本发明涉及焊丝技术领域，具体涉及一种缆式焊丝。
背景技术
缆式焊丝(又称多股绞合焊丝)由中心焊丝和螺旋升角α缠绕于中心焊丝上的多根彼此相切且直径相同的外围焊丝所构成。缆式焊丝具有盘绕性好、送丝时刚直径好、焊接时的熔深熔宽大以及熔敷效率高等优点，其原因为：(1)利用缆式焊丝焊接(例如co2气保焊)时外围焊丝的小阳极区随缆式焊丝的送进而围绕中心焊丝阳极区旋转，并很快合成为一个统一的束状旋转弧柱区，该束状旋转焊接电弧有利于焊丝熔化、熔滴过渡，有利于熔池内均匀分布，从而减小焊缝缺陷，提高焊接质量；(2)缆式焊丝具有涡流型流体流动模式，焊接过程中熔池液态金属存在涡流型流动，液态金属的涡流运动使熔池中部凹陷，带动高温液态金属向熔池底部流动，有利于增加熔深。
现有的堆焊方法有热丝tig堆焊、手工焊条电弧焊堆焊、带极堆焊、等离子堆焊、激光堆焊、爆炸焊等，其中对于应用工况较为严格且堆焊层厚度要求较薄如3-5mm通常为热丝tig堆焊、等离子堆焊、激光堆焊、手工焊条电弧焊堆焊，对于堆焊厚度要求8mm以上通常为埋弧堆焊及熔化极气体保护焊堆焊。其中热丝tig堆焊单枪每小时熔敷效率仅0.8kg左右，效率较低，但熔深较小，焊枪可伸入管道、设备内腔，且可实现全位置自动化堆焊，其主要应用与工况要求严格的场合如加氢装置、海底输油管线、井口头、采油树、阀门等。手工焊条电弧焊操作灵活但局限于焊工的人为影响及视线盲区、手臂操作盲区等，通常应用于小构件外表面等易于操作且要求不高的场合。带极堆焊具有高效率、熔深稍浅的优势，但其对于阀门、弯头等异形件难以实现焊接，且焊接位置仅局限于平焊，并对于小通道焊接亦无法实现，其常用于压力容器筒体、较大直径的管道等堆焊。激光及等离子堆粉末冶金堆焊具有高能、高效、浅熔深的优势，但局限于设备本身价格较高，且由于枪头的限制仅适用于小构件的外表面堆焊。爆炸复合焊效率较高，但其局限于爆炸复合本身质量难以控制，其主要应用于工况简单、便于检修且如压力要求不高的场合。普通埋弧及熔化极气体保护焊堆焊具有高效特征，尤其是熔化极气体保护焊亦具备全位置、异形件、小通道等全自动化焊接功能，但其主要局限于焊接熔深过大，稀释率过高，因此仅适用于堆焊厚度较厚的应用场合。
中国专利文献cn105665955b公开了一种缆式焊丝，包括中心焊丝和螺旋旋绕所述中心焊丝设置的n根外围焊丝，各所述外围焊丝的直径均为d，且各相邻所述外围焊丝相切设置，所述外围焊丝的捻距t＝k×m×d，其中k为所述外围焊丝的结构系数，m为捻距系数，d为所述外围焊丝的直径，1≤k≤1.5,20≤m≤25。该现有技术的缆式焊丝在焊接时带电粒子的运动方向主要以垂直母材为主，具有较大的熔深，稀释率较高，堆焊质量难以控制，因此其主要适用于坡口对接焊缝及角焊缝等领域，而不适用于对焊接熔深较浅、稀释率较低的复层厚度要求较薄的堆焊领域。
技术实现要素：
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缆式焊丝焊接熔深较大、稀释率较高的缺陷，从而提供一种焊接熔深小、稀释率较低的缆式焊丝。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种缆式焊丝，包括中心焊丝和螺旋旋绕所述中心焊丝设置的n根外围焊丝，各所述外围焊丝的直径均为d外，且各相邻所述外围焊丝相切设置，其特征在于，所述外围焊丝的捻距t＝m×(d外+d中)/2，其中m为捻距倍数，d外为所述外围焊丝的直径，d中为所述中心焊丝的直径，3.2≤m＜20。
所述外围焊丝的旋转方向与所述中心焊丝长度的垂直方向或外围焊丝法平面与中心焊丝所在平面之间的夹角为螺旋升角α，且α＝arctan(m/2π)。
所述外围焊丝的旋转方向与所述中心焊丝长度的垂直方向或外围焊丝法平面与中心焊丝所在平面之间的夹角为螺旋升角α，且α＝-9e-08m6+2e-05m5-0.0011m4+0.0405m3-0.8968m2+11.971m-3.3502。
26.99°≤α＜72.56°。
堆焊层厚度要求3mm以下时，m≤9，α≤55.08°；堆焊层厚度要求3mm至6mm内时，m≤14，α≤65.83°；堆焊层厚度要求6mm以上时，m＜20，α＜72.56°。
0.5mm≤d外≤2mm。
所述外围焊丝的数量至少为3根。
所述外围焊丝为实心焊丝和/或无缝药芯焊丝和/或有缝药芯焊丝。
