一种低六价铬排放的不锈钢用347金属芯焊丝及其制备方法

摘要

一种低六价铬排放的不锈钢用347金属芯焊丝及其制备方法适用于焊接材料领域。焊丝中各元素成分范围如下：C：0.025～0.07wt.％；Cr：45-60wt.％；Ni：25～31wt.％；Mn：4～7wt.％；Si：0.66～1.5wt.％；Ti：0.3～2wt.％；Zn：0.3～2wt.％；Zr：0.3～2wt.％；Nb：0.25-1.2wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明在保证焊丝熔敷金属力学性能达到与母材匹配的情况下，以碳钢钢带代替不锈钢钢带以降低成本，同时减少了焊接烟尘中30%-60%的六价铬（Cr+6）总量，改善了焊接作业环境，此外还具有飞溅小，形成的熔敷金属综合性能优良的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及适用于焊接18%Cr-8%Ni-Nb不锈钢（SUS347等）及 18%Cr-8%Ni-Ti不锈钢的347（L）焊接材料领域，特别是涉及到焊接烟尘中的 低六价铬（Cr⁺⁶）含量气体保护不锈钢347金属芯焊丝。

背景技术

由于不锈钢中Cr含量较高，焊接不锈钢时焊接材料为了满足焊缝的耐腐蚀 性都会加入适量的Cr元素，通过促进被氧化物表层，使焊缝产生足够的耐腐蚀 性以满足焊接要求。但是焊材和母材中Cr在焊接蒸发进入焊接烟尘，并且会被 氧在高温下氧化成具有毒性的Cr⁺⁶。

Cr⁺⁶在人体内具有致癌作用，还会引起诸多的其他健康问题，如吸入某些较 高浓度的六价铬化合物会引起流鼻涕、打喷嚏、瘙痒、鼻出血、溃疡和鼻中隔穿 孔。短期大剂量的接触，在接触部位会产生不良后果，包括溃疡、鼻黏膜刺激和 鼻中隔穿孔。摄入超大剂量会导致肾脏和肝脏的损伤、恶心、胃肠道刺激、胃溃 疡、痉挛甚至死亡。皮肤接触会造成溃疡或过敏反应六价铬（Cr⁺⁶）是最易导致 过敏的金属之一，仅次于镍。为了保证焊接人员的健康，2006年美国职业安全 与健康管理局（OSHA）新颁布了焊接烟尘中六价铬（Cr⁺⁶）的允许暴露极限值 （PEL），由原来的52μg/m³降低到3μg/m³。

不锈钢金属芯焊丝同实芯焊丝相比对各种钢材的焊接，适应性强调整 焊剂的成分和比例极为方便和容易，可以提供所要求的焊缝化学成分；工艺 性能好，焊缝成形美观，获得良好成形；熔敷速度快，生产效率高在相同 焊接电流下药芯焊丝的电流密度大，熔化速度快，其熔敷率约为85%-90%。

不锈钢金属芯焊丝同药芯焊丝相比，大量的研究证明焊接烟尘和烟尘中的 Cr⁺⁶金属芯焊丝要远远小于药芯焊丝，此外，目前的不锈钢药芯焊丝是用不锈钢 钢带做外皮，通过轧制、拉拔工艺制成不锈钢焊丝，不锈钢钢带的应用加大了焊 丝生产和不锈钢焊接的成本，因此，开发一种，低六价铬（Cr⁺⁶）排放量，焊接 工艺优秀的不锈钢金属芯焊丝347具有重要意义。

