CN110614458A - 一种高强度钢埋弧绞股焊丝及其焊接方法 - Google Patents

一种高强度钢埋弧绞股焊丝及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.08‑1.2％，锰0.4‑0.8％，铜0.05‑0.1％，镍0.1‑0.2％，锆0.1‑0.2％，硅0.11‑0.18％，钼0.02‑0.08％，钛0.01‑0.02％，硼0.2‑0.4％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。本发明公开了上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，对待焊接的钢板进行预处理，接着进行内侧焊接和外侧焊接，然后加热，保温，空冷。本发明焊接形成的焊缝具有低温冲击韧性好，屈强比低，强度高，成型美观等优点；而且焊接飞溅小，焊接工艺性能优良。

Description

一种高强度钢埋弧绞股焊丝及其焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种高强度钢埋弧绞股焊丝及其焊接方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，高强度钢埋弧焊丝在轮船修造等领域中得到广泛应用。其中利用低合金高强钢制备的钢结构一般需要采取焊接工序以实现连接目的，而为消除焊接应力或满足相关工艺要求，焊接后的钢结构需要高温回火。低合金高强钢采用常规Mo-Ti-B焊丝进行焊接，焊接后的焊缝低温韧性良好，但是焊缝回火后韧性明显下降，直接影响这些钢结构的质量和安全性，而焊缝及热影响区是最薄弱的部位，因此提高焊缝韧性对于轮船修造钢结构的安全性至关重要。
船舶修造通常采用高强度直缝埋弧焊管进行生产，采用国内目前市场上的各种埋弧焊丝焊接钢管时，常常出现回火后焊缝的低温韧性波动和明显下降的问题，亟待解决。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度钢埋弧绞股焊丝及其焊接方法，焊接形成的焊缝具有低温冲击韧性好，屈强比低，强度高，成型美观等优点；而且焊接飞溅小，焊接工艺性能优良。
本发明提出的一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.08-1.2％，锰0.4-0.8％，铜0.05-0.1％，镍0.1-0.2％，锆0.1-0.2％，硅0.11-0.18％，钼0.02-0.08％，钛0.01-0.02％，硼0.2-0.4％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
优选地，镍元素所占质量百分比与铜元素所占质量百分比的比为12-18：6-8。
优选地，其组分按质量百分比包括：碳0.35-0.95％，锰0.5-0.7％，铜0.06-0.08％，镍0.12-0.18％，锆0.13-0.17％，硅0.13-0.16％，钼0.04-0.06％，钛0.012-0.018％，硼0.25-0.35％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
优选地，钛元素所占质量百分比与硼元素所占质量百分比的比为1.4-1.6：28-32。
优选地，其组分按质量百分比包括：碳0.55-0.75％，锰0.55-0.65％，铜0.065-0.075％，镍0.14-0.16％，锆0.14-0.16％，硅0.14-0.15％，钼0.045-0.055％，钛0.014-0.016％，硼0.28-0.32％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的制备方法，将原料采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为4-5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗、拔丝、镀铜后制成直径为2-3mm焊丝。
本发明提出的上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，对待焊接的钢板进行预处理，接着进行内侧焊接和外侧焊接，然后加热，保温，空冷。
优选地，预处理包括：埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为50-60°，坡口间隙为2-5mm；
优选地，内侧焊接过程中，焊接热输入量为J1，单位为kJ/cm，同时满足J1＝K1(50×n硅+25×n钼)+50，K1的值为97-101，其中n硅为硅元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比，n钼为钼元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比。
优选地，外侧焊接过程中，焊接热输入量为J2，单位为kJ/cm，同时满足J2＝K2(100×n钛+20×n硼)+50，K2的值为99-103，其中n钛为钛元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比，n硼为硼元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比。
优选地，焊接过程中焊接速度为1-1.4m/min，焊接后加热至540-590℃。
本发明所得高强度钢埋弧绞股焊丝的组分中，若碳元素含量过高会恶化焊接性，增加冷裂纹倾向，可使二次加热焊缝组织中马奥岛(由马氏体和奥氏体组成的形态像岛状的组织)含量增加，从而损害焊缝的冲击韧性；又考虑到焊缝强度及焊接过程中碳的烧损和后续焊缝的回火处理，本发明将焊丝中的碳元素含量控制在0.08-1.2％之间。
锰元素能有效增加焊缝强度和脱氧效果，有利于细化焊缝晶粒，增加针状铁素体含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝的韧性；但锰元素和硫元素结合易形成MnS，产生带状偏析，从而使焊缝易于表现出高硬度，易产生裂纹，而降低锰元素和硫元素的含量可以明显降低MnS数量和大小，但如果锰元素含量过少，焊缝中先共析铁素体的数量会大幅度增加，针状铁素体的数量会显著减少而且也变得更粗大，导致焊缝夏比冲击韧性低；由于增加镍元素含量可以弥补降低锰带来的副作用，故本发明降低锰元素含量，控制锰元素含量在0.4-0.8％之间，减少了高锰导致的锰偏析，从而也解决了MnS偏析带导致焊缝回火韧性不稳定的问题。
若磷元素含量过高的话，易产生磷偏聚，导致焊缝回火韧性不稳定，故降低磷元素含量至0.01％以下，以减轻磷偏聚导致焊缝回火韧性不稳定的问题；
增加镍元素和铜元素的含量主要用来调节焊缝强度和韧性，若单纯降低锰元素含量会使焊缝强度与韧性都明显降低，单纯增加镍元素含量可以改善焊缝韧性，但焊缝强度不能满足要求，故可加入含量大于0.5％的铜元素，使其高温回火时能析出ε-铜，即可明显提高焊缝强度又不影响焊缝低温韧性；另外，控制镍元素含量与铜元素含量之比大于1.5可以避免焊缝凝固时产生低熔点铜而产生裂纹；
