本发明属于金属焊接材料领域，具体涉及一种低氢高韧性自保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术：
自保护药芯焊丝是一种焊接时无需外加保护措施，仅靠药芯组分对焊接过程进行保护的新型焊接材料，具有设备简单、焊接工艺好、熔敷效率高、焊缝质量好、抗风能力强等特点，尤其适合野外作业及气源不易到达的场合，是油气管线、海洋平台、高层建筑等野外施工的主要焊接材料之一。近年来油气管道尤其是天然气管道发展迅速，一个重要的特点是长距离、大口径、高压力和选用更高钢级的管材，相同的输气量当采用高压输送时可减少管径，应用高钢级管材可减小壁厚和重量，减少运输费用和焊接时间，从而降低建设成本。随着钢铁冶炼技术和控轧控冷技术的提高，国产X70、X80管线钢生产工艺已经逐步成熟，X100、X120更高级别管线钢的研制也取得了显著成效。我国重点工程西气东输一线、二线工程分别采用了X70和X80高钢级管线钢，其中大量野外环焊缝的焊接采用了自保护药芯焊丝半自动焊焊接工艺，取得了良好的经济效益，一线、二线工程的成功建设和安全运营具有良好的示范作用，随后的中贵联络线、西气东输三线和中俄东线均将X80管线钢作为首选材质，同时也进一步推动了自保护药芯焊丝在重大工程中的应用。
然而高钢级管线钢对焊缝金属的质量，尤其是低温韧性提出了更高的要求，当前自保护药芯焊丝半自动焊焊缝金属存在低温冲击韧性离散性大，甚至出现个别冲击值偏低的问题，因此有必要对自保护药芯焊丝配方设计和制备工艺进行创新和改进。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低氢高韧性自保护药芯焊丝及其制备方法。
一种低氢高韧性自保护药芯焊丝，由外皮和药芯组成，药芯填充在外皮中，其中外皮为低碳钢钢带，药芯组成按照质量百分比由：氟化物：45～55％，氧化物：10～20％，碳酸盐：2～8％，硼酸钠：0.2～1.0％，金属铝：2～6％，铝镁合金：10～16％，金属锰：3～7％，金属镍：5～13％，金属钴：0～5％，金属锆：0.1～0.4％组成，以上组分的质量百分比之和为100％；
所述低氢高韧性自保护药芯焊丝药芯占焊丝总质量的比例，即焊丝的填充率为20～22％；
所述氟化物为BaF2和LiF的混合物，与药芯质量的百分比分别为BaF2：40～50％，LiF：2～7％；
所述氧化物为Fe2O3或Fe2O3与CeO2、BaFe2O4中的一种或两种的混合物，与药芯质量的百分比分别为Fe2O3：4～10％，CeO2：0～6％，BaFe2O4：0～12％；
所述碳酸盐为BaCO3或BaCO3与Li2CO3的混合物，与药芯质量的百分比分别为BaCO3：1～6％，Li2CO3：0～4％。
所述铝镁合金为铝、镁元素质量比为1:1的铝镁合金。
所述硼酸钠、金属铝、铝镁合金、金属锰、金属镍、金属钴、金属锆的粒度为80～150目。
所述低碳钢钢带化学成分按质量百分比为：C：0.01～0.08％，Mn：0.1～0.5％，Si：0～0.1％，S：0～0.005％，P：0～0.05％，其余为Fe。
所述低氢高韧性自保护药芯焊丝直径为2.0±0.1mm。
一种低氢高韧性自保护药芯焊丝的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤1，备料：
按照低氢高韧性自保护药芯焊丝药芯配比，称取氟化物、氧化物，碳酸盐和硼酸钠，将氟化物、氧化物和碳酸盐干混均匀，得到混合干粉，将硼酸钠溶于蒸馏水中制成硼酸钠水溶液；
步骤2，预处理：
将硼酸钠水溶液加入混合干粉中进行湿混，并制粒，将得到的颗粒粉进行烧结，烧结温度为700～850℃，保温时间为1～2h，空冷至室温后经粉碎、筛分，得到预处理粉；
步骤3，混料：
将预处理粉、金属铝、铝镁合金、金属锰、金属镍、金属钴、金属锆按药芯配比混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，焊丝制备：
(1)将低碳钢钢带轧制成U形，然后将药芯粉加入U形槽内，随后将U形槽封口成O型，得到焊丝坯料；
(2)焊丝坯料通过拉拔工序减径至2.0±0.1mm，再通过校直、缠盘、包装，最终得到低氢高韧性自保护药芯焊丝。
上述低氢高韧性自保护药芯焊丝的制备方法，其中：
所述步骤1中，在混料机中进行混料。
