CN111185691B - 一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝 - Google Patents

一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，由金属镍、金属铬、金属锰、硅铁和金属钼组成，调配金属粉，焊丝的填充率在15％‑40％之间。采用药芯焊丝电弧焊的焊接方法，焊接电流180‑240A，焊接电压20‑26V，焊接速度250‑350㎜/min，采用多层多道焊的焊接工艺，层间温度控制在100‑180℃。保护气体采用80‑98％Ar和2‑20％CO2。针对普通低相变焊材熔敷金属韧性低，不能满足实际的工程应用要求的问题，利用本发明的技术方案无须焊后消应力处理，且具有熔敷率高和高韧性抗疲劳低相变。

Description

一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝
技术领域
本发明涉及一种焊丝，更加具体地说，尤其涉及一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝。
背景技术
在当今工业生产制造过程中，焊接已经成为应用最为广泛的连接技术之一，当代许多最重要的金属结构都是采用焊接的方法完成的。焊接过程中的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形、焊材与母材的比热容不同、熔敷金属冷却过程中的热收缩以及复杂焊接结构等都会使焊接接头焊趾处产生较大的残余拉应力，这严重降低了焊接结构的疲劳强度。为了延长焊接焊接结构的疲劳寿命，往往需要进行焊后处理如：焊后消应力处理、TIG熔修法、超声冲击法、锤击法、喷丸法等等，这些焊后处理增加了制造工序，延长了制造周期，浪费了大量的人力、物力，增加了生产成本。
采用低相变(Low Transformation Temperature，LTT)焊材进行焊接，熔敷金属冷却过程中的相变温度低，此时材料已处于弹塑性或弹性状态，相变体积膨胀将会减少焊接热场造成的残余拉伸应力，体积膨胀越大，残余拉伸应力越小，甚至出现残余压缩应力，有效的增加了焊接结构的疲劳寿命。专利“用于提高焊接接头疲劳强度的焊条”(中国专利号ZL01130810.9)，马氏体相变温度范围100-250℃，采用此低相变(LTT)焊条的焊接接头疲劳强度比普通焊条的焊接接头的疲劳强度提高了10-40％；专利“提高焊接接头疲劳强度的药芯焊丝”(中国专利号ZL200510013182.7)，马氏体相变温度范围190-350℃，其疲劳寿命比一般药芯焊丝疲劳寿命最多能提高19倍，这些都证明了低相变焊材在提高焊接结构疲劳强度方面的优势，具有广阔应用前景。
但是在实际的工程应用中，对于焊接结构性能的要求不仅要具有良好的疲劳寿命，同样也要求具有良好的力学性能：如良好的韧性，强度等。然而前面提到的低相变焊材，在焊接完成冷却到室温时往往得到的是淬硬的马氏体组织，马氏体组织硬度高，韧性也比较低。专利“用于提高焊接接头疲劳强度的焊条”(中国专利号ZL01130810.9)中提到的普通低相变(LTT)焊条熔敷金属室温冲击吸收功(Akv/J)在22.5-27J之间，而工程机械、钢桥等均要求熔敷金属-20℃冲击吸收功(Akv/J)在27J以上，因此绝大多数的低相变(LTT)焊材熔敷金属冲击韧性低于工程应用的标准要求，不能满足工业生产中对焊接结构综合力学性能的要求，这严重的制约了低相变焊接材料的广泛应用。大型钢结构如：跨海大桥、工程机械、海洋平台、大型浮吊和海洋船舶等，均对焊接结构的韧性有比较高的要求。之前的低相变(LTT)焊材的韧性比较低，不能满足这些焊接结构的需要，而本发明的高韧性低相变(LTT)金属粉芯焊丝熔敷金属-20℃冲击吸收功(Akv/J)均在50J以上，满足这些焊接结构的力学性能要求，因此具有更广阔的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，即针对普通低相变(LTT)焊材熔敷金属韧性低，不能满足实际的工程应用要求的问题，提供一种熔敷率高，无须焊后消应力处理的高韧性抗疲劳低相变金属粉芯焊丝。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，由焊丝金属粉和钢带组成，所述焊丝金属粉按照重量百分比(wt％)由金属镍18-50％，金属铬30-60％，金属锰2-8％，45#硅铁1.5-5％和金属钼0.5-12％组成，焊丝的填充率在15％-40％之间，填充率为焊丝金属粉质量/(焊丝金属粉和钢带的质量之和)。
