CN105562957B - 超高强度超低氢电焊条及焊缝金属 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超高强度超低氢手工电焊条及焊缝金属，其焊缝金属成分为（质量百分比）：C 0.02‑0.06，Si 0.10‑0.40，Mn 1.10‑1.55，P≤0.020，S≤0.010，Ni 1.2‑2.5，Mo 0.25‑0.65，Nb 0.01‑0.08，Cu 0.65‑1.35，Zr 0.01‑0.10，Y 0.01‑0.10，O 0.025‑0.040，且Y/O 0.8‑3.6，余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊条及焊缝金属具有超低氢含量，扩散氢含量≤2ml/100g；且抗拉强度830MPa，‑40℃冲击韧性≥50J等特点，适用于工程机械、海工等领域高强度钢材的焊接。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别是涉及一种抗拉强度≥830MPa,扩散氢含量≤2ml/100g的超低氢手工焊用电焊条及焊缝金属。
背景技术
高强钢的采用一方面增加工程结构的承重力，同时也能够降低自重、节约材料，因而在工程机械、桥梁、建筑和海洋工程等领域中得到广泛应用。近来屈服强度690MPa、抗拉强度830MPa的高强钢在工程机械、海洋工程等领域得到了广泛应用，工程建设中自然离不开焊接材料的装配加工。
该类钢材的焊接材料，一方面需要同等强度甚至更高级别的焊接材料，以满足焊接接头的强度和韧性要求；同时还对焊接接头的焊缝金属的扩散氢含量提出了严格要求，以防止焊接冷裂纹的生成。焊缝金属冷裂纹敏感性随强度增加而增加，当其抗拉强度超过800MPa时，其形成冷裂纹的临界扩散氢含量将由600-700MPa时的8-15ml/100g降低到4-6ml/100g。显而易见，为防止焊接冷裂纹，确保焊接接头质量，应选择扩散氢含量小于临界含量的焊材。
因此，对于屈服强度690MPa级钢材，正确的焊条应该同时满足强度和超低氢含量两个技术要求。
现有技术中涉及屈服强度≥690MPa的焊条及熔敷金属报道不多。专利技术CN200610066049.2提供了一种抗拉强度1000MPa的手工电焊条熔敷金属，但7.1-12％含量Ni的添加，大幅增加了成本。专利技术201210547498.4提供了一种管线X100专用电焊条，虽然强度在690MPa以上，但是能否应用于海洋平台还是个未知数。而且，上述技术不能满足熔敷金属超低氢的要求。现有超低氢焊条仅限于抗拉强度650MPa以下，比如专利技术201010608238.4和200510017422.0。截至目前，屈服强度690MPa以上的焊条及熔敷金属未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供超低氢的手工电焊条，使用该焊条制得的焊缝金属的屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，-40℃≥80J，扩散氢含量≤2ml/100g。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
高强度超低氢电焊条及焊缝金属，焊条由焊芯和外表包覆药皮组成，所述焊芯为低合金钢，以重量百分比计，包括：C 0.02-0.08，Si 0.05-0.20，Mn 0.50-1.50，P≤0.020，S≤0.020，Ni 1.2-2.5，Nb 0.01-0.08，Cu 0.65-1.35；
所述药皮包括：15-40％大理石，8-12％萤石，5-9％锆铁，3-7％长石，1-5％氟铝酸钾，1.0-3.0％锰铁，1.0-3.0％镍铁，1.0-2.5％钼铁，1.0-5.0％钇萤石，26-45％铁粉，余下为粘结剂；
采用该焊条用于结构钢焊接，得到焊接接头，其焊缝金属含有：C 0.02-0.06，Si0.10-0.40，Mn 1.10-1.55，P≤0.020，S≤0.010，Ni 1.2-2.5，Mo 0.25-0.65，Nb 0.01-0.08，Cu 0.65-1.35，Zr 0.01-0.10，Y 0.01-0.10，O 0.025-0.040，余量为铁及不可避免的杂质，且Y/O 0.8-3.6。
焊条中大理石的作用是造渣和造气，电离后的CaO可以稳弧，也能脱硫。含量过低会造成渣量少，对焊缝的保护不够，影响焊接过程；反之，含量过高会造成药皮和渣量过大、电弧稳定性下降，不利于成型。本发明中优选含量在25-40％。
萤石和氟铝酸钾是本发明中焊条药皮的重要成分组合之一。两者在电弧作用下，会分离出氟离子，与焊缝金属中的氢离子结合形成氟化氢，从而被熔池中的冶金反应排出焊缝金属；同时上述过程也不会对电弧稳定性产生影响。
