CN101234457A

CN101234457A - 高强度高韧性气体保护焊丝

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Publication number: CN101234457A
Application number: CNA2008100469606A
Authority: CN
Inventors: 刘吉斌; 缪凯; 王玉涛; 陈浮; 黄治军; 胡家国; 胡因洪; 牟文广
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: CN100560273C

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性气体保护焊丝，其解决目前该技术领域存在的强度级别不能适应市场需求、成本较高等不足。技术措施：该焊丝的化学成分(按重量％)为：C：0.04～0.10，Si：0.30～0.80，Mn：1.30～2.0，Ni：0.40～0.89，Cr：0.20～0.50，Mo：0.20～0.60，Cu：0.56～0.80，Ti：0.05～0.20，B：0.002～0.010，P≤0.020，S≤0.015，Als≤0.03，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明焊丝质量稳定，熔敷金属的力学性能为R_el＝810MPa，R_m＝840MPa，A＝16％，Z＝66％.－20℃平均冲击功A_KV为141J，－40℃平均冲击功A_KV为128J，－60℃平均冲击功A_KV为70J；适用于800MPa级超细晶钢的气体保护焊；由于降低Ni元素含量，使焊丝成本大幅降低，极易实施。

Description

高强度高韧性气体保护焊丝

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性气体保护焊丝，在80％Ar+20％CO₂混合气体保护下施焊，焊缝金属抗拉强度≥800MPa、-40℃冲击韧性A_KV≥47J、对焊接线能量适应范围宽的气体保护焊丝。

背景技术

随着科学的发展和技术的进步，焊接结构设计日趋向高参数、轻量化及大型化发展。低合金高强钢由于其性能优异和经济效益显著，在焊接结构中得到越来越广泛的应用。这类钢强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接结构自重创造了条件。对于车辆、船舶、工程机械等运行结构，采用焊接性好的低合金高强钢可促进工程结构向大型化、轻量化和高效能方向发展。

目前国内市场上与低合金高强钢匹配的气保护焊丝品种有限，通过对1984年至今的国内外文献与专利的检索，国内高强度气保护焊丝专利多为500～700MPa强度级别，如哈尔滨焊接研究所的600MPa级HS-60、武钢700MPa级耐候气保护焊丝等，强度达到800MPa以上的焊丝合金含量较高，如中国专利号为200510019059.6《用于焊接高强钢的气体保护焊丝》、中国专利公开号为CN1413795的专利、国外类似气保护焊丝产品如日本神户制钢的MGS-88A焊丝，日铁溶接的YM-80C、YM-80A焊丝及美国林肯的LA-100焊丝等，均为通过加入高量的Ni，配以适量的Cr，再加入适量的Mo或Re元素实现焊缝金属的固溶强化，由于大量加有价格昂贵的Ni元素，导致生产成本偏高，无法满足国内市场对高强度气保护焊丝的大量需求。

本发明提供了一种熔敷金属强度大于800MPa，-20℃冲击韧性达到141J的经济型高强度高韧性气保护焊丝。焊接材料研制的主要内容就是围绕着如何通过设计合理的焊接材料化学成分，得到一定的化学元素构成的焊缝金属、控制焊缝的组织，达到所需的强度、韧性或其它物理性能要求。大量研究工作表明，低合金钢的焊缝强化因素可分为三个部份：固溶强化，晶界强化和析出强化。为了说明这三个因素对焊缝强度的贡献，Grong等引用了低碳贝氏体钢的强化模型。首先是Mn、Si、N等元素的固溶强化，大约提供165MPa的强度；其次是晶粒细化对强度的贡献，晶粒越小，对强度的贡献越大；最后是析出强化，在小尺寸晶粒时，碳化物对焊缝的强度有显著的影响。对焊缝金属而言，针状铁素体的尺寸一般为2μm，对焊缝的强度有极大的贡献，按模型预测，焊缝金属最高屈服强度可达到650MPa。

