一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护 药芯焊丝，尤其适用于高钢级管道（X80，X90，X100)的全位置自保护焊接用药芯焊丝。
【背景技术】
[0002] 自保护药芯焊丝是一种跨世纪的新型焊接材料，已在世界各国得到越来越广泛的 应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优点： ①不需外加保护气源，可以使用现有气体保护焊接设备改装，降低了设备更新成本并更便 于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在4级风下顺利施焊；③优良的抗锈能力。自保护 药芯焊丝作为一种高效及适合室外作业的焊接材料，在石油管道、船舶、钻井平台等焊接领 域备受青睐，尤其是在我国西气东输管道工程中管线钢的环缝焊接相当一部份采用自保护 药芯焊丝半自动焊完成。
[0003] 但是，由于自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下的一种焊接材料，导致焊缝 金属中氧、氮等含量较高，往往使得管线管焊接接头的韧性经常出现较大波动。本发明的适 用于高钢级管道全位置焊接的自保护药芯焊丝相比于常规焊丝大幅提高了Ni含量，并优 化了其他合金元素含量，改善了焊缝质量，提高了焊缝金属韧性，尤其能满足户外大管径管 线钢的野外作业需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，该焊 丝的焊接工艺性能及力学性能优异，可满足高强高韧管线钢的焊接要求。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种适用高钢级管道全位置焊接的高Ni自保护药 芯焊丝，包括低碳钢带的焊丝外皮和药芯，其特征在于，所述药芯药粉配方按照质量百分比 为，氟化物40%~60%，氧化物10%~22%，碳酸盐1 %~8%，铝粉0.5%~2%、A1-Mg合 金粉12%~18%，电解金属锰3%~10%，镍粉12%~20%，金属锆0. 1 %~0.6%，钒铁 0%~8%组成。
[0006] 本发明的焊丝的直径为1. 2~3.0mm，药芯粉的填充率为15 %~30%。
[0007] 该焊丝外皮采用普通低碳冷乳钢带作为原材料制备得到。
[0008] 本发明所述氟化物为氟化钡、氟化钙和氟化锂中的一种或几种组合。
[0009] 本发明所述碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种组合。
[0010] 本发明几种主要组分的作用如下：
[0011]本发明中使用大量的氟化物（40%~60% )作为造气、造渣剂，其主要成分是BaF2 和LiF。Ba的化合物在焊接过程中可以支持很短的电弧，焊接时较短的电弧具有两个方面 的优点：一是在全位置焊接时，在某一给定电流下降低了电弧能量和焊丝熔化速度，熔池相 对较小便于控制；另外，由于电弧较短，缩短了熔滴穿过弧柱所需时间，从而降低了空气中 有害气体的侵害。
[0012] 氧化物（Fe203、Ce02)，是自保护药芯焊丝渣系中非常重要的一种组分，对焊接工艺 性能和力学性能的改善有很重要的作用。Fe203是强氧化剂，可以还原残余A1，而A1是对冲 击韧度非常不利的元素，所以Fe203的加入对冲击韧度有所改善，同时，此氧化还原反应为 放热反应，可以补充焊接过程中焊接电弧的热量。加入Fe203也可以降低焊丝端头熔滴的表 面张力，减小熔滴过渡的阻力、改善渣的物理性能，改善焊缝成形，使焊缝表面光洁。但是， 随着Fe203含量的提高，药粉熔点提高，造成在焊接过程中飞溅较大，电弧不稳定。研究表 明，Fe203的加入量应该控制在6%~15%，从而有利于将焊丝的工艺性能和力学性能调整 为最佳状态。Ce02能够净化熔池，提高焊缝韧性，但当CeO2超过5%时，造成焊接过程中夹 杂，降低韧性，同时焊接烟尘显著增加，不利于焊接施工。
[0013]Al-Mg合金是自保护药芯焊丝中常用的脱氧剂。因此Mg的加入可以减少A1的加 入量，从而利于控制熔敷金属中A1的含量。合金中Mg的沸点较低，在焊接电弧的作用下产 生Mg蒸汽，能够降低电弧气氛中的氮分压，但是用量过大会产生很大的烟尘，并且使飞溅 增大。A1具有脱氧、固氮作用，是常用的脱氧剂和固氮剂，可以有效防止焊缝中气孔的产生， 起到很好的保护作用。铝又是强固氮剂，铝能够与氮作用生成稳定的氮化物而不溶于液态 的钢，从而有效防止了熔敷金属中过饱和的N集结成N2气泡，杜绝了熔敷金属产生气孔。
[0014]Μη是奥氏体化稳定元素，能够降低奥氏体向铁素体转变的温度。随着Μη含量的增 加，针状铁素体的数量增加，先共析铁素体和侧板条铁素体的数量减少，并且使针状铁素体 的晶粒度变得更加细小，Μη提高焊缝金属韧性的同时，还可提高焊缝金属的强度。焊丝中 的Μη还可以起到脱氧的作用，而且能够与硫反应生成稳定MnS，从而降低低熔点相FeS的 生成，有利于提高焊缝金属的抗热裂纹及层状撕裂的能力。Ni是奥氏体稳定化元素，Ni无 限固溶于γ-Fe，在焊缝金属中也起固溶强化作用，能提高奥氏体淬透性，降低相变温度，促 进板条贝氏体形成，优化MA组元的形态和分布。降低脆性的硬化相MA组元的韧性的破坏 作用。从而有效改善焊缝的冲击韧性。
