CN103143857B

CN103143857B - 一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺

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Publication number: CN103143857B
Application number: CN201310110436.1A
Authority: CN
Inventors: 王红鸿; 吴开明; 严胡强; 魏然; 黄刚
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103143857A

Abstract

本发明涉及一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%，Cu为1.50~4.00wt%，（Nb+V+Ti）为0.01~0.06wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的埋弧焊焊丝的焊接工艺是：采用氟碱型烧结焊剂SJ101－G，焊接线能量为15~18kJ/cm，焊前不预热，层间温度控制在50°C~室温，焊后不热处理。本发明具有合金元素成分简单、易于控制、成本低和焊接工艺简单的特点，所形成的焊缝金属具有高的抗拉强度和良好的低温冲击韧性，适用于化工容器、石油管道、电力压力管道、船舶、海洋平台以及大型航空母舰等大型结构件。

Description

一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺

技术领域

本发明属于埋弧焊焊丝技术领域。具体涉及一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。

背景技术

近年来，结构钢不断向着高强高韧的方向发展，以满足大型化工容器、石油管道、火电、核电用压力管道、船舶、海洋平台以及大型航空母舰的要求。在这些大型结构件的制作中，埋弧焊是一种高效率的焊接方法。目前，国内外强度达到800MPa的高强高韧性钢所用的埋弧焊焊丝，一般采用Mn-Ni-Cr-Mo合金系，通过添加Mn、Cr和Mo来提高焊缝金属的强度，通过添加较高的Ni元素（其含量在4 wt%~10.5wt%范围之间）含量来提高韧性，这类焊丝焊接高强钢，存在以下主要问题：焊缝金属需要焊后热处理以消除焊接应力，且焊缝经焊后消除应力处理后韧性下降幅度过大；与钢板成分差异过大；在含量一定H₂S的介质中，高Ni焊丝容易产生应力腐蚀；另外，含Ni量高，导致焊丝成本提高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种合金元素成分简单、易于控制、成本低和焊接工艺简单的含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝，用该埋弧焊焊丝焊接的焊缝金属具有高的抗拉强度和良好的低温冲击韧性，适用于化工容器、石油管道、电力压力管道、船舶、海洋平台以及大型航空母舰等大型结构件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝的化学组分是： C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%， Cu为1.50~4.00wt%，（Nb+V+Ti）为0.01~0.06wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

含铜的高强高韧性的埋弧焊焊丝的焊接工艺是：采用氟碱型烧结焊剂SJ101－G，焊接线能量为15~18kJ/cm，焊前不预热，层间温度控制在50°C~室温，焊后不热处理。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明中的C为0.02~0.06wt%的超低碳含量，不仅保证了焊缝金属具有一定的淬透性还有助于改善熔滴过渡特性和电弧稳定性，同时还能与Nb、Ti等微量元素形成细小的碳化物。

本发明中的硅元素和锰元素能起到联合脱氧的作用，其中的Si含量为0.20~0.40wt%还能有效地避免过高的硅含量对焊缝金属的冲击韧性的不利影响， Mn含量为1.50~2.00wt%还能起到固溶强化的作用。

本发明中的Cu含量为1.50~4.00wt%，铜是本发明中的关键元素，利用铜元素过饱和固溶在直接凝固的焊缝金属中，经受焊接热循环作用后，以纳米级铜粒子均匀析出在焊缝金属中，起到析出强化的作用，另外，采用较小的线能量焊接时，纳米铜粒子以与母相共格的形式存在，也起到韧化焊缝金属的作用。

本发明中的（Nb+V+Ti）为0.01~0.06wt%，使（Nb+V+Ti）微量元素能在焊缝凝固高温阶段与碳形成细小的碳化物。一方面成为奥氏体形核质点，提高奥氏体形核率，减小原奥氏体柱状晶尺寸，细化焊缝金属；另一方面，也能在晶内促进针状铁素体的形成，起到韧化焊缝金属的作用。

本发明采用S≤0.002wt%和P≤0.01wt%，以降低凝固裂纹敏感性，提高了焊缝金属的低温冲击韧性，通过钢水纯净化提高焊丝的品质，严格控制这两种元素在焊丝中的含量，保证了焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。

