本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种用于x70管线钢的药芯、自保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术：
随着我国大规模地油气输送管线的建设和使用，对管线钢的要求也越来越严格。在保证输送管线建设的经济型、运行的安全性和可靠性的前提下，不仅要求管线钢本身具有优良的韧性，而且也要求其配套焊接材料具有优良的韧性。由于焊接过程本身固有的特性，往往会使得管线钢焊接接头的韧性较差，这就成为输送管线的薄弱环节，提高管线钢配套焊接材料熔敷金属和焊接接头的韧性就成为了急需解决的问题之一。自保护药芯焊丝其主要特点是焊接时无需任何保护气体、熔敷效率高，这使得其使用方便适合野外作业，尤其适合户外现场焊接。我国地大物博，地形复杂，自保护药芯焊丝由于其便捷性在“西气东输”工程中被大量采用。
相关文献公开了用于x70管线钢焊接的高韧性自保护药芯焊丝，采用氟化物和碳酸盐造气，三氧化二铝和三氧化二铝调节熔渣熔点、黏度和表面张力，氧化铈和氧化镧控制夹杂物尺寸，以及铝粉、铝镁合金、金属锰和金属镍作为合金剂。该文献公开的高韧性自保护药芯焊丝具有较好的-40℃冲击韧性值，然而其配方组分较多且较复杂，工艺程序较繁琐。
另一相关文献公开了一种用于管线钢焊接用自保护药芯焊丝，采用硅酸铝和稀土氧化物作为造渣剂，草酸铝作为造气剂，以及锗、锰、硅作为脱氧剂，ti、ni、al作为合金剂，达到自保护的目的，其在焊接过程中生成的烟尘较少，飞溅小，电弧稳定；然而其低温冲击韧性以及延伸率较低，-20℃低温冲击值仅60j左右。
又一相关文献公开了一种用于x80级别管线焊接的自保护全位置高韧性药芯焊丝，采用以碳酸盐造气为主，氟化物占比降低，金属锰和镍作为合金剂，氧化铝调节熔渣性能，铝镁合金进行脱氧，其熔敷金属具有较好的抗拉强度和延伸度，然而低温冲击韧性值-30℃仅120j左右。
综上所述，目前自保护药芯焊丝的主要以氟化物和碳酸盐造渣造气保护，配合以强韧化合金成分调节力学性能，氧化物调节熔渣性能。然而这些配方焊丝的熔敷金属在力学性能上均存在一定劣势。
技术实现要素：
本发明的主要目的是提出一种用于x70管线钢的药芯、自保护药芯焊丝及其制备方法，旨在满足强度的同时达到较好的低温冲击性能。
为实现上述目的，本发明提出一种用于x70管线钢的药芯，所述用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：30％-35％；
氟化钙：8％-13％；
氟化锂：5％-10％；
碳酸钡：2％-5％；
氟化铈：1％-5％；
三氧化二铁：1％-2％；
氧化锆：0％-2％；
二氧化钛：0％-3％；
镁粉：2％-5％；
铝粉：2-5％；
低碳锰铁：3％-5％；
金属镍：3％-5％；
铝锆合金：3％-5％；
石英：1％-5％。
优选地，所述用于x70管线钢的药芯的粉料粒度为61-65目。
优选地，所述用于x70管线钢的药芯中的氟化物、氧化物以及碳酸盐经过710-715℃烘培预处理造粒。
为了实现上述目的，本发明还提供一种用于x70管线钢的自保护药芯焊丝，包括：
低碳钢带的焊丝外皮；以及，
药芯，为上述的用于x70管线钢的药芯，所述药芯的药粉填充在所述焊丝外皮内。
优选地，所述药芯的药粉在所述焊丝外皮内的填充率为20％-21％。
优选地，所述低碳钢带为h08a碳钢钢带。
优选地，所述用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的直径为2.0mm。
为了实现上述目的，本发明还提供一种利用上述的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将低碳钢带轧成u形槽，以形成焊丝外皮；
取所述药芯的粉料填充在所述u形槽中；
将填充后的u形槽的槽口合口，以将所述药芯的粉料包裹在所述焊丝外皮内，并经过拉丝、逐道拉拔，以形成所述自保护药芯焊丝。
优选地，所述取所述药芯的粉料填充在所述u形槽中的步骤中所述药芯的粉料在所述焊丝外皮内的填充率为20％-21％。
优选地，所述将填充后的u形槽的槽口合口，以将所述药芯的粉料包裹在所述焊丝外皮内，并经过拉丝、逐道拉拔，以形成所述自保护药芯焊丝的步骤中，所述自保护药芯焊丝的直径为2.0mm。
本发明通过提高氟化物的使用量，通过氟化钡、氟化钙、氟化锂、氟化铈、碳酸钡、氧化锆、二氧化钛，镁粉、铝粉、低碳锰铁、铝锆合金和石英等的合理调配，提高了焊丝自保护的能力，避免了气孔；由于氟化铈、镁粉、铝粉、低碳锰铁和少量铝锆合金的添加，使得熔敷金属组织中针状铁素体的比例增多，提高了熔敷金属的低温冲击韧性，焊丝熔敷金属-40℃v型缺口冲击吸收功达到130j以上，满足焊缝韧性的要求；同时采用氧化锆和二氧化钛的添加，使得焊丝焊接工艺性能良好，特别是改善了焊接熔渣的脱渣性能，焊缝成形美观。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供一种用于x70管线钢的药芯，其中该用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：30％-35％；氟化钙：8％-13％；氟化锂：5％-10％；碳酸钡：2％-5％；氟化铈：1％-5％；三氧化二铁：1％-2％；氧化锆：0％-2％；二氧化钛：0％-3％；镁粉：2％-5％；铝粉：2-5％；低碳锰铁：3％-5％；金属镍：3％-5％；铝锆合金：3％-5％；石英：1％-5％。其中余量可以为铁粉。
