CN105014261A - 一种铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，该焊丝包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，按质量百分比计，药芯化学成分包括：C？0.02～0.06％；Si？0.30～0.70％；Mn？1.0～1.5％；Cr？7.5～12％；Ni？0.45～0.70％；Mo？0.5～1.1％；V0.15～0.35％；Fe及不可避免的杂质余量。该焊丝采用金属粉芯型渣系，Mn-Mg-Si联合脱氧的方式，具有良好的高温(焊接后按规定进行720℃×10小时热处理)抗拉强度和冲击韧性，焊接工艺性能优异，焊接效率高，20℃冲击韧性>150J，尤其适用于屈服强度为550MPa级9Cr1MoVNb钢平焊、平角焊位置的焊接。

Description

一种铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝
技术领域
本发明涉及一种铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝。
背景技术
药芯焊丝是一种高效焊接材料，具有焊接效率高、焊接工艺性能好、焊缝成型美观等诸多优点，因此在船舶、桥梁等钢结构焊接中得到广泛应用。无缝金属粉芯药芯焊丝集药芯焊丝、实心焊丝优点于一身，其生产效率高、焊接工艺性好，成分易于调整，是耐热钢最佳配套焊接材料。
目前超临界机组，石化裂解炉等重工业领域在使用焊接铬钼钢例如9Cr1MoVNb钢，常用的焊接方法有气体保护焊，Tig焊，MIG焊等。Tig焊接工作效率较低，MIG焊容易发生缺陷。在耐热钢中的铬钼钢(例如9Cr1MoVNb钢)等特殊领域，常用的钛型药芯焊丝还存在高温热处理后抗拉强度不达标的难题。
中国专利201210108166.6公开了一种焊接铬钼钢用金属粉芯型药芯焊丝，药粉含有：TiO20.02～1％；Al2O30.02～1.2％；Si 0.6～0.9％；Mn 0.5～1.8％；Cr0.90～2.4％；NaF或CaF2一种或其任意比混合物0.3～1％；Mg或Al一种或其任意比混合物0.02～0.5％；Mo 0.5～2.5％。用该焊丝焊接时，焊缝表面渣量少，熔敷效率高，飞溅小，烟尘小，焊缝成型好，焊接效率高。焊缝具有良好的冲击韧性以及抗裂性能。然而该药芯焊丝高温机械性能欠佳，高温强度和冲击韧性还有待提高。表1为该专利高温条件下对接接头力学性能。从表1可以看出，高温条件下的抗拉强度和20℃冲击韧性还有待提高。
表1 高温条件下对接接头力学性能
Rm(MPa) KV2(J)20℃ 试验温度/℃ 保温时间/小时
实施例1 620 150 135 125 137 620±15 2
实施例2 560 157 142 142 147 620±15 2
实施例3 587 168 138 144 150 620±15 2
实施例4 570 139 140 125 134 620±15 2
实施例5 591 103 128 110 113 620±15 2
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有铬钼钢用药芯焊丝还存在高温机械性能不佳的问题，提供一种新的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝。
本发明设计思路如下：
控制Cr和Mo在合适的比例，从而提高高温下的机械性能。Cr和Mo是提高高温强度和冲击韧性的重要元素，经过大量试验本发明中Cr和Mo以适当比例加入，使得焊丝具有较好的高温强度和冲击韧性。
采用金属粉芯型渣系，焊接时优选配合富氩(95％Ar+5％CO2，体积含量)气体进行保护，使该焊丝焊接时呈细熔滴射流过渡，熔渣覆盖率低，熔敷效率高且无未熔合的敏感性，主要适用于平焊和平角焊。采用Mn-Mg-Si联合脱氧的方式，尽量减少焊缝中的氧含量。在造渣组分中，加入稳弧剂，以满足焊接操作工艺性能要求。加入大量铁粉，提高其熔敷效率。采用该渣系，焊缝金属力学性能稳定、抗裂性好。
因此，本发明提供的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，按质量百分比计，所述药芯化学成分包括：
Fe及不可避免的杂质余量。
C(碳)能促进一次针状铁素体析出，控制先共析铁素体含量，从而细化晶粒，不仅能提高焊缝金属强度，还能提高焊缝金属的低温冲击韧性。C含量过低时，熔敷金属表现为低温冲击韧性差；C含量过高于时，不仅使焊缝金属强度增加，塑性降低，还会在焊接过程中使飞溅增多，因此限定在0.02～0.06％。
Si(硅)是重要脱氧剂，焊丝中含有一定量的Si能降低焊缝金属的氧含量，提高低温冲击韧性，调节铁水的流动性，加入量过少时不能体现上述特征，过大时铁水变粘，焊缝强度过高，冲击韧性降低。因此限定在0.30～0.70％。
