CN110773902A - 适合超低热输入自动焊接的经济型co2气体保护焊丝及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为：C：0.06～0.13％；Si：0.4～1.1％；Mn：0.5～1.3％；Al：0.05～0.1％；Cu：0.2～0.8％；余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。此外，本发明还公开了一种上述的经济型CO₂气体保护焊丝的制造方法，其包括步骤：将原料进行真空电炉冶炼，将凝固后的钢锭进行轧制、拉拔和层绕。经济型CO₂气体保护焊丝通过合理简单的化学成分设计，在没有添加贵重金属的情况下，充分利用化学元素在熔池环境下的有效相互作用，发挥化学元素自身优势，满足了超低热输入焊接要求，并且最终焊接时焊接质量良好。

Description

适合超低热输入自动焊接的经济型CO2气体保护焊丝及制造 方法

技术领域

本发明涉及一种焊丝及其制造方法，尤其涉及一种气体保护焊丝及其制造方法。

背景技术

熔化极气体保护自动焊接具有焊接效率高、焊接质量稳定、可操作性好的优点，在工业界得到广泛应用。特别是在石油天然气长输管线建设中，熔化极气体保护焊接的优点显得更加明显，从而使其成为管线管现场施工环缝焊接的主流焊接方法。由于焊缝金属属于典型的非平衡快速凝固的柱状晶组织，只能通过化学成分的调整保证性能。因此，采用的焊丝成分体系在很大程度上决定了焊接接头质量与性能。在熔化极气体保护焊接时，可以采用惰性气体(例如Ar和He)、活性气体(例如CO₂)或混合气体(例如Ar+O₂、Ar+CO₂或多元混合气体)。其中，CO₂气体保护焊具有焊接速度快、熔透深度大、成本低的优点，在工业界应用广泛。

一般的实芯焊丝熔化极气体保护自动焊接热输入范围为0.5～1.5kJ/mm，而0.25kJ/mm的超低热输入属于极端苛刻的焊接工艺条件，在该条件下进行焊接必将造成焊缝金属加速冷却以及严重的非平衡固态相变，从而对焊缝金属组织产生不利影响，并造成其综合性能指标特别是韧性的下降，焊缝金属组织与性能的恶化同时将导致近邻的熔合区性能下降。

然而，现有的气体保护焊丝都是基于常用的熔化极气体保护焊接工艺，无论采用富氩混合气体保护还是CO₂气体保护，焊接热输入一般不低于0.5kJ/mm，焊缝金属焊后冷却速度适中，在现有的气体保护焊丝的化学成分体系范围内不会造成焊缝金属组织异常并导致严重脆化，但一旦将其应用在不超过0.25kJ/mm的超低热输入气体保护自动焊接时，就会出现焊缝金属严重脆化，并且冲击功和CTOD断裂韧性剧烈下降。

图1显示了现有技术中的采用超低热输入自动焊接的焊缝金属的微观组织。

如图1所示，针对API 5LX70M管线钢管，采用低合金钢常用AWS A 5.18ER70S-G气体保护实芯焊丝进行0.25kJ/mm超低热输入自动焊接(保护气体为80％Ar+20％CO₂)，由于焊后快速冷却，焊缝金属出现了不均匀分布的条状马氏体以及大量团簇状M-A组元，这导致其韧性严重下降，-10℃条件下冲击功单值甚至低于35J，CTOD断裂韧性值普遍低于0.1mm，个别低于0.05mm。

此外，80％Ar+20％CO₂混合气体具有氩弧特征，尽管焊接工艺过程稳定、飞溅小，但由于氩弧等离子体能量分布中心高、周围低的特点，在超低热输入要求下的快速焊接时坡口边缘熔合能力较差，未熔合缺陷出现的几率较高，焊接工艺调整窗口很窄。

