CN103056548B

CN103056548B - 高强耐热钢气体保护实芯焊丝

Info

Publication number: CN103056548B
Application number: CN201210557647.5A
Authority: CN
Inventors: 毛天平
Original assignee: CHENGDU XINDAYANG WELDING MATERIAL Co Ltd
Current assignee: CHENGDU XINDAYANG WELDING MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: CN103056548A

Abstract

本发明公开了高强耐热钢气体保护实芯焊丝，所述高强耐热钢气体保护实芯焊丝的化学成分及质量百分含量为C：0.10～0.15%、Mn：1.75～2.20%、Si：0.85～0.95%、S：≤0.015%、P：≤0.015%、Cu：≤0.20%、Cr：0.30～0.60%、Ni：1.50～2.50%、Mo：1.40～1.50%、V：0.05～0.20%、Ti：0.02～0.05%、Al：0.05～0.15%、Nb：0.04～0.20%；余量为Fe。本发明焊丝所得熔敷金属及焊接接头具有长期使用中减少发生脆变现象，具有良好的综合性能，在高强度钢结构的组织稳定性和耐热性及良好的强韧性匹配，具有良好的焊接工艺性能，送丝顺畅施焊过程飞溅小，成型美观等；特别对耐热和韧性有要求的压力容器的焊接；焊丝所得熔敷金属的综合机械性能为：屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，伸长率≥20%，室温条件下的冲击韧性Akv≥60J。

Description

高强耐热钢气体保护实芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种高强耐热钢气体保护实芯焊丝，属于焊接材料领域，特别涉及抗拉强度≥700MPa的耐热钢气体保护焊丝。

背景技术

气体保护焊接已成为钢结构制造的一种主要高效焊接方法，目前在许多制造行业中，占有相当高的比例，随着各行各业产品更新换代，在耐热钢领域科技含量不断提高使用环境对材料和焊接接头的要求，更具有针对性。气体保护焊丝具有什么样的性能，直接关系到整个焊接结构的综合性能和安全，如力学性能、耐高温性能、抗蠕变性能和焊接工艺性能。

采用国家标准中的几种锰镍钼钢焊丝，有适用范围广的优点，但是在特定领域使用时效果并不显著，针对电站钢结构制造中用于锰镍钼钢焊接时，在制造过程中所得熔敷金属及焊接接头的蠕变强度、持久强度、持久塑性和高温组织稳定性等参数不够理想，难以减少电站设备长期使用中焊缝金属的脆变现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强耐热钢气体保护实芯焊丝，可解决压力容器，如：13MnNiMoA、DG50、15MnMoV钢等配套气体保护焊丝问题，解决其在长期使用中脆变的现象，可确保所得熔敷金属及焊接接头具有足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性及良好高温组织稳定性，本发明的焊丝同时具有良好的焊接工艺性能和加工工艺性能，本发明除了C 、Mn 、Si 、S、 P 外，由于Cr、Ni 、Mo元素向焊缝金属中过渡，加上Ti元素细化焊缝晶粒，改善了焊缝金属的冲击韧性和较好的抗裂性，且能解决焊接600℃及以上工作的温度的高强度钢结构和对韧性有要求的压力容器，如：13MnNiMoA、DG50、15MnMoV等。

本发明技术解决方案是：高强耐热钢气体保护实芯焊丝，所述高强耐热钢气体保护实芯焊丝的化学成分及质量百分含量为C：0.10～0.15%、Mn：1.75～2.20%、Si：0.85～0.95%、S：0～0.015%、P：0～0.015%、Cu：0～0.20%、Cr：0.30～0.60%、Ni：1.50～2.50%、Mo：1.40～1.50%、V：0.05~0.20%、Ti：0.02~0.05%、Al：0.05~0.15%、Nb：0.04~0.20%；余量为Fe。在传统的实芯焊丝中，由于对电站钢结构制造中用于锰镍钼钢焊接时，在制造过程中所得熔敷金属及焊接接头的蠕变强度、持久强度、持久塑性和高温组织稳定性等参数不够理想，难以减少电站设备长期使用中焊缝金属的脆变现象，采用本发明的化学成分以及质量百分含量设置，能够使得熔敷金属及焊接接头的蠕变强度、持久强度、持久塑性和高温组织稳定性等参数稳定，杜绝了电站设备长期使用中焊缝金属的脆变现象，保证其使用寿命以及工作稳定性。

进一步所述S的质量百分比为0～0.014%；所述P的质量百分比为0～0.014%。S和P是一种有害杂质，随着硫含量的增加，将增大焊缝的热裂纹倾向，因此焊芯中硫的含量不得大于0.04％。在焊接重要结构时，硫含量不得大于0.03％，焊丝中低S、低P及降低焊缝中的氧主要是保证熔敷金属具有抗回火脆性和防止长期使用中的脆变现象，而且还有较高的塑性和抗裂性。国家标准中P、S≤0.0250%，相对本发明中S、P偏高，S、P含量偏高在特定的领域使用所得熔敷金属的抗裂性和塑性会有所降低，长期使用焊道的脆变现象也会显现，为改变在电站设备焊接使用中出现这一现象，本发明焊丝优选S、P均为0.012％，作为本发明的组分，控制此含量的S和P均能保证焊丝焊接时焊缝稳定，无裂纹，保证熔敷金属具有抗回火脆性和防止长期使用中的脆变现象。

