CN106425161A - 一种适用于焊接后做应力消除处理的50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50公斤级药芯焊丝 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于焊接后做应力消除处理的50公斤级药芯焊丝，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℃×4h)下均展现了优异的机械性能，尤其是‑40℃具有很高的冲击值(AW：≥100J；SR：≥80J)，能够满足EH36的焊接。
Description
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50公斤级药芯焊丝。
背景技术
近年来，由于海洋严苛的低温环境及波浪的冲击，造船行业面临着巨大的挑战。船体设计的一些重要部位，例如应力集中的拐角，采用EH36及配套焊接材料来提高船体在汹涌海浪航行过程中的抗脆断能力。这些部位在焊接完成后应力往往很大，需要做一些局部退火来释放应力，以期提高焊缝的断裂延性及低温冲击性能。然而采用传统的50公斤级药芯焊丝在应力消除退火以后，虽能够释放焊缝中的残余应力及提高焊缝的疲劳强度和断裂延性，但会降低焊缝的屈服强度和抗拉强度。此外，应力消除的加热过程不但会促使焊缝中的Nb、V等元素与C结合沉淀析出，使低温冲击性能大幅度下降，而且也会促使P、S等杂质元素扩散到焊缝金属的晶界上，从而引起焊缝的回火脆化及降低抗热裂性能。因此，迫切需要开发一种在应力消除退火之后，既能达到EH36的强度等级，又能满足EH36-40℃冲击韧性要求的药芯焊丝。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种适用于焊接后做应力消除处理的50公斤级药芯焊丝，其焊缝金属在焊态及应力消除退火态(620℃×4h)下均展现了优异的机械性能，尤其是-40℃冲击韧性(AW：≥100J；SR：≥80J)，能够满足EH36的焊接要求。
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50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％，所述钢带为低P、S钢带；以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低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：
TiO2：25～55％；
SiO2：1～10％；
ZrO2：0.5～5.0％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～3.00％；
K2O：0.1～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.20％；
Mn：8～18％；
Si：0.5～5.0％；
Ni：1～5％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
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：
TiO2：30～50％；
SiO2：2～8％；
ZrO2：1～3％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～3.00％；
K2O：0.5～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.05～0.20％；
Mn：10～18％；
Si：0.5～5.0％；
Ni：1～5％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
Fe：余量。
优选的，所述的适用于焊接后做应力消除处理的50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P、S钢带的组分如下：
C：0.021～0.027％；
Si：0.015～0.024％；
Mn：0.14～0.21％；
Al：0.022～0.030％；
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，所述焊药的组分如下：
TiO2：40.5～45.9％；
SiO2：4.4～5.8％；
ZrO2：1.0～2.1％；
氟化物：1.6～1.9％；
Na2O：0.39～0.67％；
K2O：2.3～3.0％；
Al+Mg：3.3～4.8％；
C：0.10～0.12％；
Mn：14.6～15.7％；
Si：2.0～3.2％；
Ni：2.7～3.4％；
Ti：1.7～2.2％；
B：0.06～0.07％；
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，所述焊丝的熔敷金属的组分包括：C：0.038～0.042％；Mn：1.17～1.23％；Si：0.23～0.32％；P：0.006～0.008％；S：0.005～0.007％；Al：0.009～0.012％；Ni：0.44～0.53％；Ti：0.050～0.055％；B：0.0022～0.0028％。
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(包括NaF、CaF2、BaF2、Na3AlF6、K3AlF6、K2SiF6、LiF)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。
铝和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。
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。
