本發(fā)明屬于焊接材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲。
背景技術(shù)：
隨著陸上油氣資源的迅速銳減，海洋油氣資源逐步從近海到遠(yuǎn)洋和深海拓展。與此同時，用于油氣開采的海洋工程裝備也逐步向大型化、高參數(shù)化、輕量化方向發(fā)展。屈服強度為690MPa級的鋼板由于具有較高的強度和良好的低溫韌性，在海洋工程裝備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。海洋工程裝備的服役環(huán)境一般比較惡劣，因此對相應(yīng)的屈服強度690MPa級的鋼板配套的焊材要求較高。不僅要求這些焊接材料具有與母材相匹配的強度、優(yōu)良的低溫韌性，還要求具有良好的抗冷裂紋敏感性。冷裂紋一般為延遲裂紋，因此危害較大。屈服強度690MPa級的焊接材料冷裂紋的敏感性一般較大，主要是因為以下三個方面的因素：（1）合金元素Ni、Cr、Mo等含量較高，淬硬傾向大；（2）海工程結(jié)構(gòu)鋼板厚度較厚，焊接拘束應(yīng)力大；（3）海洋工程裝備建造環(huán)境一般比較潮濕，容易在接頭形成較高的擴散氫含量。前兩個因素工程上很難進(jìn)行控制，只能從降低擴散氫方面著手，減小焊接接頭冷裂紋的敏感性。焊接接頭的擴散氫主要來源于焊接材料，因此必須加強對焊接材料擴散氫的控制。
燒結(jié)焊接由于制備方便、工藝性好、綜合成本低，廣泛應(yīng)用海洋工程裝備制造中低合金高強鋼的埋弧自動焊焊接，但燒結(jié)焊劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點，極易吸潮，大大增加了焊接接頭冷裂紋的敏感性。目前，國內(nèi)低合高強鋼所用埋弧焊絲主要為實心焊絲，也有少部分用有縫藥芯焊絲。實心焊絲由于其結(jié)構(gòu)，決定了其不能通過在焊絲中添加去氫的物質(zhì)（如氟化物、碳酸鹽以及高價氧化物等）來降低焊縫金屬的擴散氫。有縫藥芯焊絲雖然可通過在藥芯中添加去氫的物質(zhì)來降低擴散氫，但其易吸潮，最終很難降低焊縫金屬的擴散氫。而無縫埋弧藥芯焊絲可以在藥芯中加入去氫的物質(zhì)，來降低擴散氫，且不吸潮，因此具有較低的擴散氫。另外無縫埋弧藥芯焊絲與實心焊絲相比工藝性較好、成分調(diào)整方便、力學(xué)性能相當(dāng)、成本相對較低，因此受到了極大的關(guān)注。目前還沒有與可用于屈服強度690MPa級的鋼焊接的無縫埋弧藥芯焊絲相關(guān)的專利和文獻(xiàn)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲，該藥芯焊絲抗吸潮性極強，與氟堿型燒結(jié)焊劑SR-SJ613配合工藝性能優(yōu)良，擴散氫極低（≤4mL/100g），-40℃夏比沖擊功達(dá)到100J以上，可以應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域屈服強度690MPa級鋼板的焊接。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲，由外皮和藥芯粉組成，外皮采用低碳鋼帶制成，所述藥芯粉按照質(zhì)量百分比由以下原料組成：大理石8-12%、螢石4-8%、金屬鎳25-30%、金屬鉻2-4%、鉬鐵 7-9%、電解錳12-16%、硅鐵1-3%、鈦鐵3-5%、硼鐵2-4%、鈦酸鉀2-3%、氟化鉀1-3%、氟化鈉1-3%，余量為鐵粉。
作為本發(fā)明一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲的進(jìn)一步優(yōu)化，所述藥芯焊絲中藥芯粉的填充率為10-15%。
作為本發(fā)明一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲的進(jìn)一步優(yōu)化，所述低碳鋼帶按照重量百分?jǐn)?shù)由以下成分組成：C 0.032%、Si 0.018%、Mn 0.24%、S 0.005%、P 0.01，余量為Fe。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有下述優(yōu)點及有益效果：
（1）本發(fā)明的無縫埋弧藥芯焊絲抗吸潮性極強，與氟堿型燒結(jié)焊劑SR-SJ613配合，工藝性能優(yōu)良，擴散氫極低（≤4mL/100g，氣相色譜法），-40℃夏比沖擊功達(dá)到100J以上，可以應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域屈服強度690MPa級鋼板的焊接。
（2）本發(fā)明的焊絲采用無縫的形式，與有藥芯焊絲相比藥粉不吸潮，有利降低焊縫金屬的擴散氫。
（3）本發(fā)明的藥芯粉中含有一定的大理石，焊接時大理石分解可以增加熔池中的含氧量和電弧氣氛的氧化性，從而降低熔池中氫的平衡濃度，降低焊縫金屬的擴散氫。
（4）本發(fā)明的藥芯粉中含有一定的螢石、氟化鈉和氟化鉀，這些氟化物與焊劑中的SiO2相互作用，可以有效降低焊縫金屬的擴散氫，這是實心焊絲無法實現(xiàn)的。
（5）本發(fā)明的藥芯焊絲采用Si-Mn-Ti聯(lián)合脫氧，脫氧充分，有利于減少焊縫金屬中夾雜物的含量，有利于提高焊縫金屬的低溫韌性。
