CN112935628A

CN112935628A - 一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝

Info

Publication number: CN112935628A
Application number: CN202110170012.9A
Authority: CN
Inventors: 朱藤辉; 李仕臣; 兰久祥; 姚学刚; 白英华; 刘昕
Original assignee: Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Current assignee: Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2021-06-11

Abstract

本发明提供了一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，其包括如下组分，C为0.06～0.12wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Si为0.30～0.70wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为2.00～3.50wt％，Ti为0.020～0.090wt％，Cr为0.30～0.80wt％，Mo为0.40～0.90wt％，Nb为0.01～0.050wt％，V为0.010～0.050wt％，Al为0.005～0.015wt％，Cu为0.10～0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；各组分的质量分数之和为100％。本发明所述实心焊丝，可以满足1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接要求，在满足高强度同时，还可以满足冲击韧性要求。

Description

一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝

技术领域

本发明属于焊丝技术领域，尤其是涉及一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝。

背景技术

随着工程机械行业的高速发展和高强钢的广泛使用，工程机械设备不断向大型化、轻量化方向发展，大型工程机械结构件采用高强钢已成为趋势。目前，1000MPa级高强度结构钢，采用低碳和微合金的化学成分，通过净化钢水、控轧控冷、微合金析出强化等工艺手段，使其在大型工程机械、矿山设备不可缺少的材料，同时出于安全性方面考虑，国内外工程机械制造业对1000MPa级及以上工程机械用钢的需求量不断增加。

熔化极活性气体保护焊(MAG)由于焊接质量好、效率高等特点，在1000MPa级以上工程机械用钢焊接中得到广泛使用，目前，国内常采用低强匹配的高强焊丝进行焊接，尚无国产工程机械用高强实心气体保护焊丝，可同时满足1000MPa级及以上高强钢焊接时高强高韧的性能要求。

因此，亟待开发出一种满足1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接要求的气体保护实心焊丝，可同时满足高强高韧的性能要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，可以满足1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接要求，在满足高强度同时，还可以满足冲击韧性要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，其包括如下组分，C为0.06～0.12wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Si为0.30～0.70wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为2.00～3.50wt％，Ti为0.020～0.090wt％，Cr为0.30～0.80wt％，Mo为0.40～0.90wt％，Nb为0.01～0.050wt％，V为0.010～0.050wt％，Al为0.005～0.015wt％，Cu为0.10～0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；各组分的质量分数之和为100％。

优选的，C为0.07～0.08wt％，Mn为1.70～1.85wt％，Si为0.35～0.45wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为3.00～3.20wt％，Ti为0.030～0.045wt％，Cr为0.44～0.50wt％，Mo为0.70～0.80wt％，Nb为0.01～0.040wt％，V为0.015～0.045wt％，Al为0.005～0.013wt％，Cu为0.15～0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；各组分的质量分数之和为100％。

优选的，焊丝的直径为1.0～1.2mm。

本发明同时提供一种使用如上所述的1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝的进行焊接的方法，采用80％Ar+20％CO₂富氩混合气体进行焊接，焊接电流230-270A，焊接电压24-30V，焊接速度为25-30cm/min，气体流量为15-20L/min，层间温度130-150℃。

本发明同时提供如上所述的实心焊丝1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接中的应用。

本发明的配方分析：

C是焊缝金属中最重要的元素之一，是提高焊缝金属强度的重要元素，也是影响焊接工艺性的重要元素。碳含量过高，易导致焊缝中形成高碳马氏体组织，降低焊缝金属的抗裂性和韧性。所以本发明焊丝将C含量控制在0.06-0.12％之间。

Mn是主要的强化及脱氧元素，Mn+Si在焊接试能够有效的避免空气中的氧进到焊缝当中，是有效的脱氧元素，可防止焊缝气孔的产生。且添加Mn含量在高于1.20％时有助于马氏体和贝氏体的转变，以提高强度。Mn也有良好的脱硫脱氧作用，Mn也是扩大奥氏体区的元素，Mn含量高于2％时容易阻碍C元素的扩散，导致焊缝金属韧性降低。本发明焊丝中Mn含量1.40～2.00％之间。

