CN109623199B - 一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉药芯组成，其钢带的化学组分是：C为0.10~0.20wt%，Si为0.01~0.03wt%，Mn为3~6wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；其金属粉芯的化学组分是：电解锰为20~25wt%，锰硅合金为1~3wt%，镍粉为3~8wt%，低碳铬铁为2~6wt%，钨粉为2~4wt%，钾长石为0.1~2.0%wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%，本发明所形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于‑196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

Description

一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝。

背景技术

高锰钢是目前各国正在积极开发研制的、适用于工作温度为-196℃的超低温容器用钢，主要是液化天然气（LNG）等贮存运输容器用钢。现阶段，商业用于LNG贮罐的钢为9Ni钢，由于9%的镍含量，钢板价格昂贵，为节省Ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本，采用低廉的其它元素来制备超低温用钢已成为趋势；因锰元素具有与镍元素相同的冶金物理性能，且价格低廉，超低温高锰钢已成为替代9Ni钢的首选材料，具有较大的市场前景。

超低温高锰钢在制造LNG等贮存运输容器时，焊接工艺仍是主要的连接方法，其中，熔化极气体保护焊方法是常用的焊接方法，需要相配套的焊丝；目前，市场未见到适用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊用金属粉芯药芯焊丝，将成为超低温高锰钢应用的瓶颈之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提供一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，所形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉芯组成，其钢带的化学组分是：C为0.11~0.18wt%，Si为0.01~0.03wt%，Mn为3.2~6wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为21~25wt%，锰硅合金为1~3wt%，镍粉为3~6wt%，低碳铬铁为2~5wt%，钨粉为2~3wt%，钾长石为0.1~2.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

本发明还提供一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，具体包括以下步骤：

S1：按照上述金属粉药芯各组分按其百分比量进行混合；

S2：将钢带滚卷成U型断面，把S1混合的金属粉药芯填充入U型金属槽中，钢带再次滚卷以对接0型封口方式进行密封，填充原料紧紧的滚压在管型焊丝内；

S3：卷成管型的焊丝再经过拉拔形成金属粉芯药芯焊丝。

本发明金属粉芯药芯焊丝均通过熔化极气体保护焊焊接方法用于超低温高锰钢焊接，熔化极气体保护焊焊接时采用[80%Ar+20%CO₂]的混合气体做为保护气体，气体流量15～20L/min，其焊接工艺参数如下：焊前不预热，层间温度≤180℃，焊接电流为230~250A，电弧电压为26~28V，焊接速度为29~30cm/min，焊接热输入为12~14kJ/cm；

本发明焊接的超低温钢的力学性能是：抗拉强度为≥400MPa，屈服强度为≥560MPa，延伸率A=40%；-196℃时冲击功Akv≥54J。

本发明进一步限定方案：

前述的其钢带的化学组分是：C为0.11wt%，Si为0.03wt%，Mn为5wt%，P为0.002wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为23wt%，锰硅合金为3wt%，镍粉为6wt%，低碳铬铁为5wt%，钨粉为2wt%，钾长石为1.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

前述的其钢带的化学组分是：C为0.12wt%，Si为0.025wt%，Mn为4.3wt%，P为0.001wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为21wt%，锰硅合金为2wt%，镍粉为5.4wt%，低碳铬铁为4.5wt%，钨粉为3wt%，钾长石为2.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

前述的其钢带的化学组分是：C为0.18wt%，Si为0.017wt%，Mn为3.2wt%，P为0.0015wt%，S为0.0013wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为22wt%，锰硅合金为1.7wt%，镍粉为3.4wt%，低碳铬铁为2.6wt%，钨粉为2.6wt%，钾长石为1.1wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

本发明的有益效果是：

本发明采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单，制备成本低，本发明采用的钢带与金属粉共同合金过渡，形成的焊缝金属中Mn含量为24~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近微观组织与力学性能的变化；

