一种无镍药芯焊丝及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低温焊接技术领域，具体涉及一种高韧性的无镍药芯焊丝及其制备方 法和应用。
【背景技术】
[0002] 药芯焊丝是上世纪50年代发展起来的高效焊接材料，它不仅继承了焊条成份可 调的优点，又克服了焊条不能连续、自动焊接的缺点，其熔敷效率高达焊条的4倍，还具有 焊缝成型美观、焊接变形小等优点。
[0003] E501T-1药芯焊丝是二氧化碳气保护药芯焊丝，在一 20°C条件下具有较好的低温 冲击韧性，该焊丝目前最为广泛地用于造船、机械制造、压力容器、锅炉、石油机械、化工机 械、起重机械等重要结构的焊接。随着高强度低温用钢的大量使用，特别是在北方寒冷地区 作业的桥梁、工程机械以及深远海区域作业的船舶等要求在一 40°C下具有良好的低温冲击 韧性，因此对低温钢用焊接材料的需求量逐年增加，目前市场上出现的低温系列焊材主要 包括I. 5Ni、3. 5Ni、9Ni钢配套焊接材料。由于国际市场上镍金属的价格十分高昂，含镍焊 材生产成本高，因此，研制一种不含镍但具有较高低温冲击韧性的药芯焊丝，对于扩大钢结 构应用范围、提高船舶建造水平、缩短建造周期、提高经济效益都具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种新型无镍药芯焊丝，具备高韧性，完全满足低温焊接 需求，以克服目前低温焊接材料生产成本高的问题。
[0005] 本发明提供的无镍药芯焊丝，由碳钢外皮和填充在外皮内的药粉组成，药粉质量 占药芯焊丝总质量的13.0~18.0%，药粉的成分及其占药芯焊丝总质量的百分含量为： Ti025 . 0 ~8. 0%，Si020 . 6 ~I. 5%，Zr020 . 5 ~I. 5%，Mn 1. 5 ~3. 0%，Si 0· 4 ~I. 2%;Mg0 0. 20 ~0. 60 % ;CaC030. 10 ~0. 50%，CaF2O. 10 ~0. 20%，NaFO. 10 ~0. 30%，Re 0. 010 ~ 0. 020 %，镁铝合金0. 40~0. 70 %，Fe余量。
[0006] 上述无镍药芯焊丝采用钛钙型渣系，这种渣系介于钛型和碱性之间，在酸性渣系 中含有一定的碱性物质，使之达到低氢及优良的综合力学性能，同时具有钛型渣系原有的 优良操作工艺，该药芯焊丝的渣系为TiO2-CaO-CaF2-SiO2，并通过大量的试验确定了各成分 含量对工艺性能的影响。
[0007] 1102是主要的造渣剂，其含量多少对工艺性能和力学性能影响都很大。当TiO 2小 于5. 0%时，全位置焊接工艺不好；大于8. 0%时，焊缝金属低温冲击韧性下降，容易出现气 孔和压痕，因此本发明限定在5. 0~8. 0%。
[0008] 3102是主要的造渣剂，对焊缝的脱渣性和焊缝的表面质量影响很大。随着SiO 2含 量的增加，焊缝表面更光亮，熔渣颜色更深，对焊缝的脱渣性有很好的作用，少于〇. 6%则上 述效果不明显；但是大于1.5%时，降低熔渣的透气性，容易使焊道产生压痕缺陷，同时，焊 缝的低温韧性下降，因此本发明限定在〇. 6~1. 5%。
[0009] 21〇2是造渣剂，同时向焊缝金属过渡微量Zr，其含量多少对工艺性能影响较大，特 别是对焊缝的脱渣性有一定的帮助。随着ZrO2含量的增加，熔渣变得酥脆，熔渣的强度降 低，焊缝成形较好，少于0.5%上述效果不明显；但大于1.5%时，渣熔点高，容易出现压铁 水现象，且焊缝金属强度过高，因此本发明限定在0. 5~1. 5%。
[0010] MgO是镁砂的主要成分，用于造渣、改善熔渣透气性和焊缝成形，适量MgO可以增 加熔渣的碱度，提高焊缝的低温韧性，同时可以增加熔渣的透气性，减少出现气孔和压痕的 概率。少于0. 20%，则上述作用不明显；当含量大于0. 60%，立向上焊接操作工艺变差，平 焊熔渣覆盖性变差，因此本发明限定在〇. 20~0. 60%。
