CN111618477A - 一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，其化学成分质量百分比为：C：0.04～0.09％，Si：0.3～1.0％，Mn：0.5～1.2％，P<0.02％，S<0.01％，Ti：0.15～0.5％，V：0.03～0.08％，Nb：0.02～0.06％，Ni：0.9～1.8％，Cu：0.3～0.9％，余量为Fe以及不可避免的杂质，且，需要同时满足：Si/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；Ti/192+V/51+Nb/93＝(0.5～1.0)C/12。本发明所述高韧性气体保护焊丝适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。

Description

一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊 接方法

技术领域

本发明涉及气体保护焊丝，特别涉及一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。

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。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。

近期，在很多国外管线项目中，用户从苛刻条件下加速失效的角度出发，对管材供应商提出了针对供货钢管应用不超过0.25kJ/mm超低热输入进行熔化极气体保护自动焊接并评价接头性能的要求，以此结果判定钢管可焊性。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，这将影响到用户对钢管可焊性优劣的正确判断，甚至会给管材供应商带来重大损失。

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气体保护实芯焊丝在0.25kJ/mm超低热输入条件下进行自动环缝焊接，由于焊后快速冷却淬硬作用以及从奥氏体向铁素体发生固态相变后碳溶解度迅速下降，焊缝金属微观组织表现为不均匀分布的条状马氏体以及大量团簇状M-A组元，这属于能够引起严重脆化的组织类型。相应的，焊缝金属韧性指标严重下降，主要表现为：-10℃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。如果采用管线钢管现场施工主流自动环焊工艺，冲击功一般不低于100J，CTOD值也在0.2mm以上。鉴于焊缝金属冶金特点及性能控制的特殊性，有必要开发适合于超低热输入自动焊接条件的气体保护专用焊丝，通过化学成分体系的优化，限制在非平衡快速冷却过程中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，目标值设定为：-10℃冲击功单值不低于50J，均值不低于60J。

当前，针对低合金钢和钢管熔化极气体保护焊接的焊丝公开专利很多，如：中国专利申请公开号CN101658983公开了一种能够用于大热输入焊接的低合金钢高韧性气体保护焊丝，通过添加Ti、Ca、Mg、Ba等微合金元素在熔池反应中形成大量细小复合氧化物，可以作为针状铁素体形核质点，同时净化焊缝金属。Mn、Cr、Mo可以保证焊缝金属强度。该焊丝成分设计简单，成本较低，焊缝金属综合性能良好。

中国专利申请公开号CN101905390、CN102152025等公开的气体保护实芯焊丝，采用添加少量贵重元素Cr、Ni、Mo，适量添加Cu，并采用Ti微合金化，在常规条件下进行熔化极气体保护焊接，接头强度最高可以达到900MPa，并具有良好的冲击韧性，同时兼具了一定的经济性。本焊丝成分设计使其碳当量较高，在焊缝和附近热影响区出现了贝氏体基体上掺杂的马氏体组织。

中国专利申请公开号CN101288925公开了一种抗裂性能好、熔敷金属具有较好的综合力学性能的气体保护实芯焊丝，焊丝成分体系在低碳基础上，添加适量Cr、Ni、Mo、Ti，辅以适当的焊接工艺规范，能够满足700MPa～800MPa结构钢常规焊接工艺条件下的熔化极气体保护焊接。

中国专利申请公开号CN101172322、CN101116930、CN101992365等公开的气体保护实芯焊丝在C-Mn基础元素辅以适量Cr、Ni、Mo的基础上，采用Ti、B联合微合金化，部分添加了稀土金属，除了进化焊缝，还通过B以及稀土化合物对晶界的抑制作用组织晶粒长大，提高焊缝金属综合力学性能。

