CN104797730A - 极低温钢的焊接接头及用于制造该焊接接头的焊接材料 - Google Patents

极低温钢的焊接接头及用于制造该焊接接头的焊接材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在极低温环境下冲击韧性优异、在常温下屈服强度突出的极低温钢的焊接接头，而且，提供一种能够制造出所述焊接接头的助焊剂芯电弧焊接材料、埋弧焊接材料及气体金属电弧焊接材料。

Description

极低温钢的焊接接头及用于制造该焊接接头的焊接材料
技术领域
本发明涉及一种极低温钢的焊接接头及用于制造该焊接接头的焊接材料。更为具体地，涉及助焊剂芯电弧焊焊接材料、埋弧焊焊接材料、气体金属电弧焊焊接材料及利用上述焊接材料制造的焊接接头。
背景技术
由于最近对液化天然气(LNG)的需求暴增，用于运输、保管极低温LNG的运输设备及储存储罐的需求也随之暴增。运输或储存LNG的储罐必须具备在LNG温度即-165℃以下的温度下能够充分承受冲击的结构。为此，作为在极低温度下的冲击韧性高的材料，代表性的有Al、9％Ni钢、不锈钢(以下简称为STS)。
但是，Al的抗张强度比较低，需使用厚的Al板，因此存在焊接性差的问题。
而且，9％Ni钢存在焊接材料(合金625材料：含有50重量％以上的Ni、20重量％以上的Cr)价格高、焊接接头的屈服强度低的问题，而STS存在价格高、热变形率低及无法确保极低温度等问题。
因此，需要开发一种与Ni的价格相比价格低廉、且能够确保焊接性能的作为奥氏体稳定性元素的用于极低温的高Mn基焊接接头。
尤其，为了在-196℃以下的极低温度下确保焊接构造物的稳定性，必须确保具有27J以上的冲击韧性的焊接接头，而且为了制造结构体需要常温下的屈服强度为360Mpa以上的焊接接头。为此，目前使用Ni和Cr的含量高的材料(含有50重量％以上的Ni、20重量％以上的Cr)来形成焊接接头，但是目前还没有开发出少量含有高价合金的焊接材料，而且也没有利用这种材料的焊接接头。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个方面提供一种在极低温度环境下也能够保持韧性优异的奥氏体相的同时防止焊接时的高温龟裂，从而具有优异的低温冲击韧性及常温屈服强度的焊接接头。
本发明的另一个方面提供一种能够制造所述焊接接头的焊接材料。
但是，本发明要解决的技术问题并不限定于以上提及的技术问题，本领域的技术人员能够从以下记载的内容清楚地理解其他所要解决的技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种极低温钢的焊接接头，以重量％计，包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn:0.4～23％；Cr:0.01～12％；Ni:23～49％；Mo、Co及W元素中的一种以上元素:0.01～10％；Al：0.2％以下；Ti：0.9％以下；Nb和V元素中的一种以上元素：0.9％以下；S和P元素中的一种以上元素：0.035％以下；余量是Fe及其他不可避免的杂质。
而且，本发明提供一种助焊剂芯电弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以重量％计，所述助焊剂芯电弧焊接材料包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn：0.5～25％；P和S元素中的一种以上元素：低于0.031％；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；TiO2：3.5～15％；K、Na及Li元素中的一种以上元素：0.01～1.3％；Ti：2.4％以下；Mo、W及Co元素中的一种以上元素：0.001～10％；其余是Fe及其他不可避免的杂质，其中，所述外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成。
而且，本发明提供一种埋弧焊接材料及气体金属电弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以重量％计，所述焊接材料包括：C：0.05～1.20％；Si：0.3～1.2％；Mn：3～15％；P和S元素中的一种以上元素：0.03％以下；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；余量是Fe及其他不可避免的杂质，其中，所述外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.0重量5％以下、余量的Fe组成。