Si作为脱氧元素，与氧反应形成Si0₂，起到脱氧的作用。Si也具有固溶强化的作用，以利于提高焊缝金属的抗拉强度，但是Si元素对韧性有害。因此本发明焊丝将Si含量控制在0.30-0.70％之间。

Cr：Cr为铁素体形成元素，能够降低组织相变温度，并具有一定的固溶强化作用，可以提高焊缝的淬透性。随着Cr含量的增加，焊缝硬度和强度也随之增加，而塑韧性降低。本发明焊丝限定Cr含量控制范围为0.3～0.8％之间。

Mo是缩小奥氏体相区的元素，促进贝氏体组织转变，在较宽的温度区间获得中温转变组织，同时抑制先共析铁素体生产，促进针状铁素体产生，但是Mo含量过高，会产生强烈的固溶强化，引起晶格畸变，降低焊缝金属的冲击韧性。因此本发明焊丝将Mo含量控制在0.40-0.90％之间。

Ni是奥氏体稳定化元素，能提高焊缝金属的低温冲击韧性。随着Ni元素含量的提高，高强钢焊缝由板条贝氏体和马氏体为主的组织变为板条更细小的马氏体与贝氏体的混合组织，焊缝强度增大，并保持了良好的低温韧性，但是Ni含量增加，焊材成分增加。因此本发明焊丝将Ni含量控制在2.0-3.5％之间。

Ti在钢中的作用主要起三个作用，一是细化奥氏体晶粒，提高钢的强度，与Nb配合，并对最终转变的铁素体和马氏体组织起到最佳细化作用；二是与N元素结合形成TiN，起到固氮作用；三是提高材料焊接性能，Ti与N结合形成TiN对焊接过程中奥氏体晶粒粗化有明显抑制作用。本发明焊丝中Ti含量0.02-0.09％之间。

Nb：是强烈的碳、氮化合物形成元素，主要通过细化晶粒来提高钢的强度；一方面，固溶Nb对奥氏体晶粒长大起到溶质拖曳作用，起到阻止奥氏体晶粒长大的作用；另一方面，未溶解的Nb，与C、N元素形成的Nb(C、N)可以显著钉扎奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒，并对最终产品组织起到细化作用，有利于产品强度和冷弯成形性能的提高。Nb含量控制为≤0.050wt％。

V：V与C形成VC，细小的VC会对位错起到一定的阻碍作用，提高钢板的强度，但V含量较多会形成粗化的VC颗粒，降低冲击性能，本发明中结合其它合金元素，V含量控制为为≤0.050％。

Al少量加入钢中能降低氧、氮水平,细化晶粒,提高冲击韧性。本发明焊丝中Al含量控制为≤0.015％。

Cu是扩大奥氏体区的元素，铜能提高焊缝金属的淬透性和抗疲劳性。Cu除了稳定奥氏体之外,还显著提高碳化物的活度,促进合金碳化物的析出,从而可以间接发挥细化转变组织和析出强化作用。本发明焊丝中Cu含量控制在为≤0.30wt％。

P、S作为杂质元素，会对钢的塑性、成形、韧性等性能产生不利影响，应该严格控制，其含量越低越好，考虑生产成本因素，实际生产中控制S：≤0.008％，P：≤0.008％。

N，O：N形成AlN或TiN，起到细化奥氏体晶粒的作用，但N含量增加会导致其在缺陷处富集，影响钢板低温冲击功，因此N含量控制在不超过80ppm。O与Al形成Al₂O₃、TiO等，为保证钢板组织均匀性和低温冲击功，O含量不超过50ppm。

本发明的关键点之一在于除采用传统的固溶强化、细晶强化、控制S、P杂质元素保证焊缝纯净度等手段基础上，加强复合微合金元素的沉淀强化方式来提高性能。沉淀强化是除细晶强化外，提高强度同时不明显损害塑韧性、最经济可行的有效方法。

本发明采用合适比例的Ti+V+Mo元素体系，在不提高全固溶温度的前提下，既增加析出相的体积分数又能细化析出相尺寸(减少奥氏体中MC相的潜在析出量，增大铁素体中MC相析出量，降低MC相在奥氏体中的最快析出温度，同时铁素体中析出粒子具有很强的抗粗化能力)，从而达到复合微合金化的大沉淀强化增量的目的。

