CN108067762A

CN108067762A - 超低温钢用焊丝

Info

Publication number: CN108067762A
Application number: CN201611004047.0A
Authority: CN
Inventors: 张宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2018-05-25

Abstract

本发明涉及一种超低温钢用焊丝，以重量百分比计，化学成分为：C≤0.06%，Si 0.1‑1.0%,Mn9~16%，Ni 14‑20%，Cr 10‑14%，Mo 3‑6%，N≤0.2%，Ti 0.005~0.20%，余量为Fe及杂质元素。该焊丝可用于超导、核聚变冷却构件的焊接加工。

Description

超低温钢用焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊丝，属于焊接材料技术领域，特别是涉及一种用于超低温钢焊接用焊丝。

背景技术

超导体等超低温领域运行机构，通常需要液体氦或者绝对零度的水等介质来进行冷却保障。液体氦的温度约为4-14K，冷却机构常采用超低温钢用来建造。

低温奥氏体不锈钢，镍基合金都具备良好的低温韧性，因此是备选材料。但由于镍基合金价格昂贵，通常会选择低温奥氏体不锈钢。

由于整个构件系统都需要具备同样的低温性能，对于焊缝部分也是如此，这就对焊接材料和工艺提出了挑战。由于构件最大厚度达250mm左右，因此对于焊接加工来说，一方面要确保性能，另一方面也要兼顾效率。

窄间隙焊接由于坡口角度小，焊接熔敷量小，所以效率较高；但是由于焊接拘束大，容易产生热裂纹，影响焊接质量。特许5469648提供了一种通过添加稀土元素来降低热裂纹敏感性的技术，但与此同时，稀土会降低焊接电弧稳定性，从而产生焊接飞溅，这对于窄间隙焊接来说，是很严肃的问题，因为间隙小无法清理；不清理的话，会影响后续焊道质量，比如未熔合、夹渣等。

发明内容

本发明的目的在于提供超低温钢焊接用焊丝，在确保强度和低温韧性的前提下，能够消除热裂纹、工艺性能优良，焊道成形美观。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种超低温钢用焊丝，以重量百分比计，化学成分为：C≤0.08％，Si 0.1-1.0％,Mn9～16％，Ni 14-20％，Cr 10-14％，Mo 3-6％，N≤0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，Ti0.005～0.20％，余量为Fe及杂质元素。

一种超低温钢用焊丝，以重量百分比计，还含有0.005-0.05％的Mg和Zr中的一种或以上。

焊丝化学成分的技术说明如下：

C：是奥氏体形成元素，可有效提高焊缝金属的强度。当其含量低于0.03％，效果不明显；当其含量超过0.08％时，对焊缝金属低温韧性不利。因此，优选其成分为0.03-0.08％。

Si：主要用于焊缝金属的脱氧，并通过固溶强化来提高焊缝金属强度。当其含量低于0.1％时，效果不明显；当其含量超过1.0％时，会促进侧板条类组织生成，从而降低低温韧性。因此，优选其成分为0.1-1.0％。

当其含量在0.4-0.8％时，效果更好。

Mn：是奥氏体形成元素，同时也会增加N在铁素体基体中的固溶度，从而会增加焊接过程中气孔的发生几率；同时，Mn也会起到部分的脱氧作用。当其含量低于9％时，脱氧效果不明显；当含量超过过16％时，会导致部分氮化物析出从而破坏低温韧性。因此优选含量为9～16％。

当其含量在11-14％时，效果更好。

Ni：是形成奥氏体最重要的元素。低温钢中通常都会添加一定量的Ni来提高低温韧性。一方面，添加Ni也会降低N带来的焊缝金属的气孔问题；另一方面，由于Mn和Cr等元素的加入，会使得焊缝金属在从高温凝固和冷却过程中容易由于sigma相析出引起热裂纹，Ni的加入会改变凝固模式，从降低热裂纹倾向。当其含量低于14％时，改善气孔和裂纹的效果不明显；当其含量超过20％时，没有进一步效果，同时也会增加成本。因此优选其含量范围是14～20％。

当其含量在15.5-18.5％时，效果更好。

Cr：一方面是提高耐蚀性，另一方面是提高强度；同时也会增加N的固溶度，从而进一步强化焊缝金属。当其含量低于10％时，其效果不明显；当其含量超过14％时，容易导致sigma相生成，从而导致热裂纹产生，影响焊接质量。因此，优选含量范围是11-14％。

