CN113001058B - 一种大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大线能量焊接用钢配套的药芯焊丝及其应用，属于焊接材料技术领域。焊丝药粉化学组成：C 0.03～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.0～2.0％，Ti0.01～0.08％，Ni 1.0～3.0％，B 0.001～0.01％，Cr 0.05～0.5％，Mo 0.05～0.3％，V0.03～1.0％，Cu 0.01～1.0％，Al 0.001～0.03％，氟化钙1.0～8.0％，石英1.0～6.0％，金红石1.0～5.0％，强脱氧元素M 0.001～1.0％，其余为Fe粉。本发明药芯焊丝适于石油储罐钢板、船舶及海洋工程用结构钢板及低合金高强度结构钢板的大线能量焊接。

Description

一种大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝及其应用
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种大线能量焊接用钢EGW(垂直气电立焊)焊接配套的药芯焊丝及其应用，该药芯焊丝主要用于战略石油储备罐钢板的单丝EGW大线能量焊接。
背景技术
近年，随着构件的大型化和大跨度化，为提高焊接施工效率和降低生产成本，诸如垂直气电立焊、埋弧焊、电渣焊等大线能量焊接方法已相继在造船、建筑、桥梁、石油储罐、海洋结构等制造领域中得到广泛应用。例如，在船舶制造中，焊接工时约占总工时的40％，焊接成本约占船舶制造成本的17％，日本造船行业从90年代初开始应用大线能量焊接技术后，焊接效率较传统的多道次焊接提高近10倍。但是在大线能量焊接条件下，焊接接头处的温度升高、受热时间增长，导致焊缝及热影响区(HAZ)晶粒组织粗化，会使力学性能尤其是冲击韧性变差。为解决此问题，日本在30年前就已采用氧化物冶金新技术研究开发成功能够承受400kJ/cm以上热输入的大线能量焊接造船钢板，40至100mm厚度的钢板可实现一道次焊接成形，使造船成本降低、船舶建造周期缩短，大幅度提升了日本造船业的赢利空间和国际市场竞争力。但日本各钢铁公司对这项技术严格保密从不披露其工艺细节。
我国大线能量焊接用钢的引进及应用是以国家战略石油储备库建设为契机而开始的。石油作为重要的战略物资，其稳定供应关系到国民经济的持续发展。2004年之前，我国是全世界主要石油进口大国中唯一没有战略石油储备的国家。从2003年开始，国家正式启动了分三期完成的战略石油储备库建设计划，其一期工程于2008年底结束，共完成镇海、舟山、大连、黄岛四个沿海基地总库容达1640万m3的石油储备库建设，现已全部收储原油，形成了30天左右净进口量的原油储备规模。通常一台10万m3石油储罐需用钢材总量为1948.5吨，其中高强度钢板789.4吨，约占单罐用钢总量的40.5％左右；一台10万m3石油储罐的造价加上原油的价值高达数亿元，如果出现事故，经济损失和环境污染后果严重。因此，对石油储罐用钢板及其配套焊接材料的综合使用性能具有很高要求，特别是为了保证现场焊接施工效率和焊接接头质量性能，大型储罐纵焊缝均要求采用热输入≥100kJ/cm的EGW(垂直气电立焊)进行焊接，我国一期石油储备库建设期间所用高强钢板及其配套焊接材料全部由日本JFE和神户制钢等公司高价进口。因此，以石油储罐钢板的国产化为目标，国内钢铁企业和科研院所相继开展了大线能量焊接专用钢的研究开发。
