CN117858781A - 埋弧焊用金属芯焊丝和使用其的埋弧焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供在焊接时烟尘产生量少、并且适合作为在极低温环境下使用的高Mn含有钢材用焊接材料的、能够形成兼具高强度和优良的极低温韧性的焊接金属的埋弧焊用焊丝。埋弧焊用金属芯焊丝含有特定的成分。

Description

埋弧焊用金属芯焊丝和使用其的埋弧焊方法
技术领域
本发明涉及埋弧焊用金属芯焊丝，特别是涉及适合于在极低温环境下使用的高Mn含有钢材的埋弧焊的金属芯焊丝和使用其的埋弧焊方法。
背景技术
近年来，针对环境的规定变得严格。液化天然气(以下也称为“LNG”)由于不含硫，因此被称为不产生硫化物、氧化物等大气污染物质的清洁燃料，其需求增加。为了运输或保存LNG，对于运输或储存LNG的容器(罐)，需要在LNG的液化温度即-162℃以下的温度下保持优良的极低温冲击韧性。因此，从保持优良的极低温冲击韧性的必要性出发，作为容器等的材料用途，以往使用铝合金、9％Ni钢、奥氏体系不锈钢等。
但是，铝合金的拉伸强度低，因此，在作为结构物使用时，需要将板厚设计得较大，并且存在焊接作业性低的问题。另外，9％Ni钢需要使用价格昂贵的Ni基材料作为焊接材料，因此经济上变得不利。另外，奥氏体系不锈钢存在价格昂贵、母材强度也低的问题。
从这样的问题出发，作为运输或储存LNG的容器用材料，最近对以10～35质量％的范围含有Mn的高Mn含有钢材(以下也称为“高Mn钢”)的应用进行了研究。高Mn钢具有如下特征：即使在极低温下金属组织也是奥氏体相，不发生脆性断裂，并且与奥氏体系不锈钢相比具有高强度。因此，期望开发出能够稳定地焊接这样的高Mn钢的焊接材料。
针对这样的期望，例如在专利文献1中公开了一种药芯焊丝电弧焊用焊丝，其具有以重量％计含有C：0.15～0.8％、Si：0.2～1.2％、Mn：15～34％、Cr：6％以下、Mo：1.5～4％、S：0.02％以下、P：0.02％以下、B：0.01％以下、Ti：0.09～0.5％、N：0.001～0.3％、TiO2：4～15％、选自SiO2、ZrO2和Al2O3中的一种以上的合计：0.01～9％、选自K、Na和Li中的一种以上的合计：0.5～1.7％、F和Ca中的一种以上：0.2～1.5％、余量为Fe和其它不可避免的杂质的组成。如果使用此处公开的药芯焊丝电弧焊用焊丝进行焊接，能够有效地得到具有试验温度：-196℃下的夏比冲击试验吸收能为28J以上的优良的低温韧性和常温拉伸强度为400MPa以上的高强度的焊接接头部，另外，将焊丝组成调整为Mo：1.5％以上，能够确保具有优良的耐高温开裂性的焊接接头部。
另外，在专利文献2中公开了一种气体保护金属极电弧焊用实芯焊丝，其具有以质量％计含有C：0.2～0.8％、Si：0.15～0.90％、Mn：17.0～28.0％、P：0.03％以下、S：0.03％以下、Ni：0.01～10.00％、Cr：0.4～4.0％、Mo：0.01～3.50％、B：小于0.0010％、N：0.12％以下、余量由Fe和不可避免的杂质构成的基本组成，根据需要，含有选自V、Ti和Nb中的一种或两种以上，进而含有选自Cu、Al、Ca和REM中的一种或两种以上。如果使用此处公开的气体保护金属极电弧焊用实芯焊丝进行焊接，则能够制造烟尘产生量少、并且常温屈服强度(0.2％耐力(0.2％proof stress))为400MPa以上的高强度、试验温度：-196℃下的夏比冲击试验的吸收能(vE-196)为28J以上的高强度且极低温冲击韧性优良的焊接接头部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6240778号公报
专利文献2：日本专利第6621572号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，根据本发明人的研究，对于专利文献1记载的技术而言，存在焊接时烟尘的产生量多的问题。
另外，对于专利文献2记载的技术而言，存在如下问题：如果为了进行高效率的焊接施工而提高焊接线能量，则由于晶粒粗大化而强度降低，特别是屈服强度不满足400MPa以上。
本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供焊接时烟尘产生量少、并且适合作为在极低温环境下使用的高Mn含有钢材用焊接材料的、能够形成兼具高强度和优良的极低温韧性的焊接金属的埋弧焊用焊丝。
需要说明的是，此处所述的“焊接时的烟尘产生量少”是指如下情况：依据JIS Z3930-2013，进行焊接时的烟尘产生量为400mg/分钟以下。另外，“高强度”是指依据JIS Z3111的规定制造的焊接金属的常温屈服强度(0.2％耐力)为400MPa以上的情况，此外，“优良的极低温韧性”是指依据JIS Z 3111的规定制造的焊接金属的试验温度：-196℃下的夏比冲击试验的吸收能(vE-196)为28J以上的情况。
