CN113458654A - 超低温高锰钢焊丝、焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温高锰钢焊丝、焊条及其制备方法，该焊丝的成分以质量百分比计含有C：0.2～0.5％、Mn：26～32％、Si：0.02～0.10％、Ni≤5％、Cr：1.5～6.5％、Mo：0.3～1.5％、S≤0.02％、P≤0.04％，余量包含Fe和不可避免的杂质。该焊丝大幅减少了Ni的使用，通过C、Mn、Cr、Mo合金化，使焊材所形成的熔覆金属形成奥氏体组织，产生优良的性能，既节约了Ni资源，又降低了成本。该焊条在焊丝的基础上，配加特殊低成分的药皮，形成的熔覆金属性能优异完全满足液化天然气储罐的使用要求。

Description

超低温高锰钢焊丝、焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种超低温高锰钢焊丝、焊条及其制备方法。

背景技术

目前用于LNG贮罐用钢为9Ni钢，由于镍含量高达9％，钢板价格昂贵。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，目前世界各国均已开始研究低成本替代品。韩国浦项率先研发出超低温用奥氏体高锰钢并于2017年在全球首次注册为国际材料和标准机构ASTM International标准技术，这意味着浦项的超低温高锰钢已经获得了国际权威认证。

但是超低温高锰钢在应用过程中，往往要采用各种焊接方式进行连接，其中主要采用焊接方法的焊接方法为手工电弧焊，占到总体焊接的70～80％，其次为埋弧焊接和气体保护焊接等。但是目前市场上超低温用奥氏体高锰钢的焊接普遍采用的是9Ni手工焊条，一方面其焊丝中Ni含高达50％～60％，使其成本过于高，另一方面焊材中含有大量Ni元素，而母材中含有大量的Mn元素，两种元素的浓度梯度会使得合金元素在焊接接头熔合线出扩散，影响其组织和性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种超低温高锰钢焊丝，为超低温高锰钢提供配套的成分体系简单、节镍型焊接材料。

本发明的第二个目的是提供一种利用上述超低温高锰钢焊丝制备的焊条。

本发明的第三个目的是提供一种上述焊条的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种超低温高锰钢焊丝，成分以质量百分比计含有C：0.2～0.5％、Mn：26～32％、Si：0.02～0.10％、Ni≤5％、Cr：1.5～6.5％、Mo：0.3～1.5％、S≤0.02％、P≤0.04％，余量包含Fe和不可避免的杂质

上述焊材的成分设计机理如下：

Mn元素为扩大奥氏体相区元素，在焊接过程中Mn元素与C元素进行冶金反应，在熔池凝固过程中形成奥氏体初始相，并且可以一直保持到室温，最终形成稳定的奥氏体组织的焊缝。因此本发明中添加26～32％的Mn元素配合适量添加0.2～0.5％的C元素以保证焊接接头性能。

同时，本发明中Ni元素的含量≤5.0％，在添加了少量的Ni元素下可以保证熔覆金属组织为奥氏体组织，同时要添加Cr：1.5％～6.5％；Mo：0.3％～1.5，以满足焊缝组织优良的低温韧性，同时也有较高的拉伸强度以及延伸率。减少了Ni元素的含量，大大减低了成本。

Ni元素能够显著提高奥氏体稳定性，而且不容易形成有害碳化物或是以偏聚形式弱化晶界，此外还能够改善焊接接头低温冲击性能，是非常理想的低温钢焊材合金元素；但是，Ni的价格昂贵，大量添加将使得材料成本显著增加，为了减少建造成本，本发明中，当Ni含量较低时，可以通过添加Cr、Mo等元素，即可满足焊接接头力学性能，又可以减少制造成本。

Cr元素能够产生固溶强化，还能强化奥氏体晶界，当Ni元素含量较低时应适当添加Cr元素以提高强度，但Cr元素含量过高会降低焊接的成形性，以及低温韧性，因此将Cr含量控制在1.5％～6.5％。

P与S这两种元素在晶界偏聚会导致熔覆金属产生液化裂纹与再热裂纹，严重降低熔覆金属及焊接接头的低温冲击韧性，S还会与Mn形成MnS，恶化熔覆金属力学性能，因此，本发明要求P≤0.004％，S≤0.002％，以降低这两种元素对熔覆金属的不利影响；