发明内容：

本发明鉴于上述情况而形成的，其目的在于提供低六价铬（Cr⁺⁶）排放量， 焊接工艺优秀的不锈钢金属芯焊丝347。

为了解决上述课题，本发明提出一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放的不锈钢用金属 芯焊丝，它可以在保证焊丝熔敷金属力学性能达到与母材匹配的情况下，以碳钢 钢带代替不锈钢钢带以降低成本，同时减少了焊接烟尘中30%-60%的六价铬 （Cr⁺⁶）总量，改善了焊接作业环境，此外还具有飞溅小，形成的熔敷金属综合 性能优良的优点。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种低六价铬排放的不锈钢用347金属芯焊丝，其特征在于，焊丝中各元素 成分范围如下：C：0.025～0.07wt.％；Cr：45-60wt.％；Ni：25～31wt.％；Mn：4～7wt.％； Si：0.66～1.5wt.％；Ti：0.3～2wt.％；Zn：0.3～2wt.％；Zr：0.3～2wt.％；Nb：0.25-1.2 wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步，焊丝中金属芯化学成分质量百分比如下：C：0.03～0.05wt.％；Cr： 52～58wt.％；Ni：26～30wt.％；Mn：4～6wt.％；Si：0.66～1.5wt.％；Ti：0.5～1wt.％； Zn：0.5～1.5wt.％；Zr：0.5～1wt.％；Nb：0.5-1wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步，所述的金属芯粉包括：金属铬粉：40~120目，金属镍粉：40~120 目，电解锰粉：40~120目，硅铁粉：60~120目，钛铁粉：60~120目，金属锌粉： 60~120目，锆硅铁粉：60~120目，金属铁粉：60~120目,铌铁60~120目。

所述的一种低六价铬排放的不锈钢用347金属芯焊丝的制备方法，其特征在 于，所述焊丝外皮带材为碳钢钢带8×0.4mm，金属芯焊丝填充率：30%~38%， 焊丝的直径1.2mm。

所述的一种低六价铬排放的不锈钢用347金属芯焊丝的应用，其特征在于：

采用95～8％Ar+2～5％O₂气保护制备熔敷堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电 压：22～34V；电流：160～260A；送丝速度：350～500mm/min；气体流速：13～20L/min； 焊丝伸出导电嘴的距离：14～25mm。

进一步，所述焊接工艺参数为：电压：24～30V；电流：200～260A；送丝速度： 400～500mm/min；气体流速：15～20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15～22mm。

在熔敷金属中各元素的含量在如下范围：C：0.021~0.03wt.%；Cr： 19.2~21.1wt.%；Ni：9~11.0wt.%；Mn：0.97~2.5wt.%；Si：0.41~1wt.%；Ti： 0.01~1wt.%；Zn：0.3~1wt.%；Zr：0.2~1wt.%；Nb:0.21-1.1wt.%；Fe：余量。

这种金属芯焊丝在上述工艺条件下收集的焊接烟尘，在焊接烟尘中铬主要以 Cr₂O₃形式存在，有极少一部分铬会以六价铬的形式存在，焊芯组成中的Zn和 Zr最终会以氧化物的形式存在于烟尘和熔敷金属，同时，在他们能够在焊接过 程中减少了焊接电弧周围活性氧的含量，从而抑制焊接烟尘中六价铬的生成，此 外，由于钢带选择低碳钢钢带，降低了制造成本。

本发明的主要特点是金属芯焊丝外皮是碳钢钢带，避免了由304L不锈钢钢 带的高成本问题。同时，在不降低药芯中Cr含量的基础上，添加Zn、Zr等元素， 降低焊接烟尘中六价铬含量，此外焊芯中Si、Ti等元素减少焊接飞溅。用本发 明研制的金属芯焊丝具有低六价铬排放量、焊接电弧稳定、飞溅小、焊缝成形美 观、综合性能优良的优点。

附图说明

图1直径1.2mm金属芯347（L）不锈钢焊丝合适的焊接工艺窗口

图2实施例焊丝焊接烟尘中Cr⁺⁶同传统焊丝烟尘中Cr⁺⁶含量对比图

图3实施例焊丝汉若威所测电压图

具体实施方式

本发明的金属芯焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权力要求保护的 范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。