用于解决问题的方法
本发明人为了实现上述目的，首先对影响焊接时的烟尘产生量的因素进行了深入研究。其结果发现，为了在使用高电流的高效率焊接中也有效地减少烟尘产生量，作为焊接方法，埋弧焊(SAW)是有效的。
但是，如果对于高Mn钢使用以往的焊接材料应用埋弧焊这样的大线能量焊接，则存在焊接金属的晶粒粗大化、导致0.2％耐力降低的问题。
本发明人发现，针对这样的问题，通过使焊接材料中含有3.5％以上的Mo，由此即使晶粒粗大化也能够满足规定的0.2％耐力。进而发现，如果含有3.5％以上的Mo，则在实芯焊丝中拉丝性显著降低，制造困难，因此，使用制造容易的金属芯焊丝是有效的。
本发明是基于上述见解进一步加以研究而完成的，本发明的主旨如下所述。
[1]一种埋弧焊用金属芯焊丝，其具有以质量％计含有C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：17.0～28.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Ni：0.01～10.00％、Cr：0.4～4.0％、Mo：3.50～10.00％、B：0.0010％以下、N：0.200％以下、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成。
[2]根据上述[1]所述的埋弧焊用金属芯焊丝，其中，在上述组成的基础上，以质量％计还含有选自V：0.040％以下、Ti：0.040％以下和Nb：0.040％以下中的一种或两种以上。
[3]根据上述[1]或[2]所述的埋弧焊用金属芯焊丝，其中，在上述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Cu：1.00％以下、Al：0.100％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上。
[4]一种埋弧焊方法，其中，
使用上述[1]～[3]中任一项所述的埋弧焊用金属芯焊丝，
作为焊接对象的钢材是高Mn钢，所述高Mn钢具有以质量％计含有C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：15.0～30.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Ni：3.00％以下、Cr：1.0～8.0％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成，-196℃下的吸收能为28J以上、0.2％耐力为400MPa以上。
[5]根据上述[4]所述的埋弧焊方法，其中，上述钢材在上述组成的基础上以质量％计还含有选自V：2.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、Al：0.100％以下、N：0.120％以下、O：0.0050％以下、B：0.0020％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上。
[6]根据上述[4]或[5]所述的埋弧焊方法，其中，埋弧焊时的烟尘产生量为400mg/分钟以下。
发明效果
根据本发明，能够提供一种埋弧焊用金属芯焊丝，其是高Mn含有钢材的焊接材料，焊丝制造性优良，能够应用于烟尘产生少的埋弧焊，即使供于大线能量的焊接也可以得到高强度且极低温韧性优良的焊接金属，在产业上发挥显著的效果。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行具体说明。
本发明是高Mn含有钢材的埋弧焊方法。首先，对埋弧焊(以下也称为“SAW”)进行说明。
[埋弧焊]
SAW是向预先散布在母材上的粉粒状的焊剂中连续地供给电极焊丝并在该电极焊丝的前端与母材之间产生电弧而连续地进行焊接的焊接方法。该SAW通过应用大电流来提高焊丝的熔敷速度，具有能够高效地进行焊接的优点。
作为焊丝，可以使用实芯焊丝或在焊丝的内部内包有焊丝用焊剂的药芯焊丝等，在本发明中使用金属芯焊丝。
作为本发明的埋弧焊的例子，将钢材对接，形成45°V型坡口，使用准备好的焊丝(直径3.2mmφ)，散布焊剂后，无预热，以向下的姿势在电流为350～650A(AC)、电压为28～36V、焊接速度为20～80cm/分钟、焊接线能量为0.7～8.0kJ/mm、且道次间温度为100～150℃的条件下实施。