而且，焊丝金属粉按照重量百分比(wt％)由金属镍20-40％，金属铬40-57％，金属锰4-6％，45#硅铁2-5％和金属钼5-12％组成；钢带为低碳钢。
而且，焊丝的填充率在20％-35％之间。
而且，金属粉芯焊丝的直径为0.8—2.0mm。
一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝的制备方法，按照下述步骤进行：将混合均匀得到的焊丝金属粉填入钢带中并合口，经拉伸后达到规定直径。
而且，焊丝的填充率在20％-35％之间。
而且，粗拉到一定直径，再细拉使焊丝直径达到0.8-2.0mm。
采用本发明的高韧性低相变点的金属粉芯焊丝进行焊接的方法，采用药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊接方法，焊接电流180-240A，焊接电压20-26V，焊接速度250-350㎜/min，采用多层多道焊的焊接工艺，层间温度控制在100-180℃，保护气体采用氩气和二氧化碳的混合气体，氩气体积百分数为80-98％，二氧化碳为2-20％。
而且，待焊母材为Q345钢，焊后熔敷金属化学成分重量百分比(wt％)：C为0.01-0.08，Ni为5-14，Cr为8-16，Mn为0.5-2.0，Si为0.3-1.2，Mo为0.1-3，其余为Fe。
本发明的高韧性低相变点的金属粉芯焊丝在改善Q345钢焊接性能中的应用。
本发明的高韧性低相变点金属粉芯焊丝焊接时熔敷金属的马氏体相变开始点(Ms)温度范围控制在40-150℃之间。高韧性低相变点金属粉芯焊丝，普通低相变药芯焊丝与普通焊丝的热膨胀曲线示意图如图1所示。曲线1表示的是普通焊丝冷却膨胀曲线；曲线2表示普通低相变药芯焊丝冷却膨胀曲线；曲线3表示本发明的高韧性低相变金属粉芯焊丝冷却膨胀曲线,Ms为马氏体相变开始点。普通焊丝焊缝金属在较高的温度下发生相变，相变膨胀量小，相变结束后，随着温度的降低，焊缝金属的体积持续收缩，在焊接接头处产生比较大的残余拉应力，降低焊接结构的疲劳寿命。而从普通低相变药芯焊丝焊缝金属的热膨胀曲线2可以看出，普通低相变药芯焊丝发生相变的温度比较低，产生比较大的相变膨胀量，且由于相变结束时温度比较低，在相变结束到室温时的焊缝金属收缩量很小，综合导致焊后室温时焊接接头处存在残余压应力，提高了疲劳寿命。这在专利“提高焊接接头疲劳强度的药芯焊丝”(中国专利号ZL200510013182.7)中已经得到证明。
本发明的高韧性低相变金属粉芯焊缝金属的热膨胀曲线3与普通低相变药芯焊丝的热膨胀曲线2相似，但对比曲线2和曲线3会发现两条曲线之间明显的不同，首先高韧性低相变点金属粉芯焊丝熔覆金属的马氏体相变点比普通低相变焊丝焊后熔覆金属的马氏体相变点更低，在室温时高韧性低相变点金属粉芯焊丝熔覆金属中的马氏体转变还没有完成，而普通低相变药芯焊丝熔覆金属中的马氏体转变已经完成，这也造成了他们组织上的差别。普通低相变药芯焊丝熔覆金属组织如示意图2所示：主要是淬硬的马氏体组织，在马氏体板条间存在少量的薄片状的残余奥氏体组织，整个组织的硬度比较高，韧性比较差。高韧性低相变金属粉芯焊丝的熔覆金属的组织如示意图3所示：其组织为低碳板条马氏体组织和残余奥氏体组织，残余奥氏体含量控制在15-60％之间，残余奥实体不仅分布在马氏体板条间也同样存在于马氏体束之间，马氏体板条间的残余奥实体形貌呈现薄片状，板条束之间的呈现块状和条状。
