CN101402160A - 一种用于结构连接的金属粉芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于结构连接的金属粉芯焊丝，由钢带包裹合金粉通过拉丝摸，逐道拉拔、减径制成，其中：所述金属粉芯焊丝直径为1.0mm～1.6mm，长度任意设定；所述钢带是SPCC、H08A、H08Al钢带之一；所述合金粉由废钢和合金剂制得。本发明的金属粉芯焊丝以废钢作为结构连接金属粉芯焊丝的原材料之一，充分利用了所含的合金元素，提高了合金元素的利用率，降低了金属粉芯焊丝的成本，达到了节能、减排的目的。本发明焊丝的粉芯，其制粉的熔炼过程使其成分完全均匀化，克服了目前金属粉芯焊丝生产用药粉采用机械混合工艺容易造成成分不均匀的弊端；且省去了目前所采用的机械混粉工艺，极利于金属粉芯焊丝的生产操作。

Description

一种用于结构连接的金属粉芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，尤其涉及一种用于结构连接的金属粉芯焊丝及其制备方法。

背景技术

随着焊接结构向大型化、高参数化方向的发展，中厚度以上的焊接结构件数量剧增。目前采用的焊接工艺一般是埋弧焊、气体保护焊、焊条电弧焊、气电立焊等。开发高效化的焊接材料和焊接工艺是提高焊接生产率、降低成本、提高焊接质量的重要途径。药芯焊丝以成分调整方便、适合于气体保护焊、埋弧焊、气电立焊等多种焊接方法、熔敷效率高、易于自动焊而成为目前最有发展前途的焊接材料。

药芯焊丝由薄壁钢管和其内部填充的混合粉末构成。药芯焊丝的制造工艺涉及各种粉末的混合，以及随后将混合粉末填加到具有一定形状的金属外皮中，随后拉拔到最终尺寸及卷绕。

药芯中合金或金属粉末的组成、配比、均匀性以及填充率对药芯焊丝的工艺性能、使用性能等有重要影响。药芯焊丝，特别是金属粉芯焊丝(亦称金属芯药芯焊丝、金属型药芯焊丝)所用药粉以混合均匀的纯金属和合金粉末为主。2001年《焊接技术》杂志第3期刊登的论文“新型金属芯药芯焊丝的开发和应用”指出，金属芯药芯焊丝是近年来国际发展的新趋势，目前日本和美国已把少渣型金属芯药芯焊丝作为研究和开发的重点之一。金属芯药芯焊丝是相对于熔渣型药芯焊丝而言的，它的药芯大部分是金属粉(铁粉、脱氧剂)，药粉中金属粉不小于80％～90％，而金属粉中铁粉占1/2以上，只有少量的稳弧剂和造渣剂。之所以被评价为“代替实芯焊丝的焊材”，是因为它既有渣量少的实芯焊丝的长处，又兼备高熔敷速度、低飞溅型药芯焊丝的长处，而且氢含量可以很容易地限制在很低的水平，使抗裂性能得到提高。金属芯药芯焊丝与实芯焊丝或普通的药芯焊丝相比，生产率提高，焊缝质量好，填充金属的费用低，减少了清理费用。1997年《焊接技术》杂志第6期刊登的论文“高效的金属型药芯焊丝SQJ50MX”介绍了一种金属型药芯焊丝，该焊丝的药芯中加入大量铁粉，大幅度提高焊丝的熔敷效率；加入纯金属和合金粉末进行脱氧、合金化；加入少量稳弧剂，起减少飞溅、改善焊缝成型的作用。公开号CN101041213A的发明专利“一种用于高强钢焊接的金属粉芯焊丝”，其药粉是纯金属粉末、合金粉末和稳弧剂混合而成的。

结构连接用的金属粉芯焊丝，为了保证熔敷金属的强度、韧塑性等力学性能指标，需要在药芯中加入脱氧、合金剂，与铁粉的加入量相比，其所占比例较小。采用目前通用的机械混粉工艺，脱氧、合金剂、铁粉等由于比重存在差异，混粉时比重大的容易沉积到下面，从而影响到药粉的均匀性，最终将影响药芯焊丝的质量和稳定性。目前国内外药芯焊丝的核心部分-药芯是有关矿物和金属微粒的机械混合体，其致命弱点是药芯的化学成分均匀性差，吸潮性大，严重影响焊接过程的稳定性、熔滴过渡的均匀性和焊接接头的质量(见1998年第1期《金属学报》“非晶态药芯焊丝药芯材料”)。

