本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种立焊工艺性良好的无缝药芯焊丝。
背景技术：
近年来，我国钢材和焊材已从高速发展过渡到淘汰落后产能、创新驱动转型升级的平稳发展期，焊接材料产品的结构调整和产品升级过程将明显加快，在海洋工程、舰船制造、桥梁等技术领域中，由于焊接工程量大，对自动化高效焊接方法的需求更加迫切。
由于药芯焊丝能够实现连续自动焊接，推进了焊接技术的自动化、高效化发展，且药芯焊丝成分易调，因此得到了广泛应用。无缝药芯焊丝除具有普通药芯焊丝的优点外，还具有以下显著优点：①焊丝制造、存储和使用过程中，药粉不吸潮，焊接时熔敷金属可达到超低扩散氢水平，产生裂纹倾向低；②焊丝表面可镀铜，导电性好，焊接电弧稳定，焊接工艺性能优异；③焊丝刚性好，基本无扭曲，不易产生焊接缺陷，焊缝质量好。基于以上优点，无缝药芯焊丝在焊接强度较高的钢结构，尤其是对于焊缝质量要求较高的船舶、海洋工程用高强钢的焊接时，具有非常大的技术优势。
在船舶建造中存在着大量的角焊缝，并且许多位置的焊缝处于非平焊位置且立焊位置较多，故而对焊丝的全位置工艺性尤其是立焊工艺性提出了考验。目前，大多数药芯焊丝都能够满足使用的要求，但随着船用钢板的厚度减小，焊丝立焊不加摆动时焊道成型不良，焊喉过大，将引起焊趾部位的应力集中，对结构带来潜在的危害。中国专利公开号CN105014259A中所述的无缝药芯焊丝应用于钎焊领域，中国专利公开号CN105057925A中所述的无缝药芯焊丝为金属粉芯型，且不能用于全位置焊接。而中国专利公开号CN102528317A、CN102009287A等专利中所述的药芯焊丝为有缝焊丝，且应用于气电立焊。经检索未发现有与本申请相关的能全位置焊接且立焊工艺性良好的无缝药芯焊丝。
技术实现要素：
本发明旨在提出一种立焊工艺性良好的无缝药芯焊丝，其在二氧化碳气体保护下，焊丝力学性能稳定，扩散氢低，抗吸潮性强，耐锈性能优异，焊接工艺性良好，可全位置焊接，尤其适合立焊位置焊接，可用于D36级别钢板焊接。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种立焊工艺性良好的无缝药芯焊丝，由低碳钢外皮和药芯粉组成，按质量百分比计，药芯粉由下述组分混合而成：金红石35%-50%、脱水长石2%-4%、铝镁合金4%-6%、钛铁2%-3%、低碳锰铁9%-14%、锆英砂1%-2%、氧化铝3%-8%、石英4%-6%、氟化钠0.5%-1%，余量铁粉。
所述铝镁合金中Al、Mg质量比为1：1，钛铁中Ti、Fe质量比为1：4，低碳锰铁中Mn、Fe质量比为4：1。
本发明的无缝药芯焊丝的制备工艺：采用在线同步添加药芯粉，添加药芯粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径和镀铜，进而制备出无缝药芯焊丝。
本发明的无缝药芯焊丝，最终产品焊丝的直径为1.2 mm、1.6 mm，药芯粉的填充率为14%-16%。
本发明中所述的无缝药芯焊丝采用钛型药芯焊丝渣系，主要组成物金红石中的TiO2熔渣凝固温度高，TiO2含量较多的熔渣接近晶体状，变为了短渣，能适应全位置焊接。金红石是主要的造渣剂和电弧稳定剂，可以调节渣的熔点和粘度，改善焊缝的成型和脱渣，加入量以35%-50%为宜。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入的脱水长石主要组成为Na2O、K2O、SiO2、Al2O3，其中的Na2O和K2O可以提高焊接电弧的稳定性，起到稳弧作用。另一方面，其中的SiO2和Al2O3可以调节铁水和渣的粘度，有利于全位置焊接。但是加入量太高会引起烟尘和飞溅增加。因此脱水长石的加入量应控制在2%-4%之间。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入铝镁合金主要目的在于脱氧进而提高焊缝金属力学性能。同时脱氧产物可以调节焊丝工艺性，因为铝的部分脱氧产物可以以夹杂物的形式进入焊缝金属中提高钢的硬度和强度，部分进入熔渣中调节熔渣的粘度。镁的脱氧产物几乎全部进入熔渣，可以提高渣的熔点使焊丝可以适用于全位置焊接，尤其适合立焊。铝镁合金加入量过低时脱氧不足容易使得焊缝金属氧含量过高，影响焊缝性能。但铝过高时将显著降低焊缝的塑性和韧性。因此，铝镁合金的加入量控制在4%-6%。
