CN106392375A - 一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝 - Google Patents

一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝 Download PDF

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周峙宏
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    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent

Abstract

本发明公开了一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，本发明药芯焊丝熔敷金属在焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下的强度均达到Q500钢的强度等级且这两种状态下均展现了优异的冲击韧性，甚至‑40℃的低温仍能获得令人满意的冲击值，能够满足导管架上层结构Q500钢的焊接要求。

Description

一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝。
背景技术
寒冷、苛刻的海域环境需要较强、较韧的钢种用于海洋结构的建造。导管架的节点(T、Y、K型接头)焊接时容易造成应力集中，因此焊后需做一些局部退火来消除应力。导管架以前主要是由屈服强度为460MPa级或更低级别的高强度钢构成的。近些年来的高屈服强度钢，例如500MPa级的钢，已经被用于导管架的上层结构，这样不但可保证高强度，而且还可以在建造中降低成本。在这种形势下，需要开发一种Q500钢用的低温药芯焊丝，使其在应力消除之后，仍能够获得服役所需的高强度、高韧性。而传统的低温药芯焊丝在获得高强度时，往往冲击性能很差，尤其是应力消除之后，焊丝中的Nb、V等沉淀强化元素易于与C形成碳化物，从而产生沉淀硬化之效果，大幅度降低冲击韧性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，其熔敷金属在焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下的强度均达到了Q500钢的强度等级且这两种状态下均展现了优异的冲击韧性，甚至-40℃的低温仍能获得令人满意的冲击值，能够满足导管架上层结构Q500钢的焊接。
本发明的技术方案是：一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，由焊药和钢带构成，焊药包裹于钢带内，所述焊药占焊丝总重量的10～20％，所述钢带是低C、低P、S钢带；以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低C、低P、S钢带的组分如下：
C：0.010～0.030％；
Si：0.01～0.03％；
Mn：0.10～0.30％；
Al：0.005～0.035％；
P：0.005～0.010％；
S：0.005～0.010％；
Fe：余量；
以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：20～50％；
SiO2：1～10％；
ZrO2：0.5～5.0％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～5.00％；
K2O：0.1～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.20％；
Mn：10～20％；
Si：1～5％；
Ni：5～20％；
Mo：0.1～5.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
稀土元素：0.1～3.0％；
Fe：余量。
优选的，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分如下：
TiO2：20～40％；
SiO2：2～8％；
ZrO2：1～5％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.5～5.0％；
K2O：1～5％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.15％；
Mn：10～18％；
Si：1～3％；
Ni：10～15％；
Mo：0.1～3.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
稀土元素：0.1～3.0％；
Fe：余量。
优选的，所述适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低C、低P、S钢带的组分如下：
C：0.016～0.034％；
Si：0.015～0.025％；
Mn：0.16～0.26％；
Al：0.021～0.031％；
P：0.006～0.008％；
S：0.005～0.007％；
Fe：余量；
以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分包括：
TiO2：25.4～33.5％；
SiO2：3.3～4.9％；
ZrO2：1.1～1.5％；
氟化物：1.7～2.5％；
Na2O：0.56～0.92％；
K2O：1.5～4.0％；
Al+Mg：3.7～5.5％；
C：0.10～0.15％；
Mn：12.6～14.0％；
Si：1.7～2.6％；
Ni：10.2～12.5％；
Mo：1.2～1.6％；
Ti：1.4～2.2％；
B：0.05～0.07％；
稀土元素：0.3～0.7％；
Fe：余量。
所述氟化物至少包括NaF、CaF2、BaF2、Na3AlF6、K3AlF6、K2SiF6、LiF中的一种或多种。
以重量百分比计，所述适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝的熔敷金属的组分包括：C：0.032～0.035％；Mn：1.17～1.33％；Si：0.25～0.36％；P：0.007～0.008％；S：0.005～0.006％；Mo：0.132～0.140％；Ni：177.～1.89％；
所述焊丝的熔敷金属中，还含有O：550～580ppm；N：25～30ppm。
所述稀土元素至少包括镧、铈、钇中的一种。
本发明中焊药各组分在药芯焊丝中各自发挥的作用如下：