中国专利申请号CN101733580、CN101913035的专利公开了用于高强钢焊接的熔化极气体保护焊丝，其成分体系在C-Mn基础元素辅以少量Cr、Ni、Mo的基础上，利用Ti-Zr联合微合金化，通过TiO、TiN、ZrO等高熔点粒子促进焊缝金属中针状铁素体形核，从而达到细化晶粒并提高焊缝综合力学性能的目的。

综上所述，当前已经公开的商品化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，在上述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。然而，如果将上述成分体系焊丝应用在前述海外管线钢管用户要求的不超过0.25kJ/mm的超低热输入气体保护焊接，则会如常用的AWS A 5.18ER70S-G气体保护实芯焊丝一样，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。所以，当前已有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。

发明内容

本发明的目的在于设计一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接，采用低碳锰高硅成分体系，同时添加钛、钒、铌在低氧熔池环境下固碳固氮，在降低有效碳含量和碳当量的同时，降低了超低热输入焊接后快速冷却时的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元。适量添加的完全溶于基体的镍、铜具有面心立方晶格滑移变形能力强的特点，有助于提高焊缝金属韧性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

针对不超过0.25kJ/mm超低热输入气体保护自动焊接导致的热循环特点，结合各种合金元素对固态相变中淬硬行为与组织转变特点，本发明所述气体保护实芯焊丝采用较常规技术偏低的碳、锰以及较高硅成分设计，并同时添加钛、钒、铌强碳化物形成元素实现在低氧化势熔池环境下固碳固氮并形成复合碳氮化物，降低焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而降低了超低热输入焊接后快速冷却时的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元，进而改善焊接接头韧性指标。快速冷却过程中形成的细小的钛、钒、铌的复合碳氮化物可以作为铁素体形核核心细化固态相变组织。适量添加的镍、铜能够完全固溶于焊缝金属基体，二者面心立方金属滑移系和滑移方向多的特点，能够提高焊缝金属基体韧性。

具体的，本发明所述用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其化学成分质量百分比为：

C：0.04～0.09％

Si：0.3～1.0％

Mn：0.5～1.2％

P：<0.02％

S：<0.01％

Ti：0.15～0.5％

V：0.03～0.08％

Nb：0.02～0.06％

Ni：0.9～1.8％

Cu：0.3～0.9％

余量为Fe以及不可避免的其它杂质元素，且，需要同时满足：

从熔池脱氧的角度来讲，Si/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；

从固碳的角度来讲，Ti/192+V/51+Nb/93＝(0.5～1.0)C/12。

本发明所述焊丝焊缝金属微观组织主体为针状铁素体+贝氏体。

本发明所述焊丝焊缝金属屈服强度为620～670MPa，抗拉强度为700～760MPa。

从提高焊缝金属韧性角度来讲：强碳化物形成元素固碳作用降低了焊缝金属中有效碳含量与碳当量，有利于提高焊缝金属韧性指标；熔池反应中形成的复合碳氮化物具有显著的细化晶粒、提高韧性的作用；特别的，Ni与Cu的添加能够显著改善焊缝金属韧性。随着对韧性指标要求的提高，Ni与Cu含量均适当提高，但也需要与焊缝金属整体碳含量相匹配。

本发明气体保护实芯焊丝各化学元素均具有各自独立的作用，但更重要的是：从熔池脱氧与固碳的角度来看，各主要化学元素具有确定的相关关系与数量范围的匹配，各主要化学元素不是孤立存在的。

在本发明所述气体保护焊丝化学成分设计中：

本发明采用较常规技术偏低的碳、锰以及较高硅成分设计，保证熔池反应中充分脱氧并形成低氧化势环境，依靠添加的钛、钒、铌强碳化物形成元素实现在低氧化势熔池环境下固碳固氮并形成复合碳氮化物，降低焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而降低了超低热输入焊接后快速冷却时焊缝金属的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元，进而改善焊接接头韧性指标。快速冷却过程中形成的细小的钛、钒、铌的复合碳氮化物可以作为铁素体形核核心细化固态相变组织，也有利于焊接金属韧性的改善。适量添加的镍、铜能够完全固溶于焊缝金属基体，二者面心立方金属滑移系和滑移方向多的特点，能够提高焊缝金属基体韧性。

