一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝。

背景技术

随着国防、造船、工业、渔业的飞速发展，舰船用铁镍合金板材的应用越来越广，中国船舶工业总公司部标准CB 1330《舰船用铁镍合金板材规范》对其提出了详细的技术要求。舰船用铁镍合金板材组成构件的主要技术是焊接工艺，为了与舰船用铁镍合金板材配套，其焊接接头熔敷金属的要求应满足：①断后伸长率不小于35％；②抗拉强度不小于520MPa、屈服强度不小于220MPa，屈强比不大于0.42；③耐腐蚀性好。由于其使用的特殊性，板材需要采用配套的专用焊接材料。为了达到使用目的，一般采用性能优异的药芯焊丝进行焊接，目前尚未发现与舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝相关的文献报道。

中国专利CN109304464A公开了一种电解水产氢用中空笼状碳/Ru复合微球及其制备方法，通过水热法制出了中空笼状碳/Ru复合微球，但其只应用于电解水产氢方面，未见其应用于制备高性能药芯焊丝领域的相关文献报道。

舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝的研制是目前急待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，解决如下技术问题：①熔敷金属的断后伸长率不小于35％；②熔敷金属的抗拉强度不小于520MPa、屈服强度不小于220MPa，屈强比不大于0.42；③熔敷金属的耐腐蚀性好。

本发明采用如下技术方案：

一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米中空笼状碳-钌复合微球0.15％-0.20％，纳米锆酸镧6.2％-7.5％，纳米镍粉32％-38％，锰粉2.2％-3.2％，钒粉0.21％-0.30％，FLM4铝镁合金粉2.0％-2.8％，氟化钙粉3.2％-4.0％，金红石粉3.5％-4.5％，大理石粉3.6％-4.2％，余量为FHT100·25还原铁粉。

所述纳米中空笼状碳-钌复合微球的外径为300nm-360nm，内径220nm-280nm，介孔直径30nm-40nm，钌的粒径为2.5nm-3.5nm，所述纳米中空笼状碳-钌复合微球的中空笼状碳微球的内壁和外壁上均负载有钌，钌的质量分数为纳米中空笼状碳-钌复合微球质量的22％-28％。

进一步的，所述纳米锆酸镧的粒径为20nm-30nm。

进一步的，所述纳米镍粉的粒径为40nm-60nm。

由于小尺寸效应，纳米镍粉的熔点大大降低，在粒径为40nm-60nm时远远小于微米级镍的熔点(1453℃)，可以在焊接熔池中完全熔化并均匀分布。

进一步的，所述锰粉、钒粉、氟化钙粉、金红石粉、大理石粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率均为100％。

所述药芯的填充率为26％-30％。

所述外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.5mm-1.2mm。

进一步的，所述低碳冷轧钢带的化学成分按质量百分比计为：碳0.001％-0.003％，锰0.25％-0.35％，硅0.001％-0.015％，硫0-0.001％，磷0-0.001％，余量为铁；钢带的抗拉强度为400MPa-430MPa，断后伸长率不小于40％。

所述药芯焊丝直径为3.2mm-8.0mm，优选5.0mm-7.2mm。

如上所述的一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，其制备步骤如下：

1)选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制；

2)药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度55℃±5℃，干燥时间2.5h-3.2h；

3)筛粉：将干燥后的锰粉、钒粉、氟化钙粉、金红石粉、大理石粉、FHT100·25还原铁粉分别用100目筛网过筛，过筛后保存细粉，弃掉杂质；

4)配粉和混粉：按比例称取药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉；

5)钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4)得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至3.2mm-8.0mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。

本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明采用了纳米锆酸镧粉，由于纳米尺寸效应，具有高密度的短程扩散路径，扩散速度更快且分布均匀，电弧热输入作用下，锆酸镧粉发生分解生成的锆、镧在熔敷金属中分布更均匀，而且锆、镧可以有效细化熔敷金属的晶粒，镧还可以有效促进熔敷金属合金成分均匀化，提高了熔敷金属的韧性；由于电弧是一个移动的热源，少部分纳米锆酸镧粉来不及分解，但在熔敷金属凝固时可以作为非自发形核的质点，有效细化熔敷金属的晶粒，提高熔敷金属的韧性(包括提高断后伸长率和降低屈强比)。

