一种低六价铬排放的347不锈钢药芯焊丝

摘要

一种低六价铬排放的347不锈钢药芯焊丝，它由药芯和外用钢带组成，所述药芯占焊丝总重量的18%-25%，其中药芯各组成占药芯重量的百分比为：金属铬粉：21-25%，金属镍粉：6-10%，电解金属锰2-5%，铝粉：1-4%，金红石：24-30%，石英:4-7%，萤石：0.5-2.5%，硅灰石：3-7%，冰晶石：1-3%，氟硅酸钾3-6%，长石：2-5%铌铁：5-9%，MFC添加剂：1-5%，余量为铁粉；上述MFC添加剂包括Zn、Cu、Si、聚四氟乙烯、氟化石墨和Li2CO3，它们的重量比依次为Zn：25-45%；Cu：5-15%；Si：2-10%；聚四氟乙烯：15-30%，氟化石墨：1-5%；Li2CO3：20-40%；机械混合后，需在电炉中加热至200-300℃搅拌均匀。本发明六价铬（Cr+6）排放量低，焊接工艺优秀。

说明书

技术领域

本发明涉及适用于焊接焊18%Cr-12%Ni-2%Mo-N不锈钢(SUS316等)，低 碳19%Cr-13%Ni-3%Mo不锈钢（SUS317L等)等焊接材料领域，特别是涉及到 焊接烟尘中的低六价铬（Cr⁺⁶）含量的气保护347不锈钢药芯焊丝。

背景技术

不锈钢药芯焊丝焊接奥氏体不锈钢具有效率高、成本低、自动化程度 高，工艺性能好，焊缝成形美观；熔敷速度快，生产效率高，熔化速度快， 其熔敷率约为85%-90%的特点,是不锈钢焊接技术发展的方向。

不锈钢中Cr的含量较高，焊接材料为了满足焊缝的耐腐蚀性会加入适量 的Cr元素，使焊缝产生足够的耐腐蚀性以满足焊接要求。焊材和母材中Cr在 焊接高温作用下蒸发并进入焊接烟尘，其中部分会被氧化成具有毒性的六价 铬（Cr⁺⁶）。

六价铬（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），8小时内由原来的52μg/m³降低 到3μg/m3，并在2010更新为0.2μg/m³。

对不锈钢药芯焊丝而言，降低六价铬（Cr⁺⁶）生成物的稳定性，降低电弧 周围的活性氧，提高电弧稳定性是降低六价铬（Cr⁺⁶）的主要途径。因此，在 开发一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放量、焊接工艺优秀的308不锈钢药芯焊丝过程 中如何选择降低六价铬（Cr⁺⁶）生成的添加剂是本发明决绝的问题之一。

发明内容：

本发明鉴于上述情况而形成的，其目的在于提供一种低六价铬（Cr⁺⁶）排 放量，焊接工艺优秀的347不锈钢药芯焊丝。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放的347不锈钢药芯焊丝，它由药芯和外用钢带 组成，所述外用钢带为含碳量小于0.03%（重量）的奥氏体不锈钢带，并且所 述药芯的含碳量不高于0.04%（重量）。

所述药芯占焊丝总重量的18%-25%，其中药芯各组成占药芯重量的百分 比为：金属铬粉：21-25%，金属镍粉：6-10%，电解金属锰2-5%，铝粉：1-4%， 金红石：24-30%，石英:4-7%，萤石：0.5-2.5%，硅灰石：3-7%，冰晶石：1-3%，， 氟硅酸钾3-6%，长石：2-5%铌铁：5-9%，MFC添加剂：1-5%，余量为铁粉；

上述MFC添加剂包括Zn、Cu、Si、聚四氟乙烯、氟化石墨和Li₂CO₃，它 们的重量比依次为Zn：25-45%；Cu：5-15%；Si：2-10%；聚四氟乙烯：15-30%， 氟化石墨：1-5%；Li₂CO₃：20-40%；且Zn粉：80-120目，Cu粉：120-200 目，聚四氟乙烯粉100-200目，氟化石墨100-200目，Li₂CO₃：80-200目， 通过机械混合后，需在电炉中加热至200-300℃搅拌均匀。

进一步，原材料为Zn粉：80-120目，Cu粉：120-200目，原生聚四氟乙 烯(PTFE)粉，氟化石墨（CH₄F₂）100-200目，Li₂CO₃：80-200目，通过机 械混合后，需在电炉中加热200-300，℃使得聚四氟乙烯(PTFE)得以融化却 不挥发，搅拌后聚四氟乙烯(PTFE)会依附在其它颗粒上。

