一种Q420钢焊接用药芯焊丝及其制备方法

摘要

本发明公开了一种Q420钢焊接用药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成；所述外皮为低合金高强度钢带，所述药芯的成分按质量百分含量计为:Si：1.3-2.1％，Mn：6.5-10.3％，Mo：1.0-1.54％，Nb：0.26-0.55％，Ni：0.54-4.1％，Ti：0.1-0.2％，Al：0.01-0.03％，Cr：0.1-0.9％，Cu：0.2-0.6％，余量为Fe；所述低合金高强度钢带的屈服强度大于或等于420Mpa，所述药芯的质量为药芯焊丝质量的28％-40％。本发明还公开了该药芯焊丝的制备方法和应用，本发明的特高压输电钢管塔Q420钢管焊接用药芯焊丝可使焊缝成型美观，焊接操作工艺性能稳定，操作方便，无需清根和清理大量飞溅，可极大地提高焊接效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Q420钢焊接用药芯焊丝及其制备方法，具体涉及一种特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝及制备方法。

背景技术

随着电网建设的迅速发展，以Q420钢为代表的新型高强度结构钢在电网铁塔的建设中大量应用，因此对Q420钢的焊接作业成为电网铁塔建设的一个重要环节。Q420钢与普通低合金钢的主要不同是加入了Nb、Ti等强烈碳化物形成元素，可能会对焊缝性能造成不良的影响，这也对Q420钢的焊接工艺及焊接用焊丝提出了更高的要求。对于焊丝的选用一般应遵循以下原则：熔敷金属的力学性能与母材相当；焊接工艺性能良好。目前，特高压输电钢管塔Q420钢管焊接多采用实芯焊丝，高强度钢Q420的配套药芯焊丝尚属空白；而药芯焊丝与实芯焊丝相比具有可进行高效连续焊接，焊接效率高，尤其是在全位置焊接时，能大电流施焊，熔敷速度快、焊接电弧稳定，飞溅小，脱渣易，焊后清理工作简单；成型美观，同时对电流电压的适应范围广，操作简单等优点；因此，研制、开发与高强度钢Q420钢相配套的药芯焊丝，对于提升电网建设水平、提高经济效益都具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝及制备方法，可使焊缝成型美观，焊接操作工艺性能稳定，操作方便，无需清根和清理大量飞溅，可极大地提高焊接效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Q420钢焊接用药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成；所述外皮为低合金高强度钢带，所述药芯的成分按质量百分含量计为:

Si：1.3-2.1％，Mn：6.5-10.3％，Mo：1.0-1.54％，Nb：0.26-0.55％，Ni：0.54-4.1％，Ti：0.1-0.2％，Al：0.01-0.03％，Cr：0.1-0.9％，Cu：0.2-0.6％，余量为Fe；

所述药芯的质量为所述药芯焊丝质量的28％-40％。该填充率既能满足加工工艺要求，也能最大限度的减少焊缝气孔的产生。

优选的,所述药芯的成分按质量百分数计为：

Si：1.8％，Mn：8.2％，Mo：1.32％，Nb：0.35％，Ni：2.5％，Ti：0.15％，Al：0.01％，Cr：0.6％，Cu：0.2％，余量为Fe。

优选的，所述低合金高强度钢带的屈服强度不低于420Mpa，具体为Q420钢。

本发明的药芯焊丝的制备方法，步骤如下：将低合金高强度钢带轧制成U型，填充所述药芯的成分，然后将低合金高强度钢带轧制成O型，通过接触焊接的方法将其焊合成管状；焊合后采用拉拔法将其拉拔成横截面直径为1.2-1.6mm的药芯焊丝。

本发明还提供上述药芯焊丝在Q420直缝钢管的制作和对接中的应用。具体应用时的焊接工艺条件为：

采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用多层多道焊法，对接的接头采用V型坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为2mm。需要说明的是，两侧坡口角度一般设定为60°，但在实际焊接工艺中，两侧坡口角度为60°±5°也是在可接受的范围内；焊接对口间隙是根据焊材的厚度而进行调整的。

焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流180-260A，焊接电压18-20V，焊接速度110-130mm/min，焊丝干伸长10-15mm，焊缝厚度2-3mm；焊枪自定位焊处，保证焊枪倾角小于20°和干伸长度在10-15mm，按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动；电弧焊至试件收弧端后将弧坑填满并回焊20mm为宜，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本发明还提供上述药芯焊丝在Q420钢管与法兰的对接和插接焊中的应用。具体应用时的焊接工艺条件为：

采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用多层多道焊法，对接的接头采用V型坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为2mm。

焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流150-220A，焊接电压18-20V，焊接速度110-130mm/min，焊丝干伸长15mm，焊缝厚度3-4mm；焊枪自定位焊处，保证焊枪倾角小于20°和干伸长度在10-15mm，按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动；电弧焊至试件收弧端后将弧坑填满并回焊20mm为宜，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本发明还提供了上述药芯焊丝在壁厚小于20mm的Q420钢管与钢管相贯焊接中的应用。Q420钢管与钢管相贯焊的焊接工艺条件:采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用多层多道焊法，对接的接头采用V型坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为3mm。焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流180-250A，焊接电压18-20V，焊接速度100-130mm/min，焊丝干伸长15mm，单层焊缝厚度3-4mm；焊枪自定位焊处保证焊枪倾角小于20°和干伸长度在10-15mm，按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本发明的有益效果：

(1)本发明的适用于特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝可进行全位置焊接，具有熔敷效率高、无需频繁更换焊条，无需清根和飞溅等良好的工艺性能的优点，而且焊缝的性能优良；

(2)本发明的药芯焊丝中，加入的合金元素Si、Mn、Cr可以提高焊缝熔敷金属的强度，Mo、Nb、Ni可提高抗裂性能，Ti、Al可以细化晶粒,通过各合金元素的加入，改善了药芯焊丝的力学性能。

(3)本发明所采用的药芯焊丝成分配比，可最大限度的发挥各组分的优势，能使焊缝金属化学成分及力学性能满足高强度钢Q420的焊接要求，其熔敷金属的力学性能与Q420钢相当；焊接工艺性能良好，是一种与高强度钢Q420相配套的药芯焊丝。

附图说明

图1是本发明药芯焊丝的制作过程流程图；

图2是本发明药芯焊丝用于管管焊接时的坡口形式及尺寸；其中，60°±2°表示两侧坡口角度；2-3mm表示焊接对口间隙；0.5-1.0mm表示钝边；δ表示管的壁厚；φ表示管的外径。

图3是管管焊接时的运弧方式。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

1.填充率的确定

根据钢带的厚度和宽度情况，选择合适的药芯填充率(即药芯的质量占所述药芯焊丝质量的百分比)，本发明所述药芯焊丝的填充率为28％-40％。通过控制填充率调整焊缝熔敷金属的成分和药芯焊丝的工艺性能。

2.渣系的选择

本发明为金属粉芯焊丝。

3.合金组分的选择

Si是主要的脱氧剂，用于降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，但过量的Si会降低焊缝的抗裂性能，经过多次实验，确定其加入量为1.3-2.1％，使其在提高强度的同时，还能保持较好的焊缝抗裂性能。

Mn是主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属的强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量少于6.5％时，体现上述特性不足，大于10.3％时，焊缝强度过高，低温冲击韧性降低，因此将其限定为6.5％-10.3％。

Mo具有提高强度的作用，在一定的范围内可以提高低温冲击韧性，但含量过多时，强度增加过多，低温冲击韧性降低，经多次实验，确定加入量的范围为1.0-1.54％，效果最佳。

Nb、Ti具有细化晶粒，提高强度的作用，但加入过多容易造成工艺性能下降，形成夹渣。确定加入量的范围分别为0.26-0.55％和0.1-0.2％。

Ni能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度，但含量过高则会增大热裂敏感性，经多次实验，确定加入量的范围为0.54-4.1％，效果最佳。

实施例1：

一种特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成；其中，外皮为屈服强度为420Mpa低合金高强度钢带(Q420钢)，上述药芯的成分按质量百分含量计为:

