CN101837525B - 一种大线能量焊接电弧焊焊条 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大线能量焊接电弧焊焊条，其以H08A为焊芯，药皮配方包括矿物原料和合金元素，其中各组分质量百分含量为：萤石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，钛白粉5-10%，锰铁10-15%，长石5-10%，锆砂4-7%； Mo 0.5-4.5%，Ni 0.8-3.8%，Ti0.2-2.0%，B 0.3-2.5%,稀土元素0.1-0.5%。本发明能够有效控制大线能量条件下焊缝金属组织形态和晶粒尺寸，提高焊接接头强度和韧性，成本低廉，用来实现对中厚板高强钢的大线能量条件下良好焊接。也可用于同等强度级别的超级钢、普通低合金钢和碳素钢的焊接。

Description

一种大线能量焊接电弧焊焊条

技术领域

本发明涉及一种电弧焊焊条，具体地说是一种大线能量焊接电弧焊焊条。其适用于中厚板高强钢大线能量焊接，也可用于相同强度级别的超级钢和普通碳素钢的焊接。

背景技术

钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳性能等。但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能（强度、韧性）恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。钢大线能量焊接的主要难点在于其热影响区（ＨＡＺ）的强度和韧性随着输入线能量的增大而降低。因此，ＨＡＺ的韧性成为制约高强度钢大线能量焊接的关键因素。

为了解决ＨＡＺ的韧性问题，国内外相继开展了大线能量（大于50KJ/cm）焊接用钢的研究工作，提出的改善韧性的方法主要有降低碳含量和碳当量、利用微合金元素和氧化物夹杂细化奥氏体晶粒、获得韧性好的组织如针状铁素体以及贝氏体组织的超低碳钢、通过改进生产工艺提高韧性等。通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊接的钢种，其组织主要为铁素体和超低碳贝氏体。国内武钢研制了ＷＧＪ５１０Ｃ２和ＷＤＬ６１０Ｄ２钢，具有较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。该钢以Ｎｂ、Ｖ等微合金元素提高钢的强度，采用Ｔｉ的复合氧化物获得≥５０ｋＪ／ｃｍ的抗大线能量焊接性能。

钢板的研制促进了焊接材料的开发。焊接材料主要是通过合金化控制焊缝的组织，以实现大线能量条件下焊缝金属的强韧化，从而确保焊缝金属与母材组织性能的匹配。由于适合大线能量焊接的高强钢与同等强度的普通钢相比在大线能量焊接条件下其热影响区仍具有很好的综合性能，而现有的焊接材料都是针对普通钢材所研制，例如：E5015焊芯为H08A，焊条药皮配方为（质量%）：钛白粉2-10%、云母2-5%、石英3-9%、大理石3-50%、中碳锰铁5-6%、45#硅铁5-10%、萤石12-20%、钛铁10-13%。在大线能量条件下（大于50KJ/cm），由于焊缝金属组织粗大，且容易出现其它冶金缺陷，因此现有的焊接材料虽然能够满足强度指标要求，但综合性能明显低于同等强度的大线能量焊接高强钢，即现有焊接材料组织性能不能与大线能量焊接高强钢很好的匹配，且强度级别越高，差别越大。要实现焊缝的强韧化，并避免冷裂纹，需开发与母材组织性能相匹配的焊接材料，但在这方面尚无成熟的经验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种合金组成合理，通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化，焊接接头与母材组织性能匹配良好，具有低氢、低碳、高纯洁性、细晶粒的特点，实现对中厚板高强钢大线能量焊接的电弧焊焊条。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大线能量焊接电弧焊焊条，其以H08A为焊芯，其特征是：药皮配方包括矿物原料和合金元素，各组分质量百分含量为：萤石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，钛白粉5-10%，锰铁10-15%，长石5-10%，锆砂4-7%； Mo 0.5-4.5%，Ni 0.8-3.8%，Ti 0.2-2.0%，B 0.3-2.5%,稀土元素0.1-0.5%。

本发明根据大线能量焊接特点，选择H08A为焊芯，提供的中厚板高强钢大线能量焊条具有低氢、低碳、高纯洁性、细晶粒的特点。药皮矿物原料选用萤石、石英、长石、锆砂、锰铁、钛白粉、大理石等，焊条药皮重量系数和焊条外径的选取与普通焊条相同。根据大量实验结果确定药皮中所添加合金元素（Ni、Mo、Ti、B和稀土元素）含量的设计范围。以实现不同强度级别中厚板高强钢的大线能量最优焊接。对照现有技术，本发明的有益效果是：通过合金化手段，控制大线能量条件下焊缝金属晶粒尺寸和组织形态，同时对焊接热影响区晶粒长大趋势进行有效控制，进而提高焊接接头强度和韧性，使焊接接头综合力学性能不低于高强钢母材，从而满足使用要求；同时这种焊条成本低廉，无需改进生产设备，便于生产，也可用于相同强度级别超级钢、普通低合金钢和碳素钢的焊接。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述：

