CN110788457A - 一种埋弧焊丝及其熔敷金属 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋弧焊丝，以质量百分数计包括：Mn：2.2％‑3.0％；Ni：2.80％‑3.50％；Mo：0.85％‑1.5％；Si：0.25％‑0.55％；Cr：0.30％‑0.65％；0.05％≤C≤0.010％；0＜S≤0.010％；0＜P≤0.015％；0＜Cu≤0.20％；0＜Ti≤0.05％；0＜Al≤0.015％；余量为Fe。本发明焊丝配合专用焊剂，通过合理的焊接工艺，能够使焊缝金属的组分达到最佳状态，焊接工艺性能优异，成型美观细腻，焊缝边缘过渡流畅，具有良好的金属光泽，焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低，焊态的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能等机械性能优异。

Description

一种埋弧焊丝及其熔敷金属

技术领域

本申请涉及焊材技术领域，具体而言，涉及一种埋弧焊丝及其熔敷金属。

背景技术

目前，长江上游干流及金沙江、大渡河上已经或即将建设的大型高水头电站项目有33个，500万kW以上的水电站就有向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、龙盘峡等，而应用于工程的相应材料也在不断更新换代，800MPa高强钢已经普遍使用在水电行业，高强度带来的各种好处也显而易见，目前1000MPa新材料也将逐步推广使用。围绕适用于大型水电站、抽水蓄能电站等重要部件用高塑韧性、超低焊接裂纹钢板配套焊接材料，开展国产化焊材技术研究迫在眉睫且意义重大。在工程中使用1000MPa高强钢材料，在减少壁厚的同时也能减轻构件质量使得降低施工难度，更是减少了材料的使用量，在节能减排方面有着显著效果。

对于1000MPa水电用高强钢埋弧焊材来说，在保证高强度的同时，还需要达到一定的低温韧性。而材料的强度越高，它的裂纹敏感性就越高，在满足机械性能的同时，还需防止其产生热裂纹与冷裂纹，技术难度颇高。

专利CN103084752B，一种X100管线钢用高强韧埋弧焊丝，其组份为C0.01％～0.06％，Si0.30％～0.50％，Mn1.20％～1.80％，Cr0.20％～0.50％，Ni1.50％～3.00％，P<0.010％，S<0.005％，Ti0.01％～0.10％，Mo0.30～0.60％，B0.001％～0.008％，Al0.01％～0.03％，Nb0～0.06％，其余为Fe和不可避免杂质，该埋弧焊丝用于焊接高度的管线，其焊接后的拉伸强度在800-845MPa之间，焊接接头的-40℃冲击值在155-182J之间，其具有较高的韧性，但其焊接接头的强度较差。

专利CN109454359A，一种抗拉强度1000MPa级埋弧焊丝，其组份为Mn：1.2-2.1％；C：0.07-0.15％；Mo：0.4-0.8％；Ti：0.075-0.14％；Si：0.08-0.22％；P：≤0.02％；S：≤0.007％；Cr：0.8-1.4％；Cu：0.15-0.25％；Ni：2.0-4.0％；余量为Fe。该焊丝焊接后的焊接接头的屈服强度在898-912MPa之间，拉伸强度在1004-1094MPa之间，但该焊接接头的-40℃冲击值在79-108Mpa之间，其强度较高，但韧性较小。

对于1000MPa水电用高强钢来说，其焊接接头的要求较高，需要同时具有高强度和高韧性，目前还未有同时兼具高强度和高韧性的焊材。

发明内容

本发明的的目的在于提供一种用于水电站1000MPa级压力管道低合金高强钢埋弧焊的焊丝，以有效的提高焊缝金属的强度和韧性，进而在使用本发明的埋弧焊丝后，可有效的降低水电站压力管道的壁厚，提高水电站HD值，从而降低生产成本，提高生产效率。

