CN106938375B - 适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于‑196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。其技术方案是:所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.30~0.55wt%,Mn为24~26wt%,Ni为6.4~8.2wt%,W为2.5~4.0wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明制备成本低、合金成分体系简单;所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点,强度与超低温高锰钢相匹配,焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能,能满足工作温度为‑196℃时所焊接的设备的强度和超低温韧性的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于熔化极气体保护焊焊丝技术领域。具体涉及一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。
背景技术
适用于工作温度为-196℃的容器主要是指液化天然气(LNG)等贮存运输容器。现阶段,用于LNG贮罐的钢为商业用9Ni钢,由于镍含量高达9%,钢板价格昂贵。为节省Ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本,世界各国科研人员正在积极研制超低温高锰钢。
在我国,一些高校与钢铁企业已率先联合开展了一些理论和实验研究,研发出适于实用的超低温高锰钢。超低温高锰钢在应用过程中,采用焊接工艺制造结构及设备时,熔化极气体保护焊方法是常用的焊接方法,需要相配套的焊丝。超低温高锰钢熔化极气体保护焊焊丝采用与9Ni钢相同的焊丝,9Ni钢工程应用最多的是镍基焊丝,当采用镍基焊丝时,存在两个问题:第一,焊丝中镍元素含量为50~60%,价格昂贵;第二,母材与焊丝的成分属于不同成分体系,差别较大,会引起焊接接头熔合线处元素扩散,组织与性能发生变化。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足,目的是提供一种成本低和合金成分体系简单的适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝,所形成的焊缝金属低温韧性优良,强度与超低温高锰钢相匹配,能满足对所焊接的适用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:所述适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.30~0.55wt%,Mn为24~26wt%,Ni为6.4~8.2wt%,W为2.5~4.0wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
由于采用了上述技术方案,本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
本发明采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单,制备成本低。
本发明采用的主要合金元素Mn的含量为24~26wt%,与母材的锰含量相当,保证了与母材基本相同的成分体系,在形成焊接接头时,由于不存在锰元素浓度梯度,避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。
本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素,共同作用在焊缝金属熔池凝固时,以奥氏体相为凝固初始相,且一直保持到室温,形成奥氏体组织的焊缝金属,故本发明采用碳元素含量为0.30~0.55wt%,镍元素含量为6.4~8.2wt%。
本发明在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时,为降低凝固裂纹倾向,添加2.5~4.0wt%的钨元素,以减小凝固温度区间,从而有效地减少和避免了凝固裂纹的出现。此外,杂质元素硫与磷的存在,使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹,故本发明严格控制硫、磷元素的含量:P≤0.002wt%和S≤0.001wt%。通过净化钢水,将焊丝的P和S含量降到最低,避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。
本发明采用的化学成分体系,使焊缝金属组织为全奥氏体,不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和有足够的强度,且降低了凝固温度范围,避免凝固裂纹的出现,同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。
本发明所制备的熔化极气体保护焊实芯焊丝用于-196℃工作温度的25Mn超低温钢的焊接,焊缝金属形成全奥氏体组织,不仅保证了优良的超低温韧性,-196℃时冲击功Akv为74~106J;亦保证了足够的强度:屈服强度为410~478MPa,抗拉强度为582~695MPa,延伸率A为38~42%,实现了-196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
因此,本发明制备成本低、合金成分体系简单;所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点,强度与超低温高锰钢相匹配,焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能,能满足对所焊接的适用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述,并非对本其保护范围的限制。
实施例1
一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝(以下简称熔化极气体保护焊焊丝)。所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.30~0.38wt%,Mn为25.3~26.0wt%,Ni为6.4~7.0wt%,W为2.5~3.0wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
所述熔化极气体保护焊焊丝,直径为Φ1.2mm,采用熔化极气体保护焊焊接方法,焊接16mm厚的25Mn超低温钢。
所述25Mn超低温钢的化学组分是:C为≤0.40~0.50wt%,Si为0.10~0.20wt%,Mn为20~28wt%,N为0.01~0.08wt%,P为≤0.005wt%,S为≤0.003wt%。所述25Mn超低温钢的力学性能是:抗拉强度为≥400MPa,屈服强度为≥560MPa,延伸率A=40%;-196℃时冲击功Akv≥54J。
