CN105414799A - 一种低合金高强钢的实芯焊丝及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种低合金高强钢的实芯焊丝，该实芯焊丝组分按重量百分比为：C：0.06~0.12，Mn：1.35~2.0，Si：0.7~1.05，Re：0.01~0.05，B：0.001~0.003，Nb：0.05~0.2，Ni：0.05~0.15，Cr：0.05~0.2，Cu：≤0.5，P：≤0.015，S：≤0.015，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的实芯焊丝焊接后，焊缝成形美观，飞溅小，裂纹敏感性低，与Q460E钢板进行熔敷金属力学性能试验，熔敷金属抗拉强度均值为664MPa，屈服强度均值为567MPa，延伸率均值为23.8%，常温V型缺口冲击吸收功均值为228J，最低值为187J；-40℃冲击吸收功均值为120J，最低值为87J，高于低合金高强的母材性能要求，达到了设计要求，可实现与Q460E等输电铁塔用低合金高强钢的力学性能匹配。

Description

一种低合金高强钢的实芯焊丝及其应用

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种低合金高强钢的实芯焊丝及其应用。

背景技术

为了满足输电铁塔尤其是特高压输电铁塔的制造要求，减轻铁塔自重、增强铁塔承载能力，延长其使用寿命和提升经济效益，必须提高用于特高压铁塔的钢材强度，因此屈服强度更高的低合金高强钢在特高压铁塔中的采用显得尤为迫切和重要，如Q420、Q460等。随着母材强度的提高，为了保证焊缝的强度，需要向焊丝中加入足够量的合金元素来提高焊缝的强度，现有的低合金高强钢焊丝一般采用Mo等较贵重的合金元素来提高强度，或者配合一定量的Cr元素来强化。

随着合金元素Mo和Cr的增加，焊缝的强度得到了强化，但同时焊缝的韧性呈下降的趋势，焊缝容易产生淬硬组织，抗裂纹性下降。因此，如何保证焊缝在高强度的同时具有较高的韧性是提高焊缝质量的至关重要的因素。显然，去除焊缝的有害元素(如低熔点的砷、锡、锑、铅和铋等)，抑制有害元素的偏析，净化焊缝组织，捕获焊缝中的氢，改变焊缝组织中的夹杂物形貌、数量和分布情况，细化焊缝组织，对保证焊缝韧性和提高强度具有积极的作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术上的上述不足，提供一种可以净化焊缝组织、降低焊缝中的低熔点有害元素和氢、改善焊缝组织的夹杂物、细化焊缝组织的输电铁塔用低合金高强钢实芯焊丝。

为实现上述目的，本发明采用上述的技术方案：一种低合金高强钢的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝的组分按重量百分比计为C：0.06～0.12，Mn：1.35～2.0，Si：0.65～1.05，B：0.001～0.003，Nb：0.05～0.2，Ni：0.05～0.15，Cr：0.05～0.2，Cu：0.15～0.5，P：≤0.015，S：≤0.015，稀土元素：0.01～0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述实芯焊丝的组分按重量百分比计为C：0.08，Mn：2.0，Si：0.7，Re：0.03，B：0.002，Nb：0.15，Ni：0.1，Cr：0.15，Cu：0.25，P：0.005，S：0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述Ni和Cr的重量百分比之和≥0.2。

所述P和S的重量百分比之和≤0.02。

所述Re与S的重量百分比之比(Re/S)≥2。

所述稀土元素为镧或铈或钇或其组合。

所述的低合金高强钢的实芯焊丝用于输电铁塔的制造。

以下是本发明的主要元素作用及限定：

C：0.06～0.12，

碳在焊缝中，含碳量越高，焊缝的强度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，焊缝的塑性、韧性越高，其强度也会随之降低。为了达到焊缝具有匹配的强度和韧性，本发明的实芯焊丝中的碳重量百分比为0.06～0.12。

Mn：1.35～2.0，

Mn是强化元素之一，能溶解于铁素体中，起固溶强化作用，提高焊缝的强度，Mn又是一种良好的脱氧剂和脱硫剂，焊接时可以利用它来进行脱氧和脱硫，当Mn在焊缝中的含量小于2％时，可以使焊缝的强度明显提高，并能提高Mn在低温下的冲击韧性，本发明的实芯焊丝中的Mn重量百分比为1.35～2.0。

Si：0.65～1.05，

Si用以防止焊缝的氧化以及稳固基体保证焊缝强度，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形成，在焊丝过渡到焊缝中时，起到脱氧作用与强化焊缝的作用。但是Si会降低钢的焊接性能，在焊接时易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔合物的流动性，引起喷溅，影响焊接质量，且当硅含量超过一定值，铁素体的冲击韧性急剧下降，本发明的实芯焊丝中的Si重量百分比为0.65～1.05。

