CN105189028B - 用于具有低可扩散氢和高夏比v形缺口冲击韧性的自保护facw焊丝的合金化成分 - Google Patents

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Abstract

公开了一种自保护药芯焊条，其包括铁系金属护套和在装有药芯成分的所述护套内的药芯，所述药芯成分在焊丝中包括铝、锰和稀有金属的组成窗口：约2.0‑3.0wt.％的[Al]、1.0‑2.0wt.％的[Mn]和0.001‑0.11wt.％的稀有金属或者0.001‑0.5％的稀有金属氧化物，诸如，但不限于，La、Ce等。由此产生的焊缝包括0.7‑1.0wt.％的[Al]和1.1‑1.5wt.％的[Mn]。由此产生的焊缝具有5mL/100g或者更低的最大可扩散氢含量。由此产生的焊缝也具有至少为100ft‑lbs的夏比V形缺口韧性。

Description

用于具有低可扩散氢和高夏比V形缺口冲击韧性的自保护 FACW焊丝的合金化成分
技术领域
本发明大体上涉及焊条，更加具体地，涉及一种具有低可扩散氢和高夏比V形缺口冲击韧性的改进型焊条。
背景技术
自上世纪中叶以来，自保护药芯电弧焊接(SS-FCAW)已经广泛应用于多种建造工业。与其他焊接方法相比，其高效率和一致的焊珠质量可以显著减少建造时间和工程造价，这对于在农村地区的建造工程诸如横贯管道建造和近海结构安装极其重要。另一方面，由于直接暴露于空气，与气体保护焊弧相比，SS-FCAW的电弧可能更加刺耳更多飞溅。电弧扰动也会对在焊缝金属中的可扩散氢气、氧气和氮气的控制、微观结构演化和焊缝的机械性质产生负面影响。
已知的是，在低碳钢焊缝中的低可扩撒氢含量可以极大地有助于抗裂性和钢建造成本和效率。具体地，已知的是，使堆焊金属中的可扩散氢的量最小化可以最大限制地降低在产生的焊缝中发生与氢气有关的破裂的可能性。已经研发出了H8级的改进型自保护药芯焊丝(即，能够以8mL/100g的最大可扩散氢含量堆焊金属的焊条或者焊条焊药组合物)，其展示出了优良的焊接性能和柔和稳定的电弧、易于掌控的液渣流动、以及鲁棒的机械性质。虽然电弧性能设计为接近气体保护药芯焊弧，但是这种焊条的可扩散氢含量仍然停留在H8级，这限制了其在更多临界钢结构的建造中的使用。
现有的减少低碳钢焊缝中的可扩散氢含量的尝试涉及到向药芯混合物中添加过多的氟化物。然而，添加氟化物的问题是导致了液渣流动和不稳定的电弧，这可能会导致焊位不当的故障。在药芯中也需要另外的铝来执行脱氧和脱氮。因此，多余的铝保留在焊缝中，导致晶粒变粗并且产生不良的夏比V形缺口冲击韧性。
随着高强度钢焊接应用的增加，在焊缝金属中的可扩散氢控制已经日益受到关注。因此，需要一种同时具有低可扩散氢含量和优越的全位置焊接性能的特征并且具有鲁棒的机械性质的改进型自保护药芯焊丝。
具体地，需要一种等级等于或者低于5ml/100g(即，H5级)的改进型自保护药芯焊丝，该等级相当于使用气体保护焊接可实现的可扩散氢含量。该改进型自保护药芯焊条也应该具有高夏比V形缺口冲击韧性。
发明内容
公开了一种药芯焊条。该焊条可以包括铁系金属护套和在装有药芯成分的护套内的药芯。药芯成分可以包括以焊丝总重量计如下重量百分比的成分：2.0-3.0的铝；1.0-2.0的锰；以及0.001-0.35的稀有金属氧化物。药芯焊条能够产生具有可扩散氢水平为5ml/100g或者更低以及在-40°F下夏比V形缺口韧性至少为100ft-lbs的焊缝。稀有金属氧化物的稀有金属达到占金属护套和药芯成分的总重量的0.11wt.％。稀有金属氧化物可以包括多种稀有金属氧化物。稀有金属氧化物可以包括Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3。药芯成分可以进一步包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.54的第一烧结氟化物；4.53的烧结氧化物；0.42的第二烧结氟化物；2.04的铝；1.77的镁；1.00的锰；0.87的镍；0.21的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及0.36的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。