CN108311775A - 高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝和焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝和焊接工艺，属于焊接技术领域。该焊丝以钢带作为外皮，内部填充药芯；按重量百分含量计，所述药芯的组成：金属镍粉：13‑16％；金属铬粉：2‑3％；钼铁：5‑8％；钛铁：3‑5％；电解锰：11‑14％；硅铁：4‑7％；Na₂O+K₂O：2‑3％；TiO₂：8‑10％；SiO₂+Al₂O₃：3‑5％；其余为铁粉；本发明焊丝配合80％Ar+20％CO₂混合保护气体，适合于焊接Q890高强度结构用调质钢，能够在较低热输入条件下获得满意的焊接接头性能，还具有焊缝成型好、焊接飞溅小、焊缝扩散氢含量低及熔敷效率高等优点，完全可以取代实芯焊丝进行焊接。

Description

高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝和焊接工艺

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝和焊接工艺。

背景技术

随着我国制造业水平的不断提高，从降低自重、提高承载能力及降低制造成本等多方面考虑，屈服强度890MPa及以上级别超高强钢在工程机械、煤矿机械、港口机械等领域获得了越来越多的应用，如大吨位起重机吊臂、高性能液压支架、超大吨位港口机械设备等均设计使用屈服强度890MPa及以上级别超高强钢制造。为此，GB/T16270《高强度结构用调质钢板》新版标准中增加了Q800、Q890和Q960三个级别的钢种。

Q890高强度调质钢具有明显的淬硬倾向，该类钢在焊接冷却过程中，焊缝及焊接热影响区容易形成为脆硬的组织，焊接接头容易产生局部软化和脆化，从而影响整个焊接接头的综合性能；当焊接接头的拘束度较大或氢含量较高时，很容易导致裂纹的产生，由于焊接裂纹敏感性的增加，会导致焊接结构的失效。因此，获得强度高、韧性好综合性能满足要求的焊接接头是Q890高强度调质钢焊接的关键所在。

焊接材料的选用及相配套的焊接工艺是满足Q890高强度调质结构钢焊接关键。从Q890高强钢焊接状况及相关文献检索发现，Q890等高强钢焊接基本采用相应强度级别的实芯焊丝进行焊接。采用实芯焊丝焊接Q890以上级别高强钢的缺点是焊接热输入降低幅度有限，因为对于800MPa以上调质结构钢，降低焊接热输入是获得满意焊接接头的必要条件，而实芯焊丝的特点决定了随着热输入的进一步降低，焊接电弧的过渡形式会从射流过渡转变为大颗粒过渡及短路过渡，而大颗粒过渡及短路过渡的缺点是飞溅大、熔深浅、容易产生未熔合、焊缝成型差等。

因此，研发一种适用于Q890高强钢焊接、且具有较低热输入的焊丝材料是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝和焊接工艺，该焊丝适用于采矿设备高端液压支架及工程机械用Q890高强度调质结构钢的焊接，该焊丝除具有在较低热输入条件下焊缝成型好、焊接飞溅小、焊缝扩散氢含量低及熔敷效率高等优点外，还具有满意的焊接接头性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，该焊丝以钢带作为外皮，内部填充药芯；按重量百分含量计，所述药芯的组成如下：

金属镍粉：13-16％；金属铬粉：2-3％；钼铁：5-8％；钛铁：3-5％；电解锰：11-14％；硅铁：4-7％；Na₂O+K₂O：2-3％；TiO₂：8-10％；SiO₂+Al₂O₃：3-5％；其余为铁粉。

所述焊丝的直径为Φ1.2mm，药芯的填充率为14-17％。

所述药芯组成中，金属镍粉中金属镍的含量大于99.5wt.％，金属铬粉中金属铬的含量大于99wt.％，钼铁中的钼的含量大于55wt.％，钛铁中钛的含量大于40wt.％。

所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢带。

所述高强度调质结构钢为Q800、Q890或Q960钢。

采用所述金属粉型药芯焊丝进行高强度调质结构钢的焊接，焊接过程中采用氩气和二氧化碳的混合气体进行保护，混合气体中氩气的体积含量为80％。焊接工艺参数如下：

焊接电流：200-300A，焊接电压：20-30V，焊接速度350-450mm/min，预热温度：100-150℃，道间温度：≤150℃；焊接热输入：0.75-1.2KJ/mm；电弧特性：射流过渡。

采用上述工艺焊接后，按重量百分含量计，熔敷金属化学成分如下：

C：0.075-0.10％；Si：0.50-0.75％；Mn：1.40-1.75％；S≤0.02％；P≤0.02％；Cr：0.20-0.50％；Mo：0.46-0.65％；Ni：2.10-2.50％；Ti：0.02-0.05％；Fe余量。

焊接后，熔敷金属力学性能为：屈服强度R_p0.2：970-1000MPa；抗拉强度R_m：1000-1050MPa；延伸率A：12-15％；断面收缩率Z：35-50％；冲击韧性Akv(-20℃)：大于40J。

