本发明涉及一种Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝，尤其涉及一种高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝。
背景技术：
高强钢在工程中应用越来越广泛，特别是在海洋工程平台、大型工程机械车辆等领域的应用越来越多。相对于目前常用的焊条和实心焊丝等焊接材料，金属粉芯型粉芯焊丝具有熔敷效率高、多层多道焊不用清渣、工作效率高等优点。Ar-CO2混合气体保护焊接相对于纯CO2气体保护的焊接，其熔滴更细，焊缝成型更好，焊接过程基本无飞溅。但是目前用于高强钢Ar-CO2气体保护焊用的金属粉芯焊丝焊接出的金属，其屈服强度较低，低温冲击韧性差。如：专利CN1840728A公开了一种低合金钢焊接金属和用于提供该焊接金属的粉芯焊丝，其给出的焊接金属屈服强度介于440～680MPa之间；专利CN101323057A公开了一种屈服强度超过785MPa低合金钢焊接用无缝药芯焊丝，其给出的焊接金属屈服强度不能达到900MPa。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝，其焊接金属屈服强度超过1000MPa，－50℃冲击功大于40J。
本发明的技术方案如下：
一种高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝，包括钢制外皮和粉芯，所述粉芯中含有相对于所述焊丝总质量百分比含量的以下元素：C：0.02～0.12％、Si：0.2～0.7％、Mn：1.0～3.0％、Ni:1.0～3.5％、B：0.001～0.015％、Cr：0.1～0.7％、Al：≤0.05％、Mo：0.3～0.6％、Mg：0.01～0.4％、Zr：0.02～0.06％、W:0.5-1.5％、稀土元素0.10-1.00％。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中，粉芯中碳的质量百分含量为0.02～0.12％。在焊丝中，当C含量在一定范围内增加时，焊接强度也在随之增加，当焊丝中碳含量小于0.02％不能保证焊接强度；但是当C含量过高时，一方面会促进形成碳化物和马氏体等淬硬组织，导致氢致裂纹，引起韧性的下降，另一方面碳含量大于0.12％也会恶化焊接工艺性。因此焊丝中不能单一的依靠C提高强度，焊缝中C含量需要严格控制。而碳的加入形式可以是石墨、各种铁合金等。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中，粉芯中硅的质量百分含量为焊丝总质量的0.2～0.7％。焊丝中加入硅可以使得焊缝金属中含氧量减少，并且Si在焊缝金属中主要起固溶强化的作用，可以增加强度，但使韧性下降，其使韧性下降的程度与Mn的含量有关。Mn/Si比合适时脱氧效果极好，有助于改善韧性。但是过量的硅会导致焊缝中渗硅严重，恶化低温韧性，同时也会造成焊缝熔渣过多，在多层多道焊中容易出现夹渣的缺陷。因此在粉芯中硅的质量百分含量控制在焊丝总质量的0.2～0.7％之间。硅的加入形式可以是硅铁、硅锰合金等。焊缝中锰量的增加可以细化晶粒，改善焊缝金属的强度和韧性。同时Mn作为脱氧剂可以去除焊缝中的氧，把焊缝中的FeO还原成铁，同时生成MnO。Mn还有除硫的功效，生产较为稳定的硫化锰，有助于加强抗冲击力，减少裂纹的产生。所以在本发明中，粉芯中Mn含量占焊丝总质量的1.0～3.0％。锰的加入形式可以是锰铁、金属锰、硅锰合金等。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入了镍，镍可以提高焊缝金属的机械强度，同时又有良好的塑性和韧性。Ni的晶体结构与Fe相似，直接对焊缝强度的提升较小，但是当镍达到一定含量时，可以通过提高C的活性使得C原子不断移动聚集从而达到增加焊缝金属强度的作用。这种使C原子移动聚集还可以使焊缝金属的韧性、塑性加强。如果金属粉芯中镍占焊丝总质量百分含量小于1.0％，上述效果就会消失；但是当大于3.5％，会导致焊缝金属强度过高、韧性下降，同时容易出现热裂纹。所以金属粉芯中镍占焊丝总质量百分含量控制在1.0～3.5％。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入了硼，硼通过晶界强化提高焊缝金属的强度，但是过量硼会导致晶粒结合力降低从而在焊接过程中形成热裂纹，因此粉芯中硼含量控制在焊丝质量的0.001～0.015％。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入了铬，铬可以提高焊缝金属的强度、硬度和耐磨性，但同时铬会增加金属组织的淬透性，降低了焊缝金属的塑性和韧性，因此，本发明将Cr与Ni联合使用，采用粉芯中Cr与Ni的含量分别为相对于焊丝总质量的含量为Cr：0.1～0.7％、Ni:1.0～3.5％，可以在提高强度的同时不使其塑性和韧性下降。铬的加入形式可以是金属铬、低碳铬铁等。
在本发明中在高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入钼，钼在粉芯中含量为相对于焊丝总质量百分含量的0.3～0.6％，在此含量范围内，既可以提高焊缝金属强度和硬度，同时还可以促使韧性较好的贝氏体组织出现，也使得焊缝冷却时间的范围加大。钼具有高温强度好、硬度高、密度大、抗腐蚀能力强、热膨胀系数小、良好的导电和导热等特性。