本发明通过在焊药中添加一定含量的Ni及微量的Ti、B，使得无论是在焊态还是应力消除退火态，均能保持十分细小的显微组织，因而可获得十分优异的机械性能，尤其是-40℃下的冲击韧性；其中应力消除退火态下的机械性能总体稍逊于焊态：焊态下，可保证屈服强度≥520MPa，抗拉强度≥585MPa，延伸率≥27％，-40℃冲击值≥100J，应力消除退火态(620℃×4h)下，可保证屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥565MPa，延伸率≥28％，-40℃冲击值≥80J；采用低P、S的钢带，因而熔敷金属的P、S含量均控制在0.010％以下，这大大提高了抗热裂性能；熔敷金属的扩散氢含量控制在4ml/100g以下(水银法)，这提高了抗龟裂性。
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℃×4h)下均展现了优异的机械性能，尤其是-40℃下的冲击韧性(AW：≥100J；SR：≥80J)，能够满足EH36的焊接。
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 |
| 25-55 | 1-10 | 0.5-5.0 | 0.1-3.0 | 0.05-3.00 | 0.1-5.0 | 1-8 |
| C | Mn | Si | Ni | Ti | B | Fe |
| 0.01-0.20 | 8-18 | 0.5-5.0 | 1-5 | 0.1-5.0 | 0.01-0.10 | 余量 |
更好的焊药组分(重量百分比％)优选如下表：
更优选的，所述的适用于焊接后做应力消除处理的50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P、S钢带的组分如下：
C：0.021～0.027％；
Si：0.015～0.024％；
Mn：0.14～0.21％；
Al：0.022～0.030％；
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，所述焊药的组分如下：
TiO2：40.5～45.9％；
SiO2：4.4～5.8％；
ZrO2：1.0～2.1％；
氟化物：1.6～1.9％；
Na2O：0.39～0.67％；
K2O：2.3～3.0％；
Al+Mg：3.3～4.8％；
C：0.10～0.12％；
Mn：14.6～15.7％；
Si：2.0～3.2％；
Ni：2.7～3.4％；
Ti：1.7～2.2％；
B：0.06～0.07％；
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的焊药配方进行配制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 |
| 0.022 | 0.015 | 0.14 | 0.022 | 0.006 | 0.005 | 余量 |
表1-2：焊药配方(％)
| TiO2 | SiO2 | ZrO2 | 氟化物 | Na2O | K2O | Al+Mg |
| 37.8 | 3.6 | 2.5 | 1.5 | 0.74 | 3.2 | 2.8 |
| C | Mn | Si | Ni | Ti | B | Fe |
| 0.10 | 16.3 | 1.6 | 2.5 | 1.5 | 0.06 | 25.80 |
其熔敷金属的化学成分见表1-3，焊态及应力消除退火态(620℃×4h)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(％)
| C | Mn | Si | P | S | Al | Ni | Ti | B |
| 0.040 | 1.20 | 0.23 | 0.008 | 0.007 | 0.010 | 0.44 | 0.050 | 0.0022 |
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 |
| 0.027 | 0.018 | 0.15 | 0.030 | 0.008 | 0.007 | 余量 |
表2-2：焊药配方(％)
其熔敷金属的化学成分见2-3，焊态及应力消除退火态(620℃×4h)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(％)
| C | Mn | Si | P | S | Al | Ni | Ti | B |
| 0.038 | 1.18 | 0.25 | 0.007 | 0.007 | 0.009 | 0.45 | 0.052 | 0.0027 |
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(％)
表3-2：焊药配方(％)
| TiO2 | SiO2 | ZrO2 | 氟化物 | Na2O | K2O | Al+Mg |
| 42.3 | 5.4 | 2.1 | 1.7 | 0.56 | 2.7 | 3.8 |
| C | Mn | Si | Ni | Ti | B | Fe |
| 0.11 | 15.4 | 2.4 | 2.9 | 1.8 | 0.06 | 18.77 |
其熔敷金属的化学成分见3-3，焊态及应力消除退火态(620℃×4h)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(％)
| C | Mn | Si | P | S | Al | Ni | Ti | B |
| 0.041 | 1.23 | 0.28 | 0.007 | 0.006 | 0.011 | 0.47 | 0.054 | 0.0025 |
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 |
| 0.023 | 0.022 | 0.19 | 0.024 | 0.007 | 0.005 | 余量 |