钢铁企业在生产板材过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量5％左右的板头和板边，钢材用户也会产生一定量的边角料。这些板头、板边目前多作为废钢处理了，有的回炉、有的用于小部件制造，回炉造成合金元素的大量烧损，没有充分发挥其成分、性能稳定，杂质含量少的优越性。

随着钢铁冶金企业冶炼技术和装备水平的提高，高洁净、高强度、高韧性板材的产量日益增加，这类板材生产过程中产生的板头、板边杂质(S、P、N、O等)含量较低，有益的合金元素含量较多且稳定，符合焊接材料用钢的要求。如DB590钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.067％、Si 0.305％、Mn 1.439％、P 0.019％、S 0.008％、Nb 0.041％、Cu 0.108％、Ti 0.021％、B 0.0010％；X70钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.06％、Si 0.25％、Mn 1.46％、P 0.012％、S 0.003％、Mo 0.22％、Ni 0.20％、Cu 0.22％(DB590钢和X70钢内容详见专利CN1152767C)。

发明专利CN1947924A“一种利用钢板边角料生产焊接材料的方法”，公开了利用钢板边角料生产实芯焊丝的技术。发明专利CN101015887A“堆焊用填充金属颗粒及其制备方法”，公开了利用板头、板边、边角料生产堆焊用合金颗粒的技术。发明专利CN101011783A“焊接用填充金属颗粒及其制备方法”，公开了利用板头、板边、边角料生产焊接用填充金属颗粒的技术。上述专利为本申请者提出的利用钢铁企业的板头、板边等自产废钢生产焊接材料的相关技术，但所述焊接材料没有涉及药芯焊丝，以上专利制备的合金颗粒的粒径为0.1～5.0mm，无法用于生产直径1.6mm以下的药芯焊丝。

随着大型焊接结构应用的逐渐增多，以及结构运行工况的日益苛刻(如低温、大载荷、高温等)，对低成本、使用方便、性能优异、质量稳定的高效化焊接材料，特别是金属粉芯焊丝的需求也更加迫切。

发明内容

针对现有结构连接用金属粉芯焊丝所用药粉采用机械混合工艺，容易造成成分不均匀，难以保证药芯焊丝质量的缺点和不足，以及钢铁企业优质自产废钢(杂质含量少、含有有益合金元素)急待开发利用的问题，本发明提出了一种以自产废钢为主要原料制备的用于结构连接的金属粉芯焊丝及其生产方法。

本发明的技术构思是：选择杂质(S、P、O等)含量较低的废钢，依据所选废钢的化学成分并根据欲制合金粉的化学成分指标，确定添加合金剂的种类及数量，然后采用中频感应熔炼炉将其熔化成钢水，并将上述钢水制成能满足金属粉芯焊丝熔敷金属成分要求的合金粉(制粉的熔化过程使其成分能够完全均匀化)；用现有的药芯焊丝生产设备，将钢带轧制成U形，再向U形糟中加入合金粉，将U形槽合口，使合金粉包裹其中，得到药芯焊丝坯料，通过拉丝摸，将坯料逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.0mm～1.6mm，得到最终产品。

本发明所述用于结构连接的金属粉芯焊丝，由钢带包裹合金粉通过拉丝摸，逐道拉拔、减径制成，其特征是：所述金属粉芯焊丝直径为1.0mm～1.6mm，长度任意设定；所述钢带是宽度为10～15mm、厚度为0.7～1.0mm的SPCC、H08A、H08Al钢带之一；所述合金粉的粒度为-80目～+300目，其化学成分以质量百分比计，C小于0.12％、Mn为0.2％～2.2％、Si为0.03％～1.6％、Mo不超过2.6％、Cr不超过3.6％、Ni不超过6.2％、Ti不超过0.6％、V不超过0.4％、Nb不超过0.6％、Cu不超过0.55％、B不超过0.1％、S小于0.030％、P小于0.030％。