在本发明中在高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入金属镁、金属锆和稀土元素，金属镁、金属锆和稀土元素都具有较强的脱氧能力，本发明中其相对于焊丝的质量比为Mg：0.01～0.4％、Zr：0.02～0.06％、稀土元素0.10-1.00％，在此比例下，三者相互之间形成联合脱氧效果：一方面可以降低焊接时熔融金属中氧气的溶解度，使氧以气体形式逸出；另一方面，由于降低了熔融金属中氧气的溶解度，使得残留在焊缝中的氧更加分散，量更少，这样，氧与金属形成的氧化物颗粒更加细小，更容易在熔融的金属中以熔渣的形态上浮，从而将其清除。因此，本发明的焊丝其形成的金属焊接部位中氧气和氧化物的含量均比较低，避免了焊缝中气孔等缺陷的产生，且焊接的强度更大且低温冲击韧性好。
在本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中加入了钨，钨能够提高焊缝金属强度，但是当钨含量小于0.5％时将不能显现出提高强度的效果，另一方面当钨的含量超出1.5％，焊缝容易出来热裂纹，因此粉芯中钨占焊丝总重量控制在0.5％-1.5％。
优选地，所述稀土元素为稀土合金。
优选地，所述稀土元素为Ce、La、Y中的一种或几种。
优选地，所述镁元素为镁粉或铝镁合金。
优选地，所述粉芯中还含有相对于所述焊丝总质量百分含量不大于0.5％的稳弧剂。添加不大于0.5％的稳弧剂，可以改善焊接的工艺性，使焊接操作工艺性更好，操作容易，焊缝成型好；而添加过量，则会导致脱渣困难。
优选地，所述稳弧剂为Na2O、K2O或钛酸钾中的一种。
优选地，所述稳弧剂为NaF、K2SiF6、K2ZrF6、Na3AlF6、K3AlF6或氟钛酸钾中的一种，其含量小于所述焊丝总质量的0.10％，大于0.10％易产生大量飞溅。
优选地，所述粉芯中含有相对于所述焊丝总质量的小于0.02％的Cu。添加适量的铜，铜在熔敷金属中造成基体熔敷金属一定程度的晶格畸变，这种畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使得熔敷金属强度增加；并且铜与氧、硫、磷等杂质元素结合形成夹细小的杂物，该夹杂物使得熔敷金属在结晶过程中晶核数量增多，从而使得晶粒数量增多，晶粒变细，细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；另外晶粒越小，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展，从而提高了熔敷金属的强度。但是过量的铜容易加大产生液化裂纹倾向。因此铜含量不大于0.02％。铜的加入形式可以是金属铜。
优选地，所述焊丝表面镀铜。焊丝表面镀铜提高了药芯焊丝的导电能力和防锈能力，使得焊接时送丝稳定。
优选地，所述钢制外皮为无缝结构表面。
本发明的有益效果为：
本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝中通过各不同组分的协同作用，使得Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝其焊缝金属低温冲击韧性良好，－40℃冲击功平均值达到47J以上；可以焊接高强钢，熔敷金属抗拉强度和延伸强度均可达到1000MPa以上。同时本发明中不仅脱氧元素含量少，并且采用金属镁、金属锆和稀土元素协同脱氧，降低了氧在熔融金属中的溶解度，使得焊接金属中的氧含量少，所以焊缝表面渣量更少，能够大大减少厚板多层焊接过程中的清渣工作，提高焊接效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
实施例1
本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝，包括钢制外皮和粉芯，其制造步骤如下：
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.02％，Si：0.2％，Mn：1.0％，Ni:1.0％，B：0.001％，Cr：0.1％,Al：0.01％,Mo：0.3％，Mg：0.01％，Zr：0.02％，W:0.5％，稀土元素Ce：0.10％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Ce使用铈硅铁。
2、焊丝的制作
将低碳钢钢带进行轧制，使其横截面为U型，然后在U型槽中加入上述制得的混合均匀的粉芯粉末，其中金属粉末占焊丝比重为15％。再将U型低碳钢轧制成O，然后焊合O型口，形成无缝结构，继续轧制使得药芯粉末完全包裹在O型钢带中，通过拉拔、退火、拉拔，制成本发明的高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝。
3、焊接性能试验
将上述制得的焊丝进行熔敷金属力学性能试验，试板坡口、尺寸、取样方法与位置均按照中国国家标准GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》进行。采用的保护气体和焊接规范如下：焊接保护气体采用80％Ar+20％CO2，接入直流反接式电源进行焊接操作，焊接电流240A～280A，焊接电压26～30V，焊接速度30cm/min，150℃的预热和道间温度。
按照中国国家标准GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》进行熔敷金属力学性能检测，测试结果见表1。