通过上述埋弧焊条件，使作为母材的高Mn钢对接，使用后述的本发明的金属芯焊丝和焊接用焊剂，制造形成焊接接头部的焊接金属。
[金属芯焊丝的基本组成]
对本发明的金属芯焊丝的基本组成的限定理由进行说明。需要说明的是，以下，组成中的“％”是指“质量％”。
[C：0.20～0.80％]
C是具有通过固溶强化使焊接金属的强度升高的作用的元素，另外，C使奥氏体相稳定化，使焊接金属的极低温冲击韧性提高。为了得到这样的效果，需要含有0.20％以上。因此，C含量设定为0.20％以上。C含量优选设定为0.30％以上。C含量更优选为0.40％以上。C含量进一步优选为0.45％以上。但是，含有超过0.80％时，碳化物析出，极低温韧性降低，进而，容易产生焊接时的高温裂纹。因此，C含量设定为0.80％以下。需要说明的是，C含量优选为0.70％以下。C含量更优选为0.60％以下。C含量进一步优选为0.55％以下。
[Si：0.15～0.90％]
Si作为脱氧剂发挥作用，具有提高Mn的成品率、并且提高熔融金属的粘性、稳定地保持焊道形状、减少溅射的产生的效果。为了得到这样的效果，需要含有0.15％以上。因此，Si含量设定为0.15％以上。Si含量优选为0.20％以上。Si含量更优选为0.30％以上。Si含量进一步优选为大于0.30％。但是，含有超过0.90％时，使焊接金属的极低温韧性降低。另外，Si在凝固时偏析，在凝固单元界面生成液相，使耐高温开裂性降低。因此，Si含量设定为0.90％以下。需要说明的是，Si含量优选为0.80％以下。Si含量更优选为0.70％以下。Si含量进一步优选为0.60％以下。
[Mn：17.0～28.0％]
Mn是廉价地使奥氏体相稳定化的元素，在本发明中需要含有17.0％以上。Mn小于17.0％时，在焊接金属中生成铁素体相，极低温下的韧性显著降低。因此，Mn含量设定为17.0％以上。Mn含量优选为18.0％以上。Mn含量更优选为20.0％以上。Mn含量进一步优选为21.0％以上。另一方面，Mn超过28.0％时，在凝固时发生过度的Mn偏析，诱发高温裂纹。因此，Mn设定为28.0％以下。需要说明的是，Mn含量优选为26.0％以下。Mn含量更优选为24.0％以下。
[P：0.030％以下]
P是在晶界发生偏析、诱发高温裂纹的元素，在本发明中，优选尽可能减少，但如果为0.030％以下则可以允许。因此，P含量设定为0.030％以下。P含量更优选为0.020％以下。需要说明的是，过度的减少导致精炼成本的高涨。因此，P含量优选调整为0.003％以上。
[S：0.030％以下]
S在晶界发生偏析，由于形成低熔点的化合物而容易产生高温裂纹。在本发明中，优选尽可能减少，但如果为0.030％以下则可以允许。因此，S含量设定为0.030％以下。S含量优选为0.020％以下。需要说明的是，过度的减少导致精炼成本的高涨。因此，S优选调整为0.001％以上。
[Ni：0.01～10.00％]
Ni是强化奥氏体晶界的元素，在晶界发生偏析，使极低温冲击韧性提高。为了得到这样的效果，Ni需要含有0.01％以上。Ni含量优选为1.00％以上。Ni含量更优选为1.50％以上。Ni含量进一步优选为1.80％以上。另外，Ni还具有使奥氏体相稳定化的效果，因此，如果进一步增加含量，则使奥氏体相稳定化，使焊接金属的极低温冲击韧性提高。但是，Ni是价格昂贵的元素，含有超过10.00％时，经济上变得不利。因此，Ni含量设定为10.00％以下。需要说明的是，Ni含量优选为8.00％以下。Ni含量更优选为4.00％以下。Ni含量进一步优选为2.50％以下。
[Cr：0.4～4.0％]
Cr作为在极低温下使奥氏体相稳定化的元素发挥作用，使焊接金属极的低温冲击韧性提高。另外，Cr还具有使焊接金属的强度提高的作用。另外，Cr对于提高熔融金属的液相线、抑制高温裂纹的产生有效地发挥作用。此外，Cr对于提高焊接金属的耐腐蚀性也有效地发挥作用。为了得到这样的效果，Cr需要含有0.4％以上。Cr小于0.4％时，不能确保上述效果。因此，Cr含量设定为0.4％以上。Cr含量优选设定为0.5％以上。Cr含量更优选设定为0.8％以上。Cr含量进一步优选设定为1.0％以上。另一方面，含有超过4.0％时，生成Cr碳化物，导致极低温韧性的降低。此外，由于生成碳化物，焊丝拉丝时的加工性降低。因此，Cr设定为4.0％以下。需要说明的是，Cr含量优选为3.5％以下。Cr含量更优选为3.0％以下。Cr含量进一步优选为2.0％以下。
[Mo：3.50～10.00％]
