25%Mo，1-10%氮化铁，1-5%稀土氧化物，药粉填充率为18-30%，其中稀土氧化物与氮化物比例在0.5-0.9之间；焊剂成分包括8-16%CaF₂，10-18%Al₂O₃，10-16% SiO₂，5-15%Bao，5-15%SrCO₃及适量粘结剂。

外皮中元素含量说明如下：

C元素，容易与Cr, Mo等元素形成碳化物，从而影响焊缝金属中的塑形和韧性，因此需控制在0.04%以下。

Si元素，综合考虑标准要求、焊缝的脱氧作用、对熔渣层结构的影响作用，其含量应控制在0.1-1.0%。

Mn元素，考虑到对焊缝强度和韧性贡献、焊接熔池脱氧、熔渣层结构，以及向焊缝金属的过渡系数等因素，当其含量超过2.0%时，对MnS夹杂物控制不利，当其含量小于1.0%，会导致焊缝金属中Mn含量偏低，影响焊缝金属力学性能。因此，其含量需控制在1.0-2.0%。

Cr元素，考虑药粉填充率，需要一部分通过外皮材料过渡、一部分通过药粉过渡。由于是稳定铁素体元素，所以会提高奥氏体和铁素体的相转变温度，当其含量超过15%时，其盘条轧制难度大，易导致盘条强度偏高、开裂等缺陷；当其含量低于5%时，或导致芯粉中Cr含量过高，影响电弧性能。因此，其优选含量是5-15%。

芯部粉料中成分说明如下：

Cr粉，以纯金属粉或者含量高于80%的铬铁粉加入，加入量是20-35%Ni, 目标是连同外皮的铬元素一同过渡到焊缝金属，在焊缝金属中得到18-25%。当其含量超过35%或者低于20%时，不能确保焊缝金属中的铬含量。

Mo粉，以纯金属粉或者含量高于80%的钼铁粉加入，加入量是10-25%Mo，当其含量高于25%时，会过渡到焊缝中使其含量超过5%，会影响力学性能；当其含量低于10%时，则会降低焊缝金属的腐蚀性能。因此，优选含量是10-25%。

氮化铁，以氮含量不低于25%的合金块或粉末加入，加入量是1-10%。当其含量超过10%时，容易在焊缝金属产生气孔等缺陷；当其含量低于1%时，考虑到过度系数和烧损，会导致焊缝金属的氮含量过低，从而影响腐蚀性能。影响规律参见附图1。

稀土氧化物，一方面是消除氮对焊缝金属易产生气孔等焊接缺陷的不利影响，另一方面是缓解Cr和Ni元素的偏析，从而抑制焊缝金属在焊后冷却相转变过程中沿晶界铁素体生成，进而改善力学性能和腐蚀性能。当其含量超过5%时，会破坏焊接电弧的稳定性；当其含量低于1%时，其作用不明显。因此，优选含量是1-5%。影响规律参见附图2。

为确保焊接接头合格率在95%以上，稀土氧化物与氮化物比例在0.5-0.9之间，见附图3。

药芯焊丝的药粉填充率为18-30%。

焊剂成分说明如下：

CaF₂主要作用是改善焊接过程中焊接熔池中的脱氧反应，一方面会形成一定量的含Ca氧化物粒子，可作为随后冷却过程中奥氏体向铁素体转变的异质形核质点、增加针状铁素体的体积含量，从而提高焊缝金属的低温冲击韧性；另一方面也将与熔池中的氢发生反应，降低了焊缝金属中氢含量、防止氢致裂纹。当其含量不足8%时，效果不明显。由于CaF₂呈碱性，会影响电弧稳定性，当其含量超过16%时，会使电弧发生弯曲、摇摆等现象，不利于焊接接头质量控制。因此优选含量范围是8-16%，以萤石的形式加入。

Al₂O₃是一种稳定的高熔点的中性氧化物，对镍、铬等元素几乎没有氧化作用，其主要作用是提高焊接熔渣的熔点和粘度，同时使得焊道波纹细小、表面平滑，改善焊道形状。当含量低于10%时，效果不明显；当含量超过18%，会恶化脱渣性能。因此，优选含量是10-25%，以铝矾土的形式加入。

SiO₂主要作用是改善熔渣结构、提高焊接表面质量，当含量低于10%时，效果不明显，当含量高于18%时，会使得熔渣粘稠度过大，降低脱渣性能，并减低焊道表面质量。因此，优选含量是10-25%，以粘土的形式加入。

添加Al₂O₃和SiO₂主要是用于调整碱度、控制焊接熔池粘度、改善渣层结构，以适应高速焊接的工艺要求。

BaO的作用是改善焊接熔渣结构、提高脱渣性能，这主要得益于其高温分解温度现对较高的特点，从而能够更好地保护焊接熔池和焊道表面。同时，也可防止焊剂在高温下发生反应发黑从而失去保护焊道作用。当含量低于5%时，效果不明显；当含量超过15%时，会影响电弧稳定性。因此，优选含量5-15%。

SrCO₃会提高抗吸潮能力，因此会简化焊剂在使用前的烘焙制度，降低成本。两者的添加量均为5-15%。当含量低于5%时，效果不明显；当含量超过15%时，会影响电弧稳定性。因此，两者的优选含量均为5-15%。

与现有技术相比，本发明技术的有益效果至少在于：

1. 给双相不锈钢提供了一种埋弧焊接用药芯焊丝和焊剂，焊接效率可提高50%以上；

2. 焊丝加工难度小，成本低；

3. 焊剂不易吸潮、简化了焊前的烘焙工艺，降低了成本。

附图1：氮化铁添加量对焊接气孔率的影响

附图2：稀土氧化物添加量对电弧稳定性（焊接电流）的影响

附图3：稀土氧化物和氮化铁比例对接头合格率的影响

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

按照表1中所示进行芯部粉料配置、大小控制在80-300目之间，按表1选用厚度规格为0.5-1.0mm的钢皮，然后按照标准的药芯焊丝制造工艺加工成焊丝，其直径为2.4-4.0mm。

按照表2所示配置焊剂，然后加入适量水玻璃粘结剂等，经过搅拌、干燥、烘烤等工序制成粒度为10-60目的焊剂。

分别选取厚度为12-28mm的双相不锈钢钢板，坡口采用V型。焊前对焊剂进行烘烤，制度为200-250℃，时间为2小时。焊接参数为：电流为500-550A，电压34-36A，速度为40-45cm/min，然后开展焊接试验。

制作了9例药芯焊丝，其中W1-W6为实施例用，W7-W9为对比例用，具体构成见表1。只做了9例焊剂，其中F1-F6为实施利用，F7-F9为对比例用，具体构成见表2。

实施例1-12：

12个实施例采用的焊丝焊剂组对、及焊接工艺性能结果见表3。结果表明：焊接脱渣性、焊道形状、焊接质量等均满足要求。

实施例焊接速度在40-45cm/min，高于实芯焊丝（35cm/min以下），效率可提高15%左右。

对比例13-18：

6个对比例采用的焊丝焊剂组对、及焊接工艺性能结果见表3。

通过以上实施例可知，采用本发明药芯焊丝、焊剂和焊接工艺，可实现高质量的埋弧焊接接头。该技术克服了实芯焊丝加工困难、效率低的技术难题。

表1药芯焊丝构成

表2焊剂组成

表3焊接工艺性能

(O:合格；×:不合格) 。