该焊丝熔敷金属组织为高密度细小的板条马氏体和贝氏体混合组织。采用本发明的焊丝焊缝金属具有高强度和优良的冲击韧性，全位置焊接工艺性能良好，焊缝形貌美观。

相对于现有技术，本发明所述的一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，具有以下优势：

本发明研制的焊丝，熔敷金属组织由高密度细小低碳马氏体和下贝氏体组成。低碳马氏体具有相当的强度并且有自回火现象，自回火能改善马氏体的韧性，同时保证了熔敷金属的强度和韧性，而且下贝氏体组织不但强度高，而且具有良好的韧塑性，从而实现高强高韧的优异性能，满足1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接要求。

本发明的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，所述焊丝采用熔化极活性气体保护焊，保护气为Ar+20％CO₂，焊态下熔敷金属力学性能为：抗拉强度R_m1030-1150MPa，屈服强度R_p0.2≥960MPa，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥50％，-40℃冲击功KV₂≥70J。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明。

本发明的1000MPa级工程机械用高强钢气体保护实心焊丝，其化学成分按质量百分比为：C为0.06～0.12wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Si为0.30～0.70wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为2.00～3.50wt％，Ti为0.020～0.090wt％,Cr为0.30～0.80wt％，Mo为0.40～0.90wt％，Nb为≤0.050wt％，V为≤0.050wt％，Al为≤0.015wt％，Cu为≤0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明高强度高韧性气体保护焊丝成分范围内，冶炼了3炉盘条进行焊丝拉拔，最终获得Ф1.2mm的焊丝。其焊丝成分见表1，分别为实施例1、实施例2和实施例3。

下面对本发明具体实施例做详细介绍：

(1)焊丝中各种原材料重量百分比如下表：(％)(余量为Fe以及不可避免的杂质，各组分的重量百分比之和为100％)

(2)本实施例所述的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝焊接熔敷金属的焊接方法包括以下步骤：采用80％Ar+20％CO₂富氩混合气体进行熔敷金属焊接，试板为Q345(堆边)，厚度为20mm，单边坡口角度10°，根部间隙为16mm。焊接规范为：焊接电流230-270A，焊接电压24-30V，焊接速度为25-30cm/min，气体流量为15-20L/min，层间温度130-150℃。

①熔敷金属射线检测：Ⅰ级

熔敷金属超声检测：合格

②焊缝力学性能：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，其特征在于：其包括如下组分，C为0.06～0.12wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Si为0.30～0.70wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为2.00～3.50wt％，Ti为0.020～0.090wt％，Cr为0.30～0.80wt％，Mo为0.40～0.90wt％，Nb为0.01～0.050wt％，V为0.010～0.050wt％，Al为0.005～0.015wt％，Cu为0.10～0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；各组分的质量分数之和为100％。

2.根据权利要求1所述的1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，其特征在于：C为0.07～0.08wt％，Mn为1.70～1.85wt％，Si为0.35～0.45wt％，S≤0.008wt％，P≤0.008wt％，Ni为3.00～3.20wt％，Ti为0.030～0.045wt％，Cr为0.44～0.50wt％，Mo为0.70～0.80wt％，Nb为0.01～0.040wt％，V为0.015～0.045wt％，Al为0.005～0.013wt％，Cu为0.15～0.30wt％，O≤50ppm，N为≤80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；各组分的质量分数之和为100％。

3.根据权利要求1所述的1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝，其特征在于：焊丝的直径为1.0～1.2mm。

4.一种使用如权利要求1～3任一项所述的1000MPa级超高强高韧气保实心焊丝进行焊接的方法，其特征在于：采用80％Ar+20％CO₂富氩混合气体进行焊接，焊接电流230-270A，焊接电压24-30V，焊接速度为25-30cm/min，气体流量为15-20L/min，层间温度130-150℃。

5.根据权利要求1～3任一项所述的实心焊丝1000MPa级及以上强度级别工程机械用高强钢焊接中的应用。