CN116079278B - 一种高吸能高锰钢实心焊丝及其焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C：0.6~0.8%，Mn：20.0~24.0%，Si：0.4~0.6%，W：3~5%，Ce：0.02~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过在焊丝中添加较高含量的碳元素提高得到的焊缝金属的强度，同时加入少量铈元素来降低高碳含量带来的焊接性能下降的影响，提高焊接接头的力学强度；铈元素还与焊丝合金体系中其它元素共同作用，显著提高得到的焊缝金属的韧性。本发明的焊丝合金体系简单，价格低，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了优良的室温韧性及力学强度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其是一种高吸能高锰钢实心焊丝及其焊接工艺。
背景技术
为了满足日益增加的桥梁防护需求，我国一些研究团队与国内交通科研院所合作，针对水路运输桥梁的使用条件和防护特点，设计出了基于高强韧高吸能高锰钢的桥梁抗撞击吸能结构。现有防撞材料采用软钢（Q235），强度及塑性均较低，而高强韧高吸能高锰钢缓冲性能是现有产品的6~8倍。因此，高强韧高吸能高锰钢及其焊接结构在桥梁防护工程中的应用前景广阔，经济社会效益显著。
由于高强韧高吸能高锰钢优异的性能，应用于桥梁防护领域，能极大的提高桥梁的安全性，但是在应用过程中很多地方会采用焊接工艺进行结构及装置的制造。为了使焊接材料的强度和韧性（对应吸能性能）在焊接后能够与高强韧高吸能高锰钢的强度和韧性相匹配，对焊接材料进行了一系列改性，如：专利CN111805120A公开了一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其成分质量百分数为Mn：22~26%，C:0.40~0.55%，Si:0.30~0.70%，Cr:2.5~5.0%，Ni:1.5~4.0%，Mo:1.0~3.0%，Cu:0.20~0.90%，V:0.03~0.20%，P<0.020%，S≤0.010%，余量为Fe和不可避免的杂质。又如：专利CN107009046A公开了一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝，化学组分是:C为0.25~0.55wt%，Mn为23~26wt%，Ni为8~10wt%，W为3~5wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。这些改性后的焊丝所形成的熔敷金属在超低温具有高韧性，强度与低温奥氏体高锰钢相匹配，但这类焊丝中添加了较高含量的Ni、Cr、Mo等稀有元素，不仅成本较高，其焊接得到的熔敷金属的韧性仍有待进一步提高，且，上述焊丝均属于中碳钢，得到的焊接金属的强度也有待提高。
因此，需要开发一种能够焊接得到具有更高的强度和韧性的焊缝的焊丝。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服现有的焊丝成本高、且强度和韧性需要进一步提高的缺陷，提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，该焊丝能够焊接得到具有更高的强度和韧性的焊缝，能够与现有的高吸能高锰钢相匹配，满足对所焊接制备的桥梁防护装置的强度和防撞吸能的技术要求。本发明通过在奥氏体形成元素体系中添加少量的铈元素，即可与焊丝合金中的其它合金元素相互作用，改善焊缝组织及夹杂物的形态和分布，提高焊缝的韧性。
本发明的另一目的在于，提供使用所述高吸能高锰钢实心焊丝进行焊接的焊接工艺。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：
C：0.6~0.8%，Mn：20.0~24.0%，Si：0.4~0.6%，W：3~5%，Ce：0.02~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明中的锰元素与碳元素都是奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属。此外，随着焊丝中碳含量的增加，焊接得到的焊接金属的强度更高，但是高的碳含量会使焊丝在焊接过程中快速形成较大的晶粒，碳化物容易在晶界上积聚、长大，易在焊接接头内部形成孔隙或裂纹等缺陷，进而导致可焊性差，得到的接头的强度降低。本发明的发明人创造性地发现，如在上述高碳焊接体系中添加铈元素，在少量的添加量下即可显著提高焊缝金属的韧性，且无需添加其它稀有元素（如Ni、Cr、Mo），还能够显著改善焊接接头的缺陷，表明其可与体系中其它合金元素相互作用，改善焊缝组织及夹杂物的形态和分布，进而提高焊缝的韧性和焊接接头强度。
优选地，所述Ce（铈元素）的含量为0.03~0.04wt%。铈元素的添加量太低，无法有效改善得到的焊缝金属的韧性以及焊接接头强度（减少缺陷的产生），但是随着铈元素添加量的增加，得到的焊缝金属的性能升高，且逐渐趋于稳定，进一步增加铈元素的含量，得到的焊缝金属的性能增加有限，还容易增加成本。
优选地，所述C（碳元素）的含量为0.7~0.8wt%。碳元素含量越高，焊接得到的焊缝金属的强度越高，但是当碳元素含量更高时，焊接接头的强度显著下降，焊接性能显著下降。
本发明采用的主要合金元素Mn元素的含量为20.0~24.0wt%，该含量与母材中的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。
