CN101992365B - 一种高强度高韧性气体保护焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高韧性气体保护焊丝。该焊丝的化学成分及质量百分比为：C:0.02～0.12、Mn:1.20~2.10、Si:0.20～1.00、S:≤0.010、P:≤0.015、Ni:2.00～3.50、Mo:0.20～0.80、Ti:0.20～0.30、Cr：0.60~1.20、V≤0.05、B：0.005~0.010、Al:≤0.015、Cu:≤0.35、余量为Fe；本发明焊丝用于850~950Mpa强度级别钢种的焊接，采用混合气体（80%Ar+20%CO2）保护时，本发明的焊缝金属抗拉强度达到≥850Mpa；屈服强度≥720Mpa；伸长率≥22%；低温冲击韧性 -30℃条件下的Akv≥181J；-40℃条件下Akv≥175J；-50℃条件下Akv≥162J。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，为一种金属材料焊接用气体保护焊丝，具体涉及一种尤其适用于焊接850~950MPa级别高强度高韧性工程结构用钢的高强度高韧性气体保护焊丝。
背景技术
随着工程机械新钢种强度与韧性的不断提高，用于工程机械、石油管线、压力容器、跨海大桥、军工军舰等新一代高性能工程结构用钢种具有高强度、高韧性特点，强度级别达到了850~950 Mpa。因而对焊接接头的性能也提出了更高的要求，焊缝熔敷金属抗拉强度必须达到与母材相当的强度850~950Mpa，并且还要满足低温服役条件下的低温冲击韧性的要求，即要求具有高强度又必须具有高韧性。同时气体保护焊丝有焊接工艺性好，生产效率高，焊接成本低，节能，适应全位置焊接，便于实现自动化和半自动化焊接生产等特点。
中国专利CN1290661C介绍了一种高强度高韧性气体保护焊丝，该焊丝的化学成份重量百分比为：C: 0.04～0.12、Si: 0.40～0.80、Mn: 1.40~2.00、S:≤0.015、P: ≤0.020、Ni: 0.40～1.00、Cr：0.20~0.50、Ti: 0.06～0.20 、Cu:0.30~0.50、B：0.002~0.0079、Al:≤0.02、余量为Fe；焊缝金属低温冲击功-60℃为173J，具有良好的低温冲击韧性，但不足之处是抗拉强度为735Mpa，不能满足800Mpa级及以上的高强度工程系列结构钢种在低温服役下强韧性匹配使用的技术要求。
中国专利CN101439446A介绍了一种高强高韧性气体保护焊丝，该焊丝熔敷金属抗拉强度为780~850Mpa，低温冲击韧功-20℃为70J，低温冲击韧性较差，不能满足目前高强钢结构在低温下服役的高韧性的使用要求。
中国专利公开号为CN101524795A的专利，该焊丝化学元素重量百分比为：C: 0.02～0.055、Si: ≤ 0.30、Mn: 0.6~0.9、Cr：≤0.80、Ni: 6.8～8.0、Mo: 0.45～0.60、V:≤0.035、Ti+ Al:≤0.075、Re:≤0.40、余量为Fe。该焊丝所得熔敷金属抗拉强度为800Mpa、-40℃条件下冲击韧性：Akv为100J，强度和韧性都有所提高，但从该焊丝公开专利的内容和化学成份可以看出：1、该焊丝加入了较高的价格昂贵的Ni元素（Ni：6.8~8.0），导致生产成本偏高。2、该焊丝对元素S、P未做限制，众所周知S、P在焊缝中易发生热裂和冷裂纹，当S、P过高时，会降低该焊丝的熔敷金属强度和韧性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种与850~950Mpa及以上的高强钢匹配焊接使用、既能稳定达到高强度，又能使接头具有优良的冲击韧性、冶炼工艺稳定的用于焊接高强钢的高强度高韧性气体保护焊丝。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种用于焊接高强钢的气体保护焊丝，其化学成份及重量百分比（%）为：C: 0.02～0.12、Mn: 1.20~2.10、Si: 0.20～1.00、S:≤0.010、P: ≤0.015、Ni: 2.00～3.50、Mo: 0.20～0.80、Ti: 0.20～0.30 、Cr：0.60~1.20、V≤0.05、B：0.005~0.010、Al:≤0.015、Cu:≤0.35、余量为Fe；
本发明的实施是通过混合气体（80%Ar+20%CO2）保护进行焊接，焊丝中加入合适的Ni、Mo、Ti、Cr、V、B、Cu等合金元素，采用多种强化机理，提高焊接接头的强度和韧性，确保熔敷金属获得较高的强度和在低温服役条件下具有良好的韧性。
其具体作用：
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C含量促进高C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，因此本发明将焊丝中的C含量控制在0.02~0.12%，进一步所述本发明C元素的优选范围为0.02~0.08%。
Mn：是本发明焊丝成份中主要的强化元素之一，同时又是脱氧元素，在联合的脱氧过程中，形成的氧化物能够促进针状铁素体的形成，添加适量的Mn在合金化过程中形成能够提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性，能构改善焊接工艺性。本发明的Mn含量控制在1.20~2.10%