表4-2：焊药配方(％)
| TiO2 | SiO2 | ZrO2 | 氟化物 | Na2O | K2O | Al+Mg |
| 44.2 | 4.9 | 1.9 | 1.8 | 0.48 | 2.5 | 4.4 |
| C | Mn | Si | Ni | Ti | B | Fe |
| 0.11 | 14.8 | 2.8 | 3.1 | 2.0 | 0.07 | 16.94 |
其熔敷金属的化学成分见4-3，焊态及应力消除退火态(620℃×4h)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(％)
| C | Mn | Si | P | S | Al | Ni | Ti | B |
| 0.042 | 1.17 | 0.24 | 0.006 | 0.006 | 0.010 | 0.52 | 0.055 | 0.0025 |
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 |
| 0.021 | 0.024 | 0.21 | 0.022 | 0.007 | 0.005 | 余量 |
表5-2：焊药配方(％)
| TiO2 | SiO2 | ZrO2 | 氟化物 | Na2O | K2O | Al+Mg |
| 45.9 | 4.4 | 1.7 | 1.9 | 0.39 | 2.3 | 4.8 |
| C | Mn | Si | Ni | Ti | B | Fe |
| 0.12 | 14.6 | 3.2 | 3.4 | 2.2 | 0.07 | 15.02 |
其熔敷金属的化学成分见5-3，焊态及应力消除退火态(620℃×4h)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(％)
| C | Mn | Si | P | S | Al | Ni | Ti | B |
| 0.040 | 1.18 | 0.32 | 0.006 | 0.005 | 0.012 | 0.53 | 0.052 | 0.0028 |
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含量均控制在0.010％以下，熔敷金属的扩散氢含量控制在4ml/100g以下(水银法)，焊态及应力消除退火态的熔敷金属具有优异的机械性能，尤其是-40℃具有很高的冲击值(AW：≥100J；SR：≥80J)。
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 (4)
1.一种适用于焊接后做应力消除处理的50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，所述焊药占焊丝总重量的10～20％，所述钢带是低P、S钢带；以钢带总重量为基准，按重量百分比计，所述低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：
TiO2：25～55％；
SiO2：1～10％；
ZrO2：0.5～5.0％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～3.00％；
K2O：0.1～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.01～0.20％；
Mn：8～18％；
Si：0.5～5.0％；
Ni：1～5％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
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50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，所述焊药的组分如下：
TiO2：30～50％；
SiO2：2～8％；
ZrO2：1～3％；
氟化物：0.1～3.0％；
Na2O：0.05～3.00％；
K2O：0.5～5.0％；
Al+Mg：1～8％；
C：0.05～0.20％；
Mn：10～18％；
Si：0.5～5.0％；
Ni：1～5％；
Ti：0.1～5.0％；
B：0.01～0.10％；
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50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P、S钢带的组分如下：
C：0.021～0.027％；
Si：0.015～0.024％；
Mn：0.14～0.21％；
Al：0.022～0.030％；
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，所述焊药的组分如下：
TiO2：40.5～45.9％；
SiO2：4.4～5.8％；
ZrO2：1.0～2.1％；
氟化物：1.6～1.9％；
Na2O：0.39～0.67％；
K2O：2.3～3.0％；
Al+Mg：3.3～4.8％；
C：0.10～0.12％；
Mn：14.6～15.7％；
Si：2.0～3.2％；
Ni：2.7～3.4％；
Ti：1.7～2.2％；
B：0.06～0.07％；
Fe：余量。
4.根据权利要求1～3任一所述的适用于焊接后做应力消除处理的50公斤级药芯焊丝，其特征在于，以重量百分比计，所述焊丝的熔敷金属的组分包括：C：0.038～0.042％；Mn：1.17～1.23％；Si：0.23～0.32％；P：0.006～0.008％；S：0.005～0.007％；Al：0.009～0.012％；Ni：0.44～0.53％；Ti：0.050～0.055％；B：0.0022～0.0028％。
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