(三)有益效果
根据本发明，可提供一种在极低温环境下冲击韧性优异、在常温下的屈服强度突出的焊接接头。而且，能够提供一种能够制造出所述焊接接头，且包含少量的高价合金，从而成本比较低的助焊剂芯电弧焊接材料、埋弧焊接材料及气体金属电弧焊接材料。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的焊接材料的一副剖视图。
图2是本发明的一个实施例的焊接材料的一副剖视图。
图3是本发明的一个实施例的焊接材料的一副剖视图。
具体实施方式
一般，用在极低温度下的高Mn钢作为替代用于液化天然气储罐的9％镍钢、STS304钢等而添加了高Mn的钢，高Mn钢在极低温度下也会形成稳定的奥氏体组织，因此具有无需进行进一步的热处理等，焊接时在热影响区(HAZ)不发生韧性劣化的特性。
本发明的极低温钢的焊接接头是能够通过对用于极低温用海洋结构物设备、能量设备、造船设备及压力容器等的极低温用高Mn钢进行埋弧、助焊剂芯电弧、气体金属电弧焊接(SAW，FCAW andGMAW)来得到，并且被设计成具有优异的低温冲击韧性。因此，通过控制成分来使其在极低温度环境下维持优异的奥氏体相的同时在焊接时防止高温龟裂，从而提供具有优异的低温冲击韧性及常温下的屈服强度的埋弧、助焊剂芯电弧及气体金属电弧焊接接头。
而且，本发明的助焊剂芯电弧焊接材料、埋弧焊接材料及气体金属电弧焊接材料被设计成不仅能够将所述极低温用高Mn钢与另一种材料焊接，而且具有优异的低温冲击韧性。因此，通过控制成分使其在极低温环境下维持优异的奥氏体相的同时在焊接时防止高温龟裂，从而实现具有优异低温冲击韧性的全方位焊接。
首先，对本发明的极低温钢的焊接接头进行详细的说明。
本发明的一个方面的焊接接头，以重量％计，包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn:0.4～23％；Cr:0.01～12％；Ni:23～49％；Mo、Co、W元素中的一种以上元素:0.01～10％；Al：0.2％以下；Ti：0.9％以下；Nb、V元素中的一种以上元素：0.9％以下；S和P元素中的一种以上元素：0.035％以下；余量是Fe及其他不可避免的杂质。
下面说明所述各成分的数值限定的理由。下面，若不特别指定各成分的含量单位，需留意要以重量％计算。
碳(C):0.05～1.30％
C作为能够确保焊接金属的硬度和焊接金属的极低温冲击韧性的奥氏体稳定性元素，也是现存的最强的元素，并且，作为间隙元素能够增强常温下的屈服强度的必要元素。但是，若添加的C含量低于0.05％，其强度会降低，需增加能够替代碳的合金元素的含量。与此相反，若添加的C含量超过1.30％，存在焊接时与Mn、Cr等合金元素结合而产生MC、M23C6等碳化物，具有在低温下冲击韧性下降及产生龟裂的问题。
硅(Si)：0.2～1.8％
若Si含量低于0.2％，焊接金属内的脱氧效果不充分、降低焊接金属的流动性，若Si含量超过1.8％，具有在焊接金属内诱发偏析而导致焊接接头发生断裂的问题。
锰(Mn)：0.4～23％
Mn作为生成低温稳定性奥氏体的主要元素，是必须添加的材料，与Ni相比，是非常低廉的元素。若Mn的添加量低于0.4％，不会产生充分的奥氏体，因此在极低温度下的韧性非常低，若Mn的添加量超过23％，存在产生过多的偏析，并诱发高温龟裂、产生有害烟雾等的缺点。
铬(Cr):0.01～12％
Cr是铁酸盐稳定性元素，通过添加一定含量的Cr可降低奥氏体稳定性元素的含量，是增强耐蚀性及硬度的元素。添加0.01重量％以上的少量Cr也可增强硬度和耐蚀性。但是，如果添加超过12％，会生成过多的Cr基碳化物，从而降低极低温韧性。
镍(Ni)：23～49％
Ni是奥氏体稳定性元素，是必须要添加的元素，但由于价位非常昂贵，因此其添加量优选维持在23～49％，虽然其具有增强极低温冲击韧性的作用，但添加Ni会降低常温下的屈服强度，因此合适的添加量为23～49％。
钼(Mo)、钴(Co)、钨(W)元素中的一种以上元素：0.01％～10％
Mo、Co、W是增强基体的屈服强度及抗张强度的元素，即使添加0.01重量％以上的少量的元素，也可以起到提高硬度的效果，但若添加量超过10％，会促进所述元素的碳化物的产生，因此具有降低极低温韧性的缺点。
铝(Al)：0.2％以下