相对于普通低相变(LTT)药芯焊丝,高韧性低相变点金属粉芯熔覆金属中残余奥实体的含量，分布和形貌使其具有较高的韧性。主要原因有以下几点：首先，奥氏体是塑形相，硬度低，容易变形，当熔覆金属中存在一定量的残余奥氏体时能有效的降低焊接接头应力集中，有效抑制裂纹的萌生；其次，熔覆金属在经历应力应变作用时会发生残余奥氏体向马氏体的转变，这个过程要吸收大量的能量，降低了裂纹萌生和扩展的倾向，而且当裂纹扩展时，裂纹尖端遇到韧性较高的奥氏体相会产生钝化现象，延缓裂纹的继续扩展，即相变诱导塑性(TRIP)效应；最后，随着残余奥氏体含量的增加，组织中的大角度晶界的比例增加，在裂纹扩展阶段，当裂纹尖端接触到这些大角度晶界，裂纹扩展方向要发生扭转或偏离，这需要吸收大量的能量，显著的阻碍了裂纹的扩展，这些都是高韧性低相变金属粉芯焊丝提高韧性的主要原因。
本发明的有益效果是：与普通的低相变(LTT)焊材相比，高韧性低相变(LTT)金属粉芯焊丝熔敷金属的马氏体相变开始温度(Ms)更低，显微组织中的残余奥氏体含量明显增多，并且残余奥实体的形貌和分布上也有差异。这使得高韧性低相变金属粉芯焊丝在保证提高疲劳强度的同时，实现高韧性，满足大型钢结构如：跨海大桥、工程机械、海洋平台、大型浮吊和海洋船舶等的综合力学性能要求。因此高韧性低相变(LTT)金属粉芯焊丝应用范围广，且熔敷效率高，焊接效率高，焊缝的质量和焊接工艺性也非常优良，具有巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1是普通焊丝，低相变药芯焊丝和高韧性低相变焊丝熔覆金属的热膨胀曲线示意图。
图2是低相变药芯焊丝熔敷金属的显微组织示意图。
图3是本发明的高韧性低相变金属粉芯焊丝熔敷金属的显微组织示意图。
图4是本发明模拟过程中热循环采用的热循环曲线示意图。
图5是本发明实施例中熔敷金属冷却过程的热膨胀曲线图。
图6是本发明实施例中热模拟结束后的试件照片。
图7是本发明实施例中高韧性低相变金属粉芯焊丝熔敷金属的组织结构的照片(1)。
图8是本发明实施例中高韧性低相变金属粉芯焊丝熔敷金属的组织结构的照片(2)。
图9是本发明实施例中疲劳试件形貌照片。
图10是本发明实施例中疲劳测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
高韧性低相变金属粉芯焊丝金属粉组分及重量百分比含量(％)：金属镍38.5，金属铬53.8，金属锰4.6，45#硅铁2.3，金属钼0.8。
普通低相变药芯焊丝药芯组分及重量百分比含量(％)：金属镍7，金属铬12，金属锰1.2，硅铁0.6，金属钼0.2，大理石3，钛白粉3，其余为铁。
以上金属粉全部采用上海九鼎粉体材料有限公司生产的金属粉。
根据以上设计的金属粉化学成分结合各元素的烧损率，调配金属粉。确保焊丝的填充率为28％，然后对铁素体钢带进行清洗烘干，将金属粉填入铁素体钢带中，然后将铁素体钢带进行合口，粗拉到一定直径，再细拉使焊丝直径达到1.2mm。焊丝制作完成后都采用药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊接方法，焊接工艺参数如表1所示。
表1药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊接工艺参数
Figure BDA0001867398080000051
Figure BDA0001867398080000061
焊接完成后分别对熔敷金属取样，用SPECTROLab M8直读光谱仪测试熔敷金属的化学成分，采用Gleeble3500热模拟试验机测试两种焊丝的熔敷金属的热膨胀曲线，模拟过程中的热循环采用图4所示热循环曲线，熔敷金属冷却过程的热膨胀曲线如图5所示，图6为热模拟结束后的试件，熔敷金属化学成分及马氏体想变点(Ms)测量结果如表2所示。对图6所示热模拟试件取样，利用JEOL扫描电镜、透射电子显微镜观察高韧性低相变金属粉芯焊丝熔敷金属的组织结构，马氏体板条束间残余奥氏体如图7所示，马氏体板条间残余奥氏体如图8所示。
表2两种焊丝熔敷金属化学成分及马氏体相变开始温度(Ms)
Figure BDA0001867398080000062
在-20℃进行V型缺口的对比冲击试验，试件尺寸及试验流程采用GB/T229-2007中的要求，每种焊材的熔敷金属取3个试样，测量其低温冲击韧性。测量结果见下表3。
