一种高韧性、低屈强比药芯焊丝及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种药芯焊丝及其制备方法，尤其涉及一种高韧性、低屈强比药芯焊 丝及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 焊接作为一种通用的共性技术，在制造业中是一种不可替代的加工工艺，素有"工 业裁缝"之称。焊接技术已广泛应用在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、 冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、农业机械、水利设施、工程机械等 行业中，涉及面广，具有举足轻重的作用。而焊接水平的高低对产品质量具有决定性作用， 因此，焊接技术已经成为决定工业制造品质最为关键的因素之一，也成为衡量一个经济体 工业化水平的重要标杆。
[0003] 近年来，随着焊接半自动、自动化和智能化的发展，药芯焊丝从数量规格到品种不 断扩大，已成为焊接材料中的一个不可缺少的重要组成部分，是继手工焊条、埋弧焊材、实 芯焊丝之后的第四代焊接新材料。药芯焊丝克服了手工焊条不能连续焊接和实芯焊丝飞溅 大、工艺性能差的缺点，并且可以通过调整药芯成分来焊接各种类型的钢材，具有生产效率 高、焊接质量好、综合焊接成本低、适应性广、节能节材、配方调整方便、适合自动化和半自 动化生产的特点，是焊接材料中最具有发展潜力且发展最快的高新技术产品。
[0004] 但是，我国目前药芯焊丝基本属于上世纪80年代由日本人所发明的钛型渣系系 列。这个渣系的药芯焊丝虽然具有优良的全位置焊接工艺性能，但存在抗裂性及抗气孔性 差；衬垫焊接焊缝韧性差以及熔敷金属的屈强比偏高等，而屈强比偏高意味着结构抗破坏 的潜在能力弱，不利于防震；且结构一旦超载，也不能由于塑性变形被及早发现而发生毁灭 性破坏。故目前使用的钛型渣系药芯焊丝的应用面窄小，基本仅适合焊接船用B级钢等。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种高强度、高韧性、低 屈强比的药芯焊丝。
[0006] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高韧性、低屈强比药芯焊丝 用药芯粉，所述药芯粉主要由以下成分（以占药芯焊丝重量百分比计）组成：金属粉： 3. 5-10%，金属氧化物粉（排除稀土元素氧化物）：4-10%，稀土氧化物粉：0.01-0. 3%，氟 化物粉：〇. 2-1. 5%。
[0007] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝用药芯粉中，所述金属粉由Cr粉、Mn粉、 Ni粉、Al粉、Mg粉、Fe粉中的一种或多种组成。
[0008] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝用药芯粉中，所述金属氧化物粉由Al2O 3 粉、Fe3O4粉、CaO粉、MgO粉、TiO 2粉、BaO粉一种或多种组成。
[0009] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝用药芯粉中，所述药芯粉主要由以下 成分（以占药芯焊丝重量百分比计）组成：Cr粉：0· 1-0. 3%，Mn粉：1.6-2. 0%，Ni粉： 0· 5-1. 5%，Al 粉：0· 3-1 %，Mg 粉：0-0· 2 %，Fe 粉：1-5 %，Al2O3粉：0· 5-2. 5%，Fe 304粉： 0· 3-1%，CaO 粉：0· 2-0. 5%，MgO 粉：0-0· 5%，1102粉：3-5%，BaO 粉：0-0· 5%，稀土氧化 物粉：0· 01-0. 2%，氟化物粉：0· 2-1%。
[0010] 本发明药芯焊丝用药芯粉中所述氟化物粉油CaF2粉、MgF 2粉、BaF 2粉、Na 3A1F6粉、 Na2SiF6粉中一种或多种组成。
[0011] 本发明药芯焊丝用药芯粉中还可以添加不超过药芯焊丝重量0.5%的碳酸盐粉， 所述碳酸盐粉优选为Li 2CO3粉、Na 2C03粉、K 2C03粉中的一种或多种组成。
[0012] 本发明高韧性、低屈强比药芯焊丝渣系主架构由TiO2-Al2O 3-氟化物构成。首先，本 发明引入氟化物降氢，但是氟化物的夺取电子特性会使电弧稳定性变坏，因此，本发明需要 在电弧空间利用化学反应（放热反应）来补充热量，以增强阴极电子发射能力，平衡氟化物 的这一破坏作用。另外，氟化物还有稀渣而破坏立向上焊接性的负面作用，而在渣系中安排 高熔点氧化物，可以利用其促使熔渣较快凝固，这样在立向上焊接时可以有效地托住铁水， 从而实现立向上焊接。但是，在药芯粉中全药量直接引入高熔点氧化物，反而会导致药芯焊 丝在焊接时药芯粉熔化滞后，使电弧严重不稳定、飞溅严重。因此，本发明选取铝的强放热 氧化反应：Al+Me x0y- Al 203+Me+ Λ H。这样，高熔点氧化物就不需要在药芯粉直接全药量 引入，而可以在电弧区直接反应形成，且这个反应为放热反应。其强放热Λ H可以增强阴极 电子发射能力，平衡氟化物的破坏电弧稳定性的负面作用，支持电弧稳定性。而铝的氧化反 应产物-氧化铝还具有极高的熔点，具备促使熔渣较快凝固，其表面张力较快变大，支持实 现向上焊接；另外，铝反应的强脱氧也可以带来冶金净化，提高韧性。
