低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝 【技术领域】
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体涉及一种二氧化碳气体保护焊所用的低合金钢药芯焊丝。
背景技术
二氧化碳气体保护药芯焊丝焊接兼容了焊条和气体保护实心焊丝焊接的优点，其生产效率高，焊接工艺性能好。因此该焊接方式在船舶、桥梁、海洋平台等钢结构加工制造过程中得到了广泛的应用。正因为如此，目前对药芯焊丝的性能要求也越来越高，要求药芯焊丝不仅可以适应更快的焊接速度，而且具有优良的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，以及发挥出优异的低温冲击韧性。本发明研制了一种在极寒冷地带用于桥梁、工程机械、海上平台等钢结构加工制造过程中的低合金高强钢气保护药芯焊丝，该焊丝熔敷金属在-60℃低温下具有优良的冲击韧性。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种具有极佳的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，焊缝成型美观，熔敷金属强度高，且-60℃低温下具有优良冲击韧性的CO2气保护药芯焊丝。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。
本发明所提供的低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝的外皮为低碳钢带；药芯的组分及其重量百分比为：TiO2：20-50％，Mn：5-20％，Si：0.5-5％，Al-Mg合金：0.5-5％，Ni：5-15％，氟化物：0.5-2.5％，氧化铁：5-21％，Al2O3：0.5-5％，SiO2：0.5-4％，MnO2：0.5-5％，余量为铁粉；药芯焊丝中药芯的填充率为10-20％。
其中，所述的Al-Mg合金中Al含量为40-60(重量)％。所述的氟化物为BaF2、MgF2、CaF2、Na3AlF6或Na2SiF6中的一种或几种的混合物。所述的氧化铁为FeO，Fe2O3，Fe3O4中的一种或几种的混合物。但氧化铁与氟化物的重量比大于8，氧化铁氧化铝之和与除氧化钛外其余每种氧化物的重量比大于4。
本发明药芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
药芯中各组分的作用如下：
TiO2：是渣形成组分，可以改善渣的覆盖性能和焊缝脱渣性，并使电弧集中、稳定，改善焊缝成型和减少飞溅。若含量过低，则不易形成短渣，对立、横位置焊不利；若含量过高，则影响熔敷金属的综合力学性能。
Mn：确保熔敷金属的强度和降低氧、硫含量，促进针状铁素体的形成，提高熔敷金属低温冲击韧性。
Si：提供合适的熔渣粘度，增加电弧稳定性。作为脱氧剂确保焊接金属的强度和降低氧含量。若含量过高，则使熔渣粘度增大，对脱渣及全位置焊接性能不利。
Al-Mg：主要作用是脱氧脱氮。脱氧后产生的Al2O3，具有调节高温熔渣物理性能的作用，有利于改善全位置焊接性能。
Ni：确保熔敷金属的强度和低温韧性，作为奥氏体化元素，防止熔敷金属中由于残留δ铁素体而使韧性降低。
氧化铁：可造渣，降低熔渣粘度和界面张力，增加电弧能量，加宽熔池及熔深。是表面活性物质，能有效提高Ti的活度，如图1所示，改善焊接工艺性能。在焊接过程中分解，产生自由态氧，与熔池中的氢发生反应，有效减少氢含量，并且与有害元素发生氧化，有效减小熔敷金属中的夹杂物尺寸，如表1所示，增加针状铁素体含量，有利于提高低温冲击韧性。但当含量较小时，电弧能量不足，熔池窄，熔渣粘度大，焊接工艺差。加入过多造成稀渣，电弧能量过大，飞溅增大，成型变差，脱渣困难，不利于全位置焊接。
表1添加氧化铁前后夹杂物粒度分布
氟化物：药芯中的各种氟化物在高温下均能分解，汽化，产生大量的氟蒸汽而大大降低电弧气氛中的氢分压，从而起到去氢能力。药芯中的氟化物与大量金红石在焊接时发生反应，产生TiF4可与电弧气氛中氢原子及水蒸汽发生二次反应，形成不溶于钢液的稳定氢氟化物HF，从而降低了电弧气氛中的氢分压，降低焊缝氢含量。
TiO2+XF→XO+TiF4
TiO2+XF→XTiO3+TiF4
反应产物TiF4可与电弧气氛中氢原子及水蒸汽发生二次反应：
TiF4+H→TiF+HF↑
TiF4+H2O(汽)→TiO2+HF↑