具体的，本发明气体保护焊丝化学成分：

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。本发明焊丝从经济性角度出发，采用适中的C含量，并主要采用添加若干种强碳化物形成元素，并创造低氧熔池环境，在熔池反应中实现最大程度的固碳固氮效果，间接降低了焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而能够减小超低热输入焊接后极快速冷却造成的强制淬硬效应。

Mn与Fe能够无限固溶，具有强烈的固溶强化作用，在超低热输入焊接后的极快速冷却过程中能够产生很强的淬硬作用。鉴于此，本发明焊丝采用比常规产品较低的Mn含量设计，从而适当减小焊后固态相变过程中Mn的淬硬倾向及对焊缝金属强化作用，改善焊缝金属韧性。Mn在焊接熔池冶金反应中与Si联合脱氧作用能够保证熔池的低氧环境，有利于发挥强碳化物形成元素固碳作用。

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，保证焊缝铺展以及良好的成型。本发明采用较高的Si含量成分设计，从而平衡了低Mn含量而额外需要的脱氧作用。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。

P、S都属于C-Mn钢材料中不可避免的有害杂质元素，含量过高会与很多合金元素产生低熔点共晶物或脆性夹杂物而导致焊缝脆化。本发明将P、S元素控制在适当范围，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。

Ti、V、Nb均为强碳化物形成元素，在焊缝金属中锰硅联合脱氧形成的低氧化势条件下，会优先与N形成氮化物，进而与C继续发生复杂反应形成复合碳氮化物，如：Ti(C,N)，V(C,N)和Nb(C,N)，这对提高焊缝金属韧性具有有利作用，首先体现在Ti、V、Nb复合碳氮化物的固碳固氮作用，降低了焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而降低了冷却过程中淬硬倾向，减少或消除了γ—α固态相变时由于碳溶解度突变生成M-A组元；其次体现在超低热输入焊接快速冷却过程中形成的细小复合碳氮化物具有促进铁素体非均质形核的作用，有利于形成韧性良好的针状铁素体或贝氏体固态相变组织。然而，如果焊接熔池脱氧不充分，氧化势过高，这些碳化物形成元素会优先氧化，丧失固碳作用。所以，焊接熔池的保护与脱氧显得非常重要。

Ni、Cu与Fe固溶度良好，前者可以无限固溶，后者可以有限固溶，但二者的淬硬作用和固溶强化作用要远远低于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。Ni和Cu在基体金属中的固溶主要是改善了基体的塑性和韧性。由于二者均属于面心立方晶格，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。

本发明气体保护实芯焊丝适用于屈服强度不超过690MPa、抗拉强度不超过850MPa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，在这种极端苛刻的热输入条件下，本发明焊丝化学成分体系能够最大限度的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，并形成相对均匀分布的针状铁素体和条状贝氏体组织，能够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。然而，如果采用常规焊接热输入条件，本发明实芯焊丝焊缝可能出现强度过低或由于Si含量过高导致脆化。

另外，本发明实芯焊丝具有Ti、V、Nb复合碳氮化物固碳固氮特点，需要在脱氧比较良好的环境中使用，保护气氛中氧化性气体成分不宜过高。为了保证焊接电弧的稳定性与能量分布的均匀性，也需要添加适量的氧化性气体。

鉴于此，本发明焊丝焊接方法实际焊接操作时，适用的保护气体成分体积百分比范围为：Ar：75％～85％；CO₂：15％～25％；O₂：0％～5％。如果保护气体活性成分过高，则可能会造成焊接熔池脱氧效果不佳而难以发挥Ti、V、Nb复合化合物脱碳固氮效果，对焊后微观组织与焊缝金属性能均产生不利影响，并增加焊接飞溅，影响焊缝美观。如果保护气体中Ar含量过高，则在超低热输入快速焊接过程中，电弧能量密度高度集中，焊道铺展性会变差，形成咬边以及边缘熔合不良等焊接缺陷，并可能造成局部烧穿，焊缝整体成形困难。

