CN110948136A - 适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为：C：0.01～0.05％；Si：0.4～1.0％；Mn：0.4～1.0％；Cr：0.5～1.2％；Mo：0.3～0.8％；Al：0.04～0.1％；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超低碳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，以得到所述超低碳气体保护焊丝。该超低碳气体保护焊丝采用超低碳含量设计，并控制锰含量及其引起的固溶强化，同时适量添加合金元素以缩小奥氏体区的铁素体形成，最终提高了整个焊接接头韧性。

Description

适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝及其制造 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效率高、焊接质量稳定可靠、操作简便，综合成本低，在各个工业领域得到非常广泛的应用。尤其是在石油天然气长输管线建设中，环缝焊接是施工的关键环节，熔化极气体保护焊接的优点显得更加明显，并因此成为管道现场施工焊接的主流方法。由于焊缝金属属于典型的非平衡快速凝固柱状晶组织，不能如管体母材那样通过轧制形变提高性能，只能通过化学成分的调整保证性能，所以，与之相匹配的气体保护焊丝成分体系在很大程度上决定了焊接接头质量与性能。

从焊接工艺角度来讲，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，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非常不利的影响，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，这将影响到钢管可焊性优劣的客观判断，甚至会由此造成重大的经济损失。

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或大热输入焊接，焊接热输入基本不低于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或因此导致严重脆化。然而，如果将现有的化学成分体系的气体保护焊丝应用在不超过0.25kJ/mm的超低热输入气体保护焊接，则会使焊缝金属出现条状马氏体和高碳不均匀分布的M-A组元，从而使焊缝金属严重脆化，冲击功和CTOD断裂韧性剧烈下降。由此可以看出，现有的气体保护焊丝不能满足不超过0.25kJ/mm超低热输入气体保护焊接要求。

例如，针对API 5L X70M管线钢管，采用低合金钢常用AWS A 5.18 ER70S-G气体保护实芯焊丝进行0.25kJ/mm超低热输入自动焊接，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。

基于此，期望获得一种适用于超低热输入自动焊接的气体保护焊丝，其可以通过化学成分体系的优化，限制在非平衡快速冷却过程中高碳条状马氏体的生成并减少团簇状M-A组元的数量，从而提高焊缝金属韧性。

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超低碳气体保护焊丝，该超低碳气体保护焊丝采用超低碳含量设计，并控制锰含量及其引起的固溶强化，同时适量添加合金元素(例如硅、铬、钼以及铝)，以达到缩小甚至于封闭奥氏体区，从而减少或消除冷却过程中由于碳在奥氏体和铁素体中溶解度的剧烈变化在原奥氏体内形成M-A组元岛。此外，该超低碳气体保护焊丝采用低含量的碳以及锰元素，降低了焊缝淬硬倾向，减少焊缝金属固态相变后的马氏体组织，最终提高了整个焊接接头韧性。

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超低碳气体保护焊丝，其化学元素质量百分比为：

C：0.01～0.05％；

Si：0.4～1.0％；

Mn：0.4～1.0％；

Cr：0.5～1.2％；

Mo：0.3～0.8％；

Al：0.04～0.1％；

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超低碳气体保护焊丝中，本案发明人为了使得超低碳气体保护焊丝适用于不超过0.25KJ/mm的超低热输入自动焊接采用超低碳以及偏低的锰含量化学成分体系，从而有效降低碳当量(Ceq)以及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，减少焊缝金属中马氏体含量。更重要的是：在本发明所述的技术方案中，适量添加硅、铬、钼以及铝这些缩小奥氏体区的铁素体形成元素，达到缩小甚至在一定条件下封闭奥氏体区的目的，从而减少或消除冷却过程中由于碳在奥氏体和铁素体中溶解度的剧烈变化在原奥氏体内形成M-A组元岛。本案中这种具有缩小甚至封闭奥氏体区的焊丝化学成分设计，可以使得在超低热输入自动焊接条件下，焊缝金属加热过程中没有充分奥氏体化、或者说奥氏体化程度很低。而在焊后快速冷却过程中，较低的碳含量可以完全溶于铁素体基体，最大程度地避免了一般焊接条件下γ—α固态相变时由于碳溶解度变化出现局部脱碳并形成不均匀分布的M-A组元。同时，由于在超低热输入自动焊接条件下，熔池高温停留时间短，冷却速度快，晶粒长大不是主要矛盾，不会因为奥氏体化不充分而出现粗大组织。

