CN110961827A

CN110961827A - 极地冰海低温环境用高强高韧耐磨蚀埋弧焊丝

Info

Publication number: CN110961827A
Application number: CN201911256182.8A
Authority: CN
Inventors: 董丽华; 刘涛; 郭娜; 董耀华
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-04-07

Abstract

本发明披露一种极地冰海超低温环境用高强高韧埋弧焊丝，通过与碱性焊剂的匹配，实现在极地船舶、极地冰海海洋工程等领域用钢的焊接，适应超低温环境下的冰雪磨蚀及海水腐蚀要求。其成分重量百分比为：C 0.10％～0.15％；Si 0.60％～1.2％；Mn 0.80％～1.50％；Cr 0.50％～1.00％；Ni 0.80％～1.40％；P＜0.010％；S＜0.005％；Ti 0.01％～0.10％；Mo＜0.60％；Cu 0.50％～1.20％；Al 0.01％～0.06％；Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，其余为Fe和不可避免杂质。制备采用电炉进行冶炼，然后在1050℃进行轧制，轧制后两次退火，900℃保温30分钟，然后冷却后再550‑650℃，退火时间45‑65分钟。埋弧焊丝的拉拔、镀铜均为现有技术的加工方法，最终获得尺寸为Φ4.0mm的镀铜或不镀铜埋弧焊丝。

Description

极地冰海低温环境用高强高韧耐磨蚀埋弧焊丝

技术领域

本发明属于钢铁产品线材类，特别涉及极地冰海超低温环境用高强高韧埋弧焊丝，通过与碱性焊剂的匹配，实现在极地船舶、极地冰海海洋工程等领域用钢的焊接，适应超低温环境下的冰雪磨蚀及海水腐蚀要求。

背景技术

用于极地海域船舶的低温钢以及海工工程体，因为应用在低温寒冷的海冰流动海域，环境复杂多变，要经受超低温、冰雪磨蚀、低温风浪碰撞、强烈的海洋风暴及冻土碰撞等带来的诸多挑战，对船舶用低温钢的设计、选材和建造加工等提出了更高的要求。极地船舶用低温钢要求具有优良的极寒低温综合性能，其结构材料不仅具有高的强度、良好的塑性，而且还要求在-60℃、-80℃下具有优异的冲击韧性，特别是在极地海域严寒至-60℃的超低温环境下钢板的断裂韧性要求良好，焊接性能优异。极地船舶船体结构的安全性要求非常高，极地船舶钢的强度高，对钢板的低温韧性要求非常高，进而要求采用的埋弧焊丝和焊剂匹配焊接的焊缝也要求具有高强、高韧的特性。

低温钢用焊接材料在国内的应用也越来越广泛，焊材的用量与日俱增。在某些重要大型构件连接时，一般会采用埋弧焊，因为埋弧焊不但效率较高，而且焊接质量好。但目前真正是国内焊接厂商生产的高强度低温钢用埋弧焊材是很有限的，很多这类焊材都是靠国外进口。目前在重要的高技术船舶及海工装备制造中所使用的埋弧焊丝基本上都是国外知名品牌，国产焊丝因低温韧性，尤其是断裂韧性值不稳定而被拒之门外。以往对适用于管线钢、建筑用钢、桥梁用钢和压力容器用钢的埋弧焊丝研究较多，包括专利公开号为CN1701904A的新型微合金化结构钢用H06C系列埋弧焊丝、专利公开号为CN101342645A的高等级管线钢用高强度高韧性高速焊埋弧焊丝、专利公开号为CN1200317A的低合金高强度高韧性埋弧焊丝、专利公开号为CN1919524A的低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝和专利公开号为CN1343544A的压力容器焊接用高强度高韧性埋弧焊丝等等，它们的合金系基本上属于Si-Mn-Mo-Ti-B和Si-Mn-Ni-Mo系，由于焊丝中Ni含量较低，一般小于1.5％，虽然通过Ti-B微合金化，可通过细化晶粒在一定程度改善韧性，但焊缝金属低温冲击韧性大多只能满足-40℃的要求，对于海工装备焊接所需要的断裂韧性以及耐磨蚀要求指标，都没有确切的数据，难以适应极地冰海环境超低温领域的应用。