本发明设计机理如下：

所述电解锰其金属锰的含量大于99.7％，所述硅铁其硅的含量大于75％。C、Mn、Si是焊缝中最常用元素。C在焊缝中起到脱氧、具有固溶强化、析出强化、细晶强化等多重强化作用，C含量过高会产生贝氏体组织和硬脆的马氏体组织，严重损伤冲击韧性，因此，焊缝中的C含量不能大于0.1％；在焊丝中加入一定数量的锰和硅来提高焊缝强度和冲击韧性，可以弥补焊缝C含量低所造成的强度损失，同时其反应产物能够促进针状铁素体的形成和降低先共析铁素体的含量，有利于焊缝韧性的改善；为了提高焊缝的强韧性，必须严格限制熔敷金属中的有害元素P、S、N、H、O含量，在焊缝的中锰可以起到脱氧、脱硫作用，而Si是强脱氧剂，可排除焊缝中的O，也保护Mn在焊接过程中不被过渡氧化，但焊缝中Si含量大于1％时会降低焊缝的韧性。因此，焊缝中的C、Mn、Si相互作用可以提高焊缝强度、改善焊缝韧性、降低有害元素含量及降低焊接裂纹倾向。本发明碳在焊缝中的优选含量为0.075-0.10％，电解锰的优选含量为11-14％，硅铁的优选含量为4-8％。

所述金属铬粉其金属铬的含量大于99％，金属镍粉其金属镍的含量大于99.5％，所述钼铁其金属钼的含量大于55％。Cr、Mo、Ni是高强度调质钢焊缝获得满意强度和韧性的关键元素。Cr具有较强的固溶强化作用，焊缝中的Cr与C、N等元素形成弥散的碳氮化合物，能够细化晶粒，提高焊缝的强度，与此同时，Cr可明显增加焊缝的淬硬倾向，降低γ→α相转变温度,随Cr含量的增加，低温相变组织比例增加，不利于焊缝韧性的改善。焊缝中的Mo是显著提高焊缝强度的常用元素，它与Ni元素一起作用对提高韧性有利，Mo是强碳化物形成元素，在焊缝形成过程中形成的细小碳化物能够细化晶粒，有利于强度提高和韧性的改善，同时也能够降低焊接裂纹的敏感性。焊缝中的Ni可无限扩大γ相区，对提高焊缝的低温冲击韧性尤为突出，焊丝中添加一定数量的合金元素Ni，在焊缝的形成过程中会降低先共析铁素体的含量，促进针状铁素体的形成，有利于韧性的提高，对改善焊缝的抗裂性能有利。因此，只有在焊丝中合理调配Cr、Mo、Ni比例和含量，才能使所形成的焊缝在提高强度的同时也能够改善韧性，从而满足高强度调质钢焊缝对强度和韧性等综合性能的高要求。本发明金属铬粉的优选含量为2-3％，钼铁的优选含量为5-8％，金属镍粉的优选含量为13-16％。

所述钛铁其金属钛的含量大于40％。Ti是微合金元素，焊缝中添加适量的Ti元素，主要是由于Ti与焊缝中的C、N容易形成细小的碳氮化合物细化晶粒。同时，Ti与C、N、O结合形成的质点有利于促进针状铁素体的形成，有利于焊缝韧性的改善。本发明钛铁的优选含量为3-5％。

所述Na2O和K2O为稳弧剂。本发明稳弧剂Na2O+K2O的优选含量为2-3％。

所述TiO2为造渣剂。本发明造渣剂TiO2的优选含量为6-9％。

所述SiO2+Al2O3为造渣剂。本发明造渣剂SiO2+Al2O3的优选含量为3-5％。

本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明是根据Q890调质结构钢性能指标，结合各合金元素作用进行药芯焊丝的药粉成分设计，保证焊缝熔敷金属的强度和韧性满足并超过Q890调质结构钢性能要求。本发明焊丝具有在较低热输入条件下焊缝成型好、焊接飞溅小、焊缝扩散氢含量低及熔敷效率高等优点，可以在相对较低的热输入条件下容易实现射流过渡，形成熔深大、飞溅小的高质量焊接接头，完全可以取代实芯焊丝进行焊接。

2、本发明由于焊接热输入可以相对较小，使得焊接接头的热影响区局部软化和脆化倾向得到降低，提高整体焊接接头的性能。

3、本发明焊丝配合80％Ar+20％CO2混合保护气体，适合于焊接GB/T16270《高强度结构用调质钢板》中Q800、Q890和Q960三个级别的钢种。

具体实施方式

以下结合实施例详述本发明，各实施例实施过程中：

1、根据性能指标和药芯焊丝的工艺要求，选择药粉合金成分及脱氧剂、造渣剂及稳弧剂，进行焊丝药粉成分的设计。

2、按照药芯焊丝生产工艺要求进行药粉的制备，如控制粒度、药粉烘干、药粉混合等。制备好的药粉按设计要求的填充率加入到低碳冷轧钢带上进行轧制拉拔等，生产出符合质量要求的药芯焊丝。