本发明的金红石型无缝药芯焊丝的药芯粉中加入钛铁，主要目的在于脱氧。另外，钛的氧化物被认为可作为较强的氢陷阱，能固化大量的氢，从而有效降低熔敷金属扩散氢的含量。最后，由于 Ti 与氧的亲合力很大，焊缝中的Ti 以微小颗粒氧化物的形式（TiO、Ti2O3、TiO2）弥散分布于焊缝中，非常容易成为针状铁素体的形核核心，有利形成针状铁素体组织，从而提高焊缝金属的韧性。由于钛铁的加入会加剧熔池反应的剧烈程度，加入量过高将会影响焊接工艺性，影响全位置焊接，因此钛铁的加入量宜控制在2%-3%。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入低碳锰铁，主要目的在于脱氧的同时提高焊缝金属的抗拉强度和韧性，同时，脱氧产物与熔渣中的SiO2和TiO2生产复合产物，可保证脱氧效果。低碳锰铁含量过低焊缝金属强度过低，含量过高导致焊缝金属强度过高韧性下降。因此低碳锰铁的加入量为9%-14%。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入锆英砂，主要目的在于改善焊缝脱渣，锆英砂主要成分为ZrO2及SiO2。其中ZrO2具有负的线膨胀系数，在冷却过程中体积变化，对渣壳顺利剥离有正面作用，并且ZrO2可以调节渣池粘度，改善焊缝成型，保证焊缝的工艺性。因而锆英砂的加入量为1%-2%为宜。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入氧化铝，主要目的在于调节熔渣粘度，改善液态熔渣的流动性和表面张力。改善焊丝工艺性，保证焊丝全位置焊接的工艺性，更能保证焊丝立焊角焊缝成型，加入量过多会使得熔渣的粘度和流动性增加过多，影响焊丝工艺性。因此氧化铝的加入量以3%-8%为宜。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入石英，主要组成为SiO2，主要目的调整液态渣池的黏度和流动性，保障焊丝的工艺性。同时在高温到低温的过程中SiO2会经历相变过程，并且在相变的同时还伴有体积变化，有利于渣壳剥离。因此石英加入量以4%-6%为宜。
本发明所述的无缝药芯焊丝的药芯粉中加入氟化钠，主要目前是调整电弧挺度，使焊接电弧在焊接时，尤其是在立焊时能够得到合适的熔深。加入过多会影响电弧稳定性，因此氟化钠的加入量以0.5%-1%为宜。
有益效果：
本发明的技术方案实施后，所制造的药芯焊丝具有以下特点：
1)、焊丝工艺性良好，在合适的工艺规范下，能够实现全位置焊接；
2)、焊丝立焊工艺性良好，立焊角焊缝焊喉厚度小于4mm；
3)、熔敷金属力学性能稳定，抗裂性好，扩散氢低，焊丝抗吸潮性强。
具体实施方式
根据本发明设计的组分含量，配制了3种药芯粉料，采用低碳钢带作为焊丝外皮，按照本发明所述的制备工艺制备无缝药芯焊丝，分别标记为T1、T2、T3，其中T1、T3焊丝直径为1.2mm，T2直径1.6mm。各实施例药芯粉的具体质量配比见表1，焊丝填充率见表2，各实施例焊接时所采用的保护气均为二氧化碳，需注意的是本发明并不局限于这些实施例。
表1 本发明实施例无缝药芯焊丝的药芯粉的组成（wt%）
表1中，本发明所采用的原料中，铝镁合金中Al、Mg质量比为1：1，钛铁中Ti、Fe质量比为1：4，低碳锰铁中Mn、Fe质量比为4：1。
表2实施例无缝药芯焊丝的药芯粉的填充率（%）
实施例中制备药芯焊丝所用的低碳钢带的化学成分及性能分别如表3、表4所示。
表3本发明实施例无缝药芯焊丝选用钢带的化学成分（wt%）
表4 本发明实施例无缝药芯焊丝选用钢带的性能
实施例熔敷金属化学成分及力学性能如表5、表6所示。
表5 本发明实施例无缝药芯焊丝熔敷金属的化学成分
表6 本发明实施例无缝药芯焊丝熔敷金属的力学性能
为检测实施例的立焊工艺性，以焊喉厚度作为评判内容，立焊角焊缝焊喉厚度如表7所示。
表7实施例无缝药芯焊丝焊喉厚度