进一步地，所述Nb的质量百分比为0.08~0.18%。Nb是铌，铌是最有效的细化晶粒微合金化元素，在控轧和正火等热处理过程中，它对延缓奥氏体再结晶和细化晶粒的作用极其强烈，这是铌的重要优点之一。在控轧和正火钢中铌用比较低的含量，即现在常用的0.05%左右即能起到显著的作用。在轧制温度低于950℃时，每道次标准变形量轧制后不会发生再结晶，这样得到的伸长奥氏体晶粒由于形核的晶界及亚晶界面积增加，就能相变成细小的晶粒。因此，对于低碳锰钢来说，通过加入少量的铌，就可以在普通轧机上实现控轧而达到晶粒细化。在焊接领域中，加入铌元素，强化效果显著，铌的作用为硅的35-78倍、锰的41-87倍、铬的50-117倍、镍的87-175倍，可以代替2倍的钒或3倍的钛。本发明优选加入质量百分比为0.15%的铌，增加了焊接过程中材料的稳定性能，对于焊接的强化效果显著，使得电站钢结构制造中用于锰镍钼钢焊接稳定，电站的使用寿命更长。

进一步地，所述Cu的质量百分比为0～0. 18%，所述Al的质量百分比为0.12~0.14%；所述C的质量百分比为0.12~0.14%；所述Mn的质量百分比为1.80~2.10%。

进一步地，本发明焊丝采用80%Ar+20%CO₂气体保护焊接时飞溅小，合金元素烧损少，有助于提高焊缝的强度和韧性。国家标准ER55-B2-MnVA焊丝采用的是Ar+1～5% O₂，氧在焊缝中虽然能提高电弧的稳定性和焊道的成型，但当过多的氧和碳结合后产生CO这种气体小熔于金属而不能逸出形成气孔，直接影响焊缝金属强度和韧性，所以本发明采用80%Ar+20%CO₂作保护气体。

本发明的气体保护焊丝中低S、低P，主要为了熔敷金属具有高的塑性和抗裂性，由于加入Cr、Mo、Ni，Cr—Mo耐热体系主要是保证熔敷金属具有较好的耐热性和高温组织稳定性，同时考虑与母材成份上的相匹配性。

Ni对钢的韧性有比较显著的效果，一般低温冲击值要求较高时，适当掺入一些Ni元素，加入Ni、Mo，主要是保证熔敷金属具有较好的冲击韧性和抗裂性，同时考虑与母材成份的匹配性，焊丝Ni、Mo的含量是保证强度和冲击韧性的必要元素同时也能增强其耐热性，本发明Ni的含量为1.50～2.50%，优选1.80～2.20%，Mo 含量1.40～1.50%。

本发明的有益效果是：

1、本发明焊丝所得熔敷金属及焊接接头在一定的高温条件下具有长期使用中减少发生脆变现象，同时具有良好的综合性能，尤其在600℃及以上工作的温度的高强度钢结构的组织稳定性和耐热性及良好的强韧性匹配，同时具有良好的焊接工艺性能，送丝顺畅施焊过程飞溅小，成型美观等；

2、特别对耐热和韧性有要求的压力容器，如：13MnNiMoA、DG50、15MnMoV等高强度结构钢的焊接；

3、本发明焊丝所得熔敷金属的综合机械性能为：屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，伸长率≥20%，室温条件下的冲击韧性Akv≥60J。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1：

高强耐热钢气体保护实芯焊丝，所述高强耐热钢气体保护实芯焊丝的化学成分及质量百分含量为C：0.10～0.15%、Mn：1.75～2.20%、Si：0.85～0.95%、S：0～0.015%、P：0～0.015%、Cu：0～0.20%、Cr：0.30～0.60%、Ni：1.50～2.50%、Mo：1.40～1.50%、V：0.05~0.20%、Ti：0.02~0.05%、Al：0.05~0.15%、Nb：0.04~0.20%；余量为Fe。Si是一种较好的合金剂，在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能；若含量过高，则降低塑性和韧性。在本发明中，掺入的Si优选含量为0.90%，在焊接过程中，硅也具有较好的脱氧能力，与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成，提高了焊接时的稳定性。

所述S的质量百分比为0～0.014%；所述P的质量百分比为0～0.014%；所述Cu的质量百分比为0～0. 18%；所述Al的质量百分比为0.12~0.14%；所述Nb的质量百分比为0.08~0.18%；所述气体积比为80%Ar、20%CO2。铌元素作为化学元素，在本发明中添加该元素后，使得焊丝的强化效果显著加强，对于焊接在特殊领域中，效果更加明显，如焊接13MnNiMoA、DG50、15MnMoV效果明显。

