本发明涉及药芯焊丝技术领域，尤其涉及一种环保低氢药芯焊丝及制备方法。
背景技术：
药芯焊丝也称为管状焊丝或粉芯焊丝，可以通过调整药芯添加物的种类和比例，很方便地设计各种不同用途的焊接材料，以适于不同工矿、不同条件设备部件的要求，广泛地应用于各个领域。药芯焊丝在焊接过程中，会产生一定量的氢，其中一部分会在熔池冷却凝固过程中逸出，来不及逸出的氢则会保留到焊缝中。焊后随着放置时间的增加，一部分扩散氢会从焊缝中逸出，另一部分扩散氢则变为残余氢。焊缝中的氢不断扩散聚集，在应力作用下会导致焊缝敏感组织产生氢致裂纹影响焊接接头的力学性能，对焊接结构造成潜在危害。因此，药芯焊丝中常加入氟化物控制焊缝金属中的氢含量，氟化物如萤石等，虽然能够有效控氢，生成的HF为有害气体，在焊接过程中产生大量的烟尘，对环境造成污染。随着环保意识的增强，研制一种既环保又能有效控制氢含量的药芯焊丝成为本领域急需解决的问题。
技术实现要素：
本发明提出了一种环保低氢药芯焊丝及制备方法，采用无毒无味的云母氧化铁，焊接过程中无烟雾，减少了环境污染，本发明具有良好的焊接性能和力学性能，飞溅少，低温冲击功大于100J，拉伸强度超过650MPa。
本发明提出的一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁10～20％、锰砂3～10％、硅灰石3～15％、金红石5～10％、低碳锰铁粉2～5％、大理石5～8％、镁砂3～5％、氧化钾0.2～0.8％，碳酸锂0.5～0.7％，镍粉3～8％，钼粉2～5.5％、铁硅粉0.3～1％，余量为铁粉。
优选地，云母氧化铁在药芯原料中的重量百分比为10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、15.5％、16％、16.5％、17％、17.5％、18％、18.5％、19％、19.5％、20％，锰砂在药芯原料中的重量百分比为3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％，硅灰石在药芯原料中的重量百分比为3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％，金红石在药芯原料中的重量百分比为5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％，低碳锰铁粉在药芯原料中的重量百分比为2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％，大理石在药芯原料中的重量百分比为5％、5.2％、5.4％、5.6％、5.8％、6％、6.2％、6.4％、6.6％、6.8％、7％、7.2％、7.4％、7.6％、7.8％、8％，镁砂在药芯原料中的重量百分比为3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％，白泥在药芯原料中的重量百分比为1％、1.2％、1.3％、1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％，氧化钾在药芯原料中的重量百分比为0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％、0.8％，碳酸锂在药芯原料中的重量百分比为0.5％、0.52％、0.54％、0.50.6％、0.58％、0.6％、0.62％、0.64％、0.66％、0.68％、0.7％，镍粉在药芯原料中的重量百分比为3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％，钼粉在药芯原料中的重量百分比为2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％、5.2％、5.4％、5.5％，铁硅粉在药芯原料中的重量百分比为0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％。
优选地，所述云母氧化铁中Fe2O3的含量与大于等于90wt％。
优选地，所述云母氧化铁中SiO2的含量小于等于4wt％。
优选地，云母氧化铝和锰砂的重量比为1～3：1。
优选地，低碳锰铁粉、大理石和镁砂的重量比为7：13：9。
优选地，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁15％、锰砂6.5％、硅灰石9％、金红石7.5％、低碳锰铁粉3.5％、大理石6.5％、镁砂4％、氧化钾0.5％，碳酸锂6％，镍粉5.5％，钼粉4％、铁硅粉0.65％，余量为铁粉。
一种环保低氢药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
