CN121491602A - 用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其应用。用于药芯焊丝的焊粉按重量百分比计包含：稀土银核壳粉2.00±0.20%；铌钒复合粉7.05±0.53%；镍基合金粉29.97±1.91%；钼粉0.79±0.11%；钛硼合金粉1.00±0.12%；造渣剂10.00±2.82%；余量为铁粉。该药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝具有较高的低温冲击功：熔合区‑40℃下标准冲击功≥115J，在极端低温环境中仍能吸收较高能量而不发生脆性断裂；焊缝与高强耐候钢之间的熔合区腐蚀电位差≤20mV，不易在潮湿、含盐雾等腐蚀环境中发生电偶腐蚀，确保了接头的整体耐蚀性；与母材之间的熔合区硬度梯度≤150HV/mm，降低裂纹萌生与扩展的风险。

Description

用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其应用

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，特别涉及一种用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其应用。

背景技术

在钢结构桥梁工程中，为满足高寒、高海拔等特殊环境需求，关键部位采用高强耐候钢，既能实现结构轻量化，其表面形成的致密锈层又可大幅降低恶劣环境下的腐蚀速率；而栏杆、连接板等次要部位因受力小且远离腐蚀环境，采用普通钢即可满足要求。因此，钢结构桥梁工程中常用到高强耐候钢与普通碳钢的异种钢焊接技术。

然而，高强耐候钢与普通钢的异种焊接仍面临三大核心挑战：

首先，由于高强耐候钢与普通钢之间强度差大，焊接接头在服役载荷下易产生严重应力梯度畸变，熔合区应力集中系数高于均质接头，且低温冲击功普遍较低，远低于母材要求，易引发低温脆性断裂。例如，2018年，李申申在《重载列车用高强高耐候钢焊接接头组织与性能研究》阐明通过不同热输入实验，发现高强耐候钢焊接接头在-20℃、-40℃下冲击功随热输入变化呈先升后降趋势，最大冲击功仅98J，且热影响区硬度显著升高，形成应力集中区。2016年，王鑫在《B-HARD360高强耐磨钢GMAW“低强匹配”焊接接头的强韧性研究》阐明实验显示，-40℃冲击功随热输入变化，最高仅98J，且焊缝区硬度先升后降，形成硬度梯度-150HV/mm以上的应力集中区。

其次，传统焊材因耐蚀合金元素不足，焊缝耐蚀指数远低于高强耐候钢，导致熔合线处优先形成晶间腐蚀沟槽，腐蚀速率远高于高强耐候钢。例如，2017年，黄宸、黄峰、刘静等作者在《A710高强耐候钢焊接接头耐蚀性分析》阐明焊缝区、热影响区组织不均导致微电偶腐蚀电池形成，焊缝/热影响区为阳极、母材为阴极，导致焊接接头的平均腐蚀速率显著高于母材。

最后，焊接热循环会引发碳迁移：普通钢侧的碳原子向高碳耐候钢侧扩散，在熔合线形成“脱碳软带”与“增碳硬带”的交替结构，硬度波动大，成为裂纹萌生的优先路径。例如，2002年，张心保在《电站锅炉过热管异种钢焊接性研究》阐明珠光体耐热钢侧的碳向奥氏体焊缝侧迁移，导致珠光体侧出现软化区、焊缝内部出现硬化区（M23C6碳化物析出）‍；硬度梯度增大，易在软化区产生蠕变裂纹并向硬化区扩展，形成裂纹萌生的优先路径。

传统焊接材料因无法兼顾高强耐候钢与普通钢之间的强度过渡、耐蚀匹配及抗裂需求，一旦熔合区低温韧性、耐蚀指数或硬度梯度失控，异种钢焊接接头将在短期内成为“断裂+腐蚀”双高风险点，导致焊缝成为钢结构桥梁的耐久性短板。CN112453756A通过优化药粉成分（如TiO₂20%-40%、稀土合金1.0%~3.0%）实现焊缝金属的高强高韧匹配，尤其强调-40℃冲击功≥120J，适用于55公斤级低碳钢和低合金钢的焊接；但是，成分设计侧重单一材料性能提升，缺乏多性能协同优化。因此，开发一种能够同时解决强度过渡、耐蚀匹配及抗裂问题的新型焊材，对于提升钢结构桥梁的耐久性和安全性具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其焊粉，以解决传统焊接材料因无法兼顾高强耐候钢与普通钢之间的强度过渡、耐蚀匹配及抗裂需求的问题。

