CN109623202B

CN109623202B - 一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝

Info

Publication number: CN109623202B
Application number: CN201910088646.2A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 王红鸿; 李东晖; 赵柏杰
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109623202A

Abstract

本发明公开一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，其化学成分及质量分数为：C：0.2~0.4%，Mn：12~15%，Ni：14~18%，Cr：1.5~4.5%，Mo：0.1~0.6%，Ti：0.005~0.040%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明实芯焊丝采用复合添加锰和镍的合金设计，降低了镍等昂贵元素含量及合金成本，避免了过高锰含量在焊接过程中形成过量的有毒性锰挥发，因而提高了焊丝的使用性能，实芯焊丝所形成的焊缝金属在‑196℃的低温下具有优良的冲击韧性，很好的满足了高锰低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊接的要求。

Description

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝。

背景技术

液化天然气（沸点-162℃）、液氧（沸点-183℃）和液氮（沸点-196℃）等物质的储存及运输需要在低温条件下服役的结构材料，主要力学性能要求是在低温下具有足够的冲击韧性。作为常用的低温钢，9%Ni钢和Cr-Ni奥氏体不锈钢等材料都需要添加大量昂贵的镍元素，因此成本很高。近年来，高锰低温钢作为一种前沿的新型低温材料受到广泛关注，其专用配套焊材开发也是极为重要的工作。

高锰低温钢的锰含量为24 %左右，组织类型为奥氏体，在没有专用配套焊丝的情况下，通常使用9%Ni钢的焊丝作为替代，如ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4等。这些焊材的镍含量高达50%以上，因而成本高价格昂贵。从另一方面考虑，母材与焊材成分中锰和镍的差异过大，不利于焊接接头熔合线附近组织与性能的控制。随着高锰低温钢的开发日渐成熟，配套高锰低温钢焊材的研发也开展起来。专利申请CN201710194206公开了一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，采用高锰低镍组分，锰含量为23~26%。专利申请CN201710194314公开了一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝，采用高锰低镍组分，锰含量为24~26%。韩国浦项也为高锰钢开发了专用的高锰焊材产品，锰含量为22%左右。这些高锰焊材具有合金成本低的显著优势，但由于高含量锰元素在焊接过程中容易形成有毒性的锰挥发，使用难度大。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，综合考虑Ni成本高、高含量Mo易挥发的问题，提供一种低成本、易使用的用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，通过合理的成分设计，使所述焊丝形成的焊缝金属具有优异的低温冲击韧性，满足高锰钢低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊接的要求。

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，其化学成分及质量分数为： C：0.2~0.4%， Mn ：12~15%， Ni：14~18%， Cr：1.5~4.5%， Mo：0.1~0.6%， Ti ：0.005~0.040%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述实芯焊丝形成的焊缝金属的显微组织为奥氏体。

进一步地，所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验冲击吸收能量≥34J。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明采用Mn、Ni 为主要合金元素的化学成分设计，获得了稳定的奥氏体组织。Ni能够显著提高奥氏体稳定性，而且不容易形成有害碳化物或是以偏聚形式弱化晶界，此外还能够改善焊接接头低温冲击性能，是非常理想的低温钢焊材合金元素。但是，Ni的价格昂贵，大量添加将使得材料成本显著增加，因此考虑将Ni含量降低。本发明焊丝中的Ni含量控制在14~18%，与现有的低温钢高Ni焊丝相比Ni含量降低三分之二以上，大大降低了合金成本。为了弥补Ni元素降低造成的奥氏体稳定性降低，需要配合添加其他的奥氏体稳定化合金元素。作为一种非常有效的Ni的替代元素，Mn也具有很强的稳定奥氏体的作用，同时也能够以固溶强化方式提高奥氏体的强度。在本发明中，提高Mn含量至12%及以上，Mn、Ni及其它元素共同作用，起到稳定的奥氏体组织的作用，在-196℃仍然能够保持晶体结构稳定。考虑到含量过高的Mn容易在晶界偏聚并弱化晶界，从而降低低温冲击韧性，更为重要的是，Mn元素过高容易在熔融金属状态下形成Mn蒸气挥发，严重损害焊接施工人员身体健康，造成环境污染。在本方案的设计过程中，经过反复的真空脱气实验发现，Mn的质量百分数为15%及以下时，熔融状态的焊丝金属在3mbar真空度下脱气10min后，Mn的质量百分数降低不超过0.2%，挥发现象不明显；而当Mn的质量分数大于15%时挥发现象随Mn含量升高变得更加明显，例如24%的Mn在3mbar真空度下脱气10min后质量分数降低超过1%，挥发现象严重。因此本发明Mn含量控制在12~15%，既能保证晶体结构的稳定，又能降低Mn的挥发性。同时，与采用高镍成分设计的现有焊丝相比，本发明采用的中高锰成分设计，更接近高锰钢母材的化学成分，因此降低了焊接接头的锰元素浓度梯度，从而减小了焊接熔合线附近组织与性能变化，焊丝与母材成分具有良好的相容性。而与采用高锰低镍成分设计的焊丝相比，本方案设计能大大降低焊接过程中Mn的挥发，提高了焊丝的易使用性。

Cr元素能够降低马氏体转变温度，同时也能够产生固溶强化效果，1.5%及以上的含量能够在本发明中发挥作用。但是当Cr含量大于4.5%时，容易在晶界处形成粗大碳化物析出并降低晶界强度，从而降低冲击韧性。因此，本发明的Cr含量控制在1.5~4.5%。