据此，本案发明人充分利用上述各化学元素的相互作用，从而在超低热输入焊接时能够保证焊缝金属的韧性，各化学元素的设计原理具体如下所述：

C：在本发明所述的技术方案中，C是低合金钢中的重要元素，对焊后冷却过程中的固态相变以及淬硬具有重要影响，也是对碳当量贡献最大的元素。本发明所述的超低碳气体保护焊丝采用超低C含量设计，一者通过降低碳当量，将焊缝快速冷却过程中的淬硬倾向降到最低，避免条状马氏体组织生成；二者较低C含量有利于缩小奥氏体区并扩大铁素体区，从而减少加热和冷却过程中C的溶解和析出并在该过程中出现局部C的富集；三者较低C含量在超低热输入焊接造成的非平衡快速冷却时能够完全溶入铁素体基体，有效减少或避免γ—α固态相变时由于C溶解度突变出现局部奥氏体基体脱碳并形成不均匀分布的M-A组元岛，这对超低热输入自动焊接过程中提高焊缝金属韧性有利。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中将C的质量百分比控制在0.01～0.05％。

Si：在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中，Si在焊接过程中起到脱氧作用，并改善焊接熔池的流动性，保证焊缝铺展以及良好的成型。本发明所述的超低碳气体保护焊丝采用较高的Si含量成分设计，在实现充分脱氧、净化焊缝金属作用的同时，Si作为缩小奥氏体区元素，能够避免加热过程中焊缝金属充分奥氏体化以及冷却过程中γ—α固态相变出现局部奥氏体基体脱碳并形成不均匀分布的M-A组元岛。较高Si含量也是本发明的重要特点之一，它是建立在超低热输入自动焊接以及较低Mn含量基础上，一者低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；二者超低热输入薄层焊道非常有利于氧化硅皮的上浮并自动脱落，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，不会因为原始添加较多的Si提高碳当量以及淬硬倾向。在常规焊接条件下以及Mn含量提高后的场合，高Si含量将导致焊缝严重脆化。基于此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中将Si的质量百分比控制在0.4～1.0％。

Mn：对于本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝而言，Mn与Fe具有相似的原子半径和晶格参数，在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，本发明焊丝采用较低Mn含量成分设计，适当降低Mn在苛刻的超低热输入焊接条件下对焊缝金属的强化作用，从而达到控制焊缝金属组织，改善韧性的作用。此外，Mn在焊接熔池冶金反应中的脱氧作用能够净化焊缝。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中将Mn的质量百分比控制在0.4～1.0％。

在本发明所述的技术方案中，Cr、Mo和Al均为铁素体形成元素，在焊缝金属加热和冷却固态相变过程中能够有效缩小奥氏体区，并在较宽的温度区间形成铁素体组织，有利于C在铁素体基体中的充分溶解而不至于出现大量团簇状不均匀分布M-A组元。这与Si的作用相似。当焊缝金属加热到理论上的高温奥氏体区时，由于这些铁素体形成元素的作用，加之超低热输入焊接造成的高温停留时间短，奥氏体化进行的不充分或来不及进行。在后续冷却过程中，也就在很大程度上避免了γ—α转变的固态相变发生以及由于C溶解度的突变而形成大量高碳M-A组元。同时，Cr、Mo具有一定的淬硬倾向，弥补了超低碳低锰造成的焊缝强度损失。Al在熔池反应中同时具有脱氧固氮作用，有利于净化焊缝金属，提高其综合性能。因此，在本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中，将Cr、Mo以及Al的质量百分比分别限定在：Cr：0.5～1.2％；Mo：0.3～0.8％；Al：0.04～0.1％。

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，可以将不可避免的杂质元素的有害作用降至最低，从而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超低碳气体保护焊丝而言，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超低热输入自动焊接场合，并且可以得到屈服强度为500～570MPa、抗拉强度为590～660MPa的焊缝金属，焊缝金属具体强度范围与母材强度级别以及接头形式有关。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超低碳气体保护焊丝的化学成分体系可以最大程度地避免焊缝金属出现大量条状高碳马氏体组织和团簇状M-A组元，可以保证焊缝金属和熔合区韧性指标，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，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，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，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，所述超低碳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，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，其化学元素质量百分比满足下列各项的至少其中之一：