添加Al会降低硬度，并且增加堆垛层错能(SFE：Stacking FaultEnergy)，从而起到确保在低温下的韧性的作用。但是，若Al的含量超过0.2％，在焊接接头产生过多的氧化物，从而具有降低极低温冲击韧性的缺点。
钛(Ti)：0.9％以下
添加Ti会起到增强屈服强度和抗张强度的作用。但是，若Ti的添加量超过0.9％，存在在焊接接头产生龟裂的缺点。
铌(Nb)和钒(V)元素中的一种以上元素：0.9％以下
Nb和V是提高常温硬度的元素，若所述元素的含量超过0.9％，会产生龟裂，因此，以重量％计，所述元素的含量优选为0.9％以下。
硫(S)和磷(P)元素中的一种以上：0.035％以下
S和P是典型的导致高温龟裂的元素，尽量控制在低含量，在必须要添加的情况下也要控制在0.035％以下。
除所述必要成分外，以重量％计，本发明的焊接接头可以进一步包含：N:0.001～0.6％和B：0.0001～0.008％元素中的一种或两种以上元素，从而更加提高本发明的效果。
氮(N):0.001～0.6％
N是提高硬度的元素，具有与C相同的特性。若N的含量超过0.6％，在焊接接头出现气孔，因此N的含量要保持在0.6％以下，况且，若焊接接头中含有0.75％以上的N，会过多产生氮化物，从而存在降低冲击韧性的缺点。
硼(B)：0.0001～0.008％
B是提高硬度的间隙元素，具有即使添加少量也能够提高屈服强度和抗张强度的优点，但是，若大量添加B会产生龟裂，因此要控制在0.008％以下。
本发明的其余成分是铁(Fe)，只是在一般的制作过程中受周围环境的影响不可避免地混入一些杂质，是无法排除的，只要是该领域的普通技术人员都会知道所述杂质，因此在本说明书中不作特别的说明。
本发明的焊接接头包括上述成分，而且所述Mo、Co以及W元素中的一种以上元素(以下以‘Mo+Co+W’表示)、Nb和V元素中的一种以上元素(以下以‘Nb+V’表示)、Ni、Cr、Al、Ti可以满足以下关系式：
关系式1
1.5Ni-8Cr-2.5(Mo+W+Co)-20Al-29Ti-55(Nb+V)≥0
若满足上述关系式1，冲击韧性在-196℃的极低温度下可保持27J以上。
而且，本发明的焊接接头包括上述成分，而且所述C、Mn、Cr、Ni、Mo+Co+W、Ti以及Nb+V可以满足以下关系式2：
关系式2
98.5C-1.08Mn+9.73Cr-1.52Ni+10.3(Mo+W+Co)+122Ti+34.7(Nb+V)≥0
若满足上述关系式2，常温下的屈服强度可以为360MPa以上。
而且，本发明的焊接接头包括上述成分，而且所述Si、Al及Ti可以满足以下关系式3：
关系式3
Si+Al+Ti≤2.0
若Si+Al+Ti>2.0，有可能会产生龟裂，因此按照上述关系式3进行控制。
本发明的焊接接头具有在-196℃的极低温度下冲击韧性为27J以上，在常温下屈服强度为360MPa以上的技术效果。
下面，对本发明的用于制造焊接接头的助焊剂芯电弧焊接材料进行详细说明。
本发明的助焊剂芯电弧焊接材料是由包括合金和助焊剂粉末的芯和外皮组成的复合焊丝，是包括由规定的合金和助焊剂组成的芯和裹住所述芯外面的外皮的双重结构。
更具体地，裹住芯的外皮是由包含有35～46重量％Ni的Fe基长条组成的单一外皮结构。
本发明的助焊剂芯电弧焊接材料，以重量％计，包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn：0.5～25％；P和S元素中的一种以上元素：小于0.031％；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；TiO2：3.5～15％；K、Na及Li元素中的一种以上元素：0.01～1.3％；Ti：2.4％以下；Mo、W、Co元素中的一种以上元素：0.001～10重量％；余量是Fe及其他不可避免的杂质。
下面，说明上述各成分的数值限定的理由。
碳(C):0.05～1.30重量％
碳作为能够确保焊接金属的硬度和焊接金属的极低温冲击韧性的奥氏体稳定性元素，也是现存的最强的元素，在本发明当中是必要元素。但是，即使在焊丝中所述碳成分的含量低，仍然可从助焊剂中获得充分量的碳，因此碳含量的下限限定为0.05重量％也能满足要求。只是，若碳含量低于0.05％，在极低温度下不会产生奥氏体，因此具有韧性下降的问题。而且，若碳含量超过1.30重量％，焊接时产生二氧化碳气体等，由此有可能在焊接接头诱发缺陷，而且与锰、铬等合金元素结合而产生MC、M23C6等碳化物，因此具有在低温下冲击韧性下降的问题。因此，优选地，将碳含量限定在0.05～1.30重量％范围内。
硅(Si)：0.2～1.8重量％
