CN115041866A - 气体保护焊丝及其在低合金高强钢的焊接中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接领域，提供一种气体保护焊丝及其在低合金高强钢的焊接中的应用。按重量百分比计，所述气体保护焊丝的成分包括：B 0.002～0.080％；Ti+V+Nb 0.13～0.23％；其中，Ti：V：Nb＝(0.08～0.15)：(0.02～0.05)：(0.03～0.07)；以及，Re 0.02～0.06％。本发明提供的气体保护焊丝，通过添加微合金元素与RE元素，能够充分获取高密度位错针状铁素体焊接熔覆组织，从而保证了焊接接头具备较高的强度和优良的韧性，且焊接时无须预热，改善了焊接工况，降低了焊接成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种气体保护焊丝及其在低合金高强钢的焊接中的应用。
背景技术
当前，随着工程机械制造业的不断发展，大型化、轻量化、高性能需求日益明确。特别的，对于挖掘机工作装置用钢而言，已逐步从抗拉强度300MPa向600MPa以上的高强度钢板进行升级替换以实现轻量化等目标。但是在此类钢升级过程中，产生的一个主要问题是，装置焊接接头易发生开裂，也即焊接接头疲劳性能较低。高强钢焊接接头疲劳性能的降低与焊接质量密切有关，特别的是，高强钢在焊接过程中较普通强度钢容易出现更多焊接缺陷(如裂纹、夹杂等)。因此，为了保证工程机械在进行原材料强度升级时顺利达到大型化、轻量化、高性能的目的，有必要解决高强钢焊接质量问题。
目前，在包括挖机工作装置在内的大型装备的焊接加工制作中，主要使用的仍是气体保护焊接工艺。在气体保护焊接工艺种，气体保护焊丝是必不可少的生产原料，对于焊接质量有着至关重要的影响。如前所述，对于焊接接头疲劳性能提升的关键是尽量减少其焊接缺陷(如焊接裂纹)，而与高强钢匹配的高强焊接材料通常含有较多的合金元素，相应的碳当量与焊接裂纹敏感性则相应提高，这意味着焊接质量变差。国内目前普遍采用的气体保护焊丝为ER-50，其特点为低匹配的Mn-Si系焊丝，其熔覆金属抗拉强度低于600MPa，且低温冲击韧性较差。为了解决这一问题，目前普遍采用的解决办法是采用较高的预热温度，但这使得焊接生产的工作效率降低，焊接生产的工况环境变差，焊接质量不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种与抗拉强度600MPa高强钢匹配的高韧性气体保护焊丝，焊缝抗拉强度达600MPa以上，低温冲击韧性良好，焊接工艺性能良好，且可实现免预热。
本发明提供一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分包括：
B 0.002～0.080％；
Ti+V+Nb 0.13～0.23％；其中，Ti：V：Nb＝(0.08～0.15)：(0.02～0.05)：(0.03～0.07)；以及，
Re 0.02～0.06％。
根据本发明提供一种的气体保护焊丝，其成分还包括：Mo；Mo与B的重量比为(0.30～0.60)：(0.002～0.080)。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分还包括：C 0.03～0.06％。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分还包括：Mn 1.20～1.80％，以及Si 0.40～1.30％。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，其中，Mn与Si的重量比为(2～4):1。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其中，P≤0.015％、S≤0.015％。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分包括：C 0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti 0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％。
根据本发明提供的一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分如下：C 0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti 0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供所述的气体保护焊丝在低合金高强钢的焊接中的应用。
根据本发明提供的应用，所述低合金高强钢的抗拉强度为600MPa以上。
本发明还提供所述的气体保护焊丝在工程机械、铁路桥梁、油气管线、压力容器的制备中的应用。
本发明还提供一种焊接方法，采用所述的气体保护焊丝进行焊接。
根据本发明提供的焊接方法，所述焊接在80±5vol％Ar和20±5vol％CO2的混合气体保护下进行。
本发明提供的气体保护焊丝通过添加微合金元素与RE元素，能够充分获取高密度位错针状铁素体焊接熔覆组织，从而保证了焊接接头具备较高的强度和优良的韧性，且焊接时无须预热，改善了焊接工况，降低了焊接成本。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面描述本发明的气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分包括：
