CN107984112A - 一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，按重量百分比，该焊丝具有如下化学成分：C：0.15～0.20、Si：0.10～0.20、Mn：1.5～2.0、S≤0.008、P≤0.010、Cr：0.10～0.25、Ni：1.2～2.0、Mo：0.3～0.8、Cu≤0.3、B：0.003～0.010、Al≤0.01、Ti：0.02～0.10、Re≤0.05，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

Description

一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝

技术领域

本发明涉及一种埋弧焊接材料，属于低合金焊接材料、金属材料技术领域，具体涉及一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝。

背景技术

在移动容器、船舶、海洋工程、桥梁、重型机械等行业，材料和结构往往需要在低温环境下服役，同时随着结构设计对减重、减薄的追求，需要材料兼备高强度以及良好的低温韧性。而在结构件中，焊接接头通常需要满足与母材相同的服役条件和承载需要，并且还要保证经过焊后热处理工艺后的性能。

现有技术中，公开号为CN105081604A，公开日为2015年11月25日，名称为“700MPa高韧性高强度自动埋弧焊丝及使用方法”的中国专利文献，提供了一种高韧性高强度自动埋弧焊丝，适合于焊接高韧性的700MPa级高强板，该自动埋弧焊丝的化学成分为：C：0.07～0.14％，Si≤0.35％，Mn：1.70～2.00％，Ni≤0.30％，Cr≤0.30％，Mo：0.60～0.90％，Ti≤0.20％，V≤0.20％，B≤0.10％，S≤0.020％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

还有，公开号为CN102528319A，公开日为2012年7月4日，名称为“一种高强度高韧性埋弧焊丝”的中国专利文献，提供了一种高强度高韧性埋弧焊丝，特别适用于Q690级别钢材的焊接。该焊丝的化学成份为：C≤0.12％；Mn：1.40～1.90％；Si：0.20～0.60％；S≤0.015％；P≤0.020％；Cr≤0.60％；Ni：1.80-2.80％；Mo：0.25-0.65％；Cu≤0.25％；另外添加适量Ti微量元素，其余为Fe。该文献中提供的埋弧焊丝配合SJ606焊剂熔敷金属抗拉强度大于760MPa；屈服强度大于690MPa；在-40℃的冲击功大于69J。

此外，公开号为CN103084752B，公开日为2016年3月30日，名称为“一种X100管线钢用高强高韧埋弧焊丝”的中国专利文献，还提供了一种X100管线钢用高强高韧埋弧焊丝，其成分重量百分比为：C：0.01％～0.06％，Si：0.30％～0.50％，Mn：1.20％～1.80％，Cr：0.20％～0.50％，Ni：1.50％～3.00％，P＜0.010％，S＜0.005％，Ti：0.01％～0.10％，Mo：0.30～0.60％，B：0.001％～0.008％，Al：0.01％～0.03％，Nb：0～0.06％，其余为Fe和不可避免杂质，且C+Mn/10的值控制在0.18～0.20％之间，Al+Ti+10B的值控制在0.100～0.115％之间。该发明应用于X100管线钢的焊接，其接头的抗拉强度大于760MPa，焊缝金属-40℃冲击功大于150J。

另外，公开号为CN100441364C，公开日为2008年12月10日，名称为“低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝”的中国专利文献，则提供了一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为：C：0.06～0.12％，Si：0.03～0.20％，Mn：1.50～2.00％，Cr：0.20～0.60％，Ni：1.40～2.60％，Mo：0.10～0.50％，Cu：0.10～0.60％，Ti：0.06～0.20％，B：0.002～0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。该焊丝与碱性烧结焊剂匹配，焊缝的抗拉强度800MPa，-40℃冲击韧性AKV≥47J，适合于800MPa级别低合金超高强度钢的埋弧焊接。

由上述中国专利文献所披露的技术方案可以得知，埋弧焊丝为获得良好的强韧性匹配，主要通过降低碳含量，添加Ni和微合金化元素的方式来实现。同时，由上述专利内容也可以发现，现有技术中的埋弧焊丝虽可获得较好的焊缝强度和低温韧性，但有些焊接场合还是需要特殊的焊剂予以配合的，而且现有的埋弧焊丝无法明确保证经焊后热处理之后的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具备良好低温韧性的高强埋弧焊丝，其熔敷金属在焊态下和经焊后热处理后的综合力学性能可达到如下指标：屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥740MPa，伸长率A≥17％，-40℃Akv≥47J。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，按重量百分比，该焊丝具有如下化学成分：

