CN107984114B

CN107984114B - 适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝

Info

Publication number: CN107984114B
Application number: CN201610952930.6A
Authority: CN
Inventors: 王佳骥; 付魁军; 刘芳芳; 及玉梅; 蒋健博; 傅博; 韩严法; 胡奉雅
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN107984114A

Abstract

本发明提供一种适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝，该焊丝成分按重量百分比计如下：C：0.07％～0.10％、Si：≤0.10％、Mn：1.30％～1.60％、Ti：0.04％～0.08％、B：0.0065％～0.0080％、Als：0.02％～0.04％，S≤0.010％、P≤0.010％、N≤0.0050％、O≤0.0050％，还含Ni：0.60％～1.0％、Mo：0.20％～0.40％中1种或2种，且7.0≤Ti/B≤9.0，1.0≤B/N≤2.0，余量为铁及不可避免杂质。本发明埋弧焊丝用于低合金高强钢的20kJ/cm～200kJ/cm线能量的大线能量焊接，焊缝金属具有优异强韧性，焊剂适应性强，焊接工艺稳定，抗裂性能优异。

Description

适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料领域，尤其涉及种适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝。

背景技术

为了节约大型构件的建造成本和提高建造效率，大线能量焊接技术已经广泛应用于基础设施、海洋平台、航空等众多领域。大线能量焊接用高强度钢板已成为国内外研究热点。同时埋弧焊具有焊接效率高，容易实现自动焊接、减轻焊工劳动强度等优点，在钢结构的建造过程中埋弧焊成为重要的焊接方法之一。大线能量焊接用钢由于级别和成分的差异与其配套焊接材料不尽相同，并且与其配套低温韧性优异的埋弧焊丝我国技术薄弱，市场上现有的国产埋弧焊丝的熔敷金属的低温韧性偏低，进口的埋弧焊丝成本较高且一些国家限制向中国出口销售，价格昂贵。国内外对低合金高强钢在大线能量焊接条件下的焊缝和焊接热影响区的组织特征、奥氏体晶粒长大动力学等进行了研究，并研制出适合于大线能量焊接用焊接材料。

《一种大线能量焊接低合金钢用高韧性气体保护焊丝》(申请号:200910063998.9)和《一种大线能量焊接高强度钢板用高韧性气体保护焊丝》(申请号：2009100639993)说明书中没有提及Ti与B及B与N元素的含量配比，同时在实施例中介绍该种气体保护焊丝可用于气体保护的埋弧焊，缺乏实用性。

《一种大线能量埋弧焊用焊丝》(CN200410097804.4)公开了的焊丝其化学成分按质量百分比计C：0.03％～0.10％、N：0.0035％以下、Si：0.40％以下、Mn：1.00％～2.50％、还含Ti在0.030％以上且满足Ti/N：15～50，剩余部分由Fe及不可避免的杂质组成的焊丝。该发明也是仅给出焊丝的成分范围，虽然给出了Ti与N元素之间的配比关系，但是并未提及Ti与B元素和B与N元素的比例。

《一种高性能埋弧焊丝及盘条及其制造方法》(CN200510029245.8)公开的焊丝其化学成分按质量百分比计C：0.06％～0.13％、Si：0.1％～0.5％、Mn：1.3％～1.7％、Ti：0.010％～0.15％、B：0.001％～0.009％、Mo：0.30％～0.60％、其余为Fe。其中提到该发明焊丝仅适合于20～80kJ/cm大线能量焊接，成分设计中添加了Ti和B元素，但是也没有提及Ti和B元素、B与N元素的含量配比，同时对于气体元素的含量没有加以控制。

《大线能量埋弧焊焊接接头、该接头的制法及所用焊丝及焊剂》(CN200410097804.4)公开了的焊接接头的焊缝金属成分按质量百分比表示C：0.03～0.10％、Si：≤0.40％、Mn：1.00％～2.50％、Ti：0.003％～0.030％、N：0.0050％以下。且焊缝金属中按质量百分比计还含有Nb：0.010％～0.200％、Mo：0.10％～0.50％、Ni：0.05％～1.00％中选出的1种或2种以上。埋弧焊焊丝可在150kJ/cm大线能量条件下焊接。但是该发明焊丝中仅提到了B和N元素的比例，也没有提到Ti和B元素含量配比，同时在实施例中仅给出了0℃和-20℃的冲击韧性，缺少更低温度冲击韧性的数据。