目前国际市场Ni合金价格走高，本发明中采用降低合金元素Ni含量，适当增加Cu含量，以求达到保证高强度高韧性的同时，大幅降低焊丝生产成本。实际气体保护焊接过程中均为多层多道焊接，试验研究表明，采用Cu元素的析出强化作用，使多道焊时焊缝金属在后续焊道的热作用下得到ε-Cu析出，保证焊缝的强度和韧性。

发明内容

此项发明的目的在于克服上述不足，提供一种800MPa及以上强度级别，且具有优良低温冲击韧性能的经济、性价比高的气体保护焊丝。

实现目的的技术措施：

高强度高韧性气体保护焊丝，其特征在于该焊丝的化学成分(按重量％)为：C：0.04～0.10，Si：0.30～0.80，Mn：1.30～2.0，Ni：0.40～0.89，Cr：0.20～0.50，Mo：0.20～0.60，Cu：0.56～0.80，Ti：0.05～0.20，B：0.002～0.010，P≤0.020，S≤0.015，Als≤0.03，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明中各组分的作用及机理：

C：是调整焊缝金属强度的主要元素，必须保证焊丝中有一定的C含量。但在高强度焊缝金属中，过高的碳含量促进高碳马氏体的形成，会使焊缝金属淬硬性增加，塑性降低，使焊缝金属冷裂纹敏感性增加，因此将焊丝中的C含量控制在0.04～0.10范围内。

Mn：在焊缝中有利于脱氧，脱氧反应产生的氧化物夹杂和氧硫复合夹杂可作为针状铁素体的形核质点。Mn是焊缝强化的有效元素，当焊丝中Mn含量低于1.00时，在熔滴和熔池反应阶段脱氧不充分，使焊缝中氧含量过高，且使焊缝强度偏低。当焊丝中Mn含量过高时，焊缝金属中过高的Mn含量易造成Mn的偏析，在偏析区易产生M-A岛状组织，从而降低焊缝金属的韧性，因此将焊丝中的Mn含量控制在1.30～2.00之间。

焊丝中Si加入量为0.30～0.80，此范围是根据当焊缝中Mn/Si≈3时，具有较好的脱氧效果，并考虑在气体保护焊中两种元素的过渡系数而确定的。

Mo：加入量为0.20～0.50，Mo元素一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，另一方面推迟奥氏体的转变温度，促进针状铁素体的形成。

Ni：可以提高焊缝金属的韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性，降低脆性转变温度。同时Ni在焊缝金属中起着重要的强化作用。焊缝金属中Ni对冲击韧性的影响与Mn含量之间存在交互作用，当两种元素位于最佳的配合范围之内时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配，因此，根据上述Mn的加入量，可以确定焊丝中Ni加入量的适宜范围是Ni：0.40～0.89。

将焊丝中Cr的含量设计为0.20～0.50，是因为Cr强化铁素体的效果显著，过高的Cr含量会导致焊缝金属冷裂纹敏感性增加。

Cu：在焊缝金属中的作用与其含量有关，与同强度级别焊丝相比，本焊丝中Ni含量大幅降低，以节约焊丝制造成本，但为了保证焊丝的性能，故适当提高了Cu的含量，以利用Cu元素在多道焊热循环下析出强化作用而保证强度。当Cu含量小时，析出强化作用不明现，当Cu含量大时，容易导致焊缝出现热裂纹。因此将焊丝中的Cu含量控制在0.56～0.80。

焊丝中加入微量的Ti、B可以进一步细化焊缝组织，Ti与O、N形成的TiO、Ti₂O₃和TiN，作为针状铁素体的形核质点，促进了奥氏体晶内针状铁素体的形成。B向奥氏体晶界偏聚降低了晶界能，抑制了晶界铁素体的形核和长大。同时Ti在焊缝中保护B不被氧化。焊丝中Ti、B采用联合加入效果更好，Ti含量应为0.05～0.20、B含量应为0.002～0.010。

S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，应尽量降低。要求焊丝中S≤0.015、P≤0.020。

