本發(fā)明屬于焊接材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲。
背景技術(shù)：
氣保護藥芯焊絲因為具有良好的全位置焊接工藝性能及很高的焊接效率，在國民經(jīng)濟各行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，特別是在造船、海洋工程等行業(yè)得到越來越多應(yīng)用。在海洋石油鉆井平臺建造中需要大量使用低溫高強高韌性焊接材料，尤其需要具有良好低溫沖擊韌性的藥芯焊絲。而現(xiàn)有的藥芯焊絲通常只能保證-40℃沖擊吸收功大于47J，其低溫沖擊韌性不理想。
在煉鋼或焊接材料熔敷金屬強化理論中，可選擇很多元素作為強化元素提高抗拉強度，如C、Si、Cr、Nb、V等，但通常隨著抗拉強度的升高，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升，低溫沖擊韌性將變差。在620MPa級藥芯焊絲中，若采用C作為主要強化元素，可以保證-40℃條件下的低溫沖擊韌性，但-60℃條件下低溫韌性難以保證，而且C過多將顯著提高焊縫低溫開裂風(fēng)險；若采用Si、Cr等強化，隨著其含量升高，在熔敷金屬中很容易形成粗大的鐵素體組織，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度也將升高，低溫沖擊韌性差，不能解決-60℃條件下低溫韌性問題；Nb、V作為微量強化元素，在煉鋼領(lǐng)域應(yīng)用更多，在藥芯焊絲中難以使其穩(wěn)定均勻化，因而強化效果穩(wěn)定性較差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲，使其力學(xué)性能可滿足-60℃沖擊韌性要求，且強度等級達到620MPa級。
本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲，包括碳鋼外皮和置于碳鋼外皮中的藥芯，所述藥芯包括按質(zhì)量百分比計的如下原料成分：金紅石36～42％；鉬鐵2～5％；鋯英砂2～4％；電解錳15～20％；氟化鈣5～6％；鋁鎂合金1.5～3％；硅鐵10～12％；鈦鐵3～5％；氟硼酸鉀1.5～3％；鎳粉9～10％；余量為鐵粉及不可避免的雜質(zhì)。
進一步的，所述藥芯的質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量的13～16％。
優(yōu)選的，所述藥芯的質(zhì)量為藥芯焊絲總質(zhì)量的13％，所述藥芯包括按質(zhì)量百分比計的如下原料成分：金紅石38％；鉬鐵3％；鋯英砂3％；電解錳17％；氟化鈣6％；鋁鎂合金2％；硅鐵11％；鈦鐵4％；氟硼酸鉀2％；鎳粉9.5％；余量為鐵粉及不可避免的雜質(zhì)。
優(yōu)選的，所述藥芯的質(zhì)量為藥芯焊絲總質(zhì)量的14％，所述藥芯包括按質(zhì)量百分比計的如下原料成分：金紅石40％；鉬鐵4％；鋯英砂2％；電解錳16％；氟化鈣5.5％；鋁鎂合金1.5％；硅鐵12％；鈦鐵5％；氟硼酸鉀3％；鎳粉9％；余量為鐵粉及不可避免的雜質(zhì)。
優(yōu)選的，所述藥芯的質(zhì)量為藥芯焊絲總質(zhì)量的14％，所述藥芯包括按質(zhì)量百分比計的如下原料成分：金紅石38％；鉬鐵2％；鋯英砂4％；電解錳17％；氟化鈣6％；鋁鎂合金3％；硅鐵11％；鈦鐵4％；氟硼酸鉀2％；鎳粉10％；余量為鐵粉及不可避免的雜質(zhì)。
優(yōu)選的，所述藥芯的質(zhì)量為藥芯焊絲總質(zhì)量的16％，所述藥芯包括按質(zhì)量百分比計的如下原料成分：金紅石36％；鉬鐵4％；鋯英砂3％；電解錳15％；氟化鈣5％；鋁鎂合金2％；硅鐵10％；鈦鐵4％；氟硼酸鉀2％；鎳粉10％；余量為鐵粉及不可避免的雜質(zhì)。
進一步的，所述鉬鐵的粒度小于120目，且S≤0.025％，P≤0.015％；由于鉬的熔點高達2600多度，當(dāng)鉬鐵粒度過大時，不利于鉬鐵熔化，也就不利于Mo在焊縫金屬中均勻化，從而影響鉬的強化及細化效果，使焊縫強度不穩(wěn)定，沖擊韌性降低；而當(dāng)S、P不滿足上述要求時，焊縫沖擊韌性也會顯著降低。
進一步的，所述藥芯焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分中Si、Mo兩元素質(zhì)量比范圍滿足：1.1≤Si/Mo≤3.3。
本發(fā)明提供的上述620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲采用常規(guī)藥芯焊絲制造工藝制得。
本發(fā)明還提供了上述620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲的焊接方法，其焊接條件為保護氣體CO2，純度99.5％；焊接電流240～250A；焊接電壓27～28V；焊接速度為20～40mm/min。