《低合金高强度高韧性埋弧焊丝》(CN97104393.0)公开的焊丝的化学成分按重量百分比含有C：0.06％～0.12％、Mn：1.20％～1.80％、Si：0.02％～0.06％、Ni：0.20％～0.50％、Ti：0.10％～0.16％、B：0.006％～0.010％。发明中强调该埋弧焊丝适合于大线能量焊接，但是在实施例中采用的最大焊接线能量仅为44kJ/cm，按照国际海事协会的规定并不属于大线能量焊接的范围；同时O元素的含量没有加以控制。

因此，开发适用于大线能量焊接，尤其是适用于200kJ/cm焊接线能量的低合金高强度高韧性的国产埋弧焊焊接材料是进一步提高埋弧焊效率、降低成本、提高焊接接头性能和替代进口产品的重要途径。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝，尤其适用于100～200kJ/cm线能量的低合金高强度高韧性埋弧焊丝，该埋弧焊焊丝化学成分简单，熔敷效率高、低温韧性优良，适用于船舶、桥梁和建筑等领域的大型钢结构建造。

一种适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝，该焊丝成分按重量百分比计如下：C：0.07％～0.10％、Si：≤0.10％、Mn：1.30％～1.60％、Ti：0.04％～0.08％、B：0.0065％～0.0080％、Als：0.02％～0.04％，S≤0.010％、P≤0.010％、N≤0.0050％、O≤0.0050％，还含Ni：0.60％～1.0％、Mo：0.20％～0.40％中1种或2种，且7.0≤Ti/B≤9.0，1.0≤B/N≤2.0，余量为铁及不可避免杂质。

本发明成分设计理由如下：

C：碳具有提高熔敷金属强度的作用，同时对其韧性和抗裂性能的下降有明显的作用，为提高韧性和抗裂性能，碳含量应尽可能降低一些。但是碳含量低于0.06％，焊缝强度得不到保证，也不利于针状铁素体的生成。

Si：硅是焊接过程中有效的脱氧元素。当Si含量小于0.1％时，脱氧效果较差，焊缝金属中易出现气孔。当Si含量大于0.5％时，显著降低焊缝金属的韧性。对于埋弧焊，其焊剂中存在大量的SiO2，焊后焊缝金属中Si含量明显增加，保证了焊接过程中的脱氧效果，因此要严控Si在埋弧焊丝中的含量。

Mn：锰是重要的脱氧元素，可有效降低焊缝金属中氧的含量。同时Mn还可提高淬透性，细化组织，同时通过固溶强化提高焊缝金属强度。Mn含量低于1.20％，焊缝金属的强度达不到要求，也不利于防止焊接热裂纹。Mn含量高于1.90％时，易生成马氏体组织，导致韧性显著下降。

Mo：钼是碳化物形成元素，对提高强度有明显作用，但对低温韧性也有一定不良影响。当焊丝中Mo含量低于0.6％时，Mo在提高强度的同时对低温韧性没有明显的不良影响。

Ni：镍是提高焊缝金属低温韧性的有益元素，同时还可降低脆性转变温度。当Ni元素的含量高于0.20％时，上述效果能够显著体现。当Ni元素含量大于2.0％时，容易引起低温裂纹的产生。大线能量焊接低温韧性下降较多，因此适当提高Ni元素的添加量，但也要考虑成本，因此限定Ni元素的含量在0.60％～1.0％。

Ti：钛是细化焊缝金属组织的元素，有利于实现大线能量焊接。Ti元素与N元素的亲和力极高，形成TiN质点，促进针状铁素体的生成。同时Ti元素又降低了焊缝中固溶N的含量，降低了固溶N对韧性的损害。当Ti元素的含量低于0.03％时，焊缝金属的组织不能够得到充分细化。当Ti元素的含量超过0.10％时，过剩的Ti元素会使焊缝韧性降低。因此，限定Ti元素的范围是0.40％～0.80％。

