一种金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝及其制备方法

摘要

本发明涉及到一种金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝及其制备方法，包括碳钢包芯壳体以及填充在所述壳体内的药粉，其特征在于所述药粉的重量百分组成如下：金属铬35～45，镍粉15～25，氮化铬铁3～6，硅锰合金10～15，钼粉2～8，钛铁粉0.5～2.5，碳酸钾稳弧剂0.5～1，铝镁粉0.5～1，氧化铋0.5～1，氧化钠0.3～0.5，稀土铈0.01~0.1，铁粉1~10，所述药粉的重量为该焊丝总重量的40～50%。与现有技术相比较，、本发明所提供的金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝，用于焊接高氮钢后的焊缝金属具有韧性好、强度高等较优的力学性能，且耐腐蚀性效果较好。

说明书

技术领域

本发明涉及到不锈钢焊接材料技术领域，具体指一种金属粉芯型奥氏体不锈钢药芯 焊丝及其制备。

背景技术

不锈钢的焊接方法一般有焊条电弧焊、钨极惰性气体保护焊、埋弧焊等。不锈钢药 芯焊丝焊接是不锈钢焊接的一场革命，不锈钢药芯焊丝的研制和应用加快了这场革命的 进行。不锈钢药芯焊丝活性气体保护焊与碳钢CO₂焊相同，半自动和自动焊时具有效率 高、操作简单的特性。因此在船舶、桥梁、压力容器、石油化工等领域得到广泛应用。

目前，市场上药芯焊丝基本上都是有渣型焊丝,是在药芯成分中添加一定量的造渣 剂，一般分为酸性渣、碱性渣以及中性渣。而金属粉芯型药芯焊丝不添加造渣物，从而 提高了熔敷效率。这类药芯焊丝在国外已有一定程度的发展，但国内关于此种药芯焊丝 的研究却较少，在新修订的低合金钢药芯焊丝标准GB/T17493-2008中，已将低合金钢 用金属粉芯型药芯焊丝纳入其中，可见金属粉芯型药芯焊丝已越来越被我国所重视。

而近年来不锈钢市场起伏很大，主要受镍和铬原材料的影响。在原材料上我国是一 个缺镍少铬的国家，尤其是镍主要依靠进口，加上我国生产的钢种以奥氏体不锈钢为主， 在成本和价格上受国际镍行情影响较大。因此，我们更加需要研究资源节约型不锈钢— 高氮钢。

高氮奥氏体不锈钢即高氮钢是一种高强高韧的资源节约型不锈钢，其N元素质量 含量一般大于0.4%，利用N元素代替合金元素Ni作为奥氏体稳定元素以获得奥氏体组 织。而且N的加入，在韧性不损失的前提下有效的提高了钢的强度，提高奥氏体不锈钢 的N含量，钢的屈服强度能够提高近2倍。因此，高氮钢具有良好的强韧性和耐蚀性， 而且这种钢具有顺磁性特点以及低温（4K）时仍具有高的强度和韧性配合在低温工程领 域也具有广泛的应用前景。故高氮钢的研制和应用也越来越受到各国学者的关注。

高氮钢（HNS）材料体系和现用其它钢种体系不同，高氮钢含氮高导致其焊接性具 有不同于其它中碳低合金钢的特点，高氮钢焊接最本质的问题是避免氮的流失，保证熔 敷金属的氮含量，氮流失会造成力学性能、抗冲击性能和耐腐蚀性能下降。焊接过程中， 焊条、焊丝在电弧热源的作用下与坡口母材共同熔化、形成熔敷金属，并产生复杂的物 理化学反应，凝固形成焊缝，熔敷金属成分、特别是氮元素含量与焊接材料密切相关， 需要适合高氮钢熔池复杂物化过程的专用焊接材料，保证获得与母材性能相匹配的焊接 接头性能。

焊接材料是高氮钢结构材料制造的基础，是实现先进弧焊方法、保证焊缝性能的核 心，是高氮钢材料制造的技术瓶颈，只有突破高氮焊接材料成分与制备技术，形成完善 的高氮钢焊接技术体系，高氮钢材料才能发挥其综合性能优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种焊接接头强度高、抗冲 击性能好且焊接质量稳定、成本低的金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种焊接接头强度高、抗冲击性能好且焊 接质量稳定、成本低的金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药 芯焊丝，包括碳钢包芯壳体以及填充在所述壳体内的药粉，其特征在于所述药粉的重量 百分组成如下：