C：0.15～0.20

Si：0.10～0.20

Mn：1.5～2.0

S≤0.008

P≤0.010

Cr：0.10～0.25

Ni：1.2～2.0

Mo：0.3～0.8

Cu≤0.3

B：0.003～0.010

Al≤0.01

Ti：0.02～0.10

Re≤0.05

余量为Fe及不可避免的杂质元素。

采用上述技术方案的埋弧焊丝，采用低合金钢体系，在焊态与焊后热处理态下保证焊丝熔敷金属的强度与低温韧性均可以满足性能要求，同时具备优良的工艺性，焊缝成形良好，可适用于高速焊接。

下面就该技术方案中各成分的选择原因和作用机理进行说明：

C：通过固溶强化会使材料的强度升高，是最廉价的合金强化元素。但碳含量增加，会显著增加熔敷金属的焊接裂纹敏感性；同时碳含量增加，还会使熔敷金属的延伸率降低。本技术方案中C选择的范围是0.15～0.20％。

Si：为脱氧元素，也是固溶强化元素，但含量太高会影响金属的韧性，增加脆性，使焊接性变差。由于焊剂内包含大量硅酸盐，往往导致熔敷金属增Si，需限制Si的含量。本技术方案中Si选取的合理范围是0.10～0.20％。

Mn：是提高强度和韧性的主要元素之一，通过固溶强化来提高强度，同时Mn也可提高其淬透性，增加熔敷金属的强度。但如果锰含量过高，会使延伸率降低，同时会使钢的韧性和焊接性变差。本技术方案中Mn的合理范围是1.5～2.0％。

Ni：能提高钢的强度，同时又可以保持良好的塑性和韧性。Ni是熔敷金属组织控制的关键元素，它可促进奥氏体向针状铁素体转变，同时也能降低奥氏体向铁素体转变的相变温度，抑制共析铁素体的形成。随着焊缝金属中Ni含量的提高，焊缝金属的低温韧性也会趋于稳定；但由于Ni是一种比较昂贵的合金元素，充分考虑材料的经济性与高性能的双重要求。本技术方案中Ni选取的合理范围是1.2～2.0％。

Mo：可有效增加钢的淬透性和淬硬性，使钢淬火后得到均匀细小的马氏体、板条贝氏体组织，能有效增加熔敷金属的强度和韧性，避免多层多道焊时的焊缝金属的回火脆性，但由于钼是一种昂贵的合金元素，需控制合金成本。本技术方案中Mo选取的合理范围是0.3～0.8％。

Cr：是重要的强化元素之一，可使C曲线右移，铬和锰配合，则能有效提高钢的淬硬性，且其偏析倾向较锰要小；同时一定量的Cr含量可以细化晶粒，增加金属的强度。但如果铬含量过高，会增加焊接裂纹敏感性，降低熔敷金属的韧性和塑性。本技术方案中Cr选取的合理范围是0.10～0.25％。

Ti、B：Ti是强碳氮化合物形成元素，它们的细小析出相可细化组织，提高钢的强度和韧性。Ti与O、N形成钛的氧化物与氮化物，在固态相变时提供形核基础；同时作为强碳氮化合物形成元素，它们的细小析出相可细化组织，提高焊缝金属的强韧性与塑性。B在奥氏体晶界偏聚，抑制先共析铁素体的形核与长大，强化了晶界。但是B含量过高时，将会引起硼脆。Ti、B联合加入的复合作用是含量稍高一些的Ti可优先与O、N结合，从而可以保护B不被氧化。但较多的Ti会造成化合物尺寸不均，过大的尺寸将降低焊缝金属的塑性。所以Ti含量限定在0.02～0.10％，B含量为0.003～0.010％，并且Ti与B的含量比例最好控制在6～10。

稀土元素(Re)：稀土元素的化学活性极强，能与合金元素相互作用，改善焊缝组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性。所述稀土元素为钇(Y)或铈(Ce)，含量≤0.05％。

Al：在焊丝及焊丝盘条中，不作为脱氧元素，而是作为杂质元素来控制，尽量减小其含量，这是该焊丝能够获得良好低温韧性的一个关键元素。一方面当Al含量高时，有可能形成夹杂物，影响熔敷金属的低温冲击性能和塑性，另一方面当Al含量过高时，会使钢水浇注困难。控制Al的含量≤0.01％。

Cu：在焊丝加工过程中，存在着一个镀铜工艺，所以熔敷金属中必然会存在一定量的Cu，由于各个焊丝生产厂家镀铜的厚度不同，含量大约在0.05～0.12％范围内波动。一定量的Cu可以提高强度和韧性，同时还可有效捕捉氢，但如果Cu含量过高，则会影响其焊接性能和低温韧性，因此作为可选型，该技术方案中Cu的含量不能超过0.3％。