B：硼是抑制先共析铁素体生成的元素。固溶的B在奥氏体晶界偏聚，降低界面能，抑制先共析铁素体的产生。Ti元素与N元素的亲和力比B元素强，所以加入Ti元素可以防止B元素被氧化和氮化，保证B元素向焊缝中过渡。B元素的过度系数较低，添加范围在0.0065％～0.0080％。

S和P：对焊缝金属韧性具有危害作用，含量过高容易使焊缝产生裂纹，应尽量降低其含量，尤其是P元素。要求P≤0.10％，S≤0.10％。

N：氮是劣化焊缝金属韧性的元素。N含量超过0.0050％时，韧性就显著下降。

本发明中对Ti/B和B/N两个比值加以控制，主要是为了发挥B元素抑制先共析铁素体生成的作用，减少BN的生成。Ti与B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，可在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体，在焊缝金属在后续的冷却过程中充分利用针状铁素体的切割作用，提高焊缝金属的韧性，保证了焊缝金属具有优异的强韧性匹配。本发明将Ti/B含量的比例控制在7.0～9.0，当Ti/B含量的比例低于7.0时，焊缝金属韧性改善效果不明显，当Ti/B含量的比例高于9.0时，过量的Ti元素又会使焊缝金属的韧性下降。将B/N含量的比例控制在1.0～2.0，当B/N含量的比例小于1.0时，效果不明显；当B/N含量的比例大于2.0时，过量的B元素会使焊缝金属韧性下降。

本发明的成分设计理念为第一通过增加Mn、Ti和B等元素提高焊缝金属的强韧性，适当添加Ni元素提高焊缝金属的低温韧性并尽量降低成本；第二严格控制有害元素S、P、N和O元素的含量，进一步提高焊缝金属的应用性能；第三控制Ti/B和B/N两个比值的作用在于保护B元素不被氧化和氮化，使有效的B在奥氏体边界析出，抑制先共析铁素体的形成，从而促进晶内针状铁素体的生成，提高焊缝金属的强韧性，同时还要控制Ti和B元素的添加量，因为过量的Ti或B元素易使焊缝金属韧性下降。

本发明适用于大线能量焊接用埋弧焊丝采用Ti-B微合金化，适当添加Ni和Mo等合金元素，进一步改善焊缝熔敷金属性能。该埋弧焊丝配合国产SJ101、瑞典伊萨OK10.62等焊剂，在20kJ/cm～200kJ/cm焊接线能量下，焊缝金属显微组织以针状铁素体为主，焊缝熔敷金属性能满足各种规范要求，尤其是焊接线能量达200kJ/cm时，焊缝金属和焊接接头的-40℃冲击韧性仍达130J。该埋弧焊丝适合于单丝及多丝埋弧焊，焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观。适用于船舶、桥梁、建筑和储罐等领域的大型钢结构建造，降低建造周期和成本，对企业降本增效意义重大。

本发明的有益效果在于：

1、采用本发明埋弧焊丝在进行100kJ/cm焊接线能量的熔敷金属试验时，熔敷金属的组织由晶界先共析铁素体和晶内针状铁素体组成，晶内针状铁素体所占比例按面积百分比计达90％以上。针状铁素体组织非常细小，且铁素体板条呈放射状生长，板条间呈大角度晶界，具有较强的抗裂纹扩展能力，可显著改善焊缝金属的低温韧性。

2、采用本发明的埋弧焊丝可用于低合金高强钢的20kJ/cm～200kJ/cm线能量的大线能量焊接，尤其当焊接线能量达200kJ/cm时，-40℃焊缝金属的冲击韧性达130J，对接板焊接热影响区(HAZ)的-40℃冲击韧性达230J。焊缝金属具有优异的强韧性，焊接接头性能满足母材焊接规范或技术要求，并且富余量较大。

3、本发明的埋弧焊丝适合于单丝和多丝埋弧焊，焊剂适应性强，焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，抗裂性能优异。

