CN1152767C

CN1152767C - 微钛硼高韧性气体保护焊丝

Info

Publication number: CN1152767C
Application number: CNB011283262A
Authority: CN
Inventors: 凯缪; 缪凯; 黄治军; 刘吉斌; 曹修悌; 王青峰; 王玉涛; 余酒泉; 张小枫; 于浩; 肖小华; 胡因洪
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: CN1328897A

Abstract

本发明涉及一种微钛硼高韧性气体保护焊丝，其化学成份重量百分比为：C 0.03～0.10、Mn 1.00～1.80、Si 0.20～1.00、Ni 0.50～1.40、Ti0.10～0.20、B 0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20、余量为Fe及其它不可避免的夹杂。本发明的焊丝采用混合气体(80%Ar+20%CO₂)保护焊时，焊缝金属的抗拉强度≥580MPa，-30℃冲击功A_kv≥80J，焊丝具有良好的工艺性能，适应于全位置焊接。本发明的焊丝适用于600MPa级低合金高强钢、工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型重要结构的气体保护电弧焊。

Description

微钛硼高韧性气体保护焊丝

技术领域

本发明涉及一种微钛硼高韧性气体保护焊丝，具体地说是一种采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护焊时，焊缝金属的抗拉强度≥580MPa，-30℃冲击功A_kv≥80J的焊丝，是一种可用于600MPa级低合金钢的气体保护电弧焊的焊丝，属焊接材料领域。

背景技术

近年来，由于气体保护电弧焊生产效率高、成本低，已广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器等大型重要结构的制作。同时，在上述结构中采用600MPa以上强度级别、具有优异低温冲击韧性的钢材，以降低材料消耗，减轻结构重量、提高结构性能和安全性，已成为国内外结构制造业的发展趋势，这种增长的态势对焊接接头的强韧性，进而对获得这些性能的焊接材料及其焊接工艺性能提出了更高的要求。但目前国内相应强度级别的气体保护焊丝匮乏，长期以来，普遍采用传统的Mn-Si系焊丝HO8Mn2Si，其不足之处在于焊缝金属低温冲击韧性较差。冶金工业部钢铁研究总院于俊川等人发明的专利(专利申请号为95108258)介绍了“一种气体保护焊丝”，该焊丝焊缝金属具有良好的低温冲击韧性，但不足之处在于抗拉强度偏低，尚不能满足600MPa级低合金钢的气体保护电弧焊。另有日本神户制铁所生产的MG60气体保护焊丝，虽然其焊缝金属抗拉强度≥600MPa，但不足之处在于冲击韧性水平仍难于满足结构在低温服役下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种能克服上述技术之不足的微钛硼高韧性气体保护焊丝，一种焊后焊缝金属抗拉强度≥580MPa，低温冲击韧性好，焊接工艺性能良好，适用范围广的气体保护焊丝。

为达到上述目的，本发明提出了一种微钛硼高韧性气体保护焊丝，其特征是焊丝的化学成份重量百分比为：C0.03～0.10、Mn1.00～1.80、Si0.20～1.00、Ni0.50～1.40、Ti0.10～0.20、B0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及其它不可避免的杂质。

提高气体保护焊丝焊缝金属强韧性的一个有效途径是在焊缝内产生大量而均匀的细针状铁素体组织。针状铁素体对强度的贡献可归结为固溶强化、细晶强化、位错强化等强化方式。针状铁素体提高韧性的机制是：针状铁素体使有效晶粒尺寸减小，使裂纹扩展临界应力提高，同时由于针状铁素体各板条位向错乱，阻碍了裂纹的扩展。

为在焊缝中得到大量针状铁素体组织，必须使焊缝金属具有适当的合金体系，以限制先共析铁素体转变，并在焊缝金属中产生一定尺寸分布的夹杂物，使针状铁素体具有合适的形核质点和生长空间。C、Mn、Si、Ni等诸元素提高了焊缝金属的淬透性，抑制了先共析铁素体的产生，在一定加入范围内促进针状铁素体的形成。适量Ti和B的复合加入，可以扩大针状铁素体的转变区域，使焊缝中针状铁素体的数量增多。

本发明焊丝化学成份的设计原则说明如下：

C0.03～0.10：C是调整焊缝金属强度的主要元素，必须保证焊丝中有一定的C含量；同时，焊丝中的C还影响焊丝的工艺性能，在C的一定加入范围内，随着C含量增加，电弧稳定性提高，熔滴过渡特性改善，焊丝工艺性能提高。但过多的C含量会使焊缝金属淬硬性增加，塑性降低，裂纹敏感性增加。因此，焊丝中的碳含量范围设定为0.03～0.10。Si0.20～1.00：在气体保护焊丝中，Si作为主要的脱氧元素之一是不可缺少的，同时Si在焊缝金属中起调整强度的作用。当焊丝中Si的含量低于0.20时，脱氧不充分，使焊缝中氧含量过高；当焊缝中Si含量过高时，会使焊缝金属硬化，同时使焊接飞溅增加，使焊丝工艺性能下降。因此，将Si含量控制在0.20～1.00是合适的。

Mn1.00～1.80：Mn与Si起联合脱氧作用，脱氧反应产生的氧化物夹杂和氧硫复合夹杂可作为针状铁素体的形核质点。且Mn是焊缝强化的有效元素，当焊丝中Mn含量低于1.00时，在熔滴和熔池反应阶段脱氧不充分，使焊缝中氧含量过高，且使焊缝强度偏低。当焊丝中Mn含量过高时，焊缝金属的低温冲韧性明显下降。因此，焊丝中的Mn含量应在1.00～1.80内。