2、本发明采用外径为纳米级的中空笼状碳微球作为碳源，纳米级的碳微球在金属熔体中比石墨等碳源更容易扩散，焊接时碳微球分布均匀，镍、锰、钒、铁等原子可以通过介孔进入空笼进而将空笼胀破，使碳分布更加均匀，进而得到碳化物均匀分布的熔敷金属，在较小碳源含量的情况下，可以有效提高熔敷金属的强度和韧性，而较小碳源含量非常有利于提高熔敷金属的断后伸长率；中空笼状碳微球的内壁和外壁上均负载有纳米钌颗粒，其均匀分散于熔敷金属中，利用钌的强大耐蚀性能，大大提高了熔敷金属的耐腐蚀性；本发明药芯中无铬元素的加入(焊接时母材中会有少量铬混入)，有效减小了生成碳化铬的倾向，减弱了碳化铬附着在晶界边沿造成的脆性增大及耐腐蚀性变差的危害，在保证熔敷金属具有较高的断后伸长率和较低的屈强比的同时，也保证了其具有优异的耐腐蚀性。

3、本发明熔敷金属具有高强度(抗拉强度为621MPa-692MPa、屈服强度为242MPa-255 MPa)、极高的韧性(断后伸长率不小于39.5％)、低屈强比(≤0.39)，耐腐蚀性完全符合使用要求。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。

实施例1：

一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米中空笼状碳-钌复合微球0.15％，纳米锆酸镧6.2％，纳米镍粉32％，锰粉2.2％，钒粉0.21％，FLM4铝镁合金粉2.0％，氟化钙粉3.2％-4.0％，金红石粉3.5％，大理石粉3.6％，余量为FHT100·25还原铁粉。

纳米中空笼状碳-钌复合微球的外径为300nm-360nm，内径220nm-280nm，介孔直径30nm-40nm，钌的粒径为2.5nm-3.5nm，所述纳米中空笼状碳-钌复合微球的中空笼状碳微球的内壁和外壁上均负载有钌，钌的质量分数为纳米中空笼状碳-钌复合微球质量的22％。

纳米锆酸镧的粒径为20nm-30nm。

纳米镍粉的粒径为40nm-60nm。

锰粉、钒粉、氟化钙粉、金红石粉、大理石粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率均为100％。

药芯的填充率为26％。

外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.5mm。

按发明内容所述方法制备药芯焊丝，焊丝直径为3.2mm。

实施例2：

一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米中空笼状碳-钌复合微球0.17％，纳米锆酸镧6。9％，纳米镍粉35％，锰粉2.7％，钒粉0.26％，FLM4铝镁合金粉2.4％，氟化钙粉3.6％，金红石粉4.0％，大理石粉3.9％，余量为FHT100·25还原铁粉。

纳米中空笼状碳-钌复合微球的外径为300nm-360nm，内径220nm-280nm，介孔直径30nm-40nm，钌的粒径为2.5nm-3.5nm，所述纳米中空笼状碳-钌复合微球的中空笼状碳微球的内壁和外壁上均负载有钌，钌的质量分数为纳米中空笼状碳-钌复合微球质量的25％。

纳米锆酸镧的粒径为20nm-30nm。

纳米镍粉的粒径为40nm-60nm。

锰粉、钒粉、氟化钙粉、金红石粉、大理石粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率均为100％。

药芯的填充率为28％。

外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为1.2mm。

按发明内容所述方法制备药芯焊丝，焊丝直径为8.0mm。

实施例3：

一种舰船用铁镍合金板材焊接用配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米中空笼状碳-钌复合微球0.20％，纳米锆酸镧7.5％，纳米镍粉38％，锰粉3.2％，钒粉0.30％，FLM4铝镁合金粉2.8％，氟化钙粉4.0％，金红石粉4.5％，大理石粉4.2％，余量为FHT100·25还原铁粉。

