CN105171268A - 一种高耐蚀型埋弧焊丝及焊缝金属 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐蚀型埋弧焊丝及焊缝金属，焊丝以重量百分比为计的化学成分为：C0.02-0.07，Si0.10-0.25，Mn1.50-2.00，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.0-2.7，Cu0.50-1.20，Ti0.04-0.10，余量为铁及不可避免的杂质。焊丝在焊接时配合SG101烧结焊剂焊接得到的焊缝金属成分为(质量百分比)：C0.02-0.06，Si0.15-0.35，Mn1.60-2.20，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.2-2.5，Cu0.60-1.10，O0.025-0.040，Mo0.20-0.60，B0.001-0.01，余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊丝在焊接时配合SG101烧结焊剂，有利于焊缝中形成细小弥散的氧化物颗粒，促进针状铁素体形核，以保证焊缝具有优异的低温韧性。焊缝金属具有高耐蚀性，抗拉强度≥700MPa，-40℃冲击韧性≥80J。本发明适用于桥梁、建筑、铁道车辆等行业用高强度、高耐蚀性钢材的焊接。

Description

一种高耐蚀型埋弧焊丝及焊缝金属

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种高耐蚀型埋弧焊丝及焊缝金属。

背景技术

由于耐候钢的使用可降低或者免除化学涂层的使用，可降低生产成本、缩短工期，提高生产效率。目前，耐候钢已在桥梁、建筑、铁道车辆和煤矿机械中得到广泛应用；而此类钢板的广泛应用，自然离不开焊接加工用焊丝的配套。

桥梁和建筑等大型承重、框架式焊接结构件需要厚度16-80mm耐候中厚钢板，因此离不开埋弧焊接加工和装配，因此对埋弧焊丝提出了要求。配套埋弧焊丝一方面需要满足力学性能要求，另一方面制成的焊接接头应具有与母材相当的耐候性；同时，为适应某些寒冷地区的服役条件，应保证焊缝及热影响区具有较好的低温冲击韧性。

现有专利技术CN100366375C提供了一种高强耐候埋弧焊丝，采用0.4-1.2％Cr，0.2-0.8％Ni和0.1-0.3％Cu的合金设计，可使得焊缝金属强度在550MPa以上、-40℃冲击功在60J以上，耐蚀性与母材相当，基本满足工程要求。但随着高耐蚀性钢板(即耐蚀性比普通耐蚀钢板提高一倍)的采用，因此也对配套焊丝和焊缝金属提出了更高的要求，现有技术的焊丝及焊缝金属显然不能满足高耐蚀的要求。

为此，专利技术CN102658440B和CN103273213A公开的埋弧焊丝在现有技术基础上，将Ni含量由0.2-0.8％增加至3％以上，进而将焊缝金属的耐腐蚀能力一高一倍。虽然能够满足高耐蚀性的技术要求，但存在两个缺陷：1)由于Ni的大量添加，增加了成本，给工业应用带来困难；2)焊缝金属抗拉强度在550-650之间，不能适应700MPa级别钢板的焊接要求。

现有的高耐蚀性埋弧焊丝成本高，且不能满足700MPa级别钢板的焊接要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高耐蚀型埋弧焊丝及焊缝金属，使用该低成本焊丝制得的熔敷金属综合性能良好，抗拉强度≥650MPa，-40℃≥80J，耐蚀性能优异。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高耐蚀型埋弧焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C0.02-0.07，Si0.10-0.25，Mn1.50-2.00，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.0-2.7，Cu0.50-1.20，Ti0.04-0.10，余量为铁及不可避免的杂质。

一种高强度高耐腐蚀性焊缝金属，以重量百分比为计的化学成分为：C0.02-0.06，Si0.15-0.35，Mn1.60-2.20，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.2-2.5，Cu0.60-1.10，O0.025-0.040，Mo0.20-0.60，B0.001-0.01，余量为铁及不可避免的杂质。

优选的，所述的焊缝金属以重量百分比为计的化学成分还包含Ti0.02-0.08和Zr0.005-0.04中的一种及以上。

优选的，所述的焊缝金属由所述的焊丝在焊接时配合SG101烧结焊剂焊接得到。

优选的，所述的焊缝金属由针状体铁素体和马氏体构成，其中针状铁素体体积含量在55-75％之间。

优选的，所述的焊缝金属抗拉强度≥700MPa，延伸率≥22％，-40℃冲击功≥80J。

焊缝金属中各元素的作用如下：

C元素是合金钢中不可缺少的元素，能有效提高焊缝强度，但过高的C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量不宜过高，控制在0.02-0.06。

Si虽然有较强的固溶强化作用、能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用；但Si的脱氧产物容易形成硅酸盐类夹渣，低熔点的硅酸盐容易导致结晶裂纹，还会增加熔渣与熔化金属的粘度，给焊缝成型性带来负面影响；同时过高的Si含量慧降低焊缝金属的低温冲击韧性，所以Si含量不宜过高，控制Si含量0.15-0.35。