稀土元素(Re)：0.01～0.05，

Re可以与钢中磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相作用，既可以与这些杂质形成熔点较高的化合物，也能抑制这些夹杂在晶界上的偏祈，起到净化作用，使钢中杂质减少。稀土极易生成稀土的氧硫化物和稀土硫化物，形成复合夹杂物或稀土硅酸盐化合物，它们熔点高且非常稳定，可以控制夹杂物的形貌。稀土能吸收大量的氢，可以抑制钢中氢引起的脆性和白点。稀土可以提高焊缝的强度和韧性，降低脆性转变温度提高钢的持久强度，特别是横向冲击韧性，有利于提高钢的疲劳性能。本发明实芯焊丝中的Re重量百分比为0.01～0.05

B：0.001～0.003，

B元素价格便宜，资源丰富，可以在一定程度上替代Ni、Cr、Mo等昂贵的合金元素。低合金高强钢焊缝中适量增加B元素质量分数可提高组织中针状铁素体质量分数，有效细化焊缝组织，而当B元素过量时则使焊缝组织中的针状铁素体质量分数下降，组织粗化。本发明实芯焊丝中的B重量百分比为0.001～0.003

Nb：0.05～0.2，

Nb在焊缝中形成细小的碳化物和氮化物或碳氮化合物，其质点钉扎在晶界处，在加热过程中阻止奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体的晶粒长大，有利于焊丝制备过程的控制，且形成的化合物可以作为形核质点，细化焊缝的组织，提高焊缝的强度和屈服强度。本发明实芯焊丝中的Nb重量百分比含量为0.05～0.2

在铌钢(低合金高强钢)的焊接过程中，由于实芯焊丝中含有硼和铌，硼和铌的复合微合金化，一方面形成的化合物提供形核质点，有利于焊缝组织的细化，另一方面减小了铌的晶界扩散系数，减小了界面迁移速度和再结晶驱动力，细化HAZ组织，有利于HAZ性能的提高。

Ni：0.05～0.15，

Ni可以强化铁素体提高焊缝的韧性和强度，尤其是低温冲击韧性，提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性，降低韧脆转变温度，提高屈强比，改善钢的加工性和可焊性，而且能抗碱和大气的腐蚀。但镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。本发明实芯焊丝中的Ni重量百分比为0.05～0.15，

Cr：0.05～0.2，

铬能抑制和减少先共析铁素体的析出，细化铁素体的晶粒，有利于提高针状铁素体的含量，显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性，提高了焊缝的脆性转变温度及回火脆性。本发明实芯焊丝中的Cr重量百分比为0.05～0.2。

Cu：0.15～0.5，

一定量的Cu可以提高低合金钢的强度使C的含量进一步降低，改善焊接性能，少量的铜有抵抗大气腐蚀的能力，当铜含量为0.25％时，还可抑制氢脆的产生。另外焊丝表面镀铜起到防锈和导电的作用，在焊接过程中铜进入焊缝组织。本发明实芯焊丝中的Cu重量百分比为0.15～0.5。

P：≤0.015，S：≤0.015，S+P≤0.02，

P和S是有害元素，使焊接性能变坏，降低塑性，但是过低含量的控制会造成成本增加。本发明实芯焊丝中的P：≤0.015，S：≤0.015，S+P≤0.02

本发明具有如下有益效果：

1、稀土可以净化合金液、抑制和去除有害元素偏析，细化晶粒、改善夹杂，硼可以细化晶粒，一定程度上代替Mo、Cr、Ni的作用，改善晶粒形貌，净化杂质提高合金成分稳定性，硼和铌复合加入，增加了对奥氏体再结晶的阻力，有利于焊丝的制备控制，形成的化合物可以作为形核质点细化焊缝组织，控制RE/S≥2，在保证净化合金液、抑制和去除有害元素偏析等作用的基础上，可以形成稀土硫氧化物，能够改变硫化物夹杂的类型和形态，改善钢的强度、韧性及抗疲劳性能，因此可望通过三者的复合微合金化进一步改善接头组织和性能；

