CN1127390C - 低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，其化学成份按重量百分数计含有：C0.05～0.12、Mn1.20～2.00、Ni0.60～1.60、Si0.30～1.20、Cu0.10～0.50、Cr0.10～0.60、Ti0.10～0.20、B0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该焊丝采用混合气体(80%Ar+20%CO2)保护电弧焊时，焊缝金属抗拉强度为700～800MPa，-30℃冲击功Akv≥80J。适用于700MPa级低合金高强钢的气体保护电弧焊。焊丝具有良好的工艺性能，适应于全位置焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，属焊接材料领域。本焊丝采用混合气体(80％Ar+20％CO2)保护焊时，焊缝金属的抗拉强度为700～800MPa，-30℃冲击功Akv≥80J。
背景技术
目前，气体保护焊丝的使用量在美国已占焊接材料产量的31％，日本约占41％，西欧约占56％，国内仅占焊材总量的10％，国内尚无成熟的700MPa级气体保护焊商品焊丝，且品种单一，远远不能满足日益增长的低合金高强钢气体保护焊的需求。国内普遍采用低匹配的Mn-Si系焊丝ER70S-6，其不足之处是焊丝焊缝金属抗拉强度低于600MPa，低温冲击韧性较差。ESAB公司生产的ST700混合气体保护焊丝，熔敷金属抗拉强度虽已达到700MPa，其不足之处是冲击韧性不能满足结构在低温服役下的使用要求。2000年日本新日铁株式会社申请的“管线气体保护焊接用焊丝及管线环缝气体保护焊接方法”，专利申请号JP2000218391 A，介绍的气体保护焊丝的焊缝金属具有良好的低温冲击韧性，但不足之处是抗拉强度不能稳定达到700MPa。
发明内容
本发明的目的是提供一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，焊缝金属抗拉强度达700～800MPa，低温冲击韧性高，焊接工艺性能良好，可用于相应强度级别低合金高强钢大型、重要结构的气体保护焊丝。
为达到上述目的，本发明提供了一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，其特征是焊丝的化学成份按重量百分数计为：C 0.05～0.12、Mn1.20～2.00、Ni 0.60～1.60、Si 0.30～1.20、Cu 0.10～0.50、Cr0.10～0.60、Ti 0.10～0.20、B 0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对于抗拉强度为700MPa级的低合金高强钢，要使焊缝金属抗拉强度达到700～800MPa，同时又获得良好的低温冲击韧性，关键在于通过在焊丝中加入合适的合金元素，促使在焊缝金属中产生大量高密度位错的细针状铁素体组织。为此，焊缝金属必须具有合适的合金体系，并满足以下几个条件。
1.限制先共析铁素体转变。
微量的B在奥氏体晶界上的非平衡偏聚，在焊缝中将明显抑制先共析铁素体在奥氏体晶界上形核。为防止B的氧化和氮化，需在焊缝中加入Ti。Ti、B联合加入时，可扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体。且Ti、B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配。但上述Ti、B含量的最佳配合范围因不同的焊缝合金系和焊缝强度而异。
2.在未转变奥氏体晶内存在一定数量和大小的夹杂物作为针状铁素体的形核质点。
当奥氏体过冷到针状铁素体转变温度区域时，因晶界形核受到抑制，铁素体针片便以晶内夹杂物为中心开始形核和长大，直到遇到其它的针片为止。先形核的针状铁素体片可诱发其它的铁素体片形核。
焊缝中氧化物夹杂的产生是因为氧在焊缝中极少固溶，当焊丝中的Si、Mn通过熔滴过渡到焊缝中时，绝大多数氧与焊缝中Si、Mn等进行脱氧反应形成氧化物夹杂或氧硫复合物夹杂。其中部分夹杂物在高温下长大，分离而进入渣中。部分因快速冷却而留在焊缝中。还有一部分夹杂物是Ti脱氮形成的氮化物。上述夹杂物或复合夹杂物均有可能作为针状铁素体的形核质点，且未转变奥氏体晶内夹杂物的数量直接决定针状铁素体针片的大小。
3.合适的奥氏体晶粒尺寸针状铁素体形成与奥氏体的晶粒尺寸有关，当奥氏体晶粒尺寸相对较小时，没有足够的空间供针状铁素体在晶内形成，而是在晶界优先进行先共析铁素体和贝氏体转变。夹杂物的尺寸分布对奥氏体晶粒尺寸有重要的影响。
4.合适的焊缝金属淬透性
C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu等诸元素可以提高焊缝金属的淬透性，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形成。由上述元素构成的焊缝金属合金系在在一定加入范围内，可以降低针状铁素体的转变温度，使在较低温度下转变的针状铁素体具有较高的位错密度，从而使焊缝金属抗拉强度在达到700～800MPa的同时，又获得良好的低温冲击韧性。
但在高强度焊缝金属中，过高的碳含量促进高碳马氏体的形成，使焊缝金属冷裂纹敏感性增加，因此将焊丝中的C含量控制在0.05％～0.12％范围内。
焊缝金属中过高的Mn含量易造成Mn的偏析，在偏析区易产生M-A岛状组织，从而降低焊缝金属的韧性，因此，将焊丝中的Mn含量控制在1.20％～2.00％之间。
焊缝金属中Ni对冲击韧性的影响与Mn含量之间存在交互作用，当两种元素位于最佳的配合范围之内时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配，因此，根据上述Mn的加入量，可以确定焊丝中Ni加入量的适宜范围是0.60％～1.60％。