钇萤石和锆铁粉是本发明中焊条药皮的另一个成分组合。锆是强氧化物形成元素，在理化性能上与钛接近，但得益于其比重大的特点，锆元素在焊接冶金熔池中的脱氧反应中形成的氧化物粒子更容易均匀分布。钇元素作为稀土元素中的一种，理化性能与常用的澜、铈相近，也容易在焊接熔池中与氧反应生成致密分布的氧化物粒子。
研究表明，锆和钇的氧化物粒子均可以在焊缝金属冷却相转变过程中，充当异质形核质点，可有效促进晶内针状铁素体的生成。氧化物粒子的尺寸、分布和体积含量均对相转变有影响，呈致密分布的小尺寸氧化物粒子对针状铁素体的形核促进效果最佳。试验数据表明：当焊缝金属中的Zr 0.01-0.10，Y 0.01-0.10，O 0.025-0.040，且Y/O 0.8-3.6之间时，焊缝金属可得到15-30％的针状铁素体。
焊条药皮中的锰、镍和钼铁粉的添加主要是用于合金化、提高焊缝金属强度。
焊条中焊芯采用低合金钢材料，即在普通碳素钢基础上添加一部分的Ni和Cu，后者不方便在药皮材料中添加。
焊缝金属中各元素的含量和配比决定了焊缝金属的最终性能。
C是不可或缺元素，对于高强焊缝，为降低焊接冷裂纹敏感性，其含量应≤0.08。因此，优选其含量为0.02-0.06。
Si是焊缝中的脱氧元素，当其含量高时不利于低温韧性。因此，优选其含量为0.10-0.40。
Mn能够提高焊缝的强度及淬透性，有利于细化焊缝组织；同时该元素是奥氏体区扩大元素，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1.10-1.55。
Ni是本发明中最重要的元素之一，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。
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。考虑到强度和韧性要求，添加0.25-0.65％较为合适，一方面可确保焊缝形成马氏体组织所需要的淬透性，另一方面也为氧化物促进形核生成的针状铁素体创造空间，从而形成双相结构。
Cu本发明中最重要的元素之一，利用其析出强化可以同时提高强度和低温韧性，但过量添加会增加焊缝金属的热脆性。因此，优选其含量0.65-1.35。
Nb微量添加用于促进Cu的析出强化。数据表明：0.05％的添加可将析出相的尺寸降低10％，体积密度增加30-50％，进而可将焊缝金属的强度提高30-50MPa。
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0.01-0.10。
Y元素属于稀土元素，在焊缝中形成的氧化物，一方面可促进针状铁素体形成，另一方面也会净化焊缝金属，提高综合性能。优选其含量为0.01-0.10。
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。
本发明中焊缝金属的Ni-Mo-Cu-Nb合金设计确保了强度和低温韧性，大量存在的致密分布的锆和钇氧化物粒子，则为焊缝中针状铁素体的生成提供了条件，两者配合将得到针状铁素体和低碳马氏体的双相结构焊缝金属。
与现有技术相比，本发明焊条及焊缝金属的有益效果至少在于：
1.采用含有钇萤石药皮的焊条，大幅度降低了焊缝金属中的扩散氢含量，可将其从普通水平5-15ml/100g降低到2ml/100g以下；
2.焊缝金属的Ni-Mo-Cu-Nb合金设计，利用了Cu和Nb的复合析出强化，使得焊缝金属的屈服强度≥690MPa,抗拉强度≥830MPa；
3.采用锆和钇调控焊缝金属中的氧化物粒子，使得尺寸在0.2μm以上的氧化物粒子的面积个数≥1.2×103/mm2，从而在焊缝金属中形成针状铁素体和低碳马氏体的双相组织。
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：
采用直径4.0mm的焊芯，其化学成分为：C 0.03，Si 0.22，Mn 0.85，P0.008，S0.005，Ni 1.4，Nb 0.06，Cu 0.75；选用药皮成分包括：28％大理石，9％萤石，6％锆铁，5％长石，3％氟铝酸钾，1.8％锰铁，2.1％镍铁，1.5％钼铁，1.6％钇萤石，38％铁粉，余下为粘结剂。
将药皮用粉末搅拌混合均匀后，加入钠钾水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包裹于焊芯上，再经120℃低温烘焙2小时，360℃高温烘焙1小时，即制得长400mm,外径6.2mm的焊条。
焊接试验母材为30mm厚的海工钢板EQ70，其屈服强度712MPa,抗拉强度865MPa，-40℃冲击功为204J。坡口为双V型，角度为45°，采用立向上焊，焊接热输入量为9kJ/cm，多道多层焊。
经检验，焊缝金属成分见表1，力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
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25％。
夹杂物统计结果表明：焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数为1.4×103/mm2。