在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，本发明添加了钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。
本发明还添加了0.4~0.6wt%的硅元素，增加了电弧稳定性。硅元素作为脱氧剂确保熔敷金属的强度和降低氧含量，但是硅元素添加太多，Si在晶界偏聚会弱化晶界，进而降低焊接得到的焊缝金属的韧性，因此，所述硅元素的含量进一步优选为0.4~0.5wt%。
此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%和S≤0.001wt%。通过净化钢水，可以将焊丝中的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。
可选地，所述高吸能高锰钢实心焊丝的直径为1~1.5mm。
焊丝中上述各元素共同作用，可以焊接形成性能优异的全奥氏体组织，保证了较好的强度和韧性。通过调整其中各元素的含量，可以进一步提高焊接形成的焊缝金属的综合性能。
优选地，所述高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C：0.6~0.7%，Mn：20.0~21.0%，Si：0.40~0.46%，W：3.0~3.8%，Ce：0.02~0.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C：0.6~0.7%，Mn：23.0~24.0%，Si：0.46~0.52%，W：3.8~4.4%，Ce：0.03~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C：0.7~0.8%，Mn：21.0~23.0%，Si：0.52~0.6%，W：4.4~5.0%，Ce：0.03~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还保护使用上述高吸能高锰钢实心焊丝进行焊接的焊接工艺，包括如下步骤：以上述高吸能高锰钢实心焊丝为焊料，采用钨极氩弧焊的焊接方法焊接高吸能高猛钢。
优选地，所述钨极氩弧焊的焊接电流为100~140A，电弧电压为18~22V，焊接速度为1.6~2.0m/s。
优选地，所述高吸能高猛钢的化学组分是：C为0.30~0.80wt%，Mn为17.5~25.5wt%，Si为0.40~0.80wt%，V为0.3~0.6wt%，Ti为0.2~0.5%，P为≤0.008wt%，S为≤0.005wt%，余量为Fe。
在焊接时，高吸能高锰钢的试板坡口型式为V型，单侧坡口角度为30°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在焊丝中添加较高含量的碳元素提高得到的焊缝金属的强度，同时加入少量铈元素来降低高碳含量带来的焊接性能下降的影响，提高焊接接头强度；铈元素还与焊丝合金体系中其它元素共同作用，显著提高得到的焊缝金属的韧性。
本发明的焊丝合金体系简单，价格低。焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了优良的室温韧性，室温时冲击功Akv均在120J以上可高达142J；亦保证了焊缝金属的机械性能，其中屈服强度均在400MPa以上，可满足使用性能，抗拉强度均在730MPa以上，可高达915MPa；断裂伸长率均在40%以上，可高达50%，达到了高吸能高锰钢制造桥梁防护装置的力学性能要求，特别是抗撞击吸能的要求。
附图说明
图1为使用实施例1的焊丝制备得到的焊接接头的无损检测图，焊缝无裂纹；
图2为使用对比例1的焊丝制备得到的焊接接头的无损检测图，焊缝中形成裂纹；
图3为使用对比例2的焊丝制备得到的焊接接头的无损检测图，焊缝中有未熔合的区域。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
本实施例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C为0.6wt%，Mn为21.0wt%，Si为0.4wt%，W为3.0wt%，Ce为0.02wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质，焊丝直径为1.2mm。
实施例2
本实施例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C为0.7wt%，Mn为23.0wt%，Si为0.46wt%，W为3.8wt%，Ce为0.03wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质，焊丝直径为1.2mm。
实施例3
本实施例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，包括如下重量百分比的化学组分：C为0.8wt%，Mn为24.0wt%，Si为0.5wt%，W为5.0wt%，Ce为0.04wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质，焊丝直径为1.2mm。
对比例1
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：未添加Ce元素。
对比例2
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：未添加Si元素。
对比例3
