CN103862191B

CN103862191B - 用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝

Info

Publication number: CN103862191B
Application number: CN201410059036.7A
Authority: CN
Inventors: 钱伟方; 王怀龙; 曹能; 刘硕
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: CN103862191A

Abstract

本发明公开了一种用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝，其化学元素质量百分配比为：C：0.02～0.10%；Si：0.30～0.60%；Mn：0.80～1.00%；Ti：0.02～0.10%；Mo：0～0.50%；Cr：0.20～0.50%；Al：0.01～0.10%；Cu：0.10～0.80%；Ni：0.10～0.80%；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝的抗拉强度＞440MPa，焊缝金属-20℃冲击功＞47J，且具有较好的抗腐蚀性能。此外，本发明的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝与进行焊接的母板具有一致的耐腐蚀性能和抗点蚀能力。

Description

用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，尤其涉及一种焊丝。

背景技术

在国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海上安全委员会的第87届会议上，《原油船货油舱保护涂层性能标准》和《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》成为《国际海上人命安全（SOLAS）公约》框架内的强制性要求，根据上述标准的内容，原油船货油舱的防腐既可以通过传统涂层实现，也可以直接采用耐蚀钢而不经过涂层处理实现。

耐腐蚀钢板与普通船用钢板存在着差异性，其在严格控制S、P等杂质元素的同时，还添加了微量耐腐蚀合金成分，并且耐腐蚀钢板对于焊接工艺、焊接材料的要求也有别于普通船用钢板。根据标准的耐腐蚀试验认证内容，其对于焊接接头的要求是最严格的，例如，在上甲板模拟试验时，要求进行最长98天的试验；在进行下底板模拟试验时，母材的试验时间为72小时，而焊接接头的试验时间则为168小时。评价焊接接头耐腐蚀性能的标准是焊缝与母材的结合区不能出现台阶，这就要求焊缝与母材的腐蚀速率一致，因此，对于焊接材料与焊接母材的匹配度提出了非常高的要求。

公开号为CN101357425A，公开日为2009年2月4日，名称为“高强度铁道车辆用耐候钢富氩气体保护焊丝”的中国专利文献涉及了一种保护焊丝，其化学成分按所述质量百分比制成：Cu:0.2～0.35%，Cr：0.3～0.7%，Ni：0.2～0.6%，C：0.05～0.1%，Si0.3～0.5%，Mn：1.2～1.45%，P≤0.015%，S≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利文献所涉及的焊丝虽然具有耐腐蚀性，但是由于该焊丝所处于的腐蚀环境与原油船货油舱的腐蚀环境完全不同，因此，在成分设计的理念上存在着很大的差异。

公开号为CN102114581A，公开日为2011年7月6日，名称为“用于油船货油舱的气体保护焊丝”的中国专利文献公开一种气体保护焊丝，该气体保护焊丝按质量百分数计为：C：0.01～0.15%，Si：0.1～1%，Mn：1～2%，P≤0.015%，S≤0.012%，Ni：0.1～1%，Cu：0.1～1%，0＜Cr≤0.1%，Ti：0.01～0.25%，0＜Al≤0.1%，余量为Fe及其它不可避免的杂质。该专利文献所公开的焊丝采用了高Mn低Cr的设计理念，采用Ni+Cu的组合来实现防腐效果。然而原油船货油舱所用的船板强度级别都比较低，以AH32钢板为主，因此，对于焊缝强度的要求也比较低。耐腐蚀钢板化学成分以及强度级别差异太大的话，对于钢板的耐腐蚀同步性是非常不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝，该焊丝的抗拉强度大于440MPa，焊后的焊缝金属-20℃冲击功大于47J，能够适应原油船货油舱对于焊接接头的焊缝要求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

上述不可避免的杂质主要是指P和S元素，其中控制P≤0.015%，S≤0.01%。

本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝中的各化学元素的设计原理为：

C：C元素含量对焊缝的强度和韧性具有较大的影响。当C含量较低时，焊缝强度较低，铁素体比例增加，焊缝韧性提高；而当C含量较高时，焊缝强度较高，珠光体比例增加，焊缝韧性下降。在本发明的技术方案中，需要将C含量控制在0.02～0.10wt.%，以提高焊缝的韧性。

