CN104785955A - 一种超高强钢用气保焊丝及焊缝金属 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高强钢用气保焊丝及焊缝金属，以重量百分比为计的焊丝含有C 0.03～0.10，Si 0.25～0.45，Mn 1.60～1.90，S≤0.01，P≤0.01，Ni 2.80～5.20，Cr 0.50～2.50，Mo 0.3～0.8，Nb 0.02～0.15，Ti 0.05～0.2，Zr 0.01～0.20，余量为Fe及杂质元素。经混合气体保护焊，可制得抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥850MPa，-20℃冲击功≥100J的焊缝金属，且焊缝中含钛或锆的氧化物粒子的体积密度≥250/mm2。本发明可应用于工程机械、建筑和桥梁等领域用超高强度钢板的焊接。

Description

一种超高强钢用气保焊丝及焊缝金属
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种超高强钢用气保焊丝及焊缝金属，特别是涉及一种1000MPa高强钢用气体保护焊用实芯焊丝及焊缝金属。
背景技术
近年来，工程机械用泵车和吊臂、水电工程用压力水管、以及煤矿机械用液压支架等纷纷采用了抗拉强度800～1000MPa的高强度钢材，以提高结构部件的承载力和综合性能。一般情况下，该类钢板通常需要满足-20℃冲击功大于47J的要求。该类钢板通常采用控轧控冷+热处理的生产工艺，微观组织以回火马氏体为主；为确保力学性能和焊接性能，则采用低碳和低合金的设计原则，以降低焊前预热温度。
该类超高强度钢板在工业应用中离不开焊接装配，但国内尚无专门的匹配焊接材料。CN101244495A和CN101987403A中提到的焊丝均不能满足1000MPa的技术要求。CN102626836A公开了高Cr高Ni惰性气体保护焊接用焊丝及焊缝金属，并使得接头强度在1000MPa以上，但也存在两个缺点：一是焊丝合金成本高；二是采用惰性气体保护焊接导致焊接工艺成本高，给工业应用带来困难。截至目前，未见能够适应1000MPa级别钢板焊接的以惰性气体为主的混合气体保护焊接专用焊丝和工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强钢用气保焊丝及焊缝金属，以适应1000MPa级别钢板的焊接。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种超高强钢用气保焊丝，以重量百分比为计焊丝的化学成分为：C 0.03～0.10，Si 0.25～0.45，Mn 1.60～1.90，S≤0.01，P≤0.01，Ni 2.80～5.20，Cr0.50～2.50，Mo 0.3～0.8，Nb 0.02～0.15，Ti 0.05～0.2，Zr 0.01～0.20，余量为Fe及杂质元素。
进一步，气保焊丝的保护气氛选用容积组成为95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热输入量5～18kJ/cm。
另一方面，以惰性气体为主的混合气体保护焊，焊接热输入量在5～18kJ/cm之间，制得的焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.03～0.10，Si0.25～0.45，Mn 1.60～1.90，S≤0.01，P≤0.01，Ni 2.80～4.80，Cr 0.50～2.50，Mo 0.3～0.8，Nb 0.02～0.15，Ti 0.05～0.2，Zr 0.01～0.20，O 0.010～0.045，余量为Fe及杂质元素，Ceq 0.55～0.75，Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4。
进一步，焊缝金属中含钛或锆的氧化物粒子的体积密度≥250/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的体积密度≥200/mm2。
更进一步，焊缝金属的屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，-20℃冲击功≥47J。
本发明中焊丝的各元素作用和含量限定如下：
C：添加合适含量的C是保证焊缝强度的重要因素，因此C含量不宜过低，但过高的C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量也不宜过高。当其含量≥0.1％时，会显著增加冷裂纹敏感性，同时也会恶化焊缝金属中马氏体的韧性，从而影响整个焊接接头的冲击韧性；但当其含量≤0.03％时，对焊缝金属的强度贡献较少，会提高需加入钢中合金元素的含量。因此，优选其成分为0.03～0.10％。
Si：为确保焊接过程中的冶金脱氧过程顺利进行，焊丝中的添加量需≥0.25％，否则会影响焊接接头质量；另一方面，也会通过固溶强化提高焊缝金属的强度。当其含量≥0.45％时，会显著促进魏氏体组织和侧板条铁素体的生成，从而恶化焊缝金属的冲击韧性。因此，优选其成分为0.25～0.45％。
Mn：在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素，有利于细化焊缝组织。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此优选Mn含量为1.60～1.90％。
Ni：是本发明中的重要元素，一方面是利用其韧化铁素体基体的原理来提高焊缝金属的冲击韧性，另一方面利用其高淬透性来提高焊缝金属的强度，从而达到同时提高强度和韧性的目的。当其含量≤2.5％时，其提高焊缝金属基体的韧性的作用不明显；当其含量≥5.5％时，将会导致焊缝金属的淬透性过强，导致强度过高、韧性下降，同时过高的镍含量将会导致熔炼难度增加，进一步增加成本。在综合考虑C、Mn、Cr元素的基础上，优选其成分为2.8～5.2％。