本发明涉及的气体保护实芯焊丝主要用于X42～X80级管线钢管不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。如果用户提出明确要求，同样适用于其它工业领域类似钢级低合金钢超低热输入自动焊接。

本发明的有益效果：

本发明通过采用低碳锰高硅成分体系，同时添加钛、钒、铌在低氧熔池环境下固碳固氮，在降低有效碳含量和碳当量的同时，降低了超低热输入焊接后快速冷却时的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元。适量添加的完全溶于基体的镍、铜具有面心立方晶格滑移变形能力强的特点，有助于提高焊缝金属韧性。本发明气体保护实芯焊丝适用于屈服强度不超过690MPa、抗拉强度不超过850MPa低合金钢或低合金高强钢。

与现有低合金钢气体保护实芯焊丝产品对比，本发明所述适合不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接的气体保护实芯焊丝具有以下优点：

第一、在不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接条件下，避免了焊缝金属中不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元，微观组织以相对均匀细小的针状铁素体和贝氏体为主，焊缝金属低温冲击韧性显著提高。与现有已经公开的技术相比，本发明在新的应用领域中实现了技术突破；

第二、本发明采用了气体保护焊丝常用的合金元素设计，没有大量添加贵重合金成分，而是充分利用了一定范围的合金成分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。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明所述气体保护实芯焊丝实施例成分参见表1，表1所示为5种不同的适合超低热输入焊接的气体保护焊丝化学成分配比。

选用壁厚为23mm的API 5L X70M管线钢管，应用本发明气体保护实芯焊丝进行不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。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。焊接过程中打底焊缝背面使用铜衬垫辅助成型。使用80％Ar+20％CO₂混合气体保护。焊前需要对焊接坡口及其两侧20mm范围内进行打磨清理，去除表面可见的油污、锈蚀等，避免焊接缺陷的产生。焊前不进行预热处理。

表2所示为超低热输入自动焊接条件下5种不同成分设计的气体保护实芯焊丝实施例焊接接头性能。

在不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接条件下，应用本发明5种不同实施例气体保护焊丝，焊缝金属中能够得到分布比较均匀的针状铁素体与贝氏体组织，基本消除了脆化严重的不均匀马氏体与团簇状M-A组元，得到的焊缝强度指标均较好，但从塑性和韧性指标评判，实施例2和实施例3焊缝金属综合力学性能更加稳定。

本发明气体保护焊丝与现有技术制备工艺相同，首先按照合金配比要求进行配料，然后进行真空电炉冶炼，并将凝固后的钢锭按照使用焊丝的规格要求进行轧制、拉拔、层绕。为了避免本发明气体保护实芯焊丝使用过程中的表面氧化，焊丝可以采用表面镀铜处理。

表1 单位：重量百分比

表2

Claims (4)

1.一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其化学成分质量百分比为：

C：0.04～0.09％

Si：0.3～1.0％

Mn：0.5～1.2％

P：<0.02％

S：<0.01％

Ti：0.15～0.5％

V：0.03～0.08％

Nb：0.02～0.06％

Ni：0.9～1.8％

Cu：0.3～0.9％

余量为Fe以及不可避免的杂质；且，需要同时满足：

Si/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；

Ti/192+V/51+Nb/93＝(0.5～1.0)C/12。

2.如权利要求1所述的用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其特征在于，所述焊丝焊缝金属微观组织主体为针状铁素体+贝氏体。

3.如权利要求1或2所述的用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其特征在于，所述焊丝焊缝金属屈服强度为620～670MPa，抗拉强度为700～760MPa。

4.如权利要求1所述的用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝的焊接方法，其特征是，焊接保护气体为：Ar：75％～85％；CO₂：15％～25％；O₂：0％～5％。