CN108103393A - 一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属，以重量百分比计含有：0.02~0.06%C，0.05~0.80%Si，1.20~1.80%Mn，0.10~0.50%Ni，0.10~0.50%Cr，0.10~0.50%Mo，0.01~0.05%Nb，0.01~0.05%V，0.01~0.05%Ti，0.010~0.030%O，以及0.001~0.005%Mg，0.003~0.008%Zr，0.001~0.005%Ca中的一种及以上，余量为Fe及不可避免的杂质元素；并且满足以下关系式：1≤30×{[Mg]+[Zr]/3+[Ca]}/[Ti]≤3。本发明具有优异的综合力学性能，焊缝金属的屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥700MPa，‑80℃冲击功≥100J。特别适用于极低温度下造船、桥梁、钢结构等领域。

Description

一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属，特别涉及一种高强度高韧性桥梁钢的埋弧焊焊接接头的焊缝金属。

背景介绍

随着桥梁行业的发展，桥梁结构不断的向大型化、大跨度方向发展，对于安全等级的要求也不断严苛，因此不仅对桥梁钢提出了更高的要求，同时也对桥梁钢焊接接头的焊缝金属提出了更高的要求。目前，桥梁结构用钢级别已经提高到了屈服强度500MPa级，而市场上却没有相应配套的专用焊丝。

已公开的专利中，有抗拉强度达到700MPa级以上的焊丝，但这一类焊丝中有一部分添加了大量的Ni元素，可以将冲击韧性提高到满足-60℃冲击功的要求，如CN101716706B、CN102233493B、CN104227264B、CN103480976B等，但其缺点在于：一方面添加了大量的合金元素，导致焊接时焊缝金属的流动性变差，焊接裂纹敏感性大，另一方面Ni是贵金属元素，添加大量的Ni元素会导致焊丝的生产成本大幅度提高；另一部分焊丝采用低合金化的方法，在提高焊缝金属的抗拉强度的同时，降低了焊缝金属的裂纹敏感性，但由于其未对焊缝金属中的氧含量做出明确规定，导致焊缝金属的低温韧性难以突破-60℃的限制，如专利技术CN1058923C、CN1104933C、CN1290661C、CN100462185C、CN105195919A、CN105081604A、CN106312365A等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性的焊缝金属，该焊缝金属的综合性能优良，屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥700MPa，-80℃冲击值≥100J，并且焊缝金属成型美观，满足桥梁钢Q500qE的焊接要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属，其特征在于，以重量百分比计含有：0.02～0.06％C，0.05～0.80％Si，1.20～1.80％Mn，0.10～0.50％Ni，0.10～0.50％Cr，0.10～0.50％Mo，0.01～0.05％Nb，0.01～0.05％V，0.01～0.08％Ti，0.010～0.030％O，以及0.001～0.005％Mg，0.003～0.008％Zr，0.001～0.005％Ca中的一种及以上，余量为Fe及不可避免的杂质元素，并且满足以下关系式：1≤30×{[Mg]+[Zr]/3+[Ca]}/[Ti]≤3，其中[Ti]、[Mg]、[Zr]、[Ca]分别代表各元素的百分比含量。

本发明焊缝金属的化学成分设计原则如下：

C在焊缝金属中一部分以间隙原子的形式存在，可以有效的提高焊缝金属的强度，另一部分以微合金碳化物的形式存在，可以有效的抑制焊缝金属原奥氏体晶粒的长大，提高焊缝金属的韧性，因此碳含量不宜过低；而过高的C含量则会导致焊缝金属的裂纹敏感性增加，不利于焊接性。鉴于上述理由，焊缝金属的C含量设置为0.02～0.06％。

Mn在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素，有利于细化焊缝组织。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此Mn含量为1.20～1.80％。

Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用。此外，Si与Mn同样，在含量过高时会对焊缝韧性不利，并会增加焊缝裂纹敏感性，所以Si含量不宜过高，控制Si含量在0.05～0.80％

Ni元素的加入可有效的提高焊缝金属韧性，但过高的Ni含量会降低焊缝金属的流动性，对焊缝成形不利，也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷，且高含量的Ni元素会造成制造成本大幅上升，因此，设置Ni含量为0.10～0.50％。

Cr元素的加入可提高焊缝针状铁素体的含量，以提高焊缝强度和低温韧性，另外Cr有利于提高焊缝的耐腐蚀性能。但过高的Cr含量会提高脆性转变温度，因此，控制其含量为0.10～0.50％。

Mo元素的加入可以提高焊缝金属的淬透性和抗回火性，并且具有细化焊缝金属晶粒尺寸的作用，对于多层多道焊尤为重要；但过多的Mo元素加入会导致焊缝金属裂纹倾向加大，因此，Mo元素的含量设置为0.10～0.50％。

