一种低飞溅高强气体保护焊丝及其制造方法与流程

本发明涉及一种低飞溅高强气体保护焊丝及其制造方法，适用于高端焊接。

背景技术：

1、气体保护焊是一种焊接效率高、线能量易于控制且易于自动焊及机器人焊的方法，广泛应用于汽车、石油管线、铁路桥梁及海洋设施等大型重要结构的制作。我国气保焊应用在智能制造潮流的推动下将越来越多。目前抗拉强度rm550mpa级以上的低合金高强钢逐步成为主流钢种，如q420及x70管线钢等。

2、高强钢气保焊一般采用富ar为保护气体(如20％co2+80％ar)，对于焊丝来说，为满足钢种焊接要求，除了焊缝具备应有力学性能外，还须具有优良的焊接工艺性能，即焊接飞溅小、焊缝成形好。焊缝成形好主要体现在焊缝有较大的宽高比，表面波纹细小。

3、高而窄的焊缝一般来讲是不利的，其焊趾应力集中较大，大大降低焊接接头的疲劳寿命。多层焊道时，容易产生焊道间未熔合，这属于较严重的焊接缺陷。焊接飞溅一方面造成浪费，另一方面影响工件表面质量，严重时引发表面裂纹。但气保焊时焊接飞溅难以避免，应该尽量将其降低。

4、中国专利cn108857141a公开了一种620mpa级可消应力处理的气保焊丝，其化学成分为(wt％)：c 0.04～0.07，si 0.2～0.5，mn1.0～1.5，ni 1.5～2.1，mo 0.16～0.30，ti0.02～0.06，b0.0005～0.0020，s 0.0030～0.0150，p≤0.018％，其余为fe和不可避免的杂质；焊丝熔敷金属强韧匹配良好，焊态和消应力态(600℃×10h)的熔敷金属-45℃冲击韧性≥70j，但其含ni量高且含mo，成本高。中国专利cn201510332702.4公开了一种高强度高韧性耐候钢用气体保护焊丝，其化学成分为(wt％)：c 0.03～0.11，mn 0.70～1.50，si 0.25～0.90，ni 0.55～1.40，cu0.15～0.45，ti 0.05～0.18，s≤0.015，p≤0.020％，余量为铁及不可避免的杂质，用于550mpa强度级别尤其是耐候钢的焊接。另外，还有采用优化气体保护焊工艺参数降低焊接飞溅及提高焊缝成形(主要是焊缝宽高比)的公开报道，现有焊丝采用富ar为保护气体，飞溅率一般为3～4％，焊缝宽高比3.8～4.4，焊丝浪费较大，焊后清理工作量大。另外，这类含较高合金元素的焊丝钢盘圆拉拔性能都比较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种低飞溅高强气体保护焊丝及其制造方法，解决富ar气体保护焊焊缝窄而高及飞溅偏大的缺点。

2、本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

3、一种低飞溅高强气体保护焊丝，其组分及重量百分比为：c 0.05％～0.11％，mn1.40％～1.80％，si 0.4％～0.6％，ti 0.08％～0.13％，s 0.01％～0.02％，als0.035％～0.045％，p≤0.020％，cr 0.25％～0.39％，mo≤0.05％，其余为fe及不可避免的杂质。

4、按上述方案，所述低飞溅高强气体保护焊丝以富氩混合气体为保护气体焊接，焊缝宽高比4.6～5.0，飞溅率不高于1.5％，抗拉强度550～630mpa，-20℃冲击功120～160j。其中，富氩混合气体优选ar体积分数在75％～85％，余量气体主要为15％～25％co2，还可以包括0％～5％o2和/或0％～5％氦气等。