本发明提供了一种埋弧焊丝，以质量百分数计包括：

Mn：2.2％-3.0％；Ni：2.80％-3.50％；Mo：0.85％-1.5％；Si：0.25％-0.55％；Cr：0.30％-0.65％；0.05％≤C≤0.010％；0＜S≤0.010％；0＜P≤0.015％；0＜Cu≤0.20％；0＜Ti≤0.05％；0＜Al≤0.015％；余量为Fe。

进一步的，以质量分数计包括：C：0.098％；Mn：2.2％；Ni：3.18％；Mo：0.85％；Ti：0.050％；Si：0.32％；Cr：0.49％；S：0.0057％；P：0.0077％；Cu：0.197％；Al：0.009％；余量为Fe。

本发明设计了一种以Cr-Ni-Mo为主要合金体系和多元素强化的用于水电站1000MPa级压力钢管的低合金高强钢埋弧焊焊丝，在本发明的埋弧焊焊丝中：

锰(Mn)、硅(Si)元素是作为合金元素加入，其作用在于，在焊接过程中起脱氧、脱硫、强化焊缝组织结构以及强化焊缝抗拉强度的作用。锰(2.2％-3.0％)、硅(0.25％-0.55％)的合理配比有利于抗拉强度的提高。

硫(S)、磷(P)元素的含量严格控制在0＜S≤0.010％；0＜P≤0.015％，如果含量过高将影响熔敷金属的冲击韧性，并且会增加裂纹敏感性，出现焊接裂纹。

碳(C)元素形成弥散分布的碳化物，弥散分布的碳化物可提高焊缝强度，但含量过高反而使焊缝形成淬硬组织，降低焊缝强度，需要严格控制，不宜过高。

铬(Cr)元素还有利于提高针状铁素体的含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝韧性。并且，铬元素还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。将本发明的焊丝中的铬元素含量控制在0.30％-0.65％，使焊缝的强度、韧性有所提高，并且热处理性能也较为优异。

镍(Ni)元素能强化铁素体并细化晶粒，镍元素可有效的提高焊缝金属的塑韧性，降低韧脆转变温度，2.80％-3.50％的镍加入到焊丝中，还能提高焊缝对疲劳的抵抗力和耐酸、碱及大气腐蚀的能力。

钼(Mo)对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高焊缝的强度，并且还有改善焊缝延展性和韧性及耐磨性的有利作用。将钼的含量控制在0.85％-1.5％，提高焊缝的韧性和强度。

铜(Cu)主要作用是提高焊缝的抗大气腐蚀性。

此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们选择了专用的氟碱型焊剂，与焊丝进行匹配，对焊接工艺和焊缝机械性能起到了良好的作用。

在本发明中，将Mn控制在2.2％-3.0％；Ni控制在2.80％-3.50％；Mo控制在0.85％-1.5％；能够使得焊缝金属的组份达到最佳状态，焊接后的焊接缝成型美观、焊缝边缘过渡流畅，具有良好的金属光泽。

进一步的，在本发明中，焊丝的制备方法包括制备原始盘条，在对原始盘条进行退火处理后，得到上述含量组份的焊丝，该退火工艺为：

升温阶段：以80-180℃/h的升温速率升温至650-680℃，保温8-10h；

第一冷却阶段：随炉冷却至350℃以下，冷却速度为80-120℃/h；

第二冷却阶段：350℃打开炉门进行空冷；待温度降至150℃时出炉。

本发明采用球化退火方式对盘条进行退火。球化退火是使钢获得弥散分布于铁素体基体上的细粒状(球状)碳化物组织的工艺方法。它的主要目的是在退火过程中增强了盘条的塑性，降低硬度，改善其拉拔性能。经过该退火方法进行退火的盘条，其具有均匀的显微金相组织，并且还有高韧性、高塑性、高延展性及低硬度等特点。为后续的精拉拔提供良好的条件。

