CN113798721A

CN113798721A - 一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝

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Publication number: CN113798721A
Application number: CN202110826729.4A
Authority: CN
Inventors: 张晓�; 王亚彬; 张文军
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2041-07-21
Also published as: CN113798721B

Abstract

一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，由包裹药芯的钢带和填充于其内的药芯组成，按重量百分比，药芯包括C:0.03‑0.09%，Si:0.3‑0.8%，Mn:1.2‑2.2%，Ni:0.5‑1.5%，Co:1.0‑3.5%，Ta:0.020–0.045%，稀土合金:0.2‑0.5%，TiO₂:2.0–4.0%，SiO₂:0.2‑0.5%，ZrO₂:1.0–3.0%，K₂O:0.2‑0.4%；剩余为Fe和其它不可避免的杂质。焊丝采用80%Ar+20%CO₂混合气保护焊接，具有焊缝金属屈服强度超过890MPa，低温冲击韧性‑40℃冲击大于47J，扩散氢小于2ml/100g，焊接电弧稳定，全位置焊接工艺性优良的特点。

Description

一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体说的是一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝。

背景技术

随着工程装备的大型化，通过增大壁厚尺寸提高承载能力的方式所带来的结构自重增加问题越来越突出，而提高材料强度是实现装备减重的重要途径，高端制造业的发展对超高强钢的需求越来越大，屈服强度超过890MPa的低合金钢作为典型的超高强钢，目前已开始批量应用。

屈服强度超过890 MPa超高强钢焊接关键技术的突破，能够有效的控制大型工程装备建造质量、精度，减重，节省成本，提高生产效率，可广泛应用于工程机械、海上钻井平台、特种船舶、桥梁钢结构、海上风电等产品制造中。

药芯焊丝电弧焊因具有焊接生产效率高、焊缝成形美观、焊接飞溅少等优点，在工业生产制造中被广泛应用于碳钢、低合金钢、不锈钢等材料的焊接，尤其是在船舶、钢结构等行业应有日益广泛。但是因其扩散氢含量高，易产生焊接冷裂纹和力学性能特别是低温韧性差的问题的特点，影响了其在高强钢焊接方面的大规模推广使用，特别是强度超过890MPa超高强钢的焊接。

CN 101323057A 公布一种屈服强度超过690MPa金属粉芯型药芯焊丝的专利，该焊丝不能满足全位置焊接需求，同时其强度也不能满足890MPa钢焊接需求。

CN 110076477 A，公布一种多道焊熔敷金属获得复相分割微观结构和高强韧性的金属粉芯焊丝,其焊缝金属最高屈服强度只能达到860MPa，同时其不能满足全位置焊接要求。

专利申请号20150378935.8、公开号CN 14959748A公开了一种海洋工程用低温高强钢药芯焊丝，其屈服强度在500MPa左右，抗拉强度小于670MPa，难以满足890MPa钢焊接需要。

CN 110936060 A本发明公开了一种碱性高强钢药芯焊丝，其最高屈服强度只有797MPa，同时碱性药芯焊丝存在全位置焊接工艺性差的问题。

通过对现有专利的检索，目前没有适合屈服强度超过890MPa低合金钢焊接用具有优良全位置焊接性能的等强匹配金红石型药芯焊丝。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，焊丝采用80%Ar+20%CO₂混合气保护焊接，具有焊缝金属屈服强度超过890MPa，低温冲击韧性-40℃冲击大于47J，扩散氢小于2ml/100g，焊接电弧稳定，全位置焊接工艺性优良的特点。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，由包裹药芯的钢带和填充于其内的药芯组成，按重量百分比，药芯包括C:0.03-0.09%，Si:0.3-0.8%，Mn:1.2-2.2%，Ni:0.5-1.5%，Co:1.0-3.5%，Ta:0.020–0.045%，稀土合金:0.2-0.5%，TiO₂:2.0–4.0%，SiO₂:0.2-0.5%，ZrO₂:1.0–3.0%，K₂O:0.2-0.4%；剩余为Fe和其它不可避免的杂质。

本发明所述的药芯的填充率为焊丝总重量的14.5-15.5%。

本发明所述的稀土合金为钇基稀土合金。

本发明所述的Ni的加入形式为雾化镍粉。

本发明有益效果是：该发明的超低氢超高强钢药芯焊丝，熔敷金属扩散氢较低，即使长时间保存扩散氢含量也能保持在小于2.0ml/100g；焊缝金属屈服强度超过890MPa，低温冲击韧性-40℃冲击大于47J，焊接电弧稳定，全位置焊接工艺性优良。可用于屈服强度890MPa级超高强钢的焊接。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：

一种适用于屈服强度超过890MPa低合金高强钢焊接用金红石型药芯焊丝，由包裹药芯的钢带和填充于其内的药芯组成，包裹药芯的钢带表面通过焊合加工，表面没有缝隙，即采用无缝药芯焊丝形式，其中填充药芯包含造渣剂、稳弧剂、合金剂等，相对于焊丝总重量，所述填充的药芯填充率为14.5-15.5%，包含有以下组分：

C:0.03-0.09%，Si:0.3-0.8%，Mn:1.2-2.2%，Ni:0.5-1.5%，Co:1.0-3.5%，Ta:0.020–0.045%，REM（稀土合金）:0.2-0.5%，TiO₂:2.0–4.0%，SiO₂:0.2-0.5%，ZrO₂:1.0–3.0%，K₂O:0.2-0.4%；剩余为Fe和其它不可避免的杂质。

C能够有效提高焊缝金属强度，但是含量过高会导致强度增加过高，恶化韧性。若含量过低不仅会导致焊缝强度降低，也会使得先共析铁素体粗大，恶化低温韧性。因此C最佳含量在0.03-0.09%之间，C的加入形式为石墨。

