本发明属于焊接材料制备技术领域，具体涉及一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用。
背景技术
随着现代工业技术的发展，不锈钢行业也得到较快的发展，不锈钢以其优良的机械性能、耐蚀性，得到广泛的应用，然而其焊接问题也愈显突出。不锈钢消费量的强劲增长，必将带动焊接市场的快速增长：一方面，钢材的品质进步促使不锈钢焊接材料的更新换代；另一方面，不锈钢焊接高效(自动化)进程明显提速，促使焊接材料的品种结构调整步伐加快。
不锈钢在实际焊接过程中，焊接接头的强韧性与母材的强韧化水平存在较大差异，这就使得产品的生产成本增加，容易引发安全事故。焊条由焊芯及药皮两部分构成。焊条是在金属焊芯外将涂料(药皮)均匀、向心地压涂在焊芯上。焊条种类不同，焊芯也不同。焊芯即焊条的金属芯，为了保证焊缝的质量与性能，对焊芯中各金属元素的含量都有严格的规定，特别是对有害杂质(如硫、磷等)的含量，应有严格的限制，优于母材。
与传统的手工焊条、镀铜实芯焊丝、埋弧焊剂相比，采用不锈钢药芯焊丝进行焊接具有明显的优势，其一，焊接过程更加连续，而且可以实现自动焊接，从而减少了焊接接头，极大的提高了生产效率，是手工电弧焊的3-4倍，焊接质量好，节约了能源，降低了综合成本；其二，不锈钢药芯焊丝不存在发热和发红现象，且飞溅极小，焊缝光亮呈银白色，焊后一般不需要酸洗、打磨和抛光；其三，药芯焊丝中的药粉都经过高温烘焙，水分极少，焊接之前不需要烘干，气孔敏感性较低。所以不锈钢药芯焊丝广泛应用于造船、石化、压力容器、钢结构和工程机械等行业。
因此，随着经济的快速、稳定、持续发展，市场对不锈钢材料的需求快速增长，对不锈钢药芯焊丝的需求量也越来越大，研制、开发一种与不锈钢配套的新型药芯焊丝，使其满足低成本的情况下，还具有焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观的特点，是十分重要的研究课题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用，对于不锈钢药芯焊丝均可以使用本发明的制备工艺制得，制得的焊丝焊接工艺性能良好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，满足高强度，高韧性，耐腐蚀的焊接要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺，焊丝包括药芯和不锈钢带，具体包括如下步骤：
(1)药芯的组份按质量百分比包括：铬粉：25～30％、镍粉：15～20％、钼粉：1～3％、锰粉：0.2～0.8％、钛粉：0.5～3％、多元合金：5～10％、石英5～8％、金红石4～7％、锆英砂5～8％、氟化物1～3％，余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％；
(2)将步骤(1)称取的石英、氟化钙、金红石、锆英砂、多元合金加入药芯总质量10～15％的水玻璃粘连剂混合均匀，然后放置在加热炉中550-600℃烧结1-3h，碾碎研磨后过筛，筛选粒度60-90目之间的混合粉；
(3)将步骤(1)其他剩余组份与步骤(2)制得的混合粉充分搅拌，混合之后放入干燥炉中在155-165℃下干燥3-5h，确保药芯的水分低于400ppm；
(4)将不锈钢带放置在药芯成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成u型槽，然后向u型槽中添加一半量的步骤(3)得到的药芯粉末，将u型槽碾压闭合；再次轧成u型槽，加入剩下的药芯粉末，控制药芯粉末的整体填充率为23-28％，随后通过成型机将u型槽钢带碾压闭合，形成直径4-6mm的焊丝母线；
(5)将步骤(4)的焊丝母线滚动牵引进入到盛有表面膜除溶液的槽内，进行表面皮膜处理；
(6)将步骤(5)中表面膜处理的焊丝母线干燥后，送入直进式粗拉丝机进行初次拉拔，进行光亮退火，如此重复4-6次，以消除拉拔焊丝的加工硬化和收缩；
(7)将步骤(6)的粗拉拔焊丝，牵引进入直进式精拉丝机上，进行9级减径处理，得直径1.8-2mm的焊丝；
(8)将步骤(7)拉拔处理后的焊丝进入到用于消除拉拔过程中产生的残余应力的校直器内进行校直；
(9)将步骤(8)校直后的焊丝经干擦、水洗后干燥，涂油，盘成圆盘，密封包装即可。