基于此，期望获得一种气体保护焊丝，其可以对高速焊接尤其是超低热输入自动焊接具有良好的适应性，通过对气体保护焊丝的化学成分体系的优化，提高焊缝金属韧性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝，该经济型CO₂气体保护焊丝通过合理简单的化学成分设计，在没有添加贵重金属的情况下，充分利用化学元素在熔池环境下的有效相互作用，发挥化学元素自身优势，满足了超低热输入焊接要求。此外，该经济型CO₂气体保护焊丝在应用于超低热输入CO₂气体保护焊接时，可以充分发挥CO₂气体保护焊高速焊接适应性好、电弧等离子体能量密度分布均匀的优点，在超低热输入焊接时保证了焊接坡口边缘以及道间熔合质量。另外，该经济型CO₂气体保护焊丝焊接时焊接质量良好。

为了实现上述目的，本发明提出了一种适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为：

C：0.06～0.13％；

Si：0.4～1.1％；

Mn：0.5～1.3％；

Al：0.05～0.1％；

Cu：0.2～0.8％；

余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中，为了使得经济型CO₂气体保护焊丝的实芯焊丝无需减少碳含量，本案发明人利用低锰高硅适量铝化学成分体系实现熔池反应过程中的充分脱氧，创造高温低氧化势环境，从而充分利用CO₂在高温低氧条件下的脱碳作用，进而降低焊缝金属中的有效碳含量和碳当量，从而能够降低超低热输入焊接导致的超快速冷却过程中严重的淬硬倾向，减少焊缝金属中不均匀分布大量条状高碳马氏体组织以及团簇状M-A组元含量，从而克服现有技术的不足。同时，本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝适量添加铜，使其完全固溶于焊缝金属基体，其具有面心立方金属滑移系和滑移方向多的特点，可以提高焊缝金属基体韧性。此外，由于本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝采用CO₂气体保护焊接，在低电流电压短路过渡模式下，超低热输入薄层焊道有利于熔池反应中生成的CO气体上浮和逸出，最大程度地降低了飞溅和气孔倾向。在此过程中，由于超低热输入薄层焊接同样有利于硅、锰氧化物渣皮的上浮和去除，不会由于硅含量较高引起焊缝脆化，使得最终获得的焊缝金属性能优异。

据此，本案发明人针对不超过0.25kJ/mm的超低热输入气体保护自动焊接导致的热循环特点，结合各种化学元素在焊接熔池反应和后续冷却固态相变中的作用，设计了如下所述的各化学元素的设计原理：

C：在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中，C是低合金钢中的基本元素，对焊后冷却过程中的固态相变行为以及淬硬倾向具有重要影响，也是对碳当量贡献最大的元素。对于本案的技术方案而言，本案发明人从低成本的角度考虑，没有采用刻意减少C含量的方法来控制碳当量与超低热输入造成的超快速冷却淬硬，而是巧妙地利用了在高温低氧化势环境下CO₂+C＝2CO并吸热的化学反应原理，在焊接熔池充分脱氧的前提下，通过CO₂保护气体起到了自脱碳的作用，降低了焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而降低超低热输入焊接导致的超快速冷却过程中严重的淬硬倾向，减少焊缝金属中不均匀分布大量条状高碳马氏体组织以及团簇状M-A组元，从而提高了焊接接头的韧性。基于此，本案发明人将所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中的C元素的质量百分比控制在0.06～0.13％。

Si：在本发明所述的技术方案中，Si在焊接过程中主要起到脱氧作用，并改善焊接熔池的流动性，从而保证焊缝铺展以及良好的成型。因此，本案发明人采用较高Si含量成分设计，从而最大限度地实现脱氧效果，为前述CO₂气体保护焊接条件下自脱碳行为创造有利条件。较高Si含量也是本发明所述的技术方案的重要特点之一，它是建立在超低热输入CO₂气体保护自动焊接以及较低Mn含量的基础上，一方面较低Mn含量可以使大量的Si参与脱氧反应，而不至于以游离态残留在焊缝金属中导致脆化；另一方面超低热输入薄层焊道非常有利于脆性氧化硅皮上浮并自动脱落，不会造成焊接缺陷。大量的氧化硅皮去除后焊缝金属Si含量相应降低，不会因为添加较多的Si提高碳当量以及淬硬倾向。而在常规焊接条件下以及Mn含量提高后的场合下，较高Si含量则会导致焊缝严重脆化。而对于本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝而言，需要将Si控制在较高的含量，因此，在本案中，将Si的质量百分比控制在0.4～1.1％。