纳米中空笼状碳-钌复合微球的外径为300nm-360nm，内径220nm-280nm，介孔直径30nm-40nm，钌的粒径为2.5nm-3.5nm，所述纳米中空笼状碳-钌复合微球的中空笼状碳微球的内壁和外壁上均负载有钌，钌的质量分数为纳米中空笼状碳-钌复合微球质量的24％。

纳米锆酸镧的粒径为20nm-30nm。

纳米镍粉的粒径为40nm-60nm。

锰粉、钒粉、氟化钙粉、金红石粉、大理石粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率均为100％。

药芯的填充率为28％。

外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.8mm。

按发明内容所述方法制备药芯焊丝，焊丝直径为5.0mm。

对比例1：

与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米锆酸镧。

对比例2：

与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中纳米锆酸镧换成相应质量的微米级锆酸镧。对比例3：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成纳米锆。

对比例4：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成纳米镧。

对比例5：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成相应所含质量的纳米锆和纳米镧。

对比例6：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的纳米中空笼状碳微球。

对比例7：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的钌。

对比例8：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的纳米中空笼状碳微球和钌。

对比例9：

与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米中空笼状碳-钌复合微球。

对比例10：

与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中纳米镍换成微米级镍。

将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4、5、6、7、8、9、10制备的药芯焊丝对FN-2钢板进行对接焊接，按GB/T 2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行力学性能测试，按GB/T10125－2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行耐腐蚀性能测试，结果如表1所示。

表1

注：屈服强度的保证值不小于220MPa；抗拉强度的保证值不小于520MPa；屈强比的保证值不大于0.42；断后伸长率的保证值不小于35％；耐腐蚀性的保证值不大于40g/m

(1)实施例1、2、3可以看出：采用本发明的技术方案制备的药芯焊丝，熔敷金属的屈服强度、抗拉强度、屈强比、耐腐蚀性符合要求。

(2)从对比例1可以看出：药芯化学成分中无纳米锆酸镧时，屈服强度和抗拉强度虽然符合要求，但屈强比和断后伸长率不符合要求，这是因为细化晶粒效果不佳的结果，但耐腐蚀性能较好。

(3)从对比例2可以看出：药芯化学成分中纳米锆酸镧换成相应质量的微米级锆酸镧，由于少部分未分解的微米级锆酸镧无法作为二次形核的质点，细化晶粒作用减弱且存在割裂现象，屈强比和断后伸长率不符合要求。

(4)从对比例3可以看出：药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成纳米锆，没有镧的作用，屈强比和断后伸长率不符合要求。

(5)从对比例4可以看出：药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成纳米镧，没有锆的作用，屈强比和断后伸长率不符合要求。

(6)从对比例5可以看出：药芯化学成分中的纳米锆酸镧换成相应所含质量的纳米锆和纳米镧，其分散均匀性比实施例差，屈强比和断后伸长率相对对比例2和对比例3有一定的改善，但仍不符合要求。

(7)从对比例6可以看出：药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的纳米中空笼状碳微球，虽然熔敷金属的屈服强度、抗拉强度、屈强比均符合要求，但耐腐蚀性不符合要求，这是因为缺少钌这一耐蚀性极强元素的原因。

(8)从对比例7可以看出：药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的钌，由于缺少碳源，抗拉强度不符合要求且屈强比过高。

(9)从对比例8可以看出：药芯化学成分中纳米中空笼状碳-钌复合微球换成相应所含质量的纳米中空笼状碳微球和钌，但其分散的均匀性比采用纳米中空笼状碳-钌复合微球差，屈服强度、抗拉强度、屈强比和断后伸长率虽符合要求，但其效果并不友好，耐腐蚀性能未达要求。

(10)从对比例9可以看出：药芯化学成分中无纳米中空笼状碳-钌复合微球，无碳源造成抗拉强度较低，屈强比较高，无钌则耐腐蚀性差。

(11)从对比例10可以看出：药芯化学成分中纳米镍换成微米级镍，镍的熔点高于纳米镍，在电弧这一移动热源的作用下不能全部熔化，且分布不太均匀，屈强比和断后伸长率不符合要求，而镍的分布均匀性也影响了耐腐蚀性未达到要求。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。