第一方面，本发明提供一种用于药芯焊丝的焊粉，所述焊粉按重量百分比计包含：

稀土银核壳粉2.00±0.20%；

铌钒复合粉7.05±0.53%；

镍基合金粉29.97±1.91%；

钼粉0.79±0.11%；

钛硼合金粉1.00±0.12%；

造渣剂10.00±2.82%；

余量为铁粉及不可避免的杂质；

其中：

所述稀土银核壳粉由稀土银核壳颗粒组成，所述稀土银核壳颗粒具有核壳结构，核部为由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成的稀土氧化物，壳部为银，壳部占核壳结构总质量的60%~80%；

所述铌钒复合粉由重量比为(2~4):1的铌粉和钒粉组成，铌粉及钒粉纯度均不低于99.5%；

所述钛硼合金粉中，Ti与B的重量比为(3~5):1，其中，Ti与B的总质量分数不低于99.0%，其余为不可避免的杂质；

所述镍基合金粉按重量百分比计包括：Cr 7.5%~8.5%，Cu 4.5%~5.5%，Mn 1.8%~2.2%，C≤0.10%，Si≤1.0%，P≤0.020%，S≤0.020%，余量为Ni及不可避免的杂质。

结合本发明的第一方面，一些实施方式中：

所述稀土银核壳颗粒的粒径为8~12 μm，壳部的厚度为1.0~2.0 μm；和/或，

所述铌钒复合粉的粒径为10~15 μm；和/或，

所述钼粉的粒径为1~5 μm；和/或，

所述钛硼合金粉的粒径为10~20 μm；和/或，

所述镍基合金粉的粒径为10~20 μm；和/或，

所述造渣剂的粒径为10~30μm；和/或，

所述铁粉的粒径为5~15μm。

结合本发明的第一方面，一些实施方式中：所述稀土氧化物由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成。

结合本发明的第一方面，一些实施方式中：所述造渣剂由重量比为（1.3~1.6）:1的氟化钙和硅酸锆组成，其中氟化钙纯度≥98%、硅酸锆纯度≥99%。

结合本发明的第一方面，一些实施方式中：所述稀土银核壳粉的制备方法包括：

对稀土氧化物颗粒进行表面氨基化改性；

对氨基化改性的稀土氧化物颗粒进行化学镀银；

对镀银后的颗粒进行洗涤和干燥处理，得到稀土银核壳粉。

第二方面，本发明提供一种药芯焊丝，所述药芯焊丝由上述用于药芯焊丝的焊粉以及包裹在焊粉外的金属外皮组成。

结合本发明的第二方面，一些实施方式中：所述药芯焊丝用于高强耐候钢和普通钢界面的二氧化碳气体保护焊焊接。

结合本发明的第二方面，一些实施方式中：所述药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝满足以下至少一项性能指标：

（i）熔合区-40℃下标准冲击功为115~125J；

（ⅱ）焊缝与高强耐候钢之间的熔合区腐蚀电位差为17.0~19.5mV；

（ⅲ）熔合区硬度梯度为120~146HV/mm。

结合本发明的第二方面，一些实施方式中：所述药芯焊丝中，焊粉的重量百分比为40%~60%。

第三方面，本发明提供一种高强耐候钢与普通钢的异种焊接方法，采用上述药芯焊丝进行二氧化碳气体保护焊，二氧化碳气体为80%Ar+20%CO₂，气体流速为25L/min，在高强耐候钢与普通钢界面之间形成焊缝。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1.本发明提供的药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝具有较高的低温冲击功：-40℃冲击功≥115J，在极端低温环境中仍能吸收较高能量而不发生脆性断裂，满足高寒地区服役要求。

2.本发明提供的药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝与高强耐候钢之间的腐蚀电位差≤20mV，不易在潮湿、含盐雾等腐蚀环境中发生电偶腐蚀，确保了接头的整体耐蚀性。

3.本发明提供的药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝与母材之间的熔合区硬度梯度≤150HV/mm，降低裂纹萌生与扩展的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明提供的药芯焊丝的结构示意图；其中，1代表焊粉，2代表金属外皮，3代表接缝。