所述C的质量百分比为0.12~0.14%，C是钢中的主要合金元素，当含碳量增加时，钢的强度、硬度明显提高，而塑性降低。在焊接过程中，碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用，生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除，防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。若含碳量过高，还原作用剧烈，会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊芯的含碳量一般为0.15％。而本发明是适用于特殊的电站钢结构制造焊接中，C的含量为0.12%为最佳比例。

所述Mn的质量百分比为1.80~2.10%。Mn在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的含量。锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为0.30％～0.55％，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量高达1.70％一2.10％，在本发明中，Mn的含量为1.95%，效果为最佳。

Cr能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于低碳钢来说，铬便是一种偶然的杂质。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的氧化物三氧化二铬(Cr₂O₃)，从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性，三氧化二铬过渡到熔渣后，能使熔渣粘度提高，流动性降低，本发明优选Cr的最佳含量为0.52%，此含量的Cr，在焊接时增加了焊缝的稳定性。

将本发明与现有的焊丝进行多组对比，得到如表1表2的数值：

表1为实施例焊丝的成品化学成份（质量百分比）

表2为实施例焊丝熔敷金属的力学性能

注：熔敷金属采用的是80%Ar+20%CO₂气体保护，Akv*是5个焊丝试样试验的冲击数值平均值。

本发明的焊丝配合80%Ar+20%CO₂气体保护，已在电站锅炉设备中使用并取得了较好的效果。

室温条件与20℃的相近，故采用20℃作为对比试验的选定条件，实现了数据稳定，冲击韧性Akv≥60J。

通过表1和表2可以得出，本发明增加了通过增加定量的化学元素，取得了实质性进步，不是本领域技术人员通过有限次数能够得到，创新的含量高，对于电站耐热钢设备的制造过程中具有显著效果。

本发明焊丝分多次采用对焊丝成份的调整、设计，对焊丝化学成份进行控制冶炼，对冶炼好的钢锭轧制成直径为—Ф5.5mm盘条。对Ф5.5mm盘条进行热处理后——对盘条表面剥壳酸化处理——经直进式生产线粗拉为Ф4.0mm——再进行热处理后——盘条经表面剥壳酸化处理——经直进式生产线粗拉到Ф2.1mm——细拉拉拔至Ф1.28mm——然后经表面除脂处理后——经展开式镀铜线上进行表面镀铜，最终获得Ф1.2mm的焊丝成品。

本发明的耐热钢气体保护实芯焊丝用于电站钢结构制造中Cr、Mn、Ni、Mo钢焊接，其熔敷金属化学成分和各种性能如表1、表2中所示。在表2中可以看出，采用本发明的化学元素含量，提高了焊丝的性能，具有长期使用中减少发生脆变现象，同时具有良好的综合性能，尤其在600℃及以上工作的温度的高强度钢结构的组织稳定性和耐热性及良好的强韧性匹配，同时具有良好的焊接工艺性能。

本发明焊丝，采用80%Ar+20%CO₂气体保护，进行熔敷金属性能试验，对接试板焊后热处理后（620℃/2h）的力学性能如表6所示。焊接试板为13MnNiMoA，板厚20mm，坡口角度45°，垫板厚度12mm，根部间隙12mm,焊接电流260A，电压29V，共焊接6层16道，道间温度控制在140～150℃之间。

本发明焊丝与国标ER55-B2-MnVA相比在电站设备应用上性能都有明显提高，特别在60万KW及以上的超临界电站锅炉设备汽包上的使用更显优势。

本发明焊丝在应用到电站耐热钢设备的制造过程中熔敷金属和接头除具有以上特点外，还具有较好的焊接工艺性能、送丝通畅、飞溅少的优点。

本发明的焊丝适用于电站设备的制造。本焊丝在电站设备的制造中使用达3批次以上并取得了较好的效果。

采用80Ar+20%CO₂气体，能得到较好的熔敷金属的各种性能Akv*是五个焊丝试验的冲击数值平均值。本发明的焊丝配合80Ar+20%CO₂气体。

表2表明，所实施的焊丝在本发明中的成份范围内变化时，熔敷金属的性能均实现高强度、高延伸率。

本发明的耐热钢高强度气体保护实芯焊丝，适用于焊接抗拉强度≥700Mpa级，高强度结构钢和对韧性有要求的压力容器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术、方法实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述高强耐热钢气体保护实芯焊丝的化学成分及质量百分含量为C：0.10～0.15%、Mn：1.75～2.20%、Si：0.85～0.95%、S：0～0.015%、P：0～0.015%、Cu：0～0.20%、Cr：0.30～0.60%、Ni：1.50～2.50%、Mo：1.40～1.50%、V：0.05~0.20%、Ti：0.02~0.05%、Al：0.05~0.15%、Nb：0.04~0.20%；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述S的质量百分比为0～0.014%。

3.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述P的质量百分比为0～0.014%。

4.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述Cu的质量百分比为0～0. 18%。

5.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述Nb的质量百分比为0.08~0.18%。

6.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述Al的质量百分比为0.12~0.14%。

7.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述C的质量百分比为0.12~0.14%。

8.根据权利要求1所述的高强耐热钢气体保护实芯焊丝，其特征在于：所述Mn的质量百分比为1.80~2.10%。