CN106141500B

CN106141500B - 一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝

Info

Publication number: CN106141500B
Application number: CN201610653022.7A
Authority: CN
Inventors: 孔红雨; 亢天佑; 聂建航; 王青云
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: CN106141500A

Abstract

本发明公开一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，由外皮和药芯粉组成，外皮采用低碳钢带制成，所述药芯粉按照质量百分比由以下原料组成：大理石8‑12%、萤石4‑8%、金属镍25‑30%、金属铬2‑4%、钼铁7‑9%、电解锰12‑16%、硅铁1‑3%、钛铁3‑5%、硼铁2‑4%、钛酸钾2‑3%、氟化钾1‑3%、氟化钠1‑3%，余量为铁粉。本发明提供的屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝抗吸潮性极强，与氟碱型烧结焊剂SR‑SJ613配合工艺性能优良，扩散氢极低（≤4mL/100g），‑40℃夏比冲击功达到100J以上，可以应用于海洋工程领域屈服强度690MPa级钢板的焊接。

Description

一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝。

背景技术

随着陆上油气资源的迅速锐减，海洋油气资源逐步从近海到远洋和深海拓展。与此同时，用于油气开采的海洋工程装备也逐步向大型化、高参数化、轻量化方向发展。屈服强度为690MPa级的钢板由于具有较高的强度和良好的低温韧性，在海洋工程装备领域得到了广泛应用。海洋工程装备的服役环境一般比较恶劣，因此对相应的屈服强度690MPa级的钢板配套的焊材要求较高。不仅要求这些焊接材料具有与母材相匹配的强度、优良的低温韧性，还要求具有良好的抗冷裂纹敏感性。冷裂纹一般为延迟裂纹，因此危害较大。屈服强度690MPa级的焊接材料冷裂纹的敏感性一般较大，主要是因为以下三个方面的因素：（1）合金元素Ni、Cr、Mo等含量较高，淬硬倾向大；（2）海工程结构钢板厚度较厚，焊接拘束应力大；（3）海洋工程装备建造环境一般比较潮湿，容易在接头形成较高的扩散氢含量。前两个因素工程上很难进行控制，只能从降低扩散氢方面着手，减小焊接接头冷裂纹的敏感性。焊接接头的扩散氢主要来源于焊接材料，因此必须加强对焊接材料扩散氢的控制。

烧结焊接由于制备方便、工艺性好、综合成本低，广泛应用海洋工程装备制造中低合金高强钢的埋弧自动焊焊接，但烧结焊剂由于其特殊的结构特点，极易吸潮，大大增加了焊接接头冷裂纹的敏感性。目前，国内低合高强钢所用埋弧焊丝主要为实心焊丝，也有少部分用有缝药芯焊丝。实心焊丝由于其结构，决定了其不能通过在焊丝中添加去氢的物质（如氟化物、碳酸盐以及高价氧化物等）来降低焊缝金属的扩散氢。有缝药芯焊丝虽然可通过在药芯中添加去氢的物质来降低扩散氢，但其易吸潮，最终很难降低焊缝金属的扩散氢。而无缝埋弧药芯焊丝可以在药芯中加入去氢的物质，来降低扩散氢，且不吸潮，因此具有较低的扩散氢。另外无缝埋弧药芯焊丝与实心焊丝相比工艺性较好、成分调整方便、力学性能相当、成本相对较低，因此受到了极大的关注。目前还没有与可用于屈服强度690MPa级的钢焊接的无缝埋弧药芯焊丝相关的专利和文献。

发明内容

本发明的目的是提供一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，该药芯焊丝抗吸潮性极强，与氟碱型烧结焊剂SR-SJ613配合工艺性能优良，扩散氢极低（≤4mL/100g），-40℃夏比冲击功达到100J以上，可以应用于海洋工程领域屈服强度690MPa级钢板的焊接。

本发明所采用的技术方案是：一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，由外皮和药芯粉组成，外皮采用低碳钢带制成，所述药芯粉按照质量百分比由以下原料组成：大理石8-12%、萤石4-8%、金属镍25-30%、金属铬2-4%、钼铁 7-9%、电解锰12-16%、硅铁1-3%、钛铁3-5%、硼铁2-4%、钛酸钾2-3%、氟化钾1-3%、氟化钠1-3%，余量为铁粉。

作为本发明一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝的进一步优化，所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为10-15%。

作为本发明一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝的进一步优化，所述低碳钢带按照重量百分数由以下成分组成：C 0.032%、Si 0.018%、Mn 0.24%、S0.005%、P 0.01，余量为Fe。

与现有技术相比，本发明至少具有下述优点及有益效果：

（1）本发明的无缝埋弧药芯焊丝抗吸潮性极强，与氟碱型烧结焊剂SR-SJ613配合，工艺性能优良，扩散氢极低（≤4mL/100g，气相色谱法），-40℃夏比冲击功达到100J以上，可以应用于海洋工程领域屈服强度690MPa级钢板的焊接。

（2）本发明的焊丝采用无缝的形式，与有药芯焊丝相比药粉不吸潮，有利降低焊缝金属的扩散氢。

（3）本发明的药芯粉中含有一定的大理石，焊接时大理石分解可以增加熔池中的含氧量和电弧气氛的氧化性，从而降低熔池中氢的平衡浓度，降低焊缝金属的扩散氢。

（4）本发明的药芯粉中含有一定的萤石、氟化钠和氟化钾，这些氟化物与焊剂中的SiO₂相互作用，可以有效降低焊缝金属的扩散氢，这是实心焊丝无法实现的。

（5）本发明的药芯焊丝采用Si-Mn-Ti联合脱氧，脱氧充分，有利于减少焊缝金属中夹杂物的含量，有利于提高焊缝金属的低温韧性。

（6）本发明焊丝的药芯粉中加入一定量的Ni，可以提高焊缝金属的低温韧性。另外通过Ti、B微合金化，可以进一步提高焊缝金属的低温韧性。

具体实施方式

为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。

一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，由外皮和药芯粉组成，外皮采用低碳钢带制成，所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为10-15%，药芯粉按照质量百分比由以下原料组成：大理石8-12%、萤石4-8%、金属镍25-30%、金属铬2-4%、钼铁 7-9%、电解锰12-16%、硅铁1-3%、钛铁3-5%、硼铁2-4%、钛酸钾2-3%、氟化钾1-3%、氟化钠1-3%，余量为铁粉。

