CN107841679A

CN107841679A - 一种疲劳性能优异的焊缝金属及制备方法

Info

Publication number: CN107841679A
Application number: CN201610826138.6A
Authority: CN
Inventors: 张宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-18
Filing date: 2016-09-18
Publication date: 2018-03-27

Abstract

本发明涉及一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.02%，P≤0.02%，Ni 12.5~16%，Cr 1‑3%,余量为Fe及杂质元素；经混合气体保护焊，可制得抗拉强度≥900MPa，‑40℃冲击功≥47J的焊缝金属，其两百万次后疲劳强度是普通焊缝金属的2倍以上。本技术可应用于工程机械、建筑和桥梁等承受周期性载荷、对疲劳寿命要求较高的结构件焊接。

Description

一种疲劳性能优异的焊缝金属及制备方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳性能优异的焊缝金属及制备方法，属于焊接材料技术领域，特别是涉及一种高强钢用气体保护焊用焊缝金属。

背景技术

近年来，工程机械、建筑、桥梁等领域逐步采用抗拉强度900MPa的高强度钢材，以提高结构部件的承载力和综合性能。然而，钢材强度等级的提高，也带了焊接接头残余应力的提高，从而大大降低焊接接头的疲劳寿命。尤其对于桥梁、工程机械等承受周期性载荷的焊接结构上，高强度钢材的应用并为带来高的疲劳寿命。

工业实践中，常常采用焊后热处理、或喷丸处理等物理手段来降低残余应力，从而提高疲劳强度。但焊后施加的物理手段存在两个问题：1)增加成本、降低效率；2)在部分装配条件下，物理方式实现不了。

不通过任何附加手段，采用新型焊丝和焊缝金属来降低焊态下的焊接结构的残余应力，从而提高疲劳性能，则是高强钢焊接亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种疲劳性能优异的焊缝金属及制备方法，从而省去焊后喷丸等降低残余应力的物理手段，从而提升效率和成本。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

采用保护气氛含有90％或以上比例的惰性气体的混合气体作为保护气体，无预热，焊接热输入量3-15kJ/cm，焊丝或焊条，在高强钢母材上开展气体保护焊接。

经测试，以质量百分比为计，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.02％，P≤0.02％，Ni 12.5～16％，Cr 1-3％,余量为Fe及杂质元素。

进一步的，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 12.5～16％，Cr 1-3％,Cu 0.5-2.0％,O≤0.03％，N≤0.02％，余量为Fe及杂质元素。

进一步的，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 12.5～16％，Cr 1-3％,Cu 0.5-2.0％,O≤0.03％，N≤0.02％，以及0.1-1.0％的W和Ta中的一种或以上，余量为Fe及杂质元素。

经测试，以质量百分比为计，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 1～3.5％，Cr 15-20％,O≤0.03％，N≤0.02％，余量为Fe及杂质元素。

进一步的，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.02％，P≤0.02％，Ni 1～3.5％，Cr 15-20％,Ti 0.02-0.5％，O≤0.03％，N≤0.02％，余量为Fe及杂质元素。

进一步的，焊缝金属的化学成分为：C≤0.06％，Si≤1.5％，Mn≤2％，S≤0.02％，P≤0.02％，Ni 1～3.5％，Cr 15-20％,Ti 0.02-0.5％，O≤0.03％，N≤0.02％，以及0.1-1.0％的Nb和V中的一种或以上，余量为Fe及杂质元素。

经力学性能测试，焊缝金属的屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥14％，-40℃冲击功≥47J。

本发明中焊缝金属中各元素作用及含量限定如下：

C：高C含量一方面会恶化焊接性、增加冷裂倾向，另一方面不利于焊缝金属的低温冲击韧性。当其含量≥0.1％时，会显著增加冷裂纹敏感性，同时也会恶化焊缝金属中马氏体的韧性，从而影响整个焊接接头的冲击韧性。综合考虑Cr和Ni合金化的马氏体焊缝金属的低温冲击韧性时，控制其含量≤0.06％时，对焊缝的低温韧性有利。因此优选其成分为≤0.06％时。