更进一步的，本发明中控制Cr+Mn的含量总和≤2.1％，Cr+Ni的含量总和≤2.1％，Cr+Mo的含量总和≤1.0％。

P、S：杂质元素含量越低，钢质就越纯净，韧性会越好。本发明P、S分别控制在P≤0.010％，S≤0.008％。

本发明提出的700MPa级埋弧焊接材料，选择Mn-Mo-Ni为主合金体系，采用Ti、B微合金化的设计理念以及纯净钢的生产工艺，并添加微量稀土元素，保证焊接材料在焊态和焊后热处理态下均有良好的强韧性匹配，实现熔敷金属高强、高韧的要求。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的低温韧性的高强埋弧焊丝及盘条做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本发明提供的高强埋弧焊丝盘条采用如下生产方法及工艺路线：

电炉加LF和VOD精炼(或转炉加LF和RH炉精炼)→模铸→钢锭轧制成钢坯→钢坯加热→粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径→吐丝→斯太尔摩线控冷→集卷→检验→包装。

焊丝的生产工艺流程为：

盘条的入厂检验→粗拉预处理(酸洗)→粗拉丝→精拉丝→脱脂→化学镀铜→精密层绕→包装。

即，本发明提供的具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝通过以下步骤生产而成：冶炼，精炼，铸造，热轧，缓冷，吐丝成盘条，酸洗，粗拉拔，热处理，细拉拔和镀铜，最终生产出Φ4.0的焊丝，再缠绕包装为盘状焊丝。编号为1-5的5个实施例的焊丝的化学成分列于下表1(余量为Fe及不可避免的杂质元素)：

表1实施例焊丝的成品化学成分(wt％)

编号	1	2	3	4	5
						C	0.15	0.20	0.18	0.16	0.16
Si	0.13	0.12	0.16	0.20	0.10
						Mn	1.82	1.52	1.50	1.70	2.00
Cr	0.13	0.10	0.16	0.25	0.10
						Ni	1.32	1.50	1.82	1.20	2.00
Mo	0.49	0.30	0.80	0.75	0.37
						Al	0.005	0	0.01	0.003	0.002
Cu	0.23	0.3	0.21	0.27	0.19
						Ti	0.036	0.065	0.100	0.020	0.049
B	0.004	0.007	0.010	0.003	0.006
						Re	0	0.01	0.05	0.03	0.02

焊接试板采用低合金钢，板厚24mm，坡口形式为30°单面V型对接，底面间隙12mm，采用角向砂轮打磨试板坡口两侧。

对于Φ4.0mm的埋弧焊丝，使用大西洋CHF101焊剂，试验前在300℃～350℃预热2h。采用单电源单丝埋弧焊方法进行施焊，焊接速度420mm/min，层间温度控制在150℃以内，焊接热输入在20kJ/cm左右。

焊后热处理工艺采用600℃保温1h，400℃以下随炉加热，400～600℃升温速度70℃/h，600～400℃降温速度70℃/h，400℃以下随炉冷却。对焊态和焊后热处理态两种条件下的熔敷金属，进行纵向拉伸试验和全试样尺寸的夏比V型缺口冲击试验，结果列于下表2。

本发明的焊丝适合抗拉强度700MPa以上的低合金钢的焊接，获得良好强度和塑性的同时，具有优良的低温冲击性能。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

表2实施例焊丝熔敷金属的力学性能

注：Akv*是五个熔敷试样CVN(charpyV-notchimpacttest夏比V型缺口冲击试验)试验的冲击数值平均值。

Claims (4)

1.一种具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，其特征在于，按重量百分比，该焊丝具有如下化学成分：

C：0.15～0.20

Si：0.10～0.20

Mn：1.5～2.0

S≤0.008

P≤0.010

Cr：0.10～0.25

Ni：1.2～2.0

Mo：0.3～0.8

Cu≤0.3

B：0.003～0.010

Al≤0.01

Ti：0.02～0.10

Re≤0.05

余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，其特征在于，所述Ti与B的含量比例控制在6～10。

3.根据权利要求1或2所述具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，其特征在于，Cr+Mn的含量总和≤2.1％，Cr+Ni的含量总和≤2.1％，Cr+Mo的含量总和≤1.0％。

4.根据权利要求1所述具有良好低温韧性的高强度埋弧焊丝，其特征在于，稀土元素Re选自Y或Ce。