CN101905393A - 一种高韧性结构钢用实芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
一种高韧性结构钢用实芯焊丝，该焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：C0.06～0.12，Si0.4～0.8，Mn1.2～2.4，Ni0.05～0.30，Cr0.15～0.30，S≤0.015，P≤0.020，余量为Fe及其它不可避免的杂质。本发明提供的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，熔敷金属屈服强度大于500MPa，抗拉强度大于600MPa，焊接后，焊缝成形美观，飞溅小，裂纹敏感性低，能满足低合金高强钢板的焊接要求，相对于ER55-D2Ti焊丝或含镍钼系的60公斤级焊丝，在保证强度和冲击韧性的前提下，降低了生产及使用成本，适合大范围推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料焊接用气体保护焊丝，尤其是一种用于低合金高强钢板焊接的高韧性结构钢用实芯焊丝。
背景技术
目前国内用于低合金高强钢板(如Q460、Q550)焊接的气体保护焊丝品种单一，远远不能满足日益增长的低合金高强钢板气体保护焊的需求。国内普遍采用ER55-D2Ti焊丝或含镍钼系的60公斤级焊丝用于低合金高强钢板的焊接，但其成本高，不适合大范围推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高韧性结构钢用实芯焊丝，熔敷金属屈服强度大于500MPa，抗拉强度大于600MPa，焊接后，焊缝成形美观，飞溅小，裂纹敏感性低，能满足低合金高强钢板的焊接要求，相对于ER55-D2Ti焊丝或含镍钼系的60公斤级焊丝，在保证强度和冲击韧性的前提下，降低了生产及使用成本，适合大范围推广应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高韧性结构钢用实芯焊丝，该焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C 0.06～0.12，Si 0.4～0.8，Mn 1.2～2.4，Ni 0.05～0.30，Cr 0.15～0.30，S≤0.015，P≤0.020，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si＝2.5～3.0。
焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si＝3.0。
该焊丝材料组成还包括Ti，Ti的重量百分比为0.05～0.15，加Ti后Ni的重量百分比为0.05～0.15。
焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.50。
本发明采用Mn-Ni-Cr合金设计，并配合Si元素，使得该焊丝在保证强度和冲击韧性的前提下，其合金含量大大降低。
铬是抗腐蚀性的基本元素，能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性；又能显著提高强硬度和耐磨性，但过量的铬含量将会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性，因此本焊丝中的铬的重量含量应在0.15～0.3％。
镍能提高钢的强度，又能保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，能提高钢的抗疲劳性能，减少钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度，因此本焊丝中的镍的重量含量应在0.05～0.30％。
锰是硬化元素，同时还起到了脱氧和脱硫的作用，但过高的锰容易造成Mn的偏析，从而降低金属的韧性，因此本焊丝中锰的含量应在1.2～2.4％。
S、P有害元素，会对加工性能产生一些不利影响，主要会降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，还会降低钢的耐腐蚀性能。因此这些元素必须尽可能控制在最小范围内。本焊丝中S、P的重量含量控制为S≤0.015％，P≤0.020％。
本发明提供的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，有益效果如下：
1、与现有的ER55-D2Ti焊丝相比，合金含量比较如表1所示
表1
由上表中可以看出，本焊丝通过对化学成分进行合理的设计，各合金组分含量与现有的ER55-D2Ti焊丝相比，不需使用价格较为昂贵的钼钛合金(钼合金市价约为300000元/吨，钛合金市价约为200000元/吨)，而以价格便宜的镍铬合金代替(镍合金市价约为160000元/吨，铬合金市价约为15000元/吨)，大大降低了生产及使用成本，跟传统的钼钛系的60公斤级焊丝相比，增加了镍、铬合金的含量，不需使用钼钛合金，大大降低了生产及使用成本；同时，具有强度高、韧性好，抗裂性好等特点，熔敷金属屈服强度大于500MPa，抗拉强度大于600MPa，焊接后，焊缝成形美观，飞溅小，裂纹敏感性低，能满足低合金高强钢板的焊接要求，相对于ER55-D2Ti焊丝或含镍钼系的60公斤级焊丝，在保证强度和冲击韧性的前提下，降低了生产及使用成本。
