CN107900555B - 一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝，各化学成分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.10％，Si≤0.15％，Mn 1.50～2.00％，P≤0.018％，S≤0.01％，Ni 0.20～0.50％，Mo+Cr 0.30～0.50％，Ti 0.02～0.10％，Nb≤0.03％，O≤80ppm，Als≤0.02％，其余为Fe。本发明采用Mn‑Ni‑Mo‑Cr合金体系，并结合Ti、Nb微合金化等手段，匹配弱碱性烧结焊剂，可兼顾熔敷金属的力学性能和高Nb钢双道埋弧焊接头的强韧性，有效改善现有高Nb钢双道埋弧焊接头强韧性不足等问题。

Description

一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝

技术领域

本发明属于金属材料焊接加工技术领域，具体涉及一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝。

背景技术

随着钢铁轧制工艺的不断改进，出于降低合金成本的考虑，含Nb较高的钢得到不断应用。在降低较贵重合金(如Ni、Mo、Cu)含量及添加0.04～0.10％Nb的情况下，可增加奥氏体再结晶温度，提高轧制温度，提高冷却速度，轧制后通过回火，钢中产生NbC等沉淀硬化，钢材达到与传统钢等强和更高韧性。随着焊接工艺的不断发展，目前很多情况下可以采取熔透根部(钝边)而反面不清根的双道埋弧焊工艺。在这种焊接条件下，熔透根部后，一方面，母材中较高的Nb元素熔入焊缝，使焊缝中Nb含量升高，将会影响焊缝的韧性；另一方面，由于母材中Ni、Mo、Cu等合金元素含量降低，母材熔入焊缝后，作为铸态的焊缝金属的强度也会受到影响。因此，采用传统焊丝无法满足焊缝强韧性要求。

针对高Nb钢的焊接工艺，“高Nb成分X80级管线钢焊接性分析.焊管，2008.5”通过高Nb+Cr、高Nb+Mo两种成分钢板的制管试验，从夏比冲击韧性、焊接接头硬度、焊缝化学成分等方面对两种成分钢板的焊接性进行了全面的对比，但文献中没有介绍焊丝化学成分。CN201010599894.2公开了一种强度适中冲击韧性优良埋弧焊丝，用于传统TMCP工艺X80级管线钢的焊接；该焊丝的化学成份(wt％)为：C≤0.10％；Mn 1.50～1.90％；Si≤0.35％；S≤0.010％；P≤0.015％；Mo 0.20～0.40％；Ti≤0.15％；Cu≤0.25％；添加微量的B，其余为Fe。配合SJ102焊剂在高速焊接条件下熔敷金属具有优良的综合性能，其抗拉强度可控制在625～825MPa，在-10℃的冲击功大于80J，但该焊丝没有涉及高Nb钢的焊接。

对于传统TMCP工艺630MPa级钢，采用的埋弧焊丝主要为Mn-Mo系；从成分上看，Mn-Mo系焊丝若用于高Nb低合金含量的X80钢焊接，焊缝强度和韧性将难以满足要求。现有焊接材料很难兼顾焊接熔敷金属力学性能和高Nb钢双道埋弧焊接头强韧性要求，尤其是焊接熔敷金属韧性与双道对焊焊缝韧性会存在较大差别，因此有必要进一步探索和优化适用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝配方并提升焊缝性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝，该焊丝可匹配弱碱性烧结焊剂，兼顾熔敷金属力学性能和高Nb钢双道埋弧焊接头强韧性，具有与基材匹配的强度及较高的焊缝韧性，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝，各化学成分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.10％，Si≤0.15％，Mn 1.50～2.00％，P≤0.018％，S≤0.01％，Ni 0.20～0.50％，Mo+Cr 0.30～0.50％，Ti 0.02～0.10％，Nb≤0.03％，O≤80ppm，Als≤0.02％，其余为Fe。

优选的，所述用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝中，各化学成分及其所占质量百分比为：C 0.05～0.09％，Si≤0.10％，Mn 1.60～1.90％，P≤0.015，S≤0.008％，Ni0.25～0.45％，Mo+Cr 0.30～0.50％，Ti 0.02～0.10％，0.008≤Nb≤0.022％，20ppm≤O≤80ppm，Als≤0.02％，其余为Fe。

优选的，所述Cr含量不高于Mo含量。

各元素作用原理如下：

C：对焊缝金属具有强化作用，但随着C含量增高，焊缝韧性下降；焊缝中的C含量范围为0.04～0.08％较佳；而焊丝与弱碱性焊剂匹配焊接时，焊缝中的C含量会有一定的降低，焊丝中C含量选择为0.04～0.10％。