Mn(锰)是主要脱氧剂，降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，提高低温冲击韧性，调节铁水流动性，加入量少时，体现上述特性不足，过大时焊缝强度过高，低温冲击韧性降低。因此限定在1.0～1.5％。
Cr(铬)是本发明药芯焊丝具有耐高温腐蚀的重要合金元素，使焊缝金属具有良好的高温韧性，含量过高或者过低都不能达到很好的强韧性匹配。另外，Cr元素能够促进N在Fe-Cr合金中的溶解度，N的溶解度随着Cr含量的增加而快速增加。确定Cr含量为7.5～12％。
Ni(镍)是焊缝金属中重要的合金元素，能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度，但镍含量过高则会增大热裂敏感性。按照合金要求，加入范围为0.45～0.70％。
Mo(钼)主要作用是提高高温蠕变断裂强度，稳定马氏体结构，加入量少时，体现上述特性不足，过大时焊缝强度过高，低温冲击韧性大幅降低。按照合金要求，加入范围为0.5～1.1％。
V(钒)是铁素体稳定元素，有效抑制Cr析出物(会降低耐高温腐蚀性)形成，能形成复杂的碳化物，在强度大幅降低的同时还能保持有效的屈服强度，加入量过少时，体现上述特性不足。另一方面，含量太高也是不合适的，会导致形成大的粗糙块状物而引起韧性的下降。因此，本发明中，V的含量在0.15～0.35％之间。
Fe即铁粉，能改善电弧状态，调节铁水熔点和粘度，余量加入。
上述几种成分互相配合，协调作用才能使得焊丝呈现较好的高温强度和冲击韧性。
优选地，所述药芯占焊丝总重量的18～20％。药芯填充率变化范围不宜过大，否则焊接性能会达不到预期要求。
优选地，所述碳钢外皮使用低碳钢，其中以下化学成分占低碳钢的重量百分比为：Mn 0.10～0.4％，Si≤0.025％，C≤0.035％，S≤0.010，P≤0.010％，N≤0.006％。
焊丝药芯和碳钢外皮中的S、P、N等杂质元素有增加焊缝的裂纹，降低焊缝低温冲击韧性倾向，必需进行严格的控制。药芯中不添加S、P等元素，碳钢外皮中S、P等杂质元素在满足材料标准的情况下，也要尽可能控制到最低。
优选地，药芯焊丝的熔敷金属中扩散氢含量低于3mL/100g。含量测定采用水银置换法。氢会使焊缝金属塑性下降，产生冷裂纹。氢含量越高，越容易产生冷裂纹，因此在焊接材料中要严格控制氢的含量。扩散氢含量低于5mL/100g的焊接材料可以认为是超低氢的焊接材料，本药芯焊丝的熔敷金属中扩散氢含量低于3mL/100g，说明本药芯焊丝属于超低氢的焊接材料，焊接中不容易产生冷裂纹。
优选地，药芯焊丝的横截面直径为1.2mm～1.4mm。药芯焊丝的直径主要有两种，分别为1.2mm或者1.4mm。
优选地，所述铬钼钢为9Cr1MoVNb钢。本发明的药芯焊丝，尤其适用于抗拉强度为620MPa级9Cr1MoVNb钢平焊、平角焊位置的焊接，焊接工艺性能优异，焊接效率高。
本发明还提供了一种制备上述任一铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝的方法，是钢带法制成U型，填充药芯，激光焊合，拉拔，退火，二次拉拔至规定直径焊丝，表面镀铜后得到所述药芯焊丝。
本发明还提供应用以上任意所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝进行焊接的方法，主要改进点是，焊接时采用体积百分含量为95％的Ar和5％的CO2组成的富氩气体保护，焊前预热至140℃，焊接后按规定对工件进行720℃×10小时热处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，采用金属粉芯型渣系，焊接时配合富氩(95％Ar+5％CO2)气体进行保护，使该焊丝焊接时呈细熔滴射流过渡，熔渣覆盖率低，熔敷效率高且无未熔合的敏感性。采用Mn-Mg-Si联合脱氧的方式，尽量减少焊缝中的氧含量。在造渣组分中，加入稳弧剂，以满足焊接操作工艺性能要求。加入大量铁粉，提高其熔敷效率。该药芯焊丝具有良好的高温(焊接后按规定进行720℃×10小时热处理)抗拉强度和冲击韧性，焊接工艺性能优异，焊接效率高，高温抗拉强度大于620MPa，20℃冲击韧性>150J，尤其适用于抗拉强度为620MPa级9Cr1MoVNb钢平焊、平角焊位置的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本组实施例的药芯焊丝，其化学成分质量百分比组成为：C：0.02～0.06％，Si：0.30～0.70％，Mn：1.0～1.5％，Cr：7.5～12％，Ni：0.45～0.70％，Mo：0.5～1.1％，V：0.15～0.35％，余量为Fe。
本组实施例药芯焊丝的制备方法：钢带法制成U型，填充所述药芯的成分，激光焊合，拉拔，退火，二次拉拔至规定直径焊丝(1.2或者1.4mm)，表面镀铜后得到所述药芯焊丝，填充率为18～20％。