表3低温冲击(-20℃)性能试验结果
Figure BDA0001867398080000063
为了验证高韧性低相变(LTT)金属粉芯焊丝改善焊接接头疲劳寿命的效果，采用高频疲劳试验机分别测试了TME711普通焊丝，普通低相变(LTT)药芯焊丝和高韧性低相变(LTT)金属粉芯焊丝制作的焊接接头的疲劳寿命S-N曲线。疲劳试件形貌如图9所示采用非承载十字接头形式，母材为Q345，疲劳测试结果如图10所示。从表2和图5可以明显看出：高韧性低相变焊丝熔敷金属的马氏体相变开始点(Ms)温度要低于普通低相变药芯焊丝熔敷金属的马氏体相变开始点温度(Ms)，同样从图7和图8的高韧性低相变金属粉芯焊丝熔敷金属的组织结构中观察到了在马氏体板条间和马氏体板条束间分布的残余奥氏体，这些都与理论相符。从表3可以看出：高韧性低相变焊丝冲击韧性要明显高于低相变药芯焊丝，实现了综合力学性能的提高。从图10也可以看出：高韧性低相变焊丝疲劳寿命比TME711普通焊丝疲劳寿命提高很多，比低相变药芯焊丝疲劳寿命也稍有提高。因此综合以上的实验结果，高韧性低相变焊丝具有更好的综合力学性能，具有更广的应用前景。
根据本发明内容记载的技术方案进行工艺参数的调整，均可实现高韧性低相变点的金属粉芯焊丝的制备，且表现出与本发明基本一致的性能，即在提升焊接力学性能中的应用，如韧性、低温冲击性能、疲劳寿命，可避免药芯焊丝(需要造气和造渣成分)带来的焊渣，熔覆效率高，焊后无渣。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，其特征在于，由焊丝金属粉和钢带组成，所述焊丝金属粉按照重量百分比，由金属镍18-50％，金属铬30-60％，金属锰2-8％，45#硅铁1.5-5％和金属钼0.5-12％组成，焊丝的填充率在15％-40％之间，进行焊接时熔敷金属的马氏体相变开始点温度范围控制在40-150℃之间。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，其特征在于，焊丝金属粉按照重量百分比，由金属镍20-40％，金属铬40-57％，金属锰4-6％，45#硅铁2-5％和金属钼5-12％组成。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，其特征在于，焊丝的填充率在20％-35％之间。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝，其特征在于，钢带为低碳钢。
5.如权利要求1—4之一所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝的制备方法，其特征在于，将混合均匀得到的焊丝金属粉填入钢带中并合口，经拉伸后达到规定直径。
6.利用如权利要求1—4之一所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝进行焊接的方法，其特征在于，采用药芯焊丝电弧焊的焊接方法，焊接电流180-240A，焊接电压20-26V，焊接速度250-350㎜/min，采用多层多道焊的焊接工艺，层间温度控制在100-180℃，保护气体采用氩气和二氧化碳的混合气体，氩气体积百分数为80-98％，二氧化碳为2-20％。
7.如权利要求6所述的焊接方法得到的焊后熔覆金属，其特征在于，待焊母材为Q345钢，焊后熔敷金属化学成分重量百分比(wt％)：C为0.01-0.08，Ni为5-14，Cr为8-16，Mn为0.5-2.0，Si为0.3-1.2，Mo为0.1-3，其余为Fe，熔覆金属组织为低碳板条马氏体组织和残余奥氏体组织，残余奥氏体含量控制在15-60％之间，残余奥氏体不仅分布在马氏体板条间也同样存在于马氏体束之间，马氏体板条间的残余奥实体形貌呈现薄片状，板条束之间的呈现块状和条状。
8.如权利要求1—4之一所述的一种高韧性低相变点的金属粉芯焊丝在提升焊接力学性能中的应用，其特征在于，母材为Q345钢。
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