CN112108791A

CN112108791A - 提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝

Info

Publication number: CN112108791A
Application number: CN202010807659.3A
Authority: CN
Inventors: 张晓�; 张文军; 王亚彬
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2040-08-12
Also published as: CN112108791B

Abstract

本发明公开了提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，无缝药芯焊丝由低碳钢外皮和药芯粉组成，所示药芯粉质量占无缝药芯焊丝总重量的15%，所述药芯粉包括如下按质量百分比计的化学成分：TiO₂ 0.1~0.4%，MgO 0.05~0.3%，CaF₂ 3.5~4%，Si 0.1~1.0%，Mn 0.5~2.3%，Ni 2.6~3.8%，Mg 0.2~1.2%，Ti 0.01~0.2%，B 0.001~0.015%，Mo 0.05~0.5%%，Zr 0.04~0.15%，其余为Fe，以上化学成分质量百分比之和为15%。该无缝药芯焊丝具有优良的全位置焊接工艺性、超低扩散氢含量和优良的低温CTOD性能。

Description

提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体的说是提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝。

背景技术

随着高端装备制造业的发展，对发展优质焊材提出了迫切的需求，船舶及海洋工程逐渐向深水化、大型化发展，服务环境更加恶劣，结构形式更为复杂，对焊接质量的要求更为严苛，因此对船舶及海洋工程用低合金高强钢的焊缝强度、耐腐蚀性、冲击韧性和抗裂性要求越来越高，且焊接接头必须兼备高强度和高韧性，特别是在极地服役的船舶及装备的焊接接头处必须同时具有良好的低温韧性。

焊接接头裂纹尖端位移CTOD值的大小反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，是一种有效的焊接接头低温韧性评价手段，同时CTOD值满足要求，则焊接接头可以免除焊后热处理步骤，因此，用CTOD试验不仅能进行韧度的评估还可以缩短生产周期，创造巨大的经济效益。

无缝药芯焊丝作为一种高效焊接材料，其在高端船舶及海洋工程结构焊接中的应用越来越多，其中，金红石型无缝药芯焊丝具有良好的焊接工艺性，可实现全位置焊接，但其焊丝力学性能不稳定，不能满足低温CTOD的测试要求，扩散氢含量偏高等弊端依然无法消除；而采用碱性渣系无缝药芯焊丝虽然扩散氢含量、焊缝抗裂性以及力学性能有所保证，然而其全位置焊接性较差，对焊工技术操作提出了很高的要求，对生产效率有一定影响。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供能够提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，该无缝药芯焊丝具有优良的全位置焊接工艺性、超低扩散氢含量和优良的低温CTOD性能。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，无缝药芯焊丝由低碳钢外皮和药芯粉组成，所示药芯粉质量占无缝药芯焊丝总质量的15％，所述药芯粉包括如下按质量百分比计的化学成分：TiO₂0.1～0.4％，MgO 0.05～0.3％，CaF₂3.5～4％，Si 0.1～1.0％，Mn 0.5～2.3％，Ni 2.6～3.8％，Mg0.2～1.2％，Ti 0.01～0.2％，B 0.001～0.015％，Mo 0.05～0.5％％，Zr0.04～0.15％，其余为Fe，以上化学成分质量百分比之和为15％。

进一步地，TiO₂以金红石的形式加入，金红石的颗粒粒度为60～320目，金红石的成分为：TiO₂≥96％，Al₂O₃<1.5％，P<0.01％。

进一步地，MgO以镁砂的形式加入，镁砂的颗粒粒度为80～400目，镁砂的成分为：MgO≥93％，SiO₂<3.5％，P<0.01％，S<0.01％。

进一步地，CaF₂以萤石的形式加入，萤石的成分为：CaF₂≥95％，SiO2<1.0％，P<0.01％，S<0.01％。

进一步地，Si以硅粉的形式加入，硅粉的成分为：Si≥97％。

进一步地，Mn以电解金属锰的形式加入，电解金属锰的成分为：Mn≥99.88％，C<0.02％，P<0.02％，S<0.02％。

进一步地，Ni以镍粉的形式加入，镍粉的成分为：Ni≥99.5％，C<0.05％，P<0.005％，S<0.005％。

进一步地，Mg以镁粉的形式加入，镁粉的成分为：Mg≥98％，P<0.02％，S<0.02％。

进一步地，所述药芯粉的填充率为15％。

药芯粉中各化学成分的作用如下：

TiO₂：TiO₂能够调节熔渣熔点，改善焊丝的电弧稳定性、改善脱渣、优化焊缝成型，保证良好的全位置焊接效果，其加入量低于0.1％时，熔渣凝固温度过低易造成立焊时焊缝成型差；加入量高于0.4％时，焊缝氧含量增加，降低低温韧性，熔渣流动性变差，焊缝呈凸起状，容易产生未熔合缺陷。

