CN107052617B - 一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝及其焊接方法 - Google Patents

一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，包括碳钢外皮和药芯，药芯成分占药芯总量的质量百分比为：SrCO3：2～4％；CaF2：3～6％；TiO2：25～35％；长石：3～10％；Si‑Fe：2～5％；Mg：2～5％；C：0.2～0.5％；Zr‑Fe：0.4～1.0％；Mn：8～15％；Cr：3～6％；Ni：18～20％；Mo：3～7％；Fe3O4：1.5～3％；余量为Fe。该药芯焊丝采用钛碱型渣系，在药芯中加入造渣剂和稳弧物质，熔渣可完全覆盖焊缝金属，且其熔敷金属的抗拉强度Rm≥980MPa，延伸率A≥13％，熔敷金属夏比冲击KV2(‑60℃)≥34J，适用于全位置焊接。

Description

一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝及其焊接方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝及其焊接方法，可应用1000MPa级低合金高强钢焊接。
背景技术
随着炼钢技术的不断发展，钢铁公司采用精炼技术、微合金化技术，控轧控冷(TMCP)技术开发出了超高强度和高塑韧性的钢种，尤其进入21世纪以来，我国低合金高强钢的研究开发进入快速发展阶段，抗拉强度在400～1000MPa级的具有世界先进水平的钢种不断开发出来，并广泛应用于工程机械、海洋结构、桥梁建筑等领域。
然而，超高强度钢板的使用则对焊接技术提出了更大的挑战，要求选用强度与之匹配的焊接材料，且具有良好焊接操作工艺性能，抗裂性能、强韧综合性能以及良好的抗疲劳裂纹扩展能力，需进一步研发与之匹配的高效率、高质量、低成本的焊接材料。因此，尽快开发出适合全位置钛碱型1000MPa级高强钢板配套药芯焊丝具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其配合富氩混合气体作保护气，抗拉强度等级满足1000MPa级超高强度钢。
本发明的技术方案是提供了一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，包括碳钢外皮和置于碳钢外皮中的药芯，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：2～4％；CaF2：3～6％；TiO2：25～35％；长石：3～10％；Si-Fe：2～5％；Mg：2～5％；C：0.2～0.5％；Zr-Fe：0.4～1.0％；Mn：8～15％；Cr：3～6％；Ni：18～20％；Mo：3～7％；Fe3O4：1.5～3％；余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述碳钢外皮包括按质量百分比计的如下化学成分：C：0.044％；Si：0.25％；Mn：0.35％；S：0.009％；P：0.008％；N：0.002％。
进一步的，所述药芯占药芯焊丝总质量的15～19％。
进一步的，所述药芯焊丝熔敷金属中C含量为0.04～0.07％，且Zr/C含量比为0.75～1。
进一步的，所述药芯焊丝直径为1.0～1.4mm。
进一步的，所述药芯焊丝采用搭接或对接O型封口方式制造得到。
优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：3％；CaF2：5％；TiO2：30％；长石：5％；Si-Fe：3％；Mg：2％；C：0.4％；Zr-Fe：0.6％；Mn：13％；Cr：6％；Ni：18％；Mo：7％；Fe3O4：2％；余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：2％；CaF2：6％；TiO2：28％；长石：7％；Si-Fe：4％；Mg：4％；C：0.3％；Zr-Fe：0.5％；Mn：15％；Cr：4％；Ni：18％；Mo：3％；Fe3O4：1.5％；余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：3％；CaF2：5％；TiO2：35％；长石：6％；Si-Fe：4％；Mg：2％；C：0.2％；Zr-Fe：1.0％；Mn：12％；Cr：3％；Ni：19％；Mo：5％；Fe3O4：2％；余量为Fe及不可避免的杂质。
另外，本发明还提供了上述1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝的焊接方法，焊接条件为：保护气体为75～85％Ar+15～25％CO2的富氩混合气；焊接电流180～280A；焊接电压25～32V；焊接速度23～30cm/min，气流量18～25L/min。
本发明1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝的设计原理如下：