2、在开发本产品时，采用了正交试验法考察C、Mn、Mn/Si、Ti、Mo、Ni、Cr个成分因素，及这七个成分因素影响中强度气体保护焊丝熔敷金属的强度及韧性位级表。S、P元素没有列入正交试验表，因其成分保持在一定的水平(如≤0.020％)是焊材行业通行的做法。通过试验，按照极差R的大小，把各合金元素对熔敷金属的强化及韧化的作用以大小顺序排列出来，结论是，强化效果最显著的是C，其次是Cr、Mo和Mn，再次是Mn/Si和Ni，最弱的是Ti；韧化效果最显著的是Ti，其次是Ni，再次Mn/Si，较弱的是C、Mn、Ni、Mo。显然，Mn/Si在对焊缝金属的强化和韧化过程中起着非常重要的作用，试验证明，Mn/Si为3时，焊缝金属的强度及韧性指标最好，考虑到金属中Mn、Si的还原反应产物MnO和SiO2如果残留在金属内部将为形成非金属夹渣物缺陷。研究表明，如采用Mn、Si共同脱氧，当Mn、Si的比例合适时，则可得到FeO-MnO-SiO2氧化物溶液，其熔点比液态金属低很多，流动性好，可在液态金属凝固之前浮出表面，不会产生非金属夹渣，而这个Mn/Si应在1.5以上，因而确定Mn/Si应控制在2.5～3.0时，能较好地控制焊缝金属的强度及韧性指标。
3、钛是碳氮化物的形成元素，是钢中的强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒；降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，因此若焊丝中加入钛可在降低镍含量的基础上保证焊丝的韧性，因此本焊丝中可加入钛，钛的含量应在0.05～0.15％，此时，镍的含量应控制在0.05～0.15％。
4、焊丝表面镀铜是为了提高焊丝在焊接过程中的导电性，铜元素的存在，大幅提高了焊丝的导电性能，使焊丝在使用过程中送丝顺畅，而且焊接过程电弧稳定，但铜元素残存在焊缝中，将造成焊缝脆，韧性下降，一股来说，焊缝中铜元素含量超过0.8％时，将导致焊缝“V”型缺口冲击功急骤下降，因此，控制焊丝基体及镀铜总量≤0.50％。
5、本发明的焊丝合金体系适合，其盘条冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，质量稳定，适合大范围推广应用。
具体实施方式
一种高韧性结构钢用实芯焊丝，焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C 0.06～0.12，Si 0.4～0.8，Mn 1.2～2.4，Ni 0.05～0.30，Cr 0.15～0.30，S≤0.015，P≤0.020，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
焊丝材料组成的化学成分中，控制Mn/Si＝2.5～3.0。
焊丝材料组成的化学成分中，最佳Mn/Si＝3.0。
该焊丝材料组成还包括Ti，Ti的重量百分比为0.05～0.15，加Ti后Ni的重量百分比为0.05～0.15。
焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.50。
实施例1
采用90吨炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Ф1.2mm的焊丝。该焊丝的化学成分为按重量百分比计为：C 0.076，Mn 1.95，Si 0.65，Cr 0.22，Ni 0.15，S 0.009，P 0.010，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.10％。
采用上述Ф1.2mm焊丝，使用CO2气体保护，在Q345钢板进行熔敷金属力学性能试验，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/min，气体流量20L/s，焊接线能量17kJ/cm。熔敷金属抗拉强度为685MPa，屈服强度为585MPa，延伸率为24％，-20℃冲击吸收功为75J。
采用上述焊丝进行Q460钢板对接焊时，接头强度为605MPa，断裂在母材，焊缝-20℃冲击值为84J，热影响区-20℃冲击值为118J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好，因而本焊丝完全适合Q460钢板的焊接。
采用上述焊丝进行Q550钢板对接焊时，接头强度为750MPa，断裂在焊缝，焊缝-20℃冲击值为94J，热影响区-20℃冲击值为118J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q550钢板的焊接。
实施例2
采用90吨炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Ф1.2mm的焊丝。该焊丝的化学成分为按重量百分比计为：C 0.076，Mn 1.86，Si 0.60，Cr 0.18，Ni0.08，Ti 0.08，S 0.0043，P 0.013，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.10％。
采用上述Ф1.2mm焊丝，使用CO2气体保护，在Q345钢板进行熔敷金属力学性能试验，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/mi气体流量20L/s，焊接线能量17kJ/cm。熔敷金属抗拉强度为685MPa，屈服强度为585MPa，延伸率为24％，-20℃冲击吸收功为105J，达到了相关标准的要求。
采用上述焊丝进行Q460钢板对接焊时，接头强度为605MPa，断裂在母材，焊缝-20℃冲击值为104J，热影响区-20℃冲击值为125J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q460钢板的焊接。
采用上述焊丝进行Q550钢板对接焊时，接头强度为750MPa，断裂在焊缝，焊缝-20℃冲击值为114J，热影响区-20℃冲击值为148J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q550钢板的焊接。
实施例3
采用90吨炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Ф1.2mm的焊丝。该焊丝的化学成分为按重量百分比计为：C 0.083，Mn 1.72，Si 0.59，Ti0.08，S 0.010，P 0.015，Ni 0.13，Cr 0.24，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.12％。