Mn能够提高焊缝的强度及淬透性，有利于细化焊缝组织；同时该元素师奥氏体区扩大元素，与Ni和Cu共同作用，可显著降低焊缝金属在焊后冷却过程中的奥氏体的相转变温度区间，从而为低碳马氏体的形成创造条件。优选其含量为1.60-2.20

Ni是本发明中最重要的元素之一，也是提高焊缝金属耐蚀性的最重要的元素之一。已有研究已表明，3.5％Ni的添加可有效提高焊缝金属的耐蚀性能。但同时Ni也是贵金属，过多添加虽能增加耐蚀性能，但成本过大。因此较低Ni含量的合金体系设计是高耐蚀型焊缝金属设计的方向。

添加1.20-2.50％的Ni，一方面可以确保针状铁素体为基体组织的焊缝金属的低温韧性，另一方面与一定量的Mn和Cu配合，使得焊缝金属获得足够的强度，最重要的是与一定量的Mo和Cu复合添加，可确保焊缝金属的高耐腐蚀性能。

Cu本发明中最重要的元素之一，也是提高焊缝金属耐蚀性的最重要的元素之一。过量添加会增加焊缝金属的热脆性，因此优选其含量0.60-1.10。

Mo可有效提高焊缝金属的强度和低温韧性，机理是通过降低奥氏体相转变温度和细化转变组织。但同时，Mo也有效提高钢板和焊缝金属的耐蚀性重要元素。已有研究表明，Mo和Cu复合添加在海水、盐水、酸雨大气等腐蚀介质条件下的抗腐蚀能力比单独添加更好。因此，优选其含量0.2-0.6％。

本发明中Ni-Cu-Mo合金设计，有别于现有技术的CrNi设计。虽然Cr可有效提高焊缝金属的耐蚀性能，但由于Cr元素一方面提高了焊缝金属热裂纹倾向，另一方面促进焊缝中侧板条铁素体和魏氏体铁素体的生成，从而恶化焊缝金属低温韧性，因此，在本发明中不予添加。

B可提高钢的淬透性,减少先共析铁素体,增加针状铁素体,提高硬度,改善韧性，固溶B在奥氏体晶界偏聚，降低晶界能，有利于晶界上先共析铁素体的形成及粗化。

Ti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，但过高的Ti含量会导致焊缝韧性恶化，优选其含量为0.02-0.08。

Zr元素具有较好的细化晶粒作用，微量Zr元素的加入，在焊缝中形成大量细小的ZrO₂质点，一来促进焊缝针状铁素体形核，二来起到一定止裂作用，大幅降低了焊缝韧脆转变温度，同时对提高焊缝强度有一定贡献。但当Zr含量过高时，其细化晶粒的作用不再增强，反而会促进M-A组元形成从而导致焊缝韧性下降。考虑到Zr在熔池中易烧损，将其含量设置为0.005-0.04。

P，S作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量P≤0.020，S≤0.015。

本发明焊丝经过电炉或转炉冶炼、连铸、轧制、拉拔、镀铜、绕盘等工序制成。

另外，本发明焊丝在焊接时配合SG101烧结焊剂，有利于焊缝中形成细小弥散的氧化物颗粒，促进针状铁素体形核，以保证焊缝具有优异的低温韧性。

与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：

1.采用低成本的低碳Ni-Cu-Mo合金成分设计，舍弃了能恶化焊缝金属低温韧性的Cr元素，并通过合理控制Ni和Mo等贵金属的添加量，配合SJ101烧结焊剂，制得了高耐蚀性的埋弧焊缝金属，其耐蚀性能与现有技术3.5％Ni焊丝相当；

2.本发明埋弧焊缝金属由针状体铁素体和马氏体构成，其针状铁素体体积含量在55-75％之间，抗拉强度≥700MPa，高于采用现有技术制得的焊缝金属。

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。

实施例1：

采用100t电炉炼钢经连铸制得方坯，经过高速无扭转轧机轧制得到盘条，然后经过拉丝，镀铜等工艺制得直径4.0mm的埋弧焊丝。焊丝化学成分(质量百分比)为：C0.04，Si0.12，Mn1.76，P0.010，S0.006，Ni1.96，Cu0.96，Ti0.08，余量为铁及不可避免的杂质。

试验母材为30mm厚的耐候桥梁钢Q500E，其屈服强度528MPa，抗拉强度645MPa，延伸率22％，-40℃冲击功为228J。坡口为单边V型，角度为45°，采用SJ101烧结焊剂，焊接热输入量为36kJ/cm，多道多层焊。焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验，焊缝金属化学成分为：C0.05，Si0.21，Mn1.85，P0.009，S0.005，Ni1.88，Cu0.84，O0.028，Mo0.55，B0.006，Ti0.05，余量为铁及不可避免的杂质。