进一步，上述所述的不锈钢带为碳含量为0-0.04％的304不锈钢带。
进一步，上述步骤(1)所述的多元合金的质量组成为mg45％、al35％、zn12％、b8％。
进一步，上述步骤(1)所述的氟化物为氟化钠、氟硅酸钠、氟硅酸钾和氟铝酸钠中的一种或者多种的组合。
进一步，上述步骤(2)所述的水玻璃为钾水玻璃，波美度为44-46，模数2.7-2.9，氧化钾质量百分含量为14-17％，其中二氧化硅质量百分含量为28.0-31.0％，其余为水。
进一步，上述步骤(5)所述的表面膜除溶液由质量百分含量为35％的硫酸钾、20％的碳酸钠、30％的硬脂酸钠和15％的极压添加剂组成。
进一步，上述所述的极压添加剂由质量百分含量为35-45％足球烯、30-35％二硫化钼和20-35％硫化油酸组成。
进一步，一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝应用在抗拉强度为650mpa级奥氏体不锈钢焊接中。
进一步，上述在焊接时采用二氧化碳气体保护，纯度＞99％。
进一步，上述焊接条件为：电流180-210a，电压28-30v，焊接速度350-400mm/min。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用，工艺稳定易于实现，焊丝的拉拔性能优良，焊丝直径精度高，利用滚动牵引方式，减少焊丝母线在拉拔过程中的摩擦，外表面粗糙度低，焊丝外观质量好。
(2)本发明的一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用，将焊丝表面膜处理，保证了焊丝在后续的焊接过程中焊接工艺优良，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，内应力的消除，有助于线性稳定的作用，避免出现焊接裂缝。
(3)本发明的一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用，采用两次轧制u型槽和两次加入药芯的方法，这样在压平或拉拔过程中不会造成药芯粉急剧压缩对钢带造成过大压力的现象出现，从而有效保护钢带的完整性，制备的焊丝具有强度高，韧性好，耐腐蚀的优点，满足抗拉强度为650mpa级奥氏体不锈钢焊接中。
(4)本发明的一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺及其应用，工艺稳定，易于操作，综合成本低，效率高，便于规模化、连续化生产作业。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺，焊丝包括药芯和碳含量为0.04％的304不锈钢带，具体包括如下步骤：
(1)药芯的组份按质量百分比包括：铬粉：25％、镍粉：15％、钼粉：1％、锰粉：0.2％、钛粉：0.5％、多元合金：10％、石英8％、金红石7％、锆英砂5％、氟化钠3％，余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％，其中多元合金的质量组成为mg45％、al35％、zn12％、b8％；
(2)将步骤(1)称取的石英、氟化钙、金红石、锆英砂、多元合金加入药芯总质量10％的水玻璃粘连剂混合均匀，然后放置在加热炉中550℃烧结3h，碾碎研磨后过筛，筛选粒度60目之间的混合粉，其中水玻璃为钾水玻璃，波美度为44，模数2.7，氧化钾质量百分含量为14％，其中二氧化硅质量百分含量为28.0％，其余为水；
(3)将步骤(1)其他剩余组份与步骤(2)制得的混合粉充分搅拌，混合之后放入干燥炉中在155℃下干燥5h，确保药芯的水分低于400ppm；
(4)将不锈钢带放置在药芯成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成u型槽，然后向u型槽中添加一半量的步骤(3)得到的药芯粉末，将u型槽碾压闭合；再次轧成u型槽，加入剩下的药芯粉末，控制药芯粉末的整体填充率为28％，随后通过成型机将u型槽钢带碾压闭合，形成直径6mm的焊丝母线；
(5)将步骤(4)的焊丝母线滚动牵引进入到盛有表面膜除溶液的槽内，进行表面皮膜处理，其中表面膜除溶液由质量百分含量为35％的硫酸钾、20％的碳酸钠、30％的硬脂酸钠和15％的极压添加剂组成，极压添加剂由质量百分含量为35％足球烯、35％二硫化钼和30％硫化油酸组成；