所述中心焊丝为实芯焊丝或药芯焊丝或缆式焊丝。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种缆式焊丝，由于缆式焊丝的捻距倍数较小，在焊接参数不变时可以获得较小的熔深，还可以进一步降低焊接起弧电流，由于焊接电流的减小，更有利于焊接熔深的减小，对控制堆焊层稀释率有着显著的贡献，由于该缆式焊丝在焊接时熔深较小、稀释率较低，可适用于对焊接熔深较浅、稀释率较低的复层厚度要求较薄的堆焊领域。
2.本发明提供的一种缆式焊丝，26.99°≤α<72.56°，在其他条件不变的情况下，外围丝螺旋升角α越小，熔深越小，熔宽越大，从而更易于提高焊接速度，即进一步降低焊接熔深，尤其适合耐蚀耐磨等对母材稀释率有严格限制的堆焊方法。
3.本发明提供的一种缆式焊丝，试验研究表明，在堆焊层厚度要求6mm以上时，m＜20，α＜72.56°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在3mm以下甚至更低；在堆焊层厚度要求3mm至6mm内时，m≤14，α≤65.83°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在2mm以下甚至更低；在堆焊层厚度要求3mm以下时，m≤9，α≤55.08°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在1mm以下甚至更低，对普通熔化极气保焊及埋弧焊在堆焊领域的应用奠定了重要的理论与试验研究基础。缆式焊丝熔化极气保焊及埋弧焊堆焊可大幅降低焊接生产成本，提高经济效益，缆式焊丝熔池搅动能够加速气体、夹渣等迅速排出，对于保证堆焊金属质量起到重要的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是1+6等径缆式焊丝最小捻距倍数m为20时，外围丝中心线的螺旋升角α为72.56°的横断面结构示意图。
图2是1+6等径缆式焊丝最小捻距倍数m为20时，外围丝中心线的螺旋升角α为72.56°的主视结构及螺旋升角α值示意图。
图3是1+5等径缆式焊丝捻距倍数m为9时，外围丝中心线的螺旋升角α为55.08°的横断面结构示意图。
图4是1+5等径缆式焊丝捻距倍数m为9时，外围丝中心线的螺旋升角α为55.08°的主视结构及螺旋升角α值示意图。
图5是1+4等径缆式焊丝捻距倍数m为5时，外围丝中心线的螺旋升角α为38.51°的横断面结构示意图。
图6是1+4等径缆式焊丝捻距倍数m为5时，外围丝中心线的螺旋升角α为38.51°的主视结构及螺旋升角α值示意图。
图7是1+7缆式焊丝d外＝1mm，d中＝2mm，n＝7，捻距倍数m为7.33时，外围丝中心线的螺旋升角α为49.41°的横断面结构示意图。
图8是1+7缆式焊丝d外＝1mm，d中＝2mm，n＝7，捻距倍数m为7.33时，外围丝中心线的螺旋升角α为49.41°的主视结构及螺旋升角α值示意图。
图9是(1+6)+10缆式焊丝d外＝1mm，d中＝3mm(1+6缆式焊丝)，n＝10，捻距倍数m为9时，外围丝中心线的螺旋升角α为55.08°的横断面结构示意图。
图10是(1+6)+10缆式焊丝d外＝1mm，d中＝3mm(1+6缆式焊丝)，n＝10，捻距倍数m为9时，外围丝中心线的螺旋升角α为55.08°的主视结构及外围丝中心线螺旋升角α值示意图。
图11是1+3缆式焊丝d外＝0.8mm，d中＝0.8mm，n＝3，捻距倍数m为3.2时，外围丝中心线的螺旋升角α为26.99°的横断面结构示意图。
图12是1+3缆式焊丝d外＝0.8mm，d中＝0.8mm，n＝3，捻距倍数m为3.2时，外围丝中心线的螺旋升角α为26.99°的主视结构及螺旋升角α值示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明通过大量试验发现当焊接电流等参数一定的情况下，外围焊丝的捻距倍数m越小，其螺旋升角α越小，其它参数不变时，此时焊接熔深越小，稀释率越低；此外，当捻距倍数m较小时，如依然采用6根等直径的外围丝加1根中心丝，则捻制过程中当焊丝硬度较大焊丝间相互难以产生挤压塑性变形时则难以成绳，该情况下可以通过5根外围丝加1根中心丝或4根外围丝加1根中心丝等或降小外围丝直径的方式捻制成绳，进而可以保证更小的螺旋升角α，螺旋升角α的降低使得堆焊焊缝的熔宽更大，熔深更小，并由于焊丝总根数的减少，使得焊丝起弧电流更低，从而更易于进一步的降低熔深，因此如何保证在焊丝结构紧密并稳定送丝的基础上能进一步地降低螺旋升角α以降低焊接熔深来实现较薄堆焊层厚度设计下的质量保证，以期使得高效的熔化极气体保护堆焊及埋弧堆焊得以应用显得非常迫切并彰显重要意义。基于此，本发明通过大量理论和试验研究后，提供了一种缆式焊丝，包括中心焊丝和螺旋旋绕所述中心焊丝设置的n根外围焊丝，各所述外围焊丝的直径均为d外，且各相邻所述外围焊丝相切设置，其特征在于，所述外围焊丝的捻距t＝m×(d外+d中)/2，其中m为捻距倍数，d外为所述外围焊丝的直径，d中为所述中心焊丝的直径，3.2≤m＜20。