Cr：一方面利用其高淬透性来提高焊缝金属的强度。另一方面通过与Ni搭配来综合考虑其对焊缝金属的凝固组织、热裂纹敏感性和平衡组织的影响。在本发明中，为确保焊缝金属在焊后凝固过程中避免δ铁素体的生成，从而恶化焊缝金属的韧性，其含量需满足：Cr≤0.6Ni+1.2。
在综合考虑C，Mn和Ni元素的基础上，优选其成分0.5～2.5％。
Mo：是有效促进焊缝金属针状铁素体形成的元素之一，在通过细化焊缝金属微观组织的同时，提高了焊缝金属的强度和低温冲击韧性。因此控制其含量为0.3～0.8％。
Nb：本发明中的重要元素之一，一般用于低合金高强钢的生产中，在焊丝中少见添加。在气保焊丝添加少量的Nb，可通过细化焊缝金属微观组织来有效提高焊缝金属的强度，添加0.02％的Nb可提高焊缝金属强度30～40MPa，从而可取代部分贵重合金元素。当其含量超过0.15％，会大幅度增加Nb(C，N)等碳氮化物的生成，从而失去组织细化作用，同时也会恶化韧性。因此优选其含量为0.02～0.15％。
Ti：是本发明中的重要元素之一，该元素是强脱氧剂、脱氮剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物(TiO，TiN)质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性。
Zr：作用与Ti类似，是强脱氧剂、脱氮剂。适量Zr的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的氧化物粒子，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性。
Ti和Zr复合添加效益优于单一添加，一是形成的氧化物粒子体积含量会增加，二是粒子的尺寸会降低、且易均匀分布、不容易聚集长大。这些呈致密分布、小尺寸的高熔点粒子的存在，一方面促进了母管焊缝中针状铁素体生成、另一方面也抑制了侧板条铁素体和晶界铁素体的生成。上述两方面共同作用，确保了焊缝金属中细化组织的生成、有利于低温韧性。
此外TiN的析出还减少了焊缝金属中的自由氮含量，降低了其对低温韧性的不利影响，但过高的Ti含量会导致焊缝韧性恶化。
因此优选Ti含量为0.05～0.20％，优选Zr含量为0.01～0.20％。
S，P：对焊缝的低温韧性不利，作为杂质元素其含量应控制在合理范围，本发明中，控制其含量S≤0.01％，P≤0.01％。
O：本发明中焊缝金属中的氧含量在0.008～0.070％之间，这取决于保护气体的种类和比例。焊缝金属的低温韧性随氧含量增加而降低，尤其是当其含量大于0.04％时。因此应控制其含量≤0.04％。当同时也要考虑Ti和Zr的氧化物粒子对于焊缝金属组织细化作用的发挥，当氧含量≤0.01％时，生成的粒子数量严重不足。因此，优选焊缝金属中氧含量在0.01～0.04％之间。
当Ti，Zr和O含量满足上述要求时，焊缝金属中含钛或锆的氧化物粒子的体积密度≥250/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的体积密度≥200/mm2。
本发明的优点及有益效果：
1.本发明采用低成本的NiCrNb合金设计，克服了1000MPa级别焊缝金属高Ni高Cr合金设计带来的成本过高、不利于应用的缺点，另一方面通过TiZr复合添加的氧化物粒子控制技术克服了传统MnMoCrNi合金设计所带来的-20℃低温冲击韧性不足的问题。
2.本发明基于Ti、Zr和O的氧化物粒子控制技术，制得的焊缝金属中含钛或锆的氧化物粒子的体积密度≥250/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的体积密度≥200/mm2，这可将1000MPa级别焊缝金属由现有的惰性气体保护焊延伸到了以惰性气体为主的混合气体保护焊，降低了成本、拓展了应用面。
3.本发明中以惰性气体为主的混合气体保护焊用焊丝适用于1000MPa级别超高强度钢板，焊接热输入量在5～18kJ/cm之间，得到的焊缝金属综合性能优良，其屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，其-20℃冲击功≥100J，可广泛应用于工程机械、建筑桥梁等领域。
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。
经冶炼成钢锭、冶炼钢坯放入加热炉加热、高速无扭转轧机轧制成盘条。盘条经剥壳、酸洗、拉拔、镀铜制成直径为0.8～1.6mm成品焊丝。
所述气保焊缝金属，在1000MPa级别钢板上进行坡口等焊前准备，采用含有容积组成为95％及以上比例惰性气体的混合气体作为保护气氛、焊接热输入量5～18kJ/cm的焊接，即制成焊接接头和焊缝金属。
实施例1：
采用上述方法制得直径1.2mm的实芯焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C 0.07，Si 0.35，Mn 1.88，S 0.006，P 0.009，Ni 3.6，Cr 0.85,Mo 0.42，Nb0.04，Ti 0.12，Zr 0.06，余量为Fe及杂质元素。
采用95％Ar+5％CO2的混合气体作为保护气氛，热输入量为9kJ/cm。选用8mm厚、抗拉强度1150MPa的钢板作为母材，采用单面V型坡口，坡口角度为55°，不摆动，层间温度控制在200℃以下，至填满。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。
焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.06，Si 0.25，Mn 1.86，S0.005，P 0.007，Ni 3.3，Cr 0.64，Mo 0.36，Nb 0.025，Ti 0.06，Zr 0.035，O 0.036，余量为Fe及杂质元素，Ceq＝0.68。
经检验，焊缝金属的屈服强度为872MPa，抗拉强度为1045MPa，-20℃冲击功136J。焊缝金属中，含Ti或Zr的氧化物粒子的体积含量为284/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的为235/mm2。
实施例2：
采用上述方法制得直径为1.2mm气保实芯焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C 0.06，Si 0.31，Mn 1.74，S 0.007，P 0.008，Ni 4.26，Cr 1.15，Mo 0.32，Nb 0.08，Ti 0.16，Zr 0.04，余量为Fe及杂质元素。
采用98％Ar+2％O2的混合气体作为保护气氛，热输入量为11kJ/cm。选用12mm厚、抗拉强度1090MPa的钢板作为母材，采用单面V型坡口，坡口角度为45°，不摆动，层间温度控制在180℃以下，至填满。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。
焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.06，Si 0.30，Mn 1.82，S0.005，P 0.006，Ni 3.85，Cr 0.94，Mo 0.33，Nb 0.06，Ti 0.11，Zr 0.02，O 0.019，余量为Fe及杂质元素，Ceq＝0.74。
经检验，焊缝金属的屈服强度为885MPa，抗拉强度为1072MPa，-20℃冲击功124J。焊缝金属中，含Ti或Zr的氧化物粒子的体积含量为278/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的为242/mm2。
实施例3：
采用上述方法制得直径为1.2mm气保实芯焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C 0.09，Si 0.34，Mn 1.88，S 0.006，P 0.009，Ni 3.2，Cr 0.75，Mo 0.76，Nb 0.05，Ti 0.07，Zr 0.16，余量为Fe及杂质元素。
采用98％Ar+2％CO2的混合气体作为保护气氛，热输入量为13kJ/cm。选用16mm厚、抗拉强度1060MPa的钢板作为母材，采用双面V型坡口，坡口角度为50°，不摆动，层间温度控制在200℃以下，至填满。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。
焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.09，Si 0.36，Mn 1.92，S0.004，P 0.007，Ni 2.86，Cr 0.54，Mo 0.52，Nb 0.036，Ti 0.05，Zr 0.11，O 0.042，余量为Fe及杂质元素，Ceq＝0.73。
经检验，焊缝金属的屈服强度为890MPa，抗拉强度为1108MPa，-20℃冲击功106J。焊缝金属中，含Ti或Zr的氧化物粒子的体积含量为262/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的为218/mm2。
通过上述实施例可知，本发明超高强度1000MPa高强钢用气保焊丝及焊缝金属，采用混合气体保护焊接，在焊接热入量5～18kJ/cm，可制得屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，-20℃冲击功≥100J的高强高韧焊缝金属。可广泛应用于工程机械、建筑和桥梁等高强钢领域。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超高强钢用气保焊丝，其特征在于：以重量百分比为计焊丝的化学成分为：C 0.03～0.10，Si 0.25～0.45，Mn 1.60～1.90，S≤0.01，P≤0.01，Ni 2.80～5.20，Cr 0.50～2.50，Mo 0.3～0.8，Nb 0.02～0.15，Ti 0.05～0.2，Zr 0.01～0.20，余量为Fe及杂质元素。
2.根据权利要求1所述的超高强钢用气保焊丝，其特征在于：所述的气保焊丝焊接时的保护气氛选用容积组成为95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热输入量5～18kJ/cm。
3.一种焊缝金属，其特征在于：以重量百分比为计焊缝金属的化学成分为：C 0.03～0.10，Si 0.25～0.45，Mn 1.60～1.90，S≤0.01，P≤0.01，Ni 2.80～4.80，Cr0.50～2.50，Mo 0.3～0.8，Nb 0.02～0.15，Ti 0.05～0.2，Zr 0.01～0.20，O 0.010～0.045，余量为Fe及杂质元素，Ceq 0.55～0.75，Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4。
4.根据权利要求3所述的焊缝金属，其特征在于：所述的焊缝金属中含钛或锆的氧化物粒子的体积密度≥250/mm2，其中尺寸在0.2～2μm之间的体积密度≥200/mm2。
5.根据权利要求3所述的焊缝金属，其特征在于：焊缝金属的屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，-20℃冲击功≥100J。
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