CN105880871A - 一种气保护高韧性实心焊丝及其使用方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气保护高韧性实心焊丝，由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.10～0.12％，Si：0.40～0.50％，Mn：0.60～0.70％，S≤0.010％，P≤0.015％，Cr：1.2～1.5％，Mo：0.50～0.6％，Ni≤0.02％，Cu≤0.03％，Al：0.030～0.080％，Sb≤0.0040％，Sn≤0.0050％，As≤0.0050％，余量为Fe。本发明采用低S、P、Sb、Sn、As含量的焊丝获得低杂质含量的焊缝金属，调整Si、Mn的含量及其比例不仅起到了良好的脱氧效果，而且有利于焊缝组织均匀；通过添加Al元素起到强脱氧的效果，同时又能细化晶粒，显著改善焊缝金属的低温冲击韧性；该气保护高韧性实心焊丝焊接工艺性能优良，焊接电弧稳定、焊接烟尘和飞溅小、焊缝成形美观。

Description

一种气保护高韧性实心焊丝及其使用方法和应用
技术领域
本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种气保护高韧性实心焊丝及其使用方法和应用。
背景技术
1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢在火力发电、石油化工以及原子能等行业应用广泛，如石油精炼的脱硫反应器、裂解加氢反应器、热交换器等压力容器中通常都会使用Cr-Mo耐热钢。Cr-Mo耐热钢制造的设备在高温下长时间运行后，会发生回火脆化而导致材料韧性下降，这要求设备制造所使用的母材、焊缝金属等都具有更加充足的韧性余量。此外，国际上对于安装及运行在寒冷地带的压力容器等设备甚至提出了-30℃苛刻条件下的低温韧性要求，市场上普通的Cr-Mo耐热钢焊接材料已无法满足上述使用要求。
因此，为了提高Cr-Mo耐热钢材料的韧性特别是低温韧性，改善Cr-Mo钢焊接材料的回火脆化问题，需要降低S、P、Sb、As等杂质元素。但是，上述苛刻的低温韧性要求仅靠控制杂质元素含量还远远不够，必须采取与低温用焊接材料相同的技术手段，细化焊缝金属微观组织才能进一步改善其冲击韧性。
目前，有关耐热钢实心焊丝的专利如下：
(1)高强耐热钢气体保护实芯焊丝(CN103056548A)，此专利公开的实芯焊丝适用于13MnNiMoA、DG50、15MnMoV等Cr-Ni-Mo高强度钢的焊接，采用添加Ti元素的方法细化焊缝晶粒，改善焊缝金属的冲击韧性，加上焊丝中含有一定的Ni元素，对焊缝金属的韧性有利，所得熔敷金属室温冲击韧性大于60J。虽然此焊丝具有较高的强度以及室温冲击韧性，但已无法满足具有-30℃低温韧性要求的苛刻条件下使用；另外，国家标准对1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢焊接材料中Ni元素的含量有严格规定(Ni≤0.30％)，因而此专利公开的实芯焊丝已不适合用于1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢的焊接。
(2)含有铬钼钒合金的耐磨堆焊实芯焊丝(CN102000926A)，此专利公开了一种含有铬钼钒合金的堆焊实芯焊丝，其Cr含量高达14～16％，为高合金焊丝，而且此实芯焊丝旨在获得较高的表面硬度和耐磨性能，与具有冲击韧性要求的焊接用实心焊丝大相径庭。
(3)耐热钢气体保护焊丝(CN101362262A)，此专利公开的耐热钢气体保护焊丝适用于80％Ar+20％CO2混合气体保护焊以及12Cr1MoV等550MPa级铬钼耐热钢的焊接；然而此混合气体含有大量的CO2气体，保护气的氧化性强，易导致焊缝金属含氧量高，最终增加焊缝金属中生成CO气孔和降低焊缝金属冲击韧性的倾向，因而该气体保护焊丝并不适用于关键承力部位或对冲击韧性要求高的条件。
综上所述，目前公开的耐热钢实心焊丝大部分只涉及室温冲击韧性，或通过控制S、P等杂质元素改善焊缝金属冲击韧性，或添加Ni等奥氏体化元素焊缝金属提高塑性和韧性，未涉及到低温冲击韧性，亦不能兼顾化学成分与力学性能、特别是低温冲击韧性；因此，这些焊接材料已不能满足苛刻条件下如要求低温冲击韧性时的使用要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有耐热钢气体保护焊实心焊丝低温冲击韧性差的问题。