本发明采用钛碱型渣系，配合富氩混合气体保护，药芯焊丝焊接时呈射流过度，在药芯中加入造渣剂和稳弧物质，使得熔渣可完全覆盖焊缝金属，形成渣-气联合保护，并满足焊接操作工艺性能要求，适用于全位置焊接，具有良好的全位置适应性；采用低碳加多种元素微合金化，控制合金配比，实现焊缝金属的微合金化，保证该药芯焊丝具有优良的综合性能，并满足焊丝设计要求；同时，药芯中加入SrCO3与CaF2能够起到很好的脱S和去[H]效果，分解产生的SrO适当提高渣的碱度，提高力学性能的同时保持了钛型优异的工艺性能，并对粉料进行预处理，减少焊丝水分含量，有效降低熔敷金属扩散氢含量，提高抗裂性能。
SrCO3的作用是造气、造渣，同时还能去除S、P；SrCO3高温分解产生的SrO能适当提高渣的碱度，有利于去除非金属夹杂物，提高力学性能的同时保持了钛型优异的工艺性能；SrCO3加入量过多时，焊丝过渡颗粒增大，产生CO2增多导致飞溅大，破坏工艺性能，SrCO3加入量过少时，分解产物SrO较少，导致脱硫、脱磷不充分，对碱度影响不大；因此，药芯中控制SrCO3加入量为2～4％。
CaF2为去氢剂，降低熔敷金属扩散氢含量，同时可以提高熔渣的碱度，抗气孔能力强，焊缝抗裂性极好；CaF2加入量太少时，去氢能力不足，电弧稳定性不好，易产生气孔和压坑；CaF2加入量太多时，则焊接飞溅和烟尘增大，毒性增加；因此，控制CaF2的加入量为3～6％。
TiO2的作用是使熔渣具有适当的熔点和粘度，调节焊缝金属与熔渣之间的线膨胀系数，改善脱渣性；此外，TiO2作为稳弧剂，可明显降低飞溅，有利于全位置焊接；但TiO2加入量过多时，焊缝金属氧含量增加的同时，在高温下促进γ→α转变，易得到先共析铁素体，焊缝变脆，降低了韧性，严重影响力学性能，因此，TiO2含量控制在25～35％范围为宜。
长石主要成分是Na2O+K2O+Al2O3，其中，Na2O+K2O≥11.0％，K2O≥8.0％，Al2O3为14.0～25％；Na、K是主要稳弧剂，含量适当可提高电弧稳定性，减少飞溅，调解熔渣粘度及熔点，其含量过高则恶化工艺，控制长石的加入量为3～10％。
Si-Fe主要是作脱氧剂，其中，Si含量40.0～47.0％,硅铁的加入可使焊缝成型美观，波纹细致，部分作为合金元素过渡到焊缝中，但Si含量增加，溶渣中酸性氧化物SiO2增多，降低了渣的碱度，不利于提高熔敷金属塑性和韧性，因此Si-Fe含量控制在2～5％范围。
Mg是强脱氧剂，采用Mg脱氧效果极佳，且用Mg作脱氧剂，其脱氧产物MgO为碱性氧化物，亦可提高熔渣的碱度，显著提高强度和冲击韧性，Mg的加入量为2～5％。
C是熔敷金属中不可或缺的元素，对熔敷金属性能和组织有着巨大的影响，应控制在0.04～0.07％以内；为了使熔敷金属强度达到1000MPa以上，同时又具有良好的延伸率和低温冲击韧性，应合理控制C和Zr的加入比例，Zr以Zr-Fe形式加入，Zr在焊缝中主要以ZrC存在，可以使奥氏体晶粒细化，其细化作用比Ti还强，ZrC作为晶核，弥散分布于基体中，细化了晶粒，但随Zr含量增加，C含量减少，反而使晶粒变粗，韧性下降，Zr含量为0.04％时，细化作用达到最佳，因此需要将熔敷金属中Zr/C控制在0.75～1为宜，因此药芯中加入C:0.2～0.5％；Zr-Fe：0.4～1.0％。
Mn是微合金化元素，参与脱S反应，起固溶强化作用，增加焊缝中针状铁素体含量，起到增强增韧的作用，Mn加入量为8～15％。
加入适量的Cr可提高焊缝耐大气和海水腐蚀的能力。但Cr含量过高，焊缝低温韧性和延伸率急剧降低，因此必须控制其加入量，按照合金要求，其加入量范围为3～6％。
Mo的作用合金化，可提高焊缝金属强度和韧性，按照合金要求，其加入范围为3～7％。
Ni是焊缝金属中重要的合金元素，提高铁素体基体韧性，降低韧脆转变温度，焊缝中Ni含量较高时，易产生应力腐蚀裂纹，热裂倾向增加，为了获得优良的低温韧性，Ni加入量为18～20％。
加入Fe3O4的作用是增加焊接熔池的氧化性，降低氢在液态金属中的溶解度，有利于降低熔敷金属扩散氢含量，Fe3O4加入1.5～3％为宜。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝熔敷金属的抗拉强度Rm≥980MPa，延伸率A≥13％，熔敷金属夏比冲击KV2(-60℃)≥34J。
(2)本发明提供的这种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝的焊缝熔敷金属屈强比低于0.9，接头安全性高，力学性能稳定，熔敷金属扩散氢含量≤5ml/100g，达到超低氢水平，且抗冷裂性能较好。
(3)本发明提供的这种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝采用钛碱型渣系，配合富氩混合气体(75～85％Ar+15～25％CO2)保护，焊丝焊接时呈射流过渡，在药芯中加入造渣剂和稳弧物质，使得熔渣可完全覆盖焊缝金属，并满足焊接操作工艺性能要求，适用于全位置焊接。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝中碳钢外皮采用低S、P的碳钢钢带，其化学成分及含量占钢带质量百分比如表1所示；在该碳钢外皮内填充药芯粉料，其填充率为15～19％，经拉拔成型减径，制成直径1.0～1.4mm的成品焊丝，药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量如表2所示。