(6)将步骤(5)中表面膜处理的焊丝母线干燥后，送入直进式粗拉丝机进行初次拉拔，进行光亮退火，如此重复4-6次，以消除拉拔焊丝的加工硬化和收缩；
(7)将步骤(6)的粗拉拔焊丝，牵引进入直进式精拉丝机上，进行9级减径处理，得直径2mm的焊丝；
(8)将步骤(7)拉拔处理后的焊丝进入到用于消除拉拔过程中产生的残余应力的校直器内进行校直；
(9)将步骤(8)校直后的焊丝经干擦、水洗后干燥，涂油，盘成圆盘，密封包装即可。
将实施例1制备的焊丝用于抗拉强度为650mpa级奥氏体不锈钢焊接中，焊接时采用二氧化碳气体保护，纯度＞99％；焊接电流180a，电压30v，焊接速度350mm/min。
实施例2
一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺，焊丝包括药芯和碳含量为0.03％的304不锈钢带，具体包括如下步骤：
(1)药芯的组份按质量百分比包括：铬粉：20％、镍粉：18％、钼粉：2％、锰粉：0.5％、钛粉：2％、多元合金：8％、石英6％、金红石6.5％、锆英砂6.5％、氟硅酸钠2％，余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％，其中多元合金的质量组成为mg45％、al35％、zn12％、b8％；
(2)将步骤(1)称取的石英、氟化钙、金红石、锆英砂、多元合金加入药芯总质量12％的水玻璃粘连剂混合均匀，然后放置在加热炉中580℃烧结2h，碾碎研磨后过筛，筛选粒度75目之间的混合粉，其中水玻璃为钾水玻璃，波美度为45，模数2.8，氧化钾质量百分含量为16％，其中二氧化硅质量百分含量为29％，其余为水；
(3)将步骤(1)其他剩余组份与步骤(2)制得的混合粉充分搅拌，混合之后放入干燥炉中在160℃下干燥4h，确保药芯的水分低于400ppm；
(4)将不锈钢带放置在药芯成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成u型槽，然后向u型槽中添加一半量的步骤(3)得到的药芯粉末，将u型槽碾压闭合；再次轧成u型槽，加入剩下的药芯粉末，控制药芯粉末的整体填充率为25％，随后通过成型机将u型槽钢带碾压闭合，形成直径5mm的焊丝母线；
(5)将步骤(4)的焊丝母线滚动牵引进入到盛有表面膜除溶液的槽内，进行表面皮膜处理，其中表面膜除溶液由质量百分含量为35％的硫酸钾、20％的碳酸钠、30％的硬脂酸钠和15％的极压添加剂组成，极压添加剂由质量百分含量为40％足球烯、30％二硫化钼和30％硫化油酸组成；
(6)将步骤(5)中表面膜处理的焊丝母线干燥后，送入直进式粗拉丝机进行初次拉拔，进行光亮退火，如此重复4-6次，以消除拉拔焊丝的加工硬化和收缩；
(7)将步骤(6)的粗拉拔焊丝，牵引进入直进式精拉丝机上，进行9级减径处理，得直径1.9mm的焊丝；
(8)将步骤(7)拉拔处理后的焊丝进入到用于消除拉拔过程中产生的残余应力的校直器内进行校直；
(9)将步骤(8)校直后的焊丝经干擦、水洗后干燥，涂油，盘成圆盘，密封包装即可。
将实施例1制备的焊丝用于抗拉强度为650mpa级奥氏体不锈钢焊接中，焊接时采用二氧化碳气体保护，纯度＞99％；焊接电流195a，电压28v，焊接速度385mm/min。
实施例3
一种高强度不锈钢电弧焊药芯焊丝的制备工艺，焊丝包括药芯和碳含量为0.02％的304不锈钢带，具体包括如下步骤：
(1)药芯的组份按质量百分比包括：铬粉：30％、镍粉：20％、钼粉：3％、锰粉：0.8％、钛粉：3％、多元合金：10％、石英8％、金红石7％、锆英砂8％、氟硅酸钾3％，余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％，其中多元合金的质量组成为mg45％、al35％、zn12％、b8％；
(2)将步骤(1)称取的石英、氟化钙、金红石、锆英砂、多元合金加入药芯总质量15％的水玻璃粘连剂混合均匀，然后放置在加热炉中600℃烧结1h，碾碎研磨后过筛，筛选粒度90目之间的混合粉，其中水玻璃为钾水玻璃，波美度为46，模数2.9，氧化钾质量百分含量为17％，其中二氧化硅质量百分含量为31.0％，其余为水；
(3)将步骤(1)其他剩余组份与步骤(2)制得的混合粉充分搅拌，混合之后放入干燥炉中在164℃下干燥3h，确保药芯的水分低于400ppm；