发明内容

为了解决上述不足与问题，本发明提供一种极地冰海环境船舶钢用高强高韧埋弧焊丝，该焊丝与碱性焊剂匹配时能够获得适应极地船舶极寒低温钢焊接接头要求的焊缝，其抗拉强度大于510MPa，焊缝金属-60℃冲击功大于100J，-20℃下NaCl溶液下30min的磨蚀量≤12μm。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种极地船舶钢用高强高韧埋弧焊丝，其成分重量百分比为：C 0.10％～0.15％；Si 0.60％～1.2％；Mn 0.80％～1.50％；Cr 0.50％～1.00％；Ni 0.80％～1.40％；P＜0.010％；S＜0.005％；Ti 0.01％～0.10％；Mo＜0.60％；Cu 0.50％～1.20％；Al 0.01％～0.06％；Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，其余为Fe和不可避免杂质。制备采用电炉进行冶炼，然后在1050℃进行轧制，轧制后两次退火，900℃保温30分钟，然后冷却后再550-650℃，退火时间45-65分钟。埋弧焊丝的拉拔、镀铜均为现有技术的加工方法，最终获得尺寸为Φ4.0mm的镀铜或不镀铜埋弧焊丝。

在本发明焊丝成分设计中：

C元素含量对焊缝的强度和韧性和耐磨性具有较大的影响。当C含量较低时，焊缝强度较低，铁素体比例增加，韧性较高。当C含量较高时，焊缝强度增加，耐磨性增加，但珠光体比例增加，焊缝韧性下降，因此，将C含量控制在0.10-0.15，保持强韧性能平衡。

Mn可以起脱氧作用，防止导致热裂纹产生的碳化铁夹杂物形成，促使铁素体晶粒和碳化物细化，从而提高焊缝的强度和韧性。本发明中Mn含量控制在较高的水平，主要用来提高焊缝强度，弥补低C造成的强度损失。将Mn含量控制在0.80～1.50。

加入适量Si、Al可以脱氧，阻止O与B结合，同时Al与N形成的AlN可以细化晶粒，提高焊缝的韧性。Si能溶于铁素体提高钢的硬度和强度，含量在0.6％以上的Si添加是提升耐磨性能的关键，Si元素除了起到脱氧作用外，Si在焊缝金属组织内的固溶和晶界偏聚将会显著提升钢板硬度和耐磨性。将Si含量控制在0.60-1.20，Al含量控制在0.01-0.06。

Mo是较强的固溶强化元素，可以提高焊缝强度，另外Mo元素推迟奥氏体的转变温度，抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，促进晶内针状铁素体的形成，提高焊缝低温韧性,但Mo含量过高将在晶界聚集恶化钢板韧性。将Mo含量控制在0-0.60。

Ti与奥氏体中的N反应生成TiN颗粒，TiN具有很低的溶解度，在焊缝中形成很细的弥散物，可以有效的阻止晶粒长大，同时成为针状铁素体的形核核心，大大提高焊缝的韧性。将Ti含量控制在0.01-0.10。

加入少量的Nb可以起到沉淀硬化的作用，进一步提高焊缝的强度。将Nb含量控制在0.003-0.06。

加入少量的V可以起到沉淀硬化的作用，进一步提高焊缝的强度。将V含量控制在0-0.06。

Cr有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝的强度、耐腐蚀性和韧性。将Cr含量控制在0.50～1.00。

Ni是固溶于铁素体的合金元素，在一定范围内可以提高焊缝的强度和韧性。加入一定含量的Ni主要目的在于提高焊缝的低温韧性，提高耐腐蚀性，降低脆性转变温度。将Ni含量控制在0.80～1.40。

Cu可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性和耐磨性。将Cu含量控制在0.50％～1.20。

S、P是焊缝中的主要有害元素，将会降低焊缝金属的低温韧性，同时也会降低焊缝的抗H₂S应力腐蚀性能，尽量控制在一个较低的水平，其中S小于0.005，P小于0.01。

本发明不仅需要满足高强度的要求，而且还需要获得极好的满足-60℃以下低温韧性要求，同时要兼具有良好的耐海水环境下冰雪磨损性能，因此在设计时采用适当C来保持焊缝低温韧性和耐磨性能，同时将Si的值控制在0.6～1.20％之间，在超低碳情况下，获得良好的强度、耐磨性和韧性平衡。在此基础上，利用Ni在低温条件下的优良性能，0.80～1.40％的Ni、Cr 0.50％～1.00％和Cu 0.50％～1.20％可以显著的降低焊缝韧脆转变温度，提高焊缝的低温韧性和稳定性，使得焊缝金属即使在-60℃下也具有非常高的冲击值。另外通过Mo和Nb、Ti的固溶、沉淀、析出强化保证焊缝强度达到510MPa以上。