药芯成分可以进一步包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.34的第一烧结氟化物；4.53的烧结氧化物；0.83的第二烧结氟化物；2.10的铝；1.77的镁；1.01的锰；0.98的镍；0.10的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及0.03的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。药芯成分可以进一步包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.13的第一烧结氟化物；4.51的烧结氧化物；0.42的第二烧结氟化物；2.04的铝；1.77的镁；0.96的锰；0.87的镍；0.44的二氧化锆；0.07的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及0.53的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。
公开了一种用于药芯焊条的焊药组分。该焊药组分可以包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：2.0-3.0的铝；1.0-2.0的锰；以及0.001-0.11的稀有金属。稀有金属可以包括稀有金属氧化物。稀有金属氧化物可以包括Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3。该组分可以包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.54的第一烧结氟化物；4.53的烧结氧化物；0.42的第二烧结氟化物；2.04的铝；1.77的镁；1.00的锰；0.87的镍；0.07的选自由Ce、La、Nd和Pr组成的列表的稀有金属；以及0.36的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。该组分可以包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.13的第一烧结氟化物；4.53的烧结氧化物；0.83的第二烧结氟化物；2.10的铝；1.77的镁；1.01的锰；0.98的镍；0.04的选自由Ce、La、Nd和Pr组成的列表的稀有金属；以及0.83的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。该组分可以包括以焊丝的总重量计如下重量百分比的成分：9.13的第一烧结氟化物；4.51的烧结氧化物；0.42的第二烧结氟化物；2.04的铝；1.77的镁；0.96的锰；0.87的镍；0.44的二氧化锆；0.03的选自由Ce、La、Nd和Pr组成的列表的稀有金属；以及0.53的铁。第一烧结氟化物可以包括BaLiF3，烧结氧化物可以包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且第二烧结氟化物可以包括KLiF2。
公开了一种药芯焊条，其包括铁系金属护套和在装有药芯成分的护套内的药芯，药芯成分包括以焊丝总重量计如下重量百分比的成分：2.0-3.0的铝；1.0-2.0的锰；以及0.001-0.5的稀有金属氧化物。药芯焊条能够产生具有可扩散氢水平为5ml/100g或者更低以及在-40°F下夏比V形缺口韧性至少为100ft-lbs的焊缝。
附图说明
附图图示了所公开方法的优选实施例，这些实施例是到目前为止为实际应用本方法的原理所设计的，在附图中：
图1是Fe-Al的相位图；
图2是Fe-Al-Mn在1000℃下的三相图剖面；
图3是示出了根据稀有金属含量的冲击韧性的图表；以及
图4是示出了根据药芯焊丝中的稀有金属含量的在焊缝中的可扩散氢含量的图表。
具体实施方式
本说明书中描述了各种焊条实施例以提供对本发明的全面理解。应该理解，本说明书中描述的各个实施例是非限制性的和非详尽的。因此，本发明并不需要受本说明书中公开的各个非限制性和非详尽实施例的描述的限制。针对各个实施例描述的特征和特点可以与其他实施例的特征和特点组合。这样的修改和变化意在包括在本说明书的范围内。正因为如此，可以修改本权利要求书，以详述本说明书中明确或固有描述的或以其他方式由本说明书明确或固有支持的任何特征或特点。此外，申请人保留修改本权利要求书的权利，以确定放弃现有技术中可能存在的步骤、元件、限制、特征或特点，无论在本文是否明确描述了这些特征。因此，任何这样的修改都符合35U.S.C.§112第一段和35 U.S.C.§132(a)的要求。本说明书中公开和描述的各个实施例可以包括本说明书中不同描述的元件、限制、特征和/或特点、由本说明书中不同描述的元件、限制、特征和/或特点组成或基本组成。