若硅含量低于0.2重量％，有可能导致焊接金属内的脱氧效果不充分、降低焊接金属的流动性，相反，若硅含量超过1.8重量％，具有在焊接金属内诱发偏析而导致低温冲击韧性降低，并且给焊接裂纹敏感性产生坏影响的问题。因此，优选地，将硅含量限定在0.3～1.8重量％范围内。
锰(Mn)：0.5～25重量％
锰作为生成低温稳定性奥氏体的主要元素，是在本发明当中必须添加的元素，与镍相比，是非常低廉的一种元素。若锰的含量低于0.5重量％，不会产生充分的奥氏体，因此在极低温度下的韧性非常低，相反，若锰的含量超过25重量％，会产生过多的偏析，并诱发高温龟裂、产生有害烟雾等。因此，优选地，将锰的含量限定在0.5～25重量％范围内。
硫(S)和磷(P)元素中的一种以上元素：低于0.031％
硫和磷具有焊接后凝固时最终凝固部分出现偏析的特性。该元素会制造出低熔点化合物，而在焊接该部位时产生的应力的作用下会发生龟裂，因此，优选地，将硫和磷元素中的一种以上元素的含量限定为低于0.031重量％。
镍(Ni)：25～50重量％
镍是奥氏体稳定性元素，是在本发明当中必须要添加的元素，为保证极低温韧性，需添加25重量％以上，考虑到制造成本单价的问题，优选地包含50重量％以下，因此，优选地，将镍的含量限定在25～50重量％范围内。
铝(Al)：1.5重量％以下
铝会降低硬度，并且增加堆垛层错能(SFE：Stacking FaultEnergy)，从而确保在低温下的韧性。但是，若铝的含量超过1.5％，在焊接接头将TiO2还原生成Ti(C、N)，从而极端地降低极低温冲击韧性。因此，优选地，将铝的含量限定在1.5重量％以下。
二氧化钛(TiO2)：3.5～15重量％
所述TiO2作为造渣剂，在液态焊接金属凝固之前被凝固，以抑制液态焊接金属流出，由此进行全方位焊接。为达到所述效果，在本发明优选添加3.5重量％以上。但是，若TiO2含量超过15重量％，焊接金属内的氧化物含量急剧上升，因此具有极低温冲击韧性下降的缺点，因此，优选地，将二氧化钛(TiO2)的含量限定在3.5～15重量％范围内。
钾(K)、钠(Na)及锂(Li)元素中的一种以上元素：0.01～1.3重量％
所述碱金属在焊接过程中会通过降低电弧的电离电势，方便电弧的产生，并在焊接过程中能够保持稳定的电弧，将所述碱金属添加0.01重量％以上，才能达到这种效果。但是，其含量超过1.3重量％，因高蒸气压会出现过多的焊接烟雾，在此，碱金属包括钾、钠及锂基碱金属中的一种或两种以上，本发明当中碱金属的添加效果与各含量比无关。
钛(Ti)：2.4重量％以下
优选地，本发明的焊丝包括2.4重量％以下的钛，钛是强力的脱氧剂，可强力除去焊接金属内的氧化物。但是，若添加过多的量，Ti(C、N)的含量随之增加，从而具有极端地降低冲击韧性的缺点。因此，优选地，将铝的含量限定为2.4重量％以下。
钼(Mo)、钨(W)、钴(Co)元素中的一种以上元素：0.001％～10重量％
钼、钴、钨是增强基体硬度的元素，在本发明当中优选地包括0.001重量％以上。但是，若所述元素的含量超过10％，会产生过多的碳化物，从而具有降低极低温韧性的缺点。因此，优选地，将钼、钨、钴元素中的一种以上元素的含量限定在0.001～10重量％范围内。
除上述的必要成分外，以重量％计，本发明的焊接材料可以进一步包括：Cr:0.001～10％；Nb和V元素中的一种以上元素：0.001～1.2％；SiO2、ZrO2及Al2O3元素中的一种以上元素：0.01～7.0％；F和Ca元素中的一种以上元素：0.01～1.0％；以及N：0.01～0.5％元素中的一种或两种以上，从而更加提高本发明的效果。
铬(Cr):0.001～10重量％
铬是铁酸盐稳定性元素，是增强硬度和耐蚀性的元素。要达到该效果，优选地包括0.001重量％以上。但是，若铬的含量超过10重量％，会产生过多的铬基碳化物，从而具有极低温韧性下降的问题。因此，优选地，将铬的含量限定在0.001～10重量％范围内。
铌(Nb)和钒(V)元素中的一种以上元素：0.001～1.2重量％
铌和钒是能够提高基体硬度的元素，在本发明当中优选地包括0.001重量％以上。但是，若所述元素的含量超过1.2重量％，会产生过多的碳化物，从而具有降低极低温韧性的缺点。因此，优选地，将铌和钒元素中的一种以上元素的含量限定在0.001～1.2重量％范围内。
二氧化硅(SiO2)、二氧化锆(ZrO2)及氧化铝(Al2O3)元素中的一种以上元素：0.01～7.0重量％
