CN103350290A

CN103350290A - 一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝

Info

Publication number: CN103350290A
Application number: CN2013102485089A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 潘鑫; 李小宝
Original assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: CN103350290B

Abstract

本发明是一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，按重量百分比计，其化学成分为：C：0.04～0.08%，Si：0.20～0.60%，Mn：0.5～1.5%，P≤0.020%，S≤0.015%，Mo：0.20～0.60%，Ni：3.5～5.5%，Ti：0.10～0.30%，B：0.005～0.02%，N≤0.005%，Zr：0.005-0.2%，余量为铁及不可避免的杂质。采用本发明焊丝用于焊接厚度规格≤80mm钢板，焊接接头的焊缝金属的-40℃冲击吸收功≥180J，焊接接头的抗拉强度≥565MPa，在保证高强度的同时，焊缝金属具有优异的低温韧性，该焊丝可广泛应用于船舶、海洋工程、寒冷地区建筑和桥梁等领域用钢板的电渣焊接加工。

Description

一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，特别涉及一种可确保焊缝金属-40℃低温冲击韧性优异的电渣焊接用实芯焊丝，属于焊接材料领域。

背景技术

由于能够显著提高焊接效率、节约成本，电渣焊等大热输入量焊接技术在建筑、桥梁和船舶等行业得到了广泛应用。但是，电渣焊接过程由于焊接热输入量过大，导致焊缝冷却速度过慢、焊缝组织粗化，进而导致焊缝金属低温韧性的恶化。

目前，日本有相关的电渣焊丝的相关技术，例如：JP8164497A披露了一种可用于大热输入量电渣焊接的电渣焊丝，但仅仅限于中碳Cr-Mo系的钢轨用钢的焊接；JP59179289A披露了一种中碳的电渣焊接用Cu-Cr-Ni系实芯焊丝，但两种焊丝制得的焊缝金属的低温韧性不足。为改善焊缝金属冲击韧性，例如：JP2003340592A和JP2004058142A采用Mo+Ti+B技术路线、并试图通过采用Cr，V和Nb综合添加的办法抑制焊缝金属冷却过程中先共析铁素体的形成、促进晶内铁素体形核，从而使得焊接接头焊缝金属的0℃冲击功≥100J；JP2009154199A则通过研究Ti，B和Al元素之间的平衡对电渣焊缝金属韧性的影响规律，开发了一种含低碳无镀铜实芯焊丝，其焊缝金属的0℃冲击功≥70J；而JP2009045671A在Mo+Ti+B技术路线基础上，通过添加强脱氧剂Mg,Ca或REM，来增强晶内铁素体的形核，采用该焊丝焊接的60mm钢板的焊缝金属的0℃冲击功≥100J，以上现有专利焊丝主要针对普通建筑钢结构等，且制得的焊缝只具备0℃的冲击性能。

近年来，随着沿江沿海地区的大型桥梁、建筑和海洋工程的建设逐渐兴起，为提高焊接效率，电渣焊接也被逐渐应用到这些结构建造中；这些结构要求钢板及其焊接接头能够满足-40℃的冲击性能要求（即-40℃冲击吸收功≥47J），显然上述焊丝不能适应这样要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于低温钢板电渣焊实芯焊丝，使用该焊丝所得的焊接接头综合性能良好，焊接接头抗拉强度≥565MPa，焊缝金属-40℃冲击功≥180J，可广泛应用于船舶、海洋工程、寒冷地区建筑和桥梁等行业。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，该焊丝以重量百分比计化学成分为：C：0.04～0.08%，Si：0.20～0.60%，Mn：0.5～1.5%，P≤0.020%，S≤0.015%，Mo：0.20～0.60%，Ni：3.5～5.5%，Ti：0.10～0.30%，B：0.005～0.02%，N≤0.005%，Zr：0.005～0.2%，余量为铁及不可避免的杂质。

优选的，焊丝的化学成分中：Ni/Mn≥3。

优选的，焊丝的化学成分中：0.15%≤Ti+Zr≤0.4%。

本发明焊丝化学成分设计原则如下：

C元素是合金钢中不可缺少的元素，能有效提高焊缝强度，但过高C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量不宜过高，控制在0.04～0.08%。

Mn能够提高焊缝的强度及淬透性，有利于细化焊缝组织，因此其范围应限定为Mn0.5～1.5%；超过1.5%时，由于淬硬指数升高，容易在焊缝中生成贝氏体和马氏体等脆性组织，降低焊缝金属的冲击韧性。

Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用。但Si的脱氧产物容易形成硅酸盐类夹渣，低熔点的硅酸盐容易导致结晶裂纹，还会增加熔渣与熔化金属的粘度，造成严重的飞溅，所以Si含量不宜过高，控制Si含量0.20～0.60%。

Mo是电渣焊丝中不可或缺的成分。其作用：1）可以细化焊缝金属中柱状晶奥氏体的尺寸；2）可以在焊缝中的柱状奥氏体晶内促进针状铁素体形核，从而提高焊缝金属的冲击韧性。当其含量≤0.05%时，其作用不明显；当其含量＞0.60%时，则会因过度增加淬透性从而形成马氏体组织、会恶化冲击韧性。因此，应控制其含量0.20～0.60%。

Ni是提高钢铁材料低温冲击韧性最有效的元素之一；考虑到焊缝金属中有大量尺寸在1～5微米的夹杂物，对冲击韧性不利，因此需要添加3.5～5.5%的Ni来提高焊缝的冲击韧性，以满足-40℃冲击功要求，优选的，需要限定Ni/Mn≥3。