[0015] 本发明的高Ni自保护药芯焊丝可适用于高钢级管道的全位置焊接，并且具有优 异的冲击韧性。在焊接过程中不会生成大量烟尘及有害气体，改善焊缝质量，有效提高焊缝 冲击韧性。尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。
【附图说明】
[0016] 图1为焊缝金属典型的显微组织图。
【具体实施方式】
[0017] 下面列举具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以下具体实施步骤 只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制，其他人根据本发明做出 的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。
[0018] 下面是本发明的具体实施例：
[0019] 实施例：
[0020] 一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，它采用普通市售的冷乳低 碳钢钢钢带为原材料，根据具体施焊管线钢的不同，分别按照一定的比例制备药芯粉末， 120~300°C烘干处理后，混合均匀并按照21~23%的填充率加至以冷乳钢带为外皮的焊 丝中。共制备了 6批焊丝，焊丝直径均为2.Omm。
[0021] 表1为本发明焊丝制备过程中所用低碳冷乳钢带化学成分表，表2为本发明的适 用于高钢级管线钢焊接的自保护药芯焊丝化学成分表，表3为本发明实施例所用药芯焊丝 施焊母材及焊接工艺表，表4为采用本发明实施例施焊后的熔敷金属性能。
[0022] 表1本发明焊丝的冷乳钢带化学成分（重量％ )
[0023]
[0024] 表2 本发明的高钢级管线钢用自保护全位置高韧性药芯焊丝药芯成分表（重 量％ )
[0027] 表3本发明实施例所用药芯焊丝施焊母材及焊接工艺表
[0028]
[0029] 表4采用本发明与现有技术对比例施焊后熔敷金属的性能对比表
[0030]
[0031] 由此可见，与常规自保护药芯焊丝对比，通过在在药芯中提高镍粉含量，可使焊缝 金属的冲击韧性有效改善，不仅平均值提高20J以上，冲击韧性数值稳定性也有显著提升。 另外，在焊接过程中，熔渣的粘度和凝固特性良好，可全位置焊接，尤其适合立向下焊。焊接 工艺性好，电弧稳定、穿透力强，操作容易，焊缝成型美观。脱渣好，飞溅小。
[0032] 综上所述，本发明的适用于高钢级管道全位置焊接的高Ni自保护药芯焊丝焊接 工艺性能良好，冲击韧性有效提高，尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。
【主权项】
1. 一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，包括低碳钢带的焊丝外皮 和药芯，其特征在于，所述药芯药粉配方按照质量百分比为，氟化物40 %~60 %，氧化物 10%~22%，碳酸盐1%~8%，铝粉0. 5% -2%、Al-Mg合金粉12%~18%，电解金属锰 3%~10%，镍粉 12%~25%，金属锆 0· 1% -0· 6%。2. 根据权利要求1所述的一高Ni自保护药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝的直径为 1. 2~3. 0mm，药芯粉的填充率为15 %~30%。3. 根据权利要求1所述的高Ni自保护药芯焊丝，其特征在于，所述的氟化物为氟化钡、 氟化钙和氟化锂中的一种或几种组合。4. 根据权利要求1所述的高Ni自保护药芯焊丝，其特征在于，所述的碳酸盐为碳酸钙 和碳酸锂中的一种或两种组合。5. 根据权利要求1所述的高Ni自保护药芯焊丝，其特征在于，该焊丝外皮采用普通低 碳冷乳钢带作为原材料制备得到。
【专利摘要】一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，属于焊接材料领域。包括低碳钢带的焊丝外皮和药芯，所述药芯药粉配方按照质量百分比为，氟化物40％～60％，氧化物10％～22％，碳酸盐1％～8％，铝粉0.5％-2％、Al-Mg合金粉12％～18％，电解金属锰3％～10％，镍粉12％～25％，金属锆0.1％-0.6％。优点在于，在焊接过程中不会生成大量烟尘及有害气体，减少熔池中氮、氧含量，降低了焊缝金属中的自由氮，细化MA组元，有效改善焊缝冲击韧性高。尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。
【IPC分类】B23K35/368, B23K101/06
【公开号】CN105345315
【申请号】CN201510921250
【发明人】刘清友, 姜志阳, 隋永莉, 李箕福, 寇伟祥, 辛萌, 范玉然, 贾书君, 卢军华, 宋卫臣, 吴江桥, 汪兵
【申请人】钢铁研究总院, 中石化石油工程设计有限公司, 中国石油天然气管道科学研究院, 安泰科技股份有限公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月11日