CN106001990A

CN106001990A - 海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝及其制得的焊缝金属

Info

Publication number: CN106001990A
Application number: CN201610482729.6A
Authority: CN
Inventors: 万响亮; 胡丞杨; 王恒辉; 王红鸿; 李光强; 吴开明
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明公开了一种海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝及其制得的焊缝金属，所述埋弧焊丝的化学成分按质量百分数计为：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量为Fe及不可避免杂质。焊缝金属为所述高强韧埋弧焊丝在电流600～690A，电压25～35V，焊接速度5.3～6.8cm/s，焊接热输入量25～40kJ/cm条件下配以碱度1.5～2.5的烧结焊剂制得，焊缝金属同时具有高抗拉强度和冲击功，且还能够免除焊接前预热和层间温度控制等要求，提高了整体的焊接效率。

Description

海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝及其制得的焊缝金属

技术领域

本发明属于焊接材料的技术领域，具体指一种海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝及其制得的焊缝金属。

背景技术

随着结构大型化、安全等级严格化，以及自身结构减重的需要，高强度和超高强度级别钢种逐渐在建筑、桥梁、工程机械等领域得到了广泛应用，且大多应用于关键承重部位。高强度和超高强度级别钢种大多通过调质热处理工艺生产而成，由于其中加入的合金量较多，抗裂性能普遍不高。

目前，现有的埋弧焊缝金属具有抗拉强度≥780MPa或者-40℃冲击功≥60J的性能，但是无法同时达到两者的水平。此外，现有埋弧焊缝金属的生产过程中对预热温度、层间温度做了严格的规定，如预热温度≥100℃，层间温度控制在100～200℃之间。当层间温度过低易导致焊接冷裂纹，影响接头质量；当层间温度过高会导致焊缝强度下降或者冲击韧性下降，不符合力学性能要求，影响了焊接效率和焊接质量。在工程结构施工中，尤其是海洋平台的搭建中，很难满足上述苛刻条件，否则易造成焊接质量问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝及其制得的焊缝金属，通过本发明高强韧埋弧焊丝制得焊缝金属的抗拉强度780～1080MPa，且-40℃冲击功≥60J，-60℃冲击功在45J以上。

为实现上述目的，本发明所提供的一种海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝，该埋弧焊丝的化学成分按质量百分数计为：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量为Fe及不可避免杂质。

此外，本发明还提供一种利用上述高强韧埋弧焊丝制得的焊缝金属，将所述高强韧埋弧焊丝在电流600～690A，电压25～35V，焊接速度5.3～6.8cm/s，焊接热输入量25～40kJ/cm条件下配以碱度1.5～2.5的烧结焊剂制得。

在上述技术方案中，以质量百分比计该焊缝金属的化学成分组成为：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量为Fe及不可避免杂质。

在上述技术方案中，所述焊缝金属屈服强度650～800MPa，抗拉强度780～1080MPa，延伸率≥20％，-40℃冲击功在60J以上，-60℃冲击功在45J以上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一、由于母材中不含氢，设计的焊丝中不含有氢，在不进行预热的前提下也可以避免焊缝金属氢致裂纹的产生；另外通过使用Ni元素提高焊缝金属的抗裂性，从而省去预热工序并配以一定比例的Cr元素保持一定的Cr/Ni时，可降低热裂纹倾向；试用母材为海工钢，根据国标其碳当量小于0.4％，正常厚度范围内的钢种在碳当量低于0.45％时均可不需要预热。所以本发明可免除焊接前预热和层间温度控制等要求，提高了整体的焊接效率，尤其是对于海洋平台用钢的施工环境。

其二、本发明的埋弧焊丝主要采用低Si设计并含有微量Mn、Cr、Ni、Mo、Cu金属，确保了焊缝金属的强度和低温冲击韧性的稳定，在较宽的焊接工艺条件下能够使得焊缝金属的抗拉强度780～1080MPa，-40℃冲击功≥60J，-60℃冲击功≥45J。

其三、本发明的埋弧焊丝的生产工艺简单，生产工艺上采用转炉或电弧炉将铁水、废钢、铁水与废钢经炼钢后进行精炼和调整钢水成分，然后浇铸为方坯，再按常规工艺热轧成盘条和冷轧拔成焊丝。此外，采用Mn、Cr、Ni、Mo、Cu合金成分，化学成分简单、成本低廉。