Si：对焊缝金属具有强化作用，但Si含量不宜太高，否则影响焊缝韧性；焊缝中的Si含量范围为0.20～0.35％较佳，焊丝与弱碱性焊剂匹配进行双道埋弧焊，经过焊接冶金反应及母材Si的过渡，焊缝中的Si含量会明显增加，因此焊丝中Si含量控制在Si≤0.15％。

Mn：是焊缝强韧化的有效元素，能防止引起热裂纹的铁硫化物的形成；焊丝与弱碱性焊剂匹配进行双道埋弧焊，经过焊接冶金反应及母材稀释，焊缝中的Mn含量会有一定的降低，焊丝中Mn含量控制在1.50～2.00％。

Ni：是焊缝韧化的有效元素，也有一定的强化效果；焊丝与弱碱性焊剂匹配进行双道埋弧焊时，虽然经过焊接冶金反应后Ni含量变化不大，但焊缝中的Ni含量受母材稀释的影响，焊丝中Ni含量控制在0.20～0.50％。

Mo：是焊缝强化的有效元素，含量合适时也有一定的韧化效果；焊丝与弱碱性焊剂匹配进行双道埋弧焊，虽然经过焊接冶金反应后，Mo含量变化不大，但焊缝中的Mo含量受母材稀释的影响。

Cr：是焊缝强化的有效元素，含量合适时也有一定的韧化效果；焊丝与弱碱性焊剂匹配进行双道埋弧焊，经过焊接冶金反应，Cr含量略有变化，也会受母材稀释的影响。出于降合金成本的考虑，目前钢种的开发有以Cr代Mo的倾向；本焊丝研究将Mo和Cr一并考虑，Mo+Cr为0.30～0.50％，Mo含量高于Cr时对韧性更有利。

Ti：有利于在焊缝中形成微细的Ti化合物，细化焊缝晶粒；焊丝与弱碱性焊剂匹配焊接，经过焊接冶金反应，焊缝中的Ti含量会有一定的降低；Ti还可以优先形成析出物，抑制Nb析出物的长大，焊丝中Ti含量控制在0.02～0.10％。

Als：如果要求焊缝具有较高韧性，Als的含量应予控制，不高于0.02％为宜。

Nb：微量的Nb在焊缝中主要以固溶态及Nb的碳氮化物质点存在，对焊缝有一定的强化及韧化作用，尤其有利于提高焊缝中的热影响区韧性；但是由于高Nb钢双道埋弧焊时将向焊缝过渡Nb，所以焊丝中Nb含量应该有所控制，不宜高于0.03％。

O：其与Ti形成氧化物质点，细化焊缝与焊缝中热影响区组织，阻止晶粒长大，从而提高焊缝强度及韧性；但含氧量过高会导致形成粗大氧化物，影响韧性，由于弱碱性烧结焊剂本身含有一定的氧化性组分，所以焊丝中含O量不宜高于0.008％。

本发明还提供了一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝的制备方法，包括如下步骤：

1)采用真空炉、转炉、电炉等方式进行钢的冶炼，进行lF炉或Ar站进行精炼，使钢的化学成分满足成分设计要求，然后连铸成方坯，尽量提高铸坯等轴晶比例；

2)方坯轧制成盘条，拉拔成丝，并保证镀铜质量。

本发明所得630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝，可匹配弱碱性烧结焊剂SJ101，熔敷金属抗拉强度Rm≥630MPa；用于中等厚度高Nb钢双道埋弧焊时，所得接头抗拉强度Rm≥630MPa，冲击韧性-40℃KV₂≥80J。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明采用Mn-Ni-Mo-Cr合金系，并利用Ti、Nb微合金化手段，匹配弱碱性烧结焊剂，可兼顾熔敷金属的力学性能和高Nb钢双道埋弧焊接头的强韧性，有效改善现有高Nb钢双道埋弧焊接头强韧性不足等问题。

2)本发明涉及的制备成本低、加工工艺简单，所得焊丝与弱碱性烧结焊剂匹配，具有与基材匹配的强度及较高的焊缝韧性，具有优异的经济和社会效益。

附图说明

图1为双道埋弧焊(a)坡口、(b)第一道焊缝(小面)、(c)第二道焊缝(大面)示意图，图中阴影部分为焊缝。

图2为焊接坡口示意图，图中t为钢板板厚，c为钝边，h1和h2为坡口深度，α为坡口角度。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

以下实施例中，采用50kg真空炉冶炼(电磁搅拌及真空条件有利于提高钢锭的均匀性及纯净度)；选用低S、P废钢冶炼，Ni和Mo在装料时配入，Cr在精炼期加入，活泼微量元素在后期或在盛钢桶中加入；冶炼采用Mn铁脱氧及真空脱氧，并严格控制微量元素及气体含量，浇注成锭，化学成分全部在表1所述设计范围内。

实施例1～5

实施例1～5所述用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝的化学成分分别见表1，主要制备步骤如下：