本發(fā)明620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲的藥芯成分組成的設(shè)計原理：本發(fā)明的藥芯含有大量金紅石，可確保具有良好全位置焊接工藝適用性。采取多種還原劑聯(lián)合脫氧方式，其中Al、Mg、Ti、Si、Mn來源于鋁鎂合金、鈦鐵、硅鐵、電解錳。其原理是：鋁、鎂、鈦、硅、錳的還原性強于鐵，優(yōu)先與氧發(fā)生氧化反應(yīng)，減少鐵的氧化，同時有部分硅、錳作為合金成分過渡到焊縫中，從而確保焊縫金屬屈服強度能達到620MPa以上。
藥芯中金紅石主要成分是TiO2，并含有少量SiO2，起造渣作用。金紅石質(zhì)量百分比含量少于36％時，全位置焊接中立/仰焊難操作，成型不好；金紅石質(zhì)量百分比含量多于42％時，熔渣熔點升高，立焊焊縫變凸，成形變差。
鉬鐵含有大量的Mo，作為合金成分，提高焊縫強度，并可細化晶粒。當(dāng)焊縫熔敷金屬化學(xué)成分中Si、Mo兩元素質(zhì)量比范圍滿足：1.1≤Si/Mo≤3.3時，既能使焊縫抗拉強度達到620MPa級，又可以保證-60℃沖擊吸收功大于54J；若Si/Mo＜1.1，硅偏少而鉬熔點高達2600多度，熔池金屬鋪展性差，焊縫成形變差；Si/Mo＞3.3，硅偏多，易形成酸性氧化物夾渣，且鉬細化晶粒的作用不能得到發(fā)揮，低溫沖擊韌性變差，不能保證-60℃的低溫沖擊韌性。
鋯英砂含有大量的ZrO2，可以改善焊縫脫渣。鋯英砂質(zhì)量百分比含量少于2％，ZrO2含量低，脫渣改善作用不明顯；鋯英砂質(zhì)量百分比含量多于4％，因其還含有大量的SiO2，顯著降低熔渣堿度，降低焊縫沖擊韌性。
電解錳中含有大量的Mn，可以參與脫氧，同時具有滲合金作用。藥芯中電解錳質(zhì)量百分比少于15％，焊縫Mn含量低，難以形成針狀鐵素體，沖擊韌性低；電解錳多于20％，焊縫Mn含量過高，易形成魏氏組織，提高了抗拉強度卻降低沖擊韌性。
氟化鈣(CaF2)焊接中可以脫氫，降低焊縫氫含量，減少產(chǎn)生冷裂紋的機率，氟化鈣質(zhì)量百分比少于5％時，脫氫作用不明顯；氟化鈣質(zhì)量百分比多于6％時，焊接過程中熔滴變大，飛濺增多，焊接工藝變差。此外，氟化鎂脫氫后可形成CaO，進一步提高熔渣堿度，有利于焊縫韌性提高。
鋁鎂合金作為脫氧劑，脫氧產(chǎn)物為Al2O3和MgO。適量的Al2O3可改善全位置焊接操作工藝性能，MgO可提高熔渣堿度。鋁鎂合金作為脫氧劑，可使熔池反應(yīng)中形成Ti2O3，促使針狀鐵素體形核，從而提高焊縫沖擊韌性；此外鋁鎂合金還可促使氟硼酸鉀生成活性B，使焊縫金屬晶粒細化，提高焊縫韌性。
硅鐵、鈦鐵作為脫氧劑，同時具有滲合金作用，確保熔敷金屬屈服強度等級滿足540MPa。硅鐵、鈦鐵含量過多時，屈服強度過高，焊縫沖擊韌性下降，硅鐵、鈦鐵含量太少則焊縫強度達不到要求。
鎳粉含有大量Ni，作為滲合金劑使用。焊縫含有適量的Ni，可降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，使低溫沖擊韌性滿足要求。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的這種620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲使用CO2保護氣體焊接，具有優(yōu)良的焊接工藝性能，熔敷金屬和焊接接頭綜合性能：屈服強度≥540MPa；抗拉強度≥620MPa；伸長率≥20％；-60℃時，Akv≥54J。
具體實施方式
下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
實施例620MPa級低溫鋼用藥芯焊絲的配方見表1，碳鋼外皮為SPCC鋼帶，采用常規(guī)藥芯焊絲制造工藝制得。表2所示為對應(yīng)實施例藥芯焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分與力學(xué)性能；其焊接條件：保護氣體CO2純度99.95％，焊接電流230～250A，焊接電壓26～28V，焊接速度20～40mm/min。
表1：藥芯焊絲配方(質(zhì)量百分比)
表2：熔敷金屬的化學(xué)成分與力學(xué)性能
從表1及表2所示實施例的化學(xué)成分及力學(xué)性能可以得出：本發(fā)明的藥芯焊絲使用CO2保護氣體焊接，熔敷金屬和焊接接頭綜合性能：屈服強度ReL≥540MPa；抗拉強度Rm≥620MPa；伸長率A≥20％；-60℃條件下，沖擊功Akv≥54J。
以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。