硅元素主要在焊缝金属中起到脱氧作用，通过镇静熔池、增加熔池流动性来消除气孔的作用提高焊接性。但焊接及热处理时，如果硅元素含量过高，会增加焊缝中块状铁素体含量，使焊缝韧性恶化。因此本发明焊丝中的硅元素含量限定为0.11-0.18％。
钼元素能增加材料的淬透性和冲击韧性，故本发明中的钼元素含量控制在0.02-0.08％之间；而适当的钛元素和硼元素能达到细化针状铁素体的目的，使焊缝获得良好的强韧性，本发明降低了钛元素含量，并控制钛元素与硼元素的含量之比为1.4-1.6：28-32，保证了焊缝韧性，同时显著改善在回火时减少钛氮氧化物析出和硼偏聚所带来对焊缝韧性的影响。
本发明采用低碳低锰多元复合合金化的方式作为化学成分设计原则，从而达到焊缝与母材的化学成份及理化性能的最佳匹配，其中硅元素主要在焊缝金属中起到脱氧作用，增加钼元素含量能增加材料的淬透性和冲击韧性，适当的钛元素和硼元素含量能达到细化针状铁素体的目的，使焊缝获得良好的强韧性。
本发明通过确定内侧焊接的焊接热输入量J1满足J1＝K1(50×n硅+25×n钼)+50，确定外侧焊接的焊接热输入量J2满足为J2＝K2(100×n钛+20×n硼)+50，并采用上述埋弧绞股焊丝对钢结构进行埋弧焊接，该钢结构经过520-650℃回火后的焊缝的抗拉强度760MPa，-20℃冲击功平均值大于120J，且焊缝回火后的低温韧性比较稳定，通过上述J1、J2参数的确定，既能保证钢结构的焊缝具有良好的韧性，又能使焊接后的钢结构只通过回火工艺即可满足焊缝对强度与韧性的要求。
采用本发明的高强度钢埋弧绞股焊丝焊接形成的焊缝具有低温冲击韧性好，屈强比低，强度高，成型美观等优点；而且焊接飞溅小，焊接工艺性能优良。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.08％，锰0.8％，铜0.05％，镍0.2％，锆0.1％，硅0.18％，钼0.02％，钛0.02％，硼0.2％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为50°，坡口间隙为5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1m/min；然后加热至590℃，保温，空冷。
实施例2
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳1.2％，锰0.4％，铜0.1％，镍0.1％，锆0.2％，硅0.11％，钼0.08％，钛0.01％，硼0.4％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为60°，坡口间隙为2mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.4m/min；然后加热至540℃，保温，空冷。
实施例3
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.35％，锰0.7％，铜0.06％，镍0.18％，锆0.13％，硅0.16％，钼0.04％，钛0.018％，硼0.25％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为52°，坡口间隙为4.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.1m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.91kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为56.73kJ/cm；然后加热至580℃，保温，空冷。
实施例4
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.95％，锰0.5％，铜0.08％，镍0.12％，锆0.17％，硅0.13％，钼0.06％，钛0.012％，硼0.35％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为58°，坡口间隙为2.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.3m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.08kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为58.12kJ/cm；然后加热至550℃，保温，空冷。
实施例5
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.55％，锰0.65％，铜0.065％，镍0.16％，锆0.14％，硅0.15％，钼0.045％，钛0.016％，硼0.28％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为54°，坡口间隙为4mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为58.63m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.63kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.20kJ/cm；然后加热至570℃，保温，空冷。
实施例6
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.75％，锰0.55％，铜0.075％，镍0.14％，锆0.16％，硅0.14％，钼0.055％，钛0.014％，硼0.32％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为56°，坡口间隙为3mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.25m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.38kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.80kJ/cm；然后加热至560℃，保温，空冷。
实施例7
一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.145％，钼0.05％，钛0.015％，硼0.30％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.50kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.50kJ/cm；然后加热至565℃，保温，空冷。
对比例1
一种埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.20％，钼0.10％，钛0.015％，硼0.30％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为62.5kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.50kJ/cm；然后加热至565℃，保温，空冷。