本发明一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，药皮配方包括矿物原料和合金元素。各组分质量百分含量为：萤石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，钛白粉5-10%，锰铁10-15%，长石5-10%，锆砂4-7%； Mo 0.5-4.5%，Ni 0.8-3.8%，Ti 0.2-2.0%，B 0.3-2.5%,稀土元素0.1-0.5%。在严格控制碳含量的前提下，通过添加适量的合金元素和少量的稀土元素，可以使焊缝金属晶粒尺寸明显细化，焊缝组织结构得到优化，进而实现焊接接头的强韧化。

本发明焊条药皮矿物原料的作用是：萤石、石英、大理石和长石联合作用能够提高电弧燃烧的稳定性，造气、造渣，保护焊接熔池，严格控制扩散氢含量；钛白粉、锰铁有利于焊缝脱氧、去硫磷杂质，还可以为焊缝补充烧损的锰和钛等有益合金元素；萤石、石英、大理石、钛白粉和锆砂有利于减小飞溅，促进熔滴过渡；水玻璃的主要作用是把这些矿物原料良好的粘结起来，保证焊条药皮的质量。药皮中通过添加合金元素及其含量来控制大线能量条件下焊缝金属的组织形态和晶粒尺寸，进而实现焊缝金属的强韧化。所添加合金元素及主要作用是：① Ni的固溶强化作用较小，但细化晶粒效果较大，对韧性改善有利。在焊缝中增加镍后将会发生以下变化：焊态下焊缝中先共析铁素体的比例逐渐减少，针状铁素体逐渐增多；②金属Mo在一定含量范围能细化晶粒，使焊缝金属硬度，屈服强度，抗拉强度和韧性均得到提高； Mo含量过高对冲击韧性不利，当Mo含量控制在5%以下时，既能细化晶粒，又能提高焊缝金属的耐磨性。③金属Ti可以细化晶粒，提高韧性，与焊缝金属中的氮结合，可以减少固溶氮的有害作用，并具有脱氧的作用，可以减少焊缝金属的含氧量。④B在焊缝凝固过程中与N结合为BN，降低固溶N的含量；固溶B能抑制γ晶间的先共析铁素体的析出，提高抗裂性，减少氢脆，B、Ti共存时效果更佳，B也可以细化晶粒。⑤稀土元素（铈Ce或钇Y）作为一种微量合金加入到焊条药皮中，可以改变夹杂物形态并减少夹杂物的含量，提高高温抗裂性能，细化晶粒，提高焊缝金属的抗拉强度、屈服强度和韧性。对改善焊条的焊接性能，提高电弧稳定性也能起到很好的作用。

使用本发明在大线能量条件下（大于50KJ/cm）焊接400MPa—500MPa级高强钢主要通过合金化调整大线能量条件下焊缝金属组织形态和晶粒尺寸（晶粒尺寸小于20微米），使其获得细小针状铁素体即可获得理想的强韧性；在大线能量条件下（大于50KJ/cm）焊接600MPa—800MPa级高强钢主要是在严格控制焊缝金属碳含量的前提下，通过合金化调整大线能量条件下焊缝组织形态和晶粒尺寸（晶粒尺寸小于15微米），使其获得细小的超低碳下贝氏体组织即可获得理想的强韧性。进而获得与母材性能相匹配的理想的强韧性，实现对中厚板高强钢的大线能量条件下良好焊接。

实施例1. 一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，焊条药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石15%，石英8%，大理石35%，钛白粉9%，锰铁15%，长石10%，锆砂4%； Mo 1.4%，Ni 2.0%，Ti0.2%，B 0.3%,稀土元素（优先选铈Ce）0.1%。大线能量条件下（大于50KJ/cm），焊缝金属晶粒尺寸小于20微米，下屈服强度和抗拉强度分别为406MPa和610MPa， 0℃的冲击吸收功为138J，延伸率为28%，可用于400MPa级中厚高强钢、同等强度级别的低合金钢和碳素钢的大线能量焊接，也可用于上述材料的一般焊接。