附图说明

图1为本发明实施例1的熔敷金属显微组织。

图2为本发明实施例2的熔敷金属显微组织。

图3为本发明实施例3的熔敷金属显微组织。

图4为本发明实施例4的熔敷金属显微组织。

图5为本发明实施例5的熔敷金属显微组织。

图6为本发明实施例6的熔敷金属显微组织。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。这些实施例仅是用于解释的目的，本发明并不局限于这些实施例中。

采用本发明的埋弧焊丝与国产SJ101及进口伊萨OK10.62焊剂配合焊接，熔敷金属和对接焊焊接接头均具有优良的性能。熔敷金属焊接试验及对接焊试验均采用双丝埋弧焊焊接方法。熔敷金属试验用钢板尺寸为300mm×125mm×20mm，垫板尺寸为300mm×25mm×10mm，钢板开V型单面15°坡口，选用国产SJ101焊剂。对接焊选用鞍钢生产的50mm的EH40船板，尺寸为500mm×200mm×45mm，钢板开X型60°坡口，预留3.5mm钝边，选用国产SJ101及进口伊萨OK10.62焊剂。本发明实施例和对比例焊丝化学成分见表1。本发明实施例和对比例主要焊接工艺见表2。本发明实施例和对比例焊丝熔敷金属性能见表3。研制焊丝不仅要考察其熔敷金属性能，还要考察焊丝与钢板的适应性，即对接焊后焊接热影响区的性能，对接焊实施例和对比例焊缝和热影响区(HAZ)冲击韧性见表4

表1本发明实施例和对比例焊丝化学成分(w，％)

成分	C	Si	Mn	S	P	Ni	Mo
								实施例1	0.082	0.068	1.43	0.0048	0.0090	0.85	0.25
实施例2	0.078	0.056	1.51	0.0067	0.0076	1.05	—
								实施例3	0.091	0.075	1.38	0.0036	0.0071	—	0.38
实施例4	0.086	0.10	1.42	0.0058	0.010	0.95	0.31
								实施例5	0.075	0.043	1.56	0.0089	0.0083	0.76	0.20
实施例6	0.071	0.10	1.40	0.0091	0.0078	1.10	0.23
								对比例1	0.11	0.15	1.75	0.0084	0.015	0.43	0.50
对比例2	0.098	0.17	1.73	0.0057	0.018	0.34	0.45
								对比例3	0.085	0.07	1.56	0.0068	0.013	0.82	—
对比例4	0.075	0.09	1.61	0.0062	0.010	0.56	0.32
								成分	Ti	B	Als	N	O	Ti/B	B/N
实施例1	0.068	0.0078	0.025	0.0045	0.0035	8.72	1.73
								实施例2	0.064	0.0077	0.028	0.0040	0.0042	8.31	1.93
实施例3	0.060	0.0073	0.034	0.0042	0.0038	8.22	1.74
								实施例4	0.057	0.0068	0.033	0.0048	0.0040	8.38	1.42
实施例5	0.071	0.0080	0.031	0.0047	0.0050	8.89	1.70
								实施例6	0.063	0.0075	0.030	0.0048	0.0047	8.40	1.56
对比例1	0.10	0.0047	0.039	0.0090	0.0048	21.3	0.52
								对比例2	—	—	0.050	0.0069	0.0038	-	-
对比例3	0.078	—	0.038	0.0045	0.0044	-	-
								对比例4	—	0.0073	0.034	0.0042	0.0048	-	1.74

表2本发明实施例和对比例主要焊接工艺

表3本发明实施例和对比例焊丝熔敷金属性能

表4接焊实施例和对比例焊缝和热影响区(HAZ)冲击韧性

Claims

1.一种适用于大线能量焊接的低合金高强度高韧性埋弧焊丝，其特征在于，该焊丝成分按重量百分比计如下：C：0.07％～0.10％、Si：≤0.10％、Mn：1.30％～1.60％、Ti：0.04％～0.08％、B：0.0065％～0.0080％、Als：0.02％～0.04％，S≤0.010％、P≤0.010％、N≤0.0050％、O≤0.0050％，还含Ni：0.60％～1.0％、Mo：0.20％～0.40％中1种或2种，且7.0≤Ti/B≤9.0，1.42≤B/N≤2.0，余量为铁及不可避免杂质。