本发明以超低的碳含量、中等的铜含量和微量的（Nb+V+Ti）元素制成的埋弧焊焊丝，其合金元素成分简单、易于控制和成本低。

本发明所制备的埋弧焊焊丝，与焊剂SJ101－G配合，采用15~18kJ/cm的焊接线能量，焊前不预热，层间温度控制在50°C~室温，焊后不热处理，焊接工艺简单。所形成的多层多道焊缝金属组织为贝氏体基体上分布着均匀的纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。此组织保证了焊缝金属具备了较高的抗拉强度，同时具有较高的冲击韧性，抗拉强度达到805~870MPa，-10℃冲击韧性达到111~154J，适用于800MPa大型结构件的焊接。

因此，本发明具有合金元素成分简单、易于控制、成本低和焊接工艺简单的特点，所形成的焊缝金属具有高的抗拉强度和良好的低温冲击韧性，适用于化工容器、石油管道、电力压力管道、船舶、海洋平台以及大型航空母舰等大型结构件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：

实施例 1

一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.05~0.06wt%，Si为0.20~0.30wt%，Mn为1.20~1.40wt%，Cu为1.50~2.00wt%，（Nb+V+Ti）为0.05~0.06wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的焊接试板准备如下：试板焊接参照GB/T8110－1995进行，试板选用Q235钢板，尺寸为350mm×150mm×20mm，垫板选用厚度为3mm的Q235钢板。试板坡口为V型，单侧坡口角度为30°。为防止在焊接过程中母材稀释对熔敷金属成分的影响，使用同一试验焊丝在坡口两侧分别用气体保护焊堆焊厚度为10mm的隔离层。

本实施例所述埋弧焊焊丝的焊接工艺是：采用氟碱型烧结焊剂SJ101－G，焊丝直径为3.2mm，焊接线能量为15kJ/cm，焊前不预热，层间温度控制在50°C~室温，焊后不热处理。

焊接完成后，对焊缝金属进行显微组织分析和力学性能测试，测试结果如下：焊缝金属组织贝氏体基体上均匀分布纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。焊缝金属的抗拉强度为805~802MPa，-10℃时焊缝金属冲击功A_kv为138~154J。测试结果表明：采用本实施例所述埋弧焊焊丝，经15kJ/cm线能量的埋弧焊后，其焊缝金属力学性能完全满足800MPa级的大型构件的高强度技术要求，具有良好的冲击韧性。

实施例 2

一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.04~0.05wt%，Si为0.20~0.30wt%，Mn为1.40~1.60wt%，Cu为2.00~2.50wt%，（Nb+V+Ti）为0.04~0.05wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的焊接试板准备及隔离层制备的工艺与实施例1相同。

本实施例所述埋弧焊焊丝的焊接工艺是：除焊接线能量为16kJ/cm外，其余同实施例1 。

焊接完成后，对焊缝金属进行显微组织分析和力学性能测试，测试结果如下：焊缝金属组织贝氏体基体上均匀分布纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。焊缝金属的抗拉强度为825~847MPa，-10℃时焊缝金属冲击功平均值A_kv为140~152J。测试结果表明：采用本实施例所述埋弧焊焊丝，经16kJ/cm线能量的埋弧焊后，其焊缝金属力学性能完全满足800MPa级的大型构件的高强度技术要求，具有良好的冲击韧性。

实施例 3

一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.03~0.04wt%，Si为0.30~0.40wt%，Mn为1.60~1.80wt%，Cu为2.50~3.80wt%，（Nb+V+Ti）为0.03~0.04wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所述埋弧焊焊丝的焊接工艺是：除焊接线能量为17kJ/cm外，其余同实施例1。

焊接完成后，对焊缝金属进行显微组织分析和力学性能测试。测试结果如下：焊缝金属组织贝氏体基体上均匀分布纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。焊缝金属的抗拉强度为845~860MPa，-10℃时焊缝金属冲击功平均值A_kv为127~137J。测试结果表明：采用本实施例所述埋弧焊焊丝，经17kJ/cm线能量的埋弧焊后，其焊缝金属力学性能完全满足800MPa级的大型构件的高强度技术要求，具有良好的冲击韧性。

