CN103391829A - 为焊接接头提供优异低温韧性和焊接性的药芯电弧焊丝以及使用其的焊接接头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于改善焊接接头的低温韧性和焊接性的药芯电弧焊丝以及使用其的焊接接头，其中所述药芯电弧焊丝包含以下组成，以重量百分比计，0.01-0.1%的碳（C）；0.3-1.4%的硅（Si）；1.0-3.0%的锰（Mn）；4.0-7.5%的钛（Ti）+TiO；0.01-3.0%的镍（Ni）；0.01-0.2%的硼（B）；0.02-0.42%的钇（Y）或0.02-0.56%的稀土金属（REM）；以及余量的铁（Fe）以及其他不可避免的杂质。

Description

为焊接接头提供优异低温韧性和焊接性的药芯电弧焊丝以及使用其的焊接接头
技术领域
本发明涉及在海上结构物、能源行业、造船、建筑、桥梁建设或压力容器的药芯电弧焊（Flux Cored Arc Welding，FCAW）过程中使用的药芯电弧焊丝以及使用所述药芯电弧焊丝的焊接接头。
背景技术
近来已经建造了比较大型的船只、建筑、海上结构物等，并且与此同时，其应用领域已经扩展至极寒区域或深海区域。由于上述结构物可能在一次事故中对环境造成灾难性破坏以及生命和财产的损失，因此已将具有高强度、超厚度和高低温韧性的钢材用于该类结构物和车辆。
随着这类钢材的开发，需要安全、高效的焊接，而药芯电弧焊（FCAW）技术是焊接所述钢材的最常用的焊接技术。
用于上述结构的最广泛使用的钢材包括屈服点（YP）为320MPa至420MPa以及屈服强度（YS）为460MPa至560MPa的钢材，并且钢材的焊接接头与基底金属相比必须显示出相同或更好的性能。对于在极寒区域使用的情况，钢材在满足以上性能的同时，还必须具有高度的焊接接头低温韧性（低温冲击韧性、裂纹尖端张开位移（Crack Tip OpeningDisplacement，CTOD））。
一般而言，关于在焊接过程中形成的接头，稀释一部分钢材以形成金属熔池，同时使焊接材料熔融并随后使熔池固化以形成柱状粗组织。其组织可以根据焊接材料以及焊接过程中的热量输入而改变。由于在焊接接头的粗奥氏体晶界中可以形成粗晶界铁素体、魏氏铁素体、马氏体、以及奥氏体马氏体（M-A）成分，其冲击韧性可能显著下降。
因此，关于用于海上结构物的焊接材料，除了加入脱氧、脱氮或脱氢元素，还通过复合添加合金元素例如镍（Ni）、钛（Ti）和硼（B）来寻求焊接金属组织的细化，从而确保在约-40℃至约-80℃的范围内的低温夏比冲击韧性。在20世纪80年代初已经开发了通过复合添加Ti-B-Ni改善焊接韧性的方法以满足改善韧性特征（例如CTOD）的要求，并且已经工业化，而且目前一直用于具有550MPa或以下的YP的多种焊接材料中。
然而，通过复合添加Ti-B-Ni对组织进行细化的机制可包括通过Ni增韧基质、由于溶解B的原奥氏体晶界偏析对先共析（pro-eutectoid）铁素体形成的抑制，以及通过Ti、B、氧化物和氮化物引起奥氏体晶粒中产生精细铁素体。
如上所述，需要通过控制焊接接头的显微组织来确保焊接接头的冲击韧性以保证焊接结构的稳定性。为此目的，调整焊接材料组成的技术例如公开于日本公开特许公报第H8-10982号以及第H11-170085中。然而，由于以上发明可能没有控制焊接金属的显微组织和粒径，因此可能难以确保由上述焊接材料制成的焊接接头足够且稳定的韧性。此外，由于在焊接工作过程中热量输入的改变量为从约0.8kJ/mm至约2.7kJ/mm时，焊接接头的显微组织和组成可能不可避免地发生改变，因此可能更难以确保焊接接头的韧性。
