CN112171109A - 一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。其技术方案是:所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.20~0.45wt%,Si为0.03~0.10wt%,Mn为26~31wt%,Ni为≤1.2wt%,Cr为2~6wt%,Mo为≤1wt%,N为0.02~0.08%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明生产成本低;所形成的焊缝金属具有高的延伸率和稳定的力学性能,其强度和低温韧性与高锰低温钢相匹配;焊接接头具有高的强度和优良的超低温韧性的力学性能,能满足对所焊接制备的LNG贮罐的室温和低温性能的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于全自动埋弧焊焊丝技术领域。具体涉及一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。
背景技术
液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为清洁能源,将是未来主要的生活和国民经济发展用能源,据此,LPG和LNG贮存和运输容器用钢的需求量将会越来越大。LNG贮罐的工作温度在-196℃,目前用于LNG贮罐的低温钢主要是9Ni钢,镍含量高达9%,虽可达到超低温韧性及其它力学性能的要求,但由于元素成本太高,导致钢材价格上升。
为节省Ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本,依据锰元素与镍元素具有相同的物理冶金特点,科研人员提出以锰代镍的思路,采用20~25%锰含量来替代9%镍含量,制得高锰低温钢。
高锰低温钢制备LNG储罐,主要采用焊接工艺,因此,配套的焊接材料是关键技术之一,对于LNG储罐的质量及安全运行起着至关重要的作用。近年来,高锰低温钢及其配套的焊接材料在持续研发中。在制备LNG储罐时,埋弧焊是一种可实现全自动焊接的高效方法,需要配套埋弧焊焊丝。
目前,适用于LNG储罐制备的埋弧焊焊丝的现有技术中:(1)“焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法”(CN 109530881 A)的专利技术,其化学组分是:碳为0.1~0.6wt%,硅为0.1~0.5wt%,锰为13~30wt%,铬为3~6wt%,镍为5~15wt%,铜为0.1~1.0wt%,氮为0.1~0.3wt%,铝≤0.20wt%,硫为0.005~0.01wt%,磷为0.005~0.01wt%,余量为铁及必不可少的杂质。(2)“一种用于制造LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊焊丝”(ZL 201710194206.6)的专利技术,其化学组分是:C为0.25~0.45wt%,Mn为23~26wt%,Ni为6~8wt%,W为3~5wt%,N为0.02~0.04%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。以上两项技术中,Ni含量很高,分别为5~15%和6~8wt%,使得该焊丝的成本很高。另外,现有专利技术(1)中没有给出该焊丝制备的焊缝金属的延伸率;现有专利技术(2)中该焊丝制备的焊缝金属的延伸率A为31~35%,与母材匹配度较低,同时,也存在强度及-196℃冲击韧性波动较大的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足,目的是提供一种生产成本低的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝,该焊丝形成的焊缝金属延伸率优良,能与25Mn低温钢的延伸率相匹配,且焊接接头力学性能稳定,能满足对所焊接的LNG贮罐的强度、超低温韧性和延伸率的技术要求。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.20~0.45wt%,Si为0.03~0.10wt%,Mn为26~31wt%,Ni为≤1.2wt%,Cr为2~6wt%,Mo为≤1wt%,N为0.02~0.08%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
由于采用了上述技术方案,本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