Mo是强化奥氏体晶界的元素，在晶界发生偏析，使焊接金属的强度提高。这样的效果在含有3.50％以上的Mo时变得显著。此外，Mo含有超过3.50％时，通过固溶强化，也使0.2％耐力提高。因此，Mo含量设定为3.50％以上。Mo含量优选为4.00％以上。另外，含有超过5.00％时，析出碳化物，进一步有助于0.2％耐力的提高，因此Mo含量进一步优选为5.00％以上。Mo含量最优选为6.00％以上。另一方面，含有超过10.00％时，析出过量的碳化物，导致极低温韧性的降低。因此，Mo设定为10.00％以下。需要说明的是，Mo含量优选为9.00％以下。Mo含量更优选为8.00％以下。Mo含量进一步优选为7.00％以下。
[B：0.0010％以下]
B具有通过在熔敷金属的晶界发生偏析而进行晶界强化从而使韧性、耐力提高的效果。这样的效果在含有0.0005％以上的B时变得显著，因此B优选含有0.0005％以上。另一方面，过量含有时，有时在晶界析出B碳氮化物而引起韧性劣化。因此，B含量设定为0.0010％以下。
[N：0.200％以下]
N是不可避免地混入的元素，与C同样，是有效地有助于提高焊接金属的强度、并且使奥氏体相稳定化、使极低温韧性稳定地提高的元素。这样的效果在含有0.010％以上的N时变得显著，因此N优选含有0.010％以上。N含量更优选为0.050％以上。N含量进一步优选为0.100％以上。但是，含有超过0.200％时，形成氮化物，低温韧性降低。因此，N含量设定为0.200％以下。N含量优选为0.150％以下。
[金属芯焊丝的任选组成]
本发明的金属芯焊丝中，上述组成为基本组成，在本发明中，可以在上述基本组成的基础上进一步根据需要含有选自V：0.040％以下、Ti：0.040％以下和Nb：0.040％以下中的一种或两种以上，进一步根据需要含有选自Cu：1.00％以下、Al：0.100％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上作为任选组成。
V、Ti、Nb均是促进碳化物的形成、有助于提高焊接金属的强度的元素，可以根据需要选择含有一种或两种以上。
[V：0.040％以下]
V是碳化物形成元素，使微细的碳化物析出，有助于提高焊接金属的强度。为了得到这样的效果，优选含有0.001％以上。因此，在含有V的情况下，V含量优选设定为0.001％以上。V含量更优选为0.005％以上。但是，含有超过0.040％时，碳化物粗大化，导致极低温韧性的降低。因此，在含有的情况下，V设定为0.040％以下。V含量优选为0.010％以下。
[Ti：0.040％以下]
Ti也同样是碳化物形成元素，使微细的碳化物析出，有助于提高焊接金属的强度。另外，Ti使碳化物在焊接金属的凝固单元界面析出，有助于抑制高温裂纹的产生。为了得到这样的效果，优选含有0.001％以上。因此，在含有Ti的情况下，Ti含量优选设定为0.001％以上。Ti含量更优选为0.005％以上。但是，含有超过0.040％时，与V同样，碳化物粗大化，导致极低温韧性的降低。因此，在含有的情况下，Ti含量设定为0.040％以下。Ti含量优选为0.020％以下。Ti含量更优选为0.010％以下。
[Nb：0.040％以下]
Nb也同样是碳化物形成元素，使微细的碳化物析出，有助于提高焊接金属的强度。另外，Nb使碳化物在焊接金属的凝固单元界面析出，有助于抑制高温裂纹的产生。为了得到这样的效果，Nb优选含有0.001％以上。为此，在含有Nb的情况下，Nb含量优选设定为0.001％以上。Nb含量更优选为0.005％以上。但是，含有超过0.040％时，与V、Ti同样，碳化物粗大化，导致极低温韧性的降低。因此，在含有Nb的情况下，Nb设定为0.040％以下。Nb含量优选设定为0.030％以下。
另一方面，Cu是有助于奥氏体稳定化的元素，Al是使焊接作业性提高的元素，REM是有助于提高加工性的元素，可以根据需要选择含有一种或两种以上。以下，对限定理由进行说明。
[Cu：1.00％以下]
Cu是使奥氏体相稳定化的元素，即使在极低温下也使奥氏体相稳定化，使焊接金属的极低温冲击韧性提高。为了得到这样的效果，优选含有0.01％以上。因此，在含有Cu的情况下，Cu含量优选设定为0.01％以上。但是，Cu超过1.00％而大量含有时，热延展性降低。因此，在含有的情况下，Cu设定为1.00％以下。Cu含量优选为0.60％以下。Cu含量更优选为0.50％以下。
[Al：0.100％以下]
Al作为脱氧剂发挥作用，具有提高熔融金属的粘性、稳定地保持焊道形状、减少溅射的产生这样的重要作用。另外，Al提高熔融金属的液相线温度，有助于抑制焊接金属的高温裂纹产生。这样的效果在含有0.005％以上的Al时变得显著，因此优选含有0.005％以上的Al。Al含量更优选为0.010％以上。Al含量进一步优选为0.020％以上。但是，含有超过0.100％时，熔融金属的粘性变得过高，反而溅射增加、焊道不扩展、融合不良等缺陷增加。因此，在含有Al的情况下，Al含量设定为0.100％以下。Al含量优选为0.060％以下。更优选为0.050％以下。
[REM：0.020％以下]