Mn：在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中，由于Mn与Fe原子序数接近，具有相似的原子半径和晶格参数，在焊后冷却固态相变中属于无限扩大奥氏体区元素，与Fe可以实现无限固溶，具有强烈的固溶强化作用，在碳当量计算中也具有仅次于C的作用，特别是在超低热输入焊接造成的超快速冷却过程中对焊缝金属的淬硬效应非常明显。鉴于此，本案发明人采用较低Mn含量成分设计，将苛刻的超低热输入焊接条件下Mn对焊缝金属强化作用降到最低，从而达到控制焊缝金属组织，改善韧性的作用。同时，适量的Mn在焊接熔池冶金反应中发挥脱氧作用，保证高温低氧化势熔池环境。超低热输入焊接薄层焊道也有利于Mn的氧化物渣皮上浮和去除。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中将Mn的质量百分比控制在0.5～1.3％。

Al：在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中，Al在熔池反应中同时具有脱氧固氮作用，熔池反应形成的Al₂O₃以及AlN在超低热输入薄层焊道中容易上浮与去除，在净化焊缝金属的同时，有利于创造低氧化势熔池环境，从而保证前述CO₂气体保护焊接条件下自脱碳行为。此外，Al与Si相似，属于有效缩小奥氏体区、扩大铁素体区元素，在超低热输入自动焊接快速加热与冷却过程中，能够在较宽的温度区间形成铁素体组织，有利于C在铁素体基体充分溶解，减少或避免大量团簇状M-A组元的生成。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中将Al的质量百分比控制在0.05～0.1％。

Cu：在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中，Cu在Fe中具有良好的固溶度，淬硬作用和固溶强化效果要远远低于Mn，不会因为适量加入焊缝金属而加重淬硬倾向和固溶强化。此外，Cu在基体金属中的固溶能够改善其塑性和韧性，主要由于其面心立方晶格特征，在外部载荷作用下滑移系和滑移方向很多，固溶于基体金属后有助于启动更多滑移系，提高基体金属塑性变形能力，从而提高了焊缝金属整体的塑韧性。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中将Cu的质量百分比控制在0.2～0.8％。

需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，其他不可避免的杂质元素主要包括P和S。P、S都属于C-Mn钢材料中不可避免的有害杂质元素，含量过高会与很多化学元素产生低熔点共晶物或脆性夹杂物而导致焊缝脆化，因此，在钢中的含量需要越低越好，但是考虑到钢铁冶炼成本的经济性，因而，对于上述不可避免的杂质元素的质量百分比控制在一定的适当范围，当不可避免的杂质元素控制在该适当范围内时，在超低热输入自动焊接条件下不会对焊缝金属性能产生明显不利影响。

对于本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝，其适用于屈服强度不超过630MPa、抗拉强度不超过700MPa低合金钢或低合金高强钢不超过0.25kJ/mm超低热输入CO₂气体保护自动焊接场合，并且最终可以得到屈服强度为530～620MPa、抗拉强度为600～720MPa的焊缝金属，焊缝金属具体强度范围与母材强度级别有关。在这种极端苛刻的热输入条件下，本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝的化学成分体系能够最大限度的避免焊缝金属出现不均匀分布大量条状高碳马氏体组织以及团簇状M-A组元，并保证焊缝金属和熔合区韧性，对提高极端苛刻焊接条件下接头综合性能非常有利。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，在其他不可避免的杂质元素中：P<0.02％并且/或者S<0.01％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，所述经济型CO₂气体保护焊丝适用于不超过0.25kJ/mm的超低热输入。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，其中C元素质量百分比为0.06～0.1％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，其中Si元素质量百分比为0.6～0.9％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，其中Mn元素质量百分比为：0.6～1.0％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，其中Al元素质量百分比为：0.07～0.09％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，其中Cu元素质量百分比为：0.5～0.7％。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，采用所述经济型CO₂气体保护焊丝焊接获得的焊缝金属的微观组织不含有高碳马氏体组织与团簇状M-A组元。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，所述焊缝金属组织的主体为均匀分布的铁素体+贝氏体为主。