对比例2
一种埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.145％，钼0.05％，钛0.03％，硼0.10％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.50kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为55.00kJ/cm；然后加热至565℃，保温，空冷。
对比例3
一种埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.145％，钼0.05％，钛0.015％，硼0.30％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为57.00kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.50kJ/cm；然后加热至565℃，保温，空冷。
对比例4
一种埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.145％，钼0.05％，钛0.015％，硼0.30％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.50kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为60kJ/cm；然后加热至565℃，保温，空冷。
对比例5
一种埋弧绞股焊丝，其组分按质量百分比包括：碳0.65％，锰0.6％，铜0.07％，镍0.15％，锆0.15％，硅0.145％，钼0.05％，钛0.015％，硼0.30％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
上述埋弧绞股焊丝的焊接方法，待焊接钢板的埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为55°，坡口间隙为3.5mm，接着进行内侧焊接和外侧焊接，焊接速度为1.2m/min；其中，内侧焊接过程中，焊接热输入量为58.50kJ/cm；外侧焊接过程中，焊接热输入量为57.50kJ/cm；然后加热至500℃，保温，空冷。
将实施例7所得焊缝与对比例1-5所得焊缝进行机械性能测试，其结果如下：
抗拉强度，Mpa -20℃冲击功<sub>最小值</sub>，J -20℃冲击功<sub>平均值</sub>，J
实施例7 764 151 176
对比例1 726 72 117
对比例2 718 76 125
对比例3 735 129 151
对比例4 741 104 138
对比例5 715 94 130
从上表可知：采用本发明所得焊丝及焊接方法，所得焊缝的抗拉强度大于760MPa，-20℃冲击功平均值都大于150J；与对比例相比，本发明中钢管焊缝回火后的-20℃冲击功最小值与-20℃冲击功平均值均高于对比例，且波动幅度不大，其低温韧性比较稳定，故本发明所得焊缝具有较高的机械性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度钢埋弧绞股焊丝，其特征在于，其组分按质量百分比包括：碳0.08-1.2％，锰0.4-0.8％，铜0.05-0.1％，镍0.1-0.2％，锆0.1-0.2％，硅0.11-0.18％，钼0.02-0.08％，钛0.01-0.02％，硼0.2-0.4％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
2.根据权利要求1所述高强度钢埋弧绞股焊丝，其特征在于，镍元素所占质量百分比与铜元素所占质量百分比的比为12-18：6-8。
3.根据权利要求2所述高强度钢埋弧绞股焊丝，其特征在于，其组分按质量百分比包括：碳0.35-0.95％，锰0.5-0.7％，铜0.06-0.08％，镍0.12-0.18％，锆0.13-0.17％，硅0.13-0.16％，钼0.04-0.06％，钛0.012-0.018％，硼0.25-0.35％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
4.根据权利要求1所述高强度钢埋弧绞股焊丝，其特征在于，钛元素所占质量百分比与硼元素所占质量百分比的比为1.4-1.6：28-32。
5.根据权利要求2或4所述高强度钢埋弧绞股焊丝，其特征在于，其组分按质量百分比包括：碳0.55-0.75％，锰0.55-0.65％，铜0.065-0.075％，镍0.14-0.16％，锆0.14-0.16％，硅0.14-0.15％，钼0.045-0.055％，钛0.014-0.016％，硼0.28-0.32％，磷＜0.01％，硫≤0.005％，其余为铁和难以避免的杂质。
6.一种如权利要求1-5任一项所述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，其特征在于，对待焊接的钢板进行预处理，接着进行内侧焊接和外侧焊接，然后加热，保温，空冷。
7.根据权利要求6所述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，其特征在于，预处理包括：埋弧焊坡口采用对称双面X型坡口，坡口角度为50-60°，坡口间隙为2-5mm。
8.根据权利要求6所述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，其特征在于，内侧焊接过程中，焊接热输入量为J1，单位为kJ/cm，同时满足J1＝K1(50×n硅+25×n钼)+50，K1的值为97-101，其中n硅为硅元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比，n钼为钼元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比。
9.根据权利要求6所述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，其特征在于，外侧焊接过程中，焊接热输入量为J2，单位为kJ/cm，同时满足J2＝K2(100×n钛+20×n硼)+50，K2的值为99-103，其中n钛为钛元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比，n硼为硼元素在所述高强度钢埋弧绞股焊丝中所占质量百分比。
10.根据权利要求6所述高强度钢埋弧绞股焊丝的焊接方法，其特征在于，焊接过程中焊接速度为1-1.4m/min，焊接后加热至540-590℃。
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CN112091475A (zh) * 2020-09-16 2020-12-18 黑龙江科技大学 一种镁合金焊丝的制备方法

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