CN103464926A

CN103464926A - 一种高性能埋弧焊丝、焊缝金属及其应用

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Publication number: CN103464926A
Application number: CN201310441789XA
Authority: CN
Inventors: 张盘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明公开了一种高性能埋弧焊丝、焊缝金属及其应用，以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，N≤0.01%，余量为Fe及不可避免杂质。利用本发明焊丝，搭配碱度2.5～3.5的烧结焊剂制得的焊缝金属屈服强度≥830MPa，抗拉强度≥980MPa，-20℃冲击功在60J以上；多道焊缝组织和力学性能均匀，兼具超高强度和良好低温冲击韧性。本发明焊丝可为超高强度钢材的工程应用提供匹配的焊接材料。

Description

一种高性能埋弧焊丝、焊缝金属及其应用

技术领域

本发明涉及一种高性能埋弧焊丝及焊缝金属，特别涉及一种超高强度埋弧实芯焊丝，利用其制得的焊缝金属具备超高强度和优良低温冲击韧性，属高强度焊丝钢领域。

背景技术

随着结构大型化、安全等级严格化，以及自身结构减重的需要，高强度和超高强度级别钢种逐渐在建筑、桥梁、工程机械等领域得到了广泛应用。比如，抗拉强度900MPa级别的钢种在建筑、桥梁和工程机械的关键承重部位上已经得到了应用。上述钢种一般通过调质热处理工艺生产，但由于加入合金量较大，其抗裂性能普遍不高。

已公开的专利文献有部分涉及到埋弧焊缝金属抗拉强度≥980MPa或者-20℃冲击功≥60J的报道，但鲜有能够同时兼顾两者。而且，还对预热温度和层间温度做出了严格限定，比如预热温度≥100℃，层间温度控制在100～200℃之间；层间温度过低易导致焊接冷裂纹，影响接头质量；层间温度过高则会导致焊缝强度下降或者冲击韧性下降，不符合力学性能要求，影响了焊接效率和焊接质量。在工程结构施工中，尤其是野外露天作业中，很难满足上述苛刻条件，否则易造成焊接质量问题。

目前，市场还没有可免除预热，且不对焊接过程中的层间温度做出苛刻要求的抗拉强度在980MPa以上的埋弧焊丝及焊缝金属。

发明内容

本发明的目的在于克服现有埋弧焊丝及焊缝金属需要预热和层间温度严格控制的不足，提供了一种可免除预热，且不用控制层间温度的高强度高韧性的埋弧焊丝及焊缝金属；采用本发明焊丝，搭配碱度2.5～3.5烧结焊剂可制得无缺陷焊缝，其抗拉强度≥980MPa，-20℃冲击功≥60J。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高性能埋弧焊丝，以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，余量为Fe及不可避免杂质。

一种焊缝金属，使用上述成分的焊丝搭配碱度2.5～3.5烧结焊剂制得。

所述的焊缝金属，以重量百分比计该焊缝金属的化学成分组成为：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，余量为Fe及不可避免杂质。

所述的高性能埋弧焊丝在制造焊缝金属中的应用，制得焊缝金属的力学性能如下：屈服强度>830MPa，抗拉强度>980MPa，-20℃冲击功>60J。

本发明中各元素的作用和含量限定的理由详述如下：

C：作为钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，当其含量<0.02%时会显著降低强度，因此其含量应≥0.02%；此外，高的C含量对低温冲击韧性和焊接性能不利。综合考虑，本发明C含量控制为0.02～0.09%。

Si：一方面具有脱氧作用，另一方面还可以增加焊缝金属的强度；但过多加入会导致低温冲击韧性降低、以及抗裂性能的降低；因此，本发明Si含量在0.30%以下。

Mn：是提高钢板强度最有效的元素之一，较高的Mn含量会显著降低相转变温度从而促进贝氏体和马氏体的转变，以提高钢板强度；同时，Mn也是有效的扩大奥氏体区的元素，另一方面与Ni共同作用将有利于焊缝组织中得到部分未转变的残余奥氏体，从而提高焊缝金属的抗裂性、低温冲击韧性。但Mn含量不宜过高（如≥3%），否则容易产生大尺寸的MnS夹杂，给焊丝用盘条的冶炼带来难度，同时也对盘条的性能带来危害，进而影响焊丝和焊缝金属的性能。因此，本发明Mn含量控制为2.0～3.0%。

P：会显著降低焊接性能，比如P的偏析会引发焊接裂纹、以及焊接热影响区的冲击韧性恶化。因此，本发明P只作为杂质元素，为保证钢板的综合力学性能，其含量控制为P≤0.01%。