进一步的，该超低温高锰钢焊丝的成分中还含有Cu≤0.8％代替一部分所述Fe。

添加适量的Cu可以提高强度和耐腐蚀性能，但是Cu含量过高会增大热脆性以及增加冶炼成本，因此Cu≤1/3Ni，将Cu含量控制在≤0.8％。

本发明所述的利用该超低温高锰钢焊丝制备的焊条所采用的技术方案是：以所述超低温高锰钢焊丝作为焊条芯，在其外部包裹药皮，所述药皮的成分以质量百分比计包括大理石25～32％、萤石18～25％、石英砂3.5～8.5％、锆英砂3～6％、金红石4～10％、低碳锰铁5～8％、纯碱1～5％，以及余量的铁粉。

药皮的成分设计机理如下：

大理石既可造气，也可造渣，其受热时分解出的气体能提高对熔滴的喷力，减少飞溅，隔离空气，保护焊接区，产生的CaO既能稳定电弧，也具有良好的脱硫能力，但是含量过多会增加药粉熔点，减慢焊接速度，增加粘度，造成焊接气孔等缺陷，因此本发明药皮中大理石的含量为25～32％。

萤石也可作造渣剂，同时萤石去除氢气孔的作用非常显著，能够在熔池金属中发生脱氢反应生成不溶于金属，高温时不易发生分解的HF，随后与焊接烟尘一起挥发，将H带走，降低熔敷金属中的扩散氢含量。随着萤石含量的提高，熔覆金属中含氢量减少，但是HF对人体有危害，因此本发明药皮中萤石的含量为18～25％。

石英与萤石可以起到联合脱氢的作用，萤石与石英一起高温参与溶池化学反应，生成SiF₄，该物质沸点很低，以气态形式存在，与气相中的原子氢和水蒸气发生反应，最终新成HF，挥发到大气中，起到了很好的脱氢作用，因此本发明石英砂的含量为3.5％～8.5％。

锆英砂和金红石可以调节焊接熔池和熔渣的粘性，生产出的焊条能够满足全位置焊接，因此，本发明中锆英砂含量为3％～6％，金红石含量为4％～10％。焊接过程中合金元素有一定的烧损，为了向焊缝中过渡有益合金元素，本发明中低碳锰铁的含量为5％～8％。为了提高焊条的压涂性，提高焊条的压涂成型以及表面质量，本发明中纯碱含量为1％～5％。

对应于该焊条，本发明所述的焊条的制备方法，包括如下步骤：

(1)将符合所述超低温高锰钢焊丝成分的钢盘条去锈处理，拉拔至目标直径，再经矫直、切断、清除表面油污后得焊条芯；

(2)将药皮原料制成粉末，混合均匀后钝化处理，加入粘结剂制备成湿涂料，将湿涂料压涂在焊条芯表面；

(3)将步骤(2)制得的焊条室温晾干，然后加热烘烤。

有益效果：与现有技术相比，该超低温高锰钢焊丝大幅减少了Ni的使用，通过C、Mn、Cr、Mo合金化，使焊材所形成的熔覆金属形成奥氏体组织，产生优良的性能，既节约了Ni资源，又降低了成本。其形成的熔覆金属的屈服强度为425～460MPa，抗拉强度为710～755MPa，延伸率A为43～48％，-196℃时冲击功Akv为80～98J。该焊条以超低温高锰钢焊丝为焊条芯，配加特殊低成分的药皮，形成的熔覆金属的屈服强度为440～465MPa，抗拉强度为735～765MPa，延伸率A为43～48％，-196℃时冲击功Akv为80～98J，完全满足液化天然气储罐的使用要求。

具体实施方式

下面，结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施时，该超低温高锰钢焊丝可以直接制作成焊丝，或者作为焊条芯包裹药皮制作成焊条。

当直接制作成焊丝时，以下提供多组试验数据以对其性能做进一步说明。焊丝的成分见表1：

表1为焊丝的成分

	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	Cu	S	P
										实施例1	0.20	26	0.02	1.5	5	0.3	0	0.001	0.003
实施例2	0.5	32	0.1	6.5	4.5	1.0	0.8	0.001	0.0023
										实施例3	0.3	24.4	0.65	3.58	3.5	1.0	0.5	0.0055	0.0087
实施例4	0.35	27	0.08	5.5	4.0	0.8	0	0.0034	0.0045
										实施例5	0.5	32	0.1	6.0	0	1.0	0	0.0041	0.0032
实施例6	0.41	28	0.08	3.2	2.8	0.8	0.3	0.005	0.004