Ni0.50～1.40：Ni可以提高焊缝金属的韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性，降低脆性转变温度。同时Ni在焊缝金属中起着重要的强化作用。因此，焊丝中的Ni含量不应低于0.50，但Ni属于贵重元素，不宜多加，因此焊丝中的Ni含量控制在0.50～1.40之间。

B0.002～0.010：B在奥氏体晶界上的非平衡偏聚，在焊缝中将明显抑制先共析铁素体在奥氏体晶界上形核，促进针状铁素体在奥氏体晶内形成，从而提高焊缝金属的冲击韧性。但另一方面，过量的B会增大焊缝金属热裂纹倾向。考虑到B的过渡系数较低，因而焊丝中的B含量为0.002～0.010。

Ti0.10～0.20：为防止B的氧化和氮化，常在焊丝中加入Ti，Ti与O、N具有极高的亲合力，Ti的氧化物和氮化物可作为针状铁素体的形核质点。Ti、B联合加入时，可扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体。焊缝金属中Ti的含量一般在0.01～0.04之间，由于Ti过渡系数低，焊丝中Ti含量应为0.10～0.20。

S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，应尽量降低。要求焊丝中S≤0.10、P≤0.20。

总之，本发明通过在气体保护焊丝中联合加入适量的Ti和B，扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中稳定获得大量的针状铁素体；加入Si、Mn进行联合脱氧，使焊缝金属中具有合适的氧含量；加入Ni进一步提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；尽量降低S、P等有害元素的含量。通过上述焊丝成份设计，从而使焊缝金属具有合适的合金体系，并最终使相应的焊缝金属获得优异的强韧性匹配。

本发明焊丝具有如下优点：

1)适用于600MPa级低合金钢的气体保护电弧焊。在采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护时，焊缝金属的抗拉强度≥580MPa，-30℃冲击功A_kv≥80J。可广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型重要结构的制作。

2)焊丝具有良好的工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接。

3)本发明焊丝所用合金体系合适，其盘条冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，焊丝的成本较低。

具体实施方式

本发明下面以具体实施例进一步详述：

实施例1：采用0.5吨电炉，选用低S、P废钢进行焊丝钢冶炼。冶炼过程中注意控制钢中气体含量，对冶炼工艺无特殊要求。焊丝钢的化学成份重量百分比为：C0.05、Mn1.54、Si0.50、S0.005、P0.005、Ni0.89、Ti0.11、B0.006，余量为Fe及其它不可避免的杂质。冶炼后将焊丝钢轧制成60×60×1500(mm)方坯，然后拉拔成规格为Φ1.2mm的焊丝，经表面镀铜后成为本发明成品焊丝。

用本发明焊丝在混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护下进行熔敷金属焊接接规范为：焊接电流220～260A，焊接电压24～26V，焊接速度22cm/min，焊接线能量16.4kJ/cm。焊接板厚20mm，坡口角度45°，带12mm垫板，根部间隙为12mm。熔敷金属的力学性能：σ_s＝515MPa，σ_b＝595MPa，δ₅＝24％，ψ＝73％，20℃冲击功A_kv＝159J，-20℃冲击功A_kv＝125J，-30℃冲击功A_kv＝97J，-40℃冲击功A_kv＝83J。

实施例2：用本发明焊丝在混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护下进行低碳贝氏体钢DB590对接平焊。DB590钢化学成份重量百分比含有：C0.067、Si0.305、Mn1.439、P0.019、S0.008、Nb0.041、Cu0.108、Ti0.021、B0.0010。焊接规范为：焊接电流200～220 A，焊接电压21～25V，焊接速度18～20cm/min，平均焊接线能量15.3kJ/cm。焊接板厚7mm，坡口角度70°，钝边1mm，根部不留间隙。

焊缝金属的化学成份重量百分比含有C0.049、Mn1.21、Si0.18、S0.006、P0.009、Ni0.62、Ti0.025、B0.0053。焊缝金属的力学性能为：σ_b＝630MPa，-30℃冲击功A_kv＝156J，-40℃冲击功A_kv＝133J(冲击检验采用非标试样尺寸5mm×10mm×55mm)。焊接接头冷弯d＝3a、180°完好。

在焊接过程中，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接，焊丝具有良好的工艺性能。

实施例3：本发明焊丝采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行管线钢X70对接平焊。X70钢化学成份重量百分比含有：C0.06、Mn1.46、Si0.25、S0.003、P0.012、Ni0.20、Cu0.22、Mo0.22。焊接规范为：焊接电流190～210A，焊接电压25～27V，焊接速度24～26cm/min，焊接线能量12.5kJ/cm。焊接板厚11mm，坡口角度60°，钝边1mm，根部不留间隙。

焊缝金属的化学成份重量百分比含有：C0.054、Mn1.38、Si0.23、S0.0026、P0.009、Ni0.46、Cu0.21、Cr0.024、Ti0.035、B0.0016。焊缝金属的力学性能为：σ_s＝575MPa，σ_b＝675MPa，δ₅＝24％，ψ＝77％，-20℃冲击功A_kv＝173J，-30℃冲击功A_kv＝152J，-40℃冲击功A_kv＝148J。

上述实施例说明本发明焊丝在采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护时，适用于600MPa级低合金高强钢工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型重要结构的气体保护电弧焊。

Claims

1.一种微钛硼高韧性气体保护焊丝，其特征是焊丝的化学成份重量百分比为：C0.03～0.10、Mn1.00～1.80、Si0.20～1.00、Ni0.50～1.40、Ti0.10～0.20、B0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及其它不可避免的杂质。