其中：所述合金粉优选由废钢和合金剂制得，其制备方法是：

(1)废钢的选择：所述废钢的化学成分以质量百分比计为，C小于0.12％、Mn为0.2％～2.2％、Si为0.03％～1.6％、Mo不超过2.6％、Cr不超过3.6％、Ni不超过6.2％、Ti不超过0.6％、V不超过0.4％、Nb不超过0.6％、Cu不超过0.55％、B不超过0.1％、S小于0.030％、P小于0.030％；

(2)根据欲制合金粉的化学成分指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量；

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，熔化后精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，根据步骤(2)确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完全熔化后再精炼5～12分钟；

(4)将步骤(3)熔炼好的钢水(过热150～250℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到580～620℃，漏包安装在直径为1.5～3.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为3～6m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.5～1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为20～50mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由12～24个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.5～3.0mm，以供水流或气流喷出；漏包底部设有直径为6～12mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的水压为4～12MPa的水流或气压为0.3～0.8MPa的气流形成一个顶角为40～60°的水锥或气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中凝固成粉末，雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-80目～+300目的粉末得到合金粉。

其中：所述废钢是钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的板头、板边、边角料。所述废钢中杂质(S、P、N、O等)含量较低，有益的合金元素含量较多且稳定，符合焊接材料用钢所要求特性的废钢，应优先选用。如Q345和专利CN1152767C中公布的DB590钢或X70钢等废弃的板头、板边、边角料。

Q345钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.18、Si 0.36、Mn 1.42、P 0.015、S 0.017；DB590钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.067、Si 0.305、Mn 1.439、P 0.019、S 0.008、Nb 0.041、Cu 0.108、Ti 0.021、B 0.0010；X70钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.06、Si 0.25、Mn 1.46、P 0.012、S 0.003、Mo 0.22、Ni 0.20、Cu 0.22。

上述合金剂是中碳锰铁、硅铁、钼铁、铬铁、金属铬、金属镍、钛铁、钒铁、铌铁、金属铜、硼铁之一或部分或全部。

上述漏包倒入钢水前的烘烤温度优选590～610℃。

上述雾化桶的直径优选1.8～2.2m，雾化桶的高度优选4～5m，雾化桶底部收孔圆锥的高度优选0.6～0.8m，雾化桶底部开孔的直径优选30～40mm。

漏包底部漏孔的直径优选8～10mm，环形喷嘴的个数优选16～20、喷嘴小圆孔直径优选1.0～2.0mm，水锥或气锥的顶角优选45～55°。

上述水流的水压优选5～8MPa，气流的气压优选0.4～0.7MPa，气体优选氮气。

上述水锥或气锥聚焦点到冷却水面的距离优选1.0～1.2m。

上述干燥后的合金粉根据需要可以进行还原处理，还原在露点为-40℃的氢气中进行，还原温度为950～1100℃，优选980～1050℃。

本发明所述用于结构连接的金属粉芯焊丝的制备方法，包括制取合金粉、制造金属粉芯焊丝两个环节，步骤如下：

(1)废钢的选择：所述废钢的化学成分以质量百分比计为，C小于0.12％、Mn为0.2％～2.2％、Si为0.03％～1.6％、Mo不超过2.6％、Cr不超过3.6％、Ni不超过6.2％、Ti不超过0.6％、V不超过0.4％、Nb不超过0.6％、Cu不超过0.55％、B不超过0.1％、S小于0.030％、P小于0.030％；

(2)根据欲制合金粉的化学成分指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量；

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，熔化后精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，根据步骤(2)确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完全熔化后再精炼5～12分钟；

(4)将步骤(3)熔炼好的钢水(过热150～250℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到580～620℃，漏包安装在直径为1.5～3.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为3～6m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.5～1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为20～50mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由12～24个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.5～3.0mm，以供水流或气流喷出；漏包底部设有直径为6～12mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的的水压为4～12MPa的水流或气压为0.3～0.8MPa的气流形成一个顶角为40～60°的水锥或气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中凝固成粉末，雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-80目～+300目的粉末得到合金粉；

(5)将10～15mm宽、0.7～1.0mm厚钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(4)制成的合金粉，填充率(药粉质量与金属粉芯焊丝质量的比值)为10～30％；