实施例2：
采用直径4.0mm的焊芯，其化学成分为：C 0.05，Si 0.16，Mn 0.96，P 0.009，S0.004，Ni 1.6，Nb 0.04，Cu 0.84；选用药皮成分包括：31％大理石，10％萤石，7％锆铁，6％长石，4％氟铝酸钾，2.2％锰铁，1.6％镍铁，1.2％钼铁，2.2％钇萤石，42％铁粉，余下为粘结剂。
将药皮用粉末搅拌混合均匀后，加入钠钾水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包裹于焊芯上，再经130℃低温烘焙2小时，380℃高温烘焙1小时，即制得长400mm,外径6.2mm的焊条。
焊接试验母材为60mm厚的海工钢板EH690，其屈服强度722MPa,抗拉强度883MPa，-40℃冲击功为164J。坡口为双V型，角度为45°，采用立向上焊，焊接热输入量为9kJ/cm，多道多层焊。
经检验，焊缝金属成分见表1，力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
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23％。
夹杂物统计结果表明：焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数为1.52×103/mm2。
实施例3：
采用直径4.0mm的焊芯，其化学成分为：C 0.06，Si 0.22，Mn 0.62，P 0.008，S0.005，Ni 1.8，Nb 0.08，Cu 0.93；选用药皮成分包括：33％大理石，11％萤石，6％锆铁，5％长石，3％氟铝酸钾，2.5％锰铁，1.9％镍铁，2.3％钼铁，4.2％钇萤石，36％铁粉，余下为粘结剂。
将药皮用粉末搅拌混合均匀后，加入钠钾水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包裹于焊芯上，再经120℃低温烘焙2小时，380℃高温烘焙1小时，即制得长400mm,外径6.2mm的焊条。
焊接试验母材为14.3mm厚的管线钢X100，其屈服强度718MPa,抗拉强度868MPa，-40℃冲击功为258J。坡口为双V型，角度为45°，采用平焊，焊接热输入量为7kJ/cm，多道多层焊。
经检验，焊缝金属成分见表1，力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
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18％。
夹杂物统计结果表明：焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数为1.63×103/mm2。
实施例4：
采用直径4.0mm的焊芯，其化学成分为：C 0.07，Si 0.19，Mn 0.84，P 0.009，S0.007，Ni 2.1，Nb 0.06，Cu 0.68；选用药皮成分包括：31％大理石，9％萤石，5％锆铁，4％长石，4％氟铝酸钾，1.8％锰铁，1.3％镍铁，2.2％钼铁，3.8％钇萤石，38％铁粉，余下为粘结剂。
将药皮用粉末搅拌混合均匀后，加入钠钾水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包裹于焊芯上，再经120℃低温烘焙2小时，380℃高温烘焙1小时，即制得长400mm,外径6.2mm的焊条。
焊接试验母材为12.9mm厚的管线钢X100，其屈服强度726MPa,抗拉强度876MPa，-40℃冲击功为232J。坡口为双V型，角度为40°，采用平焊，焊接热输入量为6kJ/cm，多道多层焊。
经检验，焊缝金属成分见表1，力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
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25％。
夹杂物统计结果表明：焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数为1.56×103/mm2。
实施例5：
采用直径4.0mm的焊芯，其化学成分为：C 0.03，Si 0.14，Mn 0.63，P 0.008，S0.006，Ni 1.6，Nb 0.03，Cu 0.64；选用药皮成分包括：34％大理石，8％萤石，8％锆铁，3％长石，5％氟铝酸钾，2.3％锰铁，2.4％镍铁，1.8％钼铁，4.6％钇萤石，34％铁粉，余下为粘结剂。
将药皮用粉末搅拌混合均匀后，加入钠钾水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包裹于焊芯上，再经120℃低温烘焙2小时，380℃高温烘焙1小时，即制得长400mm,外径6.2mm的焊条。