B 0.002～0.080％；
Ti+V+Nb 0.13～0.23％；其中，Ti：V：Nb＝(0.08～0.15)：(0.02～0.05)：(0.03～0.07)；以及，
Re 0.02～0.06％。
本发明发现，通过按上述限定在气体保护焊丝中添加微合金元素与RE元素，能够获得高密度位错针状铁素体焊接熔覆组织，从而有利于大幅提高焊接接头的强度和韧性，且焊接时无须预热，有利于改善焊接工况，并降低焊接成本。
而当微合金元素与RE元素的用量超出上述范围、或缺少上述元素时，就难以保证熔覆金属的抗拉强度及低温冲击韧性。
其中，由于B在奥氏体晶界会产生非平衡偏距，因此微量B就可以明显抑制先共析铁素体的生成，促进高密度位错的针状铁素体生成，对于焊缝金属韧性有良好的改善作用，但鉴于B的过度系数较低，控制B含量为0.002～0.08％。
Ti、V、Nb联合加入可以进一步扩大针状铁素体的转变区域，从而防止B的氧化和氮化。此外，Ti、V、Nb极易形成第二相颗粒，成为结晶核心，细化晶粒，有利于焊缝强韧性的提升。但当焊缝中Ti、V、Nb含量过高时，则由于固溶量和第二相颗粒的显著增加而导致强度过高而韧性降低，不利于焊缝综合性能。而按上述方式加入Ti、V、Nb，有利于提升焊缝综合性能。
稀土元素同样因其第二相颗粒形成元素从而能够细化晶粒，改善焊缝的强韧性。同时RE元素与S有较大亲和力，能够起到脱硫，使硫化物球化等作用。此外，RE元素还能够降低焊缝金属扩散氢含量，降低气孔裂纹敏感性。
本领域人员可依照常识设置气体保护焊丝中的其他成分，其均能获得与本发明上述描述相当的实施效果。比如，在一些实施方式中，所述的气体保护焊丝中还含有C、Mn、Mo、Si中的一种或多种。
作为本发明的一种优选实施方式，所述气体保护焊丝的成分还包括：Mo；Mo与B的重量比为(0.30～0.60)：(0.002～0.080)。
Mo在本发明中起到固溶强化的作用，此外Mo与B复配可以起到抑制先共析铁素体的转变，促进针状铁素体的转变。但Mo含量过高时同样会导致焊缝金属塑性下降，焊接冷裂纹敏感性增加。控制Mo含量为0.30～0.60％时，可以兼顾对针状铁素体的转变促进效果，并有利于降低焊缝金属的焊接裂纹敏感性。
作为本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，所述气体保护焊丝的成分还包括：C 0.03～0.06％。
C属于有效固溶和第二相强化元素，但碳化物在扮演强化相的同时，由于其硬质第二相的属性，往往作为裂纹源出现，因此控制其成分在0.03～0.06％，有利于降低焊缝金属的焊接裂纹敏感性。
作为本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，所述气体保护焊丝的成分还包括：Mn 1.20～1.80％，以及Si 0.40～1.30％。
作为本发明的一种更优选实施方式，Mn与Si的重量比为(2～4):1。
Mn可以提高焊缝金属的淬透性，抑制先共析铁素体的出现，促使针状铁素体的生成，同时由于针状铁素体转变温度低而具有较高的位错密度，因此能够保证焊缝金属具备足够的强度同时，又获得良好的低温冲击韧性。但过多的Mn易产生Mn偏析，在偏析高Mn区易生成马奥岛，对于焊缝金属韧性产生不利影响。因此，控制Mn成分为1.20～1.80％。
Si在气体保护焊丝中的主要作用是脱氧，且Mn和Si能够起到联合脱氧作用，当Mn/Si≈3时，具有良好的脱氧效果。当焊缝中Si含量过高时，会使焊缝金属樱花，焊接飞溅增加，焊接性能下降。因此，控制Si含量为0.40～1.30％。
作为本发明的一种优选实施方式，所述气体保护焊丝气体保护焊丝的成分包括：C、Mn、Mo、Si、Ti、V、B、Nb和Re。
作为本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，在所述气体保护焊丝中，P≤0.015％、S≤0.015％。
作为本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，所述气体保护焊丝的成分包括：C 0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti 0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％。在上述配比下，能够进一步改善所得的焊接熔覆组织状态，并增强焊接接头的强度和韧性。
作为本发明的一种优选实施方式，按重量百分比计，所述气体保护焊丝的成分如下：C 0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti 0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。在上述配比下，所得的焊接熔覆组织更优，焊接接头也具有更优的强度和韧性。
作为本发明的一种具体实施方式，本发明焊丝经转炉、精炼、轧制、拉拔、镀铜等生产工艺制备得到。上述过程属于气体保护焊丝的常规生产工艺。其中镀铜是为了防止焊丝生锈和焊接过程中的焊丝具备良好导电性。
另一方面，本发明还提供所述的气体保护焊丝在低合金高强钢的焊接中的应用。
作为本发明的一种优选实施方式，所述低合金高强钢的抗拉强度为600MPa以上。
