CN103878500A

CN103878500A - 一种低温韧性优良的大线能量焊接用埋弧焊实芯焊丝

Info

Publication number: CN103878500A
Application number: CN201210563255.XA
Authority: CN
Inventors: 王佳骥; 付魁军; 刘芳芳; 及玉梅; 蒋健博; 傅博; 韩严法; 高伟
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明公开一种低温韧性优良的大线能量焊接用埋弧焊实芯焊丝，其化学成分按质量百分比为C：0.06~0.10%、Si：≤0.10%、Mn：1.20~2.0%、Ni：0.20~1.20%、Ti：0.03~0.10%、B：0.005~0.010%、S的含量不超过0.010%、P的含量不超过0.020%、余量为Fe和不可避免的杂质。本发明涉及的埋弧焊实芯焊丝成分设计采用Mn-Ni-Ti-B合金体系，配合国产SJ101焊剂，在60kJ/cm~120kJ/cm焊接线能量下，熔敷金属性能满足各种规范要求。该埋弧焊实芯焊丝适合于单丝和双丝埋弧焊，焊丝焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，适合全位置焊接。同时，该埋弧焊丝贵重金属含量较少，生产成本较低。

Description

一种低温韧性优良的大线能量焊接用埋弧焊实芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊实芯焊丝。

背景技术

钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建造构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能。焊接是大型建筑构件中最长的一个工序，不仅影响建造成本，而且直接决定了建造周期。由于埋弧焊具有焊接效率高，容易实现自动焊接、减轻焊工劳动强度等优点，在这些钢结构的焊接过程中埋弧焊成为很重要的工艺之一。但是目前埋弧焊焊接线能量多数在30~40kJ/cm之间，所以为了进一步提高焊接生产效率，提高焊接线能量是一个行之有效的手段。按照IACS（International Association Classification of Societies）的有关规定，焊接线能量在50kJ/cm以上为大线能量焊接。但随着焊接线能量的增加，焊接区的冷却速度下降，焊缝金属组织容易粗化，焊缝接头的韧性显著下降。目前国内应用在大线能量焊接方面的焊丝多数需要从国外进口，所以开发适合于大线能量焊接、高强度、低温韧性优良的国产焊接材料是进一步提高埋弧焊效率、降低成本、提高焊接接头性能和替代进口产品的重要途径。

现在关于适合于大线能量焊接用的埋弧焊实芯焊丝的报道较少。

专利申请号为CN200910046732.3公开了“一种高韧性埋弧焊丝”，其特征在于熔敷金属屈服强度和抗拉强度较高，具有优异低温韧性和耐大线能量，其化学成分如下：C：0.08~0.15%、Si：≤0.1%、Mn：1.90~2.20%、S：≤0.010%、P：≤0.020%、Ni：0.10~0.30%、Cu：≤0.35%、其余为Fe。该专利虽指出发明的埋弧焊丝具有耐大线能量的特征，但是实施例中仅给出35kJ/cm焊接线能量下熔敷金属性能。

专利申请号为CN200410097804.4公开了“一种大线能量埋弧焊用焊丝”，其化学成分按质量百分比计C：0.03~0.10%、N：0.0035%以下、Si：0.40%以下、Mn：1.00~2.50%、还含Ti在0.030%以上且满足Ti/N：15~50，剩余部分由Fe及不可避免的杂质组成的焊丝。该专利虽然给出了Ti与N元素之间的配比关系，但是并未提及Ti与B元素的配比比例。因为在大线能量焊接条件下，焊丝中Ti与B元素的配比关系对焊缝金属的韧性影响较大。

专利申请号为CN200510029245.8公开了“一种高性能埋弧焊丝及盘条及其制造方法”，其化学成分按质量百分比计C：0.06~0.13%、Si：0.1~0.5%、Mn：1.3~1.7%、Ti：0.010~0.15%、B：0.001~0.009%、Mo：0.30~0.60%、其余为Fe。其摘要中提到该发明焊丝适合于20~80kJ/cm大线能量焊接，成分设计中添加了Ti和B元素，但是也没有提及Ti和B元素含量配比，同时在成分设计中添加了贵重金属Mo，从而提高了盘条和焊丝的生产成本。