本发明所述无缝埋弧药芯焊丝药芯的设计依据如下：

大理石的主要作用是在焊接时分解出CO₂，可以增加熔池中的含氧量和气相的氧化性，降低熔池中氢的平衡浓度，从而降低焊缝金属的扩散氢。同时大理石能提高熔渣的碱度，提高熔敷金属的低温韧性。大理石的加入量不能过高，否则容易出现压坑、成型不良等缺陷；大理石的含量不能过低，过低其降低扩散氢和提高熔敷金属低温韧性的作用有限。大理石的加入量应控制在8-12%。

萤石的主要作用是降低焊缝金属的扩散氢。萤石的含量不能过高，否则会造成电弧不稳，恶化工艺性能；萤石含量不能过低，过低对降低扩散氢的作用有限。萤石的加入量应控制在4-8%。

金属镍的主要作用是过渡镍。镍是提高低温韧性的重要元素，具有细化晶粒、减少偏析、促进针状铁素体形成的作用，从而可提高焊缝金属的低温韧性。金属镍的含量应控制在25-30%。

钼铁主要作用是过渡钼。适量的钼在保证焊缝金属具有适合强度的同时，保持较高的低温韧性。钼铁的加入量应控制在7-9%。

金属铬的主要作用是过渡铬。铬是一种重要的析出沉淀强化元素，可以有效提高焊缝金属的强度，但过高会恶化低温韧性。金属铬的加入量应控制在2-4%。

金属锰的主要作用是脱氧和提高焊缝金属的强度和韧性。锰含量过低，焊缝金属强度过低，低温韧性较差；锰含量过高导致焊缝金属强度过高，塑性、低温韧性下降。金属锰的加入量应控制在12-16%。

钛铁主要作用是脱氧。钛铁的加入量过低，导致脱氧不足；加入量过大，会导致焊缝金属强度升高、韧性下降。钛铁的加入量应控制在3-5%。

硼铁主要是和钛铁配合，起到Ti-B联合韧化的作用。加入微量的Ti、B，可以细化晶粒，提高焊缝金属的低温韧性。硼铁的加入量应控制在1-3%。

氟化钾主要作用是降低焊缝金属的扩散氢，加入量应控制在1-3%。

氟化钠主要作用是降低焊缝金属的扩散氢，加入量应控制在1-3%。

钛酸钾主要作用是稳定电弧，加入量应控制在2-3%。

本发明所述无缝埋弧药芯焊丝的制备工艺如下：（1）在线同步添加药芯粉；（2）拉拔；（3）焊合；（4）退火；（5）减径；（6）镀铜；（7）绕盘、包装。

本发明中所述的无缝埋弧药芯焊丝，最终产品焊丝的直径为3.2 mm、4.0mm和5.0mm，药芯粉的填充率为10-15%。

根据本发明药芯粉的组分配制了3种粉料，按照上述制备工艺制备无缝埋弧药芯焊丝，具体配比见表1，需注意的是本发明并不局限于这些实施例。本发明实施例无缝埋弧药芯焊丝钢带化学成分如表2所示。

表1本发明实施例无缝埋弧药芯焊丝药芯粉组成（重量，%）

表2无缝埋弧药芯焊丝选用钢带的化学成分（重量，%）

。

将上述焊丝与SR-SJ613焊剂配合，按照国标GB/T 5118-2012标准规定，进行熔敷金属化学成分、力学性能和扩散氢含量测定。以Φ4.0mm焊丝为例，焊接工艺参数为：焊接电源直流反接，焊接电流550~600A，焊接电压28~32V，道间温度100~180℃，测试结果如表3~5所示。

表3 本发明实施例无缝埋弧药芯焊丝匹配SR-SJ613焊剂熔敷金属化学成分（重量，%）

表4 本发明实施例无缝埋弧药芯焊丝匹配SR-SJ613焊剂熔敷金属力学性能

表5本发明实施例无缝埋弧药芯焊丝匹配SR-SJ613焊剂熔敷金属的扩散氢（气相色谱法）

由以上数据可知，本发明的无缝埋弧药芯焊丝抗吸潮性极强，与氟碱型烧结焊剂SR-SJ613配合，焊接电弧稳定，成型美观，扩散氢极低， -40℃夏比冲击功可达到100J以上，满足AWS A23F76A4-EC-G的要求，可以应用于海洋工程领域屈服强度690MPa级钢板的焊接。

Claims

1.一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，由外皮和药芯粉组成，外皮采用低碳钢带制成，其特征在于，所述药芯粉按照质量百分比由以下原料组成：大理石8-12%、萤石4-8%、金属镍25-30%、金属铬2-4%、钼铁 7-9%、电解锰12-16%、硅铁1-3%、钛铁3-5%、硼铁2-4%、钛酸钾2-3%、氟化钾1-3%、氟化钠1-3%，余量为铁粉，所述低碳钢带按照重量百分数由以下成分组成：C 0.032%、Si 0.018%、Mn 0.24%、S 0.005%、P 0.01，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种屈服强度690MPa级钢用超低氢无缝埋弧药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中药芯粉的填充率为10-15%。