一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝及 其应用。
【背景技术】
[0002] 海洋工程装备钢结构工作环境比较恶劣，要经受海水腐蚀，海浪冲刷等自然力破 坏，因此对海洋工程结构的焊缝部分要求更高，对焊接材料提出了很高的要求。
[0003] 目前，国内海洋工程平台装备建造大量使用355MPa~690MPa级别用钢材和配套 焊接材料，相对于强度级别较低的355MPa~420MPa钢材及焊接材料，国内与国外的技术水 平差距较小，基本可实现自主保障。
[0004] 然而，强度级别在460MPa~690MPa的钢材及焊接材料由于技术要求较高，国内还 无法生产出性能稳定的产品，主要体现在强韧性匹配、耐腐蚀以及制造质量稳定性等几个 方面，因此，对于高强度钢焊接材料仍然大量依赖进口。这也造成国外同类焊接材料的售价 更高（至少高出国内价格2~3倍），而且在供货保障上无法满足要求，造成整体装备建造 工期的延误。多年的发展经验也表明：在关键材料上受制于人，必将影响整个行业的发展。
[0005] 因此，针对目前海洋工程建设中，国内高强钢焊接材料系统配套能力差、综合性能 与国外产品差距大的现状，迫切需要开发一种海洋工程装备用460MPa级焊接材料，实现海 洋工程装备建造配套焊接材料国产化。
【发明内容】
[0006] 针对现有海洋工程建设中，国内高强钢焊接材料系统配套能力差、综合性能不稳 定的问题，本发明提供了一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝，其焊缝金属力学性能稳定、 抗裂性好，扩散氢含量低。
[0007] 本发明的技术方案是提供了一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮 和药芯，所述碳钢外皮占药芯焊丝总质量84~87%，药芯占药芯焊丝总质量13~16%， 所述药芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：金红石：30~42%，氟化钠：1~2%，长 石：3~6%，钛铁：3~5%，硅铁：1~3%，稀土 ：0. 5~1%，镁粉：3~5%，电解锰：5~ 10%，铝粉：1~2%，镍粉：7~9%，硼铁：4~7%，石墨：0. 2~0. 5%，硅锰合金：3~6%， 锆英砂：〇. 5~1 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0008] 作为一种优选的实施方式，所述药芯组成为药芯占药芯焊丝总质量的13%，药 芯的成分及含量占药芯总质量百分比如下：金红石：42%，氟化钠：2%，长石：6%，钛铁： 5%，硅铁：3%，稀土 ：1%，镁粉：5%，电解锰：10%，铝粉：2%，镍粉：9%，硼铁：7%，石墨： 0. 5%，硅锰合金：6%，锆英砂：1%，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0009] 进一步地，上述碳钢外皮采用低S、P的碳钢钢带，该碳钢钢带的化学组分为C : 0· 048%，Si :0· 21%，Μη :0· 30%，S :0· 006%，P :0· 007%，余量为铁。
[0010] 进一步地，上述药芯的化学成分中Ti与Β的质量比为10:1。
[0011] 进一步地，上述硼铁中硼的质量分数为0.9~1.8%。
[0012] 进一步地，上述硅铁采用75#硅铁，其中硅的质量分数为70~77%。
[0013] 进一步地，上述硅锰合金采用63-22硅锰合金，其中硅的质量分数为19~23%。
[0014] 进一步地，上述钛铁中钛的质量分数为30~35%。
[0015] 本发明海洋工程用460MPa级药芯焊丝采用对接0型或搭接0型的封口方式。
[0016] 本发明提供的这种药芯焊丝用于海洋工程装备460Mpa级钢结构的配套焊接。
[0017] 本发明中，各组分的设计原则如下：
[0018] 金红石的主要成分Ti02, 1102是形成焊接熔渣的主要成分。Ti02的加入可以稳 定电弧，减少焊接飞溅，改善熔渣覆盖性和脱渣性；另外，Ti〇2可以改善熔渣流动性，使全 位置焊接操作变得方便易掌握；当药芯中1102含量低于30%时，上述特征不明显；当药芯 中1102含量高于42%时，不仅破坏了熔渣的覆盖性，而且对力学性能产生不良影响；因此， Ti02占所述药芯粉料总重量的百分比为30~42%。
[0019] 长石的主要成分A1203、K20、Na 20、Si02，也是熔渣的主要成分。能调节熔渣熔点和 黏度，改善焊缝成形，有利于焊缝向母材圆滑过渡，使熔渣与焊缝界面增大，使熔渣具有良 好的覆盖性。当药芯中加入量少于3%时不能体现上述特征，加入量高于6%大时，焊缝中 氧含量升高，降低焊缝金属的低温冲击韧性；因此，长石占所述药芯粉料总重量的百分比为 3 ~6% 〇
[0020] 氟化钠（NaF)可以去氢，其加入量大于2%时电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟 尘，加入量少于1 %时去氢能力不足，容易出现气孔压坑；因此，NaF占所述药芯粉料总重量 的百分比为1~2%。
[0021] 镍粉（Ni)对提高低温冲击韧性有利，但Ni含量高于9 %则会增大热裂敏感性。因 此，Ni占所述药芯粉料总重量的百分比为7~9%。
[0022] 电解锰（Μη)是主要脱氧剂，用于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。而加入Μη量大于10%时焊缝强度过高，低温冲 击韧性降低；因此，Μη占所述药芯粉料总重量的百分比为5~10%。