由于药芯电弧焊使用二氧化碳气体作为焊接过程中的保护气体，比使用氩气可以更加经济。然而，电弧可能不稳定且可能发生焊接加工性降低，例如频繁发生其中细颗粒在焊接过程中散落周围的飞溅现象。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供了一种通过减少飞溅物的产生量从而能够改善加工性且能够确保焊接接头具有低温韧性的药芯电弧焊丝，以及使用所述药芯电弧焊丝的焊接接头。
技术方案
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种具有优异加工性且能够确保焊接接头的低温韧性的药芯电弧焊丝，其包括：0.01重量%至0.1重量%的碳（C）；0.3重量%至1.4重量%的硅（Si）；1.0重量%至3.0重量%的锰（Mn）；4.0重量%至7.5重量%的钛（Ti）+TiO；0.01重量%至3.0重量%的镍（Ni）；0.01重量%至0.2重量%的硼（B）；0.02重量%至0.42重量%的钇（Y）或0.02重量%至0.56重量%的稀土金属(REM)；余量的铁（Fe）以及其他不可避免的杂质。
本发明的另一个方面提供一种具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其包括：0.01重量%至0.1重量%的C；0.1重量%至0.5重量%的Si；0.5重量%至2.0重量%的Mn；0.02重量%至0.1重量%的Ti；0.01重量%至3.0重量%的Ni；5ppm至60ppm的B；5ppm至250ppm的Y和5ppm至250ppm的REM中的一种或两种；余量的Fe以及其他不可避免的杂质。
有益效果
根据本发明的一个方面，可提供一种具有优异低温冲击韧性和低温裂纹尖端张开位移(CTOD)特性以及高强度物理性能的焊接接头，并且同时可通过减少焊接过程中飞溅物的产生量改善焊接加工性。
附图说明
由以下详细说明并结合附图可更加清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征以及其他优势，其中：
图1(a)、1(b)和1(c)为分别示出了对比实施例1、发明实施例1和对比实施例7的显微组织的显微照片；
图2(a)为示出发明实施例1的复合包裹体的显微照片，图2(b)为通过复合包裹体的能量色散X-射线光谱（EDX）获得的图片；以及
图3为说明药芯电弧焊方法的示意图。
具体实施方式
下文将对本发明做详细说明。
[焊丝]
首先，对本发明的焊丝做详细说明。本发明的药芯电弧焊丝包括以下组成，以重量百分比计（在下文中为重量%）。
碳（C）的含量可以在0.01%至0.1%的范围内。
C是确保焊接接头强度和焊接淬透性的必需元素，可加入的量为0.01%或更多。然而，在其含量高于0.1%的情况下，焊接性可显著地降低，可促使焊接接头中的低温开裂，并且可显著地降低冲击韧性。
硅（Si）的含量可以在0.3%至1.4%的范围内。
在Si的含量低于0.3%的情况下，焊接接头中的脱氧作用可能会不足并可能降低焊接接头的流动性。其含量高于1.4%也不可能是所希望的，因为可能促进焊接接头中马氏体奥氏体（M-A）成分的转变，从而降低低温冲击韧性且不利地影响焊接开裂敏感性。
锰（Mn）的含量可以在1.0%至3.0%的范围内。
钢材中的Mn可有效地使钢材脱氧以及改善强度，并且可通过在基质结构中形成取代固溶体以固溶体增强所述基质，从而确保强度和韧性。为此目的，可含有Mn的量为高于1.0%。然而，在其含量高于3.0%的情况下，由于可形成低温转变结构，因此可能不是可取的。
钛（Ti）的含量可以在0.001%至0.3%的范围内，其中Ti+TiO2的含量可以在4.0%至7.5%的范围内。由于Ti结合氧(O)而在焊接接头中形成精细的TiO-(Ti,B)N复合氧化物，即焊接金属，因此是本发明中不可避免的元素。此外，为了获得精细TiO和有效的TiN复合沉淀物，Ti的加入量可为0.001%或更多，Ti+TiO2的加入量可为4.0%或更多。然而，在Ti的含量高于0.3%且Ti+TiO2的含量高于7.5%的情况下，由于可形成粗Ti氧化物和粗TiN沉淀物，因此可能不是可取的。