5、本发明还提供一种低飞溅高强气体保护焊丝的制造方法，主要工序为冶炼→连铸成坯→方坯加热→轧盘圆→延迟缓冷→集卷→拉拔，其特征在于：

6、(1)采用转炉冶炼，得到符合焊丝化学成分的方坯；

7、(2)方坯加热：均热段加热温度为1120～1180℃，断面温差≤40℃；

8、(3)粗轧和精轧：粗轧开轧温度为950～1050℃，在经过十道次轧制后，轧件温度降至约900～990℃；精轧阶段，轧件温度有所提高，经水冷箱冷却后进入精轧机组的温度控制在850～900℃，精轧后经水箱冷却；吐丝温度820±15℃；

9、(4)风控和延迟缓冷，斯太尔摩线头端风机1#开20％、控制2#风机在线上盘圆密集搭叠两侧吹风而松散搭叠的中部不吹，其余风机全关；前1个保温罩打开，其余保温罩全盖；辊道速度0.05～0.3m/s，保证盘圆在550℃前的冷却时间为300～400s，在保温罩内完成奥氏体向铁素体及珠光体的转变，避免因有残余奥氏体而产生淬硬组织；然后集卷，得到冷却后的盘圆；

10、(5)焊丝拉拔：将冷却后的盘圆经酸洗、清洗、烘干、拉丝、清洗、镀铜等工艺制成成品焊丝。

11、上述方案中，斯太尔摩线上盘圆同圈强度差及头尾强度差率保持在5％以内。

12、上述方案中，步骤(4)中辊道速度分为入线辊速和出线辊速，均在0.05～0.3m/s范围内；进一步地，入线辊速优选0.05～0.1m/s，出线辊速优选0.25～0.3m/s。

13、上述方案中，所述盘圆直径为5.5～6.5mm；步骤(4)所得冷却后的盘圆组织为铁素体和珠光体，晶粒度10～11级；其中，铁素体和珠光体两者体积百分数分别为铁素体85％～95％，珠光体5％～15％。

14、上述方案中，盘圆在拉拔过程中不需要进行退火处理，直接拉拔成焊丝，具有优良的拉拔性能。

15、上述方案中，成品焊丝的直径为0.8～1.2mm，以1.2mm为主。

16、上述方案中，成品焊丝焊接时，飞溅率不高于1.5％，焊缝宽高比4.6～5.0；焊缝具有优良的冲击韧性，焊缝抗拉强度≥550mpa，-20℃kv2≥120j。

17、本发明中各元素及主要工艺的机理及作用如下：

18、c：对焊缝金属具有强化作用，但在富ar(75％～85％ar+15％～25％co2)气保焊中，易与co2气体作用生成co气体，在熔融金属中聚集后爆炸形成飞溅，因此，其含量应控制较低。综合考虑，范围为0.05％～0.11％较佳。

19、si：在上述富ar气保焊中具有脱氧作用，还能增加焊缝强度，是富ar气保焊中不可缺少的合金元素。但焊缝中si含量太高时会影响焊缝的韧性。因此，焊丝中si含量0.40％～0.60％。

20、mn：是焊缝强韧化的有效元素，同时也是脱氧元素，能防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。因此，焊丝中mn含量为1.40％～1.80％。

21、cr：是焊缝强化的有效元素，我国cr资源较为丰富。但过多的cr对焊缝韧性不利，故cr含量为0.25％～0.39％。

22、ti：是较活泼元素，有一定脱氧作用，改变熔滴金属表面活性，从而促进熔滴的有效过渡，减少飞溅。ti还与富ar中的co2反应，在焊缝中形成微细ti氧化物，促进细针状铁素体的形成，提高焊缝强韧性。因此，焊丝中ti含量为0.08％～0.13％。

23、als：是控制焊接飞溅和焊缝宽高比的关键元素。它是较活泼元素，在焊丝熔化、熔滴形成、过渡及熔池等不同阶段，因氧化作用，其含量是不断下降的。在焊丝熔化及熔滴形成阶，als含量较高，熔滴表面张力较大，抑制了飞溅的产生；过渡及熔池阶段，尤其是熔池阶段als含量显著降低，表面张力减少，对熔池润敷性的不利影响显著降低。als还可以减少熔滴中co的生成，从而减少飞溅。als还在焊缝中形成微细al氧化物，促进细针状铁素体的形成，提高焊缝强韧性。如果als太高，熔池表面张力过大，则润敷性降低，则易导致焊缝窄而高，成本也增加；如果als太低，不能有效抑制焊接飞溅。综合考虑，本发明焊丝中als含量为0.035％～0.045％。