图2：实施例1制备的药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝晶界区域透射电镜图像（分辨率：10 nm）。

图3：实施例1制备的药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝晶界区域透射电镜高分辨图像（分辨率：2 nm）。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中，“粉”指的是粒径为微米级的小颗粒；钼粉、铁粉、铌粉、钒粉、银均为纯金属；镍基合金粉、钛硼合金粉均为合金制成的粉末；铌钒复合粉为铌粉、钒粉的混合物。

本文中，“母材”是指被焊接的金属材料；“焊缝”是指焊接过程中，通过高温熔化母材和/或填充材料，待其冷却凝固后形成的固体连接部分；“焊接接头”是指通过焊接方法将两个或多个工件连接在一起所形成的整体结构，它由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。“熔合区”是指焊缝与母材之间的过渡区域，此处母材金属部分熔化并与焊缝金属相互混合，对焊接强度影响较大；“热影响区”是指母材因焊接高温加热而未熔化但发生组织或性能变化的区域，其范围和性能变化程度与焊接工艺（如温度、冷却速度）密切相关。

高强耐候钢与普通钢之间强度差大，二者焊接在一起后，当受力时高强耐候钢几乎不变形，而普通钢则变形严重，这种不对称变形，会在焊缝及熔合区产生极高的应力集中。而低温使材料塑性变形能力急剧下降，无法通过塑性变形松弛应力集中。高应力直接作用于焊缝金属的晶界、第二相粒子或缺陷处，成为裂纹萌生的“驱动力”，导致冲击载荷下裂纹快速扩展，冲击功降低，脆性断裂倾向显著提升。高强耐候钢中的高C含量（0.05%~0.16%）与普通钢的Mn/S比失调，焊接热循环中，碳原子从普通钢侧向高强耐候钢侧扩散，在熔合线附近形成软的脱碳层与硬的增碳层的交替结构。该区域硬度波动大，引发应力集中，成为裂纹萌生的优先路径。以上原因使得高强耐候钢和普通钢之间的焊缝目前是钢结构桥梁的耐久性短板。本发明为了解决传统焊接材料因无法兼顾强耐候钢与普通钢之间强度过渡、耐蚀匹配及抗裂需求的问题，提供了一种用于高强耐候钢和普通钢异种焊接的药芯焊丝及其应用。

本发明提供一种用于药芯焊丝的焊粉，所述焊粉按重量百分比计包含：

稀土银核壳粉2.00±0.20%；

铌钒复合粉7.05±0.53%；

镍基合金粉29.97±1.91%；

钼粉0.79±0.11%；

钛硼合金粉1.00±0.12%；

造渣剂10.00±2.82%；

余量为铁粉及不可避免的杂质；

其中：

所述稀土银核壳粉由稀土银核壳颗粒组成，所述稀土银核壳颗粒具有核壳结构，核部为由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成的稀土氧化物，壳部为银，壳部占核壳结构总质量的60%~80%；

所述铌钒复合粉由重量比为(2~4):1的铌粉和钒粉组成，铌粉及钒粉纯度均不低于99.5%；

所述钛硼合金粉中，Ti与B的重量比为(3~5):1，其中，Ti与B的总质量分数不低于99.0%，其余为不可避免的杂质；

所述镍基合金粉按重量百分比计包括：Cr 7.5%~8.5%，Cu 4.5%~5.5%，Mn 1.8%~2.2%，C≤0.10%，Si≤1.0%，P≤0.020%，S≤0.020%，余量为Ni及不可避免的杂质。

该焊粉中，稀土银核壳粉为核壳复合结构，核部由稀土氧化物构成，作为功能主体主要负责解决焊缝的韧性和熔池净化问题——具体表现为：在焊接冶金过程中，吸附在晶界处形成细小稀土化合物，通过降低晶界能、提高晶界结合力发挥晶界强化相作用以提升低温韧性，并通过净化熔池杂质改善焊接质量；壳部则为致密的银层，作为功能增强剂与保护剂，一方面将稀土氧化物核与外界氧气、水分物理隔离开以保障化学稳定性，并可兼顾焊接工艺稳定性，另一方面通过对氢原子的强吸附作用作为“氢陷阱”，并在电弧高温下催化氢原子结合为氢分子逸出熔池，有效降低氢致裂纹风险；二者并非独立存在，而是功能互补、协同作用的有机整体；核壳协同确保了焊缝金属低温环境下仍能保持优异的韧性，在-40°C时仍能吸收较高能量（冲击功≥115J），实现了“韧性提升”与“氢致裂纹控制”的功能一体化。