中国发明专利ZL201110181524.1提供了一种“大热输入焊接用含硼石油储罐钢板的生产方法”；ZL201110181602.8提供了一种“采用直接淬火工艺生产石油储罐钢板的方法”；ZL201810916605.3提供了“一种基于氧化物冶金的战略石油储备罐钢板及其制造方法”；CN111500821A公开了“一种复合包芯线和大线能量焊接用钢的制备方法”。近10余年来，在这些专利技术的支持下国内钢铁企业已先后突破国外的长期技术封锁，实现了10万m3石油储罐用钢板的全部国产化，而且自主研究开发出焊接线能量≥200kJ/cm、最大厚度达到60mm、焊接热影响区-20℃冲击功≥80J的高性能储罐用钢板，满足罐体容量达到15～20万m3大型石油储罐实现单面单道次V型大线能量焊接的需求。在此技术基础上，目前国内部分钢铁企业还能够制造出焊接线能量大于400kJ/cm、厚度达到70mm的TMCP态EH40、EH36船舶用钢板和线能量大于300kJ/cm、厚度80～120mm的正火态EH36N海洋工程用钢板，而且这些大线能量焊接用钢板已先后通过ABS、DNV、BV、KR、CCS等多国船级社认证，开始被应用于极地船舶和大型FPSO(海上浮式生产储油船)等海洋工程装备的建造。但非常遗憾的是，目前国内能够与这些钢板及焊接工艺相适应的焊接材料却鲜有研究和应用业绩报道，迄今为止含10万m3石油储罐在内的所有储油罐建设基地和大量船舰制造企业所使用的EGW大线能量焊接药芯焊丝几乎全部由国外高价进口，其中从日本神户制钢(株)进口的DW-S43G、DW-S50G、DW-S1LG等药芯焊丝市场销售价格约3.5～9万元/吨不等，而线能量大于300kJ/cm的品种，日方处于某种战略考量至今仍拒绝出口中国市场。为摆脱这种长期被卡脖子和受制于人的被动局面，国内焊材生产企业、造船及石油储备库建设相关部门、高等学校及科研院所应携手合作，共同推进大线能量焊接用钢配套焊接材料的国产化进程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝及其应用，该药芯焊丝主要应用于战略石油储备罐钢板的EGW大线能量焊接。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝，是以焊丝药粉为制备原材料，按质量百分比计，所述焊丝药粉的化学组成如下：
C 0.03～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.0～2.0％，Ti 0.01～0.08％，Ni 1.0～3.0％，B0.001～0.01％，Cr 0.05～0.5％，Mo 0.05～0.3％，V 0.03～1.0％，Cu 0.01～1.0％，Al0.001～0.03％，氟化钙1.0～8.0％，石英1.0～6.0％，金红石1.0～5.0％，强脱氧元素M0.001～1.0％，其余为Fe粉及不可避免的杂质。
所述焊丝药粉中，P≤0.015wt.％，S≤0.008wt.％。
所述焊丝药粉中，强脱氧元素M为Mg、Zr和RE中的一种或几种，其中：Mg 0.001～0.5％，Zr 0.001～0.3％，RE0.001～0.2％。
该药芯焊丝的制备方法为：按药粉化学成分选择粒度小于80目的各制备原材料粉末；混合烘干后将药粉加入药芯焊丝成形机组的装料斗中，控制药粉充填率在17～25％条件下，将药粉通过O型对接方式包裹到市售的SPCC软钢带中，再经常规的冷弯成型、封口、减径和多道次拉拔工艺制成直径1.6mm的药芯焊丝。
所述药粉混合烘干的过程为：将药粉装入V型混料机中均匀混合后烘干，烘干温度100～350℃，烘干时间≥4小时。
所述药芯焊丝应用于厚度60mm以下、屈服强度490MPa级石油储罐12MnNiVR等钢板的单丝EGW大线能量焊接；或者，所述药芯焊丝应用于厚度80mm以下的EH36、EH40、EH420、EH460船舶及海洋工程用结构钢板的单丝EGW大线能量焊接；或者，所述药芯焊丝应用于80mm以下、Q355至Q500各级别低合金高强度结构钢板的单丝EGW大线能量焊接。