本发明还提供一种熔敷金属，该熔敷金属由上述焊丝经埋弧自动焊接后形成，以质量百分数计包括以下组份，

0.010％＜C≤0.10％；Mn:1.90％-2.50％；Si:0.40％-0.80％；S≤0.015％；P≤0.020％；Cr:0.40％-0.55％；Mo：0.70％-0.90％；Cu:0.18％-0.25％；Ni:2.95％-3.30％；Ti≤0.030％；Al:0.010％-0.020％；余量为Fe。

进一步的，以质量百分数计包括：C:0.058％；Mn:2.03％；Si:0.41；S：0.002％；P：0.007％；Cr:0.46；Mo：0.66％；Cu:0.20％；Ni:3.11％；Ti：0.016％；Al:0.0178％；余量为Fe。

本发明的焊丝经埋弧自动焊接后，形成上述组份的熔敷金属，该熔敷金属的抗拉强度大于963MPa，屈服强度大于871MPa，熔敷金属的伸长率大于16，40℃冲击值≥94J，其金属力学性能优异，塑性好，各项力学性能与1000MPa高强钢母材的力学性能向匹配。

进一步地，在本发明中，焊接母材时，采用的焊接方法为：将所述焊丝和与所述焊丝配套的焊剂放置于母材的待焊接处；以电流580-620A；电压29-33V；焊接速度为38-42cm/min进行埋弧自动焊，在焊接前，对母材的预热温度为100-180℃；道间温度为160-180℃；焊接后在200-250℃保温1-2小时。采用本发明的焊丝，结合本发明中的焊接工艺条件，得到上述含量组份的熔敷金属，该焊接工艺温度适宜，便于操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明焊丝配合专用焊剂，通过合理的焊接工艺，能够使焊缝金属的组分达到最佳状态，焊接工艺性能优异，成型美观细腻，焊缝边缘过渡流畅，具有良好的金属光泽，焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低，焊态的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能等机械性能优异。本发明制备的焊丝，拉拔顺畅，焊丝挺度适宜，表面质量优异。

具体实施方式

按照以下各组份的含量范围Mn：2.2％-3.0％；Ni：2.80％-3.50％；Mo：0.85％-1.5％；Si：0.25％-0.55％；Cr：0.30％-0.65％；0.05％≤C≤0.010％；0＜S≤0.010％；0＜P≤0.015％；0＜Cu≤0.20％；0＜Ti≤0.05％；0＜Al≤0.015％；余量为Fe。冶炼出原始盘条，经过退火处理，得到焊丝，各实施例的焊丝含量及组份如表1所示；

表1各实施例的焊丝组份及含量

表2对比例的焊丝组份及含量

其中，对比例1的焊丝为专利CN103084752B中的实施例1的焊丝，对比例2为专利CN109454359A中实施例4的焊丝。

根据获得的实施例1-4的埋弧焊丝和对比例1-2的埋弧焊丝，分别与本公司的焊剂XY-AF100SD进行匹配焊接，按GB/T12470-2018规定进行熔敷金属力学性能试验，试验结果如表3。

具体的，实施例1的焊丝的焊接工艺参数为：焊接参数为电流580A；电压33V；焊接速度为38cm/min；预热温度为180℃；道间温度为180℃；焊后消应温度为250℃，保温2小时。

实施例2的焊丝的焊接工艺参数为：焊接参数为电流600A；电压30V；焊接速度为40cm/min；预热温度为170℃；道间温度为170℃；焊后消应温度为200℃，保温2小时。

实施例3的焊丝的焊接工艺参数为：焊接参数为电流590A；电压29V；焊接速度为42cm/min；预热温度为100℃；道间温度为160℃；焊后消应温度为250℃，保温1小时。

实施例4的焊丝的焊接工艺参数为：焊接参数为电流620A；电压30V；焊接速度为40cm/min；预热温度为150℃；道间温度为180℃；焊后消应温度为230℃，保温1.5小时。