1)采用真空冶炼炉进行钢的冶炼，进行lF炉或Ar站进行精炼，使钢的化学成分分别满足成分设计要求，然后连铸成方坯，尽量提高铸坯等轴晶比例；

2)方坯轧制成盘条，注意缓慢加热方坯；所得盘条经酸洗、清洗、烘干、拉丝、清洗、镀铜等工艺制成成品焊丝，焊丝直径为4.0mm。

表1实施例1～5所得焊丝化学成分(wt％)

注：Als≤0.02wt％。

将实施例的1～5所得焊丝S1～5和对比D1所得焊丝，分别与氟钙型弱碱性焊剂SJ101进行匹配分析，其中焊剂的主要组分为：(SiO₂+TiO₂)10～15％，(CaO+MgO)35～45％，(Al₂O₃+MnO)15～25％，CaF₂ 15～25％。参照GB/T12470“埋弧焊低合金钢焊丝和焊剂”进行熔敷金属焊接试验，按标准规定采用的试验钢板不含Nb，焊接编号为11#～16#；焊接熔敷金属的化学成分如表2所示，力学性能见表3。

表2焊接熔敷金属化学成分(wt％)

表3熔敷金属力学试验结果

焊接编号	焊丝	R<sub>eL</sub>(MPa)	R<sub>m</sub>(MPa)	A(％)	-40℃的KV<sub>2</sub>(J)
						11	S1	570	670	23	84 101 114 107 110
12	S2	576	676	22	70 77 82 89 101
						13	S3	552	657	24	58 65 70 81 101
14	S4	560	663	23	77 82 103 115 122
						15	S5	579	681	22	57 78 80 83 116
16	D1	571	678	23	61 69 78 82 104

将实施例1～5所得焊丝匹配上述结果表明，所得熔敷金属的抗拉强度Rm≥630MPa，冲击韧性均较好；同时也可以看出，当焊丝中加入0.01～0.02％Nb时，如焊丝S1、S2、S4，表3中熔敷金属冲击功更高，不加Nb和加入较多Nb的焊丝熔敷金属韧性要明显低一些。

弱碱性焊剂SJ101，对不同厚度及不同成分的630MPa级高Nb钢进行双道焊对接试验(焊缝和剖口示意图见图1和图2)；试验用钢板规格及化学成分如表4所示，坡口尺寸如表5所示；不同实施例焊丝与不同钢板的匹配以及焊接工艺参数如表6所示，焊接号分别为21#～25#。焊接完毕后，进行超声探伤，焊缝无超标缺陷，焊缝成形良好。同时也进行了对比焊丝D1的双道焊对接试验(26#)。

表4试验用钢板成分及性能(wt％)

表5坡口尺寸

表6焊接工艺参数(wt％)

所得焊缝金属的化学成分如表7所示，力学性能如表8所示。

表7焊缝金属化学成分(wt％)

表8接头力学试验结果

从表2和表7可以看出，表2所得焊丝熔敷金属成分与表7所得高Nb钢双道焊焊缝成分有一定的差别，尤其是Nb含量，表7高Nb钢双道焊焊缝含Nb量有明显增加，采用实施例1～3焊丝所得焊缝Nb含量为0.02～0.042％，对比焊丝焊缝Nb则达到0.05％。表8显示，21#～26#所有焊接接头的强度均高于基材，21#～25#实施例焊丝的高Nb钢焊缝韧性普遍较高，-40℃KV₂(J)均高于80J；而26#对比焊丝的高Nb钢焊缝韧性则不是很理想，甚至低于80J，受到了焊丝中过高Nb、O含量及母材中高Nb含量的共同影响；此外，虽然25#焊缝为不加Nb的焊丝S5所焊，但由于焊接时G3钢板向焊缝中过渡了足够的Nb，所以其焊缝韧性也较高。

综上，本发明所述630MPa级高Nb钢双道焊埋弧焊丝能保证焊缝具有与基材匹配的强度及较高的焊缝韧性，同时其熔敷金属韧性也较高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于630MPa级高Nb钢双道埋弧焊的焊丝，其特征在于，各化学成分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.10％，Si≤0.15％，Mn 1.50～2.00％，P≤0.018％，S≤0.01％，Ni0.20～0.50％，Mo+Cr 0.30～0.50％，Ti 0.02～0.10％，Nb≤0.03％，O≤80ppm，Als≤0.02％，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，各化学成分及其所占质量百分比为：C0.05～0.09％，Si≤0.10％，Mn 1.60～1.90％，P≤0.015，S≤0.008％，Ni 0.25～0.45％，Mo+Cr 0.30～0.50％，Ti 0.02～0.10％，0.008≤Nb≤0.022％，20ppm≤O≤80ppm，Als≤0.02％，其余为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的焊丝，其特征在于，所述Cr含量不高于Mo含量。

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