Si：Si是气体保护焊丝中的主要脱氧元素。加入Si的量偏少会导致焊缝中的氧含量增加，从而降低焊缝的冲击韧性，而加入Si的量过多，虽然可以提高焊缝的强度，但是也会导致焊缝的脆化，因此，本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝中的Si含量应控制在0.30～0.60wt.%。

Mn：Mn可以起到脱氧作用，其能够防止导致热裂纹产生的碳化铁夹杂物的形成，促使铁素体晶粒和碳化物的细化，从而提高焊缝的强度和韧性。同时，Mn会偏析引起组织中的硬相产生，使得焊丝的抗HIC能力下降，然而Mn含量太低又会影响焊缝的强度，因此，需要将Mn含量设定为0.8～1.0wt.%。

Ti：Ti可以与奥氏体中的N反应生成TiN颗粒，TiN具有很低的溶解度，在焊缝中会形成很细的弥散物，可以有效地阻止晶粒长大，并成为针状铁素体的形核核心，从而大幅度地提高焊缝的韧性。对于本发明的技术方案来说，需要将Ti的含量设定为0.02～0.10wt.%。

Mo：Mo是较强的固溶强化元素，它可以提高焊缝强度，并且能够推迟奥氏体的转变温度，以抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，并促进晶内针状铁素体的形成，从而提高焊缝的低温韧性。通过控制M o的含量可以调整焊缝金属的强度范围，因此，在本发明的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝中，需要将Mo的含量控制为0～0.50wt.%。

Cr：Cr是一种固溶强化元素，其能够提高焊缝的淬透性，它的作用与Mn元素类似。另外，Cr也是一种的抗氧化性元素，其能够在金属表面形成一层完整的、致密而稳定的氧化保护膜，因此Cr含量控制在0.20～0.50wt.%。

Al：Al可以脱氧，Al与N形成的AlN可以细化晶粒，提高焊缝的韧性，因此，在本技术方案中，Al含量控制在0.01～0.10%。

Cu：Cu是一种重要的提高耐腐蚀性能的金属元素。不过，Cu含量超过1.0%时，会大幅度地降低焊缝的韧性，因此，在本发明的技术方案中，Cu含量需要控制为0.10～0.80wt.%，一方面强化、韧化金属焊缝，另一方面提高焊接接头的耐腐蚀性能。

Ni：Ni作为强化元素添加入焊缝金属中，通过晶粒细化和固溶强化来提高焊缝金属的强度，同时，它的加入也能降低焊缝金属的韧脆转变温度。此外，Ni元素对于酸类具有良好的耐腐蚀性，在本发明的技术方案中，需要将Ni含量控制在0.10～0.80wt.%。

综上所述，针对原油船货油舱船板的特性，本发明的技术方案采用低C、低Mn将焊缝的强度和硬度控制在较低的水平，以提高焊丝的抗HIC性能；通过加入Mo元素来调整焊缝的强度范围；添加适量的Ti、Ni元素以提高焊缝的韧性；通过Cu、Ni和Cr的综合添加来提高焊缝在原油船舱环境中的耐腐蚀性能，并尽量降低杂质元素P和S的含量以提高焊缝的抗H₂S应力腐蚀。另外，本发明的技术方案在焊丝成分的设计上充分考虑了耐腐蚀钢板的成分设计体系，使得焊缝的腐蚀速度与母板的腐蚀速度保持一致，并令焊缝具备与母材相同的抗点蚀能力。

进一步地，本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝由于采用了上述技术方案，使得其抗拉强度大于440MPa，焊缝金属-20℃冲击功大于47J，并且具有较好的抗腐蚀性能。此外，本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝与进行焊接的母板具有一致的耐腐蚀性能和抗点蚀能力。

附图说明

图1显示了本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝实施例1的焊接接头试样在经过下甲板腐蚀试验后的结果。

图2显示了本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝实施例3的焊接接头试样在经过下甲板腐蚀试验后的结果。

图3显示了本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝实施例1的焊接接头试样在经过上甲板腐蚀试验后的结果。

图4显示了本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝实施例3的焊接接头试样在经过上甲板腐蚀试验后的结果。

具体实施方式

下面将根据具体实施例和说明书附图对本发明所述的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝做进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例1～5