本发明的主要合金元素Mn的含量为26~31wt%,焊接过程中,部分锰烧损后与母材的锰含量相当,保证了与母材基本相同的成分体系。锰元素是奥氏体形成元素,在焊接冶金过程中,与碳元素及氮元素共同作用,在焊缝金属熔池凝固时,保持以奥氏体相为凝固初始相,并一直保持到室温,形成奥氏体组织的焊缝金属。因此,本发明中的碳元素含量为0.25~0.45wt%,同时,通过添加0.02~0.04wt%的少量氮元素,在焊接过程中起到固溶强化作用,从而提高了焊缝金属的强度。
本发明添加2~6wt%的Cr元素及≤1wt%的Mo元素,在提高固溶强化效应的同时,保证有良好的延伸率。此外,杂质元素硫与磷的存在,使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹,因此,本发明严格控制硫、磷元素的含量,控制在P≤0.002wt%和S≤0.001wt%的范围内。通过净化钢水,将焊丝的P和S含量降到最低,避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。
本发明将锰含量增加到26~31wt%,仅添加≤1.2wt%的镍含量,有效降低了生产成本,且使焊缝金属组织为全奥氏体,提高了力学性能的稳定性,显著增加了焊缝金属的延伸率。添加2~6wt%的Cr元素及≤1wt%的Mo元素,保证了焊缝金属在优良的超低温韧性的前提下,具有高的室温强度和良好的延伸率。
本发明所制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝用于焊接高锰低温钢制造LNG贮罐,焊缝金属形成全奥氏体组织,保证了优良的超低温韧性,并且奥氏体具有较高的室温强度,焊缝金属的屈服强度达到450~470MPa,抗拉强度达到660~680MPa,延伸率A为45~50%,-196℃时冲击功Akv为71~87J;实现了用高锰低温钢制造的LNG贮罐的力学性能要求,特别是延伸率的要求。同时,具有优良的力学性能稳定性。
因此,本发明生产成本低;所形成的焊缝金属具有优良的延伸率和稳定的力学性能,其强度和低温韧性与高锰低温钢相匹配;焊接接头具有高的强度、优良的超低温韧性的力学性能,能满足对所焊接制备的LNG贮罐的强度、超低温韧性和延伸率的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述,并非对本其保护范围的限制:
实施例1
一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.20wt%,Si为0.07wt%,Mn为31wt%,Cr为2wt%,N为0.02%,Mo为0.6wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝用于焊接高锰低温钢板制造LNG贮罐,所述全自动埋弧焊实芯焊丝的直径为Φ2.4mm,采用全自动埋弧焊焊接方法。
所述高锰低温钢板为20mm厚的25Mn超低温钢板,25Mn超低温钢板的化学组分是:C为≤0.40wt%,Si为0.20wt%,Mn为25wt%,N为0.02wt%,P为≤0.005wt%,S为≤0.003wt%。25Mn超低温钢板的力学性能是:抗拉强度为400MPa,屈服强度为660MPa,延伸率A=45%;-196℃时冲击功Akv为:115、102、124J。试板坡口型式为V型,单侧坡口角度为30°。匹配焊剂型号为:INCOFLUX9(SMC)。
本实施例焊接工艺的技术参数如下:焊接电流为420A;电弧电压为28V;焊接速度为35cm/min;焊接热输入为20kJ/cm。
本实施例焊后进行焊缝金属的显微组织及力学性能分析:焊缝金属为全奥氏体组织。经检测,没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为460MPa,抗拉强度为677MPa,伸长率A=45%,-196℃时冲击功为71、75、78J。
结果表明:采用本实施例制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝,在25Mn超低温钢板经全自动埋弧焊焊接后,焊缝金属的力学性能完全满足超低温25Mn钢板的技术要求,焊接接头亦满足LNG贮罐的技术要求。
实施例2
一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.35wt%,Si为0.10wt%,Mn为28wt%,Ni为0.5wt%,Cr为6wt%,N为0.08%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝用于焊接高锰低温钢板制造LNG贮罐,所述全自动埋弧焊实芯焊丝的直径为Φ2.4mm,采用全自动埋弧焊焊接方法。所采用的全自动弧埋焊接工艺同实施例1。
本实施例所焊接的高锰低温钢板及坡口型式同实施例1。
本实施例焊后进行焊缝金属的显微组织及力学性能分析:焊缝金属为全奥氏体组织。经检测,没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为470MPa,抗拉强度为680MPa,伸长率A=50%,-196℃时冲击功为74、72、87J。
