CN110480207A - 一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝 - Google Patents

一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按照质量百分含量计为C0.2％～0.9％，Si0.2％～0.45％，Mn1.2％～2.0％，Cr0.8％～2.5％，Ni2.0％～5.5％，Mo0.35％～1.0％，Ti0.2％～0.8％，Zr0.05％～0.25％，La0.01％～0.09％，Ce0.01％～0.09％，Pr0.002％～0.09％，Er0.01％～0.09％，Y0.01％～0.09％，Sc0.005％～0.045％，余量为铁；本发明的药芯焊丝能够完全满足超高强钢高韧性匹配要求，焊接工艺性能和力学性能优异。

Description

一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯 焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝。
背景技术
随着重型装备制造业不断大型化、专业化发展，高强钢可广泛应用于造船、钢结构、汽车制造、机械工程、高压容器、管道运输等制造业，高强钢在焊接结构中得到越来越广泛地应用，对高强钢焊接结构提出更高要求：
(1)高强钢具有较高的裂纹敏感性，这给高强钢焊接带来很大问题，高强钢焊接时接头处容易产生裂纹，裂纹经常在焊缝金属中产生或扩展，提高焊缝金属的抗裂性是防止裂纹的一个重要手段，焊接接头的拘束应力、扩散氢含量、化学成分等因素都会引发裂纹，焊缝金属抗裂性最佳的组织可通过控制焊条中的化学成份而得到。
(2)高强钢在焊接过程中焊接金属往往具有较差的塑性、韧性，焊接过程中，需要严格控制焊接工艺，以防止产生上贝氏体和M-A组元混合组织影响接头韧性，通过改变焊缝金属中合金元素含量是改变高强钢焊缝韧性的重要手段之一。
高强钢焊接过程中，高强钢焊缝金属裂纹敏感性和高强钢焊缝金属韧性问题尚未得到良好的解决，目前尚未研发出可以有效降低焊缝金属裂纹敏感性并且大幅提高焊缝金属韧性所匹配的高强钢焊丝。
发明内容
本发明目的在于解决1000MPa级超高强钢焊接过程中焊接接头低韧性和强度不足，以及焊接过程中裂纹敏感性问题，提供了一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，能够完全满足超高强钢高韧性匹配要求，有效降低超高强钢焊接过程中裂纹敏感性倾向，使焊缝金属具有良好的抗裂性，焊接工艺性能和力学性优异。
本发明所提供的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，其中，所述药芯的成分按照质量百分含量计为：C：0.2％～0.9％，Si：0.2％～0.45％，Mn：1.2％～2.0％，Cr：0.8％～2.5％，Ni：2.0％～5.5％，Mo：0.35％～1.0％，Ti：0.2％～0.8％，Zr：0.05％～0.25％，La：0.01％～0.09％，Ce：0.01％～0.09％，Pr：0.002％～0.09％，Er：0.01％～0.09％，Y：0.01％～0.09％，Sc：0.005％～0.045％，余量为铁。
本发明上述技术方案的设计思路是：一定量C元素的加入可以保证焊缝强度，Si、Mn在高强钢焊接过程中可对焊缝起到脱氧与提高焊缝强度的作用，Ni的加入可提高焊缝的冲击韧性并降低焊缝的韧脆转变温度，Cr和Mo的一定量加入可以保证焊缝金属具有较高的强度、硬度，Ti和Zr的加入可以起到脱氧作用的同时增加显微组织中针状铁素体的形成，提高焊缝金属冲击韧性，稀土元素的加入可以对焊缝起到脱氧脱氢、细化晶粒、降低高强钢焊接过程中裂纹敏感性的倾向。其中各成分作用如下：
碳(C)：形成固溶体组织，提高钢的强度，形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。
硅(Si)：是焊接过程中的脱氧剂，可防止焊接过程中一氧化碳气孔的产生，同时对焊缝起到固溶强化作用，提高焊缝金属的强度硬度。
锰(Mn)：可以对焊缝金属起到脱氧、脱硫的作用，降低焊缝金属在焊接过程中产生热裂纹的倾向，细化晶粒，抑制先共析铁素体的形成，促进针状铁素体的形成，对焊缝金属具有提高强度的作用。
铬(Cr)：对焊缝金属起到固溶强化和细化晶粒的作用，铬的加入可促进焊缝金属中针状铁素体和M-A组元的形成，并抑制先共析铁素体的形成，提高焊缝金属的强度。
镍(Ni)：具有增加焊缝组织中贝氏体和马氏体组织含量从而提高焊接接头强度的作用，细化原奥氏体晶粒，并能促进针状铁素体形成而改善接头低温冲击韧性和韧脆转变温度的作用。
钼(Mo)：会降低焊缝金属奥氏体转变温度，抑制焊缝金属中先共析铁素体的形成，促进焊缝金属中贝氏体转变，提高焊缝金属的强度硬度。
钛(Ti)：在焊接过程中钛与氧有极强的亲和力，形成的钛氧化物具有较高的熔点，可作为针状铁素体的形核核心，微量钛元素的添加可以增加显微组织中互锁的针状铁素体的形成，提高冲击韧性。
锆(Zr)：锆的加入促进夹杂物的球化，为钛氧化物和硫化锰提供大量的成核核心，锆氧化物的比重较大并且夹杂物细小分布，通过提高形核速率，有利于针状铁素体转变，减少贝氏体等其他相的形成，增强冲击韧性。
稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)：细化晶粒，促进针状铁素体的形成，改善焊缝金属中夹杂物的尺寸与形态分布，提高焊缝金属的韧性，提高焊缝金属脱氢脱氧的能力，减少焊接过程中焊缝金属中气孔的形成，降低裂纹敏感性。
