本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种620MPa级低温钢用药芯焊丝。
背景技术：
气保护药芯焊丝因为具有良好的全位置焊接工艺性能及很高的焊接效率，在国民经济各行业得到越来越多的应用，特别是在造船、海洋工程等行业得到越来越多应用。在海洋石油钻井平台建造中需要大量使用低温高强高韧性焊接材料，尤其需要具有良好低温冲击韧性的药芯焊丝。而现有的药芯焊丝通常只能保证-40℃冲击吸收功大于47J，其低温冲击韧性不理想。
在炼钢或焊接材料熔敷金属强化理论中，可选择很多元素作为强化元素提高抗拉强度，如C、Si、Cr、Nb、V等，但通常随着抗拉强度的升高，其韧脆转变温度上升，低温冲击韧性将变差。在620MPa级药芯焊丝中，若采用C作为主要强化元素，可以保证-40℃条件下的低温冲击韧性，但-60℃条件下低温韧性难以保证，而且C过多将显著提高焊缝低温开裂风险；若采用Si、Cr等强化，随着其含量升高，在熔敷金属中很容易形成粗大的铁素体组织，其韧脆转变温度也将升高，低温冲击韧性差，不能解决-60℃条件下低温韧性问题；Nb、V作为微量强化元素，在炼钢领域应用更多，在药芯焊丝中难以使其稳定均匀化，因而强化效果稳定性较差。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种620MPa级低温钢用药芯焊丝，使其力学性能可满足-60℃冲击韧性要求，且强度等级达到620MPa级。
本发明的技术方案是提供了一种620MPa级低温钢用药芯焊丝，包括碳钢外皮和置于碳钢外皮中的药芯，所述药芯包括按质量百分比计的如下原料成分：金红石36～42％；钼铁2～5％；锆英砂2～4％；电解锰15～20％；氟化钙5～6％；铝镁合金1.5～3％；硅铁10～12％；钛铁3～5％；氟硼酸钾1.5～3％；镍粉9～10％；余量为铁粉及不可避免的杂质。
进一步的，所述药芯的质量占药芯焊丝总质量的13～16％。
优选的，所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的13％，所述药芯包括按质量百分比计的如下原料成分：金红石38％；钼铁3％；锆英砂3％；电解锰17％；氟化钙6％；铝镁合金2％；硅铁11％；钛铁4％；氟硼酸钾2％；镍粉9.5％；余量为铁粉及不可避免的杂质。
优选的，所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的14％，所述药芯包括按质量百分比计的如下原料成分：金红石40％；钼铁4％；锆英砂2％；电解锰16％；氟化钙5.5％；铝镁合金1.5％；硅铁12％；钛铁5％；氟硼酸钾3％；镍粉9％；余量为铁粉及不可避免的杂质。
优选的，所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的14％，所述药芯包括按质量百分比计的如下原料成分：金红石38％；钼铁2％；锆英砂4％；电解锰17％；氟化钙6％；铝镁合金3％；硅铁11％；钛铁4％；氟硼酸钾2％；镍粉10％；余量为铁粉及不可避免的杂质。
优选的，所述药芯的质量为药芯焊丝总质量的16％，所述药芯包括按质量百分比计的如下原料成分：金红石36％；钼铁4％；锆英砂3％；电解锰15％；氟化钙5％；铝镁合金2％；硅铁10％；钛铁4％；氟硼酸钾2％；镍粉10％；余量为铁粉及不可避免的杂质。
进一步的，所述钼铁的粒度小于120目，且S≤0.025％，P≤0.015％；由于钼的熔点高达2600多度，当钼铁粒度过大时，不利于钼铁熔化，也就不利于Mo在焊缝金属中均匀化，从而影响钼的强化及细化效果，使焊缝强度不稳定，冲击韧性降低；而当S、P不满足上述要求时，焊缝冲击韧性也会显著降低。
进一步的，所述药芯焊丝的熔敷金属化学成分中Si、Mo两元素质量比范围满足：1.1≤Si/Mo≤3.3。
本发明提供的上述620MPa级低温钢用药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺制得。
本发明还提供了上述620MPa级低温钢用药芯焊丝的焊接方法，其焊接条件为保护气体CO2，纯度99.5％；焊接电流240～250A；焊接电压27～28V；焊接速度为20～40mm/min。