专利申请号为CN200410097804.4公开了“大线能量埋弧焊焊接接头、该接头的制法及所用焊丝及焊剂”，其焊接接头的焊缝金属成分按质量百分比表示C：0.03~0.10%、Si：≤ 0.40%、Mn：1.00~2.50%、Ti：0.003~0.030%、N：0.0050以下。且焊缝金属中按质量百分比计还含有Nb：0.010~0.200%、Mo：0.10~0.50%、Ni：0.05~1.00%中选出的1种或2种以上。其特征在于埋弧焊焊丝可在150kJ/cm大线能量条件下焊接。但是该发明焊丝中仅提到了B和N元素的比例，也没有提到Ti和B元素含量配比，同时在实施例中仅给出了0℃和-20℃的冲击韧性。在实施例中，韧性优良的焊丝中均含有Mo和Nb元素，增加了焊丝的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于发明一种焊接线能量在50kJ/cm以上大线能量焊接条件下，具有高熔敷效率、低温韧性优良的埋弧焊实芯焊丝。主要适用于屈服强度在450MPa级别的桥梁、船舶、建筑等大型焊接结构件的制造。

本发明的技术方案为提出一种适合于大线能量焊接、高强度和优良低温韧性的埋弧焊实芯焊丝，其化学成分质量百分比为C：0.06~0.10%、Si：≤0.10%、Mn：1.20~2.0%、Ni：0.20~1.20%、Ti：0.03~0.10%、B：0.005~0.010%、S的含量不超过0.010%、P的含量不超过0.020%、余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。同时控制Ti与B元素的比例在7.0~10.0之间。

本发明化学成分设计的依据是：

C：碳具有提高熔敷金属强度的作用，同时对其韧性和抗裂性能的下降有明显的作用，为提高韧性和抗裂性能，碳含量应尽可能降低一些。但是碳含量低于0.06%，焊缝强度得不到保证，也不利于针状铁素体的生成。

Si：焊接过程中重要的脱氧元素。当焊缝中Si含量小于0.10%时，脱氧效果较差，焊缝易产生气孔缺陷。Si含量大于0.50%时，容易造成铁素体粗化，降低焊接接头韧性。由于焊剂中SiO₂含量较高，焊接过程中增Si现象严重，所以应该严格控制焊丝中Si元素的含量。

Mn：提高淬透性，细化组织，同时通过固溶强化提高焊缝金属强度。Mn元素也具有良好的脱氧和脱硫的作用。Mn元素含量低于1.20%时，焊缝金属强度偏低。高于2.0%时，组织细化效果饱和，阻碍C元素的扩散，易生成马氏体组织，导致焊缝金属韧性下降。

Ni：提高焊缝金属韧性的元素。尤其是提高焊缝低温韧性，同时降低脆性转变温度。当Ni元素的含量高于0.20%时，上述效果能够显著体现，当含量高于1.20%时，容易引起低温裂纹的产生。同时Ni又属于贵金属，应该控制其的添加量。

Ti：细化焊缝金属组织的元素。有利于实现大线能量焊接。Ti元素与N元素的亲和力极高，形成TiN质点，促进针状铁素体的形成。同时Ti元素又降低了焊缝中固溶N的含量，降低了固溶N对韧性的损害。当Ti元素的含量低于0.03%时，焊缝金属的组织不能够得到充分细化。当Ti元素的含量超过0.10%时，过剩的Ti元素会使焊缝韧性降低。

B：抑制先共析铁素体生成的元素。固溶的B在奥氏体晶界偏聚，降低界面能，抑制先共析铁素体的产生。同时B元素还具有减低奥氏体向铁素体转变的温度的作用，促进针状铁素体的形成。B元素的过度系数较低，添加范围在0.005~0.010%。

Ti元素与N元素的亲和力比B元素强，所以加入Ti元素可以防止B元素被氧化和氮化，保证B元素向焊缝中过渡。因为B是重要的提高淬透性的元素，所以可以提高焊缝金属的淬透性。扩大针状铁素体转变的区域，Ti、B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，可在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配。本发明将Ti/B含量的比例控制在7.0~10.0，当Ti/B含量的比例低于7.0时，焊缝金属韧性改善效果不明显。当Ti/B含量的比例高于10.0时，过量的Ti元素又会使焊缝金属的韧性下降。