除非另有说明，否则本文认定的任何专利、出版物或其他公开材料全部通过引用的方式并入本说明书，但仅至所并入的材料与本说明书中的现有描述、定义、说明或其他明确阐述的公开材料不发生冲突的程度。正因为如此，且在必要的程度，本说明书中阐述的明确公开将替代通过引用并入本文的任何冲突材料。据称通过引用并入本说明书但其与本文阐述的现有定义、说明或其他公开材料存在冲突的任何材料或其部分，仅并入至在并入的材料和现有公开材料之间不会发生冲突的程度。申请人保留修改本说明书的权利，以明确详述通过引用并入本文的任何主题或其部分。
本说明书中使用的语法冠词"一(one)"、"一个(a)"、"一个(an)"和"该(the)"意在包括"至少一个"或"一个或多个"，除非另有说明。因此，本说明书中使用的冠词是指该冠词的语法对象中的一个或多个(即，指"至少一个")。通过实施说明，"一组件"是指一个或多个组件，且因此，可能考虑多个的组件，且在所述实施方案的实施中可以采用或使用所述多个的组件。另外，单数名词的使用包括复数，且复数名词的使用包括单数，除非使用的上下文另有要求。
自保护药芯焊接产生了独特的焊缝金属微观结构和分布特点。除了常规的微观结构构成成分(包括铁素体(铁素体作为第二相排列)、针状铁素体等)之外，已经发现了织物形态的另一类第二相铁素体。因此，通过分别将主要的合金化元素Mn和Al从1.0-1.5wt.％和0.7-0.9wt.％改变，来研究E71T8-Ni1类型焊缝的微观结构特点。发明人已经发现，同事提高织物铁素体和针状铁素体的量有助于了以铁素体为主的自保护FCAW焊缝的夏比V形缺口冲击韧性。在焊缝中具有这种卓越的铁素体组分，结合低锰含量(即，～0.7％)，可以在-40°F下导致夏比V形缺口冲击韧性发生波动。因此，优化在焊缝中的锰和铝的合金化来确保鲁棒的机械性质可以很重要。
发明人进一步已经发现，在焊缝中添加稀有金属是一种在维持所需高夏比V形缺口韧性的同时极大地有助于冲击韧性并且将可扩散氢含量减少到H5级(即，能够以5mL/100g的最大可扩散氢含量堆焊金属的焊条或者焊条焊药组合物)的有效方式。
除了其有助于减少可扩散氢的电弧稳定性效应之外，稀有金属还可以用作陷阱位以将可扩散氢保持在焊缝中。本公开表明，在自保护药芯焊丝中从0.001wt.％到0.11wt.％添加稀有金属可以有效地将可扩散氢减少到H5级。要了解，稀有氧化物包含多种稀有金属，包括，但不限于，铈(Ce)、镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、钪(Sc)和钇(Y)。合适的稀有金属氧化物的示例性列表包括但不限于Sc2O3、Y2O3、La2O3、Ce2O3、CeO2、Nd2O3和Pr2O3。
当通过自保护药芯电弧焊将大量铝引入钢焊缝中时，钢焊缝可以过渡铝饱和。根据图1，如果在焊缝中[Al]超过1wt.％，那么可以通过液体固化获得大δ铁素体晶粒。δ铁素体的粗晶粒可以显著降低夏比V形缺口冲击韧性。根据图2，在钢中的合适锰量可以有效地扩大铝饱和区域，以促进从δ铁素体相位变换到奥氏体和α铁素体，从而产生晶粒细化。考虑到由各种焊材规范规定的在焊缝中的[Mn]限制，已经发现，在焊缝中[Mn]为1.1-1.45wt.％对于在-40°F下实现超过100ft-lbs的夏比V形缺口冲击韧性是有效的。
示例
采用5/64"ESAB E71T-8类自保护FCAW焊丝作为该研究的基本通式。通过使用如本文所示的具有改性焊药值的药芯冷轧钢带(低碳钢)来制造示例药芯焊丝。焊药混合物的典型重量百分比或者填料比为约20.75％。向样本施加润滑剂，以实现适当的制造和焊丝送料性能。
通过使用与Feed 3004焊丝送料器联接的Esab Origo Mig 6502C焊接机，按照AWSA5.29，在1G位置处，制备所有焊接板。对于全板焊接，使用的焊接参数是19.5V、250A、14英寸每分钟(ipm)的行进速度和7/8"的焊条伸出长度。相同的焊接参数也用于制备化学平板，以确定每个焊缝的化学组分。对每个焊接板进行射线探伤。在满足射线探伤之后，从每个板提取用于拉伸和夏比V形缺口冲击测试的试样，并且按照AWS A5.29对其机械加工。另外，在每个板的中间处切去宏观样本。