Si：是焊缝金属中的强脱氧元素之一，一方面添加可降低焊缝金属氧含量从而提高韧性，另一方面当添加过量会影响焊缝成形和焊缝金属低温韧性。因此含量≤1.5％，当其含量在0.4-0.7％之间时，效果更好。

Mn：是高强钢焊缝金属中不可或缺的元素。当其含量超过≤2％时，容易引起凝固偏析，以及过高的MnS夹杂，降低焊缝金属性能。因此Mn含量≤2％。

Ni和Cr是本发明中作重要的两个元素，有两个组合，一个是高镍低铬，一个是低镍高铬。

对于高镍低铬成分，镍的含量范围是12.5-16％，铬的含量范围是1-3％。两者搭配，可将焊缝金属的马氏体转变温度降低到300℃以下，从而能够有效消除焊缝金属的残余应力，从而提高疲劳强度。

当镍和铬含量都低于下限时，其不能将焊缝金属的马氏体转变温度降低到300℃以下，从而有效将低残余应力。

当两者均超出上限时，将降低焊缝金属的流动性，影响焊接工艺性能。

对于低镍高铬成分，镍的含量范围是1-3.5％，铬的含量范围是15-20％。核心思想也是将焊缝金属的马氏体转变温度降低到300℃以下，从而能够有效消除焊缝金属的残余应力，从而提高疲劳强度。

当镍和铬含量都低于下限时，其不能将焊缝金属的马氏体转变温度降低到300℃以下，从而有效降低残余应力。

当两者均超出上限时，一方面会影响焊接裂纹敏感性，尤其是铬含量超出上限时，将影响焊缝金属的低温韧性。

Cu：是高镍低铬焊缝金属中的重要元素，用来进行焊缝金属组织控制，利用其是奥氏体区扩大元素的特点，在焊缝金属进行马氏体转变后，能够残留2-5％的奥氏体。残留的奥氏体一方面可降低焊接裂纹敏感性，从而阻止焊接裂纹产生，另一方面是增加焊缝金属的低温冲击韧性。当残余奥氏体的体积含量超过5％时，会影响马氏体转变量，从而降低中和残余应力的效果。当残留奥氏体体积含量不足2％时，其效果有限。

当其含量低于0.5％效果不明显，当其含量超过2％，会增加焊缝金属脆性。因此，优选含量是0.5-2.0％。

添加0.1-1.0％的W或者Ta，一方面利用其碳氮化物形成，来降低焊缝金属中的碳和氮，提高抗裂纹能力以及低温韧性；另一方面，利用两者的碳氮化物析出，一方面提高了强度，另一方面也降低了焊缝金属的马氏体转变温度，从而间接提高了疲劳强度。

Ti：是低镍高铬焊缝金属中的重要元素，利用该元素是强脱氧剂、脱氮剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物(TiO，TiN)质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性。

低镍高铬设计容易导致焊缝金属组织粗大、脆性增大，尤其是当铬含量超过10％以后，极容易催生晶界形核的侧板条类铁素体、贝氏体组织，从而降低低温韧性。Ti的加入就是通过大量晶内异质形核来细化组织，从而提高焊缝金属的低温韧性。因此控制其含量为0.02～0.2％。

添加0.1-1.0％的Nb或者V，主要是利用其碳氮化物析出，来降低焊缝金属中的碳和氮，从而阻止铬的碳氮化物的析出，从而确保铬处在固溶状态，与镍共同来降低马氏体转变温度，从而确保疲劳强度。

O：焊缝金属的低温韧性随氧含量增加而降低，控制其含量≤0.03％，可确保焊缝金属的低温韧性。

N：对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量N≤0.02％。

S，P：对焊缝的低温韧性、抗裂纹能力不利，应作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量S≤0.01％，P≤0.01％。

本发明中还对保护气体和焊接参数做出要求，即保护气氛需选用含有95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热输入量3-18kJ/cm。

本发明的优点及有益效果：

1.本发明采用高镍低铬或低镍高铬合金设计，克服了传统MnMoCrNi高强合金设计带来的焊缝金属的高强度低疲劳强度的顽症，通过合金设计将焊缝金属中的马氏体转变控制在300℃以下，从而利用其切变膨胀的特点，大大改善了焊接金属的残余应力，提高了焊缝金属的疲劳强度。