氧化物(包括TiO2、SiO2、ZrO2、Na2O和K2O)的主要作用是造渣、稳弧，美化焊缝，提高脱渣性。氧化物过少时，焊接工艺性能较差，不易形成短渣，对立、横位置不利，氧化物过多时，焊缝含氧量提高，降低了低温韧性。
氟化物(可包括NaF、CaF2、BaF2、Na3AlF6、K3AlF6、K2SiF6、LiF等)的主要作用为造渣和脱氢，另外还可调节粘度，提高熔渣的覆盖性，氟化物过少时，脱氢作用不大，氟化物过多时，焊接烟尘量明显增大，电弧不稳，同时氟化物也具有一定的稀渣能力。
铝及镁的主要作用是脱氧。
碳的主要作用是提供适当的力学性能。
锰的主要作用是脱氧、脱硫和向焊缝中过渡合金元素。
硅的主用作用是通过硅锰联合脱氧，这样脱氧效果更佳，同时过渡合金元素。
镍的主要作用是向焊缝中过渡合金元素，它是提高韧性最有效的元素。
钼的主要作用是向焊缝中过渡合金元素，它可通过固溶强化及弥散强化来提高强度。
微量的Ti和B的主要作用是向焊缝中过渡合金元素，通过Ti和B的复合来细化晶粒，从而提高力学性能。
稀土元素(可包括镧、铈、钇等)的主要作用是细化晶粒，改变夹杂物的形状、数量及分布，从而减少其对韧性和抗裂性的有害作用；同时也具有一定的脱氢能力。
本发明采用低C，低P、S的钢带，低C可保证熔敷金属的C含量控制在0.04％以下，这减少了应力消除过程中C与Nb、V等强化元素的结合，降低沉淀硬化之效果，而焊缝部分依靠焊药中的Ni、Mo等合金元素来提高强度，这不但可抑制先共析铁素体的形成，而且还可细化晶粒；低P、S确保了焊缝中的P、S含量均控制在0.010％以下，这样减少了应力消除过程中P、S向晶界的扩散，大大改善了抗热裂性能；另在焊药中加入微量的Ti、B及稀土元素，这不但可净化焊缝金属组织，起到脱硫、脱磷、去氧的作用，确保焊缝中的O、N处于较低的水平(O≤600ppm，N≤30ppm)，而且还可获得较多的针状铁素体来细化晶粒，提高冲击性能；同时添加一定含量的氟化物及稀土元素进行脱氢处理，可保证熔敷金属的扩散氢控制在4ml/100g以下(水银法)，降低了龟裂敏感性指数。
通过调整合金成分比例，本发明的各项指标符合相应的等级要求。本发明药芯焊丝具有优异的抗裂性能，其焊缝金属在焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下的强度均达到Q500钢的强度等级且这两种状态下均展现了优异的冲击韧性，甚至-40℃的低温仍能获得令人满意的冲击值，能够满足导管架上层结构Q500钢的焊接要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明由钢带和焊药组成，焊药包裹在钢带内，采用低C、低P、S的钢带，其钢带组分(重量百分比％)如下表：
C Si Mn Al
0.010-0.030 0.01-0.03 0.10-0.30 0.005～0.035
P S Fe
0.005-0.010 0.005-0.010 余量
焊药占焊丝全重量比例为10％～20％，其焊药组分(重量百分比％)如下表：
TiO2 SiO2 ZrO2 氟化物 Na2O K2O Al+Mg C
20-50 1-10 0.5-5.0 0.1-3.0 0.05-5.00 0.1-5.0 1-8 0.01-0.20
Mn Si Ni Mo Ti B 稀土元素 Fe
10-20 1-5 5-20 0.1-5.0 0.1-5.0 0.01-0.10 0.1-3.0 余量
更好的焊药组分(重量百分比％)优选如下表：
TiO2 SiO2 ZrO2 氟化物 Na2O K2O Al+Mg C
20-40 2-8 1-5 0.1-3.0 0.5-3.0 1-5 1-8 0.01-0.15
Mn Si Ni Mo Ti B 稀土元素 Fe
10-18 1-3 10-15 0.1-3.0 0.1-5.0 0.01-0.10 0.1-3.0 余量
更优选的，所述适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低C、低P、S钢带的组分如下：
C：0.016～0.034％；
Si：0.015～0.025％；
Mn：0.16～0.26％；
Al：0.021～0.031％；
P：0.006～0.008％；
S：0.005～0.007％；
Fe：余量；
以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分包括：
TiO2：25.4～33.5％；
SiO2：3.3～4.9％；
ZrO2：1.1～1.5％；
氟化物：1.7～2.5％；
Na2O：0.56～0.92％；
K2O：1.5～4.0％；
Al+Mg：3.7～5.5％；
C：0.10～0.15％；
Mn：12.6～14.0％；
Si：1.7～2.6％；
Ni：10.2～12.5％；
Mo：1.2～1.6％；
Ti：1.4～2.2％；
B：0.05～0.07％；
稀土元素：0.3～0.7％；
Fe：余量。
实施例1：
采用焊丝生产行业内通用的制造工艺，按表1-1的钢带组分制作钢带(即外皮)，按照表1-2的焊药配方配制焊药并将焊药包裹于钢带内(overlap)：
表1-1：钢带组分(％)
C Si Mn Al P S Fe
0.024 0.015 0.16 0.031 0.008 0.007 余量
表1-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分的重量百分比(O、N为ppm)见表1-3，焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下熔敷金属的力学性能及熔敷金属的扩散氢含量(水银法)见表1-4：
表1-3：熔敷金属的化学成分(％，O、N(ppm))
表1-4：熔敷金属的力学性能及扩散氢
实施例2：
采用与实施例1相同的焊丝制造方法，按表2-1的钢带组分及表2-2的焊药配方进行配制：
表2-1：钢带组分(％)
C Si Mn Al P S Fe
0.022 0.017 0.19 0.027 0.008 0.006 余量
表2-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分的重量百分比(O、N为ppm)见表2-3，焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下熔敷金属的力学性能及熔敷金属的扩散氢含量(水银法)见表2-4：
表2-3：熔敷金属的化学成分(％，O、N(ppm))
表2-4：熔敷金属的力学性能及扩散氢
实施例3：
采用与实施例1相同的焊丝制造方法，按表3-1的钢带组分及表3-2的焊药配方进行配制：
表3-1：钢带组分(％)