所述药粉的重量为该焊丝总重量的40～50%。

较好的，所述壳体可以为低碳钢，并且该低碳钢中C≤0.050%，Mn≤0.200%，Si ≤0.010%，S≤0.010%，P≤0.020%。

优选所述氮化铬铁中氮的重量含量为10%，铬的重量含量为60%；所述硅锰合金中 硅的含量为20%，锰的含量为60%；所述钛铁粉中钛的重量含量为25-30%；所述铝镁粉 中铝、镁的含量各为50%。

所述壳体的厚度为0.3～0.7mm，宽度为8～12mm。

上述金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝的制备方法，其特征在于包括下述步 骤：

1)按照配方称量所述药粉中各组分，并将各组分掺加到一起混合均匀；

2)将所述的低碳钢钢带通过成型机压制成具有料槽的敞口形状；

3）将混合均匀后的药粉装入所述料槽内，填充率为40～50％；然后将料槽的敞口 对接或搭接封口，将所述药粉密封在低碳钢壳体内；

4）轧辊成直径为1.0～4.0mm的金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝。

本发明所提供的金属粉型含氮奥氏体药芯焊丝，药芯中的金属铬粉作为焊接时焊缝 金属中的过渡元素材料，铬粉能够改善抗点蚀能力，保证了焊缝金属的耐腐蚀性和焊接 的强度。

上述所述的镍粉也是作为一种焊缝金属中过渡合金元素，是一种稳定产生奥氏体显 微结构的金属元素，能增强焊缝金属的耐腐蚀性和韧性。如果加入的量过低，则韧性不 足，容易产生脆性裂纹；如果加入的量过高，则所形成的奥氏体分数率会过大，从而使 得强度趋于降低，会影响焊接后的焊缝金属性能。同时由于其是扩大奥氏体区元素，其 含量的高低也影响焊缝金属中固溶氮的含量。

钼粉能够起到在保证焊缝金属的耐腐蚀性的前提下大幅度提高焊缝金属的强度；同 时，其与本发明中的其它组分配合具有较好的协同作用，能更好的保证焊缝金属的高强 度。钼的加入量过低，焊缝金属的耐腐蚀性和强度都不够，焊缝固氮效果差；而加入量 过高则会使焊缝金属结构中产生金属间化合物，从而使得韧性降低，增加了焊缝金属的 脆性。本发明通过大量时间所选定的钼的用量既能够保证焊缝金属的耐腐蚀性，有能够 获得高强度的焊缝金属。

硅锰合金起到脱氧剂及合金剂的作用，其在熔池中与氧结合起到脱氧作用，另一方 面向焊缝金属过渡锰和硅元素，（感觉这句不是很通顺）向焊缝提供优良的力学性能。 硅能够封闭奥氏体区，不利于氮元素的固溶；而锰能够扩大奥氏体区元素，适当的含量 利于氮元素的固溶。

钛铁和铝镁粉主要起到先期脱氧的作用，以避免气孔等缺陷的产生。而钛是一种强 的铁素体形成元素，如果加入的量过高，会扩大铁素体区，缩小奥氏体区，造成焊缝金 属在冷却过程中不发生相变，也不会产生晶粒细化作用，从而大大降低焊缝金属的塑性， 造成焊缝金属的脆性。本发明经过大量试验所确定的用量范围，能够与其它元素协同作 用，很好地解决了上述问题，同时焊缝金属的塑性和韧性也更佳。而镁元素则起到提高 低温冲击韧性的作用。