其中以上各组分的主要作用如下：
氟化钡和氟化钙：在焊接过程中造气造渣去氢，实现对熔池的保护，提高全位置焊接性能。
氟化锂：在焊接过程中提高电弧稳定性。
碳酸钡；在焊接过程中提高造气保护熔池。
氟化铈：在焊接过程中提高电弧稳定性造气保护熔池，并有效降低夹杂物尺寸，促进针状铁素体形核，改善熔敷金属低温韧性。
氧化锆和二氧化钛：在焊接过程中主要起造渣、调节熔渣熔点、黏度和表面张力的作用，并改善焊接工艺性能。
三氧化二铁：在焊接过程中提高电弧吹力。
镁粉和铝粉：在焊接过程中发生脱氧固氮反应可以消除空气中的氧氮对熔池的伤害，有效消除气孔以及固定自由氮。
低碳锰铁：在焊接过程中起到脱氧作用，并过渡到熔敷金属提高强度。
金属镍：提高熔敷金属力学性能，尤其是低温冲击韧性。
铝锆合金；有效降低夹杂物尺寸，存进促进针状铁素体形核，提高熔敷金属低温韧性。
石英：在焊接过程中起到脱氧作用，并能提高金属熔池流动性。
本发明通过提高氟化物的使用量，通过氟化钡、氟化钙、氟化锂、氟化铈、碳酸钡、氧化锆、二氧化钛，镁粉、铝粉、低碳锰铁、铝锆合金和石英等的合理调配，提高了焊丝自保护的能力，避免了气孔；由于氟化铈、镁粉、铝粉、低碳锰铁和少量铝锆合金的添加，使得熔敷金属组织中针状铁素体的比例增多，提高了熔敷金属的低温冲击韧性，焊丝熔敷金属-40℃v型缺口冲击吸收功达到130j以上，满足焊缝韧性的要求；同时采用氧化锆和二氧化钛的添加，使得焊丝焊接工艺性能良好，特别是改善了焊接熔渣的脱渣性能，焊缝成形美观。
其中，所述用于x70管线钢的药芯的粉料粒度为61-65目，在其他实施例中可以为62目、63目、或者64目。
所述用于x70管线钢的药芯中的氟化物、氧化物以及碳酸盐经过710-715℃烘培预处理造粒，在其他实施例中，烘培温度可以为711℃、712℃、713℃、或714℃。通过将用于x70管线钢的药芯中的氟化物、氧化物以及碳酸盐经过710-715℃烘培预处理造粒，提高了填充性能，使填充更均匀。
为了实现上述目的，本发明还提供一种用于x70管线钢的自保护药芯焊丝，包括：
低碳钢带的焊丝外皮；以及，
药芯，为上述的用于x70管线钢的药芯，所述药芯的药粉填充在所述焊丝外皮内。
其中，所述药芯的药粉在所述焊丝外皮内的填充率为20％-21％，在其他实施例中，填充率可以为20.1％、20.2％、20.3％、20.4％、20.5％、20.6％、20.7％、20.8％、或者20.9％。
优选地，所述低碳钢带为h08a碳钢钢带，其中h08a碳钢钢带可以采用市面上普通的h08a碳钢钢带，也可以为采用合金过渡方式，使用通用药芯焊丝的焊丝外皮生产工艺制备得到的，在此不做具体限制。
优选地，所述用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的直径为2.0mm。
为了实现上述目的，本发明还提供一种利用上述的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将低碳钢带轧成u形槽，以形成焊丝外皮；
取上述药芯的粉料填充在所述u形槽中；
将填充后的u形槽的槽口合口，以将所述药芯的粉料包裹在所述焊丝外皮内，并经过拉丝、逐道拉拔，以形成所述自保护药芯焊丝。
优选地，所述取所述药芯的粉料填充在所述u形槽中的步骤中所述药芯的粉料在所述焊丝外皮内的填充率为20％-21％。
优选地，所述将填充后的u形槽的槽口合口，以将所述药芯的粉料包裹在所述焊丝外皮内，并经过拉丝、逐道拉拔，以形成所述自保护药芯焊丝的步骤中，所述自保护药芯焊丝的直径为2.0mm。
用于x70管线钢的药芯
该用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：30％-35％；氟化钙：8％-13％；氟化锂：5％-10％；碳酸钡：2％-5％；氟化铈：1％-5％；三氧化二铁：1％-2％；氧化锆：0％-2％；二氧化钛：0％-3％；镁粉：2％-5％；铝粉：2-5％；低碳锰铁：3％-5％；金属镍：3％-5％；铝锆合金：3％-5％；石英：1％-5％，余量为铁粉。
用于x70管线钢的自保护药芯焊丝
该用于x70管线钢的自保护药芯焊丝，包括：
低碳钢带的焊丝外皮；以及，
药芯，为上述的用于x70管线钢的药芯，所述药芯的药粉填充在所述焊丝外皮内。
用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的制备方法