所述步骤1中，硼酸钠溶液的浓度为0.4～2.0mg/ml。
所述步骤2中，通过制粒机制粒，得到的颗粒粉呈球状或椭球状，颗粒尺寸为2～10mm。
所述步骤2中，预处理粉的粒度为80～150目。
所述步骤3中，药芯粉粒度为80～150目。
所述步骤4(1)中，低碳钢钢带轧制前需要超声清洗、烘干。
所述步骤4(1)中，焊丝药芯粉的填充率为20～22％。
所述步骤4(1)中，通过成型机组完成低碳钢钢带的成型和焊丝坯料的封口。
所述步骤4(1)中，焊丝坯料呈圆棒状，直径为3.8～4.2mm。
所述步骤4(2)中，通过拉拔机组完成焊丝减径。
所述步骤4(2)中，低氢高韧性自保护药芯焊丝包装采用真空包装。
所述步骤4(1)和(2)中，操作温度为室温，空气相对湿度不高于75％。
本发明得到的低氢高韧性自保护药芯焊丝进行熔敷金属性能试验，焊接电压19～21V，焊接电流300～350A，层间温度140～160℃，电流极性为直流正接(DCEN)；熔敷金属力学性能：抗拉强度594～656MPa，屈服强度480～534MPa，延伸率21.6～27.3％，-40℃夏比V冲击吸收功123～165J。
上述低氢高韧性自保护药芯焊丝及其制备方法，主要技术思路为：
药芯的化学组成成分中，各个组分的作用如下：
(1)药芯粉中加入氟化物的主要目的在于造气、造渣和去氢，焊接时氟化物在电弧作用下气化或熔化，形成的气体保护着熔滴和熔池，避免了有害气体的侵害，从而降低焊接气孔的敏感性。另外，熔融的氟化物包裹着熔滴向熔池过渡，随后形成渣壳保护着尚处于高温的焊缝免受氧化。由于不同氟化物的气化温度不同，因此选择多种氟化物可提高气保护效果。焊接时氟离子与氢离子结合形成氟化氢气体从而起到去氢的作用。氟化钡与传统使用的氟化钙相比凝固温度更高且凝固温度区间较窄，因此可形成短渣，能有效防止非平焊位置焊接时熔渣下坠，提高焊丝的全位置焊接适应性；另外，氟化钡支持短电弧焊接，可缩短熔滴过渡时间，从而减少空气对熔滴的侵害。氟化锂具有电离电位低和熔点低的特点，可有效提高电弧稳定性和调节熔渣粘度。氟化物的总加入量低于45％时，造气、造渣不足，容易产生气孔和熔渣覆盖不全的缺陷，但当氟化物总量超过60％时，电弧稳定性变差且熔渣粘度偏低，不利于全位置焊接，因此氟化物的加入量应控制在45～60％之间。
(2)药芯粉中加入氧化物的目的在于造渣，同时氧化物还具有调节熔渣物化性能、控制焊缝金属中残留铝的作用。氧化物的总加入量低于10％时，起不到上述的有益作用，但加入量超过20％时，药芯的熔点明显提高，焊接飞溅增大，容易出现气孔的问题，因此氧化物的加入量应控制在10～20％之间。
(3)药芯粉中加入碳酸盐的目的在于提高气保护效果和增强电弧挺度，有利于提高熔深和改善焊缝成形，避免产生未熔合、夹渣的缺陷。碳酸盐加入量低于2％时达不到上述有益目的，但加入量不应超过8％时，焊接飞溅明显增多，并且容易出现气孔缺陷，恶化操作环境，因此碳酸盐加入量应控制在2～8％之间。
(4)铝是强脱氧、固氮元素，焊接过程中通过铝的脱氧、固氮反应可降低空气中的氧、氮对熔滴和熔池的侵害，可有效消除焊接时出现氧气孔和氮气孔。铝的加入量低于2％时，脱氧、固氮能力不够，焊接时仍会出现气孔，当铝含量超过6％时，焊缝金属中残留铝增加，显著恶化焊缝低温韧性，因此药芯中铝含量应控制在2～6％之间。
(5)药芯粉中加入镁的目的是造气、脱氧、助燃。镁的沸点低，在电弧热的作用下形成蒸气，保护熔滴和熔池。镁也是强脱氧元素，可形成稳定的脱氧产物MgO进入熔渣。另外，镁的助燃作用可显著提高电弧稳定性，降低焊接飞溅。由于镁的沸点低、还原性强，以金属镁的形式加入时，由于反应剧烈使得电弧暴躁、飞溅增大，而以铝镁合金的形式加入可避免此不足。铝镁合金的加入量低于10％时，脱氧不足且电弧稳定性较差，容易产生气孔、飞溅增大的问题，而铝镁合金的加入量超过16％时，焊接烟尘明显增多，恶化操作环境。因此铝镁合金的加入量应控制在10～16％之间。
(6)药芯粉中加入锰、镍、钴和锆目的在于向焊缝中过渡适量的合金元素。在铝、镁的脱氧保护下锰、镍、钴、锆几乎完全过渡到焊缝中。锰可有效降低焊缝金属的含硫量和强化金属基体，因此可有效提高焊缝的强度和韧性，锰的适用范围是3～6％，加入量太低时起不到提高强度的目的，太高时焊缝强度提高但韧性降低；适量的镍、钴可韧化基体、提高强度，结合X80管线钢的强度级别，镍和钴的适用范围分别为5～13％和2～5％，加入量过低时不利于提高焊缝强韧性，加入量过高则会使强度提高而韧性降低；适量的锆含量可细化晶粒，从而提高焊缝金属的强韧性，适用范围是0.1～0.4％，加入量过少起不到细化晶粒的有益作用，过多时韧性降低，且脱渣困难。