稀土元素铒(Er)、钇(Y)、钪(Sc)：焊缝金属中加入铒、钇、钪元素可以有效地抑制共析铁素体的析出，同时，可以细化和球化夹杂物，促进针状铁素体的形核，氧化钇可显著降低焊缝金属夹杂物的扩散氢含量，降低焊缝金属的冷裂敏感性，稀土元素的联合加入时会在焊缝金属中形成不同碳化物和氧化物，这些混合粒子具有较高的活化能，有很高的捕氢效率，可以有效的降低焊缝金属中扩散氢含量。
在某一些实施方案中，所述药芯焊丝的直径为0.8～2.4mm。
在某一些实施方案中，所述药芯焊丝的填充量为24％～26％。
在某一些实施方案中，锆元素以锆英石形式加入。
在某一些实施方案中，钇元素以氧化钇形式加入。
在某一些实施方案中，铈元素以氧化铈形式加入。
在某一些实施方案中，镧、铈在所述药芯中的质量百分含量满足特定配比为1：1。
在某一些实施方案中，镧、铈、镨在所述药芯中的质量分数满足以下关系是：Pr＜La、Pr＜Ce。
在某一些实施方案中，铈、钇在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系是：0.02％≤Ce+Y≤0.18％。
在某一些实施方案中，铒、钇在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系是：0.01％≤Er≤Y≤0.09％。
在某一些实施方案中，钪、钇在所述药芯中的质量百分含量满足特定配比：1：2。
在某一些实施方案中，镧、铈、镨、铒、钇、钪在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系是：Er+Y+Sc≤La+Ce+Pr。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.焊丝中锰、镍、钛和稀土元素的加入，可对焊缝金属起到有效的脱氧、脱氢、脱硫的作用，并且细化组织晶粒，有效改善焊缝金属的塑性、韧性，铬、钼等元素的加入可以保证了高强钢在焊接后焊缝金属提高韧性的同时保持高强度的作用。
2.多种复合稀土元素的加入相比于单一稀土元素的加入，在熔敷金属中弥散分布，促进初生碳化物与异质形核的形成，改善强化相与二次相的析出，更好的促进夹杂物的细化与球化，使夹杂物能够更换好的均匀分布，抑制先共析铁素体并且促进针状铁素体的形成，细化晶粒，进一步提高焊接接头的强度，改善组织韧性，降低扩散氢含量，降低焊缝金属裂纹敏感性，效果更佳明显。
3.稀土元素铈和钇等稀土元素的联合加入相比于单一稀土元素的加入具有更高的捕氢效率，可以有效的降低扩散氢含量，降低高强钢焊接过程中裂纹敏感性。
附图说明
图1是直径Φ1.2mm复合稀土元素药芯焊丝的焊接工艺窗口。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进一步解释说明。
实施例1
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.32％、Si：0.22％、Mn：1.25％、Cr：1.2％、Ni：2.5％、Mo：0.55％、Ti：0.33％、Zr：0.08％、La：0.05％、Ce：0.05％、Pr：0.02％、Er：0.02％、Y：0.03％、Sc：0.015％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ1.2mm，其焊接工艺窗口如图1所示。
药芯焊丝的填充率为25.5％。
实施例2
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.37％、Si：0.25％、Mn：1.44％、Cr：1.55％、Ni：3.5％、Mo：0.68％、Ti：0.44％、Zr：0.12％、La：0.03％、Ce：0.03％、Pr：0.01％、Er：0.01％、Y：0.04％、Sc：0.02％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ2.4mm。
药芯焊丝的填充率为25％。
实施例3
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.44％、Si：0.27％、Mn：1.80％、Cr：1.2％、Ni：4.8％、Mo：0.43％、Ti：0.6％、Zr：0.17％、La：0.04％、Ce：0.04％、Pr：0.025％、Er：0.02％、Y：0.03％、Sc：0.015％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ1.6mm。
药芯焊丝的填充率为26％。
实施例4
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.28％、Si：0.32％、Mn：1.28％、Cr：0.97％、Ni：3.2％、Mo：0.45％、Ti：0.23％、Zr：0.07％、La：0.035％、Ce：0.035％、Pr：0.015％、Er：0.02％、Y：0.03％、Sc：0.015％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ2.0mm。
药芯焊丝的填充率为25.5％。
实施例5