附图说明

图1为实施例1的焊缝金属的透射电镜下放大20000倍的组织图。

图2为实施例1的焊缝金属的透射电镜下放大20000倍的组织图。

图3为实施例1的焊缝金属的扫描电镜下放大1000倍的断口组织图。

图4为实施例1的焊缝金属的扫描电镜下放大5000倍的断口组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明埋弧焊丝及焊缝金属中的元素添加理由详述如下：

C：作为钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，当其含量＜0.02％时，会显著降低强度，因此其含量应≥0.02％，此外高的C含量对低温冲击韧性和焊接性不利。本发明C含量控制为0.02～0.09％。

Si：一方面具有脱氧作用，另一方面还可以增加焊缝金属的强度；但过多加入会导致低温冲击韧性以及抗裂性能力降低，因此，本发明Si含量在0.30％以下。

Mn：提高钢板强度最有效的元素之一，较高的Mn含量会显著降低相转变温度从而促进贝氏体和马氏体的转变，以提高钢板强度；同时，Mn也是有效的扩大奥氏体区的元素，另一方面，与Ni共同作用有利于焊缝组织中得到部分未转变的残余奥氏体，从而提高焊缝金属的抗裂性、低温冲击韧性。但Mn含量不宜过高，否则易产生大尺寸的MnS夹杂，给焊丝用盘条的冶炼带来困难，同时也对盘条的性能带来危害，进而影响焊丝和焊缝金属的性能。因此，本发明Mn含量控制在0.8～2.0％。

P：会显著降低焊接性能，比如P的偏析会引发焊接裂纹、以及焊接热影响区的冲击韧性恶化。因此，本发明P只作为杂质元素，为保证钢板的综合力学性能，其含量控制为≤0.02％，优选地，P≤0.015％。

S：杂质元素，含量控制为≤0.008％。

Cr：可提高钢的强度和硬度而塑性降低不大。Cr具有很强的耐蚀、耐酸能力。Cr能提高在高温时的抗氧化能力和机械性能。Cr在合金钢中易产生碳化物，使合金钢导热变差，容易产生氧化铬，使焊接造成困难。当Cr/Ni含量一定时，可降低热裂纹倾向。其含量为0.30～0.60％

Ni：一方面提高焊缝金属的抗裂性，从而省去预热工序，另一方面提高焊缝金属的低温冲击韧性。当其含量≥2.0％时，焊缝金属的抗裂性能显著提高，从而免去预热工序。当其含量过高时，则会使得焊缝金属中未转变奥氏体含量显著升高，降低焊缝金属的强度。含量适当时，焊缝金属的低温冲击韧性优异。因此选取其含量为2.0～3.0％。

Mo：钼在合金钢中提高钢的强度、硬度，细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向、蠕变强度及持久强度，Mo的含量为0.30～0.50％时可提高塑性，减少裂纹的倾向，提高冲击韧性。

Cu：可改变焊丝物理特性，降低焊丝熔点，Cu的含量为0.05～0.12％时有利于焊接的实现，同时提高焊缝金属的耐候性。

本发明在电流600～690A，电压25～35V，焊接速度5.3～6.8cm/s，焊接热输入量25～40kJ/cm条件下进行焊接，同时采用碱度1.5～2.5的烧结焊剂得到的熔敷金属含氧量低，能够获得较高的冲击韧性，抗裂性好，且能够有效除硫降硅，还能避免随着碱度提高，焊道形状变得窄而高，容易产生咬边、夹渣等缺陷。

下面以具体的实例说明本发明及其具有的优点。

实施例1

选取直径4.0mm的埋弧实芯焊丝，其成分为(重量百分比)：0.07％的C，0.2％的Si，1.2％的Mn，0.015％P，0.003％的S，0.5％的Cr，2.8％的Ni，0.5％的Mo，0.1％的Cu，其余为Fe及杂质元素。

选取屈服强度为690MPa的高强度钢作为焊接试板。垂直钢板轧向切出尺寸为800×200×60mm的焊接试板。采用V型50°坡口，钝边4mm，间隙3mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流640～650A，电压30～32V，焊接速度5.8～6.0cm/s，焊接热输入量30～33kJ/cm。烧结焊剂选用为98％SJ101和2％SJ502。焊接前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线及超声波对焊接接头进行探伤，均未发现未熔合、裂纹等缺陷。通过ICP-AES检测焊缝金属成分，(以质量百分比计)组成为0.066C，0.2299Si，1.368Mn，0.0123P，0.0031S，0.4003Cr，2.444Ni，0.3446Mo，0.0716Cu，其余为Fe及杂质元素。

