CN115365697A - 一种极地低温钢用气体保护实心焊丝及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，其化学组分为：C≤0.05％，Si：≤0.4％；Mn≤1.0％，Ni：3.5％～6.0％，Ti：0.01％～0.03％，P≤0.015％，S≤0.015％，B：0.003％～0.007％，余量为铁及不可避免的杂质；本发明还提供上述气体保护实心焊丝的应用，其应用于屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于510MPa级别的极地低温船舶用高强钢的焊接，采用本发明提供的实心焊丝焊接形成的焊缝具有优良的低温韧性，强度高，焊缝成型光亮美观；同时焊接飞溅小，焊接工艺性良好，送丝性优良，能够实现全位置自动焊接；采用富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护焊接，其熔敷金属扩散氢小于2ml/100g，用于FH40钢板焊接时，焊接接头组织稳定，焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体。

Description

一种极地低温钢用气体保护实心焊丝及其应用
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体而言，涉及一种极地低温钢用气体保护实心焊丝及其应用。
背景技术
随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的能源储量受到越来越多关注，2008年美国地质勘探局完成的调查显示北极圈内石油、天然气和液化天然气储量分别达到900亿桶、47万亿立方米和440亿桶，约占全世界未探明能源总量的22％。目前我国石油进口主要来源为中东国家，传统能源运输航线安全面临着地缘政治和海盗等威胁，北极能源开发将有利于保障能源供应的多元化。
北极地区能源和贸易航线潜力受到越来越多关注，促进了大型高技术极地运输破冰船舶的需求与发展，极地最低服役环境温度-70℃，因此对满足极地服役条件的极地船舶用低温钢及配套焊材提出了更高的要求，具有优异低温韧性和易焊接性的更高强度级别极地船舶用低温材料是未来的发展趋势。
由于极地船舶的结构大型化显著，构件厚度大，结构较复杂，船舶建造过程中焊接工作量也随之增大，焊接接头的质量关系到极地船舶的建造及服役安全，但国内对于该领域的焊材研制起步较晚，目前，可用于极地船舶用低温钢焊接的配套焊材较少。
专利号为CN102528332B的高强度耐低温TiO2系CO2气体保护低氢型药芯焊丝，公开了其药芯中各组分含量为TiO2：4.5～6.5％；Al2O3：0～0.6％； SiO2：0～1％；ZrO2：0～0.5％；MgO：0～0.4％；F：0～0.5％；C：0～0.15 ％；Si：0.2～1.5％；Mn：1.0～3.5％；Ni：0.5～3.5％；Mo：0.1～1.0％；Ti： 0～0.4％；B:0～0.009％；熔敷金属抗拉强度可以达到760MPa以上，-60℃低温冲击达到47J以上，扩散氢小于4ml/100g，显然其性能无法满足极地最低服役环境温度-70℃时极地船舶用低温钢及配套焊材的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明旨在提出一种极地低温钢用气体保护实心焊丝以解决上述背景技术中极地船舶用低温钢焊接的配套焊材性能无法满足要求的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的技术方案是提供了一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，包括按质量百分含量计的如下组分：C≤0.05％，Si：≤0.4％；Mn≤1.0％，Ni：3.5％～ 6.0％，Ti：0.01％～0.03％，P≤0.015％，S≤0.015％，B：0.003％～0.007％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明中作为优选地，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝包括按质量百分含量计的如下组分：C：0.02％；Si：0.3％；Mn：0.4％，P：0.0062％，S ＜0.005％，Ni：5.8％，Ti：0.03％，B：0.0045％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明的极地低温钢用气体保护实心焊丝适用于屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于510MPa级别的极地低温船舶用高强钢的焊接。