该焊粉中，铌钒复合粉中的Nb和V均为强碳化物形成元素，能形成细小的NbC和VC碳化物，在熔合区形成梯度强度过渡区，降低熔合区应力集中系数，强度从高强耐候钢到普通钢平滑过渡。

该焊粉中，镍基合金粉中的Cr形成保护性氧化膜，Cu提高耐蚀性，Mn提高耐蚀层连续性，使焊缝与高强耐候钢之间的腐蚀电位差≤20mV，防止电偶腐蚀，使焊缝在潮湿、含盐雾环境中与高强耐候钢同步腐蚀。

该焊粉中，钛硼合金粉中的Ti和B形成TiB₂细小颗粒，作为晶粒细化剂，使焊缝金属晶粒细化，降低熔合区硬度梯度，减少晶界缺陷，降低裂纹萌生概率。

该焊粉中，钼粉中Mo形成Mo₂C等碳化物，提高焊缝强度和硬度，与高强耐候钢强度匹配；造渣剂形成稳定熔渣，保护熔池，减少气孔和夹杂物，提高焊缝质量。

该焊粉中，铁粉作为焊缝金属的主体，提供基本的力学性能，与各组分协同作用，形成完整的焊缝金属组织。

以上各组分协同所形成的焊缝具有较高的低温冲击功：熔合区-40℃冲击功≥115J，表明该焊缝在极端低温环境中仍能吸收较高能量而不发生脆性断裂。

本发明的一些实施方式中：所述稀土银核壳颗粒的粒径为8~12 μm，壳部的厚度为1.0~2.0 μm。这个粒径范围确保稀土银核壳颗粒在焊接过程中能均匀分布在熔池中，同时保持其核壳结构的完整性。粒径过小（<8μm）可能导致核壳结构在高温下过早破坏，失去稀土氧化物的低温韧性增强作用；粒径过大（>12μm）可能导致颗粒分布不均匀，降低低温冲击性能。该粒径范围使稀土银核壳颗粒在熔池中能有效发挥“核部稀土氧化物提高韧性，壳部防止稀土氧化”的协同作用，实现-40℃冲击功≥115J的低温性能。

本发明的一些实施方式中：所述铌钒复合粉的粒径为10~15 μm。此粒径范围使铌和钒能在熔池中均匀分布，形成细小的强化相。粒径过小（<10μm）可能导致铌钒过早熔化，形成粗大强化相，降低强度过渡效果；粒径过大（>15μm）可能导致铌钒分布不均，无法有效实现强度梯度过渡。该粒径范围确保了铌钒复合粉能与母材形成平滑的强度过渡区，降低熔合区应力集中，实现强度匹配。

本发明的一些实施方式中：所述钼粉的粒径为1~5 μm。该粒径范围有利于镍基合金元素在熔池中均匀扩散，形成均匀的耐蚀层。较细的粒径（1~5μm）使钼能快速熔化并均匀分布在熔池中。粒径过小（<1μm）可能导致钼过早熔化，无法有效发挥强化作用；粒径过大（>5μm）可能导致钼分布不均，影响强化效果。该粒径范围确保钼能有效强化焊缝金属，提高强度和硬度，同时避免因粒径过大导致的强化不均匀。

本发明的一些实施方式中：所述钛硼合金粉的粒径为10~20 μm。此粒径范围使钛和硼能均匀分布在熔池中，形成细小的晶粒细化剂。粒径过小（<10μm）可能导致晶粒过度细化，影响焊缝强度；粒径过大（>20μm）可能导致晶粒细化效果不佳，增加裂纹风险。该粒径范围使钛硼合金粉能有效细化晶粒，降低熔合区硬度梯度≤150HV/mm，减少裂纹萌生。

本发明的一些实施方式中：所述镍基合金粉的粒径为10~20 μm。粒径过小（<10μm）可能导致镍基合金元素过早析出，影响耐蚀层的连续性；粒径过大（>20μm）可能导致耐蚀元素分布不均，降低耐蚀效果。该粒径范围使镍基合金粉能有效提供Cr、Cu、Mn等耐蚀元素，实现焊缝与高强耐候钢腐蚀电位差≤20mV的耐蚀性能。

