CN1200317A - 低合金高强度高韧性埋弧焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低合金高强度高韧性埋弧焊丝,其化学成分(重量%)含有C0.06～0.12、Mn1.20～1.80、Si0.02～0.06、Ni0.20～0.50、Ti0.10～0.16、B0.006～0.01,余量为Fe及不可避免的S和P。本焊丝为中锰低硅微合金化埋弧焊丝,焊后焊缝具有高的强度及低温冲击韧性,对大厚板焊接的坡口角度及焊接线能量有较强的适应性,焊前不需预热,焊后不需进行热处理,焊接工艺性能好,能广泛用于桥梁、石油管线、大型压力容器等结构的焊接。

Description

低合金高强度高韧性埋弧焊丝

本发明涉及一种焊接材料，具体地说是一种中锰低硅微合金化埋弧焊丝，主要用于埋弧焊，特别适用于桥梁等大型钢结构的焊接。

对于桥梁、船舶、大型压力容器等大型结构，钢板较厚，接头形式多样，拘束度大，使用环境温度较低，焊接接头要求有较高的冲击韧性和抗裂性能，对焊接材料提出了很高的要求。

近十年来，国际上开发了Ti、B微合金化焊丝。Ti、B的作用机理为：固溶的B在奥氏体晶界析出，降低了晶界能，抑制先共析铁素体的析出。TiN及氧化物在焊缝中成为晶内铁素体核，促进铁素体的形成，焊缝金属韧性得以提高。这些焊丝有：1992年2月由冶金工业部钢铁研究总院等申请的“低碳微合金化埋弧焊丝”，专利申请号为92105621.4及1982年1月申请的英国专利GB 2090615“微钼或无钼焊接材料”。这些焊丝采用了C-Mn-Mo-Ti-B、C-Mn-Mo-Cr-Ti-B、C-Mn-Cr-Ti-B等合金系列，虽都在不同程度上接头性能满足了使用要求，但它们的不足之处在于：韧性仍然偏低，特别是在大线能量焊接、焊后热处理或多层焊的情况下，低温韧性明显下降。如C-Mn-Ti-B系焊丝在焊缝为2道时，焊缝金属-40℃ V型冲击功约为80J，而当焊缝为4道时，则下降为29J。C-Mn-(Mo)-Cr-Ti-B焊丝虽然焊缝热处理后性能有所改善，但其韧性仍难以与目前先进的钢材相匹配，难以满足实际结构焊接需求。这些焊丝多用于焊接线能量20KJ左右较薄板的焊接，板厚≥35mm焊接未见应用，且焊丝中Mn、Mo、Cr等合金元素的含量普遍较高，难以同时保持优良的焊缝强度和韧性，合金元素的加入也使焊丝成本大为提高。

本发明目的在于提供一种适合大线能量焊接、焊后焊缝性能优良的埋弧焊丝；该焊丝对厚钢板焊接的坡口角度及焊接线能量有较强的适应性，焊前不预热，焊后不需热处理，焊接工艺性能好；适用于桥梁、船舶、压力容器等大型结构的焊接制作。

本发明为了达到上述目的，提供一种合金高强度高韧性埋弧焊丝，其特征在于焊丝的化学成份按重量(％)含有C 0.06～0.12、Mn 1.20～1.80、Si0.02～0.06、Ni 0.20～0.50、Ti 0.10～0.16、B 0.006～0.010，余量为Fe及不可避免的S、P，还需严格控制焊丝中的[O]、[N]含量。焊丝中不可避免的S、P含量系要求(重量％)S≤0.01、P≤0.015、[N]≤0.005。

本发明焊丝化学成份的设计原则说明如下：

C含量小于0.06％时，焊丝强度较低，焊缝金属中铁素体比例较高，不利于针状铁素体的形成，而超过1.2％会使焊缝金属的强度过高，珠光体比例增大，也不利于针状铁素体的大量形成。

Si焊缝中含Si量应控制在0.4％以下，由于焊剂及母材中含有较高的Si，在焊接过程中增Si现象比较严重，因此应控制焊丝中的Si含量，含量控制在0.02～0.06％最适合。

Mn系焊缝强化的有效元素，当焊缝金属中Mn含量小于1.0％时，焊缝强度偏低，当焊缝中Mn含量高于1.6％时，焊缝金属的低温韧性明显下降。Mn在焊缝中有利于脱氧，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。为控制焊缝中Mn含量，焊丝中的Mn含量应在1.20～1.80％之间。

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Mn和Ni能在相当大的含量范围内有利于改善焊缝金属的韧性。但因其属于贵重元素不宜多加，因此焊丝中Ni含量控制在0.20～0.50％之间。

Ti适量加入可以细化焊缝金属组织。Ti与N具有极高的亲和力，Ti与N结合形成TiN质点，作为晶核，促使细针状铁素体大量形成。焊缝金属中Ti的含量一般在0.01～0.04％之间，由于Ti过度系数低，焊丝中Ti含量应为0.10～0.16％。

B固溶的B在奥氏体晶界偏析，降低晶界能量，控制先共析铁素体的析出。B还能推迟奥氏体—铁素体相转变的温度，促进晶粒内针状铁素体的形成。针状铁素体数量的增加，会使焊缝金属低温韧性显著提高。焊缝中B的含量一般在0.001～0.004％，由于过度系数较低，焊丝中B含量为0.006～0.01％。