本发明作为优选地，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝在进行焊接时采用富氩气体保护，该富氩气体组成为95％的氩气和5％的二氧化碳气体，气体流量为15～25L/min。
本发明作为优选地，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝用于全位置自动焊接。
本发明中极地低温钢用气体保护实心焊丝中化学成分的设计原则如下：
为匹配母材(FH40)的强度，本发明焊丝采用C、SI元素进行强化，Mn、 NIi作为奥氏体形成元素，用于提高焊缝的低温韧性，同时采用Ti、B作为微合金元素细化焊缝组织，通过添加特定比例的合金元素，实现提高强度的同时获取良好的低温冲击韧性。
C是较强的固溶强化元素，能够有效提高焊缝的金属强度，同时C也具有较强的淬透性，通过降低C的含量，可以保证焊丝的焊接性能，使焊缝金属具有良好的低温冲击韧性，综合考虑焊缝金属力学性能，焊缝金属中的C 含量应该控制在0.05％以下，焊缝金属中的C通过石墨的形式添加。
Si是焊缝金属中重要的脱氧元素，也是夹杂物的组成元素，并且可提高焊缝金属固溶体的硬度和强度，Si与Ni共同作用促进AF生成，细化晶粒组织，提高焊缝金属低温冲击韧性，改善力学性能，如果Si含量过低，则不能有效发挥脱氧效果，若Si含量过高，会引起固溶强化和第二相含量增多，容易形成坚硬的M-A组织，使强度和硬度上升、韧性恶化，如果焊缝金属中Si 含量进一步增多，则会形成大量的SiO2夹杂物，不利于夹杂物诱导AF形核长大，进一步恶化焊缝金属冲击韧性，因此焊缝金属中Si含量的上限设定为 0.4％。
Mn是一种奥氏体形成元素，在焊缝金属中添加适量的Mn可以增加AF 的含量，在确保焊缝金属强度的同时提高其冲击韧性，但是过量的Mn在焊缝金属中容易形成偏析带，造成焊缝金属的组织和硬度不均匀，削弱其韧性，因此对于焊缝金属的Mn含量应进行限制，本发明中Mn含量控制在1％以内。
在焊缝金属中的Ni可提高γ淬透性和稳定性，可有效降低组织相变温度，减少AF尺寸，提高焊缝金属低温冲击韧性，并且由于固溶强化的作用也能提高焊缝金属强度，本发明为保证-75℃的冲击韧性，将Ni的含量控制在 3.5％～6.0％。
在焊缝金属中固溶的B容易扩散至γ晶界，降低界面的同时也降低了铁素体的相变温度，从而有助于抑制晶界铁素体产生，Ti在焊缝中保护B不被氧化，从而改善焊缝组织的韧性。
S、P是作为杂质元素进入焊缝金属中不可避免的元素，S含量过高会增加焊缝的裂纹敏感，P含量过高会导致焊缝冲击韧性下降，但过低的S、P含量则会增加焊丝制造成本，因此在合理的成本范围内应尽可能将S、P含量降低至0.015％以下。
相对于现有技术，本发明所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝具有以下优势：
1)该焊丝可满足焊缝屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于510MPa，实现与FH40钢板的等强匹配，可用于极地低温船舶用高强钢的焊接；
2)该焊丝具有优良的低温韧性，-75℃熔覆金属及对接接头冲击功均达到 100J以上；
3)该焊丝焊接工艺性良好，送丝性优良，可实现全位置自动焊接；
4)该焊丝熔敷金属扩散氢小于2ml/100g；
5)该焊丝用于FH40钢板焊接时，焊接接头组织稳定，焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，其包括按质量百分含量计的如下组分：C：0.02％；Si：0.3％；Mn：0.4％，P：0.0062％，S＜0.005％，Ni：5.8％，Ti：0.03％，B：0.0045％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明实心焊丝制造过程包括钢锭熔炼，锻打，盘条轧制，退火，拉拔减径，表面处理等，最终制成直径为Φ1.2mm的成品焊丝。
采用上述规格为Φ1.2mm焊丝进行熔敷FH40钢板平焊焊接试验时，以富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护，该富氩气体组成为95％的氩气和5％的二氧化碳气体，气体流量为15～25L/min，焊接电流为210～230A，焊接电压25～ 27V，焊接速度33～37cm/min，且该焊丝能够用于全位置自动焊接；采用本实施例实心焊丝所得熔敷金属力学性能抗拉强度达到614Mpa，屈服强度达到 523Mpa，伸长率达到24.5％，-75℃熔敷金属及对接接头冲击功均达到165J；焊接接头抗拉强度达到614Mpa，-75℃焊缝中心冲击值达到121J，-75℃熔合线冲击值达到176J，-75℃线外2mm冲击值达到267J。同时，该极地低温钢用气体保护实心焊丝焊接时，电弧稳定，焊丝成型良好，焊丝送进稳定，飞溅小，烟雾小，无气孔，熔滴细小能够形成射流过渡，焊缝成型光亮、美观，且焊缝金属主要为针状铁素体+粒状贝氏体+先共析铁素体，粗晶区为贝氏体，细晶区均为铁素体+粒状贝氏体。