C：0.01～0.03％

Si：0.5～0.8％

Mn：0.5～0.9％

Cr：0.8～1.1％

Mo：0.5～0.8％

Al：0.06～0.09％。

进一步地，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，采用所述超低碳气体保护焊丝焊接获得的焊缝金属的微观组织不含有条状高碳马氏体组织与团簇状M-A组元。

进一步地，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，所述焊缝金属组织的主体为均匀分布的铁素体+贝氏体，其中铁素体+贝氏体的相比例在80％以上。

进一步地，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，所述焊缝金属的屈服强度为500～570MPa，抗拉强度为590～660MPa。

进一步地，在本发明所述的超低碳气体保护焊丝中，所述超低碳气体保护焊丝为采用富Ar混合气体保护的焊丝，其中Ar体积百分数为75～90％。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种超低碳气体保护焊丝的制造方法，通过该制造方法所获得超低碳气体保护焊丝性能良好，尤其是韧性性能优良。

为了实现上述目的，本发明还提出了一种上述的超低碳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，以得到所述超低碳气体保护焊丝。

需要说明的是，为了避免在使用过程中超低碳气体保护实芯焊丝表面氧化，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超低碳气体保护焊丝及其制造方法具有以下优点和有益效果：

(1)本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝采用的化学成分设计简单，添加的合金元素种类与数量少，成本较低。

(2)本发明所述的超低碳气体保护焊丝通过降低奥氏体形成元素(例如C、Mn)的含量的同时，充分利用了铁素体形成元素(例如Si、Cr、Mo、Al)缩小奥氏体区的作用，降低焊缝金属加热时奥氏体化程度，从而相应的减少了冷却时γ—α转变时由于碳溶解度突变形成不均匀分布M-A组元，从源头上保证了焊缝金属韧性。

(3)本发明所述的超低碳气体保护焊丝尽管具有较低的碳当量，然而，其在超低热输入自动焊接条件下具有强制淬硬作用，在保证焊缝金属强度方面能够实现互补。

(4)本发明所述的超低碳气体保护焊丝由于采用较低的碳当量设计，使得其冷裂纹敏感性低，可以实现不预热条件下的超低热输入焊接，可操作性能与经济性良好。

具体实施方式

下面将结合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超低碳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1-7

表1列出了实施例1-7的适合超低热输入自动焊接的超低碳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)

	C	Si	Mn	Cr	Mo	Al	P	S
									实施例1	0.01	1.0	0.8	1.0	0.8	0.09	0.017	0.007
实施例2	0.01	1.0	1.0	1.1	0.7	0.09	0.015	0.008
									实施例3	0.02	0.8	0.7	1.0	0.7	0.08	0.016	0.009
实施例4	0.02	0.7	0.5	1.0	0.6	0.08	0.015	0.008
									实施例5	0.03	0.6	0.8	0.6	0.5	0.06	0.015	0.008
实施例6	0.04	0.4	0.6	0.8	0.3	0.05	0.017	0.006
									实施例7	0.05	0.6	0.6	0.6	0.4	0.06	0.017	0.007

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1-7的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝。

为了验证所获得的超低碳气体保护焊丝的焊接性能，将实施例1-7的超低碳气体保护焊丝进行焊接，实施例1-7的超低碳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API 5L 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160～200A，焊接电压为19～21V，焊接速度为700～1000mm/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1-7的超低碳气体保护焊丝焊接时采用的母材为壁厚23mm的API 5LX70M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17mm。下坡口角度为30°±2°，深度为5mm。坡口钝边为1±0.5mm。

此外，实施例1-7的超低碳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。各实施例的超低碳气体保护焊丝焊接时，根据其化学成分配比差异，采用的富氩混合保护气体如表2所示。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。

表2列出了实施例1-7的超低碳气体保护焊丝采用的焊接富氩保护气体

实施例	Ar(体积分数％)	CO<sub>2</sub>(体积分数％)	O<sub>2</sub>(体积分数％)
				实施例1	75	20	5
实施例2	75	20	5
				实施例3	80	20	0
实施例4	80	20	0
				实施例5	83	17	0
实施例6	90	10	0
				实施例7	90	5	5

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

将实施例1-7的超低碳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3。

表3列出了实施例1-7的超低碳气体保护焊丝焊接后的焊缝金属的各项性能结果。

表3.