金相观察表明：焊缝金属由针状铁素体和马氏体组成，针状铁素体体积含量为58％。力学性能检测表明：焊缝金属的抗拉强度为746MPa，延伸率为23％，-40℃冲击功为106J。

实施例2：

采用100t电炉炼钢经连铸制得方坯，经过高速无扭转轧机轧制得到盘条，然后经过拉丝，镀铜等工艺制得直径4.0mm的埋弧焊丝。焊丝化学成分(质量百分比)为：C0.05，Si0.14，Mn1.90，P0.008，S0.005，Ni2.45，Cu1.05，Mo0.26，Ti0.06，B0.005，余量为铁及不可避免的杂质。

试验母材为40mm厚的耐候建筑用钢板Q460E，其屈服强度505MPa,抗拉强度616MPa，延伸率23％，-40℃冲击功为236J。采用坡口为单边V型，角度为55°，采用SJ101烧结焊剂，焊接热输入量为24kJ/cm，多道多层焊。焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验，焊缝金属化学成分为：C0.06，Si0.16，Mn1.76，P0.008，S0.004，Ni2.38，Cu0.96，Mo0.25，Ti0.03，B0.0024，O0.032，余量为铁及不可避免的杂质。

金相观察表明：焊缝金属由针状铁素体和马氏体组成，针状铁素体体积含量为62％。力学性能检测表明：焊缝金属的抗拉强度为712MPa，延伸率为23％，-40℃冲击功为106J。

实施例3：

采用100t电炉炼钢经连铸制得方坯，经过高速无扭转轧机轧制得到盘条，然后经过拉丝，镀铜等工艺制得直径4.0mm的埋弧焊丝。焊丝化学成分(质量百分比)为：C0.06，Si0.26，Mn2.08，P0.007，S0.006，Ni1.46，Cu0.72，Mo0.58，Ti0.09，B0.01，余量为铁及不可避免的杂质。

试验母材为16mm厚的耐候铁道车辆用钢板S450EW，其屈服强度486MPa,抗拉强度625MPa，延伸率24％，-40℃冲击功为227J。采用坡口为双边V型，角度为45°，顿边为3mm，采用SJ101烧结焊剂，焊接热输入量为60kJ/cm，正反面各一道次焊满。焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验，焊缝金属化学成分为：C0.03，Si0.34，Mn1.98，P0.007，S0.006，Ni1.32，Cu0.66，Mo0.55，Ti0.08，B0.0052，O0.034，余量为铁及不可避免的杂质。

金相观察表明：焊缝金属由针状铁素体和马氏体组成，针状铁素体体积含量为72％。力学性能检测表明：焊缝金属的抗拉强度为702MPa，延伸率为23％，-40℃冲击功为168J。

腐蚀性能测试：

对熔敷金属及母材钢板分别进行耐候试验。采用周浸试验方法，试验条件如下：

试验溶液：0.01mol/L的NaHSO₃蒸馏水溶液

试验温度：45±2℃

试验湿度：70±5％RH

每一循环周期：60min(12min湿+48min干)

试验连续进行72小时，取样吹干并干燥处理。除锈后、称重、并计算相对腐蚀失重率，试验结果见表1。结果表明：实施例1-3制得的焊缝金属具有与母材相当的耐蚀性能，能够满足高耐蚀性钢的焊接要求。

表1实施例焊缝金属相对母材钢板的相对耐蚀性能

	参照物	焊缝金属相对腐蚀失重率
			实施例1	母材	0.98
实施例2	母材	0.96
			实施例3	母材	0.98

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 (6)

1.一种高耐蚀型埋弧焊丝，其特征在于，以重量百分比为计的化学成分为：C0.02-0.07，Si0.10-0.25，Mn1.50-2.00，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.0-2.7，Cu0.50-1.20，Ti0.04-0.10，余量为铁及不可避免的杂质。

2.一种焊缝金属，其特征在于，以重量百分比为计的化学成分为：C0.02-0.06，Si0.15-0.35，Mn1.60-2.20，P≤0.020，S≤0.010，Ni1.2-2.5，Cu0.60-1.10，O0.025-0.040，Mo0.20-0.60，B0.001-0.01，余量为铁及不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的焊缝金属，其特征在于，所述的焊缝金属以重量百分比为计的化学成分还包含Ti0.02-0.08和Zr0.005-0.04中的一种及以上。

4.根据权利要求2或3所述的焊缝金属，其特征在于，所述的焊缝金属由所述的焊丝在焊接时配合SG101烧结焊剂焊接得到。

5.根据权利要求2或3所述的焊缝金属，其特征在于，所述的焊缝金属由针状体铁素体和马氏体构成，其中针状铁素体体积含量在55-75％之间。

6.根据权利要求3所述的焊缝金属，其特征在于，所述的焊缝金属抗拉强度≥700MPa，延伸率≥22％，-40℃冲击功≥80J。