所述25Mn超低温钢的试板坡口型式为X型,单侧坡口角度为30°。
本实施例采用保护气体为混合气体:80vol%氩气+20vol%CO2,氩气流量为15~20L/min。
本实施例中:焊接电流为230~250A,电弧电压为28~30V,焊接速度为24~26cm/min,焊接线能量为16~18kJ/cm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析:焊缝金属为全奥氏体组织;没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为445~456MPa,抗拉强度为625~663MPa,伸长率A=39~41%,-196℃时冲击功平均值Akv=82~95J。
本实施例实验结果表明:采用本实施例制备的适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝,经熔化极气体保护焊焊接后,焊缝金属的力学性能完全满足25Mn超低温钢的技术要求,焊接接头满足-196℃工作温度的LNG贮罐的技术要求。
实施例2
一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。除下述外,其余同实施例1:
所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.38~0.45wt%,Mn为24.7~25.3wt%,Ni为7.0~7.6wt%,W为3.0~3.5wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
所述熔化极气体保护焊焊丝的直径为Φ1.2mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析:焊缝金属为全奥氏体组织;没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为456~478MPa,抗拉强度为663~695MPa,伸长率A=38~39%,-196℃时冲击功平均值Akv=74~82J。
实施例3
一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。除下述外,其余同实施例1:
所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.45~0.55wt%,Mn为24.0~24.7wt%,Ni为7.6~8.2wt%,W为3.5~4.0wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例所述熔化极气体保护焊焊丝的直径为Φ1.2mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析:焊缝金属为全奥氏体组织;没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为410~425MPa,抗拉强度为582~625MPa,伸长率A=41~42%,-196℃时冲击功平均值Akv=95~106J。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果:
本具体实施方式采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单,制备成本低。
本具体实施方式采用的主要合金元素Mn的含量为24~26wt%,与母材的锰含量相当,保证了与母材基本相同的成分体系,在形成焊接接头时,由于不存在锰元素浓度梯度,避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。
本具体实施方式中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素,共同作用在焊缝金属熔池凝固时,以奥氏体相为凝固初始相,且一直保持到室温,形成奥氏体组织的焊缝金属,故本具体实施方式采用碳元素含量为0.30~0.55wt%,镍元素含量为6.4~8.2wt%。
本具体实施方式在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时,为降低凝固裂纹倾向,添加2.5~4.0wt%的钨元素,以减小凝固温度区间,从而有效地减少和避免凝固裂纹的出现。此外,杂质元素硫与磷的存在,使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹,故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量:P≤0.002wt%和S≤0.001wt%。通过净化钢水,将焊丝的P和S含量降到最低,避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。
本具体实施方式的化学成分体系,使焊缝金属组织为全奥氏体,不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和有足够的强度,且降低凝固温度范围,避免凝固裂纹的出现,同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。
本具体实施方式所制备的熔化极气体保护焊实芯焊丝用于-196℃工作温度的25Mn超低温钢的焊接,焊缝金属形成全奥氏体组织,不仅保证了优良的超低温韧性,-196℃时冲击功Akv为74~106J;亦保证了足够的强度:屈服强度为410~478MPa,抗拉强度为582~695MPa,延伸率A为38~42%,实现了-196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求,特别是超低温韧性的要求。
因此,本具体实施方式制备成本低、合金成分体系简单;所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点,强度与超低温高锰钢相匹配,焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能,能满足工作温度为-196℃时所焊接的设备的强度和超低温韧性的技术要求。
Claims (1)
1.一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝,其特征在于所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是:C为0.30~0.55wt%,Mn为24~26wt%,Ni为6.4~8.2wt%,W为2.5~4.0wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
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