2.本发明还通过Cu/W/Ta或者Ti/Nb/V的二次设计，进一步改善了抗裂纹能力，高强度和低温韧性。本发明焊缝金属综合性能优良，其抗拉强度≥900MPa，延伸率≥14％，其-40℃冲击功≥47J。

3.本发明焊缝金属尤其适用于工程机械、建筑、桥梁等承受周期应力应变，对于疲劳强度有较高要求的高强度钢结构领域的焊接。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

采用保护气氛含有90％或以上比例的惰性气体的混合气体，无预热，焊接热输入量3-15kJ/cm，焊丝或焊条，在高强钢母材上进行焊接试验，即制成焊接接头和焊缝金属。

实施例1-8：

采用直径1.2mm的实芯焊丝或药芯焊丝，采用95％Ar+5％CO₂，或者98％Ar+2％O₂的混合气体作为保护气氛，热输入量为6-15kJ/cm，无预热，无焊后热处理。

选用6-12mm厚抗拉强度1150MPa的钢板作为母材。具体焊接参数见表1。

焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

焊缝金属的化学成分、力学性能和疲劳强度分别见表2、3和4。

对比例1-4：

采用直径1.2mm的实芯焊丝或药芯焊丝，采用80％Ar+15％CO₂，85％Ar+10％CO₂的混合气体作为保护气氛，热输入量18和20kJ/cm。具体焊接参数见表1。

其他条件与实施例1-8相同。

焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

通过上述实施例可知，本发明疲劳寿命优异的焊缝金属，在保持抗拉强度≥900MPa，-40℃冲击功≥47J的基础上，其疲劳寿命是普通材料的2倍以上，可广泛应用于工程机械、建筑和桥梁等长期承受周期性应力应变，对疲劳强度有较高要求的高强钢领域。

表1焊接试验参数

表2焊缝金属化学成分(重量百分比，wt％)

(备注：S≤0.01％，P≤0.01％)

表3实施例力学性能

表4焊缝金属质量及疲劳性能

Claims

1.一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属，其特征在于，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.02%，P≤0.02%，Ni 12.5~16%，Cr 1-3%, 余量为Fe及杂质元素。

2.一种疲劳性能优异的高强钢焊缝金属，其特征在于，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.01%，P≤0.01%，Ni 12.5~16%，Cr 1-3%, Cu 0.5-2.0%, O≤0.03%，N≤0.02%，余量为Fe及杂质元素。

3.一种疲劳性能优异的高强钢焊缝金属，其特征在于，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.01%，P≤0.01%，Ni 12.5~16%，Cr 1-3%, Cu 0.5-2.0%, O≤0.03%，N≤0.01%，以及0.1-1.0%的W和Ta中的一种或以上，余量为Fe及杂质元素。

4.一种疲劳性能优异的高强钢焊缝金属，其特征在于，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.01%，P≤0.01%，Ni 1~3.5%，Cr 15-20%, O≤0.03%，N≤0.02%，余量为Fe及杂质元素。

5.一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属，其特征在于，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.02%，P≤0.02%，Ni 1~3.5%，Cr 15-20%, Ti 0.02-0.5%，O≤0.03%，N≤0.02%，余量为Fe及杂质元素。

6.一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属，以质量百分比为计的化学成分为：C ≤0.06%，Si ≤1.5%，Mn ≤2%，S≤0.02%，P≤0.02%，Ni 1~3.5%，Cr 15-20%, Ti 0.02-0.5%，O≤0.03%，N≤0.02%，以及0.1-1.0%的Nb和V中的一种或以上，余量为Fe及杂质元素。

7.根据权利要求1-6所述的一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属，其特征是：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥14%，-40℃冲击功≥47J。

8.一种疲劳性能优异高强钢焊缝金属的制备方法，其特征是：采用保护气氛含有90%或以上比例的惰性气体的混合气体，无预热，焊接热输入量3-15kJ/cm。