MgO：MgO能够抑制TiO₂的活性，降低焊缝金属氧含量，同时能够改善熔渣流动性。当其加入量低于0.05％时，达不到脱氧效果；当其加入量高于0.3％时，熔渣熔点降低，在全位置焊接时不能有效保护熔池，造成焊缝金属下坠，影响成型效果。

CaF₂：CaF₂作为造渣剂，可以调节熔渣的熔点，保持优良的焊缝成型，同时具有一定的脱氧及脱氢效果，当其加入量超过4.0％时，脱渣效果变差，焊缝成型和脱渣性恶化；当其加入量低于3.5％时，达不到保护熔池的效果，焊缝表面渣壳不连续，同时脱氧效果下降，焊缝金属含氧量增高。

Si：Si作为一种有效的脱氧元素和铁素体形成元素，当其加入量低于0.1％时，脱氧效果不足，当其加入量超过1.0％时，焊缝金属韧性下降。

Mn：Mn是一种有效的强化元素，同时具有良好的脱氧效果，促进针状铁素体形成，有利于提升低温韧性。当其加入量低于0.5％时，会生成大量晶界铁素体，恶化低温韧性；加入量超过2.3％时，焊缝组织强度过高，生成大量上贝氏体，恶化低温冲击性能。

Ni：Ni是一种强化元素，同时能够韧化铁素体基体，提高低温冲击韧性，当其加入量低于2.6％时，达不到效果；当其加入量大于3.8％时，会在晶界析出NiFe化合物，降低晶界结合力，恶化冲击韧性。

Ti：Ti是一种有效的脱氧元素，形成的TiO₂是有效的晶内铁素体形核核心，同时Ti是一种固溶强化元素，过量的钛导致焊缝金属强化，降低塑性。

Mo：Mo是一种有效的强化元素，能够提高焊缝金属强度，当其加入量低于0.02％时，达不到效果；当其加入量大于0.5％时，会降低塑性和韧性。

Zr：Zr是一种强脱氧元素，能够有效降低焊缝金属氧含量，同时形成氧化产物细小弥散分布，降低焊缝金属夹杂物尺寸，有利于提高低温韧性，当其加入量小于0.04％时，不能产生有效效果；当其加入量大于0.15％时，会形成大量夹杂物恶化低温韧性。

Mg：Mg是一种强脱氧元素，可以在高温阶段与氧反应，在熔点过渡过程中电弧氛围内实现有效脱氧。当其加入量小于0.2％时，脱氧效果不足；当其加入量大于1.2％时，电弧反应剧烈，飞溅增大，恶化工艺性能。

有益效果：

该发明中的超低氢且具有良好低温韧性的无缝药芯焊丝，相对于传统的无缝药芯焊丝，具有扩散氢低的特点，即使长时间保存，扩散氢含量也能保存在小于3ml/100mg；具备优良的焊接工艺性和低温冲击性能，满足高端海工装备建设需求，特别适用于极地条件的特种海工和船舶建造需求，-60℃时的低温冲击韧性大于47J。同时，该焊丝的焊接接头满足-30℃时的CTOD值大于0.15mm的要求，可以免除焊接接头的焊后热处理步骤，大幅度缩减该类结构的生产周期。

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。

提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，无缝药芯焊丝由低碳钢外皮和药芯粉组成，所示药芯粉质量占无缝药芯焊丝总重量的15％，所述药芯粉包括如下按质量百分比计的化学成分：TiO₂0.1～0.4％，MgO 0.05～0.3％，CaF₂3.5～4％，Si 0.1～1.0％，Mn 0.5～2.3％，Ni 2.6～3.8％，Mg 0.2～1.2％，Ti 0.01～0.2％，B 0.001～0.015％，Mo 0.05～0.5％％，Zr 0.04～0.15％，其余为Fe，以上化学成分质量百分比之和为15％。需要说明的是，此处将药芯粉的化学成分质量百分比之和设成15％，是因为焊丝中药芯粉的质量占焊丝总质量的15％，而将药芯粉的化学成分质量百分比之和设成15％，方便统计质量。