若SiO2、ZrO2、Al2O3元素中的一种以上元素的含量低于0.01重量％，熔渣涂布、脱渣性和电弧的稳定性恶化，导致全方位焊接作业性和焊缝的形成恶化，若所述元素的含量超过7.0重量％，熔渣量急剧上升，熔渣粘度也变高，从而全方位焊接作业性和焊缝形状恶化。而且，硅、铝等转移成堆焊金属的量增加，从而降低冲击韧性。因此，优选地，将SiO2、ZrO2、Al2O3元素中的一种以上元素的含量限定在0.01～7.0重量％范围内。
氟(F)、钙(Ca)元素中的一种以上元素：0.01～1.0重量％
本发明的焊丝若在碱金属基氟化合物和碱土金属基氟化合物中进一步添加氟和钙，则会更加提高本发明的效果。若在焊丝内部添加0.01重量％以上的所述氟化合物，在高温的电弧中产生氟，在焊接过程中与氢反应而引起脱氢反应，从而有效降低扩散氢，但是，若添加量超过1.0重量％，因高蒸气压特性，会产生过多的焊接烟雾，并且在将TiO2作为主要的熔渣成分的金红石系中过度降低熔池的熔渣粘度，由此形成不稳定的焊缝。因此，优选地，将其含量限定在0.01～1.0重量％。
氮(N):0.01～0.5重量％
并且，本发明的焊丝若进一步添加氮,会更加提高本发明的效果。氮是具有与碳相同特性的元素，在本发明当中为达到所述效果，优选地包括0.01重量％以上。相反，若氮的含量超过0.5重量％，会过多产生氮化物，从而降低冲击韧性。因此，优选地，将其氮含量限定在0.01～0.5重量％范围内。
本发明的其余的成分是铁(Fe)，只是在一般的制作过程中受原材料或周围环境的影响不可避免地混入一些杂质，是无法排除的，只要是该领域的普通技术人员都会知道所述杂质，因此在本说明书中对其所有的内容不作特别的说明。
所述焊接材料的外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成，所述外皮是高Ni钢，起到在焊接时增加焊接接头的Ni的含量的作用，将Ni和其他杂质的含量限定在上述范围是为了在极低温度下确保韧性以及降低焊接时的龟裂等缺陷。
所述焊接材料的直径优选为0.9～1.6mm，考虑到外皮的密度与芯的密度差，所述外皮在所述焊接材料中的重量分数优选为50～90％。
如图1所示，这种形态的外皮有可能呈现出裹住合金成分的芯的单一外皮结构。
下面，对用于制造本发明的焊接接头的埋弧焊接材料和气体金属电弧焊接材料进行详细说明。
本发明的埋弧焊接材料和气体金属电弧焊接材料，以重量％计算，包括：C：0.05～1.20％；Si：0.3～1.2％；Mn：3～15％；P和S元素中的一种以上元素：0.03％以下；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；其余是Fe及其他不可避免的杂质。
下面，说明上述各成分的数值限定的理由。
碳(C):0.05～1.20重量％
碳作为能够确保焊接金属的硬度和焊接金属的极低温冲击韧性的奥氏体稳定性元素，也是现存的最强的元素，在本发明当中是必要元素。但是，即使在焊丝中所述碳成分的含量低，仍然可从助焊剂中获得充分量的碳，因此碳含量的下限限定为0.05重量％也能够满足要求。只是，若碳含量低于0.05％，在极低温度下不会产生奥氏体，从而存在韧性下降的问题。而且，若碳含量超过1.20重量％，焊接时产生二氧化碳气体等，由此有可能在焊接接头诱发缺陷，而且与锰、铬等合金元素结合而产生MC、M23C6等碳化物，从而具有在低温下冲击韧性下降的问题。因此，优选地，将碳含量限定在0.05～1.20重量％范围内。
硅(Si)：0.30～1.2重量％
若硅含量低于0.30重量％，有可能焊接金属内的脱氧效果不充分、降低焊接金属的流动性，相反，若硅含量超过1.2重量％，具有在焊接金属内诱发偏析而导致低温冲击韧性降低，并且给焊接裂纹敏感性产生坏影响的问题。因此，优选地，将硅含量限定在0.30～1.2重量％范围内。
锰(Mn)：3～15重量％
锰作为生成低温稳定性奥氏体的主要元素，是在本发明当中必须要添加的元素，与镍相比，是非常低廉的一种元素。若锰的含量低于3重量％，不会产生充分的奥氏体，因此在极低温度下的韧性非常低，相反，若锰的含量超过15重量％，会产生过多的偏析，并诱发高温龟裂。因此，优选地，将锰的含量限定在3～15重量％范围内。
硫(S)和磷(P)元素中的一种以上元素：0.03重量％以下
硫和磷具有焊接后凝固时最终凝固部分出现偏析的特性。该元素会制造出低熔点化合物，而在焊接该部位时产生的应力的作用下会发生龟裂，因此，优选地，将硫和磷元素中的一种以上元素的含量限定为低于0.03重量％。
镍(Ni)：25～50重量％
镍是奥氏体稳定性元素，是在本发明当中必须要添加的元素，为保证极低温韧性，需添加25重量％以上，考虑到制造成本单价的问题，优选地包含50重量％以下，因此，优选地，将镍的含量限定在25～50重量％范围内。