S1、按配比称取药芯原料，混合均匀，在温度为120-150℃下干燥，球磨，过400目筛得到药芯粉；
S2、将低碳钢带进行表面处理，干燥得到初坯外皮；
S3、将初坯外皮轧制成U型外皮，将S1得到的药芯粉填充在U型外皮中，药芯填充率为20-25％，两端封口，经粗拉、精拉得到环保低氢药芯焊丝。
优选地，在S2中，低碳钢带进行表面处理以去除油污、污渍；
优选地，在S2中，表面处理包括酸碱、碱洗。
优选地，在S3中，药芯填充率是指药芯粉占药芯焊丝的重量百分数。
优选地，所述环保低氢药芯焊丝的直径为1.8-2.5mm。
本发明中各组分的作用：
云母氧化铁：又称为片状氧化铁为正六边形的片状单晶体，主要化学成分为α-Fe2O3，由于其片状结构类似云母，故称云母氧化铁，具有独特的鳞片结构，耐碱性好，受热分解并产生气体，降低了焊缝金属周围氢分压，抑制了氢气溶解，生成的FeO可以H反应，增加熔渣溶氢量，减少焊缝金属中的氢含量，大幅减少了焊缝金属中的氢含量，提高了焊缝金属的韧性；母体内少量的氧化硅与Fe2O3形成FeO-SiO2型铁橄榄石，增强了熔渣的碱度，进一步增大溶氢量和氧化性，提高焊缝的力学性能。
锰砂：主要成分为MnO2，其属于高氧化物，提高了焊接熔池的氧化性，降低了液体金属氢的溶解度，同时高温条件下分解产生氧，与H生成OH，起到去氢的作用，增强了焊缝的力学性能；但是锰含量过高时，将导致脱氧过足，使焊缝易产生气孔，影响焊接物的性能。
云母氧化铁和锰砂作为本发明中的高价氧化物，有效控制了扩散氢含量，锰砂和CaO、MgO形成MnO基复合渣系，净化熔渣，提高了焊缝金属的力学性能。
硅灰石：硅可以与碱金属和碱土金属形成玻璃状进入渣中，在药芯中加入硅酸盐不但可以降低烟尘，同时还可以降低烟尘的毒性。
金红石：呈暗红色或深棕色，其TiO2含量在85％左右,且含有Fe203、Si02等。作为造渣剂，能够稳定电弧，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。
低碳锰铁粉：作为脱氧剂，具有渗合金作用，焊缝金属中锰含量过低，冲击韧性低；含量过高时脆性变大。
大理石：主要成分为碳酸钙，受热分解为氧化锆和二氧化碳气体，在熔敷金属表面形成保护气氛，有效降低了氢溶解，生成的氧化钙为碱性氧化物，提高熔渣的碱度，一定程度上改善焊缝金属的韧性。
镁砂：主要成分是MgO，可以造渣、脱S，获得平滑的焊缝，降低焊缝接头应力集中，分析所得的氧化镁的合适含量为3～5％。
白泥：造渣剂，改善焊条加工性能，含量过多使得熔渣中非晶体相SiO2过多，减少了晶体相比例，不易获得短渣。
氧化钾和碳酸锂：K、Na碱金属，具有较低的电离点位，有利于起弧，提高电弧的稳定性。
镍粉：可有效提高焊缝金属的强度和低温韧性，机理是通过降低奥氏体相转变温度和细化转变组织。
钼粉：提高焊缝金属的韧性。与Mn搭配使用，可有效控制焊缝金属的淬透性，从而给相转变组织调控带来方便，以实现目标焊缝金属的力学性能。
铁硅粉：渗合金剂，同时具有脱氧的作用。
铁粉：提高药芯焊丝熔敷速度，调节堆焊金属的成分。
本发明中，云母氧化铁无毒无味，耐高温，耐碱性，焊接过程中不产生云母氧化铁高温分解产生FeO，FeO与H相互作用，一方面增强了熔池溶氢率，减少了焊缝金属中扩散氢含量，其次FeO与H生成的水蒸汽降低了氢气分压，抑制了氢溶解，再次FeO与云母氧化铁中的少量的SiO2结合形成晶体结构的铁橄榄石，提高了熔渣的碱度，同时由于铁橄榄石的晶体结构，使O与H形成的OH-的扩散比在无组织形态的FeO的扩散更加缓慢，多方面协同作用使焊条在不添加氟化物的情况下有效控制焊缝金属中保持较低的扩散氢含量，提高了焊缝金属的韧性，避免了冷裂纹的出现；云母氧化铁和锰砂，作为高价氧化物，两者协同作用，提高了提高了焊接熔池的氧化性，降低了液体金属氢的溶解度，两者形成MnO基复合造渣剂，FeO能显著降低炉渣的熔点，不仅避免了焊接前期熔渣中FeO的富集，并且熔池温度较快提高，使碳氧反应在焊接前期就均衡正常进行，避免发生爆发性的碳氧反应，不会有突发性强大的气体冲出，引起飞溅，同时离子半径较小的Mn2+(半径为0.80A)阳离子，会破坏庞大的复合阴离子团，使炉渣粘度下降，改善熔滴过度，有效地保护了焊缝金属，提高了焊缝金属的力学性能；氧化钾和碳酸锂配合使用作为稳弧剂，有利于起弧，大理石、硅灰石、白泥作为复合造渣剂，净化熔渣，提高焊缝金属的力学性能，同时配合低碳锰铁粉形成锰基复合渣型，增强脱氧、脱硫能力，控制了焊缝金属中的氧含量，低碳锰铁粉和铁硅粉作为渗合金剂，强化焊缝金属，提高了焊缝的耐磨性和拉伸强度；氧化钾、碳酸锂作为稳弧剂，提高了电弧的稳定性；钼粉搭配Mn使用，有效控制焊缝金属的淬透性，从而给相转变组织调控带来方便，以实现目标焊缝金属的力学性能。
本发明达到的有益效果有：