上述药芯焊丝的应用：采用95％Ar+5％CO2保护，本发明的药芯焊丝在室温15℃，相对湿度45％的条件下，本发明药芯焊丝单丝焊时，电流260～300A，电压26～30V，焊接速度18～20cm/min。
实施例No.1～No.5的焊丝的化学成分见表2。
药芯焊丝的钢制外皮采用低碳钢带，其化学成分见表3。
表2 焊丝的化学成分％
C Si Mn Cr Ni Mo V Fe
实施例1 0.04 0.4 1.30 8 0.45 0.55 0.2 余量
实施例2 0.03 0.45 1.40 10 0.50 0.60 0.25 余量
实施例3 0.05 0.53 1.50 8.5 0.50 0.80 0.3 余量
实施例4 0.052 0.60 1.40 9.5 0.60 0.95 0.32 余量
实施例5 0.06 0.50 1.20 11 0.65 0.75 0.27 余量
表3 低碳钢带的化学成分％
规格mm Mn Si C S P N
1.0×14 0.35 0.020 0.020 0.010 0.009 0.006
应用效果数据
以表1所示成分配比实施例1～5制得药芯焊丝进行焊接试验，采用富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护，焊接规范见表4.
表4 焊接规范
1.试验焊丝力学性能试验
采用富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护，试板单边坡口角度10°，尺寸300×100×20mm，平焊位置焊接，焊前预热至140℃，焊接后按规定对工件进行720℃×10小时热处理，实施例1～5的焊丝高温对接接头力学性能见表5。
表5 高温对接接头力学性能
试验温度/℃ 保温时间/小时 Rm(MPa) KV2(J)20℃
实施例1 720 10 665 185 172 156 171
实施例2 720 10 625 157 150 171 159
实施例3 720 10 647 168 170 184 174
实施例4 720 10 632 195 180 186 187
实施例5 720 10 675 180 180 185 182
耐热钢在使用过程中要承受温度和压力的作用，因此，要求耐热钢焊接用焊接材料在高温下具有较好的强度，由此发现高温下的抗拉强度是耐热钢焊接材料关键指标。本专利中720℃×10小时高温处理后的抗拉强度均大于620MPa，优于现有技术。
2、对熔敷金属扩散氢含量的测定，见表6。
表6 熔敷金属扩散氢含量
注：采用水银置换法测定扩散氢含量。
5、斜Y抗裂性试验
采用实施例1～5进行斜Y抗裂性试验，焊前预热至140℃，经检测，表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率均为0％(20℃×65％RH)。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，包括碳钢外皮及填充在碳钢外皮内的药芯，其特征在于，按质量百分比计，所述药芯化学成分包括：
2.根据权利要求1所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述药芯占焊丝总重量的18～20％。
3.根据权利要求1所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述碳钢外皮使用低碳钢，其中以下化学成分占低碳钢的重量百分比为：Mn0.10～0.4％，Si≤0.025％，C≤0.035％，S≤0.010，P≤0.010％，N≤0.006％。
4.根据权利要求1所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝的熔敷金属中扩散氢含量低于3mL/100g。
5.根据权利要求1所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝的横截面直径为1.2mm～1.4mm。
6.根据权利要求1所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝，其特征在于，所述铬钼钢为9Cr1MoVNb钢。
7.制备权利要求1～6任意一项所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝的方法，其特征在于，钢带法制成U型，填充药芯，激光焊合，拉拔，退火，二次拉拔至规定直径焊丝，表面镀铜后得到所述药芯焊丝。
8.应用权利要求1～6任意一项所述的铬钼钢用无缝金属粉芯型药芯焊丝进行焊接的方法，其特征在于，焊接时采用体积百分含量为95％的Ar和5％的CO2组成的富氩气体保护，焊前预热至140℃，焊接后按规定对工件进行720℃×10小时热处理。
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