(6)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.0mm～1.6mm，得到最终产品。

上述纯金属和铁合金的质量以如下国家和行业标准执行：

中碳锰铁GB/T3795-2006，硅铁GB2272-1987，铬铁GB 5683-1987，钒铁GB4139-2004，钼铁GB3649-1987，钛铁GB 3282-1987，铌铁GB7737-1997，硼铁GB/T5682-1995，镍及镍合金板GB/T2054-2005，粗铜YS/T 70-93(中国有色金属行业标准)，金属铬GB 3211-87，没有国家和行业标准的执行生产企业标准。

上述合金粉除了以上要求的合金元素之外，允许含有一定量的作为杂质存在的其他元素，其含量以不影响熔敷金属的性能为原则。

本发明所述用于结构连接的金属粉芯焊丝及制备具有如下明显效果：

(1)生产金属粉芯焊丝的合金粉根据熔敷金属的成分要求设计，制粉的熔炼过程使其成分完全均匀化，克服了目前金属粉芯焊丝生产用药粉采用机械混合工艺，容易造成成分不均匀的弊端。

(2)只采用本发明的一种药粉便可以生产金属粉芯焊丝，省去了目前所采用的机械混粉工艺，对药芯焊丝生产线加粉机构的要求降低，利于金属粉芯焊丝的生产操作。

(3)用本发明的合金粉制成的金属粉芯焊丝具有熔敷金属成分稳定，焊丝熔敷效率高的优点。

(4)本专利金属粉芯焊丝所用原材料的废钢来源广，使废钢资源得到了更加充分合理的利用，所用合金剂为块状，成本远远低于相应的粉末。

钢铁企业在生产板材过程中，由于定尺的需要大约产生钢产量5％左右的板头和板边，钢材用户也会产生一定量的边角料。这些板头、板边目前多作为废钢处理了，有的回炉、有的用于小部件制造，没有充分发挥其成分、性能稳定，杂质含量少的优越性。

(5)以废钢作为结构连接金属粉芯焊丝的原材料之一，充分利用了所含的合金元素，提高了合金元素的利用率，降低了金属粉芯焊丝的成本，达到了节能、减排的目的。

具体实施方式

实施例1：抗拉强度500MPa级气体保护焊用金属粉芯焊丝。

金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分设计为(质量％)，0.04～0.06％C、0.38～0.50％Si、1.28～1.45％Mn、S和P均不超过0.03％。

(1)废钢的选择：根据金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分要求选用Q345废钢，废钢的化学成分(质量％)为：0.18％C、0.36％Si、1.42％Mn、0.015％P、0.017％S。

(2)根据金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分指标要求，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：炉料总质量5％的硅铁(含45％Si)、7％的中碳锰铁(含78％Mn)，废钢Q345则为88％。

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短的时间将其熔化，熔化后精炼7分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将步骤(2)选定的硅铁、中碳锰铁在出钢前8分钟依次加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待其完全熔化后再精炼10分钟。

(4)将熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到600℃，漏包安装在直径为1.8m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为5m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.6m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为35mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由20个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.0mm，以供水流喷出；漏包底部设有直径为10mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的水压为7MPa的水流形成一个顶角为48°的水锥聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中凝固成粉末，所述聚焦点到冷却水面的距离为1.0m，雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-80目～+300目的粉末得到合金粉。

(5)将0.85mm厚，12mm宽的H08A钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(4)制成的合金粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为25％；

以上所述H08A钢带的化学成分(质量％)为0.07％C、0.43％Mn、0.024％S、0.022％P。

(6)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式，得到直径为3.78mm的坯料。通过拉丝摸，坯料经过3.1mm、2.5mm、2.0mm、1.6mm、1.2mm道次拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm，得到最终产品。

进行以上金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分和力学性能的测试，焊接试板按GB10045-88《碳钢药芯焊丝》、GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》规定进行。焊接电流250A、电压27V、焊接速度25cm/min、保护气体为100％CO₂(气体流量为20ml/min)、焊丝干伸长度17mm，焊接试板：Q345，20mm厚。

熔敷金属的化学成分(质量％)为，0.05％C、0.42％Si、1.35％Mn、0.02％S、0.022％P，满足成分设计要求。熔敷金属的力学性能如下：抗拉强度为550MPa、屈服强度480MPa、伸长率29.5％、-20℃的冲击功为90J、0℃的冲击功为112J。无损探伤表明，焊接试板没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷。该金属粉芯焊丝可用于500MPa级高强度钢的焊接。