所述药芯焊丝应用过程中，在热输入60～400kJ/cm条件下进行垂直气电立焊施焊，其焊缝金属化学成分按质量百分比为：C 0.03～0.08％，Si 0.05～0.30％，Mn1.20～1.80％，Ti 0.01～0.06％，Ni 1.0～3.0％，B 0.0005～0.001％，Cr 0.02～0.30％，Mo0.02～0.30％，V 0.002～0.05％，Cu 0.01～0.30％，Al 0.001～0.03％，强脱氧元素M0.001～0.1％(M为Mg、Zr和RE中的一种或几种，其中Mg 0.001～0.05％，Zr0.001～0.03％，RE0.001～0.02％)，P≤0.015％，S≤0.008％，N≤0.008％，O≤0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药芯焊丝在焊接热输入60～400kJ/cm条件下经垂直气电立焊施焊后所形成的焊缝金属力学性能如下：屈服强度355～500MPa，抗拉强度470～770MPa，延伸率17～28％，-20℃冲击吸收功均值≥47J，-40℃冲击吸收功均值≥50J。
所述药芯焊丝在桥梁、建筑、化工、工程机械及国防军工等众多大型装备制造领域中同样具有非常广泛的应用前景。
本发明的设计机理及有益效果如下：
本发明焊丝的重要特征在于：在焊丝药粉的制备过程中，必须充分考虑到在大线能量焊接条件下，药粉在焊接电弧的高温作用下形成焊缝熔敷金属的过程中部分合金元素含量相比药粉会大幅度下降，并且随焊接线能量的增大，合金元素的烧损加剧，其结果将对焊后冷却过程中的组织转变产生重要影响，同时，熔敷金属中的夹杂物也会产生严重的溶解与再析出现象，这将对熔敷金属中的晶内铁素体组织形成及其长大机制产生重要影响，造成熔敷金属与基材组织及力学性能的不相匹配。因此，在药芯焊丝芯粉的设计及制备过程中，应遵循母材制备中所采用的氧化物冶金(Oxides Metallurgy)工艺原理，通过选择与母材相适应的合金元素组合，借助焊接过程中的冶金过程反应使焊缝金属中的夹杂物微细化、球状化并形成化学结构可控的高熔点复合夹杂物。既有的氧化物冶金研究结果表明，Ca、Mg、Zr、RE等合金元素与钢液中的O、S具有极强的亲和力，在焊接过程中非常容易形成CaO、MgO及MO2类高熔点且弥散分布的复合夹杂物微细粒子，这些复合夹杂粒子在焊接过程中除能够有效抑制焊缝金属晶粒粗化外，还能够在焊缝金属的奥氏体/铁素体相变过程中诱导生成大量具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体，从而保障焊接接头具有与母材相匹配的强度和低温冲击韧性。
本发明药芯焊丝施焊后的焊缝金属化学成分范围限定理由如下：
C：是确保焊缝金属强度所需的元素，C含量低于0.03％时，将不能保证足够的强度指标，若C含量高于0.08％时，则焊缝金属组织中容易形成M-A岛组织，焊接裂纹敏感性增加，降低焊缝金属塑韧性；
Si：是确保焊缝金属强度及充分脱氧所需的重要元素，Si含量过低，则脱氧效果不能有效发挥，若过高则焊缝金属裂纹敏感性增加，故Si上限定为0.30％；
Mn：也是确保焊缝金属强度及充分脱氧所需的重要元素，Mn含量低于1.2％则不能保证焊缝金属具有足够的强度和良好韧性，含量高于1.80％时，焊缝金属韧性劣化；
P：作为杂质元素，若超过0.015％则使焊缝金属塑韧性显著劣化，因此在成本能够承受的情况下应尽量选择低磷的合金粉料；
S：是不可避免的杂质元素；适量地含有S会形成高熔点硫化物，同时钢中的S还会以MnS形态依附在复合氧化物或氮化物周围，促进焊缝金属中针状铁素体的形核与长大；但S含量过高则会生成粗大夹杂物，成为焊缝裂纹形成的起点，显著增加焊接裂纹敏感性，故S含量应低于0.008％；
Al：是焊接过程中的主要脱氧元素，Al与N结合能够提高焊缝金属的抗裂纹能力，但Al含量若大于0.03％，将使焊缝金属韧性劣化；
Ti：适量的Ti添加能够获得大量小尺寸的Ti氧化物及氮化物，大线能量焊接时具有细化焊缝金属晶粒组织、提高韧性的作用，但若超过0.06％时，容易形成粗大的Ti化合物，降低焊缝金属韧性；
