CN111660035A

CN111660035A - 超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN111660035A
Application number: CN202010378599.8A
Authority: CN
Inventors: 付红亮; 亢天佑
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: CN111660035B

Abstract

本发明公开了超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其由药芯粉和包裹药芯粉的钢制外皮组成，药芯粉的填充质量占焊丝总重量的25~35%，药芯粉包括如下按重量百分比计的组分：金属锰70~80%、硅铁1~2%，金属镍10～15%，高碳铬铁1～2.5%，钛粉0.1～0.4%，石墨1～1.5%，钨粉3～5%，稀土0.2～0.6%。其制备方法为先将钢制外皮经成型机组压制成“U”型，采用在线同步添加经筛分烘干混合后的药芯粉，添加药芯粉后的外皮在成形机组压制下合口呈“O”型断面的药芯焊丝毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经退火、拉拔和校直切断，即得到钨极氩弧无缝药芯焊丝。该焊丝的工艺性良好，‑196℃时韧性优良，成本低，适用于超低温高锰钢LNG储罐的焊接。

Description

超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体的说是超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展和各国对环保的重视，天然气需求量与日俱增。由于液化天然气(LNG)产地和消费市场具有区域性，使LNG储运市场前景广阔。传统LNG储罐建造材料有奥氏体不锈钢、镍基合金、铝合金和9Ni钢等，但其价格高昂，造成LNG储罐建造成本居高不下。高锰奥氏体超低温钢低温性能优良、焊接材料不需要昂贵的镍基合金，可以大大降低LNG储罐建造成本，为此各国相继展开了高锰奥氏体超低温钢的研制。但目前对于超低温高锰钢配套焊接材料的研制则相对滞后。

可检索到的关于焊接超低温高锰钢用焊材的专利主要有：公开号为CN107009046A的中国专利公开了一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝，该实芯焊丝中含有8％～10％的Ni和3％～5％的W，不仅造成焊丝成本偏高，且作为含较高含量Mn和较高合金成分的实心焊丝，其焊丝拉拔减径效率较低，导致制造周期较长。公开号为CN107186382A的中国专利公开了一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺，该焊丝含有较高的合金成分，焊丝拉拔减径效率较低，制造周期长且制造成本高。

由于无缝药芯焊丝与实心焊丝相比，具有调整方便，力学性能相当、生产周期短、成本低等优点。因此，技术人员考虑可以制备一种焊接超低温高锰钢LNG储罐用钨极氩弧无缝药芯焊丝，通过配比合适的合金成分以使焊丝拉拔减径效率提高，制造周期缩短。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法，该焊丝的焊接工艺性良好，-196℃时韧性优良，制造成本低，可用于焊接超低温高锰钢LNG储罐。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其由药芯粉和包裹药芯粉的钢制外皮组成，药芯粉的填充质量占焊丝总重量的25～35％，所述药芯粉包括如下按重量百分比计的组分：金属锰70～80％、硅铁1～2％，金属镍10～15％，高碳铬铁1～2.5％，钛粉0.1～0.4％，石墨1～1.5％，钨粉3～5％，稀土0.2～0.6％。

进一步地，所述硅铁为FeSi45，硅铁所含元素及各元素所占的质量百分比为：Si43-47％，C≤0.20％，S≤0.02％，P≤0.04％。

进一步地，所述高碳铬铁中各元素所占的质量百分比为：Cr≥60％，C≤6％，S≤0.04％，P≤0.04％。

进一步地，所述稀土的添加形式为氟化铈。

进一步地，药芯粉的粒径不超过60目。

进一步地，组成所述药芯焊丝熔敷金属的化学成分为：C 0.3～0.45％、Si 0.25～0.44％、Mn 22.0～25.5％、Cr 0.2～0.4％、Ni 3.0～4.5％、Ti 0.01～0.02％、W 1.0～1.6％、S≤0.008％、P≤0.006％，余量为Fe。

进一步地，所述钢制外皮为SPCC钢带。

超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝的制备方法为先将钢制外皮清洗后经成型机组压制成“U”型，采用在线同步添加经筛分烘干混合后的药芯粉，添加药芯粉后的外皮在成形机组压制下合口呈“O”型断面的药芯焊丝毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经退火、拉拔和校直切断，制备出直径为2.4mm的钨极氩弧无缝药芯焊丝。

本发明所述无缝药芯焊丝的设计依据如下：

金属锰：锰为强奥氏体形成元素，可以促进形成全奥氏体组织的焊缝金属，确保焊缝金属强韧性。本发明金属锰加入量范围为70～80％。

硅铁：硅是良好的脱氧剂和固溶强化元素，适当的硅含量可提高铁水流动性，改善焊缝成型，但硅含量太高会降低焊缝金属的塑性和韧性，本发明硅铁加入量范围为1～2％。

金属镍：镍是强奥氏体形成元素，同时能提高材料的强度和韧性，但其含量过高，会增加焊接材料的制造成本。本发明金属镍加入量范围为10～15％。

高碳铬铁：碳是奥氏体形成元素，同时能提高材料的屈服强度和抗拉强度，以确保焊缝金属具有合适的强度。铬是固溶强化元素，能提高材料的强度，但同时降低焊缝低温韧性。为保证焊缝金属获得较高强度和良好的低温韧性，本发明高碳铬铁加入量范围为1～2.5％。

钛粉：钛是强脱氧剂，也是强氮化合物形成元素。钛与氧、氮形成钛的氧化物和氮化物，在固态相变时作为形核中心，能有效阻止晶粒长大而细化组织，提高焊缝金属低温韧性。本发明钛粉加入量范围为0.1～0.4％。

