CN110076477A

CN110076477A - 一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法

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Publication number: CN110076477A
Application number: CN201910346328.1A
Authority: CN
Inventors: 栗卓新; 苏小虎; 李红
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: CN110076477B

Abstract

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，属于材料加工工程中的焊接领域。采用金属芯焊丝，焊丝由低碳钢带和药芯组成，药芯组成及重量百分比为：中碳锰铁+电解锰：8％～25％，硅铁+硅钙合金：5.5％～10.5％，镍粉+钼粉+铬粉：14％～18％，钛铁1％～3％，氟化钠：1％～3％，钴粉+稀土氧化钇：3％～9％；合金粉末粒径为80～100钼；药芯填充率为15～25％。采用多层焊焊接，热输入控制在1.1～2.6kJ/mm，层间温度为150～160℃，焊丝干伸长16～25mm，保护气为5～20％CO₂+Ar。气流量为20L/mm。多层焊熔敷金t_8/5约处于6～12s。熔敷金属力学性能优异。

Description

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体一种金属芯焊丝多道焊熔敷金属粗晶区中获得复相分割微观结构的方法。

背景技术

850MPa级以上高强钢广泛应用高层建筑、大跨度重载桥梁、大型高性能船舰、海洋钻井平台等对安全性要求极高的领域，且主要以焊接结构使用。然而缺乏与之等强韧性匹配的焊接材料使其发展和工程应用受到限制。其根本原因是以针状铁素体(AF)及Mn-Si、Ti-B为基础的690MPa级以下熔敷金属强韧化理论已经不能指导新一代高强钢焊接熔敷金属的设计。

在专利号为201310534846.9发明名称为《基于ULCB组织的用于高强钢焊接的气保护焊金属芯焊丝》中，公开了一种以基于形成复相分割组织的金属芯焊丝。该专利所描述的复相分割结构可使高强钢金属粉芯焊丝焊接熔敷金属抗拉强度达到800～950MPa，延伸率＞18％，-40℃冲击韧性达到60J以上。然而此专利只是介绍如何在熔敷金属中获得复相分割微观结构。

采用多道焊接钢材在焊接熔敷金属中会形成道间热影响区。研究表明道间粗晶区因为晶粒内粗大的树枝晶以及晶间粗大的M-A组元是整个焊缝的薄弱地带。粗晶区韧性改善将会提高整个熔覆金属乃至整个接头的韧性。

因此850MPa级以上高强钢要想获得一个非常稳固的焊接接头，需要在其多层焊熔敷金属粗晶区中实现复相分割微观结构。

发明内容

针对于此，本发明通过对焊丝调整合金元素含量以及焊接工艺不仅保证金属粉芯焊丝熔敷金属抗拉强度≥850MPa，-40℃吸收功≥65J。同时保证熔敷金属多层焊粗晶区实现复相分割微观结构，实现良好的低温冲击韧性。

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先制备气保护焊金属芯焊丝，由低碳钢带和药芯组成，所述低碳钢带中碳的质量百分比含量为0.025～0.035％，所述药芯组成及质量百分比为：中碳锰铁+电解锰：8％～25％，硅铁+硅钙合金：5％～10％，镍粉+钼粉+铬粉：14％～18％，钛铁1％～3％，氟化钠：1％～3％，钴粉+稀土氧化钇3％～9％，余量为铁粉；所述药粉粒径均为80～100钼；药芯填充率为15～25％。

进一步讲，所述中碳锰铁中锰的质量百分比为：50％～80％，硅的质量百分比为：1％～5％，碳的质量百分比为：1％～5％，其余为铁和杂质元素；硅钙合金中硅的质量百分比为50％～70％，钙的含量为20％～40％，其余为铁和杂质元素；硅铁中硅的质量分数为35％～55％，其余为铁和杂质元素；钛铁中，钛的质量百分比为15％～32％，余量为铁和杂质元素；电解锰中锰含量99％以上，其余为铁和杂质元素；镍粉中镍含量99％以上，其余为铁和杂质元素；钼粉中钼元素99％以上，其余为铁和杂质元素；铬粉中铬元素99％以上，其余为铁和杂质元素；钴粉中钴元素99％以上，其余为铁和杂质元素；稀土氧化钇中氧化钇元素99％以上，其余为铁和杂质元素。

试验优选表明：钴粉与硅钙合金质量比值为0.6～1，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.3～0.5，熔敷金属可达到较优的强韧性匹配。