REM是指Sc、Y、La、Ce等稀土元素。REM是强力的脱氧剂，在焊接金属中以REM氧化物的形态存在。REM氧化物成为凝固时的成核位点，由此使晶粒微细化，有助于提高焊接金属的强度。这样的效果在含有0.001％以上的REM时变得显著。因此，含有REM时，REM含量优选设定为0.001％以上。REM含量更优选为0.005％以上。但是，含有超过0.020％时，电弧的稳定性降低。因此，在含有的情况下，REM设定为0.020％以下。REM含量优选为0.015％以下。
[余量组成]
上述组成以外的余量组成由Fe和不可避免的杂质构成。作为不可避免的杂质，例如可以列举O(氧)、Sn、Sb、As、Pb、Bi等。优选焊丝中的O(氧)量设定为0.15％以下，Sn、Sb、As量分别设定为0.005％以下，Pb、Bi量分别设定为0.0001％以下。另外，只要满足上述基本组成和任选组成，并不排除含有它们以外的不可避免的杂质元素，这样的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
[焊丝的制造方法]
接着，对本发明的SAW用金属芯焊丝的制造方法进行说明。
本发明的金属芯焊丝的制造可以应用任一种常用的金属芯焊丝的制造方法。例如，优选将具有由0.1％C-0.2％Si-0.5％Mn-余量Fe构成的组成的薄钢板(板厚0.5mm)作为钢制外皮原材，在宽度方向上实施冷弯曲加工，制成U字形。然后，以成为目标焊丝组成的方式，在得到的钢制外皮中封入进行了成分调整的金属粉末(和焊剂粉末)，通过冷加工进行拉丝加工，制成金属芯焊丝(直径：3.2～4.0mm)。
上述金属粉末的成分组成通过调整具有用于对钢制外皮原材的成分组成补充为作为金属芯焊丝的合计组成的金属成分的金属粉末或合金粉末而得到。
[焊接用焊剂]
作为焊接用焊剂，可以使用通常公知的熔融焊剂或粘结焊剂中的任一种。例如，作为粘结焊剂的化学成分的例子，可以使用含有SiO2：10～60％、CaO：10～60％、MgO：20～70％、Al2O3：10～60％、CaF2：5～30％、CaCO3：2～20％等的焊剂。但是，在本发明中，焊接用焊剂不限于此。需要说明的是，粘结焊剂的情况下，优选在焊接前进行干燥(200～300℃)。
[焊接金属的制造方法]
对使用上述埋弧焊用金属芯焊丝通过埋弧焊法对作为母材的钢材进行焊接的焊接金属的制造方法进行说明。
使用具有上述组成成分的金属芯焊丝，将后述的钢材对接，散布上述焊接用焊剂后，使用该焊丝，在后述的焊接条件下进行焊接，从而能够制造焊接金属。
需要说明的是，以进行焊接的钢材彼此形成规定的坡口形状的方式进行坡口加工。所形成的坡口形状无需特别限定，可以例示作为焊接钢结构物用通常的V型坡口、单边V型坡口、X型坡口、K型坡口等。
[钢材]
作为母材的钢材是高Mn含有钢材。作为高Mn含有钢材的制造方法，有如下方法等：调整加热条件、压下率等将经过常规方法的炼钢工序和铸造工序得到的钢原材进行热轧后，进行冷却而得到钢材(钢板)。轧制后的钢板的板厚例如为6～100mm。
高Mn含有钢材是极低温用高强度钢材，优选Mn含量为15.0～30.0％。具体而言，高Mn含有钢材是以含有C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：15.0～30.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Ni：3.00％以下、Cr：1.0～8.0％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成作为基本组成的钢材，可以在该基本组成的基础上进一步根据需要含有选自V：2.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、Al：0.100％以下、N：0.120％以下、O(氧)：0.0050％以下、B：0.0020％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上作为任选成分。
[钢材的基本组成]
对作为本发明的焊接对象的高Mn用钢材的基本组成进行说明。
[C：0.20～0.80％]
C是具有使奥氏体相稳定化的作用的廉价且重要的元素。为了得到这样的效果，C需要含有0.20％以上。因此，C含量设定为0.20％以上。C含量优选为0.40％以上。另一方面，含有超过0.80％时，过度地生成Cr碳化物，极低温冲击韧性降低。因此，C含量设定为0.80％以下。C含量优选为0.60％以下。
[Si：0.15～0.90％]