焊接后的熔敷金属的各组份及含量如表3所示

表3实施例1-4的熔敷金属组份及含量

编号	C	Mn	Si	S	P	Ni	Cr	Mo	Cu	Al	Ti
												1	0.098	2.26	0.32	0.0057	0.0077	3.18	0.49	0.93	0.197	0.009	0.044
2	0.065	2.89	0.29	0.0055	0.0089	2.98	0.28	0.83	0.186	0.013	0.043
												3	0.058	2.56	0.54	0.0034	0.0095	3.42	0.38	0.94	0.163	0.005	0.035
4	0.089	2.74	0.31	0.0076	0.013	3.01	0.46	1.23	0.098	0.003	0.032

对比例1和2均采用原申请中的焊接工艺

焊接后，对各熔敷金属的力学性能进行检测，其结果如表3所示表3实施例1-4和对比例1-2的熔敷金属性能

从上述表3中可以得出，本实施例1-4的焊丝焊接的熔敷金属，具有较高的力学强度和较好的韧性，并且通过肉眼观察，焊缝的成型美观；焊接后的熔敷金属中，S、P含量低使得焊缝具有优异的力学性能。本发明所提供的一种埋弧焊丝有效解决了水电站压力管道的高强度低合金钢的焊接，具有较高的适用性及较高的产业利用价值。

Claims (6)

1.一种埋弧焊丝，其特征在于，以质量百分数计包括：

Mn：2.2％-3.0％；

Ni：2.80％-3.50％；

Mo：0.85％-1.5％；

Si：0.25％-0.55％；

Cr：0.30％-0.65％；

0.05％≤C≤0.010％；

0＜S≤0.010％；

0＜P≤0.015％；

0＜Cu≤0.20％；

0＜Ti≤0.05％；

0＜Al≤0.015％；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的埋弧焊丝，其特征在于，以质量百分数计包括：

C：0.098％；

Mn：2.2％；

Ni：3.18％；

Mo：0.85％；

Ti：0.050％；

Si：0.32％；

Cr：0.49％；

S：0.0057％；

P：0.0077％；

Cu：0.197％；

Al：0.009％；

余量为Fe。

3.一种熔敷金属，其特征在于，由权利要求1或2的焊丝焊接后形成，以质量百分数计包括：

0.010％＜C≤0.10％；Mn:1.90％-2.50％；Si:0.40％-0.80％；S≤0.015％；P≤0.020％；Cr:0.40％-0.55％；Mo：0.70％-0.90％；Cu:0.18％-0.25％；Ni:2.95％-3.30％；Ti≤0.030％；Al:0.010％-0.020％；余量为Fe。

4.根据权利要求3所述的熔敷金属，其特征在于，以质量百分数计包括：C:0.058％；Mn:2.03％；Si:0.41；S：0.002％；P：0.007％；Cr:0.46；Mo：0.66％；Cu:0.20％；Ni:3.11％；Ti：0.016％；Al:0.0178％；余量为Fe。

5.根据权利要求3或4所述的熔敷金属，其特征在于，所述熔敷金属的制备方法包括以下步骤，

将所述焊丝和与所述焊丝配套的焊剂放置于母材的待焊接处；以电流580-620A；电压29-33V；焊接速度为38-42cm/min进行埋弧自动焊，在焊接前，对母材的预热温度为100-180℃；道间温度为160-180℃；焊接后在200-250℃保温1-2小时。

6.根据权利要求1或2所述的埋弧焊丝，其特征在于，所述焊丝的制备方法包括制备原始盘条，对原始盘条进行退火处理，其中，所述退火处理工艺包括：

升温阶段：以80-180℃/h的升温速率升温至650-680℃，保温8-10h；

第一冷却阶段：随炉冷却至350℃以下，冷却速度为80-120℃/h；

第二冷却阶段：350℃打开炉门进行空冷；待温度降至150℃时出炉。