本实施例中的这种极地低温钢用气体保护实心焊丝通过将C元素的含量控制在0.02％，Si元素的含量控制在0.3％，能够有效提高焊缝的金属强度，使焊丝能够与母材FH40钢板的强度匹配；Si与Ni共同作用能够促进AF生成，细化晶粒组织，提高焊缝金属低温冲击韧性，改善力学性能，通过将Ni 元素的含量控制在5.8％能够大幅提高焊缝的低温韧性；通过将Mn元素的含量控制在0.4％能够增加AF的含量，并在确保焊缝金属强度的同时有利于提高冲击韧性；通过将Ti元素的含量控制在0.03％，B元素的含量控制在0.0045％能够细化焊缝组织，改善焊缝组织的韧性，通过将P元素的含量控制在 0.0062％，S元素的含量控制在0.005％以下，既能降低焊缝的裂纹敏感度，提高焊缝的冲击韧性，又能降低焊丝制造的成本。
根据GB/T3965《熔敷金属中扩散氢测定方法》的要求，在测试环境20 ℃×60％RH条件下采用水银法进行实施例1焊丝熔敷金属扩散氢含量测试，扩散氢含量为1.99ml/100g，达到超低氢水平，能够有效降低焊缝金属的裂纹发生率，且耐气孔性能高。结果如表1所示，满足技术要求。
表1熔敷金属扩散氢含量(水银法)
Figure BDA0003810740620000051
实施例2
本实施例提供一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，其包括按质量百分含量计的如下组分：C：0.035％；Si：0.2％；Mn：0.51％，P：0.0048％，S＜ 0.005％，Ni：4.55％，Ti：0.02％，B：0.0056％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明实心焊丝制造过程包括钢锭熔炼，锻打，盘条轧制，退火，焊丝减径，表面处理等，最终制成直径为Φ1.2mm的成品焊丝。
采用上述规格为Φ1.2mm焊丝进行平对接FH40钢板平焊焊接试验时，以富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护，该富氩气体组成为95％的氩气和5％的二氧化碳气体，气体流量为15～25L/min，焊接电流为210～230A，焊接电压25～27V，焊接速度33～37cm/min，且该焊丝能够用于全位置自动焊接；采用本实施例实心焊丝所得熔敷金属力学性能抗拉强度达到605Mpa，屈服强度达到524Mpa，伸长率达到24.5％，-75℃熔敷金属及对接接头冲击功均达到 160J；焊接接头抗拉强度达到616Mpa，-75℃焊缝中心冲击值达到114J，-75 ℃熔合线冲击值达到189J，-75℃线外2mm冲击值达到279J。同时，该极地低温钢用气体保护实心焊丝焊接时，电弧稳定，焊丝成型良好，飞溅小，无气孔，成型美观，且焊缝金属主要为针状铁素体+粒状贝氏体+先共析铁素体，粗晶区为贝氏体，细晶区均为铁素体+粒状贝氏体。
本实施例中的这种极地低温钢用气体保护实心焊丝通过将C元素的含量控制在0.035％，Si元素的含量控制在0.2％，能够有效提高焊缝的金属强度，使焊丝能够与母材FH40钢板的强度匹配；Si与Ni共同作用能够促进AF生成，细化晶粒组织，提高焊缝金属低温冲击韧性，改善力学性能，通过将Ni 元素的含量控制在4.55％能够大幅提高焊缝的低温韧性；通过将Mn元素的含量控制在0.51％能够增加AF的含量，并在确保焊缝金属强度的同时有利于提高冲击韧性；通过将Ti元素的含量控制在0.02％，B元素的含量控制在0.0056％能够细化焊缝组织，改善焊缝组织的韧性，通过将P元素的含量控制在 0.0048％，S元素的含量控制在0.005％以下，既能降低焊缝的裂纹敏感度，提高焊缝的冲击韧性，又能降低焊丝制造的成本。
实施例3
本实施例提供一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，其包括按质量百分含量计的如下组分：C：0.029％；Si：0.15％；Mn：0.62％，P：0.0058％，S ＜0.005％，Ni：3.98％，Ti：0.015％，B：0.0039％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明实心焊丝制造过程包括钢锭熔炼，锻打，盘条轧制，退火，焊丝减径，表面处理等，最终制成直径为Φ1.2mm的成品焊丝。
优选的，本发明焊丝表面能够实施镀铜处理，大幅提高焊丝的耐绣性能，耐海水腐蚀性能。
采用上述规格为Φ1.2mm焊丝进行立对接FH40钢板平焊焊接试验时，以富氩(95％Ar+5％CO2)气体保护，该富氩气体组成为95％的氩气和5％的二氧化碳气体，气体流量为15～25L/min，焊接电流为210～230A，焊接电压25～27V，焊接速度33～37cm/min，且该焊丝能够用于全位置自动焊接；采用本实施例实心焊丝所得熔敷金属力学性能抗拉强度达到579Mpa，屈服强度达到494Mpa，伸长率达到25.5％，-75℃KV2熔敷金属及对接接头冲击功均达到179J。同时，该极地低温钢用气体保护实心焊丝焊接时，电弧稳定，焊丝成型良好，飞溅小，无气孔，成型美观，且焊缝金属主要为针状铁素体+粒状贝氏体+先共析铁素体，粗晶区为贝氏体，细晶区均为铁素体+粒状贝氏体。