C Si Mn Al P S Fe
0.020 0.019 0.21 0.025 0.007 0.006 余量
表3-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分的重量百分比(O、N为ppm)见表3-3，焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下熔敷金属的力学性能及熔敷金属的扩散氢含量(水银法)见表3-4：
表3-3：熔敷金属的化学成分(％，O、N(ppm))
表3-4：熔敷金属的力学性能及扩散氢
实施例4：
采用与实施例1相同的焊丝制造方法，按表4-1的钢带组分及表4-2的焊药配方进行配制：
表4-1：钢带组分(％)
C Si Mn Al P S Fe
0.018 0.022 0.23 0.023 0.007 0.005 余量
表4-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分的重量百分比(O、N为ppm)见表4-3，焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下熔敷金属的力学性能及熔敷金属的扩散氢含量(水银法)见表4-4：
表4-3：熔敷金属的化学成分(％，O、N(ppm))
表4-4：熔敷金属的力学性能及扩散氢
实施例5：
采用与实施例1相同的焊丝制造方法，按表5-1的钢带组分及表5-2的焊药配方进行配制：
表5-1：钢带组分(％)
C Si Mn Al P S Fe
0.016 0.025 0.26 0.021 0.006 0.005 余量
表5-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分的重量百分比(O、N为ppm)见表5-3，焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下熔敷金属的力学性能及熔敷金属的扩散氢含量(水银法)见表5-4：
表5-3：熔敷金属的化学成分(％，O、N(ppm))
表5-4：熔敷金属的力学性能及扩散氢
上述实验可见，本发明药芯焊丝熔敷金属的P、S含量均在0.010％以下，O含量在600ppm以下，N含量在30ppm以下。焊态下，屈服强度≥590MPa，抗拉强度≥635MPa，延伸率≥20％，-40℃冲击值≥100J；应力消除退火态(620℃×1h)下，屈服强度≥545MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥21％，-40℃冲击值≥80J。另熔敷金属的扩散氢含量均在4ml/100g以下(水银法)，具有优异的抗龟裂性，符合相应的等级要求和使用规范。
本发明药芯焊丝熔敷金属在焊态及应力消除退火态(620℃×1h)下的强度均达到Q500钢的强度等级且这两种状态下均展现了优异的冲击韧性，-40℃的低温仍能获得令人满意的冲击值，能够满足导管架上层结构Q500钢的焊接要求。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，由焊药和钢带构成，焊药包裹于钢带内，其特征在于：焊药占焊丝总重量的10～20％，所述钢带是低C、低P、S钢带；以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低C、低P、S钢带的组分如下：
C：0.010～0.030％；
Si：0.01～0.03％；
Mn：0.10～0.30％；
Al：0.005～0.035％；
P：0.005～0.010％；
S：0.005～0.010％；
Fe：余量；
以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分包括：
TiO2：20～50％；
SiO2：1～10％；
ZrO2：0.5～5.0％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～5.00％；
K2O：0.1～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.20％；
Mn：10～20％；
Si：1～5％；
Ni：5～20％；
Mo：0.1～5.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
稀土元素：0.1～3.0％；
Fe：余量。
2.根据权利要求1所述的适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，其特征在于，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分优选如下：
TiO2：20～40％；
SiO2：2～8％；
ZrO2：1～5％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.5～5.0％；
K2O：1～5％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.15％；
Mn：10～18％；
Si：1～3％；
Ni：10～15％；
Mo：0.1～3.0％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
稀土元素：0.1～3.0％；
Fe：余量。
3.根据权利要求1所述的适用于焊接后做应力消除处理的62公斤级药芯焊丝，其特征在于，以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低C、低P、S钢带的组分如下：
C：0.016～0.034％；
Si：0.015～0.025％；
Mn：0.16～0.26％；
Al：0.021～0.031％；
P：0.006～0.008％；
S：0.005～0.007％；
Fe：余量；
以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分包括：
TiO2：25.4～33.5％；
SiO2：3.3～4.9％；
ZrO2：1.1～1.5％；
氟化物：1.7～2.5％；
Na2O：0.56～0.92％；
K2O：1.5～4.0％；
Al+Mg：3.7～5.5％；
C：0.10～0.15％；
Mn：12.6～14.0％；
Si：1.7～2.6％；
Ni：10.2～12.5％：
Mo：1.2～1.6％；
Ti：1.4～2.2％；
B：0.05～0.07％；
稀土元素：0.3～0.7％；
Fe：余量。
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