[0023] 镁粉（Mg)是强脱氧剂，提高低温冲击韧性，其加入量少于3 %时提高低温冲击韧 性能力不足，加入Mg量大于5%时，由于脱氧产物镁氧化物使熔渣的熔点上升，凝固速度加 快，不利于焊缝气体的排除和焊缝成型；因此，Mg占所述药芯粉料总重量的百分比为3~ 5%〇
[0024] 铝粉（A1)是强脱氧剂，适量加入可改善焊接工艺性，同时提高冲击韧性，但A1加 入量高于2%时会造成低温冲击韧性下降，因此，控制A1占所述药芯粉料总重量的百分比 为1~2%〇
[0025] 娃铁（Si-Fe)为主要脱氧剂，适量加入可改善工艺及脱氧，过多加入对工艺性能 不利，本发明中以镁粉、铝粉为主，因此75#硅铁占所述药芯粉料总重量的百分比为1~ 3%〇
[0026] 石墨（C)的适量加入可增加电弧稳定性，提高焊丝性能，C加入过多对低温韧性不 利，因此，控制C占所述药芯粉料总重量的百分比为0. 2~0. 5%。
[0027] 硅锰合金（Si-Mn)为主要脱氧剂及过渡合金用，占所述药芯粉料总重量的百分比 为3~6%〇
[0028] 锆英砂的适量加入可明显提高焊缝低温冲击韧性，其加入量高于1%会使得工艺 性能变差，因此，控制器占所述药芯粉料总重量的百分比为〇. 5~1 %。
[0029] S、P是杂质元素，对焊缝金属的抗硫化氢能力有严重影响，同时降低焊缝金属的低 温冲击韧性，S与Fe等元素形成硫化物夹杂物会诱发点蚀和应力腐蚀开裂；P的偏析作用很 强，引起焊缝金属不均匀，尤其是冷脆性增加，因此，S、P含量越少越好。
[0030] 硼铁、钛铁合金作为主要脱氧剂加入，同时过渡Ti元素，细化晶粒，焊缝中Ti/B为 10:1时效果最佳，硼铁占所述药芯粉料总重量的百分比为4~7 %，钛铁占所述药芯粉料总 重量的百分比为3~5%。
[0031] 稀土可净化焊缝，提高焊缝低温冲击韧性，过多加入效果不明显，因稀土价格过 高，因此，控制其占所述药芯粉料总重量的百分比为0. 5~1%。
[0032] Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0034] (1)本发明提供的这种海洋工程用460MPa级药芯焊丝采用钛型渣系，配合0)2气 体保护，焊接电弧稳定，熔化均匀，熔渣流动性好，焊缝成型美观，全位置操作工艺好。焊缝 金属力学性能稳定、抗裂性好。
[0035] (2)本发明提供的这种海洋工程用460MPa级药芯焊丝采用Al-Mn-Mg-Si联合脱氧 的方式，减少焊缝中的氧含量；在造渣组分中，加入稳弧含质，以满足焊接操作工艺性能要 求；同时，加入S、p含量低的铁粉，提高其熔敷效率，通过加入微合金化元素、稀土物质，使 该药芯焊丝在力学性能上母材达到良好的匹配，获得优异的低温韧性。
[0036] (3)本发明提供的这种海洋工程用460MPa级药芯焊丝的熔敷金属_40°C KV2均值 > 90J，其扩散氢含量水银法检测< 5. 0mL/100g。
【具体实施方式】
[0037] 实施例1 :
[0038] 本实施例提供了一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述 碳钢外皮占药芯焊丝总质量87%，药芯占药芯焊丝总质量13 %，所述药芯的成分及含量占 药芯总质量百分比如下：金红石：42%，氟化钠：2%，长石：6%，钛铁：5%，75#硅铁：3%，稀 土 ：1%，镁粉：5%，电解锰：10%，铝粉：2%，镍粉：9%，硼铁：7%，石墨：0. 5%，63-22硅锰 合金：6%，锆英砂：1 %，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0039] 其中，碳钢外皮采用低S、P的碳钢钢带，该碳钢钢带的化学组分为C :0. 048%，Si : 0· 21%，Μη :0· 30%，S :0· 006%，P :0· 007%，余量为铁。
[0040] 本实施例中，所述硼铁中硼的质量分数为0. 9~1. 8%;硅铁采用75#硅铁，其中硅 的质量分数为70~77% ;硅锰合金采用63-22硅锰合金，其中硅的质量分数为19~23% ; 钛铁中钛的质量分数为30~35%。
[0041] 采用本实施例中的组分制备药芯焊丝的制备方法与现有技术相同，药芯焊丝采用 对接0型封口方式。
[0042] 本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属化学成分测试，结果如表1所示。
[0043] 本实施例所制备的药芯焊丝的熔敷金属力学性能测试，结果如表2所示。
[0044] 本实施例所制备的药芯焊丝的扩散氢测试（水银法），结果如表3所示。
[0045] 本实施例所制备的药芯焊丝的抗裂性能，以CT0D试验验证，CT0D试验结果如表4 所示。
[0046] 另外，本实施例所制备的药芯焊丝的抗海水腐蚀能力，检测结果表明，焊缝金属与 母材钢板抗海水腐蚀能力相当。
[0047] 本发明提供的这种药芯焊丝用于海洋工程装备460Mpa级钢结构的配套焊接。
[0048] 实施例2 :
[0049] 本实施例提供了一种海洋工程用460MPa级药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，所述 碳钢外皮占药芯焊丝总质量84%，药芯占药芯焊丝总质量16 %，所述药芯的成分及含量占 药芯总质量百分比如下：金红石：30%，氟化钠：1%，长石：3%，钛铁：3%，75#硅铁：1%，稀 土 ：0. 5%，镁粉：3%，电解锰：5%，铝粉：1%，镍粉：7%，硼铁：4%，石墨：0. 2%，63-22硅 锰合金：3%，锆英砂：0. 5%，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0050] 其中，碳钢外皮采用