金属芯焊丝可以采用常规药芯焊丝制备技术所得。

金属芯焊丝直径优选1.2mm，采用多层焊焊接方式，热输入处于1.1～2.6kJ/mm，层间温度为150～160℃，焊丝干伸长16～25mm，保护气为5～20％CO₂+Ar，气流量为20L/mm。多层焊熔敷金属t_8/5约处于6～12s。

测得金属芯焊丝熔敷金属化学成分为：C：0.03～0.06％、Mn：1.8％～2.1％、Si：0.55％～0.72％、Mo：0.60％～0.76％、Cr：0.20％～0.40％、Ni：2.20％～2.50％、Ti：0.01～0.02％；Co：0.05％～0.25％、Ca：0.1％～0.4％，Co/Ca＝1.8～3，余量为Fe和Y。熔敷金属力学性能指标为：抗拉强度≥850MPa，屈服强度≥780MPa，延伸率＞18％，-40℃冲击吸收功≥65J。保证其在多道焊粗晶区微观组织中实现复相分割微观结构并保证拥有良好的冲击韧性。

复相分割微观结构包括蜕化上贝氏体(DUB)、针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)。DUB叫无碳板条贝氏体，由板条式排布的铁素体及铁素体条间分布的M-A组元或残余奥氏体组成。DUB铁素体板条间无碳化物，且位错密度高，在复相分割微观结构中充当韧化相。AF在奥氏体晶内在非金属夹杂物体上异质形核，并呈放射状生长。GB由呈近似等轴块状的铁素体，以及铁素体内部弥散分布的M-A组元组成。在复相分割微观结构中，GB、AF充当强化相。复相分割设计思想：在DUB形核长大过程中，其铁素体条撞上已经形核长大的AF和GB后会停止生长。已经生长的组织(主要是AF)将原奥氏体晶粒实现分割导致后续生长的组织只能在被分割后的区域内长大，不至于过分长大从而实现晶粒细化。

本发明思想：通过调整合金元素含量以及焊接工艺不仅保证金属粉芯焊丝熔敷金属抗拉强度≥850MPa，-40℃冲击吸收功≥65J。同时保证熔敷金属多层焊粗晶区实现复相分割微观结构，实现良好的低温冲击韧性。

金属芯焊丝中，各元素作用如下：

C可有限扩大γ相区，具有固溶强化、析出强化、细晶强化等多重强化作用，当C含量过高将生成传统的贝氏体组织同时会产生硬脆的马氏体组织，严重恶化冲击韧性。

Mn可无限扩大γ相区，降低γ→α转变温度，具有较强的固溶强化和脱氧脱硫作用。适量Mn可以细化晶粒，增加AF含量，减少PF和FSP含量，提高熔敷金属的强度和冲击韧性。Mn由中碳锰铁和电解锰共同提供。

Si可封闭可γ相区，无限扩大α相区，在α-Fe中无限固溶起到固溶强化作用，确保熔敷金属的强度，同时保护Mn在焊接过程中不被过量氧化烧损，降低O含量。Si主要由硅铁合硅钙合金提供，少量的Si来自中碳锰铁。

Cr可封闭可γ相区，无限扩大α相区，具有较强的固溶强化作用，可明显增加熔敷金属的淬硬倾向，降低γ→α相转变温度，显著控制相变组织类型。Cr由铬粉提供。

Mo可封闭可γ相区，有限扩大α相区，是熔敷金属中控制贝氏体相变的重要组分，可通过固溶强化提高强度，抑制PF形核，缩短贝氏体转变孕育期，延长铁素体-珠光体转变孕育期，在较宽的焊接热循环冷却范围内获得贝氏体组织。Mo由钼粉提供。

Ni可无限扩大γ相区，降低γ→α相转变温度，可通过细化晶粒和固溶强化使熔敷金属获得强化效果，同时能够显著改善冲击韧性和抗冷裂性能。Ni由镍粉提供。

Ti可封闭γ相区，有限扩大α相区，在熔敷金属中与Zr一起形成非金属氧化物夹杂，为AF晶内形核提供形核质点。优先形核长大的AF可分割原奥氏体晶粒限制后续形核的蜕化上贝氏体(DUB)、马氏体(M)组织，有效细化晶粒，提高冲击韧性。Ti由钛铁提供。