在评估了机械性质(包括拉伸强度和在-40°F下的CVN冲击韧性)之后，通过使用光学显微镜(Olympus PMG3)来研究在每个宏观样本的封盖层处的焊缝金属微观结构。使用点数量化技术来确定微观结构构成成分的体积分数，以便更好地理解产生的机械性质。在这些焊缝上，通过10x10的网格，检查10-15个场。另外，若需要，使用Hitachi S-3400N SEM来检查微观结构构成成分。另外，利用配备有橡树岭国家实验室中的EDAX Genesis的Jeol6500FEG/OIM来对微观结构进行详细的SEM工作。
除了上述之外，还根据AWS A4.3对焊丝进行可扩散氢测试。
用于测试的样本
如之前指出的，ESAB E71T-8类自保护FCAW焊丝用作制备六个样本焊条(E1-E6)的基本通式。该E71T-8类焊丝的示例性配方如下：
在焊丝中，基本通式接收范围在0.001wt.％到0.109wt.％内的附加剂量的稀有金属(以氧化物的形式)(见下面的表I)。
表I
在表II(下方)中报告了通过使用这六个样本焊条(E1-E6)得到的焊缝的化学成分和机械性质的结构，并且在图3中进行了图示。
表II
可见，所有六个样本焊条都满足类型H5的最大可扩散氢限制5.4mL/100g。这六个样本焊条中的其中四个满足夏比V形缺口韧性限制100ft-lbs。样本E1、E4和E5同时满足这两个要求。
这些结果表明，通过在焊丝中添加高达0.109％的稀有金属，可以将在-20°F和-40°F下的冲击韧性提高到100ft-lbs等级。毫无疑问，通过在焊药通式中引入稀有金属，韧性改进是明显的且是有效的。而且，要了解，添加稀有金属还可以有助于在这些焊缝中进行可扩散氢控制。图4示出了用稀有金属处理的所有这些焊丝在焊丝中的可扩散氢含量方面都满足ABS H5要求，即，小于5.4ml/100g。另外，它们都符合AWS A5.29规范，满足E71T8-Ni1J类要求。
示例性焊条配方
在本公开范围内的焊条的以下示例示出了示例性焊条作为H5类自保护药芯焊丝是合格的，在-40°F下具有大于100ft-Ibs的夏比V形缺口冲击韧性。表III示出了在三个示例性药芯焊条中的每一个中使用的焊药通式的成分(注意，在表格III中的所有百分比值是相对于焊丝总重量的重量百分比值)。
表III
通式NX-4858
通过使用本通式制得的焊缝具有1.34wt.％的[Mn]含量和0.80wt.％的[Al]含量(表II)。另外，在按配方制造的焊丝中0.07wt.％的稀有金属产生了具有4.3ml/100g的可扩散氢([H]diff)和在-40°F下114ft-lbs的夏比V形缺口韧性的焊缝。
通式NX-4897
通过使用本通式制得的焊缝具有1.36wt.％的[Mn]含量和0.82wt.％的[Al]含量(表II)。另外，在按配方制造的焊丝中0.04wt.％的稀有金属产生了具有5.0ml/100g的[H]diff和在-40°F下115ft-lbs的夏比V形缺口韧性的焊缝。
在调节包括在基本焊药通式中的稀有金属的重量百分比时，可以看见一些变型例，例如：
通式NX-4947
通过使用本通式制得的焊缝具有1.30wt.％的[Mn]含量和0.71wt.％的[Al]含量(表II)。另外，在按配方制造的焊丝中0.03wt.％的稀有金属产生了具有4.7ml/100g的[H]diff和在-40°F下96ft-lbs的夏比V形缺口韧性的焊缝。
在自保护药芯焊丝中添加范围在0.001wt.％到0.11wt.％内的稀有金属可以将在T8-Nil类焊缝中的可扩散氢含量有效地降低到H5级。
在自保护药芯焊丝中添加范围在0.001wt.％到0.11wt.％内的稀有金属可以从本质上改进焊缝金属夏比V形缺口冲击韧性。在本项工作中，在夏比V形缺口冲击韧性方面，已经发现最佳的稀有金属添加量为约0.04wt.％。
将在焊丝中的铝、锰和稀有金属的组成窗口定义为：2.0-3.0wt.％的[Al](在焊缝中产生0.7-1.0wt.％的[Al])和1.0-2.0wt.％的[Mn](在焊缝中产生1.1-1.5wt.％的[Mn])以及高达0.11wt.％的稀有金属，诸如，但不限于，La、Ce、Nd、Pr等。
要了解，这种类型的焊丝可以用于近海结构、管道和其他钢结构的建造中。
虽然已经参照特定实施例对本发明进行了公开，但是在不脱离如在所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可能对所描述的实施例进行诸多修改、更改和改变。因此，旨在使本发明不限于所描述的实施例，相反本发明具有由以下权利要求书及其等效物限定的整个范围。

Claims (13)

1.一种药芯焊条，其包括铁系金属护套和在装有药芯成分的所述护套内的药芯，所述药芯成分包括以焊条总重量计如下重量百分比的成分：