选用8×0.3mm的碳钢钢带为金属芯焊丝外皮，现将其轧成U形。金属铬粉 末，金属镍粉末，金属电解锰粉末，4-5硅铁粉末，钛铁粉末，金属锌粉末，锆 硅铁粉末，铌铁粉末，金属铁粉等配置成药粉，所取粉末的粒度为能通过80目 的筛子。将所取的各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U 形碳钢带槽中，填充率为30~34%，将U形槽河口，使药粉包裹其中。然后使其 分别通过直径为2.4、2.26、1.96、1.83、1.73、1.6、1.5、1.41、1.34、1.26、1.19 的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.19mm。

具体实施例如下：

1、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝，相对于焊丝总质量，含有（质量 分数wt.%）为：C：0.037wt.%；Cr：53wt.%；Ni：27wt.%；Mn：4wt.%；Si： 0.68wt.%；Ti：0.6wt.%；Zn：0.9wt.%；Zr：0.5wt.%；Nb：0.6；Fe：余量。药 粉在钢带中的填充率为30%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为： 电压26V；电流220A；送丝速度400mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导 电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：20wt.%； Ni：10wt.%；Mn：1.8wt.%；Si：0.45wt.%；

2、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝，相对于焊丝总质量，含有（质 量分数wt.%）为：C：0.025wt.%；Cr：57wt.%；Ni：26wt.%；Mn：5wt.%；Si： 1wt.%；Ti：0.5wt.%；Zn：1.5wt.%；Zr：0.6wt.%；Nb：0.57wt.%；Fe：余量。 药粉在钢带中的填充率为38%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数 为：电压25V；电流200A；送丝速度440mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸 出导电嘴的距离22mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：19.5wt.%； Ni：9.3wt.%；Mn：1.2wt.%；Si：0.6wt.%；

3、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝，相对于焊丝总质量，含有（质量 分数wt.%）为：C：0.04wt.%；Cr：55wt.%；Ni：28wt.%；Mn：5wt.%；Si：1.5wt.%； Ti：0.7wt.%；Zn：1.2wt.%；Zr：1wt.%；Nb：1.0wt.%；Fe：余量。药粉在钢带 中的填充率为32%。采用98%Ar+2%O²气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V； 电流245A；送丝速度500mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离 17mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：19.7wt.%；Ni：9.6wt.%； Mn：1.7wt.%；Si：0.7wt.%。

4、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝相对于焊丝总质量，含有（质量分 数wt.%）为：C：0.05wt.%；Cr：52wt.%；Ni：27wt.%；Mn：6wt.%；Si：1wt.%； Ti：1wt.%；Zn：0.8wt.%；Zr：0.8wt.%Nb：0.5wt.%；；Fe：余量。药粉在钢带 中的填充率为31%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为：电压28V； 电流230A；送丝速度440mm/min；气体流速21L/min；焊丝伸出导电嘴的距离 19mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：20.5wt.%；Ni：10.5wt.%； Mn：1.9wt.%；Si：0.9wt.%。

5、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝，相对于焊丝总质量，含有（质量 分数wt.%）为：C：0.045wt.%；Cr：58wt.%；Ni：30wt.%；Mn：5wt.%；Si： 1.3wt.%；Ti：1wt.%；Zn：1wt.%；Zr：0.9wt.%；Nb：0.67wt.%；Fe：余量。药 粉在钢带中的填充率为35%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数为： 电压30V；电流200A；送丝速度420mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导 电嘴的距离19mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：21wt.%； Ni：10.5wt.%；Mn：1.7wt.%；Si：1wt.%。

6、一种低Cr⁺⁶排放的不锈钢金属芯焊丝，相对于焊丝总质量，含有（质量 分数wt.%）为：C：0.039wt.%；Cr：54wt.%；Ni：30wt.%；Mn：6wt.%；Si： 0.66wt.%；Ti：1.5wt.%；Zn：0.5wt.%；Zr：1wt.%；Nb：0.9wt.%；Fe：余量。 药粉在钢带中的填充率为34%。采用98%Ar+2%O₂气体保护焊的焊接工艺参数 为：电压26V；电流210A；送丝速度450mm/min；气体流速15L/min；焊丝伸 出导电嘴的距离21mm。采用上述工艺制备的熔敷金属主要成分为：Cr：22wt.%； Ni：12wt.%；Mn：2.1wt.%；Si：1.4wt.%。