实施例2
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末：
C：0.12％，Si：0.7％；Mn：3.0％，Ni:3.5％，B：0.013％；Cr：0.7％,Al：0.03％,Mo：0.6％，Mg：0.10％，Zr：0.02～0.06％，W:1.0％，稀土元素La：0.5％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁粉末，锰使用金属锰粉，镍使用金属镍粉、硼使用硼铁，铬使用金属铬粉、铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁粉末，钨使用钨铁，La使用镧硅铁。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂Na2O，含量为焊丝总质量百分比含量的0.5％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例3
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.12％，Si：0.3％；Mn：2.0％，Ni:3.0％，B：0.015％,Cr：0.5％,Al：0.05％,Mo：0.4％，Mg：0.4％，Zr：0.06％，W:1.5％，Y：0.50％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，稀土元素Y使用钇铁。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂K2O，含量为焊丝总质量百分比含量的0.4％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。所不同之处在于，所述焊丝拉拔之后，表面镀铜，铜含量为焊丝总质量的0.02％。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例4
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.10％，Si：0.5％；Mn：2.5％，Ni:1.5％，B：0.001％；Cr：0.4％,Al：0.02％,Mo：0.5％，Mg：0.3％，Zr：0.03％，W:1.2％，稀土元素Y：0.70％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Y使用钇铁粉末。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂钛酸钾，量为焊丝总质量百分比含量的0.5％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例5
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.08％，Si：0.6％；Mn：2.50％，Ni:2.5％，B：0.001％,Cr：0.6％,Al：0.01％,Mo：0.5％，Mg：0.05％，Zr：0.04％，W:1.3％，稀土元素Ce：0.60％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用金属锰粉，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，钼使用金属钼粉，镁和铝使用铝镁合金粉(镁和铝的质量比例1：1)，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Ce使用氧化铈粉末。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂NaF，量为焊丝总质量百分比含量的0.09％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例6
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.07％，Si：0.2％；Mn：3.0％，Ni:2.0％，B：0.001％；Cr：0.3％,Al：0.05％,Mo：0.3％，Mg：0.01％，Zr：0.05％，W:0.5％，稀土元素：0.8％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，稀土元素使用Ce-Y合金，其中Ce与Y元素质量比例为：7：3。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂氟钛酸钾，其含量为焊丝总质量百分比含量的0.09％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接，在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。对焊接质量进行测试，结果见表1。
实施例7