Si是作为脱氧剂发挥作用、并且固溶在钢中通过固溶强化而有助于钢材的高强度化的元素。为了得到这样的效果，需要含有0.15％以上。因此，Si含量设定为0.15％以上。Si含量优选为0.30％以上。另一方面，含有超过0.90％时，焊接作业性降低。因此，Si含量设定为0.90％以下。Si含量优选为0.60％以下。
[Mn：15.0～30.0％]
Mn是具有使奥氏体相稳定化的作用的比较廉价的元素，在本发明中，Mn是用于兼顾高强度和优良的极低温韧性的重要元素。为了得到这样的效果，需要含有15.0％以上。因此，Mn含量设定为15.0％以上。Mn含量优选为20.0％以上。另一方面，即使含有超过30.0％，使极低温韧性提高的效果也饱和，不能期待与含量相符的效果，经济上变得不利。另外，超过30.0％而大量含有时，导致焊接作业性、切断性的降低，而且助长偏析，助长应力腐蚀裂纹的产生。因此，Mn含量设定为30.0％以下。Mn含量更优选为26.0％以下。
[P：0.030％以下]
P是作为杂质而在晶界发生偏析、成为应力腐蚀裂纹的产生起点的元素，在本发明中，优选尽可能减少，但如果为0.030％以下则可以允许。因此，P含量设定为0.030％以下。P含量优选为0.028％以下。进一步优选为0.024％以下。另一方面，为了将P极端地减少至小于0.002％，需要长时间的精炼，精炼成本高涨。因此，从经济性的观点出发，P优选设定为0.002％以上。
[S：0.030％以下]
S在钢中以硫化物系夹杂物的形式存在，使钢材、焊接金属的延展性、极低温韧性降低。因此，S优选尽可能减少，但如果为0.030％以下则可以允许。因此，S含量设定为0.030％以下。S含量优选为0.010％以下。另一方面，为了将S极端地减少至小于0.0005％，需要长时间的精炼，精炼成本高涨。因此，从经济性的观点出发，S优选设定为0.0005％以上。
[Ni：3.00％以下]
Ni是强化奥氏体晶界的元素，是在晶界发生偏析、使极低温冲击韧性提高的元素。为了得到这样的效果，优选含有0.01％以上。另外，Ni还具有使奥氏体相稳定化的效果，因此，如果进一步增加含量，则使奥氏体相稳定化，使焊接金属的极低温冲击韧性提高。因此，Ni含量优选设定为0.01％以上。Ni含量更优选为1.00％以上。但是，Ni是价格昂贵的元素，含有超过3.00％时，经济上变得不利。因此，Ni设定为3.00％以下。
[Cr：1.0～8.0％]
Cr是使奥氏体相稳定化、有效地有助于提高极低温韧性和提高钢材强度的元素。另外，Cr是为了形成微细结晶区域有效的元素。为了得到这样的效果，需要含有1.0％以上的Cr。因此，Cr含量设定为1.0％以上。Cr含量优选为3.5％以上。另一方面，含有超过8.0％时，生成Cr碳化物，极低温韧性和耐应力腐蚀开裂性降低。因此，Cr设定为8.0％以下。Cr含量优选为6.5％以下。
[钢材的任选组成]
上述成分为钢材的基本组成，但也可以为在该基本组成的基础上还含有选自V：2.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、Al：0.100％以下、N：0.120％以下、O(氧)：0.0050％以下、B：0.0020％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种作为任选组成的钢材组成。
[V：2.0％以下]
V是有助于奥氏体相的稳定化、并且还有助于提高钢材的强度、提高极低温韧性的元素。为了得到这样的效果，在含有V的情况下，优选含有0.001％以上的V。V含量更优选为0.003％以上。另一方面，V含有超过2.0％时，粗大的碳氮化物增加，成为断裂的起点，极低温冲击韧性降低。因此，在含有的情况下，V设定为2.0％以下。V含量优选为1.7％以下。V含量更优选为1.5％以下。
[Ti：1.0％以下]
Ti具有与V同样的效果，但含有超过1.0％时，碳化物粗大化，成为断裂的发生起点，不仅如此，晶粒的粗大化也被抑制，极低温韧性降低，因此，在含有的情况下，含有1.0％以下的Ti。Ti含量优选为0.5％以下。Ti含量更优选为0.3％以下。下限没有特别限定，可以为0％。
[Nb：1.0％以下]
Nb也具有与V同样的效果，但含有超过1.0％时，碳化物粗大化，成为断裂的发生起点，不仅如此，晶粒的粗大化也被抑制，极低温韧性降低，因此，在含有的情况下，含有1.0％以下。Nb含量优选为0.5％以下。Nb含量更优选为0.3％以下。下限没有特别限定，可以为0％。
[Al：0.100％以下]
Al是作为脱氧剂发挥作用、在钢材的钢水脱氧工艺中最常用的元素。为了得到这样的效果，在含有Al的情况下，优选含有0.001％以上。Al含量更优选为0.020％以上。Al含量进一步优选为0.030％以上。另一方面，含有超过0.100％时，焊接时Al混入焊接金属部，使焊接金属的韧性降低。因此，在含有Al的情况下，Al设定为0.100％以下。Al含量更优选为0.060％以下。Al含量进一步优选为0.040％以下。