Y具有脱硫磷、脱氧作用，同时其可通过氧化夹杂以及细化熔敷金属中的氧化物夹杂来提高焊接熔敷金属的强韧性。Y由氧化钇提供。

Ca是主要的脱氧、脱硫元素。同时由于可以阻止第二相粒子的长大，钙可以提高焊接熔敷金属韧性。Ca由硅钙合金提供。

Co能显著提升焊缝中合金元素的固溶强化作用，并且能够韧化基体，加入量过低不利于提高焊接熔敷金属强度，加入量过高熔敷金属强度提高，但是韧性会降低。Co由钴粉提供。

Fe：调节成分，保证电弧稳定性，减少飞溅，提高熔敷效率。

金属焊丝1.2mm，采用多层焊时的焊接方式，热输入处于1.1～2.6kJ/mm，层间温度为150～160℃，焊丝干伸长16～25mm，保护气为5～20％CO₂+Ar。气流量为20L/mm。多层焊熔敷金属t_8/5约处于6～12s。这实验表明：t_8/5控制处于6～12s时，粗晶区可获得复相分割微观结构。当t_8/5过大，则会造成组织轴向生长缓慢，组织中蜕化上贝氏体(DUB)消失，不能形成复相分割结构。当t_8/5过小，组织轴向生长过快，DUB会贯穿整个奥氏体，不能有效分割。t_8/5控制处于6～12s时，可以形成有效分割的复相分割微观结构。

与现有技术相比,本发明具有以下效果：

通过调整合金元素含量以及相配套焊接工艺不仅保证金属粉芯焊丝熔敷金属微观组织实现复相分割微观结构，使其抗拉强度大于850MPa，-40℃吸收功≥65J。同时保证熔敷金属多层焊粗晶区实现复相分割微观结构，实现良好的低温冲击韧性。

附图说明

图1：复相分割示意图；

图2：实施例1粗晶区复相分割结构扫描图；

图3：实施例2粗晶区复相分割结构扫描图；

图4：实施例3粗晶区复相分割结构扫描图；

图5：实施例4粗晶区复相分割结构扫描图；

图6：实施例5粗晶区复相分割结构扫描图。

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

实施例1

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，焊丝包括药皮和低碳钢带。钢带宽度和厚度为12*0.8mm。药芯的化学组成重量为：中碳锰铁+电解锰：16％，硅铁+硅钙合金：7.5％，镍粉+钼粉+铬粉：16％，钛铁：1％，氟化钠：1％，钴粉+稀土氧化钇：3％，钴粉与硅钙合金质量比值为1，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.5，硅钙合金与稀土氧化钇质量比值为0.5余量为铁粉；合金粉末粒径为80～100钼；药芯中药粉的填充率为：20％。多道焊焊接参数如表1所示。合金元素成分如表4所示。熔敷金属力学性能如表5所示。粗晶区形成如图2的复相分割微观结构。

实施例2

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，焊丝包括药皮和低碳钢带。钢带宽度和厚度为12*1.0mm。的药芯的化学组成重量为：中碳锰铁+电解锰：25％，硅铁+硅钙合金：6％，镍粉+钼粉+铬粉：16％，钛铁：1％，氟化钠：2％，钴粉+稀土氧化钇：4.5％，钴粉与硅钙合金质量比值为0.8，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.4，硅钙合金与稀土氧化钇质量比值为0.5余量为铁粉；合金粉末粒径为80～100钼；药芯中药粉的填充率为：15％。多道焊焊接参数如表1所示。合金元素成分如表4所示。熔敷金属力学性能如表5所示。粗晶区形成如图3的复相分割微观结构。

实施例3

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，焊丝包括药皮和低碳钢带。钢带宽度和厚度为14*0.8mm。药芯的化学组成重量为：中碳锰铁+电解锰：24％，硅铁+硅钙合金：5.5％，镍粉+钼粉+铬粉：14％，钛铁：2％，氟化钠：2％，钴粉+稀土氧化钇：6％，钴粉与硅钙合金质量比值为0.6，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.3，硅钙合金与稀土氧化钇质量比值为0.5，余量为铁粉；合金粉末粒径为80～100钼；药芯中药粉的填充率为：25％。多道焊焊接参数如表1所示。合金元素成分如表4所示。熔敷金属力学性能如表5所示。粗晶区形成如图4的复相分割微观结构。

实施例4

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，焊丝包括药皮和低碳钢带。钢带宽度和厚度为14*1.0mm。药芯的化学组成重量为：中碳锰铁+电解锰：10％，硅铁+硅钙合金：7％，镍粉+钼粉+铬粉：15％，钛铁：2％，氟化钠：3％，钴粉+稀土氧化钇：8％，钴粉与硅钙合金质量比值为0.8，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.4，硅钙合金与稀土氧化钇质量比值为0.5余量为铁粉；合金粉末粒径为80～100钼；药芯中药粉的填充率为：23％。多道焊焊接参数如表2所示。合金元素成分如表4所示。熔敷金属力学性能如表5所示。粗晶区形成如图5的非复相分割微观结构。