当其含量在11.5-13.5％时，效果更好。

Mo：用于强化和韧化焊缝金属。一方面是自身的固溶强化，另一方面通过增加N固溶度来强化焊缝金属。同时，会细化焊缝金属组织，从而改善焊缝金属的高温裂纹敏感性。当其含量低于3％时，强化效果不明显；当其含量超过6％时，同样会促进sigma相生成从而增加高温裂纹敏感性。因此优选其含量为3～6％。

当其含量在3.5-5.5％时，效果更好。

N：是奥氏体形成元素，同时跟C一样是强化焊缝金属最经济有效的元素。但是当其含量超过0.2％时，会导致焊缝金属容易产生气孔等缺陷。因此其含量≤0.2％。

当其含量在0.12-0.16％时，效果更好。

S和P作为杂质元素，其含量需要严格控制。尤其是对于低温钢，他们的含量需要分别控制在0.005％和0.01％以下。

Ti：是本发明中的重要元素。高温焊接裂纹的产生有两个原因，一个是低熔点元素在晶界偏聚，另一个脆性相的生成。S和P等杂质元素的严格要求，基本上可以控制由于杂质元素在晶界偏聚带来的高温裂纹问题。但是由于N添加，在引起气孔缺陷的同时，也容易引起氮化铁，并能够增加硫化铁生成几率，从而导致高温裂纹。加入Ti，一方面可以同N结合生成氮化钛从而细化焊缝金属组织，降低枝晶间距，从而从根本上降低杂质元素在晶界偏聚引起的裂纹问题；另一方面也降低了硫化铁生成几率，也降低了裂纹敏感性。同时由于氮化钛生成细化了焊缝金属微观组织，以提高了低温韧性。当其含量低于0.005％时，效果不明显；当其含量超过0.2％时，会导致过量氮化物生成，从而不利于焊缝金属的强度和韧性。因此优选其含量为0.005～0.2％。

当其含量在0.02-0.1％时，效果更好。

Mg/Zr：都是氧化物和硫化物形成元素。一方面用于消除C，N和S等在晶界处的偏聚，从而降低热裂纹敏感性；另一方面，进一步降低氧和硫含量，从而细化焊缝金属组织，降低枝晶间距，从而从根本上改善热裂纹敏感性。当其含量低于0.005％时，效果不明显；当其含量超过0.05％时，会形成大量氧化物和硫化物，从而降低低温韧性。因此优选其含量为0.005～0.05％。

当其含量在0.01-0.03％时，效果更好。

本发明的优点及有益效果：

1.本发明通过采用Ti-Mg-Zr设计，解决了再热裂纹和气孔问题；

2.本发明焊丝通过成分设计，在确保强度和韧性前提下，焊接工艺性能优良。

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。

按表1所示成分制作焊丝，规格1.2mm。

焊接试板选用厚度100mm的SUS 316LN，化学成分包括：0.02％C，0.45％Si，1.2％Mn，12％Ni，18％Cr，2.6％Mo，0.15％N，0.015％P，0.007％S，其余为Fe及杂质元素。

采用TIG焊接方法，层间温度80-150℃之间，坡口角度6-15°，氩气保护。

实施例1-2：

开展焊接试验，从根部开始进行1道次焊接，焊接电流230-250A，焊接电压11-13V，焊接速度7-9cm/min，然后对焊接部位进行质量检验。

结果见表2。

实施例3-4：

开展焊接试验，从根部开始进行5道次焊接，焊接电流230-250A，焊接电压11-13V，焊接速度7-9cm/min，然后对焊接部位进行质量检验。

结果见表2。

实施例5-8：

开展焊接试验，从根部开始进行直至完全焊满，焊接电流190-210A，焊接电压11-13V，焊接速度6-9cm/min，然后对焊接部位进行质量检验。

结果见表2。

对比例1：

试验参数同实施例1-2。结果见表2。

对比例2：

试验参数同实施例3-4。结果见表2。

对比例3-4：

试验参数同实施例5-8。结果见表2。

通过上述实施例可知，本发明超低温钢焊接用焊丝，在确保强度和低温韧性的前提下，能够消除热裂纹、工艺性能优良，焊道成形美观。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

表1实施例化学成分(wt.％)

表2焊接接头质量检验结果

(评级分为三个层次：“优”，“一般”，“差”)。

Claims

1.一种超低温钢用焊丝，其特征在于，以重量百分比计，化学成分为：C 0.03-0.08%，Si0.1-1.0%, Mn9~16%，Ni 14-20%，Cr 10-14%，Mo 3-6%，N≤0.2%，Ti 0.005~0.20%，余量为Fe及杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种超低温钢用焊丝，其特征在于，以重量百分比计，还含有0.005-0.05%的Mg和Zr中的一种或以上。