进一步地，在本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝中，所述焊缝金属的屈服强度为530～620Mpa，抗拉强度为600～720MPa。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的经济型CO₂气体保护焊丝的制造方法，该制造方法所获得的经济型CO₂气体保护焊丝焊接性能良好，尤其是韧性性能优良。

为了实现上述目的，本发明提出了一种上述的经济型CO₂气体保护焊丝的制造方法，其包括步骤：将原料进行真空电炉冶炼，将凝固后的钢锭进行轧制、拉拔和层绕。

需要说明的是，为了避免在使用过程中经济型CO₂气体保护焊丝的实芯焊丝表面氧化，在焊丝使用时可以对焊丝进行表面镀铜处理。

本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝与其制造方法具有以下优点和有益效果：

(1)本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝在不刻意减少碳含量的前提下，采用较低锰高硅适量铝化学成分设计，充分利用高温低氧化势环境下CO₂保护气体自脱碳作用，能够降低焊缝金属有效碳含量和碳当量，减小超低热输入焊接造成的显著淬硬倾向，从而减少或消除焊缝金属中不均匀分布大量条状高碳马氏体组织以及团簇状M-A组元含量，进而保证了焊缝金属韧性，满足了超低热输入自动气体保护焊接要求。与现有已经公开的技术相比，实现了技术突破。

(2)本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝的化学成分设计简单，在没有添加贵重金属，充分利用了化学元素在特定熔池环境下的有效相互作用，发挥各自优势，满足了超低热输入焊接要求。

(3)当本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝应用于超低热输入CO₂气体保护焊接时，充分发挥了CO₂气体保护焊高速焊接适应性好、电弧等离子体能量密度分布均匀的优点，从而在超低热输入焊接时保证了焊接坡口边缘以及道间熔合质量。

(4)本发明所述的经济型CO₂气体保护焊丝在焊接过程中，由于超低热输入薄层焊接要求与CO₂气体保护短路过渡焊接相结合，有利于熔池反应中CO气体上浮和逸出，从而最大限度地减少了焊接飞溅和焊缝气孔倾向，进而保证了焊接质量良好。

附图说明

图1显示了现有技术中的采用超低热输入自动焊接的焊缝金属的微观组织。

图2显示了实施例4的经济型CO₂气体保护焊丝进行焊接后的焊缝金属的微观组织。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6

表1列出了实施例1-6的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝中各化学元素的质量百分比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以外的其他不可避免的杂质)

根据表1所列的各化学元素进行配比，将配比后的原料放入真空电炉冶炼，将凝固后的钢锭进行轧制、拉拔和层绕，最终获得实施例1-6的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝。

为了验证所获得的经济型CO₂气体保护焊丝的焊接性能，将实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝进行焊接，实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝采用全位置焊接过程中，根据不同的焊接点位特征，采用不同的焊接工艺参数，由于全位置焊接时，采用的母材为API5L X70M管线钢管，因而，在不同焊接点位工艺参数具有波动性，差别较大，因此，工艺参数采用范围值表示，其中，焊丝极性采用DCEP，焊接方向为下向焊，送丝速度为8～13m/min，焊接电流为170～235A，焊接电压为19～23V，焊接速度为800～1300mm/min，并且焊接热输入≤0.25kJ/mm，从而保证焊缝成形质量。需要说明的是，实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝焊接时采用的母材为壁厚19mm的API 5L X70M管线钢管，钢管采用复合V型坡口。上坡口角度为5±2°，深度为13mm。下坡口角度为30°±2°，深度为5mm。坡口钝边为1±0.5mm。