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≤0.01、P≤0.015(重量％)。

N在焊丝的冶烘炼过程中，N不可避免地进入焊丝钢水中，对焊缝金属的低温韧性影响较大，但在用Ti作为合金元素处理焊缝时，N成为必要的元素，焊丝中N的含量应小于0.005％。

归纳起来为：适当减少C、Mn含量，控制Si含量，降低S、P，适量添加Ni、Ti、B即Mn-Ni-Ti-B系。保证了合适的焊缝强度，细化奥氏体、铁素体组织，减少脆化组织(如非金属夹杂物)和固溶N，最终增加针状铁素体的数量，提高焊缝金属的低温韧性。

本发明焊丝所用Mn-Ni-Ti-B系合金，焊丝的冶炼工艺稳定容易实现，焊丝的成本较低。

实施例1：

本发明焊丝采用电炉冶炼，冶炼时脱氧用金属Mn铁，终脱氧加Ti，然后再加B铁。焊丝主要成分(重量％)含有C 0.08、Mn 1.72、Si 0.03、Ni 0.30、Ti 0.15、B 0.0077。生产的焊丝与SJ101通用烧结焊剂匹配，焊接板厚25mm的16Mn钢，开V型坡口，焊前不预热，焊后不热处理，所得焊缝金属的机械性能及V型缺口冲击功为：6s＝475MPa，6b＝570MPa，δ₅＝29％，ψ＝75％，A_KV(-40℃)＝129J。由于焊缝中存在大量的晶内细针状铁素体，使得焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性得到很大提高。实施例2：

本发明的焊丝主要成分在焊接时对焊接线能量及坡口形式及板厚适应性强。采用本焊丝对桥梁钢板进行对接焊接，钢板厚度32～50mm，双U型坡口，坡口角度50～70°，焊前不预热，焊后不热处理。

焊接钢板的化学成分(重量％)含有C 0.14、Si 0.28、Mn 1.35、S0.017、P 0.024、Nb 0.036，板厚50mm，坡口角度60°。

本发明的焊丝对焊接线能量的适应性：当焊接线能量为35KJ/cm时，焊接道数18道，A_KV(-40℃)＝168J，当焊接线能量为44KJ/cm时，焊接道数15道，A_KV(-40℃)＝111J。可见，尽管焊接线能量变化范围大，焊接道数多，存在后道焊缝对前道焊缝的再热作用，但焊缝韧性均较高，焊丝能适应多道和大线能量的焊接。

本发明的焊丝对钢板厚度的适应性：当焊接钢板的板厚为32mm时，焊接道数为7道，A_KV(-40℃)＝196J，当板厚为50mm时，A_KV(-40℃)＝168J。可见，板厚增加时，焊缝低温韧性有所下降，但总体水平仍然较高，焊丝能适应不同厚度钢板的焊接。

本发明的焊丝对钢板坡口角度的适应性：对50mm厚的钢板，当坡口为50°、60°、70°，线能量为36KJ/cm时，A_KV(-40℃)分别为129J、110J和102J，焊丝对坡口角度有较强的适应性。

本发明的焊丝对焊剂的适应性：采用SJ101、TSJ101及OK10.62焊剂焊接以上50mm厚钢板，焊缝A_KV(-40℃)分别为168J、160J和180J，焊缝冲击功都非常高，不同的焊剂对焊缝的冲击功无明显影响。

采用本发明焊丝进行T型拘束抗裂试验，焊缝表面及断面的裂纹率均为零，焊丝具有较佳的抗裂性能。

很明显，在所选的焊接条件范围内，即使是在多道埋弧焊的条件下，焊缝金属的冲击韧性都比较好。由于桥梁、压力容器、工程机械等大型结构的焊接工艺条件与此相当，因此本发明焊丝适合于这些领域的焊接应用。

本发明的焊丝具有如下显著的效果：

1.采用本发明焊丝焊接的焊缝金属具有优良的综合性能，有较高的抗拉强度和低温冲击韧性以及优良的抗裂性能。

2.本发明的焊丝特别适合于大线能量焊接，即使当线能量达44KJ/cm，焊缝的-40℃冲击功仍然很高，达到111J，远高于其它焊丝的冲击功。焊丝对焊接线能量及坡口形式适应性强，焊前不需预热，焊后不需热处理，适应实际生产工艺条件。因此是大型结构焊接的理想的焊接材料。

3.本发明的焊丝可用于单层或多层、单面或多面多种工艺要求以及各种厚度板的焊接。

4.本发明的焊丝成分设计简单，采用的合金元素Mn、Ni含量都不高，焊丝成本低，冶炼工艺稳定，易生产、易推广。

本发明的焊丝适用于桥梁、石油管线、大型压力容器等结构的焊接。

Claims (2)

1.一种低合金高强度高韧性埋弧焊丝，其特征在于化学成份(重量％)含有C 0.06～0.12、Mn 1.20～1.80、Si 0.02～0.06、Ni 0.20～0.50、Ti0.10～0.16、B 0.006～0.01，余量为Fe及不可避免的S和P，还需严格控制焊丝中的[O]和[N]含量。

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于焊丝中不可避免的S和P含量系要求(重量％)S≤0.01、P≤0.015、[N]≤0.005。