铝(Al)：1.5重量％以下
铝会降低硬度，并且增加堆垛层错能，从而确保在低温下的韧性。但是，若铝的含量超过1.5％，在焊接接头将TiO2还原生成Ti(C、N)，从而具有极端地降低极低温冲击韧性的缺点。因此，优选地，将铝的含量限定为1.5重量％以下。
除所述必要成分外，以重量％计，本发明的焊接材料可以进一步包括：由铬(Cr:0.001～6％；Mo、W及Co元素中的一种以上元素：0.001～6％；Nb和V元素中的一种以上元素：0.001～1.5％；以及N:0.01～0.5％元素组成的组中选择的一种或两种以上的元素，从而更加提高本发明的效果。
铬(Cr):0.001～6重量％
铬是铁酸盐稳定性元素，是增强硬度和耐蚀性的元素。要达到该效果，优选地包括0.001重量％以上。但是，若铬的含量超过6重量％，会产生过多的铬基碳化物，从而具有极低温韧性下降的问题。因此，优选地，将铬的含量优选地限定在0.001～6重量％范围内。
钼(Mo)、钨(W)、钴(Co)元素中的一种以上元素：0.001％～6重量％
钼、钨、钴是增强基体硬度的元素，在本发明当中优选地包括0.001重量％以上。但是，若所述元素的含量超过6重量％，会产生过多的碳化物，从而具有降低极低温韧性的缺点。因此，优选地，将钼、钨、钴元素中的一种以上元素的含量限定在0.001～6％范围内。
铌(Nb)和钒(V)元素中的一种以上元素：0.001～1.5重量％
铌和钒是能够提高基体硬度的元素，在本发明当中优选地包括0.001重量％以上。但是，若所述元素的含量超过1.5重量％，会产生过多的碳化物，从而具有降低极低温韧性的缺点。因此，优选地，将铌和钒元素中的一种以上元素的含量限定在0.001～1.5重量％范围内。
氮(N):0.01～0.5重量％
并且，本发明的焊丝若进一步添加氮,会更加提高本发明的效果。氮是具有与碳相同特性的元素，在本发明当中为达到所述效果，优选地包括0.01重量％以上。相反，若氮的含量超过0.5重量％，会过多产生氮化物，从而降低冲击韧性。因此，优选地，将其氮含量限定在0.01～0.5重量％范围内。
本发明的其余成分是铁(Fe)，只是在一般的制作过程中受原材料或周围环境的影响不可避免地混入一些杂质，是无法排除的，只要是该领域的技术人员都会知道所述杂质，因此在本说明书中对其所有的内容不作特别的说明。
所述焊接材料的外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是铁(Fe)组成，所述外皮是高Ni钢，起到在焊接时增加焊接接头的Ni的含量的作用，将Ni和其他杂质的含量限定在上述范围是为了在极低温度下确保韧性以及降低焊接时的龟裂等缺陷。
优选地，所述焊接材料的直径优选在0.9～6.0mm范围内，考虑到外皮的密度与芯的密度差，所述外皮在所述焊接材料中的重量分数优选为50～90％。
如图1所示，这种形态的外皮有可能呈现出裹住合金成分的芯的单一外皮结构。
而且，在所述芯和所述外皮之间，或者在所述外皮的外表面可以进一步包括附加的外皮，如图2及图3所示，可以分别呈现出双重外皮结构。所述附加的外皮由C：0.025重量％以下、Mn：0.025重量％以下、余量是Fe以及其他不可避免的杂质组成。
所述附加的外皮是低碳钢，起到在焊接时增加焊接深度的作用的同时提高焊丝的硬度，从而起到在焊接时提高焊丝的直线移动性的作用。若所述碳或锰超出所述数值范围，在制造焊接材料的拉延工艺等过程中会遇到困难。
如上所述，当附加的外皮包含在焊接材料时，整个焊接材料以重量％计，也是由C:0.05～1.20％；Si:0.3～1.2％；Mn:3～15％；P和S元素中的一种以上元素：0.03％以下；Ni:25～50％；Al：1.5％以下；余量是Fe；以及其他不可避免的杂质组成，根据需要还可以选择性地包括由Cr:0.001～6％；Mo、W、Co元素中的一种以上元素:0.001～6％；Nb、V元素中的一种以上元素：0.001～1.5％；以及N:0.01～0.5元素组成的组中选择的一种或两种以上。
包括所述附加的外皮的焊接材料的直径优选为0.9～6.0mm，考虑到外模的密度与芯的密度差，包括所述追加外皮的整个外皮在焊接材料中的重量分数的优选为50～90％，从整体上看，芯部分有必须要添加的元素，因此芯在整个焊接材料中的重量分数为10～50％。因此，在具备双重外皮结构的情况下外皮整体重量分数同样是整体焊接材料的50～90％。
下面，说明附图标记。
11：芯12：外皮(含有高Ni)
21：芯22：附加的外皮(低碳钢)23：外皮(含有高Ni)