S和P：对焊缝金属韧性具有危害作用，含量过高容易使焊缝产生裂纹，应尽量降低其含量，尤其是P元素。

本发明涉及的埋弧焊实芯焊丝成分设计采用Mn-Ni-Ti-B合金体系，配合国产SJ101焊剂，在60kJ/cm~120kJ/cm焊接线能量下，熔敷金属性能满足各种规范要求。该埋弧焊实芯焊丝适合于单丝和双丝埋弧焊，焊丝焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，适合全位置焊接。同时，该埋弧焊丝贵重金属含量较少，生产成本较低。

1、采用本发明的埋弧焊实芯焊丝熔敷金属和对接焊焊接接头具有优良的综合性能，即较高的强度和低温冲击韧性。

2、采用本发明的焊丝可以适用于60kJ/cm~120kJ/cm的大线能量焊接。当线能量在120kJ/cm时，在-40℃条件下焊缝金属的韧性仍然能够达到120J，甚至更高，完全可以满足船舶、桥梁、储罐等建造规范要求。

3、本发明的埋弧焊实芯焊丝适合于单丝和双丝埋弧焊，焊丝焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，适合全位置焊接。

具体实施方式

本发明的化学成分质量百分比为C：0.06~0.10%、Si：≤0.10%、Mn：1.20~2.0%、Ni：0.20~1.20%、Ti：0.03~0.10%、B：0.005~0.010%、S的含量不超过0.010%、P的含量不超过0.020%、余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质。同时控制Ti与B元素的比例在7.0~10.0之间。

下面结合实施例对本发明做详细说明。

本发明采用上述成分的的埋弧焊实芯焊丝，熔敷金属焊接试验采用单丝埋弧焊焊接方法，钢板对接试验采用双丝埋弧焊焊接方法，两种试验均采用国产SJ101焊剂配合焊接，焊剂采用350℃烘干，保温2小时，具体的焊接工艺参数见表1。

熔敷金属焊接试验选用钢板尺寸为300mm×125mm×20mm，垫板尺寸为300mm×25mm×10mm，钢板开V型30°坡口；焊丝熔敷金属单丝埋弧焊实施例的化学成分见表2。单丝埋弧焊实施例焊丝熔敷金属性能见表3。

钢板对接焊试验选用EH40船板，尺寸为500mm×200mm×45mm，钢板开X型60°坡口，预留3.5mm钝边。钢板对接双丝埋弧焊实施例焊丝的化学成分见表4。钢板对接双丝埋弧焊实施例性能见表5。

表1焊接试验工艺参数

表2 焊丝熔敷金属单丝埋弧焊实施例的化学成分 (wt, %)

表3单丝埋弧焊实施例熔敷金属性能

表4 钢板对接双丝埋弧焊实施例焊丝的化学成分 (wt, %)

	C	Si	Mn	S	P	Ni	Ti	B
									实施例5	0.062	0.07	1.61	0.0028	0.016	0.32	0.063	0.0089
实施例6	0.083	0.02	1.47	0.0040	0.016	0.53	0.082	0.0090
									对比例5	0.10	0.18	1.58	0.0042	0.018	—	—	—
对比例6	0.73	0.32	1.78	0.0040	0.016	0.21	0.076	—

表5 钢板对接双丝埋弧焊实施例焊缝和热影响区(HAZ)冲击韧性

上述实施例与对比例的检验结果说明，本发明的埋弧焊实芯焊丝的熔敷金属性能达到各种规范要求，对接焊焊缝和HAZ低温冲击韧性优良，焊缝成型美观。该焊丝成分设计简单，贵重金属含量较少，生产成本相对较低。可以应用于船舶、桥梁和建筑等行业的大型焊接结构件的生产和制造。

Claims

1.一种低温韧性优良的大线能量焊接用埋弧焊实芯焊丝其特征在于，化学成分按质量百分比为C：0.06~0.10%、Si：≤0.10%、Mn：1.20~2.0%、Ni：0.20~1.20%、Ti：0.03~0.10%、B：0.005~0.010%、S的含量不超过0.010%、P的含量不超过0.020%、余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低温韧性优良的大线能量焊接用埋弧焊实芯焊丝，其特征在于， Ti与B元素的比例在7.0~10.0。