实施例5

一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，焊丝包括药皮和低碳钢带。钢带宽度和厚度为14*1.0mm。药芯的化学组成重量为：中碳锰铁+电解锰：22％，硅铁+硅钙合金：5％，镍粉+钼粉+铬粉：14％，钛铁：3％，氟化钠：2％，钴粉+稀土氧化钇：9％，钴粉与硅钙合金质量比值为0.6，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.6，硅钙合金与稀土氧化钇质量比值为1。余量为铁粉；合金粉末粒径为80～100钼；药芯中药粉的填充率为：24％。多道焊焊接参数如表3所示。合金元素成分如表4所示。熔敷金属力学性能如表5所示。粗晶区形成如图6的非复相分割微观结构。

上述实施例1～5的药芯的化学组成，中碳锰铁中锰的质量百分比为：50％～80％，含有微量硅，其余为铁和杂质元素；硅钙合金中硅的质量百分比为50％～70％，钙的含量为20％～40％，其余为铁和杂质元素；硅铁中硅的质量分数为35％～55％，其余为铁和杂质元素；钛铁中，钛的质量百分比为15％～32％，余量为铁和杂质元素；电解锰中锰含量99％以上，其余为铁和杂质元素；镍粉中镍含量99％以上，其余为铁和杂质元素；钼粉中钼元素99％以上，其余为铁和杂质元素；铬粉中铬元素99％以上，其余为铁和杂质元素；钴粉中钴元素99％以上，其余为铁和杂质元素；稀土氧化钇中氧化钇元素99％以上，其余为铁和杂质元素。

表1：实施例1焊丝多道焊焊接参数

表2：实施例2焊丝多道焊焊接参数

表3：实施例3焊丝多道焊焊接参数

表4：实施例4焊丝多道焊焊接参数

表5：实施例5焊丝多道焊焊接参数

表4实施例1～5焊接熔敷金属化学成分(％)

表5实施例1～5焊接多层焊熔敷金属力学性能以及多层焊熔敷金属t_8/5

尽管上述对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先制备气保护焊金属芯焊丝，由低碳钢带和药芯组成，所述低碳钢带中碳的质量百分比含量为0.025～0.035％，所述药芯组成及质量百分比为：中碳锰铁+电解锰：8％～25％，硅铁+硅钙合金：5％～10％，镍粉+钼粉+铬粉：14％～18％，钛铁1％～3％，氟化钠：1％～3％，钴粉+稀土氧化钇3％～9％，余量为铁粉；所述药粉粒径均为80～100钼；药芯填充率为15～25％；

钴粉与硅钙合金质量比值为0.6～1，钴粉与稀土氧化钇质量比值为0.3～0.5；

然后采用多层焊焊接方式，热输入处于1.1～2.6kJ/mm，层间温度为150～160℃，焊丝干伸长16～25mm，保护气为5～20％CO₂+Ar，气流量为20L/mm，多层焊熔敷金属t_8/5约处于6～12s；

使得最终测得金属芯焊丝熔敷金属化学成分为：C：0.03～0.06％、Mn：1.8％～2.1％、Si：0.55％～0.72％、Mo：0.60％～0.76％、Cr：0.20％～0.40％、Ni：2.20％～2.50％、Ti：0.01～0.02％；Co：0.05％～0.25％、Ca：0.1％～0.4％，Co/Ca＝1.8～3，余量为Fe和Y。

2.按照权利要求1所述的一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，其特征在于，所述中碳锰铁中锰的质量百分比为：50％～80％，硅的质量百分比为：1％～5％，碳的质量百分比为：1％～5％，其余为铁和杂质元素；硅钙合金中硅的质量百分比为50％～70％，钙的含量为20％～40％，其余为铁和杂质元素；硅铁中硅的质量分数为35％～55％，其余为铁和杂质元素；钛铁中，钛的质量百分比为15％～32％，余量为铁和杂质元素；电解锰中锰含量99％以上，其余为铁和杂质元素；镍粉中镍含量99％以上，其余为铁和杂质元素；钼粉中钼元素99％以上，其余为铁和杂质元素；铬粉中铬元素99％以上，其余为铁和杂质元素；钴粉中钴元素99％以上，其余为铁和杂质元素；稀土氧化钇中氧化钇元素99％以上，其余为铁和杂质元素。

3.按照权利要求1所述的一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，其特征在于，金属芯焊丝直径为1.2mm。

4.按照权利要求1所述的一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的方法，其特征在于，复相分割微观结构包括蜕化上贝氏体(DUB)、针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)。