采用上述对应实施例药芯焊丝配合富氩混合气体(75～85％Ar+15～25％CO2)保护进行焊接，焊接条件如表3所示；表4所示为对应实施例药芯焊丝熔敷金属的化学成分；表5所示为对应实施例药芯焊丝熔敷金属力学性能；表6所示为对应实施例药芯焊丝的对接接头力学性能；表7所示为对应实施例药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量；表8所示为对应实施例药芯焊丝的CTOD(裂纹尖端张开位移)试验结果；表9所示为对应实施例药芯焊丝斜Y试验结果。
表1：碳钢外皮化学成分(％)
规格(mm) C Si Mn S P N
0.9×14 0.044 0.25 0.35 0.009 0.008 0.002
表2：药芯焊丝配方
表3：焊接条件
表4：药芯焊丝熔敷金属的化学成分
表5：药芯焊丝熔敷金属力学性能
表6：药芯焊丝的对接接头力学性能
表7：药芯焊丝的熔敷金属扩散氢含量(水银法)
表8：药芯焊丝的CTOD试验
厚度/mm 宽度/mm δm/mm 缺口位置
实施例1 15.76 31.72 0.360 焊缝中心
实施例2 15.56 31.66 0.465 焊缝中心
实施例3 15.86 32.10 0.313 焊缝中心
实施例4 15.72 31.35 0.357 焊缝中心
实施例5 15.69 31.09 0.304 焊缝中心
实施例6 15.88 30.99 0.345 焊缝中心
表9：药芯焊丝斜Y试验
综上所述，本发明提供的这种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝的熔敷金属的化学成分、力学性能、扩氢含量，以及对接接头力学性能，CTOD试验数据，斜Y试验数据均满足设计要求。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，包括碳钢外皮和置于碳钢外皮中的药芯，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：2～4％；CaF2：3～6％；TiO2：25～35％；长石：3～10％；Si-Fe：2～5％；Mg：2～5％；C：0.2～0.5％；Zr-Fe：0.4～1.0％；Mn：8～15％；Cr：3～6％；Ni：18～20％；Mo：3～7％；Fe3O4：1.5～3％；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述碳钢外皮包括按质量百分比计的如下化学成分：C：0.044％；Si：0.25％；Mn：0.35％；S：0.009％；P：0.008％；N：0.002％。
3.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯占药芯焊丝总质量的15～19％。
4.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝熔敷金属中C含量为0.04～0.07％，且Zr/C含量比为0.75～1。
5.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝直径为1.0～1.4mm。
6.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝采用搭接或对接O型封口方式制造得到。
7.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：3％；CaF2：5％；TiO2：30％；长石：5％；Si-Fe：3％；Mg：2％；C：0.4％；Zr-Fe：0.6％；Mn：13％；Cr：6％；Ni：18％；Mo：7％；Fe3O4：2％；余量为Fe及不可避免的杂质。
8.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：2％；CaF2：6％；TiO2：28％；长石：7％；Si-Fe：4％；Mg：4％；C：0.3％；Zr-Fe：0.5％；Mn：15％；Cr：4％；Ni：18％；Mo：3％；Fe3O4：1.5％；余量为Fe及不可避免的杂质。
9.如权利要求1所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝，其特征在于：所述药芯成分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：SrCO3：3％；CaF2：5％；TiO2：35％；长石：6％；Si-Fe：4％；Mg：2％；C：0.2％；Zr-Fe：1.0％；Mn：12％；Cr：3％；Ni：19％；Mo：5％；Fe3O4：2％；余量为Fe及不可避免的杂质。
10.权利要求1～9任一项所述的1000MPa级高强度全位置超低氢药芯焊丝的焊接方法，其特征在于：焊接条件为：保护气体为75～85％Ar+15～25％CO2的富氩混合气；焊接电流180～280A；焊接电压25～32V；焊接速度23～30cm/min，气流量18～25L/min。
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