另一方面，本发明还提供所述的气体保护焊丝在工程机械、铁路桥梁、油气管线、压力容器的制备中的应用。
另一方面，本发明还提供一种焊接方法，采用所述的气体保护焊丝进行焊接。
作为本发明的一种优选实施方式，所述焊接在80±5vol％Ar和20±5vol％CO2的混合气体保护下进行。通过在上述混合气体保护下焊接，将更有利于保护所得熔覆金属的强度和韧性。
实施例1
本实施例提供一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分如下：C 0.04％、Mn1.3％、Mo 0.35％、Si 1.10％、Ti 0.10％、V 0.04％、B 0.005％、Nb 0.04％、Re 0.04％、P0.003％、S 0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
本实施例提供一种气体保护焊丝，按重量百分比计，其成分如下：C 0.06％、Mn1.7％、Mo 0.55％、Si 0.60％、Ti 0.09％、V 0.03％、B 0.06％、Nb 0.06％、Re 0.06％、P0.003％、S 0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
试验例
采用本发明实施例及对比例的焊丝在混合气体(80vol％Ar+20vol％CO2)保护下进行低合金高强的X坡口对接接头焊接试验。低合金高强钢主要化学成分按重量百分比计含有：C 0.07％，Mn 1.10％，Si 0.27％，Ni 0.02％，Cr 0.13％，Cu 0.02％，Nb 0.023％，Mo0.07％，V 0.07％，Ti 0.016％，P 0.09％，S 0.07％，钢板抗拉强度为700MPa。焊接规范为：焊接电流为280A，焊接电压为28V，热输入为2.0kJ/mm，焊接速度5.5/s，共分5道次进行焊接，道间温度145℃。
对焊丝熔覆金属机械性能进行检测，具体方法参照GB/T-2652和GB/T-2650进行。结果见表1。
表1
| 检测项目 | Rm(MPa) | Akv(J) |
| 实施例1 | 630 | 80 |
| 实施例2 | 700 | 103 |
从表1可以看出，采用本发明焊丝对上述低合金高强钢进行焊接后的熔覆金属强韧性均表现出较高的水平，抗拉强度均≥600MPa；-40℃条件下Akv在80J以上，且有一定富余量。
此外，本发明还参照实施例1～2的方式，对本发明所限定的配方进行过多次尝试，采用所得焊丝对上述低合金高强钢进行焊接后，熔覆金属抗拉强度均≥600MPa；-40℃条件下Akv均在80J以上。
本发明气体保护焊丝在进行焊接前无需预热，在焊接过程中焊接电弧稳定，飞溅小，焊后对焊缝进行探测无气孔、成型美观，适用于全位置焊接。本发明焊丝可广泛应用于工程机械、铁路桥梁、油气管线、压力容器等700MPa抗拉强度级低合金高强钢，且制作过程简单易实现，生产成本较低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其成分包括：
B 0.002～0.080％；
Ti+V+Nb 0.13～0.23％；其中，Ti：V：Nb＝(0.08～0.15)：(0.02～0.05)：(0.03～0.07)；以及，
Re 0.02～0.06％。
2.根据权利要求1所述的气体保护焊丝，其特征在于，其成分还包括：Mo；
Mo与B的重量比为(0.30～0.60)：(0.002～0.080)。
3.根据权利要求1或2所述的气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其成分还包括：C 0.03～0.06％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其成分还包括：Mn 1.20～1.80％，以及Si 0.40～1.30％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其中，P≤0.015％、S≤0.015％。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其成分包括：C 0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％。
7.根据权利要求6所述的气体保护焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其成分如下：C0.03～0.06％、Mn 1.20～1.80％、Mo 0.30～0.60％、Si 0.40～1.30％、Ti 0.08～0.15％、V 0.02～0.05％、B 0.002～0.080％、Nb 0.03～0.07％、Re 0.02～0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
8.权利要求1～7中任一项所述的气体保护焊丝在低合金高强钢的焊接中的应用；
所述低合金高强钢的抗拉强度为600MPa以上。
9.权利要求1～7中任一项所述的气体保护焊丝在工程机械、铁路桥梁、油气管线、压力容器的制备中的应用。
10.一种焊接方法，其特征在于，采用权利要求1～7中任一项所述的气体保护焊丝，在80±5vol％Ar和20±5vol％CO2的混合气体保护下进行焊接。
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