（6）本發(fā)明焊絲的藥芯粉中加入一定量的Ni，可以提高焊縫金屬的低溫韌性。另外通過Ti、B微合金化，可以進(jìn)一步提高焊縫金屬的低溫韌性。
具體實施方式
為使本發(fā)明的內(nèi)容更明顯易懂，以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
一種屈服強度690MPa級鋼用超低氫無縫埋弧藥芯焊絲，由外皮和藥芯粉組成，外皮采用低碳鋼帶制成，所述藥芯焊絲中藥芯粉的填充率為10-15%，藥芯粉按照質(zhì)量百分比由以下原料組成：大理石8-12%、螢石4-8%、金屬鎳25-30%、金屬鉻2-4%、鉬鐵 7-9%、電解錳12-16%、硅鐵1-3%、鈦鐵3-5%、硼鐵2-4%、鈦酸鉀2-3%、氟化鉀1-3%、氟化鈉1-3%，余量為鐵粉。
本發(fā)明所述無縫埋弧藥芯焊絲藥芯的設(shè)計依據(jù)如下：
大理石的主要作用是在焊接時分解出CO2，可以增加熔池中的含氧量和氣相的氧化性，降低熔池中氫的平衡濃度，從而降低焊縫金屬的擴散氫。同時大理石能提高熔渣的堿度，提高熔敷金屬的低溫韌性。大理石的加入量不能過高，否則容易出現(xiàn)壓坑、成型不良等缺陷；大理石的含量不能過低，過低其降低擴散氫和提高熔敷金屬低溫韌性的作用有限。大理石的加入量應(yīng)控制在8-12%。
螢石的主要作用是降低焊縫金屬的擴散氫。螢石的含量不能過高，否則會造成電弧不穩(wěn)，惡化工藝性能；螢石含量不能過低，過低對降低擴散氫的作用有限。螢石的加入量應(yīng)控制在4-8%。
金屬鎳的主要作用是過渡鎳。鎳是提高低溫韌性的重要元素，具有細(xì)化晶粒、減少偏析、促進(jìn)針狀鐵素體形成的作用，從而可提高焊縫金屬的低溫韌性。金屬鎳的含量應(yīng)控制在25-30%。
鉬鐵主要作用是過渡鉬。適量的鉬在保證焊縫金屬具有適合強度的同時，保持較高的低溫韌性。鉬鐵的加入量應(yīng)控制在7-9%。
金屬鉻的主要作用是過渡鉻。鉻是一種重要的析出沉淀強化元素，可以有效提高焊縫金屬的強度，但過高會惡化低溫韌性。金屬鉻的加入量應(yīng)控制在2-4%。
金屬錳的主要作用是脫氧和提高焊縫金屬的強度和韌性。錳含量過低，焊縫金屬強度過低，低溫韌性較差；錳含量過高導(dǎo)致焊縫金屬強度過高，塑性、低溫韌性下降。金屬錳的加入量應(yīng)控制在12-16%。
鈦鐵主要作用是脫氧。鈦鐵的加入量過低，導(dǎo)致脫氧不足；加入量過大，會導(dǎo)致焊縫金屬強度升高、韌性下降。鈦鐵的加入量應(yīng)控制在3-5%。
硼鐵主要是和鈦鐵配合，起到Ti-B聯(lián)合韌化的作用。加入微量的Ti、B，可以細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬的低溫韌性。硼鐵的加入量應(yīng)控制在1-3%。
氟化鉀主要作用是降低焊縫金屬的擴散氫，加入量應(yīng)控制在1-3%。
氟化鈉主要作用是降低焊縫金屬的擴散氫，加入量應(yīng)控制在1-3%。
鈦酸鉀主要作用是穩(wěn)定電弧，加入量應(yīng)控制在2-3%。
本發(fā)明所述無縫埋弧藥芯焊絲的制備工藝如下：（1）在線同步添加藥芯粉；（2）拉拔；（3）焊合；（4）退火；（5）減徑；（6）鍍銅；（7）繞盤、包裝。
本發(fā)明中所述的無縫埋弧藥芯焊絲，最終產(chǎn)品焊絲的直徑為3.2 mm、4.0mm和5.0 mm，藥芯粉的填充率為10-15%。
根據(jù)本發(fā)明藥芯粉的組分配制了3種粉料，按照上述制備工藝制備無縫埋弧藥芯焊絲，具體配比見表1，需注意的是本發(fā)明并不局限于這些實施例。本發(fā)明實施例無縫埋弧藥芯焊絲鋼帶化學(xué)成分如表2所示。
表1本發(fā)明實施例無縫埋弧藥芯焊絲藥芯粉組成（重量，%）
表2無縫埋弧藥芯焊絲選用鋼帶的化學(xué)成分（重量，%）
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將上述焊絲與SR-SJ613焊劑配合，按照國標(biāo)GB/T 5118-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能和擴散氫含量測定。以Φ4.0mm焊絲為例，焊接工藝參數(shù)為：焊接電源直流反接，焊接電流550~600A，焊接電壓28~32V，道間溫度100~180℃，測試結(jié)果如表3~5所示。
表3 本發(fā)明實施例無縫埋弧藥芯焊絲匹配SR-SJ613焊劑熔敷金屬化學(xué)成分（重量，%）
表4 本發(fā)明實施例無縫埋弧藥芯焊絲匹配SR-SJ613焊劑熔敷金屬力學(xué)性能
表5本發(fā)明實施例無縫埋弧藥芯焊絲匹配SR-SJ613焊劑熔敷金屬的擴散氫（氣相色譜法）
由以上數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明的無縫埋弧藥芯焊絲抗吸潮性極強，與氟堿型燒結(jié)焊劑SR-SJ613配合，焊接電弧穩(wěn)定，成型美觀，擴散氫極低， -40℃夏比沖擊功可達(dá)到100J以上，滿足AWS A23F76A4-EC-G的要求，可以應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域屈服強度690MPa級鋼板的焊接。