熔敷金属中主要元素的含量在如下范围：C：0.021～0.03wt.%；Cr： 19～21.5wt.%；Ni：9～11.0wt.%；Mn：0.5～2.5wt.%；Si：0.3～1wt.%；Nb：0.6-1%， Fe：余量。

如上所述的奥氏体不锈钢焊接用347药芯焊丝，其中所述外用钢带优选 为含碳量小于0.03%（重量）的304L不锈钢带。

如上所述的奥氏体不锈钢焊接用347药芯焊丝，其中所述焊丝的直径优 选在0.9-1.6mm之间。

一种用于添加在347不锈钢药芯焊丝中抑制六价铬（Cr⁺⁶）生成的添加剂， 它由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨（CH₄F₂）-Li₂CO₃，它们的重量 比依次为25-45%，5-15%，2-10%，15-30%，1-5%，20-40%。且添加剂的颗 粒度为80-160目。

一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放奥氏体309不锈钢药芯焊丝的制备方法，步骤 如下：

步骤1：按照所述药芯的配方配置好药芯粉末，将含碳量小于0.03%（重 量）的奥氏体不锈钢带扎成U形，向U形槽内加入占本焊丝总重量18-25% 的药芯粉末；

步骤2将U行槽合口后，依次经过锻造、扎制、拉拔减径处理最终得到 焊丝；

步骤3对焊丝表面进行清理，得到所述奥氏体308不锈钢焊接用药芯焊 丝的最终产品。

本发明的有益效果为：

降低不锈钢焊接烟尘中六价铬（Cr⁺⁶）主要是通过三个途径来解决。方法 一：通过添加剂中的活性物质，在焊接过程中降低了电弧周围的活性氧（O₃）， 降低二价、四价铬被氧化成六价的几率。方法二：用添加剂中的Li₂CO₃代替 药芯中的K、Na，使得六价铬（Cr⁺⁶）形成不了稳定的物相，最终自动分解成 二价、四价铬。方法三：添加剂中高熔点的物质对六价铬（Cr⁺⁶）具有还原作 用，还原以生成的六价铬（Cr⁺⁶）称为二价、四价物质。本发明中添加剂涉及 到的物质经过大量的挑选，含量在1-5%，粒度在80-160目，同时控制药粉中 氧化物重量百分比小于45%。

本发明的低六价铬（Cr⁺⁶）排放奥氏体347不锈钢药芯焊丝能够降低焊接 烟尘中30-70%六价铬（Cr⁺⁶）的含量，同时具有良好的工艺性能，即具有电 弧稳定性高，焊接飞溅少，脱渣性好等优点。

本发明适用于100%CO₂气体保护焊，焊缝成形质量好，无气孔、裂纹、 夹渣等冶金缺陷。熔敷金属中主要元素的含量在如下范围：熔敷金属中主要 元素的含量在如下范围：C：0.021～0.03wt.%；Cr：19～21.5wt.%；Ni： 9～11.0wt.%；Mn：0.5～2.5wt.%；Si：0.3～1wt.%；Nb：0.6-1%，Fe：余量。 该焊丝适用于不锈钢焊接，特别适合于焊接空间不大，通风不畅的环境下使 用，能够降低六价铬（Cr⁺⁶）排放，减少六价铬（Cr⁺⁶）对人体的危害。