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.36％、Si：0.31％、Mn：1.5％、Cr：0.88％、Ni：4.38％、Mo：0.38％、Ti：0.57％、Zr：0.15％、La：0.055％、Ce：0.055％、Pr：0.03％、Er：0.02％、Y：0.05％、Sc：0.025％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ1.2mm。
药芯焊丝的填充率为24％。
实施例6
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.42％、Si：0.41％、Mn：1.25％、Cr：0.86％、Ni：4.22％、Mo：0.37％、Ti：0.55％、Zr：0.21％、La：0.03％、Ce：0.03％、Pr：0.01％、Er：0.02％、Y：0.03％、Sc：0.015％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ0.8mm。
药芯焊丝的填充率为24.5％。
实施例7
本实施例提出的一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，药芯按焊丝质量分数包括以下成分：C：0.52％、Si：0.42％、Mn：1.22％、Cr：1.8％、Ni：4.38％、Mo：0.42％、Ti：0.48％、Zr：0.22％、La：0.06％、Ce：0.06％、Pr：0.02％、Er：0.01％、Y：0.07％、Sc：0.035％，其余为铁。
焊丝按常规制备方法拉拔至Φ1.6mm。
药芯焊丝的填充率为25.5％。
对比例1和2选自市面某品牌1000MPa等强度级别的药芯焊丝。
表1：低碳钢外皮化学成分
规格(mm) C Si Mn S P N
0.8×14 0.12 0.08 0.12 0.004 0.003 0.001
表2：焊接参数
表3：熔敷金属力学性能
表4：焊接工艺性能综合对比
由上述实施例1～7中熔敷金属力学性能和焊接工艺性能数据可以表明，本发明适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝其各项性能均能满足要求，由于复合稀土元素的加入在降低扩散氢含量上效果明显，扩散氢含量降低了60％左右。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种适用于1000MPa级超高强钢焊接的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，由药芯和包覆在药芯外侧的低碳钢带组成，所述药芯的成分按照质量百分含量计为：C：0.2％～0.9％，Si：0.2％～0.45％，Mn：1.2％～2.0％，Cr：0.8％～2.5％，Ni：2.0％～5.5％，Mo：0.35％～1.0％，Ti：0.2％～0.8％，Zr：0.05％～0.25％，La：0.01％～0.09％，Ce：0.01％～0.09％，Pr：0.002％～0.09％，Er：0.01％～0.09％，Y：0.01％～0.09％，Sc：0.005％～0.045％，余量为铁。
2.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝的直径为0.8～2.4mm。
3.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝内所述药芯的填充量为24％～26％。
4.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，
锆(Zr)元素以锆英石形式加入；和/或
钇(Y)元素以氧化钇形式加入；和/或
铈(Ce)元素以氧化铈形式加入。
5.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，镧(La)和铈(Ce)在所述药芯中的质量百分含量之比为1：1。
6.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，镧(La)、铈(Ce)和镨(Pr)在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系：Pr＜La、Pr＜Ce。
7.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，铈(Ce)和钇(Y)在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系：0.02％≤Ce+Y≤0.18％。
8.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，铒(Er)和钇(Y)在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系：0.01％≤Er≤Y≤0.09％。
9.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，钪(Sc)和钇(Y)在所述药芯中的质量百分含量之比为1：2。
10.如权利要求1所述的含复合稀土元素药芯焊丝，其特征在于，镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、铒(Er)、钇(Y)、钪(Sc)在所述药芯中的质量百分含量满足以下关系：Er+Y+Sc≤La+Ce+Pr。
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