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：未添加W元素。
对比例4
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：Ce元素的含量为0.015wt%。
对比例5
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：C元素的含量为0.9wt%。
对比例6
本对比例提供一种高吸能高锰钢实心焊丝，化学组分与实施例3的不同之处在于：将Ce元素替换为La元素。
性能测试
以上述实施例和对比例的焊丝为焊料，采用钨极氩弧焊的焊接方法焊接高吸能高猛钢（为8mm厚的20Mn超低温钢）。其中，20Mn高吸能高锰钢（本发明的待焊钢材选用专利CN111621709A中的实施例1）的化学组分是：C为0.30~0.80wt%，Mn为17.5~25.5wt%，Si为0.40~0.80wt%，V为0.3~0.6wt%，Ti为0.2~0.5%，余量为Fe，（其中P为≤0.008wt%，S为≤0.005wt%）。钨极氩弧焊的具体工艺参数为：焊接电流为130A，电弧电压为20V，焊接速度为1.8m/s。
对使用上述实施例和对比例的焊丝焊接得到的焊缝金属的性能进行表征，具体测试项目及测试方法和结果如下：
屈服强度（单位为MPa）、抗拉强度（单位为MPa）、断裂伸长率A（单位为%）：参照标准GB/T228.1——2010《金属材料拉伸试验》中的方法进行测试，其中拉伸速度为3mm/min，测试温度为室温（25℃）。
冲击功Akv（单位为J）：参照标准GB/T229——2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中的方法进行测试。
焊接接头无损检测参照标准《NB/T47013.2-2015》中的方法进行测试。
测试结果详见表1。
表1 实施例和对比例的焊丝焊接得到的焊缝金属的测试结果
从上述结果可以看出：
本发明制备得到的焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了优良的室温韧性，室温时冲击功Akv均在120J以上，可高达142J；亦保证了焊缝金属的机械性能，其中屈服强度均在400MPa以上，可满足使用性能，抗拉强度均在730MPa以上，可高达915MPa；断裂伸长率均在40%以上，可高达50%，达到了高吸能高锰钢制造桥梁防护装置的力学性能要求，特别是抗撞击吸能的要求。且经过接头无损检测，接头内外均无裂纹产生。
本发明的对比例1~3与实施例3的对比结果表明，铈元素可与体系中其它合金元素相互作用，改善焊缝组织及夹杂物的形态和分布，进而提高焊缝的韧性和强度，如缺少其中任意一种组分，均无法得到高性能焊缝金属；对比例4中添加的铈元素的含量较少，对焊缝金属的焊接性能以及韧性的改善效果不显著，无法达到使用要求；对比例5中的C元素含量太高，即使添加较高含量的铈元素，也无法改善焊接接头的缺陷；对比例6中添加了其它种类的稀土元素，但是无法提高高碳焊丝的焊接接头的力学强度，也不能改善接头缺陷。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种用于焊接高吸能高猛钢的实心焊丝，其特征在于，所述实心焊丝由如下重量百分比的化学组分组成：
C：0.6~0.8%，Mn：20.0~24.0%，Si：0.4~0.6%，W：3~5%，Ce：0.02~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述高吸能高猛钢的化学组分为：C为0.30~0.80wt%，Mn为17.5~25.5wt%，Si为0.40~0.80wt%，V为0.3~0.6wt%，Ti为0.2~0.5%，余量为Fe，P≤0.008wt%，S≤0.005wt%。
2.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述Ce的重量百分比为0.03~0.04%。
3.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述C的重量百分比为0.7~0.8%。
4.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述Si的重量百分比为0.4~0.5%。
5.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述实心焊丝包括如下重量百分比的化学组分：
C：0.6~0.7%，Mn：20.0~21.0%，Si：0.40~0.46%，W：3.0~3.8%，Ce：0.02~0.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述实心焊丝包括如下重量百分比的化学组分：
C：0.6~0.7%，Mn：23.0~24.0%，Si：0.46~0.52%，W：3.8~4.4%，Ce：0.03~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述实心焊丝包括如下重量百分比的化学组分：
C：0.7~0.8%，Mn：21.0~23.0%，Si：0.52~0.6%，W：4.4~5.0%，Ce：0.03~0.04%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的用于焊接高吸能高锰钢的实心焊丝，其特征在于，所述高吸能高锰钢实心焊丝的直径为1~1.5mm。
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