采用上述Ф1.2mm焊丝，使用CO2气体保护，在Q345钢板进行熔敷金属力学性能试验，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/min，气体流量20L/s，焊接线能量17kJ/cm。熔敷金属抗拉强度为665MPa，屈服强度为605MPa，延伸率为23％，-20℃冲击吸收功为78J，-40℃冲击吸收功为58J。达到了相关标准的要求。
采用上述焊丝进行Q460钢板对接焊时，接头强度为595MPa，断裂在母材，焊缝-20℃冲击值为94J，热影响区-20℃冲击值为138J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而完全适合Q460钢板的焊接。
采用上述焊丝进行Q550钢板对接焊时，接头强度为745MPa，断裂在焊缝，焊缝-20℃冲击值为134J，热影响区-20℃冲击值为185J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而完全适合Q550钢板的焊接。
实施例4
采用90吨炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Ф1.2mm的焊丝。该焊丝的化学分为按重量百分比计为：C 0.066，Mn 1.25，Si 0.50，Cr 0.15，Ni0.05，Ti 0.06，S 0.004，P 0.013，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.11％。
采用上述Ф1.2mm焊丝，使用CO2气体保护，在Q345钢板进行熔敷金属力学性能试验，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/min，气体流量20L/s，焊接线能量17kJ/cm。熔敷金属抗拉强度为625MPa，屈服强度为515MPa，延伸率为25％，-20℃冲击吸收功为113J，达到了相关标准的要求。
采用上述焊丝进行Q460钢板对接焊时，接头强度为610MPa，断裂在母材，焊缝-20℃冲击值为94J，热影响区-20℃冲击值为118J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q460钢板的焊接。
采用上述焊丝进行Q550钢板对接焊时，接头强度为700MPa，断裂在焊缝，焊缝-20℃冲击值为97J，热影响区-20℃冲击值为121J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q550钢板的焊接。
实施例5
补充各组分含量在最大值时的实施例，按以上形式。
采用90吨炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Ф1.2mm的焊丝。该焊丝的化学成分为按重量百分比计为：C 0.108，Mn 2.08，Si 0.78，Cr 0.28，Ni0.29，S 0.005，P 0.015，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.10％。
采用上述Ф1.2mm焊丝，使用CO2气体保护，在Q345钢板进行熔敷金属力学性能试验，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/min，气体流量20L/s，焊接线能量17kJ/cm。熔敷金属抗拉强度为715MPa，屈服强度为625MPa，延伸率为22％，-20℃冲击吸收功为85J，达到了相关标准的要求。
采用上述焊丝进行Q460钢板对接焊时，接头强度为600MPa，断裂在母材，焊缝-20℃冲击值为87J，热影响区-20℃冲击值为99J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q460钢板的焊接。
采用上述焊丝进行Q550钢板对接焊时，接头强度为730MPa，断裂在母材，缝-20℃冲击值为94J，热影响区-20℃冲击值为78J，D＝3a，180度弯曲试验，结果为完好。因而本焊丝完全适合Q550钢板的焊接。
Claims (5)
1.一种高韧性结构钢用实芯焊丝，其特征在于焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C 0.06～0.12，Si 0.4～0.8 ，Mn 1.2～2.4 ，Ni 0.05～0.30 ， Cr 0.15～0.30， S≤0.015，P≤0.020，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，其特征在于：焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si=2.5～3.0。
3.根据权利要求2所述的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，其特征在于：焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si=3.0。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，其特征在于：该焊丝材料组成还包括Ti，Ti的重量百分比为0.05～0.15，加Ti后Ni的重量百分比为0.05～0.15。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种高韧性结构钢用实芯焊丝，其特征在于：焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.50。
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