Cu：适量添加有益于提高强度且不降低韧性，并增加焊缝金属耐蚀性能，Cu低于0.01％则不能获得强化效果，若高于0.30％则焊接时易产生热裂纹，降低焊缝金属韧性；
Ni：适量添加能够提高焊缝金属强度及韧性，若Ni含量低于1.0％，则不能获得预期的强韧化效果，若过多添加则增加成本，故Ni含量的适宜范围为1.0～3.0％；
Cr、Mo、V：均是对提高焊缝金属强度有利的元素，若含量超过0.3％，则会降低焊缝金属韧性，因此限定Cr、Mo、V含量均小于0.3％；
B：少量添加就能显著提高淬透性而使焊缝金属强度增加，同时B在高温时扩散快，易于在奥氏体晶界偏聚，冷却时容易与N结合生成BN，抑制晶界铁素体的形成与长大，有益于促进晶内针状铁素体的大量生成，提高焊缝金属的低温冲击韧性，因此限定B含量范围0.0005～0.001％，若超过0.001％则可能导致焊缝金属低温冲击韧性劣化；
Mg、Zr、RE：均是强脱氧元素及氧化物或硫化物生成元素，也是本发明实施氧化物冶金工艺的重要添加元素。适量的Mg、Zr、RE添加，会使焊缝金属中的夹杂物微细化，增加针状铁素体的异质形核质点，有利于冲击韧性提高，而且这些元素所形成的MO2类氧化物其晶格结构与MnS非常接近，因此钢中的MnS很容易被吸引到这些氧化物附近而形成尺寸细小的球状复合夹杂物，大幅度提高焊缝金属的低温冲击韧性，因此确定Mg、Zr和RE的在焊缝金属中的适宜范围为Mg0.001～0.05％，Zr 0.001～0.03％，RE 0.001～0.02％，若超过其上限则容易使夹杂物粗大化，反而劣化焊缝金属冲击韧性。
N：是形成TiN和BN的必要元素，N的适量存在，将有利于焊缝金属综合力学性能的提高，若大于80ppm，则固溶的N过剩，会降低或弱化焊缝金属冲击韧性，因此限定N≤0.008％。
O：氧含量的适度存在能够保证形成Ti、Mg、Zr、RE等元素的氧化物，但氧含量过大时，所形成的氧化物粗大且容易导致焊缝金属中形成空洞等缺陷，降低焊缝金属冲击韧性，因此限定O≤0.06％。
本发明的药芯焊丝在焊接热输入60～400kJ/cm条件下经垂直气电立焊施焊后所形成的焊缝金属力学性能如下：屈服强度355～500MPa，抗拉强度470～770MPa，延伸率17～28％，-20℃冲击吸收功均值≥47J，-40℃冲击吸收功均值≥50J。
本发明的药芯焊丝适用于厚度60mm以下屈服强度490MPa级石油储罐钢板和厚度80mm以下EH36/EH40/EH420/EH460船舶及海洋工程用结构钢板的单丝EGW大线能量焊接；同时还适用于80mm以下Q355至Q500各级别低合金高强度结构钢板的单丝EGW大线能量焊接。本发明的药芯焊丝在桥梁、建筑、化工、工程机械及国防军工等众多大型装备制造领域中同样具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1焊丝焊接12MnNiVR石油储罐钢板的宏观金相照片。
图2为实施例2焊丝焊接EH36造船钢板的宏观金相照片。
图3为实施例2焊丝焊接EH36造船钢板的焊缝金属微观组织。
具体实施方式
下面结合附图与实施例详述本发明。以下实施例仅用于解释的目的，本发明并不局限于这些实施例中，凡采用等同变换或等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
在本实施例中，焊丝药粉的化学成分按质量百分比如下：
C 0.05～0.08％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.5～1.8％，Ti 0.01～0.03％，Ni 1.0～2.0％，B0.001～0.008％，Cr 0.05～0.5％，Mo 0.05～0.3％，V 0.03～0.06％，Cu 0.01～1.0％，Al0.02～0.03％，Mg 0.10～0.5％，P≤0.015％，S≤0.008％，氟化钙3.0～8.0％，石英2.0～6.0％，金红石2.5～5.0％，其余为Fe粉及不可避免的杂质。