石墨：向焊缝过渡碳元素，确保焊缝金属足够的碳含量。本发明石墨加入量范围为1～1.5％。钨粉：钨是封闭γ相区元素，在奥氏体焊接材料焊接时，能缩小固液相区温度区间，减小凝固裂纹倾向。本发明钨粉加入量范围为3～5％。

稀土：稀土以氟化铈的形式加入。铈作为稀土元素，可与合金元素相互作用，改善焊缝组织及夹杂物的形态和分布，提高焊缝的韧性。本发明氟化铈加入量范围为0.2～0.6％。

有益效果：

(1)、本发明提供的钨极氩弧无缝药芯焊丝熔敷金属具有良好的强韧性匹配，低温韧性优良，-196℃夏比冲击功在100J以上，可以应用于超低温高锰钢LNG储罐的焊接。

(2)、本发明提供的无缝药芯焊丝合金成分中Ni和W含量较低，有利于降低材料成本。

(3)、本发明提供的无缝药芯焊丝，与同类实心焊丝相比，焊丝减径工序加工较容易，能有效缩短生产周期，制造成本较低；与普通药芯焊丝相比，有较好的抗吸潮性能。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其由药芯粉和包裹药芯粉的SPCC钢带组成，药芯粉的填充质量占焊丝总重量的25～35％，所述药芯粉包括如下按重量百分比计的组分：金属锰70～80％、硅铁1～2％，金属镍10～15％，高碳铬铁1～2.5％，钛粉0.1～0.4％，石墨1～1.5％，钨粉3～5％，氟化铈0.2～0.6％。

其中，所述硅铁为FeSi45，硅铁所含元素及各元素所占的质量百分比为：Si 43-47％，C≤0.20％，S≤0.02％，P≤0.04％。所述高碳铬铁中各元素所占的质量百分比为：Cr≥60％，C≤6％，S≤0.04％，P≤0.04％。药芯粉的粒径不超过60目。

组成所述药芯焊丝熔敷金属的化学成分为：C 0.3～0.45％、Si 0.25～0.44％、Mn22.0～25.5％、Cr 0.2～0.4％、Ni 3.0～4.5％、Ti 0.01～0.02％、W 1.0～1.6％、S≤0.008％、P≤0.006％，余量为Fe。

下列实施例中使用的各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品。下面结合具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

组分实施例

本发明提供了超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法，实施例1-3中无缝药芯焊丝的药芯粉配比和填充率如表1所示。

表1实施例1-3中无缝药芯焊丝的药芯粉配比(/％)和填充率

编号	实施例1	实施例2	实施例3
				金属锰	80	78	74
硅铁	1	1.4	2
				金属镍	12	14	15
高碳铬铁	1	1.6	2.3
				钛粉	0.4	0.3	0.1
石墨	1.4	1.3	1
				钨粉	4	3	3
氧化铈	0.2	0.4	0.6
				填充率	35％	30％	25％

实施例1-3中无缝药芯焊丝的制备方法相同，其制备方法为：先将钢制外皮清洗后经成型机组压制成“U”型，采用在线同步添加经筛分烘干混合后的药芯粉，添加药芯粉后的外皮在成形机组压制下合口呈“O”型断面的药芯焊丝毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经退火、拉拔和校直切断，制备出直径为2.4mm的钨极氩弧无缝药芯焊丝。

效果实施例

将实施例1-3制备的无缝药芯焊丝采用钨极氩弧焊接方法焊接熔敷试板，进行熔敷金属化学成分和力学性能的测试。试板采用20mm厚的25Mn低温钢板(高锰钢的一种)，焊接工艺参数为：焊接电流160～200A，焊接电压14～16V，行走速度6～8cm/min，道间温度低于100℃，熔敷金属化学成分和力学性能结果分别如表2和表3所示。

表2实施例1-3制备的钨极氩弧无缝药芯焊丝熔敷金属化学成分(％)

表3实施例1-3制备的钨极氩弧无缝药芯焊丝熔敷金属力学性能

由表2和表3可知，实施例1-3制备的钨极氩弧无缝药芯焊丝的熔敷金属化学成分和力学性能均符合超低温高锰钢的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其由药芯粉和包裹药芯粉的钢制外皮组成，其特征在于，药芯粉的填充质量占焊丝总重量的25~35%，所述药芯粉包括如下按重量百分比计的组分：金属锰 70~80%、硅铁 1~2%，金属镍10～15%，高碳铬铁1～2.5%，钛粉0.1～0.4%，石墨1～1.5%，钨粉3～5%，稀土0.2～0.6%。

2.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，所述硅铁为FeSi45，硅铁所含元素及各元素所占的质量百分比为：Si 43-47%，C ≤0.20%，S≤0.02%，P ≤0.04%。

3.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，所述高碳铬铁中各元素所占的质量百分比为：Cr≥60%，C ≤6%，S ≤0.04%，P ≤0.04%。

4.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，所述稀土的添加形式为氟化铈。

5.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，药芯粉的粒径不超过60目。

6.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，组成所述药芯焊丝熔敷金属的化学成分为：C 0.3~0.45%、Si 0.25~0.44%、Mn 22.0~25.5%、Cr0.2~0.4%、Ni 3.0~4.5%、Ti 0.01~0.02%、W 1.0~1.6%、S≤0.008%、P≤0.006%，余量为Fe。

7.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝，其特征在于，所述钢制外皮为SPCC钢带。

8.超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于，其制备方法为先将钢制外皮清洗后经成型机组压制成“U”型，采用在线同步添加经筛分烘干混合后的药芯粉，添加药芯粉后的外皮在成形机组压制下合口呈“O”型断面的药芯焊丝毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经退火、拉拔和校直切断，制备出直径为2.4mm的钨极氩弧无缝药芯焊丝。