本发明620MPa级低温钢用药芯焊丝的药芯成分组成的设计原理：本发明的药芯含有大量金红石，可确保具有良好全位置焊接工艺适用性。采取多种还原剂联合脱氧方式，其中Al、Mg、Ti、Si、Mn来源于铝镁合金、钛铁、硅铁、电解锰。其原理是：铝、镁、钛、硅、锰的还原性强于铁，优先与氧发生氧化反应，减少铁的氧化，同时有部分硅、锰作为合金成分过渡到焊缝中，从而确保焊缝金属屈服强度能达到620MPa以上。
药芯中金红石主要成分是TiO2，并含有少量SiO2，起造渣作用。金红石质量百分比含量少于36％时，全位置焊接中立/仰焊难操作，成型不好；金红石质量百分比含量多于42％时，熔渣熔点升高，立焊焊缝变凸，成形变差。
钼铁含有大量的Mo，作为合金成分，提高焊缝强度，并可细化晶粒。当焊缝熔敷金属化学成分中Si、Mo两元素质量比范围满足：1.1≤Si/Mo≤3.3时，既能使焊缝抗拉强度达到620MPa级，又可以保证-60℃冲击吸收功大于54J；若Si/Mo＜1.1，硅偏少而钼熔点高达2600多度，熔池金属铺展性差，焊缝成形变差；Si/Mo＞3.3，硅偏多，易形成酸性氧化物夹渣，且钼细化晶粒的作用不能得到发挥，低温冲击韧性变差，不能保证-60℃的低温冲击韧性。
锆英砂含有大量的ZrO2，可以改善焊缝脱渣。锆英砂质量百分比含量少于2％，ZrO2含量低，脱渣改善作用不明显；锆英砂质量百分比含量多于4％，因其还含有大量的SiO2，显著降低熔渣碱度，降低焊缝冲击韧性。
电解锰中含有大量的Mn，可以参与脱氧，同时具有渗合金作用。药芯中电解锰质量百分比少于15％，焊缝Mn含量低，难以形成针状铁素体，冲击韧性低；电解锰多于20％，焊缝Mn含量过高，易形成魏氏组织，提高了抗拉强度却降低冲击韧性。
氟化钙(CaF2)焊接中可以脱氢，降低焊缝氢含量，减少产生冷裂纹的机率，氟化钙质量百分比少于5％时，脱氢作用不明显；氟化钙质量百分比多于6％时，焊接过程中熔滴变大，飞溅增多，焊接工艺变差。此外，氟化镁脱氢后可形成CaO，进一步提高熔渣碱度，有利于焊缝韧性提高。
铝镁合金作为脱氧剂，脱氧产物为Al2O3和MgO。适量的Al2O3可改善全位置焊接操作工艺性能，MgO可提高熔渣碱度。铝镁合金作为脱氧剂，可使熔池反应中形成Ti2O3，促使针状铁素体形核，从而提高焊缝冲击韧性；此外铝镁合金还可促使氟硼酸钾生成活性B，使焊缝金属晶粒细化，提高焊缝韧性。
硅铁、钛铁作为脱氧剂，同时具有渗合金作用，确保熔敷金属屈服强度等级满足540MPa。硅铁、钛铁含量过多时，屈服强度过高，焊缝冲击韧性下降，硅铁、钛铁含量太少则焊缝强度达不到要求。
镍粉含有大量Ni，作为渗合金剂使用。焊缝含有适量的Ni，可降低脆性转变温度，使低温冲击韧性满足要求。
本发明的有益效果：本发明提供的这种620MPa级低温钢用药芯焊丝使用CO2保护气体焊接，具有优良的焊接工艺性能，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥540MPa；抗拉强度≥620MPa；伸长率≥20％；-60℃时，Akv≥54J。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例620MPa级低温钢用药芯焊丝的配方见表1，碳钢外皮为SPCC钢带，采用常规药芯焊丝制造工艺制得。表2所示为对应实施例药芯焊丝熔敷金属的化学成分与力学性能；其焊接条件：保护气体CO2纯度99.95％，焊接电流230～250A，焊接电压26～28V，焊接速度20～40mm/min。
表1：药芯焊丝配方(质量百分比)
表2：熔敷金属的化学成分与力学性能
从表1及表2所示实施例的化学成分及力学性能可以得出：本发明的药芯焊丝使用CO2保护气体焊接，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度ReL≥540MPa；抗拉强度Rm≥620MPa；伸长率A≥20％；-60℃条件下，冲击功Akv≥54J。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。