利用上述的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
将低碳钢带轧成u形槽，以形成焊丝外皮；
取上述药芯的粉料填充在所述u形槽中；
将填充后的u形槽的槽口合口，以将所述药芯的粉料包裹在所述焊丝外皮内，并经过拉丝、逐道拉拔，以形成所述自保护药芯焊丝。
实施例1
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：31％；氟化钙：11％；氟化锂：6％；碳酸钡：3％；氟化铈：2％；三氧化二铁：1％；氧化锆：2％；二氧化钛：1％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：5％，余量为铁粉。
实施例2
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：30％；氟化钙：10％；氟化锂：5％；碳酸钡：2％；氟化铈：1％；三氧化二铁：2％；氧化锆：1％；二氧化钛：2％；镁粉：5％；铝粉：5％；低碳锰铁：3％；金属镍：5％；铝锆合金：5％；石英：5％，余量为铁粉。
实施例3
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：32％；氟化钙：9％；氟化锂：7％；碳酸钡：3％；氟化铈：3％；三氧化二铁：2％；氧化锆：1％；二氧化钛：3％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：3％，余量为铁粉。
实施例4
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：33％；氟化钙：10％；氟化锂：8％；碳酸钡：3％；氟化铈：3％；三氧化二铁：2％；氧化锆：1％；二氧化钛：3％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：3％，余量为铁粉。
实施例5
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：34％；氟化钙：11％；氟化锂：9％；碳酸钡：4％；氟化铈：3％；三氧化二铁：2％；氧化锆：1％；二氧化钛：3％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：3％，余量为铁粉。
实施例5
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：34％；氟化钙：12％；氟化锂：9％；碳酸钡：4％；氟化铈：4％；三氧化二铁：2％；氧化锆：2％；二氧化钛：3％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：4％，余量为铁粉。
对比例1
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：40％；氟化钙：7％；氟化锂：4％；碳酸钡：6％；氟化铈：6％；三氧化二铁：3％；氧化锆：3％；二氧化钛：3％；镁粉：3％；铝粉：4％；低碳锰铁：4％；金属镍：4％；铝锆合金：4％；石英：4％，余量为铁粉。
对比例2
用于x70管线钢的药芯按质量百分比包括以下组分：
氟化钡：40％；氟化钙：7％；氟化锂：4％；碳酸钡：6％；氟化铈：6％；三氧化二铁：3％；氧化锆：3％；二氧化钛：3％；镁粉：1％；铝粉：1％；低碳锰铁：2％；金属镍：2％；铝锆合金：2％；石英：6％，余量为铁粉。
包括实施例1至实施例6、对比例1和对比例2的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝，熔敷金属力学性能的焊接试板均准备如下：试板参照awsa5.29/a5.29m进行准备，试板选用q235钢板250mm×250mm×20mm，垫板选用为9mm的q235钢板。试板坡口为v形，坡口角度为45°；焊接时的焊接规范为：焊接电压24.5v，焊接电流220-250a，采用dcen直流反接，焊前预热150℃，层间温度小于150℃，焊后不进行热处理，焊丝直径为2.0mm。
待焊接完成后，对包括各实施例以及对比例的自保护药芯焊丝形成的熔敷金属进行显微组织观察。
表1实验结果
表1为包括实施例1至实施例6、对比例1和对比例2的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的性能测试实验的实验结果，其中包括实施例1至实施例6的用于x70管线钢的自保护药芯焊丝的熔敷金属组织为针状铁素体和块状铁素体以及少量的珠光体和贝氏体，且熔敷金属抗拉强度和延伸率均达到要求，-40℃低温冲击韧性大于130j。实验结果表明，采用本发明提供的实施例其熔敷金属力学性能满足x70钢的强度要求，并且具有非常优异的-40℃冲击韧性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。