结果表明:采用本实施例所制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝,在25Mn超低温钢板经全自动埋弧焊焊接后,焊缝金属的力学性能完全满足超低温25Mn钢板的技术要求,焊接接头亦满足LNG贮罐的技术要求。
实施例3
一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.45wt%,Si为0.03wt%,Mn为26wt%,Ni为1.2wt%,Cr为4wt%,N为0.04%,Mo为1wt%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝用于焊接高锰低温钢板制造LNG贮罐,所述全自动埋弧焊实芯焊丝的直径为Φ2.4mm,采用全自动埋弧焊焊接方法。所采用的全自动弧埋焊接工艺同实施例1。
本实施例所焊接的高锰低温钢板及坡口型式同实施例1。
本实施例焊后进行焊缝金属的显微组织及力学性能分析:焊缝金属为全奥氏体组织。经检测:没有凝固裂纹及再热裂纹产生;焊缝金属的屈服强度为450MPa,抗拉强度为660MPa,伸长率A=46%,-196℃时冲击功为73、80、75J。
结果表明:采用本实施例所制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝,在25Mn超低温钢板经全自动埋弧焊焊接后,焊缝金属的力学性能完全满足超低温25Mn钢板的技术要求,焊接接头亦满足LNG贮罐的技术要求。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果:
本具体实施方式的主要合金元素Mn的含量为26~31wt%,焊接过程中,部分锰烧损后与母材的锰含量相当,保证了与母材基本相同的成分体系。锰元素是奥氏体形成元素,在焊接冶金过程中,与碳元素及氮元素共同作用,在焊缝金属熔池凝固时,保持以奥氏体相为凝固初始相,并一直保持到室温,形成奥氏体组织的焊缝金属。因此,本具体实施方式中的碳元素含量为0.25~0.45wt%,同时,通过添加0.02~0.04wt%的少量氮元素,在焊接过程中起到固溶强化作用,从而提高了焊缝金属的强度。
本具体实施方式添加2~6wt%的Cr元素及≤1wt%的Mo元素,在提高固溶强化效应的同时,保证有良好的延伸率。此外,杂质元素硫与磷的存在,使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹,因此,本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量,控制在P≤0.002wt%和S≤0.001wt%的范围内。通过净化钢水,将焊丝的P和S含量降到最低,避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。
本具体实施方式将锰含量增加到26~31wt%,仅添加≤1.2wt%的镍含量,有效降低了生产成本,且使焊缝金属组织为全奥氏体,提高了力学性能的稳定性,显著增加了焊缝金属的延伸率。添加2~6wt%的Cr元素及≤1wt%的Mo元素,保证了焊缝金属在优良的超低温韧性的前提下,具有高的室温强度和良好的延伸率。
本具体实施方式所制备的节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝用于焊接高锰低温钢制造LNG贮罐,焊缝金属形成全奥氏体组织,保证了优良的超低温韧性,并且奥氏体具有较高的室温强度,焊缝金属的屈服强度达到450~470MPa,抗拉强度达到660~680MPa,延伸率A为45~50%,-196℃时冲击功Akv为71~87J;实现了用高锰低温钢制造的LNG贮罐的力学性能要求,特别是延伸率的要求。同时,具有优良的力学性能稳定性。
因此,本具体实施方式生产成本低;所形成的焊缝金属具有优良的延伸率和稳定的力学性能,其强度和低温韧性与高锰低温钢相匹配;焊接接头具有高的强度、优良的超低温韧性的力学性能,能满足对所焊接制备的LNG贮罐的强度、超低温韧性和延伸率的技术要求。
Claims (1)
1.一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝,其特征在于所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是:C为0.20~0.45wt%,Si为0.03~0.10wt%,Mn为26~31wt%,Ni为≤1.2wt%,Cr为2~6wt%,Mo为≤1wt%,N为0.02~0.08%,P≤0.002wt%,S≤0.001wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
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