[N：0.120％以下]
N是具有使奥氏体相稳定化的作用的元素，有效地有助于提高极低温韧性。为了得到这样的效果，在含有N的情况下，N优选含有0.005％以上。N含量更优选为0.006％以上。N含量进一步优选为0.020％以上。另一方面，含有超过0.120％时，氮化物或碳氮化物粗大化，极低温韧性降低。因此，在含有N的情况下，N含量设定为0.120％以下。N含量优选为0.040％以下。
[O(氧)：0.0050％以下]
O(氧)在钢中以氧化物系夹杂物的形式存在，使钢材的极低温韧性降低。因此，O(氧)优选尽可能减少，但如果为0.0050％以下则可以允许。因此，在含有O(氧)的情况下，O(氧)设定为0.0050％以下的范围。O含量优选为0.0045％以下。另一方面，为了将O(氧)极端地减少至小于0.0005％，需要长时间的精炼，精炼成本高涨。因此，从经济性的观点出发，在含有O(氧)的情况下，O(氧)优选设定为0.0005％以上。O含量更优选为0.0010％以上。
[B：0.0020％以下]
B是在晶界发生偏析、具有有助于提高钢材的韧性的作用的元素。为了得到这样的效果，在含有B的情况下，B优选含有0.0001％以上。另一方面，B含有超过0.0020％时，粗大的氮化物、碳化物增加，韧性降低。因此，在含有的情况下，B含量设定为0.0020％以下。B含量优选为0.0015％以下。B含量更优选为0.0010％以下。
[REM：0.020％以下]
REM是具有经由夹杂物的形态控制而提高钢材的韧性、进而使延展性、耐硫化物应力腐蚀开裂性提高的作用的元素。对于REM而言，为了得到上述效果，在含有REM的情况下，优选含有0.0010％以上。REM含量更优选为0.0015％以上。REM含量进一步优选为0.005％以上。另一方面，含有超过0.020％时，非金属夹杂物量增加，韧性、进而延展性、耐硫化物应力开裂性降低。因此，在含有的情况下，REM设定为0.020％以下。
[余量组成]
上述成分以外的余量由Fe和不可避免的杂质构成。作为该不可避免的杂质，可以例示Ca、Mg、Cu、Mo等，如果合计为0.05％以下则可以允许。
[烟尘产生量]
通过使用本发明的埋弧焊用金属芯焊丝对极低温用高Mn钢材进行焊接，烟尘产生量格外地变少。可知与依据上述JIS Z 3930-2013进行焊接时的烟尘产生量评价为“产生量少”的1200mg/分钟以下的情况相比，本发明中的烟尘产生量可以进一步抑制到400mg/分钟以下。
实施例
[焊接条件]
以下，基于实施例对本发明进一步进行说明。但是，下述实施例仅用于例示而详细地说明本发明，并不限定本发明的权利范围。
制作钢制外皮和在该钢制外皮中内包有金属粉末的金属芯焊丝。将具有以质量％计由0.1％C-0.2％Si-0.5％Mn-余量Fe构成的组成的薄钢板(板厚0.5mm)作为钢制外皮原材，在宽度方向上实施冷弯曲加工，制成U字形。然后，以成为表1所示的焊丝组成的方式，在得到的钢制外皮中封入进行了成分调整的金属粉末(和焊剂粉末)，通过冷加工进行拉丝加工，制成焊接用金属芯焊丝(直径：3.2mm)。需要说明的是，表1所示的组成是钢制外皮和金属粉末的合计值。
接着，作为试验用钢材，将极低温用高Mn含有钢材(板厚：20mm)进行对接，形成45°V型坡口，将得到的金属芯焊丝作为焊接材料，进行埋弧焊，在上述坡口内得到焊接金属。需要说明的是，作为试验用钢材使用的极低温用高Mn含有钢材是具有以质量％计由0.5％C-0.4％Si-25％Mn-0.02％P-0.01％S-3％Cr-2％Ni-0.040％N-0.002％O-0.0002％B-余量Fe(钢材a)、或0.5％C-0.4％Si-25％Mn-0.02％P-0.01％S-3％Cr-2％Ni-0.003％V-0.001％Ti-0.001％Nb-0.03％Al-0.040％N-0.002％O-0.0001％B-余量Fe(钢材b)构成的组成的钢材，焊接时，使用具有以质量％计由38％SiO2-11％MnO-8％TiO2-16％Al2O3-27％MgO构成的组成的(粘结型)焊剂。
埋弧焊中，使用表1所示组成的各金属芯焊丝(直径3.2mm)，无预热，以向下的姿势，在电流为450～650A(AC)、电压为28～36V、焊接速度为20cm/分钟、道次间温度为100～150℃的条件下实施。
[烟尘产生量]
依据JIS Z 3930的规定，在焊接烟尘捕集装置内进行埋弧焊，用过滤材料(玻璃纤维制)捕集产生的烟尘，测定烟尘产生量(mg/分钟)。
[耐高温开裂性]
对于耐高温开裂性，通过依据JIS Z 3104的焊接部的X射线透过试验，将在焊接部未确认到裂纹的试样评价为“○”，将确认到裂纹的试样评价为“×”。
[焊接金属的机械特性]
