用于大熱輸入氣電立焊氣體保護(hù)焊絲的藥芯及氣體保護(hù)焊絲的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊絲，尤其涉及一種藥芯焊絲。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著船舶制造、海洋工程、儲(chǔ)罐及大載重橋梁行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度特 厚鋼板的需求日益增多。相應(yīng)地，為了提高現(xiàn)場(chǎng)施工的焊接效率，同時(shí)降低施工成本，大熱 輸入氣電立焊技術(shù)在這些領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。氣電立焊接技術(shù)可以根據(jù)不同的鋼 材壁厚及坡口型式和尺寸，通過(guò)焊接熱輸入單道來(lái)完成焊接。較之于多層多道焊接，采用氣 電立焊接技術(shù)可以大幅度地提高焊接施工的效率，并且大大地降低焊接施工的投入成本。
[0003] 如上文所述，采用大熱輸入氣電立焊接技術(shù)對(duì)于特厚鋼板進(jìn)行焊接時(shí)能夠大幅度 地提高效率，并大大地降低焊接成本，然而，當(dāng)焊接熱輸入達(dá)到100kJ/Cm以上時(shí)，焊縫金屬 與焊接熱影響區(qū)峰值溫度將升高，高溫停留時(shí)間將延長(zhǎng)，焊后冷卻速度則變慢，由此會(huì)導(dǎo)致 焊接接頭組織與性能的惡化。焊接接頭組織與性能的惡化主要包括：1)高溫停留時(shí)間延長(zhǎng) 使得有益的合金元素?zé)龘p的程度升高，焊縫合金化作用減弱；2)高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)增加了 奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向，而奧氏體晶粒長(zhǎng)大后不能在后續(xù)冷卻過(guò)程得到有效地細(xì)化，這屬 于不可逆過(guò)程，晶粒粗化容易引起焊接接頭的各種脆化；3)冷卻速度變慢后，容易發(fā)生高 溫固態(tài)相變，并生成粗大的先共析塊狀鐵素體或魏氏組織，從而使得對(duì)焊接接頭塑性和韌 性有利的低溫固態(tài)相變發(fā)生的可能性降低。上述情況都將惡化焊接接頭的組織和性能，尤 其是會(huì)惡化焊接接頭的塑性和韌性。
[0004][0005][0006][0007] 上述兩種專利文獻(xiàn)所公開的藥芯焊絲采用了堿土氟化物和金紅石造渣，輕金屬離 子具有穩(wěn)弧作用，脫氧劑采用了金屬粉（Al、Mg、Ti等），同時(shí)添加適量的Ni、Mo等合金劑來(lái) 保證最終焊接接頭的性能。然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，此類藥芯焊絲的適用范圍相對(duì)較窄。
[0008] 由此，需要獲得一種焊接熱輸入適用范圍廣且能與焊接的熱輸入實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配的 焊絲，其不僅能夠保證焊接時(shí)的焊接工藝性能，而且經(jīng)焊接后的焊縫金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能 良好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于大熱輸入氣電立焊的氣體保護(hù)焊絲的藥芯，由藥 芯制得的焊絲具有良好的脫渣性，低飛濺及低氣孔發(fā)生率等焊接工藝性能。另外，由藥芯制 得的焊絲在焊接過(guò)程中所形成的焊接電弧穩(wěn)定。此外，由藥芯制得的焊絲經(jīng)焊接后的焊縫 金屬具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的表面成型。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于大熱輸入氣電立焊的氣體保護(hù)焊絲的 藥芯，其化學(xué)組分質(zhì)量百分配比為：
[0011] 鈦白粉或金紅石的至少其中之一 ：1~3% ;
[0012] 石英砂、長(zhǎng)石和鋯英砂的至少其中之一 ：3~7% ;
[0013] 大理石、白云石和菱苦土的至少其中之一 ：1~4% ;
[0014] 碳酸鋰、碳酸鈉和碳酸鉀的至少其中之一 ：1~3% ;
[0015] 低碳錳鐵：14~20%;
[0016] 鉬鐵：1 ~4%;
[0017] 鎳粉：4 ~8%;
[0018] 鈦鐵：2 ~5%;
[0019] 稀土硅：1 ~5%;
[0020] 硼粉：0? 01 ~0? 05% ;
[0021] 其余為鐵粉。
[0022] 本發(fā)明所述的用于大熱輸入氣電立焊的氣體保護(hù)焊絲的藥芯中的各化學(xué)組分的 設(shè)計(jì)原理為：
[0023]鈦白粉和金紅石：由于在大熱輸入氣電立焊接過(guò)程中，熔渣會(huì)隨著熔池液面而上 升，因此，降低熔渣的熔點(diǎn)非常重要，否則在底層焊縫內(nèi)容易引起夾渣。鈦白粉或金紅石的 主要化學(xué)組分為二氧化鈦，其能夠降低熔渣的熔點(diǎn)與表面張力，并細(xì)化焊接熔滴，從而有利 于焊后脫渣。另外，鈦離子在焊接過(guò)程中還具有穩(wěn)定電弧、降低飛濺的作用?；诖?，對(duì)于 本發(fā)明的氣體保護(hù)焊絲的藥芯而言，需要將鈦白粉或金紅石的至少其中之一的含量控制為 1~3%〇