本实施例中的这种极地低温钢用气体保护实心焊丝通过将C元素的含量控制在0.029％，Si元素的含量控制在0.15％，能够有效提高焊缝的金属强度，使焊丝能够与母材FH40钢板的强度匹配；Si与Ni共同作用能够促进AF生成，细化晶粒组织，提高焊缝金属低温冲击韧性，改善力学性能，通过将Ni 元素的含量控制在3.98％能够大幅提高焊缝的低温韧性；通过将Mn元素的含量控制在0.62％能够增加AF的含量，并在确保焊缝金属强度的同时有利于提高冲击韧性；通过将Ti元素的含量控制在0.015％，B元素的含量控制在 0.0039％能够细化焊缝组织，改善焊缝组织的韧性，通过将P元素的含量控制在0.0058％，S元素的含量控制在0.005％以下，既能降低焊缝的裂纹敏感度，提高焊缝的冲击韧性，又能降低焊丝制造的成本。
综上所述，本发明提供的这种极地低温钢用气体保护实心焊丝具有以下优势：(1)该焊丝可满足屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于510MPa，能够实现与FH40钢板的等强匹配，可用于极地低温船舶用高强钢的焊接；(2) 该焊丝具有优良的低温韧性，-75℃熔敷金属及对接接头冲击功均达到100J以上；(3)该焊丝焊接工艺性良好，送丝性优良，可实现全位置自动焊接；(4) 该焊丝熔敷金属扩散氢小于2ml/100g；(5)该焊丝用于FH40钢板焊接时，焊接接头组织稳定，焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种极地低温钢用气体保护实心焊丝，其特征在于，包括按质量百分含量计的如下组分：C≤0.05％，Si：≤0.4％；Mn≤1.0％，Ni：3.5％～6.0％，Ti：0.01％～0.03％，P≤0.015％，S≤0.015％，B：0.003％～0.007％，余量为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝，其特征在于，包括按质量百分含量计的如下组分：C：0.02％；Si：0.3％；Mn：0.4％，P：0.0062％，S＜0.005％，Ni：5.8％，Ti：0.03％，B：0.0045％，余量为铁及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝，其特征在于，所述气体保护实心焊丝的横截面直径为1.0～1.50mm。
4.根据权利要求2所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝，其特征在于，-75℃熔敷金属及对接接头冲击功大于100J。
5.根据权利要求2所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝，其特征在于，在测试环境20℃×60％RH条件下，所述实心焊丝熔敷金属扩散氢小于2ml/100g。
6.根据权利要求1～5任一项所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝的应用，其特征在于，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝用于屈服强度大于400MPa，抗拉强度大于510MPa级别的极地低温船舶用高强钢的焊接。
7.根据权利要求6所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝的应用，其特征在于，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝在进行焊接时采用富氩气体保护，该富氩气体组成为95％的氩气和5％的二氧化碳气体，气体流量为15～25L/min。
8.根据权利要求7所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝的应用，其特征在于，所述气体保护实心焊丝的焊接条件为：焊接电流210～230A，焊接电压25～27V，焊接速度33～37cm/min。
9.根据权利要求8所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝的应用，其特征在于，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝用于全位置自动焊接。
10.根据权利要求9所述的极地低温钢用气体保护实心焊丝的应用，其特征在于，所述极地低温钢用气体保护实心焊丝用于FH40钢板焊接时，焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体。
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