按上述化学成分配制粒度≤80目的各种合金粉末，装入V型混料机中均匀混合后于220℃烘干≥6小时，烘干后的药粉装入药芯焊丝成形机料斗中，控制药粉充填率达到19％条件下，采用厚度0.8mm、宽度12mmSPCC软钢带经冷弯成型、封口、减径、拉拔等工序制成直径1.6mm药芯焊丝。
选用制成的1.6mm药芯焊丝配套厚度33mm国产屈服强度4900MPa级石油储罐用12MnNiVR钢试板，开单V型28°坡口，在焊接电流400A、焊接电压39V、焊接速度3.4mm/min、采用纯CO2保护条件下，进行焊接线能量约为275kJ/cm的EGW焊接试验。焊接接头的宏观金相照片如图1所示。
焊后测得焊缝金属化学成分按质量百分比为：C 0.067％，Si 0.23％，Mn 1.65％，Ti 0.02％，Ni 1.5％，B 0.002％，Cr 0.30％，Mo 0.17％，V 0.03％，Cu 0.15％，Al0.005％，Mg 0.009％，P≤0.012％，S≤0.005％，N≤0.008％，O≤0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
焊后测得的焊缝金属力学性能如下：屈服强度520MPa，抗拉强度6330MPa，延伸率25％，180°冷弯性能合格，板厚中心处-20℃冲击吸收功均值109J、-40℃冲击吸收功均值97J。各项力学性能指标满足GB19189-2011《压力容器用调质高强度钢板》国家标准要求。
实施例2
在本实施例中，焊丝药粉的化学成分按质量百分比如下：
C 0.03～0.06％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.6～2.0％，Ti 0.03～0.08％，Ni 1.0～2.0％，B0.001～0.008％，Cr 0.03～0.3％，Mo 0.05～0.3％，V 0.03～0.06％，Cu 0.01～0.10％，Al0.02～0.03％，Zr 0.01～0.3％，P≤0.015％，S≤0.008％，氟化钙3.0～8.0％，石英2.0～6.0％，金红石2.5～5.0％，其余为Fe粉及不可避免的杂质。
按上述化学成分配制粒度≤80目的各种合金粉末，装入V型混料机中均匀混合后于220℃烘干≥6小时，烘干后的药粉装入药芯焊丝成形机料斗中，控制药粉充填率达到20％条件下，采用厚度0.8mm、宽度12mm的SPCC软钢带经熟知的冷弯成型、封口、减径、拉拔等工序制成直径1.6mm药芯焊丝。
选用制成的1.6mm药芯焊丝配套厚度34mm国产EH36船板钢试板，开单V型28°坡口，在焊接电流400A、焊接电压40V、焊接速度4.5mm/min、采用纯CO2保护条件下，进行焊接线能量约为230kJ/cm的EGW焊接试验。焊后测得的焊缝金属化学成分按质量百分比含C0.042％，Si 0.25％，Mn 1.80％，Ti 0.05％，Ni 1.8％，B 0.0018％，Cr 0.05％，Mo0.18％，V 0.025％，Cu 0.05％，Al 0.025％，Zr 0.006％，P≤0.013％，S≤0.006％，N≤0.008％，O≤0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例焊接接头的宏观金相照片如图2所示，焊缝金属微观组织如图3所示。由图3可见，焊缝金属组织由微细第二相粒子诱导生成大量具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体所组成，从而保障焊接接头具有与母材相匹配的强度和低温冲击韧性。本实施例焊缝金属的力学性能如下：屈服强度386MPa，抗拉强度526MPa，延伸率26％，180°冷弯性能合格，板厚中心处-20℃冲击吸收功均值130J、-40℃冲击吸收功均值112J。各项力学性能指标满足GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》国家标准要求并达到国内同类进口药芯焊丝焊缝金属的实物水平。本发明的药芯焊丝具有取代进口、实现大面积推广应用的良好市场前景。