C元素是重要的间隙固溶合金元素，具有显著的降低马氏体转变温度、提高奥氏体稳定性的效果，而且具有显著的固溶强化效果，但C含量过高时将导致过高的强化效果以及粗大碳化物析出，从而降低冲击韧性。本发明将C含量控制在0.2~0.4%的最佳范围。

本发明的实芯焊丝还包括0.1~0.6%的Mo，0.005~0.040%的Ti。为抑制晶界处的粗大碳化物析出，添加0.1~0.6%的Mo，同时Mo的添加也有利于提高焊缝金属强度。添加0.005~0.040%Ti能够阻碍热循环过程中的晶粒粗化，从而减小晶粒尺寸，有利于改善焊缝金属的力学性能。

本发明严格控制P与S的含量，这两种元素在晶界偏聚会导致焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，严重降低焊缝金属及焊接接头的低温冲击韧性，S还会与Mn形成MnS，恶化焊缝金属力学性能。本发明要求P≤0.004%，S≤0.002%，以降低这两种元素对焊缝金属的不利影响。

本发明实芯焊丝其余组分为Fe。然而，在通常的制造过程中会不可避免地从原料或周围环境中引入杂质。由于这些杂质对于本领域技术人员而言是显而易见的，所以其名称及含量不具体地记载于本说明书中。

本发明实芯焊丝采用复合添加锰和镍的合金设计，降低了镍等昂贵元素含量及合金成本；同时将锰元素控制在12~15%范围内，避免了过高锰含量在焊接过程中形成过量的有毒性锰挥发，因而提高了焊丝的使用性能。所采用的锰-镍成分设计与高锰低温钢母材有良好的相容性，且成本降低、成分简单、具有较好的使用性能，适用于常规的实芯焊丝制造方法。所述实芯焊丝所形成的焊缝金属在-196℃的低温下具有优良的冲击韧性，很好的满足了高锰低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊接的要求。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明技术方案进行说明。

以下通过具体的实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.33%的C，13%的Mn，16.2%的Ni，3.1%的Cr，0.1%的Mo，0.017%的Ti，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

本实施例所述实芯焊丝的直径为2.4mm，采用钨极惰性气体保护焊方法，焊接厚度为17.5mm、Mn含量为24%的高锰低温钢板。钢板的坡口为V型，坡口角度为60°，保护气体为99.9%的Ar气，焊接电流为145~160A，电弧电压为11~13V，焊接速度为7~15cm/min，焊接热输入为6.8~17.7kJ/cm。

本实施例所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为53J，焊缝金属的显微组织为奥氏体，未出现凝固裂纹及再热裂纹，满足高锰钢低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊缝金属低温韧性的要求。

实施例2：

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.2%的C，15%的Mn，18%的Ni，1.5%的Cr，0.27%的Mo，0.040%的Ti，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

本实施例除化学组成外，其余同实施例1。所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为67J，焊缝金属的显微组织为奥氏体，未出现凝固裂纹及再热裂纹。

实施例3：

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.4%的C，12%的Mn，14%的Ni，4.5%的Cr，0.6%的Mo，0.005%的Ti，P≤0.004%，S≤0.002%，其余为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

本实施例除化学组成外，其余同实施例1。所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为41J，焊缝金属的显微组织为奥氏体，未出现凝固裂纹及再热裂纹。

对比例1

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.07%的C，6.5%的Mn，5.3%的Ni，2.3%的Cr，0.4%的Mo，0.017%的Ti，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。本对比例除化学组成外，其余同实施例1。所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为23J。由于C、Mn、Ni含量偏低，奥氏体稳定性不足，焊缝金属的显微组织中除了奥氏体外还有少量马氏体，因此降低了冲击韧性。

对比例2

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.37%的C，14%的Mn，15.5%的Ni，7.2%的Cr，0.3%的Mo，0.03%的Ti，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。本对比例除化学组成外，其余同实施例1。所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为15J。由于Cr含量过高，在奥氏体晶界处形成的碳化物降低了晶界结合力，因此冲击韧性降低。对比例3

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.35%的C，13.8%的Mn，16.5%的Ni，3.3%的Cr，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。本对比例除化学组成外，其余同实施例1。所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验（国标GB/T229--2007）冲击吸收能量KV₂为17J。由于未添加Ti和Mo元素，焊缝金属组织晶粒粗化，且在晶界处形成了明显的碳化物，因此降低了冲击韧性。

对比例4

一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，化学成分及质量百分数为：0.3%的C，13.5%的Mn，16.1%的Ni，2.9%的Cr，0.3%的Mo，0.04%的Ti，0.012%的P，0.011%的S，余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。本对比例除化学组成外，其余同实施例1。由于P和S含量偏高，焊缝金属处出现了明显的焊接裂纹，焊接接头无法满足使用要求。

上述实施例仅为了更清楚地说明本发明，而不限制本发明的范围。除上述实施例外，本发明还有其它实施方式，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保护范围之内。

Claims

1.一种用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，其化学成分及质量分数为： C：0.2~0.4%， Mn ：12~15%， Ni：14~18%， Cr：1.5~4.5%， Mo：0.1~0.6%， Ti ：0.005~0.040%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝形成的焊缝金属的显微组织为奥氏体。

3.如权利要求1所述的用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝形成的焊缝金属的-196℃夏比摆锤冲击试验冲击吸收能量≥34J。

4.如权利要求1所述的用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝直径为2.4mm。

5.如权利要求1所述的用于高锰低温钢气体保护焊的实芯焊丝，其特征在于，所述实芯焊丝焊接工艺参数如下：焊接电流为145~160A，电弧电压为11~13V，焊接速度为7~15cm/min，焊接热输入为6.8~17.7kJ/cm。