由表3可以看出，本案实施例1-7的超低碳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500～570MPa，抗拉强度为590～660MPa。

此外，需要说明的是，各实施例所得到的焊缝金属中由于高碳马氏体组织与不均匀分布的团簇状M-A组元基本消除，因而，各实施例的金属组织中均匀分布的铁素体/贝氏体组织占比超过80％。

此外，结合表1和表3可以看出，在采用本案的优选范围(即超低碳气体保护焊丝的化学元素的质量百分比满足：C：0.01～0.03％；Si：0.5～0.8％；Mn：0.5～0.9％；Cr：0.8～1.1％；Mo：0.5～0.8％；Al：0.06～0.09％的至少其中之一)时，所得到的焊缝金属的表现更好，各项性能参数更优异。

综上所述，本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝中，为了使得超低碳气体保护焊丝适用于不超过0.25KJ/mm的超低热输入自动焊接采用超低碳以及偏低的锰含量化学成分体系，从而有效降低碳当量以及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，减少焊缝金属中马氏体含量。更重要的是：在本发明所述的技术方案中，适量添加硅、铬、钼以及铝这些缩小奥氏体区的铁素体形成元素，达到缩小甚至在一定条件下封闭奥氏体区的目的，从而减少或消除冷却过程中由于碳在奥氏体和铁素体中溶解度的剧烈变化在原奥氏体内形成M-A组元岛。此外，本发明所述的超低碳气体保护焊丝的这种具有缩小甚至封闭奥氏体区的焊丝化学成分设计，可以使得在超低热输入自动焊接条件下，焊缝金属加热过程中没有充分奥氏体化、或者说奥氏体化程度很低。而在焊后快速冷却过程中，较低的碳含量可以完全溶于铁素体基体，最大程度地避免了一般焊接条件下γ—α固态相变时由于碳溶解度变化出现局部脱碳并形成不均匀分布的M-A组元。同时，由于在超低热输入自动焊接条件下，熔池高温停留时间短，冷却速度快，晶粒长大不是主要矛盾，不会因为奥氏体化不充分而出现粗大组织。因此，本发明所述的适合超低热输入自动焊接的超低碳气体保护焊丝可以克服现有技术的不足，能够满足苛刻条件下的超低热输入自动焊接的要求，而使得最终所得到的焊缝金属性能良好，尤其是韧性性能极佳。

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 (9)

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

C：0.01～0.05％；

Si：0.4～1.0％；

Mn：0.4～1.0％；

Cr：0.5～1.2％；

Mo：0.3～0.8％；

Al：0.04～0.1％；

余量为Fe以及其他不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的超低碳气体保护焊丝，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所述的超低碳气体保护焊丝，其特征在于，所述超低碳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所述的超低碳气体保护焊丝，其特征在于，其化学元素质量百分比满足下列各项的至少其中之一：

C：0.01～0.03％

Si：0.5～0.8％

Mn：0.5～0.9％

Cr：0.8～1.1％

Mo：0.5～0.8％

Al：0.06～0.09％。

5.如权利要求1所述的超低碳气体保护焊丝，其特征在于，采用所述超低碳气体保护焊丝焊接获得的焊缝金属的微观组织不含有条状高碳马氏体组织与团簇状M-A组元。

6.如权利要求5所述的超低碳气体保护焊丝，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，其中铁素体+贝氏体的相比例在80％以上。

7.如权利要求1所述的超低碳气体保护焊丝，其特征在于，所述焊缝金属的屈服强度为500～570MPa，抗拉强度为590～660MPa。

8.如权利要求1所述的超低碳气体保护焊丝，其特征在于，所述超低碳气体保护焊丝为采用富Ar混合气体保护的焊丝，其中Ar体积百分数为75～90％。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的超低碳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，以得到所述超低碳气体保护焊丝。