需要指出的是，本案各实施例也可以适用于其他规格屈服强度不超过630MPa、抗拉强度不超过700MPa的低合金钢或低合金高强钢的焊接。

此外，实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝在焊接过程中打底焊缝背面使用铜衬垫辅助成型。采用100％CO₂气体保护。焊前可以对焊接坡口及其两侧20mm范围内进行打磨清理，去除表面可见的杂质例如油污或锈蚀，避免焊接缺陷的产生。焊前可以不进行预热处理。

当然，在一些其他的实施方式中，也可以对本案的经济型CO₂气体保护焊丝进行表面镀铜处理。

将实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝焊接后的焊缝金属进行性能测试，测试结果列于表2。

表2列出了实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝焊接后的焊缝金属的各项性能结果。

表2.

由表2可以看出，本案实施例1-6的经济型CO₂气体保护焊丝焊接后的焊缝金属强度、塑性以及韧性表现均较好，焊缝金属的屈服强度为530～620Mpa，抗拉强度为600～720MPa。此外，各实施例所得到的焊缝金属组织的主体为均匀分布的铁素体+贝氏体为主。

此外，结合表1和表2可以看出，在采用本案的优选范围(即C元素质量百分比为0.06～0.1％，Si元素质量百分比为0.6～0.9％，Mn元素质量百分比为：0.6～1.0％，Al元素质量百分比为：0.07～0.09％以及Cu元素质量百分比为：0.5～0.7％)时，所得到的焊缝金属的表现更好，各项性能参数更优异。

图2显示了实施例4的经济型CO₂气体保护焊丝进行焊接后的焊缝金属的微观组织。

如图2所示，实施例4的经济型CO₂气体保护焊丝所得到的焊缝金属的微观组织的主体为均匀分布的铁素体+贝氏体为主，并且微观组织中不含有高碳马氏体组织与团簇状M-A组元。

将图2和图1进行对比可以看出，实施例4的经济型CO₂气体保护焊丝所得到的焊缝金属由于采用本案的技术方案，克服了现有技术的不足，消除了现有技术中的焊缝金属所出现的不均匀分布的条状马氏体以及大量团簇状M-A组元，因而，使得实施例4的经济型CO₂气体保护焊丝所得到的焊缝金属的韧性显著提升。

综上所述，本发明所述的适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝采用了简单合理的化学元素设计，没有添加贵重合金成分，充分利用了一定成分范围的化学元素在特定环境下的相互作用，满足了苛刻条件下的超低热输入自动焊接的要求，克服了现有技术的不足，最终所得到的焊缝金属性能好，对提高极端苛刻焊接条件下接头综合性能非常有利。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种适合超低热输入自动焊接的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C：0.06～0.13％；

Si：0.4～1.1％；

Mn：0.5～1.3％；

Al：0.05～0.1％；

Cu：0.2～0.8％；

余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，在其他不可避免的杂质元素中：P<0.02％并且/或者S<0.01％。

3.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述经济型CO₂气体保护焊丝适用于不超过0.25kJ/mm的超低热输入。

4.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其中C元素质量百分比为0.06～0.1％。

5.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其中Si元素质量百分比为0.6～0.9％。

6.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其中Mn元素质量百分比为：0.6～1.0％。

7.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其中Al元素质量百分比为：0.07～0.09％。

8.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，其中Cu元素质量百分比为：0.5～0.7％。

9.如权利要求1所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，采用所述经济型CO₂气体保护焊丝焊接获得的焊缝金属的微观组织不含有高碳马氏体组织与团簇状M-A组元。

10.如权利要求9所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述焊缝金属组织的主体为均匀分布的铁素体+贝氏体为主。

11.如权利要求9所述的经济型CO₂气体保护焊丝，其特征在于，所述焊缝金属的屈服强度为530～620Mpa，抗拉强度为600～720MPa。

12.如权利要求1-11中任意一项所述的经济型CO₂气体保护焊丝的制造方法，其包括步骤：将原料进行真空电炉冶炼，将凝固后的钢锭进行轧制、拉拔和层绕。

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