CN103586594B

CN103586594B - 基于ulcb组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝

Info

Publication number: CN103586594B
Application number: CN201310534846.9A
Authority: CN
Inventors: 张天理; 栗卓新; 荆洪阳; 马司鸣; 徐连勇
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Jiangsu Bohan Welding Materials Co ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103586594A

Abstract

本发明公开了一种基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮由低碳钢带构成，所述低碳钢带中碳的重量百分比含量为0.025-0.035%；钢带宽度为10-12mm，厚度为0.6-0.8mm；所述药芯组分及其重量百分比为：锰：7-12%，硅铁合金：3-6%，铬：0.5-2%，镍：8-14%，钼：2-4%，锆硅合金：0.5-3%，氟化物：0.5-3.5%，钛铁：0.5-3%，余量为铁粉；药芯填充率为15-21%。焊接选用氩和二氧化碳混合气体作为保护气体，其中二氧化碳含量为5-20%；本发明金属芯焊丝具有极佳的焊接工艺性能，焊缝成型美观，其熔敷金属强度可达800-950MPa，-40℃低温冲击韧性达到60J以上。

Description

基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体涉及一种氩+二氧化碳混合气体保护焊所用的高强钢金属芯焊丝。

背景技术

高强度超低碳贝氏体(ULCB)钢具有优异的强韧匹配及良好的焊接性，已逐步应用于舰船、石油管线、高层建筑、大型储罐及海洋平台等领域用以替代低合金高强(HSLA)钢，且主要以焊接结构使用。

在焊接抗拉强度为650-1000MPa，同时具有优异的低温韧性的高强钢时，使用现有的焊接材料，焊缝金属的碳含量高于母材，焊缝金属合金化程度偏高，淬硬性明显大于母材，冷裂倾向于在焊缝金属中出现。

另一方面，随着高强钢在西气东输、海洋石油钻探平台等领域的应用，低温韧性成为焊接工作面临一项重大挑战。目前市场上抗拉强度达到900MPa的气保焊焊丝普遍存在-40℃下冲击韧性偏低的问题。

因此，目前对于具有优异低温韧性的高强钢焊丝的需求越来越大，要求焊丝不仅具有优异的焊接工艺性能，而且使焊缝金属中碳含量降低，使熔敷金属组织为ULCB组织以发挥出高强度及优异的低温冲击韧性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，该焊丝熔敷金属采用超低碳贝氏体理论进行组织设计，本发明具有极佳的焊接工艺性能，焊缝成型美观，熔敷金属强度可达800-950MPa，-40℃低温冲击韧性达到60J以上。本发明适用于在极寒冷地带的桥梁、工程机械、石油管线及海洋平台等钢结构加工制造过程中的氩气、二氧化碳混合气体保护焊。

为了解决上述技术问题，本发明基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮由低碳钢带构成，所述低碳钢带中碳的重量百分比含量为0.025-0.035％；钢带宽度为10-12mm，厚度为0.6-0.8mm；所述药芯组分及其重量百分比为：锰：7-12％，硅铁合金：3-6％，铬：0.5-2％，镍：8-14％，钼：2-4％，锆硅合金：0.5-3％，氟化物：0.5-3.5％，钛铁：0.5-3％，余量为铁粉；药芯填充率为15-21％。

进一步讲，所述硅铁合金中硅的重量百分比含量为40-50％；所述锆硅合金中锆的重量百分比含量为35-40％；所述钛铁中钛的重量百分比含量为20-40％；所述锆硅合金与钛铁的重量比为1-2；所述的氟化物为氟化钙或氟化钠。

本发明金属芯焊丝可以采用常规药芯焊丝制备技术制得。

本发明的设计思想是：熔敷金属组织设计为以粒状贝氏体、针状铁素体与蜕化上贝氏体为主的复相交割组织。通过控制熔敷金属中的C含量在0.045％以下，以抑制贝氏体相变过程中渗碳体的析出，并通过Cr、Mo元素的优化，对焊接冷却过程中固态相变温度及相变孕育期进行调控，通过锆钛的微合金化诱发熔敷金属中的针状铁素体形核，使熔敷金属获得具有优异强韧匹配的超低碳贝氏体组织。该组织的特征为：以粒状贝氏体、针状铁素体与蜕化上贝氏体为主的复相交割组织。如图1所示，较高温度下相变生成的针状铁素体和粒状贝氏体组织分割了原奥氏体晶粒，抑制了低温相变的蜕化上贝氏体组织的过分长大，起到了细化晶粒亚结构的作用，提高了熔敷金属的低温韧性。