其中，TiO₂以金红石的形式加入，金红石的颗粒粒度为60～320目，金红石的成分为：TiO₂≥96％，A_l2O₃<1.5％，P<0.01％。

MgO以镁砂的形式加入，镁砂的颗粒粒度为80～400目，镁砂的成分为：MgO≥93％，SiO₂<3.5％，P<0.01％，S<0.01％。

CaF₂以萤石的形式加入，萤石的成分为：CaF₂≥95％，SiO2<1.0％，P<0.01％，S<0.01％。Si以硅粉的形式加入，硅粉的成分为：Si≥97％。

Mn以电解金属锰的形式加入，电解金属锰的成分为：Mn≥99.88％，C<0.02％，P<0.02％，S<0.02％。

Ni以镍粉的形式加入，镍粉的成分为：Ni≥99.5％，C<0.05％，P<0.005％，S<0.005％。

Mg以镁粉的形式加入，镁粉的成分为：Mg≥98％，P<0.02％，S<0.02％。

所述药芯粉的填充率为15％。

成分实施例

无缝药芯焊丝由低碳钢外皮和药芯粉组成，所示药芯粉质量占无缝药芯焊丝总重量的15％，实施例1-9及对比例1-4所采用的药芯粉成分按质量百分比配比如表1所示。

表1是焊丝药芯粉中各成分的含量

将实施例1-9及对比例1-4的药芯粉填充于低碳钢钢带制成的外皮内，填充率为15％，经过减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

效果实施例

采用实施例1-9及对比例1-4制备的焊丝进行焊接，焊接工艺规范：焊接电流240～280A，焊接电压26～30V，焊接极性DCEN，焊接速度30～40cm/min，保护气体80％Ar+20％CO2，层间温度小于150℃。然后对其各方面性能进行检测，结果如表2所示。

其中，拉伸、冲击等力学性能试验参照国标GB/T 10045-2018进行试验，CTOD试验参照BS7448标准，试验温度为-30℃，试验试样选用带预制疲劳裂纹的三点弯曲标准试样。

表2制备的焊丝的力学性能结果

由表2可知，实施例1-9制备的无缝药芯焊丝的脱渣性良好、焊接飞溅小、全位置焊接操作性良好，扩散氢含量小于3ml/100g，-60℃时的低温冲击韧性大于47J。-30℃时的CTOD值大于0.15mm，实施例1-9制备的焊丝的综合评价均合格。而对比例1中焊丝的低温冲击功较低，扩散氢含量高；对比例2制备的焊丝焊接工艺性差，低温冲击功较低；对比例3制备的焊丝的全位置焊接操作性能差，扩散氢含量过高；对比例4制备的焊丝焊接飞溅大，力学性能较差，因此，对比例1-4制备的焊丝的综合评价不合格。

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.提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：无缝药芯焊丝由低碳钢外皮和药芯粉组成，所示药芯粉质量占无缝药芯焊丝总质量的15%，所述药芯粉包括如下按质量百分比计的化学成分：TiO₂ 0.1~0.4%，MgO 0.05~0.3%，CaF₂ 3.5~4%，Si0.1~1.0%，Mn 0.5~2.3%，Ni 2.6~3.8%，Mg 0.2~1.2%，Ti 0.01~0.2%，B 0.001~0.015%，Mo0.05~0.5%%，Zr 0.04~0.15%，其余为Fe，以上化学成分质量百分比之和为15%。

2.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：TiO₂以金红石的形式加入，金红石的颗粒粒度为60~320目，金红石的成分为：TiO₂≥96%，Al₂O₃<1.5%，P<0.01%。

3.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：MgO以镁砂的形式加入，镁砂的颗粒粒度为80~400目，镁砂的成分为：MgO≥93%，SiO₂<3.5%，P<0.01%，S<0.01%。

4.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：CaF₂以萤石的形式加入，萤石的成分为：CaF₂≥95%，SiO₂<1.0%，P<0.01%，S<0.01%。

5.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：Si以硅粉的形式加入，硅粉的成分为：Si≥97%。

6.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：Mn以电解金属锰的形式加入，电解金属锰的成分为：Mn≥99.88%，C<0.02%，P<0.02%，S<0.02%。

7.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：Ni以镍粉的形式加入，镍粉的成分为：Ni≥99.5%，C<0.05%，P<0.005%，S<0.005%。

8.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：Mg以镁粉的形式加入，镁粉的成分为：Mg≥98%，P<0.02%，S<0.02%。

9.根据权利要求1所述的提高低合金高强钢焊接接头低温韧性的碱性无缝药芯焊丝，其特征在于：所述药芯粉的填充率为15%。