本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本发明采用钢带中碳元素含量为0.10~0.20wt%、药芯中低碳铬铁为2~6wt%，药芯中镍粉含量为3~8wt%；

本发明在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加2~4wt%的钨粉，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现，此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%，S≤0.001wt%；

本发明采用的钢带的化学成分体系以及金属粉芯的成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和足够的强度；且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生；

本发明采用[80%Ar+20%CO₂]的混合气体做为保护气体，由于CO2的活性本质，当采用Ar/ CO2混合气体保护进行药芯焊丝气体保护焊时，比采用单纯的CO2气体保护，焊条合金在焊缝金属中的熔敷程度更高，这是因为CO2和合金发生反应，生成氧化物，焊条的药芯包括一些活性元素，比如锰（Mn）和硅（Si）等，除了其它的用途外，还可用作脱氧剂，这些合金的一部分和CO2电离获得的游离氧发生反应，生成氧化物滞留在熔渣中而不是滞留在焊缝金属中，因此, 采用Ar/CO2混合气体比采用CO2气体保护的焊接熔敷金属中的Mn和Si含量更高；

本发明所制备的熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功A_kv为70~110J；亦保证了足够的强度：屈服强度为420~450MPa，抗拉强度为590~680MPa，延伸率A为38~42%，实现了-196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉药芯组成，C为0.11wt%，Si为0.03wt%，Mn为5wt%，P为0.002wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为23wt%，锰硅合金为3wt%，镍粉为6wt%，低碳铬铁为5wt%，钨粉为2wt%，钾长石为1.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为425MPa，抗拉强度为598MPa，伸长率A=40%，-196℃时冲击功平均值A_kv=103J。

实施例2

本实施例提供一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉药芯组成，其钢带的化学组分是：C为0.12wt%，Si为0.025wt%，Mn为4.3wt%，P为0.001wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为21wt%，锰硅合金为2wt%，镍粉为5.4wt%，低碳铬铁为4.5wt%，钨粉为3wt%，钾长石为2.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为437MPa，抗拉强度为636MPa，伸长率A=39.8%，-196℃时冲击功平均值A_kv=92J。

实施例3

本实施例提供一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉药芯组成，C为0.18wt%，Si为0.017wt%，Mn为3.2wt%，P为0.0015wt%，S为0.0013wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为22wt%，锰硅合金为1.7wt%，镍粉为3.4wt%，低碳铬铁为2.6wt%，钨粉为2.6wt%，钾长石为1.1wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为449MPa，抗拉强度为656MPa，伸长率A=38%，-196℃时冲击功平均值A_kv=79J。

实验结果表明：本实施例1-3经熔化极气体保护焊焊接后，其焊缝金属的力学性能完全满足超低温高锰钢的技术要求，其焊接接头满足-196℃工作温度的LNG贮罐的技术要求。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，由钢带和金属粉芯组成，其特征在于：其钢带的化学组分是：C为0.11~0.18wt%，Si为0.01~0.03wt%，Mn为3.2~6wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为21~25wt%，锰硅合金为1~3wt%，镍粉为3~6wt%，低碳铬铁为2~5wt%，钨粉为2~3wt%，钾长石为0.1~2.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

2.如权利要求1所述的一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，其特征在于：其钢带的化学组分是：C为0.11wt%，Si为0.03wt%，Mn为5wt%，P为0.002wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为23wt%，锰硅合金为3wt%，镍粉为6wt%，低碳铬铁为5wt%，钨粉为2wt%，钾长石为1.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。

3.如权利要求1所述的一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，其特征在于：其钢带的化学组分是：C为0.12wt%，Si为0.025wt%，Mn为4.3wt%，P为0.001wt%，S为0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

其金属粉芯的化学组分是：电解锰为21wt%，锰硅合金为2wt%，镍粉为5.4wt%，低碳铬铁为4.5wt%，钨粉为3wt%，钾长石为2.0wt%，余量为铁粉，组分总含量为100%。