依据JIS Z 3111的规定从得到的焊接金属裁取拉伸试验片(平行部直径6mmφ)和夏比冲击试验片(V型缺口)，实施拉伸试验和冲击试验。
拉伸试验在室温下各实施三根，将得到的值(0.2％耐力)的平均值作为使用该焊丝的焊接金属的拉伸特性。
另外，夏比冲击试验各实施三根，求出试验温度：-196℃下的吸收能(vE-196)，将其平均值作为使用该焊丝的焊接金属的极低温冲击韧性。需要说明的是，夏比冲击试验片的V型缺口位置设定为板厚1/2t的焊接金属中央。
将得到的结果示于表2中。
[表2]
下划线：表示在本发明的范围外。
*)依据JIS Z 3111
作为本发明例记载的接头均烟尘产生量非常少、为400mg/分钟以下。
对于从接头No.1到No.10、从No.19到No.21的本发明例而言，均是即使以大线能量焊接也可以得到常温下的屈服强度(0.2％耐力)为400MPa以上、试验温度：-196℃下的夏比冲击试验的吸收能(vE-196)为28J以上的兼具高强度和优良的极低温韧性的焊接金属的焊接材料。
另一方面，在本发明的范围外的比较例中，产生焊接裂纹(高温裂纹)，耐高温开裂性降低，或者常温下的0.2％耐力小于400MPa，或者吸收能(vE-196)小于28J，得不到期望的焊接时的烟尘产生量少、兼具高强度和优良的极低温韧性的焊接金属。
对于接头No.11、No.12、No.13、No.14(比较例)而言，C、Cr、Mo量低于本发明的范围，因此，焊接金属的0.2％耐力小于400MPa，不能确保期望的高强度。另外，对于焊丝No.15(比较例)而言，Mn低于本发明的范围，因此，奥氏体相的稳定性低，因此，吸收能(vE-196)小于28J，极低温韧性降低。另外，对于接头No.16、No.17、No.18(比较例)而言，Si、P、C、S量高于本发明的范围，产生焊接裂纹，耐高温开裂性降低。对于接头No.22(比较例)而言，Mo量高于本发明的范围，吸收能(vE-196)小于28J，极低温韧性降低。

Claims (6)

1.一种埋弧焊用金属芯焊丝，其具有以质量％计含有C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：17.0～28.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Ni：0.01～10.00％、Cr：0.4～4.0％、Mo：3.50～10.00％、B：0.0010％以下、N：0.200％以下、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成。
2.根据权利要求1所述的埋弧焊用金属芯焊丝，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自V：0.040％以下、Ti：0.040％以下和Nb：0.040％以下中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1或2所述的埋弧焊用金属芯焊丝，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自Cu：1.00％以下、Al：0.100％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上。
4.一种埋弧焊方法，其中，
使用权利要求1～3中任一项所述的埋弧焊用金属芯焊丝，
作为焊接对象的钢材为高Mn钢，所述高Mn钢具有以质量％计含有C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：15.0～30.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Ni：3.00％以下、Cr：1.0～8.0％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成，-196℃下的吸收能为28J以上、0.2％耐力为400MPa以上。
5.根据权利要求4所述的埋弧焊方法，其中，所述钢材在所述组成的基础上以质量％计还含有选自V：2.0％以下、Ti：1.0％以下、Nb：1.0％以下、Al：0.100％以下、N：0.120％以下、O：0.0050％以下、B：0.0020％以下和REM：0.020％以下中的一种或两种以上。
6.根据权利要求4或5所述的埋弧焊方法，其中，埋弧焊时的烟尘产生量为400mg/分钟以下。
CN202280056538.7A 2021-08-26 2022-07-28 埋弧焊用金属芯焊丝和使用其的埋弧焊方法 Pending CN117858781A (zh)

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