S：杂质元素，本发明S含量控制为≤0.008%。

Ni：本发明中最重要的元素，一方面是提高焊缝金属的抗裂性，从而省去预热工序，另一方面是提高焊缝金属的低温冲击韧性。当其含量≥2.0%时，焊缝金属的抗裂性能显著提高，从而可免除焊前预热工序；当其含量≥5.0%时，焊缝金属中的未转变奥氏体含量将会显著增加，从而降低焊缝金属的强度。在含量2.0%～5.0%之间时，焊缝金属的-20℃冲击韧性稳定在60J以上。因此其最佳含量范围为2.0%～5.0%。

Ti：一方面通过促进针状铁素体形成来提高焊缝金属的强度、并改善低温冲击韧性；另一方面也通过析出强化提高了焊缝金属的强度。其含量在0.10～0.30%之间。

Nb：是强碳氮化物形成元素，加入0.10%的Nb通过Nb(C，N)析出可提高焊缝金属的强度100～150MPa；此外，该元素还易于偏析晶界，从而起到抑制侧板条铁素体和晶界铁素体的生成，从而改善焊缝金属的韧性。与Ti复合添加时，复合析出物(Nb，Ti)(C，N)的强化效果更好。为兼顾强度和韧性，其含量控制在0.10～0.30%之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、省去了焊前预热和层间温度控制、提高了焊接施工效率，尤其是对于野外施工的大型高强钢焊接结构。

2、新型MnNiTiNb合金设计确保了焊缝金属强度和低温冲击韧性的稳定，在较宽的焊接工艺条件下可使得焊缝金属的抗拉强度≥980MPa，-20℃冲击功≥60J。

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

选取直径4.0mm的埋弧实芯焊丝，其成分（重量百分比）组成为0.07C，0.12Si，2.4Mn，0.008P，0.004S，3.2Ni，0.16Ti，0.21Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊接试板选取屈服强度980MPa钢板，厚度为25mm。采用V型50°坡口，钝边4mm，间隙3mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流600A，电压34V，焊接速度40cm/min，焊接热输入量30kJ/cm；焊前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现未熔合、裂纹等缺陷。焊缝金属成分（重量百分比）组成为0.06C，0.16Si，2.1Mn，0.007P，0.004S，2.8Ni，0.14Ti，0.16Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度858MPa，抗拉强度992MPa，延伸率21%，断面收缩率51%；-20℃冲击功为114，96和106J，平均值为105J。

实施例2

选取直径4.0mm的埋弧实芯焊丝，其成分（重量百分比）组成为0.04C，0.08Si，2.9Mn，0.007P，0.003S，4.8Ni，0.12Ti，0.28Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊接试板选取屈服强度980MPa钢板，厚度为16mm。采用V型50°坡口，钝边3mm，间隙2mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流500A，电压32V，焊接速度36cm/min，焊接热输入量27kJ/cm；焊前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现未熔合、裂纹等缺陷。焊缝金属成分（重量百分比）组成为0.05C，0.10Si，2.6Mn，0.007P，0.004S，4.2Ni，0.18Ti，0.24Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度868MPa，抗拉强度1108MPa，延伸率20%，断面收缩率48%；-20℃冲击功为104，101和86J，平均值为97J。

实施例3

选取直径4.0mm的埋弧实芯焊丝，其成分（重量百分比）组成为0.03C，0.05Si，2.7Mn，0.006P，0.004S，2.6Ni，0.28Ti，0.22Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊接试板选取屈服强度980MPa钢板，厚度为40mm。采用双Y型50°坡口，钝边5mm，间隙3mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流750A，电压38V，焊接速度46cm/min，焊接热输入量37kJ/cm；焊前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现未熔合、裂纹等缺陷。焊缝金属成分（重量百分比）组成为0.04C，0.07Si，2.3Mn，0.006P，0.004S，2.9Ni，0.26Ti，0.21Nb，其余为Fe及杂质元素。

焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度848MPa，抗拉强度992MPa，延伸率21%，断面收缩率53%；-20℃冲击功为116，88和108J，平均值为104J。

通过上述实施例可知，本发明焊丝及其焊缝金属，可免除焊前预热和焊接过程中的层间温度控制，提高了焊接效率，并得到了高质量的焊接接头；其中焊缝金属的抗拉强度≥980MPa，-20℃冲击韧性≥60J。

Claims

1.一种高性能埋弧焊丝，其特征在于，以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，余量为Fe及不可避免杂质。

2.一种焊缝金属，其特征在于，使用权利要求1所述的焊丝搭配碱度2.5～3.5烧结焊剂制得。

3.根据权利要求2所述的焊缝金属，其特征在于，以重量百分比计该焊缝金属的化学成分组成为：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，余量为Fe及不可避免杂质。

4.根据权利要求1所述的高性能埋弧焊丝在制造焊缝金属中的应用，制得焊缝金属的力学性能如下：屈服强度>830MPa，抗拉强度>980MPa，-20℃冲击功>60J。