实施例4

一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝及其焊接工艺。该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.03wt%，Si为0.30~0.40wt%，Mn为1.80~2.00wt%，Cu为3.80~4.00wt%，（Nb+V+Ti）为0.01~0.03wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所述埋弧焊焊丝的焊接工艺是：除焊接线能量为18kJ/cm外，其余同实施例1。

焊接完成后，对焊缝金属进行显微组织分析和力学性能测试，测试结果如下：焊缝金属组织贝氏体基体上均匀分布着纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。焊缝金属的抗拉强度为850~870MPa，-10℃时焊缝金属冲击功平均值A_kv为111~135J。测试结果表明：采用本实施例所述埋弧焊焊丝，经18kJ/cm线能量的埋弧焊后，其焊缝金属力学性能完全满足800MPa级的大型构件的高强度技术要求，具有良好的冲击韧性。

本具体实施方式与现有技术相比，具有如下积极效果：

本具体实施方式中的C为0.02~0.06wt%的超低碳含量，不仅保证了焊缝金属具有一定的淬透性还有助于改善熔滴过渡特性和电弧稳定性，同时还能与Nb、Ti等微量元素形成细小的碳化物。

本具体实施方式中的硅元素和锰元素能起到联合脱氧的作用，其中的Si含量为0.20~0.40wt%，能有效地避免过高的硅含量对焊缝金属的冲击韧性的不利影响，其中的Mn含量为1.50~2.00wt%，能起到固溶强化的作用。

本具体实施方式中的Cu含量为1.50~4.00wt%，铜是本具体实施方式中的关键元素，利用铜元素过饱和固溶在直接凝固的焊缝金属中，经受焊接热循环作用后，以纳米级铜粒子均匀析出在焊缝金属中，起到析出强化的作用，另外，采用较小的线能量焊接时，纳米铜粒子以与母相共格的形式存在，也起到韧化焊缝金属的作用。

本具体实施方式中的（Nb+V+Ti）为0.01~0.06wt%，使（Nb+V+Ti）微量元素能在焊缝凝固高温阶段与碳形成细小的碳化物。一方面成为奥氏体形核质点，提高奥氏体形核率，减小原奥氏体柱状晶尺寸，细化焊缝金属；另一方面，也能在晶内促进针状铁素体的形成，起到韧化焊缝金属的作用。

本具体实施方式采用S≤0.002wt%和P≤0.01wt%，以降低凝固裂纹敏感性，提高了焊缝金属的低温冲击韧性，通过钢水纯净化提高焊丝的品质，严格控制这两种元素在焊丝中的含量，保证了焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。

本具体实施方式以超低的碳含量、中等的铜含量和微量的（Nb+V+Ti）元素制成的埋弧焊焊丝，其合金元素成分简单、易于控制和成本低。

本具体实施方式所制备的埋弧焊焊丝，与焊剂SJ101－G配合，采用15~18kJ/cm之间的较小的线能量焊接，焊前不预热，层间温度控制在50°C以下，焊后不热处理，焊接工艺简单。所形成的多层多道焊缝金属组织为贝氏体基体上分布着均匀的纳米级铜粒子和少量的针状铁素体。此组织保证了焊缝金属具备了较高的抗拉强度，同时具有较高的冲击韧性，抗拉强度达到805~870MPa，-10℃冲击韧性达到111~154J，适用于800MPa大型结构件的焊接。

因此，本具体实施方式具有合金元素成分简单、易于控制、成本低和焊接工艺简单的特点，所形成的焊缝金属具有高的抗拉强度和良好的低温冲击韧性，适用于化工容器、石油管道、电力压力管道、船舶、海洋平台以及大型航空母舰等大型结构件。

Claims

1.一种含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝，其特征在于所述的埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%， Cu为1.50~4.00wt%，（Nb+V+Ti）为0.01~0.06wt%，S≤0.002wt%，P≤0.01wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述含铜的高强高韧性埋弧焊焊丝的焊接工艺，其特征在于所述焊接工艺是：焊接时采用氟碱型烧结焊剂SJ101－G，焊接线能量为15~18kJ/cm，焊前不预热，层间温度控制在50°C~室温，焊后不热处理。