Si是主要的脱氧元素和强化元素,同时也是形成焊缝中夹杂物的主要成分，过量Si不仅导致焊缝强度过高，塑性下降，同时也会生产大量脆性夹杂物恶化冲击韧性。Si最佳含量在0.3-0.8%之间，硅可以来自药芯中添加的硅铁和硅锰合金等。

Mn是主要的脱氧元素和强化元素，是一种奥氏体形成元素，过量的锰会使得强度过高，生成大量上贝氏体，恶化低温冲击性能。焊缝中最佳Mn含量1.2-2.2%。Mn的加入形式为硅锰合金及金属锰。

Ni能够提高铁素体基体的层错能，提升低温冲击韧性，但是当Ni含量超过1.5%焊接过程容易产生热裂纹，当Ni含量低于0.5%不能达到提升低温韧性的效果。Ni的加入形式为雾化镍粉。

Ta是一种强碳化物生成元素，形成弥散的碳化物，避免后焊焊缝对前道焊缝加热形成的碳化物在晶界析出。过量的Ta会生成大量大尺寸碳化物恶化焊缝的低温韧性。因此Ta的最佳含量为0.020–0.045%。Ta的加入形式为金属Ta粉。

Co是一种强化元素，同时作为一种奥氏体形成元素，能够抑制焊缝金属中δ-铁素体的形成，同时Co是一种奥氏体形成元素，在焊缝中形成一定的残余奥氏体，能够固溶一定量的氢原子，降低焊缝的扩散氢。Co的最佳含量为1.0-3.5%。Co的加入方式为Co金属粉或Ni-Co合金粉末。

REM（钇基稀土合金）包含金属钇、LA等稀土元素，是一种重要的脱氧剂，能够有效降低焊缝金属的含量氧，脱氧产物在焊缝形成弥散细小的氧化夹杂物，避免成为裂纹的起裂源。当含量低于0.2%时达不到脱氧的效果，超过0.5%一方面脱氧反应剧烈，形成大颗粒飞溅恶化焊接工艺性，另一方面在焊缝中形成大颗粒夹杂物恶化低温冲击韧性。钇基稀土合金加入形式为钇基稀土硅铁粉末。

TiO₂是具有稳定电弧的作用同时也是主要的造渣剂，具有较高的熔点和高温下的适当的粘度，通过同其它造渣剂的联合作用保持焊缝金属的熔融状态下形貌，特别对于立焊仰焊等全位置焊接具有重要作用。不能低于2.0%但是超过4.0%会在焊缝中生成夹杂物降低冲击性能。TiO₂的加入形式为金红石。

SiO₂是一种造渣剂，主要用于提升高温熔渣的粘度，改善焊缝成型。低于0.2%熔渣粘度不够，焊缝成型变差，容易下坠。超过0.5%熔渣粘度太高，脱渣性和焊缝成型变差。SiO₂的加入方式为石英或锆英砂。

ZrO₂是一种主要造渣剂能够改善熔渣粘度和凝固温度，提升熔渣的成型效果。含量低于1.0%不能起到良好提升焊缝特别立向上焊接成型效果，但是含量超过3.0%会在焊缝中形成夹渣降低低温冲击韧性。ZrO₂的加入方式为氧化锆粉或者锆英砂。

K₂O是一种稳弧剂，能够改善电弧稳定性，特别是小电流焊接熔滴混合过渡状态下，电弧稳定性，有效提升全位置焊接工艺性，含量低于0.2%达不到改善电弧稳定性的效果，超过0.4%会增加焊缝金属扩散氢。K₂O加入方式为钛酸钾或者硅酸钾含有K₂O的复合化合物等。

制备所用钢带采用SPCC钢带，药芯粉料填充率为14.5-15.5%，减径后得到1.2mm直径的成品焊丝。

将药芯粉各成分含量改变，制成焊丝进行试验。焊丝药粉成分的组成见表1。

熔覆试板焊接工艺规范：焊接电流250~270A，焊接电压27~30V，焊接极性DCEN，焊接速度30-40cm/min，保护气体80%Ar+20%CO₂，层间温度小于150℃。拉伸冲击等力学性能试验参照国标GB17493-2008实施。

熔覆金属扩散氢测试试验按标准GB/T 3965-2012执行，试验方法采用热导法(载气热提取法)，试验设备为G4PHOENIX扩散氢分析仪，测试环境温度20℃，湿度60％RH。

表1为实施例的药粉成分组成(wt％)

表2为焊丝性能

实施例1、2、3、45的焊丝脱渣性良好、焊接飞溅小、全位置焊接操作性良好，扩散氢含量小于2.0ml/100g，焊缝屈服强度大于890MPa，-40℃环境下低温冲击功大于47J，可满足配套屈服强度超过890MPa级钢板的焊接。

Claims

1.一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，由包裹药芯的钢带和填充于其内的药芯组成，其特征在于：按重量百分比，药芯包括C:0.03-0.09%，Si:0.3-0.8%，Mn:1.2-2.2%，Ni:0.5-1.5%，Co:1.0-3.5%，Ta:0.020–0.045%，稀土合金:0.2-0.5%，TiO₂:2.0–4.0%，SiO₂:0.2-0.5%，ZrO₂:1.0–3.0%，K₂O:0.2-0.4%；剩余为Fe和其它不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，其特征在于：药芯的填充率为焊丝总重量的14.5-15.5%。

3.如权利要求1所述的一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，其特征在于：稀土合金为钇基稀土合金。

4.如权利要求1所述的一种屈服强度超过890MPa的金红石型药芯焊丝，其特征在于：Ni的加入形式为雾化镍粉。