31：芯32：附加的外皮(低碳钢)33：外皮(含有高Ni)
以下，根据本发明的实施例详细说明本发明。但是，以下实施例只是为了更好地说明本发明而示例的，并不限定本发明的权利要求范围。
[实施例1]
采用不同的焊接方法，并准备了具有如下的表1和表2中表示的成分的焊接接头，各成分的含量单位是重量％。
焊接方法采用了埋弧焊接方法(SAW；Submerged Arc Welding)、助焊剂芯电弧焊接方法(FCAW；Flux Corded Arc Welding)、气体金属电弧焊接方法(GMAW(or MCW)；Gas Metal Arc Welding)。
SAW是利用助焊剂AB基(常用的助焊剂)以2.4～3.0kJ/mm的热输入量来实施焊接。
FCAW是在100％CO2的条件下以1.7kJ/mm的热输入量来实施焊接。
GMAW(或MCW)是在80％Al+20％CO2的条件下以1.7kJ/mm的热输入量来实施焊接。
之后，测量焊接接头是否出现龟裂或气孔、-196℃下的冲击韧性、常温下的屈服强度，并将测量结果表示在表1和表2中。冲击韧性(CVN-196℃)值的单位是J，屈服强度的单位是MPa。而且以‘+’连接的成分表示相应成分的一种以上的含量。
从上述表1和表2的结果来看，符合本发明的合金成分含量和关系式的发明材料没有出现龟裂或气孔，冲击韧性在-196℃的极低温度下都呈现出27J以上，常温下的屈服强度都呈现出360Mpa以上。
相反，对比材料在龟裂或气孔、冲击韧性、屈服强度中至少有一项的结果比较差，可以判断出不适合制造焊接接头。
[实施例2]
准备了具有如下表3中表示的成分的助焊剂芯电弧焊接材料。各成分的含量单位是重量％。
发明材料和对比材料的外皮结构和外皮的成分相同，只是整个焊接材料的含量不同。所述焊接材料的外皮由以Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成。
对各焊接材料实施了助焊剂芯电弧焊接(FCAW)。
FCAW是在100％的CO2的条件下以1.7Kj/mm的热输入量实施了焊接。用于FCAW的焊丝的直径为1.2mm。
之后，测量焊接性、焊接接头是否出现龟裂或气孔、在-196℃下的冲击韧性、在常温下的屈服强度，并将结果表示在以下表3中。冲击韧性(CVN)值的单位是J，屈服强度的单位是MPa。而且以‘+’连接的成分表示相应成分的一种以上的含量。
如上述表3所示，满足本发明的合金成分的发明材料焊接性良好，不出现龟裂或气孔，冲击韧性在-196℃的极低温度下均为27J以上，在常温下的屈服强度均为360Mpa以上。
相反，对比材料在焊接性、龟裂或气孔、冲击韧性、屈辱强度中至少有一项的结果比较差，因此可以判断出不适合用于焊接材料。
[实施例3]
准备了具有如以下表4中表示的成分的埋弧焊材料、气体金属电弧焊材料。各成分的含量单位是重量％。
发明材料和对比材料的外皮结构和外皮成分相同，只是整个焊接材料的含量不同。
对比材料3-1、3-3、3-4和发明材料3-1、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-9具有单一外皮结构，高Ni钢的外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成，对比材料3-2和发明材料3-2、3-8具有双重外皮结构，高Ni钢的外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成，低碳钢外皮由C：0.025重量％、Mn：0.025重量％以下、余量是Fe及其他不可避免的杂质组成。
对各焊接材料实施了埋弧焊接(SAW)和气体金属电弧焊接(GMAW)。
SAW是以2.4～3.0kJ/mm的热输入量来实施了焊接。用于SAW的焊丝的直径为4.0mm。
GMAW是在80％Ar+20％CO2的条件下以1.7kJ/mm的热输入量实施了焊接。用于GMAW的焊丝的直径为1.2mm。
之后，测量焊接接头的龟裂或气孔与否、-196℃下的冲击韧性、屈服强度，并将结果表示在表4中。冲击韧性值的单位是J，屈服强度的单位是MPa。而且以‘+’连接的成分表示相应成分的一种以上的含量。
如上述表4所示，满足本发明的合金成分的发明材料没有出现龟裂或气孔，冲击韧性在-196℃的极低温均为27J以上，在常温下的屈服强度均为360MPa以上。
相反，对比材料在龟裂或气孔、冲击韧性、屈辱强度中至少有一项的结果比较差，因此可以判断出不适合用于焊接材料。

Claims (14)