制备的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，焊丝的直径为Φ4.0mm，采用全自动埋弧焊焊接方法。

焊接的高锰低温钢板为20mm厚的超低温高锰钢，其化学组分是：C：0.40wt％，Si：0.20wt％，Mn：25wt％，N：0.02wt％，P：≤0.005wt％，S：≤0.003wt％。超低温钢板的力学性能是：抗拉强度为900MPa，屈服强度为560MPa，延伸率A＝32％；-196℃时冲击功Akv为：115J、102J、124J。

焊接用高锰低温钢坡口型式为V型，单侧坡口角度为30°，匹配专用焊剂。

焊接工艺的技术参数如下：焊接电流为510A；电弧电压为28V；焊接速度为44cm/min；焊接热输入为19kJ/cm。

焊后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。熔敷金属力学性能见表2：

表2焊丝熔敷金属力学性能

	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	延伸率	-196冲击功/J
					实施例1	435	720	45	87
实施例2	453	750	47	98
					实施例3	435	732	45	85
实施例4	428	741	48	86
					实施例5	429	729	46	88
实施例6	450	738	47	95

结果表明：该超低温高锰钢焊材作为焊丝在高锰低温钢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高锰钢的技术要求，焊接接头亦满足超低温钢板技术要求。

当该焊材作为焊条芯，包裹药皮制备成本发明的焊条时，以下同样提供多组试验数据以对其性能做进一步说明。

表3手工焊条芯及药皮成分

该焊条的直径为Φ3.2mm，采用焊条电弧焊焊接方式。

焊接的高锰低温钢板为20mm厚的超低温高锰钢，其化学组分是：C：0.40wt％，Si：0.20wt％，Mn：25wt％，N：0.02wt％，P：≤0.005wt％，S：≤0.003wt％。超低温钢板的力学性能是：抗拉强度为900MPa，屈服强度为560MPa，延伸率A＝41％；-196℃时冲击功Akv为：115J、102J、124J。

本实施例焊接用高锰低温钢坡口型式为X型，钝边1.5～2.0mm，组对间隙3.9～4.0mm。

焊接工艺的技术参数如下：焊接电流100A，焊接电压26～28V，焊接线能量约为：9.5～10.5kJ/cm。

焊后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；熔敷金属力学性能见表4

表4手工焊条熔覆金属力学性能

结果表明：采用该焊条，在高锰低温钢经焊条电弧焊后，熔敷金属的力学性能完全满足超低温高锰钢的技术要求，焊接接头亦满足超低温钢板技术要求。

Claims (7)

1.一种超低温高锰钢焊丝，其特征在于，成分以质量百分比计含有C：0.2～0.5％、Mn：26～32％、Si：0.02～0.10％、Ni≤5％、Cr：1.5～6.5％、Mo：0.3～1.5％、S≤0.02％、P≤0.04％，余量包含Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊丝，其特征在于，成分中还含有Cu≤0.8％代替一部分所述Fe。

3.根据权利要求1所述的超低温高锰钢焊丝，其特征在于，形成的熔覆金属的屈服强度为425～460MPa，抗拉强度为710～755MPa，延伸率A为43～48％，-196℃时冲击功Akv为80～98J。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的超低温高锰钢焊丝制备的焊条，其特征在于，以所述超低温高锰钢焊丝作为焊条芯，在其外部包裹药皮，所述药皮的成分以质量百分比计包括大理石25～32％、萤石18～25％、石英砂3.5～8.5％、锆英砂3～6％、金红石4～10％、低碳锰铁5～8％、纯碱1～5％，以及余量的铁粉。

5.根据权利要求4所述的焊条，其特征在于，形成的熔覆金属的金相组织全部为奥氏体组织。

6.根据权利要求4所述的焊条，其特征在于，形成的熔覆金属的屈服强度为440～465MPa，抗拉强度为735～765MPa，延伸率A为43～48％，-196℃时冲击功Akv为80～98J。

7.一种根据权利要求4-6任一项所述的焊条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将符合所述超低温高锰钢焊丝成分的钢盘条去锈处理，拉拔至目标直径，再经矫直、切断、清除表面油污后得焊条芯；

(2)将药皮原料制成粉末，混合均匀后钝化处理，加入粘结剂制备成湿涂料，将湿涂料压涂在焊条芯表面；

(3)将步骤(2)制得的焊条室温晾干，然后加热烘烤。