具体实施方式

本发明的药芯焊丝不受下述实例的限制，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。

本发明提供了一种低六价铬（Cr⁺⁶）排放347不锈钢细直径药芯焊丝，它 是由外用钢带和其中的焊丝药芯组成，其具体实例方式如下：

所述焊丝药芯的组成如下：

金属铬：向焊丝熔敷金属中过渡铬元素，其重量百分含量为（占药粉的 重量百分含量，以下同）21-25%。

金属镍：向焊丝熔敷金属中过渡镍元素，其重量百分含量为6-10%。

电解金属锰：向焊丝熔敷金属中过渡锰元素，其重量百分含量为2-5%。

铝粉：起脱氧作用，提高铬、镍、锰等合金元素的过渡系数，其重量百 分比为：1-4%。

金红石：主要的造渣剂，可以改善焊缝金属的脱渣性和成形质量，同时 还可以改善电弧的稳定性，其重量百分比为：24-30%。

石英：主要的造渣剂，增加熔渣的酸度，调整熔渣的粘度和氧化性，细 化熔滴，提高熔化系数，但加入量过多易降低焊缝成形质量，其重量百分含 量为4-7%。

萤石：能够脱硫，并与氢结合成HF而挥发，减少白点倾向，其重量百分 比含量为3-6%。

长石：用于造渣，调整熔渣的物理化学性能，还可以起到稳定电弧、细 化熔滴的作用，但是加入量过大会增加六价铬（Cr⁺⁶）的生成量，其重量百分 含量为长石3-7%。

冰晶石：用于去氢，改善电弧性能，增加焊缝渣壳的流动性，其重量百 分含量优选为1-3%。

铌铁：改善焊接工艺性能，提高焊缝抗晶间腐蚀性能，其重量百分含量 优选为5-9%

添加剂：其功能是降低焊接电弧周围的活性氧，抑制六价铬（Cr⁺⁶）生成 稳定的化合物，还原已经生成的六价铬（Cr⁺⁶），其重量百分比优选为1-5%。

所述添加剂由Zn-Cu-Si-聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨（CH4F2）-Li₂CO₃， 它们的重量比依次为25-45%，5-15%，2-10%，15-30%，1-5%，20-40%且添 加剂的颗粒度为80-160目。

在不锈钢药芯焊丝中影响焊接烟尘中六价铬（Cr⁺⁶）含量的因素主要是电 弧周围的活性氧，其主要来源是药粉中的氧化物。其次是K、Na的化合物，其 能使六价铬（Cr⁺⁶）生成稳定的化合物。一般焊丝中的脱氧剂为Al、Mg但是 由于其被氧化的温度与六价铬（Cr⁺⁶）生成的温度不在同一范围，因此，Al、 Mg对焊接烟尘中六价铬（Cr⁺⁶）含量影响小。本发明所述的添加剂，由Zn-Cu-Si- 聚四氟乙烯(PTFE)-氟化石墨（CH4F2）-Li₂CO₃，它们的重量比依次为 25-45%，5-15%，2-10%，15-30%，1-5%，20-40%。且添加剂的颗粒度为80-160 目组成。它既包括了降低在六价铬（Cr⁺⁶）生成时，电弧周围的活性氧的物质、 抑制六价铬（Cr⁺⁶）生成稳定化合物的物质又包括了还原已经生成的六价铬 （Cr⁺⁶）的物种，同时具有良好的工艺性能，即具有电弧稳定性高，焊接飞溅 少，脱渣性好等优点。

本发明的347不锈钢药芯焊丝的制造采用以下步骤：

1）将厚度0.25-0.6mm，宽度8-12mm的低碳奥氏体不锈钢带扎 成U形，向U形槽内加入占本发明焊丝总重量18-25%的药粉。

2）将U行槽合口后，通过轧制成形、拉拔减径，最终使其直径 达到0.9-1.6mm之间。

3）对焊丝表面进行清理，得到最终产品。

具体实施方式

实施例1

选用厚度0.25mm，宽度8mm、重量为5666g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将210g金属铬粉，60g金属镍粉，20g电解金属锰，10g铝粉，240g 金红石，40g石英，50g长石，30g冰晶石，70g硅灰石，60g氟硅酸钾，90g铌 铁，10g添加剂(Zn：2.5g；Cu：1.5；：Si：1g；聚四氟乙烯：2g，氟化石墨： 0.5g；Li₂CO₃：2.5g)，110g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中， 填充率为15%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝 直径为0.9mm。

实施例2

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为4000g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将250g金属铬粉，100g金属镍粉，50g电解金属锰，40g铝粉， 300g金红石，70g石英，20g长石，10g冰晶石，30g硅灰石，30g氟硅酸钾，50g 铌铁，20g添加剂(Zn：6.4g；Cu：3；：Si：1.6g；聚四氟乙烯：4g，氟化石 墨：1g；Li₂CO₃：4g)，30g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中， 填充率为20%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝 直径为0.9mm。

实施例3

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为3546g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将220g金属铬粉，70g金属镍粉，20g电解金属锰，10g铝粉，250g 金红石，40g石英，30g长石，35g冰晶石，40g硅灰石，36g氟硅酸钾，60g铌 铁，30g添加剂(Zn：6.6g；Cu：3.9；：Si：3g；聚四氟乙烯：6g，氟化石墨： 1.5g；Li₂CO₃：6g)，159g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中，填 充率为22%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直 径为1.2mm。