镍（Ni）的含量可以在0.01%至3.0%的范围内。
Ni是通过固溶体增强来改善基质强度和韧性的重要元素。Ni的含量可以为0.01%或更多。然而，在其含量高于3.0%的情况下，由于可能显著地增加淬透性并且可能产生高温开裂，因此可能不是可取的。
硼（B）的含量可以在0.01%至0.2%的范围内。
B是改善淬透性的元素，其中0.01%或更多的B为通过在晶界偏析而抑制晶界铁素体转变所需。然而，在其含量高于0.2%的情况下，由于其作用可能饱和且焊接淬透性可能显著增加而促进马氏体转变，并且由此可产生低温焊接开裂以及可降低韧性，因此可能不是可取的。因此，B的含量被限定在0.01%至0.2%的范围内。
本发明可包括0.02%至0.42%的钇（Y）或0.02%至0.56%的稀土金属(REM)。通过提高焊接过程中产生的Ti氧化物的稳定性以及增加氧化物数量同时降低其尺寸，Y和REM可用作焊接过程中的强脱氧剂且可用作初生δ-铁素体的成核位点。因此，Y和REM可降低初生铁素体的尺寸。因此，Y和REM可降低原奥氏体的尺寸以增加韧性和强度。
此外，Y和REM可通过促进针状铁素体形成以及增加B的晶界偏析量而主要用于抑制晶界铁素体的产生。换言之，Y和REM可通过原奥氏体的尺寸降低、针状铁素体的分率增加以及对晶界铁素体的控制而增加强度，与此同时可增加在极端低温（-40℃至-60℃）下的韧性。由此可改善在极端低温（-40℃至-60℃）下的冲击和CTOD特性。
此外，在加入Y和REM的情况下，Y和REM可增加电弧的稳定性。由于Y和REM促进电子发射且通过使氧化物在高温下稳定以形成稳定的阴极炽点（cathode spots）而持续保持焊接过程中的电流和电压，因此电弧可以是恒定的。因此，Y和REM还可通过最大限度地减少焊接过程中的飞溅物产生量以及保持焊接过程中恒定的珠粒尺寸而用于确保良好的焊接加工性。
为此目的，可含有的Y的量为0.02%至0.42%或可含有的REM的量为0.02%至0.56%。若含有Y和REM二者，则含有Y和REM的总量例如可在0.19%至0.65%的范围内。
除了前述组成，还可含有以下组分以进一步提高本发明特性。
本发明可包括铌（Nb）的量为0.15%或更低。Nb是用于形成焊接接头中精细Nb(C,N)沉淀物所需的元素。然而，在焊丝中Nb的含量高于0.15%的情况下，Nb可通过促进焊接接头中晶界铁素体的形成以及在焊接金属部分形成硬化相如硬质合金而不利地影响焊接接头的韧性。因此，鉴于焊丝的设计，Nb的加入量可限定在0.15%或更低。
所述组合物包括余量的铁（Fe）以及其他不可避免的杂质。
本发明的焊丝可通过减少飞溅物的产生量改善焊接加工性。本发明的焊丝满足在焊接条件为280A-30V下的电弧焊接过程中飞溅物产生量为2.0mg/min或更低。
[焊接接头]
下文将对使用本发明的焊丝制得的焊接接头做详细说明。本发明的焊接接头包括以下组成，以重量百分比计（在下文中为重量%）。
碳的含量可以在0.01%至0.1%的范围内。
C是确保焊接金属强度和焊接淬透性的必需元素，可加入的量为0.01%或更多。然而，在其含量高于0.1%的情况下，焊接性可能显著地降低，可促使焊接接头中的低温开裂，并且可显著地降低冲击韧性。因此，C的含量限定在0.01%至0.1%的范围内。
Si的含量可以在0.1%至0.5%的范围内。
在Si的含量低于0.1%的情况下，由于淬透性降低，因此难以确保强度。在其含量为高于0.5%的情况下可能不是可取的，因为可能促进焊接金属中M-A成分的转变，从而降低韧性如低温冲击韧性且增加焊接裂纹敏感性。
Mn的含量可以在0.5%至2.0%的范围内。
Mn是钢材中的奥氏体形成元素，并且可有效地改善焊接区域韧性以及可通过溶于基质中而确保韧性和强度。为此目的，可含有Mn的量为0.5%或更多。然而，在其含量高于2.0%的情况下，由于可形成低温转变结构，因此可能不是可取的。