[0013] 此外，本发明在选择MexOy时，不仅需要考虑反应的热效应Λ H外，还需要考虑还 原产物Me进入焊缝应作为焊缝有益的合金化元素。因此，本发明选择TiO2作为主造渣材 料，渣系主架构由TiO 2-Al2O3-氟化物构成，明显不同于现有的钛型（TiO2-SiO 2-Al2O3)渣系 及不具备全位置焊接性的碱性（CaF2-SiO 2-CaO)渣系。而且重要的是渣系主架构成分Al2O3 由电弧直接形成，允许在全位置焊接性的前提下利用氟化物去氢。因此，本发明渣系直接 反应的化合物产物支持全位置焊接性、并形成渣保护，而反应热则可以支持电弧稳定性；同 时，反应的强脱氧带来冶金净化，提高韧性，而反应还原金属有益焊缝合金化。而一般钛型 (TiO 2-SiO2-Al2O3)渣系和碱性（CaF2-SiO 2-CaO)渣系都无法同时达到上述各项性能要求。
[0014] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝用药芯粉中，所述药芯粉的各成分的粒 径为100-200目。在原料粉末粒径方面，如果原料粉末的粒径太大，则不利于原料粉末的均 匀混合和压实，制备得到的药芯焊丝在使用时各成分不能充分利用，且不能起到很好的协 同作用，在焊接过程中容易燃烧不充分，产生大量污染气体、烟尘等，焊接效果和焊缝金属 性能较差。但是，如果原料粉末的粒径过小，药芯粉料在高温高湿环境的抗吸潮性将得不到 有力的保证。不仅如此，如果原料粉末粒径过小，其粉料处理及配粉车间、药芯焊丝生产车 间的填粉工序，将会恶化生产环境。
[0015] 本发明另一个目的在于提供一种高韧性、低屈强比药芯焊丝，包括呈圆柱状的外 皮，在外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，所述的通孔内填充有上述药芯粉。
[0016] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝中，所述外皮采用钢带制成。
[0017] 本发明用于焊接低温钢的药芯焊丝包括呈圆柱状的外皮，外皮采用钢带制成，在 外皮内开设有沿轴心线贯穿外皮的通孔，通孔内填充有上述药芯粉，结构简单。使制备得到 的用于焊接低温钢的药芯焊丝在使用时能实现连续焊接，而且还可以根据需要灵活调整药 芯粉的各组分配比，使用方便。
[0018] 本发明第三个目的在于提供上述药芯焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步 骤：
[0019] S1、按上述高韧性、低屈强比药芯焊丝用药芯粉的粉料组成成分及其占药芯焊丝 重量的百分比称取粉料，配制成药芯粉；
[0020] S2、将钢带拉拔成U形槽结构，并向U形槽中加入上述配制的药芯粉，然后将U形 槽合口后沿钢带轴向方向形成贯穿钢带的通孔，药芯粉包裹在通孔中；
[0021] S3、将上述包裹药芯粉的钢带经过逐道拉拔、减径，得到最终产品药芯焊丝。
[0022] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝的制备方法中，步骤Sl药芯粉粉料配制 成药芯粉后与屏蔽组分在900-950°C下保温l_2h。
[0023] 在上述的一种高韧性、低屈强比药芯焊丝的制备方法中，所述屏蔽组分为Li2C0 3。 屏蔽组分优选粒径为100-200目的粉末状。
[0024] 由于本发明药芯焊丝生产是采用钢带卷管填充药芯粉后经拉拔成丝，而卷管填充 药芯粉后没有焊合，所以，成品药芯焊丝没有焊合的缝隙将成为空气中的水份进入焊丝的 通道，药芯粉一旦接触水份，将会吸潮，而吸潮必然增加电弧空间的氢，导致气孔与裂纹缺 陷。而成盘的药芯焊丝不可能再次高温烘焙除潮。因此，本发明将1^ 2〇)3等屏蔽组分与药 芯粉充分混合后，加热到900-950°C并保温。由于上述屏蔽组分的熔点都不超过900°C，因 此，当加热到900-950°C时屏蔽组分以液态形式存在。所以在保温过程中，矿石粉被液态的 屏蔽组分包裹，使原本与矿石粉结合的水份和硫脱出，而这些脱出的水份穿过液态屏蔽层 进入大气。然后在降温过程中，液态屏蔽层凝固，形成保护，使药芯粉获得对环境水份的屏 蔽。从而使药芯粉获得抗吸潮能力，在焊接过程中使焊缝保持较低的氢含量，减少气孔和裂 纹缺陷。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：
[0026] 1.本发明高韧性、低屈强比药芯焊丝的渣系主成分架构由TiO2-Al2O 3-氟化物构 成，且渣系的主成分氧化铝由原位生成，直接反应的化合物产物支持全位置焊接性、并形成 渣保护，而反应热则可以支持电弧稳定性；同时，反应的强脱氧带来冶金净化，提高韧性，而 反应还原金属则有益焊缝合金化。
[0027] 2.本发明高韧性、低屈强比药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量很低