总之，本发明通过在气保护焊丝中联合加入适量的Ti和B，扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中稳定获得大量的针状铁素体；加入Mn、Mo进行固溶强化；加入Ni进一步提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；加入Cr以强化铁素体；尽量降低S、P等有害元素的含量。通过上述焊丝成分设计，从而使焊缝金属具有合适的合金体系，并最终使相应的焊缝金属获得优异的强韧性匹配。

本设计焊丝具有如下优点：

1.焊丝中通过添加Ni、Cr、Cu、Ti、Mo、B等多种合金元素，并选择最佳的含量范围，保证在较低碳含量下焊缝金属具有优良的强韧性。

2.为了强化焊缝金属，获得优良的韧性，采用Cu元素的析出强化作用，使多道焊时焊缝金属在后续焊道的热作用下得到ε-Cu析出，保证焊缝的强度和韧性。这种效果在厚板气保护焊接中较明显。

3.在20％CO₂+80％Ar混合气体保护下，本发明焊丝具有优良的焊接工艺性能。

4.本发明焊丝质量稳定，熔敷金属的力学性能为R_el＝810MPa，R_m＝840MPa，A＝16％，Z＝66％.-20℃平均冲击功A_KV为141J，-40℃平均冲击功A_KV为128J，-60℃平均冲击功A_KV为70J；适用于800MPa级超细晶钢的气体保护焊，可广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型、重要结构低合金高强钢的焊接。

5.降低Ni合金元素等含量，大幅度降低焊丝的生产成本，其焊丝钢冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，适应工业大生产。

具体实施方式

下面结合实例进一步详述本发明焊丝：

实施例1

采用50kg真空炉进行焊丝钢冶炼，冶炼过程中注意控制钢中气体含量，对冶炼工艺无特殊要求。焊丝钢的化学成份(按重量％)为：C：0.053、Mn：1.48、Si：0.39、S：0.012、P：0.012、Ni：0.59、Ti：0.092、B：0.003、Cu：0.63，Cr：0.38、Als：0.006、Mo：0.30，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。将钢锭轧制成盘圆，拉拔成直径为1.2mm的焊丝。

采用80％Ar/20％CO₂混合气体保护焊接，焊接电流275A，电弧电压29V，焊接速度33cm/min，焊接线能量为15KJ/cm，气体流量18-20L/min。焊接试板厚20mm，坡口角度45°，带12mm垫板，根部间隙为12mm。熔敷金属的力学性能为：R_eL＝810MPa，R_m＝840MPa，A＝16％，Z＝66％，焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝141J，冲击功A_kv(-40℃)＝128J，冲击功A_kv(-60℃)＝70J，具有优良的低温冲击韧性及优良的强韧性匹配。

采用80％Ar+20％CO₂作为保护气体，焊接8mm厚800MPa超细晶钢。焊接规范为：焊接电流245A，焊接电压28V，焊接速度45cm/min，气体流量20L/min，焊接线能量9KJ/cm。接头板拉的抗拉强度R_m＝835MPa，试样断在焊外16mm处，接头冷弯d＝3a、120°完好。冷弯性能优良，焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝148J，A_kv(-40℃)＝105J。试验结果说明，本发明焊丝与800MPa超细晶钢焊接，接头具有优良的强韧性匹配。焊缝综合性能满足800MPa超细晶钢焊接技术条件，焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

实施例2

采用0.5吨电炉进行焊丝钢冶炼。其焊丝钢的化学成份(按重量％)为：C：0.062、Mn：1.25、Si：0.31、S：0.0045、P：0.009、Ni：0.50、Ti：0.17、B：0.006、Cu：0.75，Cr：0.20，Als：0.010、Mo：0.50，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为Φ1.2mm的焊丝，经表面镀铜后成为成品焊丝。采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行焊接时，焊接规范为：焊接电流270～280A，焊接电压29V，焊接速度33cm/min，气体流量18-20L/min，焊接线能量15KJ/cm。焊接试板厚20mm，坡口角度45°，带12mm垫板，根部间隙为12mm。熔敷金属的力学性能为：ReL＝825MPa，Rm＝860MPa，A＝16％，Z＝64％，焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝134J，冲击功A_kv(-40℃)＝110J，冲击功A_kv(-60℃)＝75J，焊缝具有优良的低温冲击韧性及优良的强韧性匹配。