Ni的含量可以在0.01%至3.0%的范围内。
Ni是通过固溶体硬化来改善基质强度和韧性的有效元素。Ni的含量可以为0.01%或更多。然而，在其含量高于3.0%的情况下，由于可能显著地增加淬透性并且可能产生高温开裂，因此可能不是可取的。
Ti的含量可以在0.02%至0.1%的范围内。
由于焊接过程中0.02%或更多的Ti与O或氮（N）结合而在焊接接头（即焊接金属）中形成精细的TiO-(Ti,B)N复合氧化物，因此是本发明中不可避免的元素。具体而言，需要预先确定Ti的量从而获得精细TiO，以及用于在固化期间在奥氏体晶粒中形成精细针状铁素体的有效成核位点。然而，在Ti的含量高于0.1%的情况下，可形成粗Ti氧化物和粗TiN沉淀物从而降低低温韧性和断裂韧性。
B的含量可以在5ppm至60ppm的范围内。
B是改善淬透性的元素，其中5ppm或更多的B为通过在晶界上偏析而抑制晶界铁素体转变所需。然而，在其含量高于60ppm的情况下，由于其作用可能饱和且焊接淬透性可能显著增加而促进马氏体转变，因此可能不是可取的，并且由此可产生低温焊接开裂以及可降低韧性。因此，B的含量可以被限定在5ppm至60ppm的范围内。
本发明的焊接接头可包括5ppm至250ppm的Y和5ppm至250ppm的REM中的一种或两种。Y和REM为具有高度亲氧性且优先在焊接接头的焊接金属中被氧化而形成极稳定氧化物的元素。所述稳定氧化物可通过在焊接接头的晶界上偏析而抑制晶界铁素体的产生并且可促进针状铁素体的形成。为此目的，Y和REM的量可分别在5ppm至250ppm的范围内。
除了以上组成，本发明的焊接接头还可包括0.02%或更低的Nb。Nb为可通过在焊接接头中作为沉淀相如NbC沉淀而提高强度的元素。然而，当Nb的含量高于0.02%时，由于沉淀相的增加，Nb会不利地影响低温韧性。因此，Nb的量可限定在0.02%或更低。
所述组合物包括余量的Fe以及其他不可避免的杂质。
本发明的焊接接头包括由Ti、Mn、Y和REM中的一种或多种形成的复合包裹体，其中具有平均直径为0.01μm至0.1μm的复合包裹体的量可以为全部复合包裹体的65%或更低。焊接接头中的复合包裹体用作成核位点以促进针状铁素体的产生。然而，精细包裹体，即平均直径为0.01μm至0.1μm的复合包裹体，在针状铁素体产生期间不用作成核位点，并且当精细包裹体的量增加时，精细包裹体可成为低温下的断裂起因而不利地影响断裂韧性。因此，平均直径为0.01μm至0.1μm的复合包裹体的量可以为全部复合包裹体的65%或更低。
此外，平均直径为1μm以上的复合包裹体的数量可为每1mm2有200个或更多。高水平的包裹体不可避免地被引入焊接接头中以确保药芯焊接材料的全位置可焊性。所述包裹体可用作针状铁素体的成核位点以促进针状铁素体的产生。为了满足上述水平，所述平均直径为1μm以上的包裹体的数量可为每1mm2有200个或更多。
本发明焊接接头中原奥氏体的直径可以为400μm或更低。通常，在室温下产生的铁素体的尺寸与原奥氏体的尺寸相关。也就是说，最终产生的铁素体的尺寸随着原奥氏体的尺寸降低而降低。因此，晶界数量有所增加并且晶界可延迟低温CTOD测试过程中的断裂现象。因此，由于当原奥氏体的直径大于400μm时，原奥氏体可能不足以延迟低温断裂，因此原奥氏体的直径可以为400μm或更低。
本发明的焊接接头的显微组织可包括面积分数为86%或更多的针状铁素体。所述针状铁素体为可同时提高焊接接头的强度和低温韧性的组织。此外，在针状铁素体的分率增加的情况下，可确保韧性的温度范围可能会降低。因此，可包括86%或更多的针状铁素体组织从而确保在-40℃、-60℃和-80℃下的优良低温韧性。
本发明的焊接接头满足在-80℃下的低温冲击韧性（夏比V-缺口(CVN)）为60J或更多，以及在-60℃下的低温CTOP值为0.25mm或更多，
并且由此显示出优良的低温韧性。
下文中将具体描述本发明实施例