(4)将不锈钢带放置在药芯成型机的放带机上，通过成型机将钢带轧制成u型槽，然后向u型槽中添加一半量的步骤(3)得到的药芯粉末，将u型槽碾压闭合；再次轧成u型槽，加入剩下的药芯粉末，控制药芯粉末的整体填充率为23％，随后通过成型机将u型槽钢带碾压闭合，形成直径4mm的焊丝母线；
(5)将步骤(4)的焊丝母线滚动牵引进入到盛有表面膜除溶液的槽内，进行表面皮膜处理，其中表面膜除溶液由质量百分含量为35％的硫酸钾、20％的碳酸钠、30％的硬脂酸钠和15％的极压添加剂组成，极压添加剂由质量百分含量为45％足球烯、35％二硫化钼和20％硫化油酸组成；
(6)将步骤(5)中表面膜处理的焊丝母线干燥后，送入直进式粗拉丝机进行初次拉拔，进行光亮退火，如此重复4-6次，以消除拉拔焊丝的加工硬化和收缩；
(7)将步骤(6)的粗拉拔焊丝，牵引进入直进式精拉丝机上，进行9级减径处理，得直径1.8mm的焊丝；
(8)将步骤(7)拉拔处理后的焊丝进入到用于消除拉拔过程中产生的残余应力的校直器内进行校直；
(9)将步骤(8)校直后的焊丝经干擦、水洗后干燥，涂油，盘成圆盘，密封包装即可。
将实施例1制备的焊丝用于抗拉强度为650mpa级奥氏体不锈钢焊接中，焊接时采用二氧化碳气体保护，纯度＞99％；焊接电流210a，电压30v，焊接速度400mm/min。
对比例1与实施例1进行比较，焊丝目前无表面膜处理。
对比例2与实施例1进行比较，焊丝残余应力消除。
性能测试：
使用实施例1-3和对比例1-2获得的焊丝，进行焊接操作，评价电弧稳定性、熔渣剥离性、向上立焊位置的焊道形状。另外，作为焊接金属性能，评价抗拉强度、韧性、耐缺陷性、耐高温裂纹性、耐腐蚀性。
焊接操作性由向上立焊的角焊进行评价。具体来说，保护气体使用二氧化碳，以焊接电流180-210a，电压28-30v，焊接速度350-400mm/min进行焊接，评价焊接操作性。
焊接金属的抗拉强度、韧性，进行依据awsb4.0的试验来评价。
焊接金属的耐缺陷性，进行awsa5.11的rt试验来评价。
焊接金属的耐高温裂纹性，进行fisco裂纹试验，对于焊接之后的焊道表面立即实施浸透探伤试验，调查有无裂纹发生的进行评价。
焊接金属的耐腐蚀性使用satmg48c法进行评价。
评价基准如下：
电弧稳定性标准如下：
关于电弧稳定性，为喷射过渡，熔滴为小粒且飞溅少的为极其良好(□)，接近喷射过渡的熔滴过渡，飞溅比较少的为良好(〇)，为粗滴过渡，熔滴大且发生大量飞溅的为不良(×)。
熔渣剥离性标准：
关于熔渣剥离性，熔渣自然剥离的为极其良好(□)，用锤子轻轻敲打而剥离的为良好(〇)，熔渣热胶着在焊道表面而无法剥离的为不良(×)。
向上立焊位置的焊道形状：
关于向上立焊位置的焊道形状，满足awsa5.34的角焊缝的判定基准，且成为平坦的焊道形状的为极其良好(□)，满足a5.34的角焊缝的判定基准的为良好(〇)，不满足a5.34的角焊缝的判定基准的，成为凸的焊道的为不良(×)。
抗拉强度标准：
抗拉强度，能够得到650mpa以上的为极其良好(□)，600-650mpa为良好(〇)，低于600mpa的为不良(×)。
韧性标准：
关于韧性，以-196℃的摆锤冲击试验评价。吸收能为60j以上的为良好(〇)，低于60j的为不良(×)。
耐缺陷性标准：
关于耐缺陷性，满足awsa5.11的rt实验的合格标准的为良好(〇)，不满足awsa5.11的rt试验的合格标准的为不良(×)。
耐高温裂纹性标准：
关于耐高温裂纹性，以fiso裂纹试验进行评价。以焊接电流200a，焊接速度400mm/min进行试验，未发生裂纹的为良好(〇)，发生裂纹的为不良(×)。
耐腐蚀性标准：
关于耐腐蚀性，在astmg48c法中，cpt≥50℃的为良好(〇)，cpt＜50℃的为不良(×)。
综合评价为，焊接操作性全部是□，且焊接金属性能全部是〇的为√，焊接操作性之中的任意一个以上是〇，且焊接金属性能全部是〇的为〇，焊接操作性和焊接金属性能之中，有×的为×，这些结果显示在表1中。
表1：
从表1的测试结果可以看出，满足本发明的范围的实施例1-3的焊接操作性好，易于操作，焊接金属性能良好，而对比例1-2由于缺少关键的表面膜处理和残余应力消除，导致焊接操作性和焊接金属性能出现不好的结果，使得整体综合评价差。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。