实施例2：抗拉强度600MPa级气体保护焊用金属粉芯焊丝。

金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分设计为(质量％)，0.07～0.10％C、0.48～0.65％Si、1.00～1.35％Mn、0.38～0.52％Mo、S和P均不超过0.03％。

(1)废钢的选择：根据金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分要求选用Q345废钢，废钢的化学成分(质量％)为：0.18％C、0.36％Si、1.42％Mn、0.015％P、0.017％S。

(2)根据金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分指标要求，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：炉料总质量7％的硅铁(含45％Si)、8％的中碳锰铁(含78％Mn)、5％的钼铁(含57％Mo)、0.5％的石墨，废钢Q345则为79.5％。

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短的时间将其熔化，熔化后精炼7分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后转入步骤(4)；

(4)将步骤(2)选定的硅铁、中碳锰铁、钼铁、石墨在出钢前8分钟加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待其完全熔化后再精炼10分钟。

(5)将熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包在倒入钢水前烘烤到600℃，漏包由耐火材料制造，漏包安装在直径为1.8m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为5m，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.6m，圆锥的顶部、即雾化桶的底部开有35mm的可关闭和开启的孔。环形喷嘴安装在雾化桶内的上部，雾化桶上开有与大气相通的排气孔。

漏包底部有直径为10mm的漏孔，钢水从漏孔顺着环形喷嘴中心轴线自由落下。环形喷嘴由20个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.0mm，由小圆孔喷出的水流形成一个顶角为42°的水锥，水压为8MPa。

由环形喷嘴喷出的水流聚焦于由漏孔自由落下的钢水流，而使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中快速凝固成粉末，聚焦点到冷却水面的距离为1.0m。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，取出水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分后，选取-80目～+300目的合金粉制造金属粉芯焊丝。

(6)将0.9mm厚，12mm宽的H08A钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(5)制成的合金粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为20％；

以上所述H08A钢带的化学成分(质量％)为，0.07％C、0.43％Mn、0.024％S、0.022％P。

(7)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式，得到直径为3.78mm的坯料。通过拉丝摸，坯料经过3.1mm、2.5mm、2.0mm、1.6mm、1.2mm道次拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm，得到最终产品。

进行以上金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分和力学性能的测试，焊接试板按GB10045-88《碳钢药芯焊丝》、GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》规定进行。焊接电流250A、电压27V、焊接速度25cm/min、保护气体为100％CO₂(气体流量为20ml/min)、焊丝干伸长度17mm，焊接试板：Q345，20mm厚。

熔敷金属的化学成分(质量％)为，0.08％C、0.59％Si、1.19％Mn、0.42％Mo、0.023％S、0.021％P，满足成分设计要求。熔敷金属的力学性能如下：抗拉强度为605MPa、屈服强度540MPa、伸长率24％、-30℃的冲击功为96J。无损探伤表明，焊接试板没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷。该金属粉芯焊丝可用于600MPa级高强度钢的焊接。

实施例3：抗拉强度700MPa级气体保护焊用金属粉芯焊丝。

金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分设计为(质量％)，0.07～0.09％C、0.48～0.58％Si、1.55～1.75％Mn、0.12～0.18％Ti、0.25～0.32％Mo、1.20～1.40％Ni、0.15～0.20％Cu、S和P均不超过0.03％。

(1)废钢的选择：根据金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分要求选用废钢，废钢的化学成分(质量％)为：0.06％C、0.28％Si、1.55％Mn、0.014％Ti、0.22％Mo、0.45％Ni、0.2％Cu、0.011％P、0.004％S。

(2)根据金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分指标要求，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：炉料总质量2％的钼铁(含57％Mo)、6％的硅铁(含45％Si)、5％的金属镍、8％的中碳锰铁(含78％Mn)、5％的钛铁(含27％Ti)、0.7％的金属铜(含99.5％Cu)、0.3％石墨，废钢则为73％。

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短的时间将其熔化，熔化后精炼7分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后转入步骤(4)；

(4)将步骤(2)选定的钼铁、硅铁、金属镍、中碳锰铁、石墨、金属铜在出钢前8分钟加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待其完全熔化后再精炼10分钟；钛铁放入钢包，采用钢水冲包方法加入。