采用80％Ar+20％CO₂作为保护气体，焊接12mm厚800MPa超细晶钢。焊接规范为：焊接电流250A，焊接电压29V，焊接速度30cm/min，气体流量20L/min，焊接线能量15KJ/cm。接头板拉的抗拉强度R_m＝840MPa，试样断在焊外12mm处，接头冷弯d＝3a、120°完好。冷弯性能优良，焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝138J，A_kv(-40℃)＝109J。试验结果说明，本发明焊丝与800MPa超细晶钢焊接，接头具有优良的强韧性匹配。焊缝综合性能满足800MPa超细晶钢焊接匹配技术条件，焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

实施例3

采用0.5吨电炉进行焊丝钢冶炼。其焊丝钢的化学成份(按重量％)为：C：0.08、Mn：1.70、Si：0.52、S：0.0041、P：0.009、Ni：0.49、Ti：0.12、B：0.005、Cu：0.65，Cr：0.23，Als：0.008、Mo：0.25，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为Φ1.2mm的焊丝，经表面镀铜后成为成品焊丝。进行板厚为12mm的800MPa超细晶钢平焊对接试验，采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行焊接。焊接规范为：焊接电流250A，焊接电压29V，焊接速度30cm/min，气体流量20L/min，焊接线能量15KJ/cm。接头板拉的抗拉强度R_m＝845MPa，断在焊外17mm处，接头冷弯d＝3a、120°完好；焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝126J，A_kv(-40℃)＝101J。。焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

实施例4

采用0.5吨电炉进行焊丝钢冶炼。其焊丝钢的化学成份(按重量％)为：C：0.074、Mn：1.33、Si：0.32、S：0.0041、P：0.009、Ni：0.40、Ti：0.15、B：0.006、Cu：0.80，Cr：0.26，Als：0.009、Mo：0.26，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为Φ1.2mm的焊丝，经表面镀铜后成为成品焊丝。进行板厚为12mm的800MPa超细晶钢平焊对接试验，采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行焊接。焊接规范为：焊接电流250A，焊接电压29V，焊接速度30cm/min，气体流量20L/min，焊接线能量15KJ/cm。接头板拉的抗拉强度R_m＝845MPa，断在焊外17mm处，接头冷弯d＝3a、120°完好；焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝126J，A_kv(-40℃)＝101J。焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

实施例5

采用0.5吨电炉进行焊丝钢冶炼。其焊丝钢的化学成份(按重量％)为：C：0.081、Mn：1.52、Si：0.43、S：0.0039、P：0.008、Ni：0.89、Ti：0.14、B：0.004、Cu：0.56，Cr：0.27，Als：0.007、Mo：0.27，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为Φ1.2mm的焊丝，经表面镀铜后成为成品焊丝。进行板厚为12mm的800MPa超细晶钢平焊对接试验，采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行焊接。焊接规范为：焊接电流250A，焊接电压29V，焊接速度30cm/min，气体流量20L/min，焊接线能量15KJ/cm。接头的抗拉强度R_m＝845MPa，断在焊外17mm处，接头冷弯d＝3a、120°完好；焊缝冲击功A_kv(-20℃)＝126J，A_kv(-40℃)＝101J。。焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

Claims

1、高强度高韧性气体保护焊丝，其特征在于该焊丝的化学成分(按重量％)为：C：0.04～0.10，Si：0.30～0.80，Mn：1.30～2.0，Ni：0.40～0.89，Cr：0.20～0.50，Mo：0.20～0.60，Cu：0.56～0.80，Ti：0.05～0.20，B：0.002～0.010，P≤0.020，S≤0.015，Als≤0.03，余量为Fe及不可避免的杂质。