Si：1.8％，Mn：8.2％，Mo：1.32％，Nb：0.35％，Ni：2.5％，Ti：0.15％，Al：0.01％，Cr：0.6％，Cu：0.2％，余量为Fe。

药芯的质量为药芯焊丝质量的35％；

该药芯焊丝的制备方法，步骤如下：将低合金高强度钢带轧制成“U”型，将药芯成分填充在轧制成“U”型的低合金高强度钢带槽内，然后将低合金高强度钢带轧制成O型，通过接触焊接的方法将其焊合成管状；焊合后采将其拉拔成横截面直径为1.2mm的药芯焊丝。

本实施例制备的药芯焊丝在Q420直缝钢管的制作和对接中的应用，应用方法如下：

采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用7层14道焊法，对接的接头采用V形坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为2mm；

焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流200-250A，焊接电压18-20V，焊接速度110-130mm/min，焊丝干伸长10-15mm，焊缝厚度2-3mm；焊枪自定位焊处保证倾角不大于10°，干伸长度小于15mm，后按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；

电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动；电弧焊至试件收弧端后将弧坑填满并回焊20mm为宜，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本实施例制备的药芯焊丝焊接后的熔覆金属的力学性能见表1-2。

表1焊后测试的熔敷金属力学性能

表2焊后水银法测试扩散氢含量

结果表明，熔敷金属的力学性能与母材相当，而且焊接工艺性能良好。

实施例2：

一种特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成；其中，外皮为屈服强度为420Mpa低合金高强度钢带(Q420钢)，上述药芯的成分按质量百分含量计为:

Si：1.3％，Mn：10.3％，Mo：1.0％，Nb：0.55％，Ni：0.54％，Ti：0.2％，Al：0.01％，Cr：0.9％，Cu：0.2％，余量为Fe。

药芯的质量为药芯焊丝质量的35％。

药芯焊丝的制备方法同实施例1。

本实施例制备的药芯焊丝在Q420钢管与法兰的对接和插接焊中的应用。具体应用时的焊接工艺条件为：

采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用6层13道焊法，对接的接头采用V型坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为2mm。

焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流150-220A，焊接电压18-20V，焊接速度110-130mm/min，焊丝干伸长15mm，焊缝厚度3-4mm；焊枪自定位焊处保证焊枪倾角小于20°和干伸长度在10-15mm，按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动；电弧焊至试件收弧端后将弧坑填满并回焊20mm为宜，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本实施例制备的药芯焊丝焊接后的熔覆金属的力学性能见表3。

表3焊后测试的熔敷金属力学性能

实施例3：

一种特高压输电钢管塔Q420钢焊接用药芯焊丝，由外皮和填充在所述外皮内的药芯构成；其中，外皮为屈服强度为420Mpa低合金高强度钢带(Q420钢)，上述药芯的成分按质量百分含量计为:

Si：2.1％，Mn：6.5％，Mo：1.54％，Nb：0.26％，Ni：4.1％，Ti：0.1％，Al：0.03％，Cr：0.1％，Cu：0.6％，余量为Fe。

药芯的质量为药芯焊丝质量的40％。

药芯焊丝的制备方法同实施例1。

本实施例制备的药芯焊丝在壁厚小于20mm的Q420钢管与钢管相贯焊接中的应用。具体应用时的焊接工艺条件为：

采用CO₂气体保护焊进行焊接，采用6层13道焊法，对接的接头采用V型坡口，两侧坡口角度为60°，焊接对口间隙为3mm。焊接过程中，焊接参数选择为：焊接电流180-250A，焊接电压18-20V，焊接速度100-130mm/min，焊丝干伸长15mm，单层焊缝厚度3-4mm；焊枪自定位焊处保证焊枪倾角小于20°和干伸长度在10-15mm，按动开关起弧；运弧方式为锯齿型匀速摆动；电弧摆动至坡口两端时，待铁水将坡口填满后再向对面摆动，待熔池冷却后将焊枪开关松开离开熔池以防止收弧缺陷的产生。

本实施例制备的药芯焊丝焊接后的熔覆金属的力学性能见表4。

表4焊后测试的熔敷金属力学性能