(实施例1)
制备具有以下表1所示组成的焊丝，并且通过使用该焊丝在100%CO2保护气体下用0.8kJ/mm至2.7kJ/mm范围内的热量输入进行药芯电弧焊。
通过以上焊接获得的焊接接头的组成如表2所示。对每个焊接接头的低温冲击韧性和低温CTOD进行评估并将结果列于表2中。通过使用KS标准(KS B0801)4号样本进行夏比冲击测试(CVN)来评估低温冲击韧性。
观察焊接接头的显微组织和包裹体并将结果列于表3中。通过使用图像分析仪和电子显微镜采用点计数法测量显微组织和包裹体。
[表1]
Figure BDA00003721202300081
Figure BDA00003721202300091
[表2]
Figure BDA00003721202300092
Figure BDA00003721202300101
[表3]
Figure BDA00003721202300111
如表2和表3所示，满足本发明范围的焊接接头，即所有发明实施例，具有在-80℃下的低温冲击韧性为60J或更多以及在-60℃下的低温CTOD值为0.25mm或更多。因此，可证实所有发明实施例具有优异的低温韧性。
相反，不包括Y或REM的对比实施例1至3具有低分率的针状铁素体和粗的原奥氏体组织，可证实对比实施例1至3没有达到本发明所需的低温韧性值。
此外，在具有低于本发明所需的Y或REM的含量的对比实施例4至6以及在具有本发明范围之外的Y或REM的含量的对比实施例7和8中，可证实铁素体的分率不仅较低，而且还含有替代原奥氏体的贝氏体结构。也就是说，可证实对比实施例4至6没有达到本发明低温韧性值。
图1(a)、1(b)和1(c)为分别示出了对比实施例1、发明实施例1和对比实施例7的显微组织的显微照片。如图1(b)所示，可证实发明实施例的大部分显微组织由针状铁素体组成，但是如图1(a)所示，在加入的Y量不足的情况下则针状铁素体不能充分地形成。如图1(c)所示，可证实在Y过量添加的情况下，观察到贝氏体、马氏体和M-A结构不利地影响低温韧性。
图2(a)为示出发明实施例1的复合包裹体的显微照片，图2(b)为通过复合包裹体的能量色散X-射线光谱获得的照片。参照图2(a)和2(b)，可证实本发明的焊接接头中形成了包括Y的复合氧化物。
(实施例2)
在使用本发明的药芯电弧焊丝的情况下，测量飞溅物的产生量以考察焊接加工性的改善。
制备具有以下表4组成（重量%）的药芯焊丝并在280A-30V的焊接条件下进行药芯电弧焊。在表1中，组合物包括余量的Fe以及其他不可避免的杂质。
通过如图3所示的焊接方法使用各药芯电弧焊丝进行焊接。此时分别对各药芯电弧焊丝的电弧长度和焊丝长度测量4次，其结果如表2所示。测量每个焊接过程中飞溅物的产生量，其结果列于表5中。
[表4]
类别 C Mn Si Ni B Ti+TiO2 Y
发明实施例1 0.02 1.32 0.41 1.2 0.014 4.2 0.12
发明实施例2 0.04 1.42 0.52 0.42 0.03 4.51 0.42
发明实施例3 0.06 2.31 0.82 1.23 0.06 4.3 0.07
发明实施例4 0.07 2.06 0.99 0.02 0.011 6.38 0.12
发明实施例5 0.05 2.02 0.64 8.06 0.0001 4.22 0.07
对比实施例1 0.07 1.42 0.41 2.9 0.014 4.12 0
对比实施例2 0.08 2.17 1.05 0.02 0.01 6.43 0
对比实施例3 0.06 1.96 0.52 8.23 0.0002 4.17 0
[表5]
Figure BDA00003721202300121
Figure BDA00003721202300131
如表5所示，可理解的是在含有Y的本发明实施例中电弧长度有所减少，因此，可证实飞溅物的产生量有所降低。