9.54的第一烧结氟化物；
4.53的烧结氧化物；
0.42的第二烧结氟化物；
2.04的铝；
1.77的镁；
1.00的锰；
0.87的镍；
0.21的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及
0.36的铁；
其中，所述药芯焊条能够产生具有可扩散氢等级为5ml/100g或者更低以及在-40°F下夏比V形缺口韧性至少为100ft-lbs的焊缝。
2.根据权利要求1所述的药芯焊条，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
3.一种药芯焊条，其包括铁系金属护套和在装有药芯成分的所述护套内的药芯，所述药芯成分包括以焊条总重量计如下重量百分比的成分：
9.34的第一烧结氟化物；
4.53的烧结氧化物；
0.83的第二烧结氟化物；
2.10的铝；
1.77的镁；
1.01的锰；
0.98的镍；
0.10的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及
0.03的铁；
其中，所述药芯焊条能够产生具有可扩散氢等级为5ml/100g或者更低以及在-40°F下夏比V形缺口韧性至少为100ft-lbs的焊缝。
4.根据权利要求3所述的药芯焊条，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
5.一种药芯焊条，其包括铁系金属护套和在装有药芯成分的所述护套内的药芯，所述药芯成分包括以焊条总重量计如下重量百分比的成分：
9.13的第一烧结氟化物；
4.51的烧结氧化物；
0.42的第二烧结氟化物；
2.04的铝；
1.77的镁；
0.96的锰；
0.87的镍；
0.44的二氧化锆；
0.07的Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3；以及
0.53的铁；
其中，所述药芯焊条能够产生具有可扩散氢等级为5ml/100g或者更低以及在-40°F下夏比V形缺口韧性至少为100ft-lbs的焊缝。
6.根据权利要求5所述的药芯焊条，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
7.一种用于药芯焊条的焊药组合物，其中，所述焊药组合物包括以所述焊条的总重量计如下重量百分比的成分：
9.54的第一烧结氟化物；
4.53的烧结氧化物；
0.42的第二烧结氟化物；
2.04的铝；
1.77的镁；
1.00的锰；
0.87的镍；
0.07的选自由铈(Ce)、镧(La)、钕(Nd)和镨(Pr)组成的列表中的稀土金属，所述稀土金属以稀土金属氧化物的形式存在；以及
0.36的铁。
8.根据权利要求7所述的焊药组合物，其中，所述稀土金属氧化物包括Ce2O3-La2O3-Nd2O3-Pr2O3。
9.根据权利要求7所述的焊药组合物，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
10.一种用于药芯焊条的焊药组合物，所述焊药组合物包括以焊条总重量计如下重量百分比的成分：
9.13的第一烧结氟化物；
4.53的烧结氧化物；
0.83的第二烧结氟化物；
2.10的铝；
1.77的镁；
1.01的锰；
0.98的镍；
0.04的选自由铈(Ce)、镧(La)、钕(Nd)和镨(Pr)组成的列表中的稀土金属，所述稀土金属以稀土金属氧化物的形式存在；以及
0.83的铁。
11.根据权利要求10所述的焊药组合物，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
12.一种用于药芯焊条的焊药组合物，所述焊药组合物包括以焊条总重量计如下重量百分比的成分：
9.13的第一烧结氟化物；
4.51的烧结氧化物；
0.42的第二烧结氟化物；
2.04的铝；
1.77的镁；
0.96的锰；
0.87的镍；
0.44的二氧化锆；
0.03的选自由铈(Ce)、镧(La)、钕(Nd)和镨(Pr)组成的列表中的稀土金属，所述稀土金属以稀土金属氧化物的形式存在；以及
0.53的铁。
13.根据权利要求12所述的焊药组合物，其中，所述第一烧结氟化物包括BaLiF3，所述烧结氧化物包括Li2O-CaO-SiO2-Fe3O4，并且所述第二烧结氟化物包括KLiF2。
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