实施例4

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为3000g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将220g金属铬粉，70g金属镍粉，25g电解金属锰，13g铝粉，256g 金红石，50g石英，30g长石，15g冰晶石，40g硅灰石，38g氟硅酸钾，60g铌 铁，40g添加剂(Zn：12.8g；Cu：6；：Si：3.2g；聚四氟乙烯：8g，氟化石墨： 2g；Li₂CO₃：8g)，143g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中，填充 率为25%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径 为1.6mm。

实施例5

选用厚度0.6mm，宽度12mm、重量为2333g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将230g金属铬粉，70g金属镍粉，35g电解金属锰，18g铝粉，266g 金红石，40g石英，33g长石，15g冰晶石，50g硅灰石，40g氟硅酸钾，65g铌 铁，50g添加剂(Zn：20g；Cu：7.5；：Si：1g；聚四氟乙烯：9g，氟化石墨： 2.5g；Li₂CO₃：10g)，88g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中，填 充率为30%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直 径为1.6mm。

实施例6

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为4263g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将215g金属铬粉，65g金属镍粉，28g电解金属锰，13g铝粉，246g 金红石，52g石英，35g长石，15g冰晶石，40g硅灰石，40g氟硅酸钾，55g铌 铁，40g添加剂(Zn：12.8g；Cu：6；：Si：3.2g；聚四氟乙烯：8g，氟化石墨： 2g；Li₂CO₃：8g)，156g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中，填充 率为19%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝直径 为0.9mm。

对比例1

选用厚度0.4mm，宽度10mm、重量为3167g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将225g金属铬粉，68g金属镍粉，28g电解金属锰，15g铝粉， 256g金红石，58g石英，39g长石，16g冰晶石，40g硅灰石，40g氟硅酸钾， 54g铌铁，0g添加剂，161g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽 中，填充率为24%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品 焊丝直径为1.6mm。

对比例2

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为3762g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将245g金属铬粉，75g金属镍粉，28g电解金属锰，17g铝粉，256g 金红石，42g石英，35g长石，15g冰晶石，40g硅灰石，30g氟硅酸钾，55g铌 铁，5g添加剂(Zn：1.25g；Cu：0.75；：Si：0.5g；聚四氟乙烯：1g，氟化石 墨：0.25g；Li₂CO₃：1.25g)，157g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型 槽中，填充率为21%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成 品焊丝直径为1.2mm。

对比例3

选用厚度0.3mm，宽度8mm、重量为4882g的低碳奥氏体不锈钢带，将 其扎成U型，将220g金属铬粉，75g金属镍粉，28g电解金属锰，13g铝粉，258g 金红石，53g石英，35g长石，18g冰晶石，32g硅灰石，35g氟硅酸钾，55g铌 铁，60g添加剂(Zn：13.2g；Cu：7.8；：Si：6g；聚四氟乙烯：12g，氟化石 墨：3g；Li₂CO₃：12g)，118g铁粉，共1000g药粉，混合均匀后加入U型槽中， 填充率为17%（重量），合口经过减径，光亮退火、再减径，最终成品焊丝 直径为0.9mm。

对各实施例及对比例性能的评价

1.焊接烟尘中六价铬（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1.5g/min以下为优异，大于1.5g/min为差，在按照ISO16740 的标准检测每千克烟尘中Cr（VI）含量，其结果在表1中。评价基准以传统 308不锈钢药芯焊丝的含量1.6-1.8×10³mg/Kg，当低于1.5×10³mg/Kg时为“优 异，大于1.3×10³mg/Kg时为“差”。

2.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。符合抗拉伸强度的评价时为“优异，不符合时为“差”。另外，基于 GB/T17853-1999评价拉伸率时，其评价基准为在30%以上时为“优异”，低于 30%时为“差”。

3.铁素体数

用铁素体测数仪参考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”

4.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)。

5.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“优”时评价为 ⊙，即使有任意一个项目评价为差时，综合评价也为×。

表1低Cr⁺⁶、低成本不锈钢金属芯347评价结果

如表1所示，实施例1-6为低六价铬Cr⁺⁶排放347不锈钢药芯焊丝，其药 芯组成满足本发明的范围所以综合性能评价为“优”，而对比例1-3不满足本发 明的范围，其中1、2添加剂含量低，使得焊接烟尘中六价铬（Cr⁺⁶）达不到 合格，3号的添加剂过高，使得焊丝的飞溅增大，因此综合性能评价为不合格。