由于缆式焊丝的捻距倍数较小，在焊接参数不变时可以获得较小的熔深，还可以进一步降低焊接起弧电流，由于焊接电流的减小，更有利于焊接熔深的减小，对控制堆焊层稀释率有着显著的贡献，由于该缆式焊丝在焊接时熔深较小、稀释率较低，可适用于对焊接熔深较浅、稀释率较低的复层厚度要求较薄的堆焊领域。
作为优选的实施方式，所述外围焊丝的旋转方向与所述中心焊丝长度的垂直方向或外围焊丝法平面与中心焊丝所在平面之间的夹角为螺旋升角α，且α＝arctan(m/2π)或者α＝-9e-08m6+2e-05m5-0.0011m4+0.0405m3-0.8968m2+11.971m-3.3502。
上述实施方式通过以下计算方式获得：对于缆式焊丝的每一根外围丝中心线，其实质为围绕中心丝中心线进行螺旋旋绕的圆柱螺旋线，螺旋升角是固定的，螺旋升角的计算公式为α＝arctan(h/πd),其中h为导程，d为圆柱螺旋线的直径，在本实施方式中，外围焊丝的捻距t＝m×(d外+d中)/2，捻距相当于导程，而d＝d外+d中，因此可得出α＝arctan(m/2π)，而α＝-9e-08m6+2e-05m5-0.0011m4+0.0405m3-0.8968m2+11.971m-3.3502为此公式的多项式函数关系式。作为优选的实施方式，26.99°≤α＜72.56°，在其他条件不变的情况下，外围丝螺旋升角α越小，熔深越小，熔宽越大，从而更易于提高焊接速度，即进一步降低焊接熔深，尤其适合耐蚀耐磨等对母材稀释率有严格限制的堆焊方法。
试验研究表明，在堆焊层厚度要求6mm以上时，m＜20，α＜72.56°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在3mm以下甚至更低；在堆焊层厚度要求3mm至6mm内时，m≤14，α≤65.83°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在2mm以下甚至更低；在堆焊层厚度要求3mm以下时，m≤9，α≤55.08°，通过控制较低的焊接电流与较快的焊接速度，可以实现缆式焊丝熔化极堆焊熔深控制在1mm以下甚至更低，对普通熔化极气保焊及埋弧焊在堆焊领域的应用奠定了重要的理论与试验研究基础。缆式焊丝熔化极气保焊及埋弧堆焊可大幅降低焊接生产成本，提高经济效益，缆式焊丝熔池搅动能够加速气体夹渣等迅速排出，对于保证堆焊金属质量起到重要的作用。
作为优选的实施方式，0.5mm≤d外≤2mm；所述外围焊丝的数量至少为3根；所述外围焊丝为实心焊丝和/或无缝药芯焊丝和/或有缝药芯焊丝；所述中心焊丝为实芯焊丝或药芯焊丝或缆式焊丝。
经过试验和研究发现，含h2s腐蚀环境且堆焊层有效厚度要求3mm以内的工况要求，打底堆焊应采用α≤50°的缆式焊丝，填充层采用α≤65°的缆式焊丝，面层采用α≤75°的缆式焊丝。对于螺旋升角α≤60°的药芯焊丝，由于外围丝为药芯时生产加工困难，宜采用外围丝为实心细焊丝，中心丝为药芯焊丝的结构作为打底过渡层用，填充层及以上采用α≥60°的全药芯缆式焊丝。
实施例1
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为1+6，如图1和图2所示结构，即外围焊丝数量为6，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为1.33mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为18，螺旋升角α为70.76°。
实施例2
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为1+5，如图3和图4所示结构，即外围焊丝数量为5，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为1.0mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为9，螺旋升角α为55.08°。
实施例3