[0024] 石英砂、長(zhǎng)石和鋯英砂：石英砂、長(zhǎng)石或鋯英砂以二氧化硅為主要組成。與二氧化 鈦類似，二氧化硅也有利于熔渣上浮及焊后脫渣，從而保證焊縫成型。在石英砂、長(zhǎng)石及鋯 英砂等礦物質(zhì)中的K、Na離子也是很好的穩(wěn)弧劑，也就是說(shuō)，K、Na離子有利于在焊接過(guò)程 中穩(wěn)定焊接電弧。因此，本技術(shù)方案將石英砂、長(zhǎng)石和鋯英砂的至少其中之一的含量設(shè)定在 3~7%范圍之間。
[0025] 大理石、白云石和菱苦土：該三種礦物質(zhì)的主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂，在焊接過(guò) 程中熔池和熔滴化學(xué)反應(yīng)階段起到造氣和造渣作用。但是，其含量不能過(guò)高，否則會(huì)提高熔 渣堿度，影響焊接工藝性能。
[0026] 碳酸鋰、碳酸鈉和碳酸鉀：大熱輸入氣電立焊接需要采用較大的焊接電流和焊接 電壓，這樣才能避免因焊接速度過(guò)慢而可能造成的焊接電弧的不穩(wěn)定。為此，作為穩(wěn)弧劑的 碳酸鋰、碳酸鈉或碳酸鉀，與熔渣成分之間的綜合作用能夠進(jìn)一步地保證焊接過(guò)程中焊接 電弧的穩(wěn)定性。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，需要添加碳酸鋰、碳酸鈉和碳酸鉀的至少其中之 一，并且將添加量控制為1~3%。
[0027] 低碳錳鐵/鉬鐵/鎳粉/鈦鐵/稀土硅/硼粉：低碳錳鐵、鉬鐵、鎳粉（Ni> 99 % )、 鈦鐵、稀土硅（Re+Si約為70% )及硼粉均是該藥芯的重要合金劑。
[0028] 其中，Mn與Si都是重要的脫氧劑，以保證焊縫的純凈度。另外，作為固溶強(qiáng)化元 素，Mn能夠保證焊縫即使在非常高的熱輸入條件下也具有足夠高的強(qiáng)度。同時(shí)，Si還能夠 增強(qiáng)熔池流動(dòng)性，降低焊縫的夾渣傾向。
[0029] 作為提高淬透性元素，Mo有利于保證在大熱輸入條件下的焊縫的綜合性能。
[0030] 作為擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，Ni與C共同作用能夠避免在大熱輸入焊接條件下的焊接 而造成的焊縫冷卻速度過(guò)慢的情況。不僅如此，Ni與C的共同作用還能夠有效地防止因焊 縫冷卻速度過(guò)慢而可能引起的高溫固態(tài)相變，由此，避免了可能生成對(duì)焊縫塑韌性不利的 塊狀先共析鐵素體。然而，若Ni含量過(guò)高，不僅會(huì)降低焊縫強(qiáng)度，還會(huì)引起偏析，Ni還會(huì)與 焊縫內(nèi)雜質(zhì)元素形成低熔點(diǎn)共晶物，從而引起焊縫開裂。
[0031] Ti在焊縫中是重要的脫氧脫氮元素。與此同時(shí)，Ti的非金屬化合物質(zhì)點(diǎn)在晶內(nèi)可 以作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)針狀鐵素體形成并細(xì)化晶粒。固氮后的Ti還能夠保證B元素的有利 作用。
[0032] 在大熱輸入焊接的狀態(tài)下，稀土元素能夠吸附焊縫中S、P、0、N、H等有害雜質(zhì)元 素，并改善焊縫中各種高熔點(diǎn)析出物的形狀，并使其作為形核質(zhì)點(diǎn)，間接地細(xì)化了晶粒，提 高了焊縫的塑韌性。作為強(qiáng)化學(xué)活性元素，稀土元素還容易聚集在原奧氏體及先共析相的 晶粒邊界上以形成吸附膜，從而有效地阻礙晶粒長(zhǎng)大。
[0033] B元素具有顯著的晶界偏聚特性，易于在晶界擴(kuò)散，會(huì)抑制高溫下的奧氏體晶粒長(zhǎng) 大以及先共析鐵素體的析出，起到了晶粒細(xì)化的作用。同時(shí)，B元素還降低了合金元素在奧 氏體晶界的偏聚，有利于針狀鐵素體在奧氏體晶內(nèi)形核，從而細(xì)化二次組織。
[0034] 基于本發(fā)明的技術(shù)方案，通過(guò)Ti、B與稀土元素的聯(lián)合作用，不僅抑制了因大熱輸 入焊接而造成的高溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大，還促進(jìn)了晶內(nèi)針狀鐵素體形核，由此擴(kuò)大了由藥芯 制得的焊絲的焊接熱輸入的適用范圍。
[0035] 鑒于以上設(shè)計(jì)原理，需要對(duì)于本發(fā)明所述的氣體保護(hù)焊絲的藥芯中的低碳錳鐵、 鉬鐵、鎳粉、鈦鐵、稀土硅及硼粉組分進(jìn)行控制，為此，低碳錳鐵的含量控制為：14~20% ; 鉬鐵的含量為：1~4% ;鎳粉的含量為：4~8% ;鈦鐵的含量為：2~5% ;稀土娃的含量 為：1~5% ;硼粉的含量為：0. 01~0. 05%。
[0036] 不同于現(xiàn)有技術(shù)中的藥芯，本發(fā)明所述的氣體保護(hù)焊絲的藥芯沒(méi)有添加以堿土金 屬氟化物為主的堿性渣系，而是加入了以二氧化鈦和二氧化硅為主要成分的酸性氧化物 (即酸性渣系），這有利于保證由該藥芯制備得到的焊絲在大熱輸入焊接過(guò)程中具有良好 的焊接工藝性能及操作性能，并使得焊接焊縫的成型性好。
[0037] 需要說(shuō)明的是，上述各化學(xué)組分均需要