多种氟化物的加入，如配方中的BaF2可以支持很短的电弧，全位置焊接时降低了电弧能量和焊丝燃烧速度，更容易控制熔池，部分氟化物分解出锂、钾、钠等电离势小于钙，能提高焊丝的电弧稳定性。
药芯中氧化铁与氟化物重量比的不同对药芯焊丝焊接工艺性能和熔敷金属力学性能的影响，如表2所示。为得到良好的焊丝焊接工艺性能和熔敷金属力学性能，药芯中氧化铁与氟化物的重量比应大于8。
表2氧化铁与氟化物的重量比对药芯焊丝的影响
其它氧化物(Al2O3，SiO2，MnO2)：可调节熔渣的物理性能，改善全位置焊接，脱渣等性能。药芯中氧化铁氧化铝之和与除氧化钛外其余每种氧化物的重量比对焊丝焊接的工艺性能和熔敷金属的力学性能影响较大，如表3所示。当药芯中氧化铁氧化铝之和与除氧化钛外其余每种氧化物的重量比大于4时，可获得良好的焊丝焊接工艺性能和熔敷金属力学性能。
表3氧化铁氧化铝之和与除氧化钛外其余每种氧化物地比例对药芯焊丝的影响
铁粉：调节成分，保证电弧稳定性，提高熔敷效率。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明药芯焊丝具有良好电弧稳定性的同时又具有优异的低温冲击韧性，熔敷金属-60℃低温下的冲击韧性大于50J，焊丝的综合性能好，全位置焊接性能优良。
2)本发明药芯焊丝中加入铁的氧化物和氟化物，提高了焊丝的去杂质及脱氢效果，加入强脱氮脱氧剂铝、镁，有利于焊缝气体的排出和焊缝成型。有效的提高了熔敷金属的低温冲击韧性。
【附图说明】
图1为氧化铁对TiO2活度的影响。
【具体实施方式】
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
实施例1
低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表4中所示)；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：20％，Mn：16％，Si：5％，Al-Mg合金：0.5％，Ni：10％，CaF2：1.5％，Fe2O3：12.5％，Al2O3：5％，SiO2：3％，MnO2：3％，铁粉：23.5％；药芯焊丝中药芯的填充率为13％。
实施例2
低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表4中所示)；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：25％，Mn：20％，Si：2.5％，Al-Mg合金：1.5％，Ni：15％，BaF2：1.5％、MgF2：1％，FeO：21％，Al2O3：2.5％，SiO2：0.5％，MnO2：2％，铁粉：7.5％；药芯焊丝中药芯的填充率为10％。
实施例3
低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表4中所示)；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：40％，Mn：8％，Si：3.5％，Al-Mg合金：5％，Ni：7％，CaF2：0.5％，Na3AlF6：1％，FeO：4.5％，Fe2O3：12.5％，Al2O3：4％，SiO2：4％，MnO2：5％，铁粉：5％；药芯焊丝中药芯的填充率为16％。
实施例4
低温高韧性全位置焊接用气保护药芯焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表4中所示)；药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：50％，Mn：5％，Si：0.5％，Al-Mg合金：2％，Ni：5％，MgF2：0.2％，Na2SiF6：0.3％，FeO：5％，Al2O3：0.5％，SiO2：1％，MnO2：0.5％，铁粉：30％；药芯焊丝中药芯的填充率为20％。
表4实施例1-4中所使用的低碳钢带的化学成分(重量)％
将实施例1-4中制备的药芯焊丝进行焊接试验：采用直流反接法，在100％CO2气体保护下进行焊接，焊接电流200-280A，焊接电压24-30V，焊接速度25cm/min，气体流量20L/min，干伸长18mm。层间温度控制在150-170℃，焊接层数7层14道。焊接试板标准按GB10045-2001进行。在平焊位置施焊，观察焊接过程。焊后对熔敷金属做化学成分和力学性能检测。结果表明：焊接过程中电弧稳定，飞溅少，焊缝成型、脱渣优良；熔敷金属的化学成分列于表5；力学性能测试结果见表6。
表5熔敷金属化学成分(重量)％
表6熔敷金属力学性能