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为1+4，如图5和图6所示结构，即外围焊丝数量为4，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为2mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为5，螺旋升角α为38.51°。
实施例4
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为1+7，如图7和图8所示结构，即外围焊丝数量为7，中心焊丝数量为1，中心丝直径为1mm，外围丝直径为0.5mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为7.33，螺旋升角α为49.41°。
实施例5
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为(1+6)+10，如图9和图10所示结构，即外围焊丝数量为10，中心焊丝数量为1，中心丝直径为3mm，外围丝直径为1mm，且均为实芯焊丝,其中中心丝为实心缆式焊丝，外围丝的捻距倍数m为9，螺旋升角α为55.08°。
实施例6
本实施例提供的堆焊用缆式焊丝的结构为1+3，如图11和图12所示结构，即外围焊丝数量为3，中心焊丝数量为1，外围及中心焊丝直径均为0.8mm，且均为实芯焊丝,外围丝的捻距倍数m为3.2，螺旋升角α为26.99°。
对比例1
本对比例提供的焊丝结构为直径φ4mm单丝进行埋弧焊。
对比例2
本对比例提供的焊丝结构为直径φ1.2mm单丝进行气保焊。
对比例3
本对比例提供的缆式焊丝的结构为1+6，如图1和图2所示结构，即外围焊丝数量为6，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为1.33mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为20，螺旋升角α为72.56°，对应堆焊方法为埋弧焊。
对比例4
本对比例提供的缆式焊丝的结构为1+6，如图1和图2所示结构，即外围焊丝数量为6，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为0.8mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为20，螺旋升角α为72.56°，对应焊接方法为气保焊。
对比例5
本对比例提供的缆式焊丝的结构为1+6，如图1和图2所示结构，即外围焊丝数量为6，中心焊丝数量为1，各焊丝直径皆为2mm，且均为实芯焊丝，捻距倍数m为20，螺旋升角α为72.56°，对应焊接方法为埋弧焊。
对实施例1、3、5及对比例1、3、5提供的缆式焊丝分别进行堆焊熔深测试，焊机选用奥太mze-1000型，采用直流反接；母材采用q345e，壁厚15.6mm；焊剂采用sj101，相关焊接参数及熔深详细参见表2。
表1
表1为螺旋升角α与捻距倍数m的相互关系，可以看出当外围丝直径d外等于或不等于中心丝的直径d中，皆可得到相同的螺旋升角α，且捻距倍数m改变，则螺旋升角α随之改变，即对于空间曲线的螺旋升角α应和焊丝直径无关，应仅和外围丝的捻距倍数m有关。
表2
由表2来看，相比单丝，同等埋弧焊情况下缆式焊丝的熔深更小，尤其当缆式焊丝捻距倍数m越小时，熔深越小。且当捻距倍数较小时，外围焊丝数量减少有利于焊接电流的降低，结合更小的螺旋升角α更加有利于堆焊熔深的降低，且实施例1、3、5提供的堆焊用缆式焊丝设计仅为本发明的部分内容而已，其它未体现在实施例中但和本发明相近或相似的，当属本发明专利保护范畴。
对实施例2、4、6及对比例2、4提供的缆式焊丝分别进行堆焊熔深测试，焊机选用汉神hc650d型，采用直流反接；母材采用q345e，壁厚15.6mm；保护气体采用82％ar+18％co2，相关焊接参数及熔深详细参见表3。
表3
由表3来看，相比单丝，同等气保焊情况下缆式焊丝的熔深更小，尤其当缆式焊丝捻距倍数m越小时，熔深越小。且当捻距倍数较小时，外围焊丝数量减少或变细有利于焊接电流的降低，结合更小的螺旋升角α更加有利于堆焊熔深的降低，且实施例2、4、6提供的堆焊用缆式焊丝设计仅为本发明的部分内容而已，其它未体现在实施例中但和本发明相近或相似的，当属本发明专利保护范畴。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。