焊接试验母材为12.9mm厚的管线钢X100，其屈服强度708MPa,抗拉强度841MPa，-40℃冲击功为165J。坡口为双V型，角度为35°，采用平焊，焊接热输入量为6kJ/cm，多道多层焊。
经检验，焊缝金属成分见表1，力学性能见表2，扩散氢含量见表3。
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28％。
夹杂物统计结果表明：焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数为1.74×103/mm2。
通过上述实施例可知，采用本发明技术可得到超低氢含量的超高强度焊条焊缝金属，扩散氢含量≤2ml/100g，焊缝金属抗拉强度≥830MPa，-40℃冲击吸收功≥50J，适用于海工钢EQ70，管线X100等超高强度钢材焊接。
表1实施例焊缝金属化学成分(wt.％)
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Mo | Nb | Cu | Zr | Y | O | Y/O | |
| 实施例1 | 0.04 | 0.12 | 1.32 | 0.007 | 0.004 | 1.40 | 0.60 | 0.06 | 0.85 | 0.04 | 0.04 | 0.032 | 1.3 |
| 实施例2 | 0.03 | 0.26 | 1.38 | 0.009 | 0.005 | 1.65 | 0.54 | 0.03 | 0.80 | 0.06 | 0.07 | 0.035 | 2.0 |
| 实施例3 | 0.05 | 0.24 | 1.46 | 0.008 | 0.003 | 1.82 | 0.48 | 0.04 | 0.76 | 0.03 | 0.05 | 0.036 | 1.4 |
| 实施例4 | 0.06 | 0.18 | 1.26 | 0.006 | 0.005 | 1.72 | 0.38 | 0.04 | 0.78 | 0.07 | 0.06 | 0.028 | 2.2 |
| 实施例5 | 0.04 | 0.16 | 1.22 | 0.007 | 0.006 | 1.68 | 0.44 | 0.03 | 0.74 | 0.05 | 0.03 | 0.030 | 1.0 |
表2实施例焊缝金属力学性能
| 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | 延伸率，％ | -40℃冲击功，J | |
| 实施例1 | 728 | 886 | 14 | 86 |
| 实施例2 | 735 | 895 | 14 | 81 |
| 实施例3 | 748 | 906 | 15 | 80 |
| 实施例4 | 712 | 848 | 16 | 88 |
| 实施例5 | 708 | 842 | 16 | 96 |
表3实施例焊缝金属扩散氢含量
Claims (5)
1.一种超高强度超低氢电焊条，焊条由药皮和铁芯构成，其特征在于，以重量百分比计，药皮包括：15-40％大理石，8-12％萤石，5-9％锆铁，3-7％长石，1-5％氟铝酸钾，1.0-3.0％锰铁，1.0-3.0％镍铁，1.0-2.5％钼铁，1.0-5.0％钇萤石，26-45％铁粉，余下为粘结剂；铁芯为低合金钢其含有：C 0.02-0.10，Si 0.05-0.35，Mn 0.50-1.50，P≤0.020，S≤0.020，Ni 1.2-2.5，Nb 0.01-0.10，Cu 0.65-1.35；
采用该焊条用于结构钢焊接，得到焊接接头，其焊缝金属含有：C 0.02-0.06，Si 0.10-0.40，Mn 1.10-1.55，P≤0.020，S≤0.010，Ni 1.2-2.5，Mo 0.25-0.65，Nb 0.01-0.08，Cu0.65-1.35，Zr 0.01-0.10，Y 0.01-0.10，O 0.025-0.040，余量为铁及不可避免的杂质，且Y/O 0.8-3.6。
2.根据权利要求1所述的超高强度超低氢电焊条，其特征在于：由该焊条得到的焊缝金属的扩散氢含量≤2ml/100g。
3.根据权利要求1所述的超高强度超低氢电焊条，其特征在于：由该焊条得到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百分含量在15-35％之间。
4.根据权利要求1所述的超高强度超低氢电焊条，其特征在于：由该焊条得到的焊缝金属中尺寸在0.2μm以上的氧化物夹杂物的单位面积个数≥1.2×103/mm2。
5.根据权利要求1所述的超 高强度超低氢电焊条，其特征在于：由该焊条得到的焊缝金属屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥830MPa，-40℃冲击功≥50J。
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