本发明的一些实施方式中：所述造渣剂的粒径为10~30μm。较宽的粒径范围（10~30μm）使造渣剂能在熔池中形成合适的熔渣。粒径过小（<10μm）可能导致熔渣过细，不易上浮，增加气孔率；粒径过大（>30μm）可能导致熔渣粗大，无法有效覆盖熔池，影响熔池保护。该粒径范围确保造渣剂能有效控制熔池，减少气孔和夹杂物，提高焊缝质量。

本发明的一些实施方式中：所述铁粉的粒径为5~15μm。该粒径范围使铁粉能在熔池中均匀熔化，提供稳定的金属基体。粒径过小（<5μm）可能导致铁粉过早熔化，影响熔池稳定性；粒径过大（>15μm）可能导致铁粉熔化不完全，影响焊缝成形。该粒径范围确保铁粉作为基础金属成分能均匀分布，形成稳定的焊缝金属基体。

本发明的一些实施方式中：所述稀土氧化物由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成。

本发明的一些实施方式中：所述造渣剂由重量比为（1.3~1.6）:1的氟化钙和硅酸锆组成。氟化钙具有低熔点（1360℃），能有效降低熔渣熔点，提高熔渣流动性；硅酸锆具有高熔点（2270℃），能提高熔渣的稳定性，防止熔渣过早凝固。（1.3~1.6）:1的氟化钙和硅酸锆能形成具有适当熔点、流动性和稳定性的熔渣。

本发明的一些实施方式中：所述稀土银核壳粉的制备方法包括：

对稀土氧化物颗粒进行表面氨基化改性；

对氨基化改性的稀土氧化物颗粒进行化学镀银；

对镀银后的颗粒进行洗涤和干燥处理，得到稀土银核壳粉。

在稀土氧化物颗粒表面引入氨基，可以提高其与银层的结合力；在氨基化的稀土颗粒表面沉积银层，形成壳部，可以防止稀土氧化物在焊接高温下氧化。

本发明提供的药芯焊丝由上述用于药芯焊丝的焊粉以及包裹在焊粉外的金属外皮组成。药芯焊丝的工作原理是通过电弧加热使焊丝熔化，同时焊粉在高温下发生化学反应，形成保护性熔渣和气体，保护熔池免受空气污染，同时向焊缝中添加特定的合金元素，改善焊缝性能。采用上述焊粉的药芯焊丝可在高强耐候钢与普通钢之间形成耐久性好的焊缝。

本发明的一些实施方式中：所述药芯焊丝通过二氧化碳气体保护焊进行焊接。药芯焊丝通过二氧化碳气体保护焊进行焊接的原理是：在二氧化碳气体保护下，药芯焊丝内部的焊粉在电弧高温下协同作用：造渣剂与二氧化碳气体形成双重保护，防止熔池氧化；各组分按粒径梯度熔化并反应，铌钒复合粉实现强度过渡，稀土银核壳粉提高低温韧性，镍基合金粉确保耐蚀匹配，钛硼合金粉降低熔合区硬度梯度，钼粉强化焊缝，铁粉提供基础金属成分。这种协同作用使焊缝在强度过渡、耐蚀匹配及抗裂性等关键性能上达到理想水平，突破了“低温韧性-耐蚀性”跷跷板效应，解决了高强耐候钢与普通钢异种焊接中的技术难题，使二氧化碳气体保护焊成为适用于该场景的可靠焊接方法。

本发明的一些实施方式中：所述药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝满足以下至少一项性能指标：

（i）熔合区-40℃下标准冲击功为115~125J；焊缝在极端低温环境下仍能吸收较高能量，避免脆性断裂，适用于高寒地区桥梁；

（ⅱ）焊缝与高强耐候钢之间的熔合区腐蚀电位差为17.0~19.5mV；

焊缝与高强耐候钢在腐蚀环境中同步腐蚀，避免电偶腐蚀，提高耐蚀性；

（ⅲ）熔合区硬度梯度为120~146HV/mm；焊缝与母材之间的硬度过渡平滑，降低裂纹风险，提高抗疲劳性能。

本发明的一些实施方式中：所述药芯焊丝中，焊粉的重量百分比为40%~60%。焊粉含量在40%~60%范围内，药芯焊丝的电弧稳定性最佳，焊接过程平稳，飞溅率低。

本发明提供的高强耐候钢与普通钢的异种焊接方法，采用上述药芯焊丝进行二氧化碳气体保护焊，二氧化碳气体为80%Ar+20%CO₂，气体流速为25L/min，在高强耐候钢与普通钢界面之间形成焊缝。