采用真空感应炉冶炼，并控制化学元素质量百分配比如表1所示；采用常规工艺拉拔制成直径为1.2mm的焊丝。

表1.实施例1～5的化学元素的质量百分配比

（wt%，余量为Fe和其他不可避免的杂质）

序号	C	Si	Mn	Ti	Mo	Cr	Al/t	Cu	Ni
										实施例1	0.058	0.51	0.94	0.063	0.19	0.25	0.047	0.19	0.37
实施例2	0.041	0.41	0.91	0.021	0.21	0.31	0.071	0.25	0.47
										实施例3	0.091	0.36	0.82	0.043	0.02	0.36	0.052	0.75	0.25
实施例4	0.028	0.58	0.99	0.075	0.46	0.28	0.096	0.30	0.75
										实施例5	0.074	0.43	0.83	0.087	0.35	0.46	0.021	0.60	0.51

采用上述实施例1～5中的焊丝进行焊接，焊接时采用的保护气体为Ar（80%）+CO₂（20%）的混合气体，焊接电流为270A，焊接电压为28V，焊接速度为30cm/min，焊接母材采用原油船活油轮耐腐蚀船板，焊接后，焊接接头的相关力学性能如表2所示。

表2列出了本案实施例1～5的性能参数。

表2.

从表2中可以看出，实施例1-5中的实芯气体保护焊丝具有优良的力学性能，其Rt_0.5≥410Mpa，Rm≥480Mpa，A（延伸率）≥25%，-20℃冲击功≥95J，能够完全满足相关船板用钢的力学性能要求。

分别模拟原油船货油舱下甲板和上甲板的腐蚀环境，并且对于本案实施例1和实施例3的焊丝在焊接后所形成的焊接接头进行上甲板和下甲板模拟耐腐蚀性能试验。

上甲板和下甲板模拟腐蚀试验的装置及其方法可以参照IMO（International Maritime Organization，国际海事组织）所提供的装置和方法进行。

在进行下甲板腐蚀试验时，将焊接接头试样悬挂于腐蚀溶液中，悬挂绳采用绝缘鱼线，鱼线直径为0.3-0.4mm，腐蚀溶液采用10%NaCl溶液，并用HCl调节pH为0.85，溶液每24小时更换一次，溶液的体积必须大于20ml/cm²（试样的面积），温度为30±2℃。

在进行上甲板腐蚀试验时，采用蒸馏水和模拟原油船货油舱内气体成分，通入气体成分为：（4±1）%O₂-（13±2）%CO2-（100±10）ppmSO₂-（500±50）ppmH₂S-（83±2）%N₂，焊接接头试样表面与水面之间的距离足够大可以防止蒸馏水在试验中的飞溅。气体的流量为：前24小时至少100ml/min，24小时后至少20ml/min。采用循环腐蚀实验条件：单次循环时间为24个小时，其中，在50±2℃下，持续19±2hr，然后在25±2℃下，持续3±2hr，温度转换时间至少为1小时；在50℃条件下，需要保持蒸馏水的温度≤36℃。

在上述两项试验中，判断焊丝是否与母材具有一致的耐腐蚀性能的方法是在显微镜下观察母材与焊缝金属之间有无明显台阶，判断的具体量化数值是金属焊缝面与母材面在腐蚀试验后的高度差小于30μm。

实施例1和实施例3的焊接接头试样在经过下甲板腐蚀试验后的结果分别如图1和图2所示，从图中可以看出实施例1和实施例3的试样的焊缝面与母材面的高度差非常小，在100倍显微镜下焊缝面和母材面基本保持在同一水平面上，高度差＜10μm。实施例1和实施例3的焊接接头在经过上甲板腐蚀试验后的结果分别如图3和图4所示，从图中可以看出实施例1和实施例3试样的焊缝面与母材面的高度差也非常十分小，在100倍显微镜下焊缝面和母材面基本维持在同一水平面上，高度差＜10μm。

通过上述模拟腐蚀试验的结果表明，本发明的用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝具有优良的耐腐蚀性能，同时其还具有与母材保持一致的耐腐蚀性能，也就是说，焊缝的腐蚀速度与母材的腐蚀速度一致，且其具备与母板相同的抗点蚀能力。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于原油船货油舱船板焊接的实芯气体保护焊丝，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质。