药芯中各组分的作用如下：

Mn：确保熔敷金属的强度和降低氧、硫含量，降低熔敷金属固态相变温度，细化晶粒，提高熔敷金属强度及低温冲击韧性。

Si：增加电弧稳定性。作为脱氧剂确保熔敷金属的强度和降低氧含量。含量过高则使熔敷金属塑性和冲击韧性降低。

Cr：起到明显的固溶强化作用，同时降低熔敷金属相变温度，促进贝氏体形核。但含量过高易导致低温韧性急剧降低。

Ni：通过细化晶粒和固溶强化获得强化效果，同时也是最好的韧化元素，能够显著改善焊缝金属的低温韧性。

Mo：通过固溶强化以提高强度，抑制先共析铁素体形核，缩短贝氏体转变孕育期，延长铁素体-珠光体转变孕育期，在较宽的冷却条件下获得贝氏体组织结构，同时通过含量的控制与Cr一起调控熔敷金属组织类型及比例。在超低碳条件下(C≤0.045％)，熔敷金属中(Cr+Mo)与C的质量比在19-23之间时，可获得适宜的超低碳贝氏体组织且具有适宜的强韧匹配。

表1.Cr、Mo含量对熔敷金属固态相变组织比例的影响(％)

锆硅合金：通过在熔敷金属中形成锆的非金属氧化夹杂物，在淬硬性较大的情况下为针状铁素体的晶内形核提供质点。

氟化物：药芯中的各种氟化物在高温下易汽化和分解，产生大量的氟蒸汽而大大降低电弧气氛中的氢分压，同时，氟化物在焊接时与电弧气氛中氢原子及水蒸汽发生反应，形成不溶于钢液的氟化氢气体，从而降低焊缝氢含量。焊接时氟化钠可分解出电离势小的Na离子，提高焊丝的电弧稳定性。

钛铁：钛在熔敷金属中与锆一起形成的非金属氧化夹杂物，一定的Zr、Ti重量比下，在淬硬性较大的情况下为针状铁素体的晶内形核提供质点。优先形核长大的针状铁素体可分割原奥氏体晶粒限制后续形核的贝氏体及马氏体组织，有效细化晶粒提高韧性。锆硅合金与钛铁的添加在一定的质量比范围内具有最佳效果，比值在1-2之间为宜。

铁粉：调节成分，保证电弧稳定性，提高熔敷效率。

表2.锆硅合金和钛铁的添加对熔敷金属组织中针状铁素体含量及焊丝冲击韧性的影响

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1)本发明金属芯焊丝具有良好的电弧稳定性，焊缝金属强度高，抗拉强度可达850-950MPa，同时具有优异的低温冲击韧性，-40℃的低温冲击韧性大于60J。

2)本发明金属芯焊丝严格控制了焊丝中的碳含量，熔敷金属中C(重量％)≤0.045％，通过优化Cr、Mo含量保证焊缝金属强度，通过锆硅合金、钛铁的联合调控保证在较大的淬硬性下依然获得适量的针状铁素体以起到分割原奥氏体晶粒，细化贝氏体板条尺寸的作用，保证焊缝金属的高低温韧性。图2为熔敷金属SEM图，黑色粗箭头指出了一个原奥氏体晶界，晶粒内部黑色细箭头标出了板条组织的取向，板条簇被白色箭头标出的以夹杂物形核的粒状贝氏体和针状铁素体组织分割，板条簇的长大受到拘束，尺寸更小且在一个原奥氏体晶粒内同时存在多取向的板条簇。该种复相组织增加了原奥氏体晶粒内粒状贝氏体、针状铁素体和不同取向的板条簇间的大角度晶界，可以有效的抑制裂纹的扩展，裂纹在通过取向复杂的复相组织时需进行多次变向并易在大角度晶界处发生钝化或产生分支消耗更多的能量从而使材料的冲击韧性提高。