Si：在本发明中起脱氧作用和强化焊缝作用，本发明中Si含量控制在0.20~1.00%。此范围是根据当焊缝中Mn/Si≈3时，焊缝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。
Ti、B：在焊缝中联合加入Ti、B，可限制先共析铁素体的转变，而扩大针状铁素体的区域，从而在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体组织。还有利于抑制焊缝中奥氏体晶粒长大，推迟奥氏体到铁素体的转变温度，促使焊缝金属晶内针状铁素体的形成，细化二次晶粒。焊丝中加入Ti可以细化焊缝金属组织。固溶的B在奥氏体晶界聚集降低晶界能量，能控制先共析铁素体的析出，B还能推迟奥氏体到铁素体的相转变温度，有利于晶粒内针状铁素体的形成。进一步所述本发明B元素的优选范围为0.006~0.010%。
Ni：元素是本发明焊丝成份中重要元素之一，有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。本发明Ni元素的含量控制在2.00~3.50%。进一步所述本发明Ni元素的优选范围为2.20~3.00%。
Mo：元素的固溶强化是提高焊缝强韧性的重要手段，本发明Mo元素的含量控制在0.20~0.80%。
V：微量的V具有少量的析出强化效果，提高焊丝焊缝的抗张强度和屈服点，本发明V元素含量控制在≤0.05%。
适量的Cu、Cr元素对焊缝强化有作用，以增加焊缝的耐大气腐蚀性能。Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。
Al元素有利于在焊缝中脱氧，为了提高焊缝金属的韧性，但其重量百分比含量应控制在小于0.015的较低范围内为好。进一步所述本发明Al元素的优选范围为≤0.010%。
S、P元素为有害元素，为防止在焊缝中出现热裂和冷裂纹，故将其含量控制在较低范围内，以提高焊缝纯净度和焊接性能以及进一步提高焊缝强度和韧性。
综上所述，本发明的有益效果是：
1、本发明焊丝钢冶炼工艺稳定，易于实施，钢坯的轧制及焊丝拉拔，镀铜等性能优良，满足焊接高强度高韧性新一代工程结构钢、海洋舰船、石油管线等高强度、高韧性系列钢种的焊接技术要求。
2、本发明焊丝用于850~950Mpa强度级别钢种的焊接，采用混合气体（80%Ar+20%CO2）保护时，本发明的焊缝金属抗拉强度达到≥850Mpa；屈服强度≥720Mpa；伸长率≥22%；低温冲击韧性 -30℃条件下的Akv≥181J；-40℃条件下Akv≥175J；-50℃条件下Akv≥162J。
3、本发明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，适用于全位置焊接。
具体实施方式
本实施例是一种用于焊接高强高韧钢的气体保护焊丝，其化学成份及重量百分比（%）为：C: 0.02～0.12、Mn: 1.20~2.10、Si: 0.20～1.00、S:≤0.010、P: ≤0.015、Ni: 2.00～3.50、Mo: 0.20～0.80、Ti: 0.20～0.30 、Cr：0.60~1.20、V≤0.05、B：0.005~0.010、Al:≤0.015、Cu:≤0.35、余量为Fe；
焊丝的制备工艺与现有技术相同。经冶炼、轧制和拉拔（生产过程中进行一次热处理）成焊丝，表面净化处理，焊丝的直径为Φ1.2mm，组成该焊丝的化学元素的具体重量百分比参见表一（表一。共5组）：
表一：
试板：新一代工程机械结构用钢HG80，焊接试板厚20mm，坡口角度45o， 带12mm厚垫板，根部间隙12mm，试板和垫板均含3mm过渡层。（性能如表二所述）
表二：
保护气体：混合气体（80%Ar+20%CO2）。
焊接规范：焊接电流240~260A.。焊接电压：28V。焊接速度：26cm/min，焊接线能量13.3KJ/cm，控制层间温度130~150℃。
焊接接头的抗拉强度、冲击韧性优良。数据如（表三）所示：
表三：
注：Akv*是五个焊丝试样试验的冲击数值平均值；
表三表明，所实施的焊丝在本发明的成分范围内变化时，熔敷金属的性能均能实现高强度、高韧性、高延伸率。
下表（表四）为本发明和现有公开专利CN101524795A的化学成份对比（%）：
表四：
下表（表五）为本发明和现有公开专利CN101524795A的力学性能对比（%）：
表五：
从对比可以看出：本发明在范围内时，所得的力学性能均高于现公开专利焊丝的力学性能。本发明的高强度高韧性气体保护焊丝，适于焊接850~950Mpa级及以上高强钢的焊接。主要用于工程结构钢、桥梁、船舶、石油管线等领域。
如上所述，便可较好的实现本发明。
Claims (1)
1.一种高强度高韧性气体保护焊丝，其特征在于，其成分及质量百分比为：
C 0.02~0.08
Mn 1.20～2.10
Si 0.20～1.00
S ≤0.010
P ≤0.015
Ni 2.20~3.00
Mo 0.20～0.80
Ti 0.20～0. 30
Cr 0.60～1.20
V ≤0.05
B 0.006~0.010
Cu ≤0.35
Al ≤0.010
余量为Fe，所述V、 Cu、 Al的含量不为0；所述焊丝用于850~950Mpa级及以上高强钢的焊接，焊丝的直径为Φ1.2mm，焊接时保护气体为80%Ar、20%CO2构成的混合气体，焊接参数为：焊接电流240~260A、焊接电压：28V、焊接速度：26cm/min、焊接线能量13.3KJ/cm、控制层间温度130~150℃。
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