实施例2. 一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，焊条药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石19%，石英6%，大理石35%，钛白粉6%，锰铁13%，长石10%，锆砂6%； Mo 0.5%，Ni2.2%，Ti1.0%，B 1.0%,稀土元素（优先选铈Ce）0.3%。大线能量条件下（大于50KJ/cm），焊缝金属晶粒尺寸小于20微米，下屈服强度和抗拉强度分别为486MPa和650MPa， 0℃的冲击吸收功为140J，延伸率为25%，可用于500MPa级中厚高强钢、同等强度级别的低合金钢和碳素钢的大线能量焊接，也可用于上述材料的一般焊接。

实施例3. 一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，焊条药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英5%，大理石34%，钛白粉5%，锰铁10%，长石5%，锆砂7%； Mo 4.5%，Ni 0.8%，Ti1.6%，B 1.8%,稀土元素铈Ce 0.3%。大线能量条件下（大于50KJ/cm），焊缝金属晶粒尺寸小于15微米，下屈服强度和抗拉强度分别为606MPa和750MPa， 0℃的冲击吸收功为128J，延伸率为25%，可用于600MPa级中厚高强钢、同等强度级别的低合金钢和碳素钢的大线能量焊接，也可用于上述材料的一般焊接。

实施例4. 一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，焊条药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英6%，大理石25%，钛白粉6%，锰铁12%，长石10%，锆砂5%； Mo 3.0%，Ni 3.8%，Ti 1.7%，B 2.0%,稀土元素铈Ce 0.5%。大线能量条件下（大于50KJ/cm），焊缝金属晶粒尺寸小于15微米，下屈服强度和抗拉强度分别为698MPa和815MPa， 0℃的冲击吸收功为122J，延伸率为22%，可用于700MPa级中厚高强钢、同等强度级别的低合金钢和碳素钢的大线能量焊接，也可用于上述材料的一般焊接。

实施例5. 一种大线能量焊接电弧焊焊条，焊芯为H08A，焊条药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英6%，大理石20%，钛白粉10%，锰铁14%，长石7%，锆砂6%； Mo 4%，Ni 3%，Ti 2.0%，B 2.5%,稀土元素铈Ce0.5%。大线能量条件下（大于50KJ/cm），焊缝金属晶粒尺寸小于15微米，下屈服强度和抗拉强度分别为795MPa和876MPa， 0℃的冲击吸收功为108J，延伸率为21%，可用于800MPa级中厚高强钢、同等强度级别的低合金钢和碳素钢的大线能量焊接，也可用于上述材料的一般焊接。

Claims (6)

1.一种大线能量焊接电弧焊焊条，其以H08A为焊芯，其特征是：药皮配方包括矿物原料和合金元素，药皮配方各组分质量百分含量为：萤石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，钛白粉5-10%，锰铁10-15%，长石5-10%，锆砂4-7%； Mo 0.5-4.5%，Ni 0.8-3.8%，Ti 0.2-2.0%，B 0.3-2.5%，稀土元素0.1-0.5%。

2.根据权利要求1所述的大线能量焊接电弧焊焊条，其特征是：所述药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石15%，石英8%，大理石35%，钛白粉9%，锰铁15%，长石10%，锆砂4%； Mo 1.4%，Ni 2.0%，Ti0.2%，B 0.3%，Ce 0.1%。

3.根据权利要求1所述的大线能量焊接电弧焊焊条，其特征是：所述药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石19%，石英6%，大理石35%，钛白粉6%，锰铁13%，长石10%，锆砂6%； Mo 0.5%，Ni2.2%，Ti1.0%，B 1.0%，Ce 0.3%。

4. 根据权利要求1所述的大线能量焊接电弧焊焊条，其特征是：所述药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英5%，大理石34%，钛白粉5%，锰铁10%，长石5%，锆砂7%； Mo 4.5%，Ni 0.8%，Ti1.6%，B 1.8%，Ce 0.3%。

5.根据权利要求1所述的大线能量焊接电弧焊焊条，其特征是：所述药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英6%，大理石25%，钛白粉6%，锰铁12%，长石10%，锆砂5%； Mo 3.0%，Ni 3.8%，Ti 1.7%，B 2.0%，Ce 0.5%。

6.根据权利要求1所述的大线能量焊接电弧焊焊条，其特征是：所述药皮配方中各组分质量百分含量为：萤石25%，石英6%，大理石20%，钛白粉10%，锰铁14%，长石7%，锆砂6%； Mo 4%，Ni 3%，Ti 2.0%，B 2.5%，Ce 0.5%。