本发明的一些实施例中，高强耐候钢为Q700NH高强耐候钢，普通钢为Q355B普通钢，Q700NH高强耐候钢与Q355B普通钢之间的强度差超过300MPa，对焊接材料的低温韧性要求更高。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

以下实施例中使用到的稀土银核壳粉参考CN107096915A制备而成，具体制备步骤如下：

（1）按重量比3:2称取纳米氧化铈（CeO₂）粉与纳米氧化镧（La₂O₃）粉，混合后加入含有0.1%(w/v)六偏磷酸钠（作为分散剂）的去离子水中，配制成固含量为5%的悬浮液。在冰水浴下，超声处理（功率600W，开2s，停1s）1 h，得到分散均匀的稀土氧化物悬浮液，备用。

（2）取步骤（1）所得悬浮液100 mL，逐滴加入100 mL的7.5%(v/v)3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）无水乙醇溶液中（用乙酸调节pH至5.0）。在60℃下磁力搅拌反应4 h，离心分离（8000~12000 rpm，15~20 min），用无水乙醇清洗3次以去除未反应的APTES，所得固体于60℃真空干燥2 h，得到氨基化改性的稀土氧化物粉末，备用。

（3）将步骤（2）所得改性稀土氧化物全部加入混合溶液(由1.0 g硝酸银、200 mL去离子水及300 mL聚乙烯吡咯烷酮（PVP）组成)中，超声分散15 min，得A液；

另取0.8 g硼氢化钠（NaBH₄）溶于100 mL去离子水中，用10wt%氢氧化钠溶液调节pH至8.5，得B液；

使用蠕动泵以5 mL/min的速度将B液滴加入A液，反应过程中持续超声搅拌(超声功率300±50W，频率40kHz)，继续搅拌反应12 h，通过中间取样（每2h一次）监测反应进度，反应结束后立即加入0.1% PVP（相对于溶液体积）作为Ag颗粒分散剂，离心分离（10000~14000 rpm，20~30 min），得表面活化的稀土氧化物。

（4）将步骤（3）所得表面活化的稀土氧化物移入化学镀银液中，控制反应温度8℃、pH 8.5，超声搅拌反应25 min[化学镀银液组成为：硝酸银（AgNO₃，浓度4.0 g/L）、酒石酸钾钠（NaKC₄H₄O₆，浓度5.0 g/L）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆，浓度12.5 g/L）及水]。反应结束后，离心分离（12000~15000 rpm，25~35 min），用去离子水清洗3次，于60℃真空干燥2 h，得稀土银核壳粉。

稀土银核壳粉的粒径为8~12 μm，壳部占核壳结构总质量的60%~80%，银厚度为1.0~2.0 μm。

以下实施例中用到的原料信息如下：

铌钒复合粉由重量比为3:1的铌粉和钒粉组成，粒径为10~15 μm，铌粉及钒粉纯度均不低于99.5%；

镍基合金粉中各元素的质量百分比约为：Ni85%，Cr8%，Cu5%，Mn2%，C≤0.10%，Si≤1.0%，P≤0.020%，S≤0.020%，粒径为10~20 μm。

钛硼合金粉中，Ti与B的重量比为4:1，其中，Ti与B的总质量分数不低于99.0%，其余为不可避免的杂质，粒径为10~20 μm；

造渣剂由重量比为3:2的氟化钙(纯度≥98%)和硅酸锆(纯度≥99%)组成，粒径为10~30μm；

钼粉的粒径为1~5 μm；

铁粉的粒径为5~15μm；

金属外皮为低碳钢带，碳含量≤0.05%。

实施例

1.制备焊粉

按表3准备原料，并将原料混合成焊粉。

2.药芯焊丝

（1）熔炼与精炼：将铁粉、镍基合金粉等原材料混合后熔清，在1680℃、真空度0.1Pa下精炼15min，充入高纯氩气，加入电解锰及工业纯钛，采用镍镁合金脱氧，1635℃出钢浇铸成钢锭；