为此，本发明提供了一种气保护高韧性实心焊丝，由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.10～0.12％，Si：0.40～0.50％，Mn：0.60～0.70％，S≤0.010％，P≤0.015％，Cr：1.2～1.5％，Mo：0.5～0.6％，Ni≤0.02％，Cu≤0.03％，Al：0.030～0.080％，Sb≤0.0040％，Sn≤0.0050％，As≤0.0050％，余量为Fe。
进一步地，上述实心焊丝焊缝金属中Si+Mn≤1.20％，且Mn:Si＞2:1。
优选实施方式，该气保护高韧性实心焊丝由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.11％，Si：0.50％，Mn：0.70％，S：0.010％，P：0.015％，Cr：1.3％，Mo：0.6％，Ni：0.02％，Cu：0.03％，Al：0.030％，Sb：0.0040％，Sn：0.0030％，As：0.0050％，余量为Fe。
优选实施方式，该气保护高韧性实心焊丝由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.12％，Si：0.40％，Mn：0.60％，S：0.008％，P：0.011％，Cr：1.5％，Mo：0.5％，Ni：0.018％，Cu：0.025％，Al：0.080％，Sb：0.002％，Sn：0.0050％，As：0.0025％，余量为Fe。
优选实施方式，该气保护高韧性实心焊丝由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.10％，Si：0.45％，Mn：0.68％，S：0.007％，P：0.012％，Cr：1.2％，Mo：0.53％，Ni：0.015％，Cu：0.017％，Al：0.060％，Sb：0.0035％，Sn：0.0045％，As：0.004％，余量为Fe。
本发明还提供了上述气保护高韧性实心焊丝的使用方法，采用98％Ar+2％O2活性气体保护焊方法进行焊接；采用98％Ar+2％O2活性气体进行保护既可以提高焊接效率，又可以避免焊缝增碳，可获得优质的焊接接头。
本发明提供的这种气保护高韧性实心焊丝用于1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢的气体保护焊接。
本发明气保护高韧性实心焊丝的化学成分设计原理如下：
C元素增加金属强度、硬度，提高淬火性，为低合金耐热钢提高强度所必须的元素；此外，C元素与Mn、Ni、Cu、Co等元素能稳定奥氏体组织，降低Ac1点，属于一种奥氏体化元素；因此，在1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢中C元素的含量通常在0.05％以上，当C元素含量太高时，则显著增加金属的强度，降低其塑性与韧性，本发明中将焊丝中C元素的含量控制在0.10％～0.12％范围内。
焊丝中的Si主要起脱氧作用，过渡到焊缝金属中的Si元素为铁素体化元素，因此在低合金耐热钢中不超过0.5％，增加Si含量可以改善熔化金属的流动性，对利于焊缝成形平滑美观，而增加Si元素的含量则会导致焊缝金属性形成粗大的铁素体晶粒和板条状针状铁素体，这不利于阻止裂纹传播，冲击韧性较低，因此，本发明中控制Si元素的含量在0.40～0.50％范围内。
Mn作为脱氧剂和合金剂，具有脱硫作用；Mn为奥氏体化元素，可提高铁素体与奥氏体的硬度与强度，使塑性略有降低；当Mn含量较高时，会使晶粒粗化并增加低合金钢的回火脆性，低合金耐热钢中Mn与Si的含量及其比例对力学性能至关重要，本发明中控制Mn含量为0.60～0.70％。而调整Si、Mn的含量及其比例不仅起到了良好的脱氧效果，而且有利于焊缝组织均匀，优选的，该实心焊丝熔敷金属中Si+Mn总含量控制在1.20％以下，Mn/Si大于2.0。
S和P两种元素为低合金耐热钢中的杂质元素，S通常以化合物形式存在于金属中，如FeS与Fe形成共晶的温度为985℃，增加材料的热裂倾向；P通常以固溶形式存在于钢中，显著增加钢材的脆性和裂纹敏感性；本发明中S≤0.010％，P≤0.015％。
