[发明专利]一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝

说明书

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，尤其适用于高钢级管道(X80，X90，X100)的全位置自保护焊接用药芯焊丝。

背景技术

自保护药芯焊丝是一种跨世纪的新型焊接材料，已在世界各国得到越来越广泛的应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优点：①不需外加保护气源，可以使用现有气体保护焊接设备改装，降低了设备更新成本并更便于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在4级风下顺利施焊；③优良的抗锈能力。自保护药芯焊丝作为一种高效及适合室外作业的焊接材料，在石油管道、船舶、钻井平台等焊接领域备受青睐，尤其是在我国西气东输管道工程中管线钢的环缝焊接相当一部份采用自保护药芯焊丝半自动焊完成。

但是，由于自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下的一种焊接材料，导致焊缝金属中氧、氮等含量较高，往往使得管线管焊接接头的韧性经常出现较大波动。本发明的适用于高钢级管道全位置焊接的自保护药芯焊丝相比于常规焊丝大幅提高了Ni含量，并优化了其他合金元素含量，改善了焊缝质量，提高了焊缝金属韧性，尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝，该焊丝的焊接工艺性能及力学性能优异，可满足高强高韧管线钢的焊接要求。

本发明所采用的技术方案是，一种适用高钢级管道全位置焊接的高Ni自保护药芯焊丝，包括低碳钢带的焊丝外皮和药芯，其特征在于，所述药芯药粉配方按照质量百分比为，氟化物40％～60％，氧化物10％～22％，碳酸盐1％～8％，铝粉0.5％～2％、Al-Mg合金粉12％～18％，电解金属锰3％～10％，镍粉12％～20％，金属锆0.1％～0.6％，钒铁0％～8％组成。

本发明的焊丝的直径为1.2～3.0mm，药芯粉的填充率为15％～30％。

该焊丝外皮采用普通低碳冷轧钢带作为原材料制备得到。

本发明所述氟化物为氟化钡、氟化钙和氟化锂中的一种或几种组合。

本发明所述碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种组合。

本发明几种主要组分的作用如下：

本发明中使用大量的氟化物(40％～60％)作为造气、造渣剂，其主要成分是BaF₂和LiF。Ba的化合物在焊接过程中可以支持很短的电弧，焊接时较短的电弧具有两个方面的优点：一是在全位置焊接时，在某一给定电流下降低了电弧能量和焊丝熔化速度，熔池相对较小便于控制；另外，由于电弧较短，缩短了熔滴穿过弧柱所需时间，从而降低了空气中有害气体的侵害。

氧化物(Fe₂O₃、CeO₂)，是自保护药芯焊丝渣系中非常重要的一种组分，对焊接工艺性能和力学性能的改善有很重要的作用。Fe₂O₃是强氧化剂，可以还原残余Al，而Al是对冲击韧度非常不利的元素，所以Fe₂O₃的加入对冲击韧度有所改善，同时，此氧化还原反应为放热反应，可以补充焊接过程中焊接电弧的热量。加入Fe₂O₃也可以降低焊丝端头熔滴的表面张力，减小熔滴过渡的阻力、改善渣的物理性能，改善焊缝成形，使焊缝表面光洁。但是，随着Fe₂O₃含量的提高，药粉熔点提高，造成在焊接过程中飞溅较大，电弧不稳定。研究表明，Fe₂O₃的加入量应该控制在6％～15％，从而有利于将焊丝的工艺性能和力学性能调整为最佳状态。CeO₂能够净化熔池，提高焊缝韧性，但当CeO₂超过5％时，造成焊接过程中夹杂，降低韧性，同时焊接烟尘显著增加，不利于焊接施工。

Al-Mg合金是自保护药芯焊丝中常用的脱氧剂。因此Mg的加入可以减少Al的加入量，从而利于控制熔敷金属中Al的含量。合金中Mg的沸点较低，在焊接电弧的作用下产生Mg蒸汽，能够降低电弧气氛中的氮分压，但是用量过大会产生很大的烟尘，并且使飞溅增大。Al具有脱氧、固氮作用，是常用的脱氧剂和固氮剂，可以有效防止焊缝中气孔的产生，起到很好的保护作用。铝又是强固氮剂，铝能够与氮作用生成稳定的氮化物而不溶于液态的钢，从而有效防止了熔敷金属中过饱和的N集结成N2气泡，杜绝了熔敷金属产生气孔。