钾类稳弧剂和氧化钠主要起到稳弧作用，适当的用量能够提高电弧燃烧稳定性，减 少飞溅，而含量过高时则会恶化工艺。

氧化铋可细化晶粒，提高低温冲击韧性，在与C、Si、Mn、Ti同时加入时具有显 著的提高冲击韧性作用，而且可改善焊接熔池表面张力，改善焊缝的成型。

稀土元素铈起到净化晶界、细化晶粒的作用，有益于消除结晶裂纹、提高焊缝金属 的力学强度和韧性。

本发明碳钢外皮的材质为低碳钢，所述的钢带厚度为0.3～0.7mm，宽度为8～ 12mm，所述低碳钢中的成分占低碳钢的重量百分比为：C≤0.050%，Mn≤0.200%，Si ≤0.010%，S≤0.010%，P≤0.020%。选用上述的低碳钢钢带更有利于实际生产操作， 同样能更有效的结合本发明所述的药芯，使制成的药芯焊丝质量更佳。

综上所述，1、本发明所提供的金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝，药芯中的 各成份用量配比合理，各组分间协同作用效果佳，特别是通过药粉向焊缝金属中可过渡 适量的氮，药芯焊丝用于焊接高氮钢后的焊缝金属具有韧性好、强度高等较优的力学性 能，且耐腐蚀性效果较好。

2、本发明所提供的一种金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝，没有普通不锈钢 药芯焊丝所需添加的大量造渣物，提高了熔敷效率，用于焊接高氮钢材料时具有熔敷速 度快且烟尘较小，飞溅小，焊缝成型好,焊接稳定性较高的优点，具有良好的焊接工艺适 应性。

3、本发明采用优质碳钢钢带通过包裹铬、镍等药芯粉，采用全轧制工艺制成，原 材料及制造成本低，适合工业化批量生产，经济效益显著。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

一、制备金属粉芯型含氮奥氏体不锈钢药芯焊丝

1、按表1配方称取配制药芯用的各粉料，各组分均过80目标准筛，并将称取好的 粉料混合均匀，备用；

2、将低碳钢钢带通过成型机压制成槽状结构；下述各实施例均选用牌号为SYHS 的低碳钢钢带，钢带厚0.3mm、宽8.25mm，钢带中各元素含量为C≤0.050%，Mn≤ 0.200%，Si≤0.010%，S≤0.010%，P≤0.020%,Fe余量。

3、将混合均匀后的药料装入钢带压制好的槽内，填充率即粉料重量占焊丝重量的 百分比为40～50％；然后将槽的开口以对接或搭接的方式封口，将粉料密封在低碳钢壳 体内；

4、将密封盛装有药芯粉料的钢带轧辊成直径为1.0～4.0mm的金属粉芯型含氮奥 氏体不锈钢药芯焊丝。

表1实施例1至实施例6中各组分配比以及填充率

二、焊丝性能测试

以实施例1～6制得的药芯焊丝分别进行焊接，在二氧化碳富氩保护氛围中进行 （80%Ar+20%CO₂）平焊位置焊接，焊接规范如表2所示。

表2焊接规范

规格(mm) 焊接电流（A） 焊接电压（V） 气体流量L/min 焊接速度cm/min φ1.6 220～260 26～30 15～20 22～26

1、焊丝工艺性能

焊接过程中，焊丝送进稳定，电弧稳定，熔滴细小，能够进行射流过渡，飞溅小， 烟尘较小，焊缝成型美观。

2、焊缝金属力学性能试验及焊缝氮含量测定

采用二氧化碳或者富氩（80%Ar+20%CO₂）气体保护，试板单边坡口35°，尺寸 12×150×300mm，平焊位置焊接，参照GB/T17853-1999《不锈钢药芯焊丝》国家标准 制取实施例1～6的焊丝焊缝金属力学性能试样并进行力学试验（见表3）。

表3各实施例焊缝金属力学性能及焊缝金属中的氮含量

由表3可知，实施例1～6制得的药芯焊丝焊接得到焊缝中氮的含量均＞0.2%。

3、斜Y坡口抗裂性试验

对使用实施例1～6制备的焊丝焊接后的焊缝进行斜Y坡口抗裂性试验，经检验焊 缝表面裂纹率、断面裂纹率以及根部裂纹率均为0。

4、熔敷效率测定

熔敷效率=(M₁-M₀)/M

其中，M₁为焊好的试板清除飞溅、氧化渣皮等杂物后的重量；M₀为焊前试板重量； M为焊接消耗的焊丝重量

经测得实施例1～6制得的药芯焊丝的熔敷率分别为94%、95%、93%、93%、91%、 92%。