Claims (6)

1.一种大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝，其特征在于：该焊丝以焊丝药粉为制备原材料，按质量百分比计，所述焊丝药粉的化学组成如下：
C 0.03~0.13%，Si 0.20~0.50%，Mn 1.0~2.0%，Ti 0.01~0.08%，Ni 1.0~3.0%，B 0.001~0.01%，Cr 0.05~0.5%，Mo 0.05~0.3%，V 0.03~1.0%，Cu 0.01~1.0%，Al 0.001~0.03%，氟化钙1.0~8.0%，石英1.0~6.0%，金红石1.0~5.0％，强脱氧元素M 0.001~1.0％，P≤0.015%，S≤0.008%，其余为Fe粉及不可避免的杂质；
所述药芯焊丝应用于厚度60mm以下、屈服强度490MPa级石油储罐钢板的单丝EGW大线能量焊接；或者，所述药芯焊丝应用于厚度80mm以下的EH36、EH40、EH420或EH460船舶及海洋工程用结构钢板的单丝EGW大线能量焊接；或者，所述药芯焊丝应用于80mm以下、Q355至Q500各级别低合金高强度结构钢板的单丝EGW大线能量焊接。
2.根据权利要求1所述的大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝药粉中，强脱氧元素M为Mg、Zr和RE中的一种或几种，其中：Mg 0.001~0.5%，Zr 0.001~0.3%，RE 0.001~0.2%。
3.根据权利要求1所述的大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝，其特征在于：该药芯焊丝的制备方法为：按药粉化学成分选择粒度小于80目的各制备原材料粉末；混合烘干后将药粉加入药芯焊丝成形机组的装料斗中，控制药粉充填率在17~25%条件下，将药粉通过O型对接方式包裹到市售的SPCC软钢带中，再经常规的冷弯成型、封口、减径和多道次拉拔工艺制成直径1.6mm的药芯焊丝。
4.根据权利要求3所述的大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝，其特征在于：所述药粉混合烘干的过程为：将药粉装入V型混料机中均匀混合后烘干，烘干温度100~350℃，烘干时间≥４小时。
5.根据权利要求1所述的大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝应用过程中，在热输入60~400kJ/cm条件下进行垂直气电立焊施焊，其焊缝金属化学成分按质量百分比为：C 0.03~0.08%，Si 0.05~0.30%，Mn 1.20~1.80%，Ti 0.01~0.06%，Ni 1.0~3.0%，B 0.0005~0.001%，Cr 0.02~0.30%，Mo 0.02~0.30%，V 0.002~0.05%，Cu 0.01~0.30%，Al 0.001~0.03%，强脱氧元素M 0.001~0.1％，P≤0.015%，S≤0.008%，N≤0.008%，O≤0.06%，余量为Fe和不可避免的杂质；其中：M为Mg、Zr和RE中的一种或几种，其中Mg 0.001~0.05%，Zr 0.001~0.03%，RE0.001~0.02%。
6.根据权利要求5所述的大线能量焊接用钢焊接配套的药芯焊丝的应用，其特征在于：所述药芯焊丝在焊接热输入60~400kJ/cm条件下经垂直气电立焊施焊后所形成的焊缝金属力学性能如下：屈服强度355~500MPa，抗拉强度470~770MPa，延伸率17~28％，-20℃冲击吸收功均值≥47 J，-40℃冲击吸收功均值≥50J。
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