[发明专利]一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝

说明书

一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，包括药芯焊丝外皮及其内药粉，其中，所述药芯焊丝外皮采用低碳钢冷轧钢带，其成分质量百分比为：C＜0.06％，Si0.3％，Mn0.8％，P0.02％，S0.01％，余量为Fe和不可避免杂质；所述药粉的成分质量百分比为：钛白粉或金红石中的一种或两种：1～5％，石英砂：2～6％，长石：3～8％，磁铁矿：1～5％，氧化锂、氧化钠或氧化钾中的一种或几种：2～5％，低碳锰铁：10～15％，铝粉：3～8％，钛铁：3～8％，镍粉：2～6％，稀土硅：2～6％，镁粉：1～3％，其余为还原铁粉；且，药粉占药芯焊丝总质量的15～20％。本发明焊丝能用于厚钢板100kJ/cm～300kJ/cm大热输入气电立焊接。

技术领域

本发明涉及气体保护药芯焊丝，特别涉及一种基于晶粒细化机制的大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝。

背景技术

目前，随着现代制造业对各种大型钢结构需求的发展，钢结构焊接质量与效率愈发引起高度重视。为了提高钢结构制造现场施工焊接效率，降低施工成本，大热输入气电立焊技术得到了越来越多的应用。气电立焊是在熔化极气体保护焊接的基础上发展起来的一种特殊的立向上焊接技术，一般采用CO₂气体保护，采用水冷铜滑块或滑板对熔池内的熔融金属进行强制成型，同时防止熔化金属向下流淌。应用气电立焊接技术，可以根据钢材壁厚以及钢结构的不同需求，设计不同的坡口型式和尺寸，并应用不同的焊接热输入单道就可以完成焊接，比一般的多层多道焊接效率提高数倍，焊接施工成本也相应的大幅降低。

厚钢板大热输入气电立焊接有利于提高现场施工焊接效率并降低生产成本，在大型结构制造中具有诸多优势。然而，气电立焊带来的高焊接热输入延长了焊缝金属与焊接热影响区高温停留时间，降低了焊后冷却速度。焊接接头过热以及由于焊后冷却速度降低引起的高温固态相变恶化了焊接接头组织与性能。通过控轧控冷技术的应用，降低了钢材焊接热影响区性能对焊接热输入的敏感程度，但焊缝金属存在以下问题：

第一、高温停留时间延长使有益合金元素烧损的程度升高，焊缝合金化作用减弱；

第二、高温停留时间延长增加了原始柱状晶粒长大倾向，这种不可逆过程在后续冷却过程中是不能得到有效细化的，晶粒粗化容易引起焊接接头的各种脆化；

第三、冷却速度降低后，容易发生高温固态相变，并生成晶粒粗大的的先共析块状铁素体或魏氏组织。这些因素都将恶化接头性能，特别是塑性和韧性。

鉴于此，针对特厚钢板高效大热输入气电立焊接，为了保证焊缝金属综合力学性能特别是冲击韧性，需要开发合适的焊接材料。气体保护药芯焊丝在气电立焊过程中具有相对较好的工艺稳定性，其本身也具有灵活的可调配性，通过外皮钢带成分体系、造渣剂、造气剂、稳弧剂、脱氧剂、合金剂等多维度设计与调节，能够满足各种焊接场合的需求，已经成为大热输入气电立焊接首选的焊接材料。

当前大热输入气电立焊药芯焊丝如中国专利申请号201110418387.9、201010596115.3、201010602466.0等公开了几种适于大热输入气电立焊接施工的气体保护药芯焊丝，基本上采用了添加碱土氟化物和金红石造渣，轻金属离子具有稳弧作用，脱氧剂应用了金属粉(Al、Mg、Ti等)，同时添加适量的Ni、Mo等合金剂保证最终的接头性能；然而，其药粉成分体系存在以下问题：

1)添加的碱土金属氟化物(CaF2)和氧化物(CaO)导致药芯焊丝熔渣碱度升高，从而使熔池铺展性能降低，焊缝外观成型难以得到保证；

2)采用了传统的外加合金元素进行焊缝金属合金化的思路，一方面在大热输入焊接过程中阻碍奥氏体晶粒长大，另一方面形成能够促进晶粒内部非均质形核的核心，达到细化晶粒的目的；

3)将碳、氧等非金属元素完全作为有害元素，并将其含量控制到最低。