（2）锻造与轧制：钢锭去除氧化皮后，在1140℃锻造成500mm×500mm×500mm方坯，空冷；方坯加热至1100℃保温25min，轧制成直径8mm盘条；

（3）拉拔与退火：盘条经中间退火（680℃×20min空冷）后，多道次拉拔至直径1.2mm，制得药芯焊丝。

3.应用

将所得药芯焊丝用于高强耐候钢（Q700NH、板厚22mm）与普通钢（Q355B、板厚22mm）之间角焊缝的立焊焊接，具体步骤如下：

（1）焊前准备：

A) 坡口加工与清理试板采用V形坡口，坡口尺寸：60°±5°V形，钝边1.5mm，根部间隙2mm，反变形3°~4°。坡口及坡口两侧≥50mm范围内，采用机械打磨（如角磨机）的方法，彻底清除油污、水分、铁锈、氧化皮等杂质，直至露出均匀的金属光泽。清理后，需用丙酮或无水乙醇擦拭，进一步去除残留污渍。

B) 环境控制

焊接作业必须在以下环境条件下进行：

环境温度：不低于10℃。

相对湿度：不高于60%。

风速：不大于2 m/s，露天作业时必须搭设防风棚。

母材温度：必须确保高于环境露点温度3℃以上，以防止凝露。

严禁在雨、雪、雾天气及母材表面有可见水分时进行露天作业。

C) 组对与点固焊

试板组对后，在坡口内进行点固焊。点固焊应位于焊缝的起始端、终止端及中间位置（视试板长度而定，间距一般不超过300mm）。点固焊缝长度应为30~40mm，焊缝厚度为5~6mm。点固焊所用焊材、工艺及焊工资格应与正式焊接相同，并保证良好熔合。焊后应仔细检查点固焊缝表面，确保无裂纹等缺陷。

D) 预热

焊接前必须对试板进行预热。预热采用电加热法或火焰加热法，并确保均匀加热。

预热温度：120~150℃。

预热范围：为焊缝中心两侧各≥100mm（即总宽度≥200mm或为板厚的2倍以上，取较大值）。

测温要求：使用接触式测温仪，在加热面反向侧距坡口中心50mm处测量，确保整个预热区域内温度均达到要求。

E) 焊接设备

调试焊接设备，并结合日铁溶接《WELDREAM690MPa级焊丝技术手册》推荐值，设置焊接工艺具体参数，如表1所示：

表1

（2）焊接：

保护气体：80%Ar+20%CO₂；气体流量：20～25L/min；气体露点：≤-40℃；焊丝伸出长度：14~16mm；焊丝烘焙：焊丝严格按规范烘焙（通常350℃×1h），焊丝从保温桶中取出后，暴露时间不得超过3小时；焊枪角度：与工件表面夹角70°~80°；

采用左向焊（右焊法），保持短弧焊接，运条时可作轻微摆动或直线移动，密切观察熔孔大小，实时观察熔池和焊缝成形同时，焊工需对焊缝进行100%目视检查，发现气孔、夹渣、咬边等缺陷应立即清除并修复。

另外，对每一块试板的实际焊接电流、电压、速度、预热温度、层间温度等关键参数进行记录，并与焊接时间/焊缝长度对应。

表2

（3）焊后处理：

焊接完成后，立即采取缓冷措施，如用保温棉（硅酸铝板）包裹焊缝区域，使其缓慢冷却至室温。

尺寸检查：采用焊脚测量尺检查焊脚尺寸（K值）。

外观检查：焊缝表面不得有裂纹、气孔、咬边、未熔合等缺陷。

无损检测（NDT）：对试板焊缝全长进行超声检测（UT），检测通常要求在焊后24小时甚至更长时间后进行（以防延迟裂纹）。

（4）取样检测：

按照GB/T 8110-2020、GB/T 4336-2016、GB/T 2652-2022和GB/T 2650-2022的要求，在试板上进行取样，所得性能测试结果如表3所示。