Cr为合金元素，随着Cr含量的增加，低合金耐热钢的高温性能提升，但Cr含量太高导致回火脆性，一般按照国家标准控制Cr元素的含量，本发明中控制Cr含量在1.20～1.50％范围内。
Mo为合金元素，热强性元素，可显著提高Cr-Mo低合金耐热钢的高温性能；此外，Mo元素为碳化物形成元素，可提高钢的强度；Mo与Cr、Mn等配合使用时，可改善钢的回火脆性，Mo的过渡系数大于90％，一般不过量添加，本发明中Mo含量控制在0.5～0.6％范围内。
Ni为奥氏体化元素，添加适当的Ni元素可以显著改善钢的韧性，特别是低温冲击韧性；但是，Ni可以稳定奥氏体组织，降低钢的Ac1点，Ni易于S形成低熔点的化合物，对于要求焊后热处理的低合金耐热钢来说要控制Ni元素的添加量，一般国标要求其含量小于0.30％，本发明控制Ni≤0.20％。
Cu可增加钢抵抗大气腐蚀以及海水腐蚀的能力，在低合金耐热钢中一般为杂质元素，本发明控制Cu≤0.03％。
Al作为强脱氧剂，具有固氮作用，少量的Al化合物可细化晶粒、提高韧性，特别是低温冲击韧性；另外，Al元素还可以调节焊接熔滴的表面张力，改善焊缝成形；但Al元素过量添加时，铝的化合物作为第二相粒子则会对冲击韧性不利，因此，本发明中控制Al含量在0.030～0.080％之间。
Sb、Sn及As等元素为低合金耐热钢中的杂质元素，这些杂质元素在钢中引起偏析，或高温下迁移聚集导致高温回火脆性，因此应严格控制这些有害元素的含量。GB/T 8110《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》中对Sb、Sn、As等杂质元素含量未作明确规定，本发明的焊丝中Sb、Sn、As等杂质元素含量均控制在0.005％以下。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种气保护高韧性实心焊丝的熔敷金属的力学性能为：屈服强度490～530MPa、抗拉强度590～610MPa、伸长率：25～28％，-30℃低温冲击功大于110J。
(2)本发明提供的这种气保护高韧性实心焊丝采用低S、P、Sb、Sn、As含量的焊丝获得低杂质含量的焊缝金属；调整Si、Mn的含量及其比例不仅起到了良好的脱氧效果，而且有利于焊缝组织均匀；通过添加0.030～0.080％的Al元素起到强脱氧的效果，同时又能细化晶粒，显著改善焊缝金属的韧性，特别是低温冲击韧性。
附图说明
图1是实施例1中气保护高韧性实心焊丝低温冲击试样断口电子扫描显微镜图。
图2是实施例2中气保护高韧性实心焊丝低温冲击试样断口电子扫描显微镜图。
图3是实施例3中气保护高韧性实心焊丝低温冲击试样断口电子扫描显微镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明对完成化学成分设计的焊丝进行钢锭冶炼、轧制盘条、退火热处理、拉拔、中间退火、精拉、镀铜等工序最终获得成品气保护高韧性实心焊丝。实施例中气保护高韧性实心焊丝的化学成分如表1所示。
表1：气保护高韧性实心焊丝的化学成分(wt.％)
成分 C Si Mn S P Cr Ni
国标 0.07-0.12 0.4-0.7 0.4-0.7 0.025 0.025 1.2-1.5 0.20
实施例1 0.11 0.50 0.70 0.010 0.015 1.30 0.020
实施例2 0.12 0.40 0.60 0.008 0.011 1.50 0.018
实施例3 0.10 0.45 0.68 0.007 0.012 1.20 0.015
成分 Mo Cu Al Sb Sn As Fe
国标 0.4-0.65 0.35 - - - - -
实施例1 0.60 0.030 0.03 0.004 0.003 0.005 余量
实施例2 0.50 0.025 0.080 0.002 0.005 0.0025 余量
实施例3 0.53 0.017 0.06 0.0035 0.0045 0.004 余量
将上述实施例1～3中的气保护高韧性实心焊丝经98％Ar+2％O2活性气体保护焊方法进行焊接，焊接试板按照国家标准规定进行620℃/1h退火处理，对热处理后焊缝金属的化学成分与力学性能进行测试，其熔敷金属化学成分如表2及表3所示。
表2：实施例熔敷金属化学成分(wt.％)
表3：实施例熔敷金属力学性能