[0011] CaF2是造渣剂，CaF2的加入可以提高渣的碱度，同时CaF2中的F可以起到去氢的 效果，适量的CaF2起到焊缝去氢和提高抗压痕的作用。本发明中CaF 2与NaF共同配合。少 于0. 10%上述作用不明显；但是多于0.20%电弧声音变差，飞溅变大，熔渣变稀，焊丝的全 位置焊接工艺变差，同时焊接烟尘的有毒性物质增强，因此本发明限定在〇. 10~〇. 20%。
[0012] NaF是去氢剂，降低焊缝扩散氢含量。本发明中NaF与CaF2*同配合。加入量太 少时电弧稳定性不好，去氢能力不足，焊缝易产生气孔压坑；加入量太多时焊接飞溅和烟尘 增大。因此本发明限定在0.10~0.30%。
[0013] 镁铝合金是药芯配方中的强脱氧剂，其含量在配方中应控制在0. 40~0. 70%以 内。适量的镁铝合金可以使在高温下反应产生的MgO进入熔渣，有利于提高熔渣的碱度，对 焊缝金属的低温韧性有好处。少于〇. 40%药芯焊丝脱氧不足，焊缝中的氧含量增加，降低 焊缝金属的低温冲击韧性；但是多于〇. 70%电弧的吹力太大，焊角焊缝时容易产生咬边现 象，同时镁铝合金在使用过程中安全性差，极容易燃烧产生爆炸，从生产安全考虑，在满足 脱氧的情况下，尽量减少镁铝合金的加入量，因此本发明限定在〇. 40~0. 70%。
[0014] 0&〇)3是造渣剂，可提高熔渣的碱度，对焊缝金属低温冲击韧性有好处，同时可以 使溶滴尺寸变小，降低焊丝的飞溅，对全位置焊接有一定的帮助。少于〇. 10%则上述作用 不明显；多于0. 50%，焊丝在焊接过程中熔滴增大，飞溅增加，同时焊丝全位置焊接性能变 差，因此本发明限定在0. 10~0.50%。
[0015] Si (硅）是主要脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的 流动性，加入量少于0. 4% (占焊丝总质量）时不能体现上述特征，大于1. 2%时铁水变粘， 焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此本发明限定在〇. 4%~1. 2%。
[0016] Mn (锰）是主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提 高低温冲击韧性，调节铁水流动性，加入量少于1. 5%时，体现上述特性不足，大于3. 0%时 焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此本发明限定在1. 5~3. 0%。
[0017] Re (铼，稀土元素）可以通过净化焊缝组织、细化晶粒、改变夹杂物的形状和大 小来改善焊缝金属的低温冲击韧性，同时可以降低扩散氢含量。在本发明药芯焊丝中Re 元素优选采用稀土铁合金的方式加入。该元素含量少于0.010%，上述作用不明显，多于 0. 020%则使焊接工艺变差，因此本发明限定在0. 010~0. 020%。
[0018] Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
[0019] 本发明所采用的药粉成分配比，可最大限度的发挥各组分的优势，能使焊缝金属 化学成分及力学性能满足屈服强度为390MPa级钢板的焊接要求，同时-40°C低温冲击韧性 大于47J，是一种与屈服强度为390MPa级钢板相配套的药芯焊丝。
[0020] 填充率是指药粉质量占该药粉所在药芯焊丝总质量的百分比例。填充率的多少关 系到堆焊层的金属化学成分，不仅要影响焊丝的力学性能，还会对焊丝的工艺性能产生影 响。填充率过小，焊丝填充不实，会导致焊丝挺度小，焊接时送丝不畅，焊丝也会因空松带 入熔池的气体增加，使焊接熔池内气体饱和和蒸汽压增大，气孔倾向增大，此外可能会因为 焊丝内脱氧剂不足产生CO气孔，严重影响焊接质量。填充率过大时，会影响焊丝的轧制， 使焊丝生产过程中容易被拉断，这样会导致在施焊过程中，火花飞溅过大，安全性较差。过 大或过小都会影响堆焊层金属的物理和化学性能，本发明经过大量试验，最终将其确定在 13. 0~18. 0%的范围内。
[0021] 优选地，上述无镍药芯焊丝中，所述药芯焊丝的熔敷金属中C元素