Nb可细化晶粒，提高焊缝的强度，在C-Mn系焊缝中会促进侧板条铁素体的产生，恶化韧性，但在含有Ti，B的焊缝中，Nb能够促进细小均匀的针状铁素体的产生，提高焊缝的韧性，因此可适量加入该元素，控制其含量为0.01～0.05％。

V元素的析出强化作用能够适当提高焊缝强度，在焊缝中可细化焊缝金属的铸态组织，并可防止热影响区晶粒过分长大，提高韧性。可适量添加该元素，但过高也会增加焊缝的裂纹倾向，控制其含量为0.01～0.05％。

Ti是强脱氧剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的氧化物质点，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，过高的Ti含量会导致焊缝中Ti的氧化物聚集长大，造成韧性恶化，控制Ti含量0.01～0.08％。

B固溶B在奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能，有利于抑制晶界上先共析铁素体的形成及粗化。B与Ti同时加入的情况下，Ti的强脱氧性保护固溶B在凝固过程中不被氧化。另外B在热输入较大的焊接过程中会向临近熔合线的粗晶区扩散，有助于细化粗晶区组织，提高粗晶区的韧性。控制其含量为0.001～0.01％。

O元素的控制主要是为了提高焊缝金属的韧性，一方面适量的氧含量，可以有效的形成Ti、Mg、Zr、Ca的氧化物质点，促进针状铁素体形核，而过量的氧含量则会大幅度的降低焊缝金属的低温韧性，因此，焊缝金属中的氧含量则需控制在0.01～0.03％。

控制Ti、Mg、Zr、Ca满足关系式1≤30×{[Mg]+[Zr]/3+[Ca]}/[Ti]≤3是为了保证焊缝金属中形成的氧化物足够细小弥散，如果没有Mg、Zr、Ca元素的加入，焊缝金属中的Ti氧化物会聚集长大，不利于针状铁素体的形核，同时也会恶化低温韧性，而Mg、Zr、Ca元素若加入过量的话，则会导致Ti元素无法参与其中形成氧化物质点，只有当Ti、Mg、Zr、Ca满足上述关系式时，焊缝金属中才能性能足够细小弥散的氧化物质点，从而大幅度提高焊缝金属的低温韧性。

在本发明中，焊缝金属中的O含量控制以及Ti、Mg、Zr、Ca元素含量的控制和含量关系是关键因素，只有同时满足上述三点，才能得到本发明中的高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属。

同现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1.通过合理的控制焊缝金属中的O含量以及Ti、Mg、Zr、Ca元素含量和含量关系，将焊缝金属的低温韧性提高至满足-80℃冲击值要求，并且所制得的焊缝金属抗拉强度≥700MPa，能够满足桥梁钢Q500qE的焊接要求，并且余量较大，安全系数高；

2.采用低合金元素设计，降低了焊缝金属中Ni元素的含量，大幅度降低了焊缝金属的制造成本。

具体实施方式

以下结合优选的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明通过系统设计焊缝金属成分，合理的控制焊缝金属中O含量以及Ti、Mg、Zr、Ca元素含量和比例关系，可获得抗拉强度≥700MPa，-80℃冲击功≥100J的焊缝金属。

实施例1～5#以及比较例6-10#的具体焊缝金属成分见表1，焊缝金属力学性能以及特征值对比见表2。本发明实施例与比较例采用的母材钢板为50mm厚Q500qE钢板。

本发明的焊缝金属可广泛应用于船舶、压力容器、桥梁以及工程结构等方面。

表1 实施例及比较例焊接接头熔敷金属成分(重量百分比，wt％)

表2 实施例和比较例焊缝金属力学性能、特征值对比

Claims (2)

1.一种高强度高韧性桥梁钢焊接接头的焊缝金属，其特征在于，以重量百分比计含有：0.02~0.06% C， 0.05~0.80% Si， 1.20~1.80% Mn， 0.10~0.50% Ni， 0.10~0.50% Cr，0.10~0.50% Mo， 0.01~0.05% Nb， 0.01~0.05% V， 0.01~0.05% Ti，0.010~0.030%O，以及0.001~0.005%Mg，0.003~0.008%Zr，0.001~0.005%Ca中的一种及以上，余量为Fe及不可避免的杂质元素；并且满足以下关系式：1 ≤ 30×{[Mg]+[Zr]/3+[Ca]}/[Ti] ≤ 3，其中[Ti]、[Mg]、[Zr]、[Ca]分别代表各元素的百分比含量。

2.根据权利要求1所述的焊缝金属，其特正在于：焊缝金属的屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥700MPa，-80℃冲击功≥100J。