(5)将钢包内熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包在倒入钢水前烘烤到600℃，漏包由耐火材料制造，漏包安装在直径为1.8m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为5m，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.6m，圆锥的顶部、即雾化桶的底部开有35mm的可关闭和开启的孔。环形喷嘴安装在雾化桶内的上部，雾化桶上开有与大气相通的排气孔。

漏包底部有直径为10mm的漏孔，钢水从漏孔顺着环形喷嘴中心轴线自由落下。环形喷嘴由20个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.0mm，由小圆孔喷出的水流形成一个顶角为52°的水锥，水压为10MPa。

由环形喷嘴喷出的水流聚焦于由漏孔自由落下的钢水流，而使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中快速凝固成粉末，聚焦点到冷却水面的距离为1.0m。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，取出水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分后，选取-80目～+300目的合金粉制造金属粉芯焊丝。

(6)将0.9mm厚，12mm宽的H08A钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(5)制成的合金粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为25％；

以上所述H08A钢带的化学成分(质量％)为，0.07％C、0.43％Mn、0.024％S、0.022％P。

(7)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式，得到直径为3.78mm的坯料。通过拉丝摸，坯料经过3.1mm、2.5mm、2.0mm、1.6mm、1.2mm道次拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm，得到最终产品。

进行以上金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分和力学性能的测试，焊接试板按GB10045-88《碳钢药芯焊丝》、GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》规定进行。焊接电流250A、电压27V、焊接速度25cm/min、保护气体为100％CO₂(气体流量为20ml/min)、焊丝干伸长度17mm，焊接试板：Q345，20mm厚。

熔敷金属的化学成分(质量％)为，0.086％C、0.53％Si、1.62％Mn、0.13％Ti、0.30％Mo、1.30％Ni、0.19％Cu、0.010％S、0.023％P，满足成分设计要求。熔敷金属的力学性能如下：抗拉强度为712MPa、屈服强度610MPa、伸长率24.5％、-20℃的冲击功为95J。无损探伤表明，焊接试板没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷。该金属粉芯焊丝可用于700MPa级高强度钢的焊接。

实施例4：抗拉强度800MPa级气体保护焊用金属粉芯焊丝。

金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分设计为(质量％)，0.08～0.10％C、0.35～0.50％Si、1.20～1.50％Mn、0.40～0.55％Mo、2.20～2.50％Ni、0.40～0.60％Cr、Cu不超过0.06％、S和P均不超过0.03％。

(1)废钢的选择：根据金属粉芯焊丝熔敷金属的化学成分要求选用X70废钢，废钢的化学成分(质量％)为：0.06％C、0.25％Si、1.46％Mn、0.22％Mo、0.20％Ni、0.22％Cu、0.012％P、0.003％S。

(2)根据金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分指标要求，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量如下：炉料总质量4％的钼铁(含57％Mo)、5％的硅铁(含45％Si)、11％的金属镍、2.6％的金属铬、9％的中碳锰铁(含78％Mn)、0.4％的石墨，X70废钢则为68％。

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短的时间将其熔化，熔化后精炼7分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后转入步骤(4)；

(4)将步骤(2)选定的钼铁、硅铁、金属镍、金属铬、中碳锰铁、石墨在出钢前7分钟加入步骤(3)熔炼好的钢水中，待其完全熔化后再精炼9分钟。

(5)将熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包在倒入钢水前烘烤到600℃，漏包由耐火材料制造，漏包安装在直径为1.8m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为5m，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.6m，圆锥的顶部、即雾化桶的底部开有35mm的可关闭和开启的孔。环形喷嘴安装在雾化桶内的上部，雾化桶上开有与大气相通的排气孔。

漏包底部有直径为10mm的漏孔，钢水从漏孔顺着环形喷嘴中心轴线自由落下。环形喷嘴由20个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.0mm，由小圆孔喷出的氮气气流形成一个顶角为46°的气锥，气流的气压为0.7MPa。

由环形喷嘴喷出的气流聚焦于由漏孔自由落下的钢水流，而使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中快速凝固成粉末，聚焦点到冷却水面的距离为1.0m。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，取出水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分后，选取-80目～+300目的合金粉制造金属粉芯焊丝。

(6)将0.9mm厚，12mm宽的H08A钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(5)制成的合金粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为22％；

