本發(fā)明屬于焊接材料領(lǐng)域，具體涉及一種藥芯焊絲及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、大線能量焊接如氣電立焊(electro-gas?welding，egw)等作為一種高能量密度的焊接方式，適用于厚板和大尺寸構(gòu)件的焊接，其具有操作簡(jiǎn)便、焊接速度快、質(zhì)量高、節(jié)約能源以及焊接效率高等許多優(yōu)點(diǎn)，可用于大型海洋工程裝備的高效建造。然而，大線能量焊接由于熱輸入較大，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的組織惡化，產(chǎn)生如魏氏體等不良組織，從而降低焊接接頭的韌性，影響工件的安全性。

2、日本學(xué)者90年代提出了氧化物冶金技術(shù)，該技術(shù)通過向焊縫中添加合金元素，以控制焊縫金屬中夾雜物的數(shù)量、類型、尺寸和分布狀態(tài)，從而促進(jìn)針狀鐵素體形核，細(xì)化原奧氏體晶粒，以改善焊縫金屬的強(qiáng)韌性。

3、cn109175773a公開了一種橋梁鋼q620qe配套藥芯焊絲，由低碳冷軋鋼帶包裹藥芯粉制成，藥芯粉占焊絲總質(zhì)量的20％～65％。藥芯成分及用量按質(zhì)量百分比計(jì)為：納米氮化鈦粉0.6％～1.5％，納米氮化硼粉0.7％～1.7％，納米氮化鉻粉0.5％～0.8％，納米石墨烯0.3％～0.5％，納米氧化鈰0.3％～0.8％，feba30si35硅鋇合金0.2％～0.5％，nb粉0.2％～0.35％，ni粉2.0％～3.5％，cu粉0.2％～0.45％，mn粉2.0％～2.8％，sif4粉1.8％～3.0％，余量為fht100·25還原鐵粉，且需滿足納米氮化鈦、納米氮化硼、納米氮化鉻三者的質(zhì)量百分比之和≤3.2％。通過多種元素的復(fù)合強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)了確保使用強(qiáng)度的前提下，縮小屈強(qiáng)比、有效提高低溫沖擊韌性、增強(qiáng)耐大氣腐蝕性能。然而，該發(fā)明中的焊絲僅適用于較低的焊接熱輸入(≤20kj/cm)，在大線能量焊接過程中，大量添加的氮化鈦、氮化硼、氮化鉻顆粒極易造成裂紋的產(chǎn)生；此外，由于氮含量過高，還可能會(huì)導(dǎo)致氮元素?fù)]發(fā)產(chǎn)生氣孔，造成焊接接頭力學(xué)性能降低。

4、綜上所述，利用元素的合理配比或者納米顆粒的添加促進(jìn)針狀鐵素體的形核或阻礙奧氏體的生長(zhǎng)已經(jīng)有了一定的研究，并且可以提高焊縫的強(qiáng)度或低溫韌性。但隨著海工裝備愈發(fā)大型化的發(fā)展趨勢(shì)，大線能量焊接也向著更高的線能量發(fā)展，如egw的實(shí)際焊接能量已經(jīng)可以超過600kj/cm，在如此高的焊接熱輸入下，高溫停留時(shí)間更長(zhǎng)，峰值溫度更高，導(dǎo)致原奧氏體晶粒更為粗大，在普通大線能量焊接條件下有效的夾雜物質(zhì)也不再穩(wěn)定。因此，亟需研發(fā)一種適用于超大線能量(≥400kj/cm)焊接的藥芯焊絲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種藥芯焊絲。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種藥芯焊絲的制備方法。

3、本發(fā)明的目的之三在于提供一種焊接方法。

4、本發(fā)明的目的之四在于提供上述藥芯焊絲和/或上述焊接方法在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用。

5、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

6、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供了一種藥芯焊絲，包括外皮和藥粉；所述外皮內(nèi)填充藥粉；所述藥粉包括以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分：mn?2.5-4.5％，si?1-3％，ca?0.001-0.005％，mo0.05-0.78％，v?0.005-0.15％，cu?0.02-0.80％，al?0.002-0.07％，tin?0.3-0.55％，nib2.0-4.0％，造渣劑2.4～5.7％，fe?81～91.7％。