表3各实施例的焊粉组成及所制备的药芯焊丝的性能测试结果

表3（续）

表3（续）

如表3所示，实施例1~18提供的药芯焊丝采用CO₂气保护焊接，由于稀土等微合金元素的保护，熔敷金属合金元素烧损较少，有效保证了焊缝熔敷金属的强韧性和耐久性，有效改善了熔池的氧化还原反应，熔池的流动性，使氮气孔、氢气孔率降低，夹杂物数量减少且大尺寸夹杂物数量细化；该焊缝熔敷金属的性能：熔敷金属屈服强度≥750MPa，熔合区腐蚀电位差≤20mV，熔合区硬度梯度≤150HV/mm，熔合区-40℃下标准冲击功≥115J。焊接接头各区电位差异均不大，说明实施例1~18提供的药芯焊丝形成的焊缝与母材匹配接头具有优良的耐腐蚀性能。焊缝综合性能满足高强耐候钢与普通钢之间的强度过渡、耐蚀匹配及抗裂需求等焊接匹配技术条件。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于药芯焊丝的焊粉，其特征在于：所述焊粉按重量百分比计包含：

稀土银核壳粉2.00±0.20%；

铌钒复合粉7.05±0.53%；

镍基合金粉29.97±1.91%；

钼粉0.79±0.11%；

钛硼合金粉1.00±0.12%；

造渣剂10.00±2.82%；

余量为铁粉及不可避免的杂质；

其中：

所述稀土银核壳粉由稀土银核壳颗粒组成，所述稀土银核壳颗粒具有核壳结构，核部为由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成的稀土氧化物，壳部为银，壳部占核壳结构总质量的60%~80%；

所述铌钒复合粉由重量比为(2~4):1的铌粉和钒粉组成，铌粉及钒粉纯度均不低于99.5%；

所述钛硼合金粉中，Ti与B的重量比为(3~5):1，其中，Ti与B的总质量分数不低于99.0%，其余为不可避免的杂质；

所述镍基合金粉按重量百分比计包括：Cr 7.5%~8.5%，Cu 4.5%~5.5%，Mn 1.8%~2.2%，C≤0.10%，Si≤1.0%，P≤0.020%，S≤0.020%，余量为Ni及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的用于药芯焊丝的焊粉，其特征在于：

所述稀土银核壳颗粒的粒径为8~12 μm，壳部的厚度为1.0~2.0 μm；和/或，

所述铌钒复合粉的粒径为10~15 μm；和/或，

所述钼粉的粒径为1~5 μm；和/或，

所述钛硼合金粉的粒径为10~20 μm；和/或，

所述镍基合金粉的粒径为10~20 μm；和/或，

所述造渣剂的粒径为10~30μm；和/或，

所述铁粉的粒径为5~15μm。

3.根据权利要求1所述的用于药芯焊丝的焊粉，其特征在于：所述稀土氧化物由重量比为（2~3）：1的纳米氧化铈与纳米氧化镧组成。

4.根据权利要求1所述的焊粉，其特征在于：所述造渣剂由重量比为（1.3~1.6）:1的氟化钙和硅酸锆组成，其中氟化钙纯度≥98%、硅酸锆纯度≥99%。

5.根据权利要求1所述的用于药芯焊丝的焊粉，其特征在于：所述稀土银核壳粉的制备方法包括：

对稀土氧化物颗粒进行表面氨基化改性；

对氨基化改性的稀土氧化物颗粒进行化学镀银；

对镀银后的颗粒进行洗涤和干燥处理，得到稀土银核壳粉。

6.一种药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝由权利要求1~5任一项所述的用于药芯焊丝的焊粉以及包裹在焊粉外的金属外皮组成。

7.根据权利要求6所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝用于高强耐候钢和普通钢界面的二氧化碳气体保护焊焊接。

8.根据权利要求6所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝在高强耐候钢和普通钢之间形成的焊缝满足以下至少一项性能指标：

（i）熔合区-40℃下标准冲击功为115~125J；

（ⅱ）焊缝与高强耐候钢之间的熔合区腐蚀电位差为17.0~19.5mV；

（ⅲ）熔合区硬度梯度为120~146HV/mm。

9.根据权利要求6所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝中，焊粉的重量百分比为40%~60%。

10.一种高强耐候钢与普通钢的异种焊接方法，其特征在于：采用权利要求6~9中任一项所述的药芯焊丝进行二氧化碳气体保护焊，二氧化碳气体为80%Ar+20%CO₂，气体流速为25L/min，在高强耐候钢与普通钢界面之间形成焊缝。