焊丝中Si加入量为0.30％～1.20％，此范围是根据当焊缝中Mn/Si≈3时，具有较好的脱氧效果，并考虑在气体保护焊中两种元素的过渡系数而确定的。
Cu在焊缝金属中的作用与其含量有关，当Cu含量小于0.5％时，以固溶硬化方式起强化作用，并降低针状铁素体开始转变温度，利于获得高密度位错的细针状铁素体；当Cu含量大于0.5％时，以析出硬化方式起强化作用。当Cu以析出相形式在焊缝中存在时，对焊缝金属韧性的影响比较复杂，因此将焊丝中的Cu含量控制在0.10％～0.50％为宜。
将焊丝中Cr的含量设计为0.10％～0.60％，是因为Cr强化铁素体的效果显著，过高的Cr含量会导致焊缝金属冷裂纹敏感性增加。
焊缝中Ti、B的含量分别为0.01％～0.04％和0.001％～0.004％。由于两种元素过渡系数较低，焊丝中Ti、B采用联合加入效果更好，Ti含量应为0.10％～0.20％、B含量应为0.002％～0.010％。
S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，应尽量降低。要求焊丝中S≤0.10％、P≤0.20％。
总之，本发明通过在气体保护焊丝中联合加入适量的Ti和B，扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中稳定获得大量的针状铁素体；加入Si、Mn进行联合脱氧，使焊缝金属中具有合适的氧含量，并强化铁素体基体；加入Ni进一步提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；加入Cu以利于获得高密度位错的细针状铁素体；加入Cr以强化铁素体；尽量降低S、P等有害元素的含量。通过上述焊丝成份设计，从而使焊缝金属具有合适的合金体系，并最终使相应的焊缝金属获得优异的强韧性匹配。
本发明焊丝具有如下优点：
1.本发明焊丝所用合金体系合适，其盘条冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，焊丝的成本较低。
2.本发明焊丝具有良好的工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。
3.本发明焊丝质量稳定，在采用混合气体(80％Ar+20％CO2)保护焊时，焊缝金属的抗拉强度达到700～800MPa，-30℃冲击功Akv≥80J。适用于700MPa级低合金钢的气体保护电弧焊，可广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型、重要结构低合金高强钢的焊接。
具体实施方式
下面用实施例对本发明焊丝作进一步详述：
实施例1：采用0.5吨电炉，选用低S、P废钢进行焊丝钢冶炼。冶炼过程中注意控制钢中气体含量，对冶炼工艺无特殊要求。焊丝钢的化学成份按重量百分数计为：C 0.063、Mn 1.77、Ni 1.25、Si 0.65、Cu 0.30、Cr 0.27、Ti 0.19、B 0.0074、S 0.0079、P 0.011，余量为Fe及不可避免的杂质元素。冶炼后将焊丝钢经轧制、拉拔、表面镀铜等工序加工成规格为Φ1.2mm的焊丝。本发明焊丝采用混合气体(80％Ar+20％CO2)保护进行熔敷金属性能检验，焊接规范为：焊接电流220～260A，焊接电压24～26V，焊接速度22cm/min，气体流量18L/min，焊接线能量16.4kJ/cm。焊接板厚20mm，坡口角度45°，带12mm垫板，根部间隙为12mm。熔敷金属的力学性能为：σs＝665MPa，σb＝740MPa，δ5＝17％，Ψ＝63％，熔敷金属系列温度平均冲击功Akv分别为126J(20℃)、110J(-20℃)、102J(-30℃)、97J(-40℃)。
实施例2：采用本发明焊丝在混合气体(80％Ar+20％CO2)保护条件下进行低碳贝氏体钢平焊对接检验。低碳贝氏体钢主要化学成份按重量百分数计含有：C 0.06、Si 0.35、Mn 1.55、P 0.013、S 0.0043、Nb 0.042、Cu0.153、Ti 0.018、B 0.0011，钢板抗拉强度σb为715MPa。焊接规范为：焊接电流200～220A，焊接电压21～25V，焊接速度19cm/min，平均焊接线能量15.3kJ/cm。焊接板厚6mm，坡口角度70°，钝边1mm，根部不留间隙。焊缝金属的主要化学成份按重量百分数计含有：C 0.047、Si0.414、Mn 1.38、P 0.011、S 0.008、Ni 0.95、Cr 0.20、Ti 0.041、B0.0070。接头抗拉检验结果反映接头断在焊缝外17mm处，焊缝金属系列温度平均冲击功Akv分别为131J(0℃)、126J(-30℃)、130J(-40℃)、111J(-50℃)(冲击检验采用非标试样尺寸)，焊接接头冷弯d＝3a、180°完好。
本发明焊丝具有良好的工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。适用于700MPa级低合金高强钢的气体保护电弧焊，可广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型、重要结构低合金高强钢的焊接。
Claims (1)
1.一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，其特征是焊丝的化学成份按重量百分数计为：C 0.05～0.12、Mn 1.20～2.00、Ni 0.60～1.60、Si 0.30～1.20、Cu 0.10～0.50、Cr 0.10～0.60、Ti 0.10～0.20、B 0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
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