7、優(yōu)選地，所述藥粉是由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成：mn?2.5-4.5％，si?1-3％，ca0.001-0.005％，mo?0.05-0.78％，v?0.005-0.15％，cu?0.02-0.80％，al?0.002-0.07％，tin?0.3-0.55％，nib?2.0-4.0％，造渣劑2.4～5.7％，fe為余量。

8、本發(fā)明通過向藥芯焊絲中添加nib與tin并適當(dāng)調(diào)控兩者比例，在超大線能雙絲氣電立焊過程中nib與tin將分解為游離的[ni]、[ti]、[b]、[n]，其中ti與ni元素可與o在凝固過程中結(jié)合形成大量細(xì)小彌散的ti-ni-o氧化物，誘使針狀鐵素體形核，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)的路徑變長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展阻力增加，提高焊接接頭的韌性；此外，b元素將在晶界處偏聚，抑制原奧氏體晶粒長(zhǎng)大與晶界鐵素體的形成，n可與鋼中al、ti等元素結(jié)合形成氮化物重新析出，從而提高焊縫金屬的強(qiáng)度。

9、優(yōu)選地，所述藥粉中，氟石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不為0％。

10、在本發(fā)明的藥粉中，mn的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.5-4.5％，例如可選自2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％、3.1％、3.2％、3.3％、3.4％、3.5％、3.6％、3.7％、3.8％、3.9％、4％、4.1％、4.2％、4.3％、4.4％、4.5％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

11、在本發(fā)明的藥粉中，si的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1-3％，例如可選自1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

12、在本發(fā)明的藥粉中，ca的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.001-0.005％，例如可選自0.001％、0.002％、0.003％、0.004％、0.005％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

13、在本發(fā)明的藥粉中，mo的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.05-0.78％，例如可選自0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.75％、0.78％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

14、在本發(fā)明的藥粉中，v的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.005-0.15％，例如可選自0.005％、0.006％、0.007％、0.008％、0.009％、0.01％、0.011％、0.012％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

15、在本發(fā)明的藥粉中，cu的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.02-0.80％，例如可選自0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

16、在本發(fā)明的藥粉中，al的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.002-0.07％，例如可選自0.002％、0.005％、0.01％、0.015％、0.02％、0.025％、0.03％、0.035％、0.04％、0.045％、0.05％、0.055％、0.06％、0.065％、0.07％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

17、在本發(fā)明的藥粉中，tin的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.3-0.55％，例如可選自0.3％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％、0.35％、0.36％、0.37％、0.38％、0.39％、0.4％、0.41％、0.42％、0.43％、0.44％、0.45％、0.46％、0.47％、0.48％、0.49％、0.5％、0.51％、0.52％、0.53％、0.54％、0.55％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

18、在本發(fā)明的藥粉中，nib的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.0-4.0％，例如可選自2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％、3.1％、3.2％、3.3％、3.4％、3.5％、3.6％、3.7％、3.8％、3.9％、4％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

19、優(yōu)選地，所述造渣劑包括金紅石、氟石、長(zhǎng)石、莫來石中的至少一種。

20、優(yōu)選地，以所述藥粉的總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為100％計(jì)，所述造渣劑包括以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分：金紅石1-1.4％，氟石≤0.5％，長(zhǎng)石1-2.8％，莫來石0.4-1.0％。在本發(fā)明中，金紅石、氟石、長(zhǎng)石和莫來石構(gòu)成造渣劑，可起到穩(wěn)定電弧、調(diào)節(jié)熔體粘度、保護(hù)焊接熔滴和熔池等作用。

21、優(yōu)選地，所述藥粉是由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分組成：mn?2.5-4.5％，si?1-3％，ca0.001-0.005％，mo?0.05-0.78％，v?0.005-0.15％，cu?0.02-0.80％，al?0.002-0.07％，tin?0.3-0.55％，nib?2.0-4.0％，金紅石1-1.4％，氟石≤0.5％，長(zhǎng)石1-2.8％，莫來石0.4-1.0％，fe為余量。

22、在本發(fā)明的藥粉中，金紅石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1-1.4％，例如可選自1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

23、在本發(fā)明的藥粉中，氟石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0～0.5％，例如可選自0.001％、0.005％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.045％、0.05％、0.055％、0.06％、0.065％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

24、在本發(fā)明的藥粉中，長(zhǎng)石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1-2.8％，例如可選自1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

25、在本發(fā)明的藥粉中，莫來石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.4-1.0％，例如可選自0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