以上所述H08A钢带的化学成分(质量％)为，0.07％C、0.43％Mn、0.024％S、0.022％P。

(7)将U形槽合口，使合金粉包裹其中，合口部位采用对接连接方式，得到直径为3.78mm的坯料。通过拉丝摸，坯料经过3.1mm、2.5mm、2.0mm、1.6mm、1.2mm道次拉拔、减径，最后使其直径达到1.2mm，得到最终产品。

进行以上金属粉芯焊丝熔敷金属化学成分和力学性能的测试，焊接试板按GB10045-88《碳钢药芯焊丝》、GB/T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》规定进行。焊接电流250A、电压27V、焊接速度25cm/min、保护气体为100％CO₂(气体流量为20ml/min)、焊丝干伸长度17mm，焊接试板：Q345，20mm厚。

熔敷金属的化学成分(质量％)为，0.09％C、0.41％Si、1.39％Mn、0.45％Mo、2.31％Ni、0.52％Cr、0.009％S、0.018％P，满足成分设计要求。熔敷金属的力学性能如下：抗拉强度为820MPa、屈服强度775MPa、伸长率20％、-20℃的冲击功为68J。无损探伤表明，焊接试板没有未熔合、未焊透、气孔、裂纹等缺陷。该金属粉芯焊丝可用于800MPa级高强度钢的焊接。

Claims (10)

1.一种用于结构连接的金属粉芯焊丝，由钢带包裹合金粉通过拉丝摸，逐道拉拔、减径制成，其特征是：所述金属粉芯焊丝直径为1.0mm～1.6mm，长度任意设定；所述钢带是宽度为10～15mm、厚度为0.7～1.0mm的SPCC、H08A、H08Al钢带之一；所述合金粉的粒度为-80目～+300目，其化学成分以质量百分比计，C小于0.12％、Mn为0.2％～2.2％、Si为0.03％～1.6％、Mo不超过2.6％、Cr不超过3.6％、Ni不超过6.2％、Ti不超过0.6％、V不超过0.4％、Nb不超过0.6％、Cu不超过0.55％、B不超过0.1％、S小于0.030％、P小于0.030％。

2.如权利要求1所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述合金粉由废钢和合金剂制得，其制备方法是：

(1)废钢的选择：所述废钢的化学成分以质量百分比计为，C小于0.12％、Mn为0.2％～2.2％、Si为0.03％～1.6％、Mo不超过2.6％、Cr不超过3.6％、Ni不超过6.2％、Ti不超过0.6％、V不超过0.4％、Nb不超过0.6％、Cu不超过0.55％、B不超过0.1％、S小于0.030％、P小于0.030％；

(2)根据欲制合金粉的化学成分指标，依据步骤(1)所选废钢的化学成分确定添加合金剂的种类及数量；

(3)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，熔化后精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，根据步骤(2)确定的所添加合金剂的种类及数量依次加入合金剂，待其完全熔化后再精炼5～12分钟；

(4)将步骤(3)熔炼好的钢水倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到580～620℃，漏包安装在直径为1.5～3.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为3～6m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.5～1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为20～50mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由12～24个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.5～3.0mm，以供水流或气流喷出；漏包底部设有直径为6～12mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的水压为4～12MPa的水流或气压为0.3～0.8MPa的气流形成一个顶角为40～60°的水锥或气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水落入雾化桶底部的冷却水中凝固成粉末，雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-80目～+300目的粉末得到合金粉。

3.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述废钢选择钢铁企业或钢材用户生产过程中废弃的Q345钢、X70钢或DB590钢。

4.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述合金剂是中碳锰铁、硅铁、钼铁、铬铁、金属铬、金属镍、钛铁、钒铁、铌铁、金属铜、硼铁之一或部分或全部。

5.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述漏包倒入钢水前的烘烤温度选590～610℃。

6.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述雾化桶的直径选1.8～2.2m，雾化桶的高度选4～5m，雾化桶底部收孔圆锥的高度为0.6～0.8m，雾化桶底部开孔的直径选30～40mm。

7.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述水流的水压为5～8MPa，所述气流的气压为0.4～0.7MPa。

8.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述水锥或气锥聚焦点到冷却水面的距离为1.0～1.2m。

9.如权利要求2所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述干燥后的合金粉若需还原处理，还原在露点为-40℃的氢气中进行，还原温度为950～1100℃。

10.如权利要求9所述的用于结构连接的金属粉芯焊丝，其特征是：所述还原温度为980～1050℃。