1、云母氧化铁无毒无味，耐高温，耐碱性，焊接过程中不产生烟雾，减少了环境污染；
2、云母氧化铁配合锰砂使用，有效控制了焊缝金属中的扩散氢含量，增加了焊缝低温冲击韧性，有效控制了冷裂纹的出现；
3、大理石、硅灰石、白泥作为复合造渣剂，净化熔渣，提高焊缝金属的力学性能，加入适配的渗合金剂，强化焊缝金属，提高了耐磨性和拉伸强度。
本发明的焊接性能和力学性能测试数据如下表所示：
具体实施方式
实施例1
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁15％、锰砂6.5％、硅灰石9％、金红石7.5％、低碳锰铁粉3.5％、大理石6.5％、镁砂4％、白泥2％、氧化钾0.5％，碳酸锂0.6％，镍粉5.5％，钼粉4％、铁硅粉0.65％，余量为铁粉。
实施例2
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁10％、锰砂10％、硅灰石15％、金红石5％、低碳锰铁粉5％、大理石5％、镁砂5％、白泥1％、氧化钾0.8％，碳酸锂0.5％，镍粉8％，钼粉2％、铁硅粉1％，余量为铁粉；在云母氧化铁中，Fe2O3的含量为93％。
实施例3
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，其特征在于，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁20％、锰砂3％、硅灰石3％、金红石10％、低碳锰铁粉2％、大理石8％、镁砂3％、白泥3％、氧化钾0.2％，碳酸锂0.7％，镍粉3％，钼粉5.5％、铁硅粉0.3％，余量为铁粉；在云母氧化铁中，Fe2O3的含量为90wt％，SiO2的含量为2wt％。
实施例4
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，其特征在于，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁14％、锰砂8％、硅灰石7％、金红石8％、低碳锰铁粉3％、大理石7％、镁砂4.5％、白泥2.5％、氧化钾0.6％，碳酸锂0.55％，镍粉7％，钼粉3％、铁硅粉0.8％，余量为铁粉；在云母氧化铁中，Fe2O3的含量为95wt％，SiO2的含量为1wt％；
环保低氢药芯焊丝采用如下方法制备，包括如下步骤：
S1、按配比称取药芯原料，混合均匀，在温度为120℃下干燥，球磨，过400目筛得到药芯粉；
S2、将低碳钢带进行表面处理，干燥得到初坯外皮；
S3、将初坯外皮轧制成U型外皮，将S1得到的药芯粉填充在U型外皮中，药芯填充率为20％，两端封口，经粗拉、精拉得到环保低氢药芯焊丝。
实施例5
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，其特征在于，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁16％、锰砂5％、硅灰石11％、金红石7％、低碳锰铁粉4％、大理石6％、镁砂4.5％、白泥1.5％、氧化钾0.4％，碳酸锂0.65％，镍粉4％，钼粉4.5％、铁硅粉0.5％，余量为铁粉；在云母氧化铁中，Fe2O3的含量为98wt％，SiO2的含量为1.5wt％；
环保低氢药芯焊丝采用如下方法制备，包括如下步骤：
S1、按配比称取药芯原料，混合均匀，在温度为130℃下干燥，球磨，过400目筛得到药芯粉；
S2、将低碳钢带进行表面进行酸洗，碱洗以去除油污、污渍，室温下干燥得到初坯外皮；
S3、将初坯外皮轧制成U型外皮，将S1得到的药芯粉填充在U型外皮中，药芯填充率为23％，两端封口，经粗拉、精拉至直径为1.8mm得到环保低氢药芯焊丝。
实施例6
一种环保低氢药芯焊丝，包括低碳钢外皮和填充在低碳钢外皮内药芯，其特征在于，药芯原料按重量百分比包括：云母氧化铁15％、锰砂5％、硅灰石12％、金红石7％、低碳锰铁粉3.5％、大理石6.5％、镁砂4.5％、白泥2％、氧化钾0.4％，碳酸锂0.6％，镍粉5％，钼粉3％、铁硅粉0.5％，余量为铁粉；在云母氧化铁中，Fe2O3的含量为98wt％，SiO2的含量为1.5wt％；
环保低氢药芯焊丝采用如下方法制备，包括如下步骤：
S1、按配比称取药芯原料，混合均匀，在温度为150℃下干燥，球磨，过400目筛得到药芯粉；
S2、将低碳钢带进行表面进行酸洗，碱洗以去除油污、污渍，在室温下干燥得到初坯外皮；
S3、将初坯外皮轧制成U型外皮，将S1得到的药芯粉填充在U型外皮中，药芯填充率为25％，两端封口，经粗拉、精拉至直径为2.5mm得到环保低氢药芯焊丝。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。