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.02％，Si：0.2％；Mn：3.0％，Ni:1.5％，B：0.001％；Cr：0.4％,Al：0.05％,Mo：0.3％，Mg：0.2％，Zr：0.02％，W:0.5％，Cu:0.02％,稀土元素Y:0.10％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Y使用钇铁粉末。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂NaF，质含量为焊丝总质量百分比含量的0.05％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例8
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.03％，Si：0.3％；Mn：3.0％，Ni:1.0％，B：0.015％；Cr：0.6％,Al：0.05％,Mo：0.5％，Mg：0.2％，Zr：0.02％，W:0.5％，稀土元素Ce:1.00％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Ce使用氧化铈。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂K2SiF6，质含量为焊丝总质量百分比含量的0.05％，混合均匀。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
制成的焊丝，表面用电镀方法镀铜。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。
实施例9
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.10％，Si：0.3％；Mn：1.5％，Ni:1.5％，B：0.001％；Cr：0.4％,Al：0.03％,Mo：0.3％，Mg：0.2％，Zr：0.02％，W:0.5％，La：0.05％、Y：0.05％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，稀土元素使用La-Y合金(其中La与Y元素质量比例为：7：3)。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂K2ZrF6，质含量为焊丝总质量百分比含量的0.05％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。
制成的焊丝，表面用电镀方法镀铜。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例10
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.10％，Si：0.2％；Mn：1.0％，Ni:3.5％，B：0.015％；Cr：0.7％,Al：0.05％,Mo：0.3％，Mg：0.3％，Zr：0.05％，W:1.5％，Ce：1.00％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，Ce使用氧化铈。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂Na3AlF6，质含量为焊丝总质量百分比含量的0.05％，混合均匀。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。制成的焊丝，表面用电镀方法镀铜。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
实施例11
1、粉芯粉末制备：
按以下各元素相对于所述焊丝总质量百分比含量配制粉芯粉末并混合均匀：
C：0.12％，Si：0.6％；Mn：1.0％，Ni:2.0％，B：0.001％；Cr：0.1％,Al：0.05％,Mo：0.5％，Mg：0.01％，Zr：0.3％，W:0.5％，Y:0.10％。
其中，碳使用石墨，硅使用硅铁，锰使用锰铁，镍使用金属镍粉，硼使用硼铁，铬使用金属铬粉，铝使用铝粉，钼使用金属钼粉，镁使用金属镁粉，锆使用锆铁，钨使用钨铁，稀土元素Y使用钇铁粉末。
另外，在上述粉末中加入稳弧剂K3AlF6，质含量为焊丝总质量百分比含量的0.05％，混合均匀。在焊接过程中，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，焊渣少。
2、焊丝的制作
采用本实施例中所制备的粉芯，按照和实施例1相同的方法制作焊丝。制成的焊丝，表面用电镀方法镀Cu。
3、焊接性能试验
采用本实施例中所制的焊丝，按照和实施例1相同的方法进行焊接并测试，结果见表1。
表1
由表1可以看出，本发明高强钢Ar-CO2气体保护焊用金属粉芯焊丝进行高强钢焊接，焊后的力学性能好，熔敷金属抗拉强度和延伸强度均可达到1000MPa以上，－50℃冲击性能好。
此外，上面所描述的本发明各个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，比如在对于稳弧剂的添加，以上实例中列举的都是单独使用，而在本发明的其它一些实施例中，稳弧剂Na2O、K2O和钛酸钾可以取两种或两种以上的结合使用；稳弧剂NaF、K2SiF6、K2ZrF6、Na3AlF6、K3AlF6和氟钛酸钾可以取两种或两种以上的结合使用。另外以下仅为本发明的部分实施例，而不是全部实施例，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的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。