本实施例制得的焊缝金属的透射电镜下放大20000倍的组织图如图1和图2所示，扫描电镜下放大1000倍和5000倍的断口组织图分别如图3和图4所示。焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度694MPa，拉伸强度803MPa，延伸率20％，-40℃冲击功为133，95和67J，平均值为98.3J，-60℃冲击功为80，55和65J，平均值为66.7J。

实施例2

选取直径3.0mm的本发明埋弧实芯焊丝，其成分为(重量百分比)0.05％的C，0.15％的Si，0.8％的Mn，0.012％的P，0.003％的S，0.35％的Cr，2.2％的Ni，0.35％的Mo，0.07％的Cu，其余为Fe及杂质元素。

选取屈服强度为690MPa的高强度钢作为焊接试板。垂直钢板轧向切出尺寸为800×200×60mm的焊接试板。采用V型50°坡口，钝边4mm，间隙3mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流600～640A，电压25～31V，焊接速度5.3～5.9cm/s，焊接热输入量25～31kJ/cm。烧结焊剂选用为91％SJ101和9％SJ502。焊接前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线及超声波对焊接接头进行探伤，均未发现未熔合、裂纹等缺陷。通过ICP-AES检测焊缝金属成分，(以质量百分比计)组成为0.044C，0.1124Si，0.955Mn，0.0103P，<0.003S，0.3031Cr，2.0008Ni，0.3221Mo，0.0525Cu，其余为Fe及杂质元素。

本实施例制得焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度683MPa，拉伸强度796MPa，延伸率22.1％，-40℃冲击功为103，123和78J，平均值为101.3J，-60℃冲击功为53，58和90J，平均值为67J。

实施例3

选取直径5.0mm的本发明埋弧实芯焊丝，其成分为(重量百分比)0.085％的C，0.28％的Si，1.8％的Mn，0.013％的P，0.003％的S，0.55％的Cr，2.95％的Ni，0.48％的Mo，0.108％的Cu，其余为Fe及杂质元素。

选取屈服强度为690MPa的高强度钢作为焊接试板。垂直钢板轧向切出尺寸为800×200×60mm的焊接试板。采用V型50°坡口，钝边4mm，间隙3mm。单丝埋弧焊接参数如下：电流645～690A，电压31～35V，焊接速度5.9～6.8cm/s，焊接热输入量31～40kJ/cm。烧结焊剂选用为100％SJ101。焊接前无预热，不控制层间温度，焊后无热处理。焊后采用X射线及超声波对焊接接头进行探伤，均未发现未熔合、裂纹等缺陷。通过ICP-AES检测焊缝金属成分，(以质量百分比计)组成为0.079C，0.2814Si，1.965Mn，0.01152P，<0.003S，0.5501Cr，2.5335Ni，0.3326Mo，0.1154Cu，其余为Fe及杂质元素。

本实施例制得焊缝金属的力学性能测试结果表明：焊缝屈服强度705MPa，拉伸强度883MPa，延伸率21.5％，-40℃冲击功为96，115和86J，平均值为99J，-60℃冲击功为62，55和78J，平均值为65J。

Claims

1.一种海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝，其特征在于，该埋弧焊丝的化学成分按质量百分数计为：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述海洋平台用高强度钢的高强韧埋弧焊丝，其特征在于：所述P的质量百分数≤0.015％。

3.一种利用权利要求1所述高强韧埋弧焊丝制得的焊缝金属，其特征在于：将所述高强韧埋弧焊丝在电流600～690A，电压25～35V，焊接速度5.3～6.8cm/s，焊接热输入量25～40kJ/cm条件下配以碱度1.5～2.5的烧结焊剂制得。

4.根据权利要求3所述的焊缝金属，其特征在于，以质量百分比计该焊缝金属的化学成分组成为：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量为Fe及不可避免杂质。

5.根据权利要求4所述的焊缝金属，其特征在于：所述P的质量百分数≤0.015％。

6.根据权利要求3～5任一项所述的焊缝金属，其特征在于：所述焊缝金属屈服强度650～800MPa，抗拉强度780～1080MPa，延伸率≥20％，-40℃冲击功在60J以上，-60℃冲击功在45J以上。