26、優(yōu)選地，所述外皮的材料包括h08a合金鋼。

27、優(yōu)選地，所述藥粉的質(zhì)量為所述藥芯焊絲質(zhì)量的20～30％，例如可選自20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

28、優(yōu)選地，所述藥芯焊絲的直徑為1～2mm，例如可選自1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

29、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供了本發(fā)明第一個(gè)方面所述的藥芯焊絲的制備方法，包括以下步驟：

30、將所述藥粉的各原料混合后填充入所述外皮中，然后拉拔模卷成所述藥芯焊絲。

31、優(yōu)選地，所述制備方法包括以下步驟：

32、s1、將配方量的mn，ca，mo，v，cu，al，tin，nib球磨，得到混合粉末，將混合粉末和造渣劑干燥后混合，得到藥粉；

33、s2、將外皮軋成u形，將藥粉充入u形外皮中，然后拉拔模卷成所述藥芯焊絲。

34、優(yōu)選地，所述步驟s1中，干燥溫度為70～100℃。

35、優(yōu)選地，所述步驟s1中，干燥時(shí)間為0.5～3h。

36、優(yōu)選地，所述步驟s1中，混合時(shí)間為30～40min。

37、優(yōu)選地，所述步驟s1中，球磨時(shí)間為60～100min。

38、優(yōu)選地，所述步驟s2中，外皮需依次經(jīng)過超聲波清洗、熱風(fēng)烘干、吹干冷卻后使用。

39、本發(fā)明的第三個(gè)方面提供了一種焊接方法，包括以下步驟：

40、以本發(fā)明第一個(gè)方面所述的藥芯焊絲作為焊絲，采用雙絲氣電立焊對(duì)海洋工程用鋼進(jìn)行焊接，焊接熱輸入≥400kj/cm。

41、優(yōu)選地，所述雙絲氣電立焊的參數(shù)為：背面焊絲的焊接電流為390-510a，背面焊絲的焊接電壓為36-45v，無擺動(dòng)寬度，背面焊絲的焊接速度為50～70mm/min；正面焊絲的焊接電流為401-474a，正面焊絲的焊接電壓為39-46v，正面焊絲的擺動(dòng)寬度為15-20mm，正面焊絲的焊接速度為50～70mm/min。

42、優(yōu)選地，所述雙絲氣電立焊的焊接熱輸入為468.6-709.6kj/cm，例如可選自468.6kj/cm、470kj/cm、500kj/cm、520kj/cm、540kj/cm、560kj/cm、600kj/cm、620kj/cm、640kj/cm、660kj/cm、680kj/cm、700kj/cm、709.6kj/cm或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

43、優(yōu)選地，所述雙絲氣電立焊的焊槍角度為8°-12°，例如可選自8°、9°、10°、11°、12°或上述任意兩端點(diǎn)組成的范圍中的任意點(diǎn)值。

44、優(yōu)選地，所述海洋工程用鋼包括eh36鋼、eh40鋼。

45、優(yōu)選地，所述工程用鋼的厚度不低于60mm。

46、本發(fā)明的第四個(gè)方面提供了本發(fā)明第一個(gè)方面所述的藥芯焊絲和/或本發(fā)明第三個(gè)方面所述的焊接方法在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用。

47、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中的藥芯焊絲通過添加nib和tin并調(diào)控兩者的比例，使藥芯焊絲能夠適用于焊接熱輸入≥400kj/cm的氣電立焊中，解決了超大線能量焊接時(shí)有效夾雜物粒子不穩(wěn)定、晶粒更易粗大、低溫韌性低下的問題，在≥400kj/cm焊接熱輸入條件下仍可在焊縫金屬中形成針狀鐵素體組織，并有效抑制了晶粒粗化，顯著提高了焊縫金屬的強(qiáng)韌性，在焊接高強(qiáng)船板鋼后，焊縫成形性良好，無表面缺陷及內(nèi)部氣孔。

48、采用本發(fā)明中的藥芯焊絲焊接工程用鋼后的焊縫的抗拉強(qiáng)度≥600mpa，屈服強(qiáng)度≥400mpa，伸長(zhǎng)率≥23％，-40℃的沖擊功≥50j，焊縫處的晶粒平均粒徑為60～80μm，可以顯著提高焊縫的力學(xué)強(qiáng)度，提高體溫韌性并細(xì)化晶粒。