附图说明

图1为高温相变产物对原奥氏体晶粒的分割细化的示意图；

图2为熔敷金属显微组织中原奥氏体晶粒被分割的SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

实施例1

基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮由低碳钢带构成，所述低碳钢带的化学成分见表3，其中碳的重量百分比含量为0.025-0.035％；钢带的宽度×厚度为12×0.8mm；药芯的化学组成(重量％)为：锰：12％，硅铁合金：5.5％，铬：2％，镍：12％，钼：3.5％，锆硅合金：1.5％，氟化钙：2％，钛铁：1.5％，其余60％为铁粉。药芯焊丝中药粉的填充率为16.5％。

实施例2

基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮的材料和尺寸与实施例1相同，药芯的化学组成(重量％)为：锰：10％，硅铁合金：5％，铬：2％，镍：12％，钼：3％，锆硅合金：1％，氟化钠：1％，钛铁：0.5％，其余的65.5％为铁粉，药芯焊丝中药粉的填充率为：17.5％。

实施例3

基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮的材料和尺寸与实施例1相同，药芯的化学组成(重量％)为：锰：12％，硅铁合金：4.5％，铬：1.2％，镍：14％，钼：3.5％，锆硅合金：1.5％，氟化钙：1.5％，钛铁：0.4％，其余的61.4％为铁粉。药芯焊丝中药粉的填充率为：19.2％。

实施例4

基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮的材料和尺寸与实施例1相同，药芯的化学组成(重量％)为：锰：10％，硅铁合金：5.5％，铬：2％，镍：14％，钼：3.2％，锆硅合金：2.5％，氟化钠：1.8％，钛铁：1.4％，其余59.6％为铁粉。药芯焊丝中药粉的填充率为：19.4％。

上述实施例1-4的药芯的化学组成中，硅铁合金中硅的重量百分比含量为40-50％，所述锆硅合金中锆的重量百分比含量为35-40％，所述钛铁中钛的重量百分比含量为20-40％。

表3.实施例1-4中所使用的低碳钢带的化学成分(重量％)

将实施例1-4中制备的金属芯焊丝进行焊接试验：采用直流反接法，实施例1和实施例2采用80％Ar+20％CO₂气体保护进行焊接，实施例3和实施例4采用95％氩+5％二氧化碳气体保护进行焊接。焊接电流200-280A，焊接电压24-30V，焊接速度25cm/min，气体流量20L/min，干伸长18mm。层间温度控制在125-170℃，焊道分布7层14道。焊接试板标准按GB10045-2001进行。在平焊位置施焊，观察焊接过程。焊后对熔敷金属做化学成分和力学性能检测。结果表明：焊接过程中电弧稳定，飞溅极少，焊缝成型美观；熔敷金属的化学成分见表4；力学性能测试结果见表5。

表4.熔敷金属化学成分(重量)％

表5.熔敷金属力学性能

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮由低碳钢带构成，钢带宽度为10-12mm，厚度为0.6-0.8mm；其特征在于，

所述低碳钢带中碳的重量百分比含量为0.025-0.035%；

所述药芯组分及其重量百分比为：锰：7-12%，硅铁合金：3-6%，铬：0.5-2%，镍：8-14%，钼：2-4%，锆硅合金：0.5-3%，氟化物：0.5-3.5%，钛铁：0.5-3%，余量为铁粉；

药芯填充率为15-21%。

2.根据权利要求1所述基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，其特征在于，所述硅铁合金中硅的重量百分比含量为40-50%。

3.根据权利要求1所述基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，其特征在于，所述锆硅合金中锆的重量百分比含量为35-40%。

4.根据权利要求1所述基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，其特征在于，所述钛铁中钛的重量百分比含量为20-40%。

5.根据权利要求1所述基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，其特征在于，所述锆硅合金与钛铁的重量比为1-2。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护金属芯焊丝，其特征在于，所述的氟化物为氟化钙或氟化钠。