3、制定焊接工艺，采用80％Ar+20％CO2混合气体保护焊焊丝进行熔敷金属的焊接，然后按照国家标准进行拉伸试样、冲击试样等力学性能试样的制备加工并进行熔敷金属成分、组织和性能的分析研究。

4、分析结果，进行药芯焊丝药粉合金成分、混合气体比例和焊接工艺优化的分析研究，最终确定药芯焊丝药粉成分和焊接工艺的最佳优化方案。

5、选择优化的药芯焊丝和焊接工艺，进行Q890高强度调质钢的焊接工艺评定实验，考核该高强钢配以本发明焊丝焊接后整体焊接接头性能。

实施例1-6：

表1为本发明药芯配方实施例，表2为本发明药芯焊丝实施例熔敷金属化学成分，表3为本发明药芯焊丝实施例力学性能，表4为本发明药芯焊丝典型实施例焊接工艺评定结果，表5为焊接工艺评定确定的焊接工艺，与实心焊丝相比，药芯焊丝能在较低工艺规范(焊接热输入)条件下实现射流过渡并获得满意的焊缝成型，而实心焊丝获得射流过渡的焊接工艺规范要高。对于Q890这类高强度调质钢，焊接接头热影响区的韧性会随着焊接热输入的增加而有所降低，而焊接接头是由母材、焊缝及焊接热影响区组成，焊缝性能主要取决于焊丝，焊接热影响区的性能主要取决于焊接热输入，因而，要获得满意的焊接接头除配以相适应的焊丝外，必须有合适的焊接工艺相匹配。

表1本发明药芯配方实施例

表2为本发明药芯焊丝实施例熔敷金属化学成分

表3为本发明药芯焊丝实施例熔敷金属力学性能

表4为本发明药芯焊丝典型实施例焊接工艺评定结果及扩散氢含量

表5焊接工艺评定参数

注*1、焊接热输入＝焊接电流(A)X焊接电压(V)/焊接速度(mm/min)

2、焊接工艺参数为形成稳定射流过渡电弧时所采用的参数。

Claims (9)

1.一种高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，其特征在于：该焊丝以钢带作为外皮，内部填充药芯；按重量百分含量计，所述药芯的组成如下：

金属镍粉：13-16％；金属铬粉：2-3％；钼铁：5-8％；钛铁：3-5％；电解锰：11-14％；硅铁：4-7％；Na₂O+K₂O：2-3％；TiO₂：8-10％；SiO₂+Al₂O₃：3-5％；其余为铁粉。

2.根据权利要求1所述的高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝的直径为Φ1.2mm，药芯的填充率为14-17％。

3.根据权利要求1所述的高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，其特征在于：所述药芯组成中，金属镍粉中金属镍的含量大于99.5wt.％，金属铬粉中金属铬的含量大于99wt.％，钼铁中的钼的含量大于55wt.％，钛铁中钛的含量大于40wt.％。

4.根据权利要求1所述的高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，其特征在于：所述钢带采用SPCC冷轧低碳钢带。

5.根据权利要求1所述的高强度调质结构钢用金属粉型药芯焊丝，其特征在于：所述高强度调质结构钢为Q800、Q890或Q960钢。

6.利用权利要求1所述焊丝进行的高强度调质结构钢用焊接工艺，其特征在于：采用所述金属粉型药芯焊丝进行高强度调质结构钢的焊接，焊接过程中采用氩气和二氧化碳的混合气体进行保护，混合气体中氩气的体积含量为80％。

7.根据权利要求6所述的高强度调质结构钢用焊接工艺，其特征在于：焊接工艺参数为：焊接电流：200-300A，焊接电压：20-30V，焊接速度350-450mm/min，预热温度：100-150℃，道间温度：≤150℃；焊接热输入：0.75-1.2KJ/mm；电弧特性：射流过渡。

8.根据权利要求6所述的高强度调质结构钢用焊接工艺，其特征在于：焊接后，按重量百分含量计，焊缝金属化学成分如下：

C：0.075-0.10％；Si：0.50-0.75％；Mn：1.40-1.75％；S≤0.02％；P≤0.02％；Cr：0.20-0.50％；Mo：0.46-0.65％；Ni：2.10-2.50％；Ti：0.02-0.05％；Fe余量。

9.根据权利要求6所述的高强度调质结构钢用焊接工艺，其特征在于：焊接后，熔敷金属力学性能为：屈服强度R_p0.2：970-1000MPa；抗拉强度R_m：1000-1050MPa；延伸率A：12-15％；断面收缩率Z：35-50％；冲击韧性Akv(-20℃)：大于40J。