本发明的有益效果

1.本发明焊丝与碱性烧结焊剂匹配，适用于极地船舶钢的多丝内外埋弧焊接，焊前不需预热，焊后不用热处理，可以进行焊管制造的高速埋弧焊接，焊接速度可达1.0m/min～2.0m/min。

2.本发明焊丝与碱性烧结焊剂匹配，对极地船舶钢进行焊接，所得焊缝金属具有很高的强度和低温冲击韧性，焊缝抗拉强度大于510Mpa，焊缝冲击韧性大于100J(-60℃)，-20℃下NaCl溶液下30min的磨蚀量≤12μm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明极地冰海环境船舶钢用高强高韧埋弧焊丝的实施例如下述实施例1-7。实施例1-7列出了按重量百分比的化学成分，余量为Fe。

实施例1.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.104、1.13、1.46、0.006、0.0039、0.013、0.54、0.69、0.80、0.0058、0.013、0.52、0.010；

实施例2.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.118、1.07、1.26、0.007、0.0045、0.021、0.38、0.52、0.82、0.039、0.024、0.54、0.016；

实施例3.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.113、0.88、0.99、0.007、0.0037、0.024、0.05、0.55、0.86、0.012、0.029、0.62、0.023；

实施例4.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.122、0.77、0.97、0.006、0.0010、0.049、0.10、0.65、0.96、0.019、0.037、0.56、0.005；

实施例5.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.136、0.65、0.94、0.006、0.0021、0.055、0.52、0.52、1.22、0.042、0.045、1.14、0.053；

实施例6.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.139、0.74、0.85、0.007、0.0026、0.076、0.42、0.88、1.23、0.028、0.048、1.09、0.067；

实施例7.C、Si、Mn、Cr、Ni、P、S、Ti、Mo、Cu、Al、Nb、V的百分比含量分别为：0.147、0.61、0.85、0.006、0.0027、0.098、0.25、0.66、1.32、0.057、0.055、0.72、0.075。

表1焊接接头拉伸及冲击性能

本发明实施例的制备是按照试验要求进行配料，采用电炉进行冶炼，然后在1050℃进行轧制，轧制后进行退火，退火温度550-650℃，然后盐酸浸泡酸洗后进行粗拉生产，最终获得尺寸为Φ4.0mm的镀铜或不镀铜埋弧焊丝，埋弧焊丝的化学成分如以上所述的具体实施例1-7。对本发明中的实施例进行焊接接头试验，与碱性烧结焊剂SJ101C匹配，对极地船舶钢进行双面单道埋弧焊接。表1为焊接接头的强韧及磨蚀性能，磨蚀试验采用往复摩擦试验(UMT-3 TriboLab摩擦试验机)，去离子水电导率小于0.5μs/cm,3.5％NaCl溶液，载荷为20N，往复频率为2Hz，滑动幅度为5mm。接触方式为球-面接触，对磨球摩擦副选用直径为8mmAl2O3球(硬度2200HV0.2)，测试表面接触方式为球-面接触，对偶球摩擦副选用直径为8mm的Al2O3陶瓷球(弹性模量390Gpa，泊松比0.24，硬度2200HV0.2)，往复试验时间30min。为保证试验的可重复性，每个试验采用3个平行样进行摩擦磨损试验。从表1可以看出，本发明的实施例不仅焊缝抗拉强度都超过了510MPa，而且在-60℃时的冲击功都超过了100J，焊缝金属耐磨蚀量≤12μm。根据本发明实施例的埋弧焊丝具备优异的力学性能，尤其是低温韧性和低温冰海环境模拟腐蚀性能良好。

Claims

1.一种极地船舶钢用高强高韧埋弧焊丝，其特征在于，其成分重量百分比为：C 0.10％～0.15％，Si 0.60％～1.2％，Mn 0.80％～1.50％，Cr 0.50％～1.00％，Ni 0.80％～1.40％，P＜0.010％，S＜0.005％，Ti 0.01％～0.10％，Mo＜0.60％，Cu 0.50％～1.20％，Al 0.01％～0.06％，Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，其余为Fe和不可避免杂质；制备采用电炉进行冶炼，然后在1050℃进行轧制，轧制后两次退火，900℃保温30分钟，然后冷却后再550-650℃，退火时间45-65分钟。