1.一种极低温钢的焊接接头，以重量％计，包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn:0.4～23％；Cr:0.01～12％；Ni:23～49％；Mo、Co及W元素中的一种以上元素:0.01～10％；Al：0.2％以下；Ti：0.9％以下；Nb和V元素中的一种以上元素：0.9％以下；S和P元素中的一种以上元素：0.035％以下；余量是Fe及其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的极低温钢的焊接接头，以重量％计，所述焊接接头还包括：N：0.001～0.6％、B：0.0001～0.008％元素中的一种或两种以上元素。
3.根据权利要求1或2所述的极低温钢的焊接接头，所述Mo、Co及W元素中的一种以上元素(以下以‘Mo+Co+W’表示)、Nb和V元素中的一种以上元素(以下以‘Nb+V’表示)、Ni、Cr、Al、Ti满足以下关系式：
关系式1
1.5Ni-8Cr-2.5(Mo+W+Co)-20Al-29Ti-55(Nb+V)≥0。
4.根据利要求1或2所述的极低温钢的焊接接头，所述Mo、Co及W元素中的一种以上元素(以下以‘Mo+Co+W’表示)、Nb和V元素中的一种以上元素(以下以‘Nb+V’表示)、C、Mn、Cr、Ni、Ti满足以下关系式2：
关系式2
98.5C-1.08Mn+9.73Cr-1.52Ni+10.3(Mo+W+Co)+122Ti+34.7(Nb+V)≥0。
5.根据利要求1或2所述的极低温钢的焊接接头，所述Si、Al及Ti满足以下关系式3：
关系式3
Si+Al+Ti≤2.0。
6.根据利要求1或2所述的极低温钢的焊接接头，所述焊接接头的冲击韧性在-196℃的极低温度下为27J以上。
7.根据利要求1或2所述的极低温钢的焊接接头，所述焊接接头在常温下的屈服强度为360MPa以上。
8.一种助焊剂芯电弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以重量％计，所述助焊剂芯电弧焊接材料包括：C:0.05～1.30％；Si:0.2～1.8％；Mn：0.5～25％；P和S元素中的一种以上元素：低于0.031％；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；TiO2：3.5～15％；K、Na及Li元素中的一种以上元素：0.01～1.3％；Ti：2.4％以下；Mo、W及Co元素中的一种以上元素：0.001～10％；余量是Fe及其他不可避免的杂质，其中，所述外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.05重量％以下、余量是Fe组成。
9.根据利要求8所述的助焊剂芯电弧焊材料，以重量％计，所述焊接材料还包括：Cr：0.001～10％；Nb和V元素中的一种以上元素：0.001～1.2％；SiO2、ZrO2及Al2O3元素中的一种以上元素：0.01～7.0％、F和Ca元素中的一种以上元素：0.01～1.0％；以及N：0.01～0.5％中的一种或两种以上元素。
10.根据利要求8所述的助焊剂芯电弧焊材料，所述外皮在所述焊接材料中的重量分数为50～90％。
11.一种埋弧焊接材料及气体金属电弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以重量％计，所述焊接材料包括：C：0.05～1.20％；Si：0.3～1.2％；Mn：3～15％；P和S元素中的一种以上元素：0.03％以下；Ni：25～50％；Al：1.5％以下；其余是Fe及其他不可避免的杂质，其中，所述外皮由Ni：35～46重量％、其他杂质：0.0重量5％以下、余量是Fe组成。
12.根据利要求11所述的埋弧焊材料及气体金属电弧焊材料，以重量％计，所述焊接材料还包括：Cr：0.001～6％；Mo、W及Co元素中的一种以上元素：0.001～6％；Nb和V元素中的一种以上元素：0.001～1.5％；以及N：0.01～0.5元素中的一种或两种以上元素。
13.根据利要求11或12所述的埋弧焊材料及气体金属电弧焊材料，在所述芯和所述外皮之间，或者在所述外皮的外表面进一步包括附加的外皮，所述附加的外皮由C：0.025重量％以下、Mn：0.025重量％以下、余量是Fe及其他不可避免的杂质组成。
14.根据利要求11或12所述的埋弧焊材料及气体金属电弧焊材料，所述外皮在所述焊接材料中的重量分数为50～90％。
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