表1碳钢带化学成分（wt.%）

元素 C Si Mn S P 含量（%） 0.03-0.04 <0.065 <0.33 <0.025 <0.03

表2比较例中焊丝药粉相对于焊丝总质量含有的质量分数wt.%

(焊接烟尘中Cr⁺⁶的含量)

烟尘收集器中的吸气罩可以360度旋转，柔性吸气臂里装有万向接头，能上 押，前后左右移动，将烟尘颗粒物质吸入，然后测量单位时间中所收集的焊接烟 尘重量，在按照ISO16740的标准检测每千克烟尘中Cr（VI）含量，其结果在表 3中。评价基准以传统347（L）不锈钢MIG/MAG焊丝的含量1.3-1.5×10³mg/Kg， 当低于1.3×10³mg/Kg时为“优异：○”，大于1.3×10³mg/Kg时为“差：×”。

(机械特性)

基于GB/T17853-1999评价抗拉强度、0℃吸收能（韧性）。其结果在表3中 显示。抗拉伸强度的评价基准为500MPa以上640MPa一下时为“优异：○”低于 500MPa或者超过640MPa时为“差：×”。另外，0℃吸收能的评价基准为60J以 上时为“优异：○”，低于60J时为“差：×”。另外，基于GB/T17853-1999评价拉 伸率时，其评价基准为在22%以上时为“优异：○”，低于22%时为“差：×”。延 展率根据评价基准为高于25%为“优异：○”，低于25%时为“差：×”

（铁素体数）

切取本焊丝焊接不锈钢焊缝熔敷金属部分作为试样，横截面作为检测面，磨 抛后用100ml蒸馏水、100ml盐酸（分析纯）、10ml硝酸（优级纯）配制的腐蚀 液进行侵蚀，以能够清晰看到铁素体晶界为准，然后使用德国蔡司AXIO Imager Z1m型光学显微镜，参考GB/T1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量 测量方法》中的截线法对试样的铁素体含量进行测定。为保证测定结果的统计性 和合理性，对每个试样在覆盖熔合线以内的焊缝区域，随机选取20个视场进行测 定，取20次测定结果的平均值作为最终测定值，其结果在表3中。评价基准为铁 素体数FN在5%-12%时为“优异：○”，低于5%或高于12%时为“差：×”

（焊丝飞溅率）

飞溅率评定方法采用半封闭箱收集飞溅，试验焊接试板(尺寸 300×30×20mm，Q235碳钢板)置于试验台上，为防止飞溅丢失，用导电铜罩将其 罩住，在铜罩内施焊；用自动焊接小车进行焊接在试板上施焊一道长约250mm 的焊缝，焊后收集铜罩内试验台上的飞溅金属颗粒，称其重量，其结果在表3 中。评价基准为在0.5%以下为“优异：○”，高于0.5%时为“差：×”。

飞溅率Ψ计算公式如下：

$\Psi =\frac{m_2}{m_1}\times 100\%$

式中m₂—飞溅重量(g)；

m₁—焊丝消耗重量(g)。

（综合评价）

作为综合评价，焊接操作性（电弧稳定性、飞溅率、烟尘中Cr⁺⁶的含 量，）及熔敷金属性能（拉伸强度、冲击功、FN数）全部符合“○”时评价为⊙， 即使有任意一个项目评价为×时，综合评价也为×。

表3低Cr⁺⁶、低成本不锈钢金属芯347（L）评价结果

如表3所示，实施例NO.1-NO.6为金属芯焊丝的组成满足本发明的范围所 以综合性能评价为“优”，而NO.7-NO.24不满足本发明的范围，因此综合性能评 价为不合格。