2、本发明控制Ni和Cr的重量百分之和≥0.2，主要是降低贵重金属的应用，降低成本；

3、本发明稀土元素为镧或铈或钇或其组合。采用多种稀土的复合作用，稀土以稀土硅铁形式加入(以纯稀土加入价格贵)，稀土硅铁价格便宜，可以降低成本；

4、本发明的实芯焊丝焊接后，焊缝成形美观，飞溅小，裂纹敏感性低，与Q460E钢板进行熔敷金属力学性能试验，熔敷金属抗拉强度均值为664MPa，屈服强度均值为567MPa，延伸率均值为23.8％，常温V型缺口冲击吸收功均值为228J，最低值为187J；-40℃冲击吸收功均值为120J，最低值为87J。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

采用10吨试验用电炉，选用低S、P、低As铁水，炼钢过程中通过加入含AL、Si、Ca成分的脱氧剂进行脱氧，通过真空处理以及炼钢保护避免空气进入钢水中，这样确保钢锭中As含量小于80ppm，O含量小于40ppm，N元素小于60ppm。再将钢锭轧制成焊接用钢盘条，经过拉拔、镀铜、绕线工序制成Φ1.2mm的焊丝。表1给出了冶炼6炉焊丝用盘条钢生产的焊丝的化学成分(按重量百分比)。

表1本发明实芯焊丝的组分(重量百分比)

采用上述Φ1.2mm焊丝，使用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护，用Q460E钢板进行熔敷金属力学性能试验，熔敷金属具体化学成分如表2所示，焊接规范为：焊接电流260～290A，焊接电压27～31V，焊接速度33±1.5cm/min，气体流量20L/s，焊接线能量控制在15kJ/cm～20kJ/cm，道间温度控制150±15℃。熔敷金属抗拉强度均值为664MPa，屈服强度均值为567MPa，延伸率均值为23.8％，常温V型缺口冲击吸收功均值为228J，最低值为187J；-40℃冲击吸收功均值为120J，最低值为87J，达到了设计要求，各焊丝具体的熔敷金属性能如表3所示。

表2熔敷金属的化学成分(重量百分比)

焊丝	C	Si	Mn	Cr	Ni	Nb	Cu	Re	B
										1	0.11	0.46	1.42	0.13	0.09	0.08	0.27	0.021	0.0017
2	0.10	1.59	1.37	0.08	0.13	0.13	0.17	0.028	0.0014
										3	0.087	0.51	1.59	0.145	0.1	0.11	0.18	0.023	0.0015
4	0.13	0.42	1.22	0.14	0.11	0.06	0.37	0.022	0.001
										5	0.076	0.63	1.34	0.15	0.08	0.18	0.16	0.023	0.002
6	0.134	0.72	1.52	0.195	0.06	0.06	0.30	0.037	0.001

表3熔敷金属的性能

采用上述1、5号Φ1.2mm焊丝，进行输电铁塔用低合金高强钢Q460E对接工艺评定，试板长450mm,宽150，厚20，开30度坡口，根部间隙0，两块拼成一副对接试板，采用富氩气体(80％Ar+20％CO₂)保护，不预热，打底、盖面电流200A，电压22伏，速度45厘米/分钟，填充电流280～320A，电压28伏，速度45厘米/分钟，15kJ/cm～20kJ/cm，层间温度小于180度。取带肩拉板、弯曲试样及冲击试验二组，接头强度分别为615MPa，613MPa及608MPa、608MPa，断裂在母材，焊缝-40℃冲击值均值分别为134J、150J，最低值为98J、84J；热影响区-40℃冲击值均值分别为220J、160J，最低值142J、157J,做D＝4a，180度弯曲试验，结果为完好，因而完全适合输电铁塔用钢板Q460E的焊接。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低合金高强钢的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝的组分按重量百分比计为C：0.06~0.12，Mn：1.35~2.0，Si：0.65~1.05，B：0.001~0.003，Nb：0.05~0.2，Ni：0.05~0.15，Cr：0.05~0.2，Cu：0.15~0.5，P：≤0.015，S：≤0.015，稀土元素：0.01~0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的实芯焊丝，其特征在于：所述实芯焊丝的组分按重量百分比计为C：0.08，Mn：2.0，Si：0.7，Re：0.03，B：0.002，Nb：0.15，Ni：0.1，Cr：0.15，Cu：0.25，P：0.005，S：0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的实芯焊丝，其特征在于：所述Ni和Cr的重量百分比之和≥0.2。

4.根据权利要求1或2所述的实芯焊丝，其特征在于：所述P和S的重量百分之比和≤0.02。

5.根据权利要求1或2所述的实芯焊丝，其特征在于：所述Re与S的重量百分比之比≥2。

6.根据权利要求1或2所述的实芯焊丝，其特征在于：所述稀土元素为镧或铈或钇或其组合。

7.权利要求1-6任意一项所述的低合金高强钢的实芯焊丝用于输电铁塔的制造。