24、s：是控制焊缝宽高比的关键元素。实验证明，s有助于降低熔滴表面张力，提高熔滴润敷性能，使熔池金属易展开，改善富ar气保焊焊缝窄而高的问题。在本发明中，s不再视为有害杂质元素，而是必要元素；另外，因为铁水中本身含有较高的s，只要不对铁水进行深度脱s，就可以得到所需含量的s，还有利于降低生产成本。但如果s含量太高，它会增加焊缝热裂纹倾向，降低抗硫化物腐蚀性能；如果s含量太低，焊缝宽高比就较低。综合考虑，焊丝中s含量为0.01％～0.02％。

25、本发明之所以吐丝温度820±15℃，是为了盘圆以较低温度入罩，使盘圆在保温罩缓冷过程中完成铁素体+珠光体的转变，同时使晶粒细化及均匀化。

26、本发明之所以斯太尔摩线头端风机1#开20％、利用风力横向调节功能使2#风机在线上盘圆密集搭叠两侧吹风而松散搭叠的中部不吹，其余风机全关；前1个保温罩打开，其余29个保温罩全盖。这样利用1#风机降低盘圆入罩温度但不低于临界点；也是因为盘圆沿约百米长的斯太尔摩线搭接散铺，两侧密集不易散热，而中间稀疏易散热，所以利用2#风机侧吹使散热较差的盘圆密集搭叠部分加快冷却，与线上中部盘圆松散搭叠处的冷却趋于一致；同时使盘圆在保温罩缓冷过程中完成铁素体+珠光体的转变。

27、本发明之所以辊道速度0.05～0.3m/s，保证盘圆在550℃前的冷却时间为300～400s，是为了有足够的时间使盘圆在保温罩缓冷过程中完成铁素体+珠光体的转变。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、首先，本发明所述焊丝成分为c-si-mn-cr系及ti、als微合金化、s控制在适当范围等，结合富氩保护气体，从焊接冶金源头综合调控熔滴金属润敷性、减少co气体的产生；所述焊丝焊接的焊缝具有优良的力学性能及优良的焊接工艺性能，焊缝宽高比4.6～5.0，飞溅率不高于1.5％，解决富ar气体保护焊焊缝窄而高及飞溅偏大的缺点；同时具有较高焊缝冲击韧性，焊缝抗拉强度≥550mpa，-20℃冲击功≥120j。与现有富ar气保焊丝相比，本发明增加了als、s含量，控制si及mn及ti控制在特定取值范围内，可以同时实现焊接飞溅低、焊缝成形好及焊缝低温韧性高的效果，配用不同组分的富ar气体，可用于550～600级钢高端装备的焊接。

30、第二，本发明通过配合斯太尔摩线前端风控及延迟缓冷轧制工艺，降低盘圆入保温罩的温度但不低于临界点，线上两侧盘圆松散搭叠处与中部松散搭叠处的冷却速度趋于一致；使盘圆在保温罩缓冷过程中完成铁素体+珠光体的转变。与现有c-si-mn-cr-ti系盘圆铁素体+贝氏体相比，本发明在c-si-mn-cr-ti系盘圆上得到较为均匀细小的铁素体加珠光体组织，同圈强度差及头尾强度差率保持在5％以内，盘圆具有优良拉拔性能，盘圆拉拔中途不需退火、直接成丝。

31、总之，本发明在焊丝中含有必要的s及加入稍过量al，并对c、si及mn等元素含量进行协同控制，从焊丝成分入手，结合制造方法，实现焊丝以富氩混合气体为保护气体焊接时，从焊接冶金源头上达到控制焊接飞溅及焊缝成形的目的。可适应550～600mpa级钢的焊接，焊缝-20℃冲击功≥120j。