相反，可证实在不含有Y的对比实施例中电弧长度有所增加，此时产生的飞溅物的量与发明实施例相比增加了约35%至约40%。
因此，可理解的是由于将Y加入至药芯电弧焊丝以减少飞溅物的产生量，因此可确保优异的焊接加工性。
当结合示例性实施方案展示和描述本发明时，对本领域技术人员显而易见的是，可进行修改和改变而不背离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种具有优异加工性且能够确保焊接接头的低温韧性的药芯电弧焊丝，其包含：
0.01重量%至0.1重量%的碳（C）；
0.3重量%至1.4重量%的硅（Si）；
1.0重量%至3.0重量%的锰（Mn）；
4.0重量%至7.5重量%的钛（Ti）+TiO；
0.01重量%至3.0重量%的镍（Ni）；
0.01重量%至0.2重量%的硼（B）；
0.02重量%至0.42重量%的钇（Y）或0.02重量%至0.56重量%的稀土金属（REM）；以及
余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质。
2.权利要求1的具有优异加工性且能够确保焊接接头的低温韧性的药芯电弧焊丝，其中在含有Y和REM二者的情况下，含有Y和REM的总量在0.19重量%至0.65重量%的范围内。
3.权利要求1或2的具有优异加工性且能够确保焊接接头的低温韧性的药芯电弧焊丝，还包含0.15重量%或更低的铌（Nb）。
4.权利要求1的具有优异加工性且能够确保焊接接头的低温韧性的药芯电弧焊丝，其中在焊接条件为280A-30V下用该焊丝进行电弧焊接的过程中飞溅物产生量为2.0mg/min或更低。
5.一种具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其包含：
0.01重量%至0.1重量%的C；
0.1重量%至0.5重量%的Si；
0.5重量%至2.0重量%的Mn；
0.02重量%至0.1重量%的Ti；
0.01重量%至3.0重量%的Ni；
5ppm至60ppm的B；
5ppm至250ppm的Y和5ppm至250ppm的REM中的一种或两种；以及
余量的Fe以及其他不可避免的杂质。
6.权利要求5的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，还包含0.02重量%或更低的Nb。
7.权利要求5或6的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中所述焊接接头包含由Ti、Mn、Y和REM中的一种或多种形成的复合包裹体，并且
具有平均直径为0.01μm至0.1μm的复合包裹体的量为全部复合包裹体的65%或更低。
8.权利要求7的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中复合包裹体的数量为每1mm2有200个或更多。
9.权利要求5或6的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中所述焊接接头中原奥氏体的直径为400μm或更低。
10.权利要求5或6的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中所述焊接接头的显微组织中的针状铁素体的面积分率为86%或更多。
11.权利要求5或6的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中所述焊接接头在-80℃下的低温冲击韧性为60J或更高。
12.权利要求4或5的具有优异加工性且能够确保低温韧性的焊接接头，其中焊接接头在-60℃下的低温裂纹尖端张开位移（CTOD）值为0.25mm或更高。
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