由表2可以看出，本发明的这种气保护高韧性实心焊丝的熔敷金属化学成分完全符合相关国家标准的规定。由表3可以看出，本发明的气保护高韧性实心焊丝的熔敷金属的力学性能完全符合相关国家标准的规定，其屈服强度490～530MPa、抗拉强度590～610MPa、伸长率：25～28％，而且其熔敷金属低温冲击韧性优异，在-30℃低温冲击功稳定在110J以上。
对实施例1～3的气保护高韧性实心焊丝进行低温冲击测试。测试结果显示，冲击测试后实施例1～3的冲击试样未完全断裂为两部分，试样根部位置仍然连接在一起，表明采用本发明气保护高韧性实心焊丝的焊缝金属材料具有优异的低温冲击韧性。
另外，分别对实施例1～3中低温冲击试验后的冲击试样断口通过电子扫描显微镜进行观察，其结果分别如图1、图2和图3所示。由图1、图2和图3可以看出，经低温冲击试验后的冲击试样断口中存在大量的韧窝和塑性变形痕迹，这表明本发明的气保护高韧性实心焊丝焊缝金属具有优良的低温冲击韧性。
本发明提供的这种气保护高韧性实心焊丝的焊缝金属化学成分和力学性能符合GB/T 8110《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》中ER55-B2的规定，满足石油化工、压力容器、原子能等行业对1～1.25％Cr-0.5％Mo珠光体耐热钢的高标准焊接要求。
综上所述，本发明提供的这种气保护高韧性实心焊丝采用低S、P、Sb、Sn、As含量的焊丝获得低杂质含量的焊缝金属，调整Si、Mn的含量及其比例不仅起到了良好的脱氧效果，而且有利于焊缝组织均匀；通过添加Al元素起到强脱氧的效果，同时又能细化晶粒，显著改善焊缝金属的低温冲击韧性；该实心焊丝焊接工艺性能优良，焊接电弧稳定、焊接烟尘和飞溅小、焊缝成形美观。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气保护高韧性实心焊丝，其特征在于：由按质量百分比计的如下化学成分组成C：0.10～0.12％，Si：0.40～0.50％，Mn：0.60～0.70％，S≤0.010％，P≤0.015％，Cr：1.2～1.5％，Mo：0.5～0.6％，Ni≤0.02％，Cu≤0.03％，Al：0.030～0.080％，Sb≤0.0040％，Sn≤0.0050％，As≤0.0050％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的气保护高韧性实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝熔敷金属中Si+Mn≤1.20％，且Mn:Si＞2:1。
3.如权利要求2所述的气保护高韧性实心焊丝，其特征在于：由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.11％，Si：0.50％，Mn：0.70％，S：0.010％，P：0.015％，Cr：1.3％，Mo：0.6％，Ni：0.02％，Cu：0.03％，Al：0.030％，Sb：0.0040％，Sn：0.0030％，As：0.0050％，余量为Fe。
4.如权利要求2所述的气保护高韧性实心焊丝，其特征在于：由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.12％，Si：0.40％，Mn：0.60％，S：0.008％，P：0.011％，Cr：1.5％，Mo：0.5％，Ni：0.018％，Cu：0.025％，Al：0.080％，Sb：0.002％，Sn：0.0050％，As：0.0025％，余量为Fe。
5.如权利要求2所述的气保护高韧性实心焊丝，其特征在于：由按质量百分比计的如下化学成分组成：C：0.10％，Si：0.45％，Mn：0.68％，S：0.007％，P：0.012％，Cr：1.2％，Mo：0.53％，Ni：0.015％，Cu：0.017％，Al：0.060％，Sb：0.0035％，Sn：0.0045％，As：0.004％，余量为Fe。
6.如权利要求1～5任一项所述的气保护高韧性实心焊丝的使用方法，其特征在于：采用98％Ar+2％O2活性气体保护焊方法进行焊接。
7.如权利要求1～5任一项所述的气保护高韧性实心焊丝的应用，其特征在于：用于1～1.25％Cr-0.5％Mo低合金耐热钢的气体保护焊接。
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