(7)药芯粉中加入硼酸钠的目的是为了向焊缝中过渡微量的B元素，起到细化晶粒、强化晶界的作用，可显著提高焊缝金属的强度和低温韧性，硼酸钠的适用范围是0.2～1.0％，加入量过少起不到强化、韧化焊缝的目的，加入量过多时焊缝金属强度提高但韧性下降。
上述低氢高韧性自保护药芯焊丝及其制备方法，有益效果为：
(1)本发明采用高温烧结工艺对部分药芯粉进行预处理，其作用如下：
(a)除去了氟化钡、氟化锂、氧化物中的水分，可有效降低焊缝中的扩散氢含量；
(b)提高了药芯粉的流动性、均匀性和松装密度，可保障并稳定药芯粉的填充率，起到稳定焊接工艺和焊缝性能的作用；
(c)提高了硼酸钠在药芯粉中的均匀性，对稳定焊缝性能尤其是低温韧性起重要作用。
(2)控制焊丝成型、拉拔过程中的空气湿度，可避免焊丝生产过程中空气中的水分侵入药芯粉，导致焊接时焊缝中扩散氢含量增加。
(3)成品焊丝采用真空包装，可避免焊丝在存放过程中生锈，导致焊接时出现焊接缺陷。
(4)本发明自保护药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，熔敷金属扩散氢含量不大于5ml/100g，熔敷金属具有良好的强韧性匹配，其抗拉强度594～656MPa，屈服强度480～534MPa，延伸率21.6～27.3％，-40℃夏比V冲击吸收功123～165J，可用于X80及其以下级别管线钢和同级别结构钢的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例1～10中焊丝外皮选择普通低碳钢钢带，钢带化学成分按质量百分比为：C：0.035％；Si：0.02％；Mn：0.25％；S：0.003％；P：0.01％；其余为Fe，钢带规格为：带厚×带宽＝0.5mm×10mm。
实施例
一种低氢高韧性自保护药芯焊丝的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤1，备料：
如表1所示按照低氢高韧性自保护药芯焊丝药芯配比，称取氟化物、氧化物、碳酸盐和硼酸钠，将氟化物、氧化物和碳酸盐在混料机中干混均匀，得到混合干粉，将硼酸钠溶于蒸馏水中制成浓度为0.4～2.0mg/ml的硼酸钠水溶液；
步骤2，预处理：
将硼酸钠水溶液加入上述混合干粉中进行湿混，并通过制粒机制粒，得到呈球状或椭球状的颗粒粉，颗粒尺寸2～10mm，将上述颗粒粉在电阻炉中烧结，烧结温度、保温时间如表2所示，空冷至室温后经粉碎、筛分，得到粒度为80～150目预处理粉。
步骤2，混料：
将步骤1预处理粉、金属铝、铝镁合金、金属锰、金属镍、金属钴、金属锆按药芯配比混合均匀，得到粒度为80～150目的药芯粉；
步骤3，焊丝制备：
(1)将低碳钢钢带经过超声清洗、烘干，然后在室温、50RH％条件下，通过成型机组轧制成U形，将药芯粉加入U形槽内，焊丝药芯粉的填充率为21±0.2％，随后通过成型机组将U形槽封口成O型，得到直径4.0mm的圆棒状焊丝坯料；
(2)在室温、50RH％条件下，焊丝坯料通过拉拔机组减径至2.0±0.1mm，然后通过校直、缠盘、真空包装工序得到低氢高韧性自保护药芯焊丝。
表1自保护药芯焊丝的药芯粉化学组成(质量％)
表2烧结工艺参数
实施例制得的焊丝进行熔敷金属性能试验，熔敷金属焊接试板选用Q345钢，焊接工艺参数为：焊接电压为20V，焊接电流320A，层间温度150℃，电流极性为直流正接(DCEN)。
实施例根据GB/T 2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》和GB/T 3965-2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》进行熔敷金属力学性能和扩散氢含量测试，测试结果见表3所示。
表3本发明实施例熔敷金属力学性能及扩散氢含量
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。