Ti是强脱氧剂、脱氮剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物（TiO，TiN）质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性，但过高的Ti含量会导致焊缝韧性恶化，控制Ti含量0.10～0.30%。

Zr是强脱氧剂，适量Zr的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的氧化物ZrO₂质点，促进晶内针状铁素体形核、细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性。与Ca,Mg和Ti的氧化物相比较，ZrO₂的比重最大，在焊接熔池中不易上浮，也最易于均匀弥散分布控制，收得率高，效果好。其最佳的添加量在0.005～0.2%之间；优选的，还需确保0.15%≤Ti+Zr≤0.4%。

B的加入是因为固溶B在奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能，有利于抑制晶界上先共析铁素体的形成及粗化。另外，B在焊接过程中会向临近熔合线的粗晶区扩散，有助于细化粗晶区组织，提高粗晶区的韧性，其含量为0.005～0.02%。

Ti与B同时加入的情况下，Ti的强脱氧性保护固溶B在凝固过程中不被氧化，TiO又有助于晶内铁素体的形核，显著提高焊缝中铁素体比例且能够细化晶粒，从而提高焊缝的强度及韧性。Ti，B若加入量过低，提升焊缝韧性的效果不明显，而Ti过高将使夹杂物质点过多，增加焊缝脆性，B过高，将弱化晶界，甚至在晶界出现二次裂纹，降低焊缝低温韧性。

P，S作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量P≤0.020%，S≤0.015%。

N作为气体杂质元素，应控制其N≤0.005%范围内；本发明中，由于Ti含量较高，较高含量的N的存在容易导致在钢水冶炼过程中，TiN在钢液中析出，依据溶度积公式和现场试验数据，在满足其它元素含量的前提下，控制N≤0.005%可有效防止连铸过程中的水口堵塞以及后续连铸坯表面结疤问题；而连铸坯表面结疤直接影响到成品焊丝的表面质量，进而影响焊接工艺过程。

本发明焊丝经过电炉或转炉冶炼、连铸成钢坯、轧制成盘条、拉拔、镀铜、绕盘等工序制成。

与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：

（1）采用高Ni成分设计、以及Ti+Zr复合添加，使用该焊丝所得的焊接接头综合性能良好，焊接接头抗拉强度≥565MPa，焊缝金属-40℃冲击功≥180J，可广泛应用于船舶、海洋工程、寒冷地区建筑和桥梁等行业。

（2）对气体杂质N含量做出了严格规定（即≤0.005%），保证了冶炼过程

顺利进行，并保障了连铸坯料表面结疤等质量问题，从而保障了焊丝的表面质量，进而保证了焊接过程稳定性、以及焊接接头的内外部质量。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

采用100吨电炉炼钢经连铸制得方坯，经过轧制、拉丝、镀铜等工艺制得直径1.6mm的实芯焊丝。该焊丝的主要化学成分（重量百分比）为：C0.06，Si0.42，Mn0.87，P0.013，S0.007，Ni4.2，Mo0.45，N0.0045，Zr0.02，Ti0.2，B0.008，余量为铁以及不可避免的杂质。

电渣焊接工艺参数如表1所示，分别在厚度规格为60mm和80mm的船板EH40进行垂直对接焊接试验。钢板成分包含0.08%C，0.25%Si，1.5%Mn，0.01%P，0.006%S，以及适量的Nb和Ti等元素；钢板的屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥520MPa，延伸率≥26%，-40℃冲击功≥300J。

焊后对电渣焊接接头取样进行横向拉伸试验，以及焊缝金属的冲击试验，其横向拉伸性能和冲击性能如表2所示。

实施例2：

采用100吨电炉炼钢经连铸制得方坯，经过轧制、拉丝、镀铜等工艺制得直径1.6mm的实芯焊丝。该焊丝的主要化学成分（重量百分比）为：C0.07，Si0.55，Mn1.0，P0.010，S0.008，Ni4.6，Mo0.35，N0.0035，Zr0.04，Ti0.12，B0.006，以及余量的铁和不可避免的杂质。

电渣焊接工艺参数如表1所示，分别在厚度规格为60mm和80mm船板上进行垂直对接试验。钢板的化学成分和力学性能同实施例1。

实施例3：

采用100吨电炉炼钢经连铸制得方坯，经过轧制、拉丝、镀铜等工艺制得直径1.6mm的实芯焊丝。该焊丝的主要化学成分（重量百分比）为：C0.05，Si0.45，Mn0.75，P0.009，S0.005，Ni3.5，Mo0.55，N0.0042，Zr0.06，Ti0.22，B0.008，以及余量的铁和不可避免的杂质。

由表2可知，采用本发明电渣焊丝制得的焊接接头中的焊缝金属的0℃冲击功≥268J，-20℃冲击功≥229J，-40℃冲击功≥180J，低温冲击性能优异；同时其抗拉强度≥565J。得益于该焊丝优良的低温冲击韧性，可应用于船舶、海洋工程、寒冷地区建筑结构等领域的电渣焊接加工。

表1实施例的电渣焊接参数

表2实施例焊丝制得的焊接接头的焊缝金属的强度和冲击韧性

Claims

1.一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，其特征在于：该焊丝以重量百分比计化学成分为：C：0.04～0.08%，Si：0.20～0.60%，Mn：0.5～1.5%，P≤0.020%，S≤0.015%，Mo：0.20～0.60%，Ni：3.5～5.5%，Ti：0.10～0.30%，B：0.005～0.02%，N≤0.005%，Zr：0.005～0.2%，余量为铁及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，其特征在于：焊丝的化学成分中：Ni/Mn≥3。

3.根据权利要求1所述的用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，其特征在于：焊丝的化学成分中：0.15%≤Ti+Zr≤0.4%。