CN102310299A

CN102310299A - 一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝

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Publication number: CN102310299A
Application number: CN2010102157216A
Authority: CN
Inventors: 王佳骥; 付魁军; 刘芳芳; 及玉梅; 吕冬
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明公开了一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝，包括向软钢外皮中填充目合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成分质量百分比为C：0.06％～0.10％、Si：0.10％～0.50％、Mn：1.20％～2.0％、Mo：0％～0.50％、Ni：0.20％～1.20％、Ti：0.03％～0.10％、B：0.005％～0.010％、S的含量不超过0.010％、P的含量不超过0.020％、余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质，同时控制Ti与B元素的比例在7.0～10.0之间。本发明具有高熔敷效率、高韧性的埋弧焊药芯焊丝，主要适用于屈服强度在450MPa级别的桥梁、船舶、建筑等大型焊接结构件的制造。

Description

一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，大型化、高层化的焊接结构的使用日益增多要求钢板的厚度不断增加。由于埋弧焊具有焊接效率高，容易实现自动焊接、减轻焊工劳动强度等优点，在这些钢结构的焊接过程中埋弧焊成为很重要的工艺之一。但是目前埋弧焊焊接线能量一般都低于50kJ/cm，多数在30～40kJ/cm之间。为了进一步提高焊接生产效率，提高焊接线能量是一个行之有效的手段。但是一旦提高焊接线能量，焊缝金属的韧性下降。其原因是随着焊接线能量的增加，焊接区的冷却速度下降，焊缝金属组织容易粗化。开发高效化、性能优良的焊接材料是进一步提高埋弧焊效率，降低成本、提高焊缝金属性能的重要途径。药芯焊丝与实芯焊丝相比具有生产效率高、成分调节灵活、节能、成型美观、低污染和易于实现自动化等优点，使其逐渐成为具有良好发展前途的焊接材料。

现在关于适合于大线能量焊接用埋弧焊药芯焊丝的报道并不是很多。专利申请号为200910014391.1公开了“一种中厚板用大直径埋弧焊药芯焊丝”，焊丝直径为4.2mm～6.0mm，粉末化学成分按质量百分比计C：0.05～0.12％、Si：0.2～1.20％、Mn：0.80～1.80％、Mo：0～2.50％、Ni：0～0.80％、Ti：0～0.010％、B和S的含量不超过0.035％、P的含量不超过0.035％，余量为Fe。中国专利97.104393.0公开了一种低合金高强度高韧性埋弧焊丝，其化学成分按质量百分比计C：0.06～0.12％、Mn：1.20～1.80％、Si：0.02～0.06％、Ni：0.20～0.50％、Ti：0.10～0.16％、B：0.006～0.01％，余量为Fe和不可避免的S和P组成的焊丝。上述两种焊丝均未提及在大线能量焊接条件下，其熔敷金属的性能。中国专利200410097804.4公开了一种大线能量埋弧焊用焊丝，其化学成分按质量百分比计C：0.03～0.10％、N：0.0035％以下、Si：0.40％以下、Mn：1.00～2.50％、还含Ti在0.030％以上且满足Ti/N：15～50，剩余部分由Fe及不可避免的杂质组成的焊丝。该专利虽然给出了Ti与N元素之间的配比关系，但是并未提及Ti与B元素的配比比例。因为在大线能量焊接条件下，Ti与B元素的配比关系对焊缝金属的韧性影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在大线能量焊接条件下，具有高熔敷效率、高韧性的埋弧焊药芯焊丝，主要适用于屈服强度在450MPa级别的桥梁、船舶、建筑等大型焊接结构件的制造。

本发明的技术方案为：

一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝，包括向软钢外皮中填充合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成分质量百分比为C：0.06％～0.10％、Si：0.10％～0.50％、Mn：1.20％～2.0％、Mo：0％～0.50％、Ni：0.20％～1.20％、Ti：0.03％～0.10％、B：0.005％～0.010％、S的含量不超过0.010％、P的含量不超过0.020％、余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质，同时控制Ti与B元素的比例在7.0～10.0之间。

填充在软钢外皮内的合金粉末的填充率为10～18％；填充合金粉末粒度为80～200目。

焊丝成品直径范围是4.0～5.0mm，纵向长度可以随意确定。

本发明化学成分设计的依据是：

C：保证强度的元素。当C含量低于0.06％时，焊缝金属的强度较低，同时焊缝金属中铁素体的含量较高，不利于生成针状铁素体。当C含量高于0.10％时，易引起焊缝金属的脆化，降低韧性。

Si：在焊丝成分设计中，Si主要起到脱氧的作用。当Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，使氧含量偏高，影响焊缝金属的韧性。但是Si含量高于0.50％时，容易促进铁素体粗化，使焊缝金属的韧性降低。由于焊剂中含有大量的Si，在焊接过程中焊缝中增Si现象严重，因此也应该严格控制焊丝中Si含量。

Mn：焊缝强化的有效元素。Mn能够显著降低脆性转变温度。当Mn含量低于1.20％时，焊缝的强度无法保证。当Mn含量高于2.0％时，焊缝中易生成马氏体，导致焊缝韧性严重下降。

Mo：固溶强化的元素。推迟先共析铁素体转变而有利于形成贝氏体结构，从而提高焊缝的强度。但是Mo元素含量超过0.50％时，焊缝金属中易产生上贝氏体，韧性劣化。

Ni：提高焊缝金属韧性的元素。尤其是提高焊缝低温韧性，同时降低脆性转变温度。当Ni元素的含量高于0.20％时，上述效果能够显著体现，当含量高于1.20％时，容易引起低温裂纹的产生。同时Ni又属于贵金属，应该控制其的添加量。

Ti：细化焊缝金属组织的元素。有利于实现大线能量焊接。Ti元素与N元素的亲和力极高，形成TiN质点，促进针状铁素体的形成。同时Ti元素又降低了焊缝中固溶N的含量，降低了固溶N对韧性的损害。当Ti元素的含量低于0.03％时，焊缝金属的组织不能够得到充分细化。当Ti元素的含量超过0.10％时，过剩的Ti元素会使焊缝韧性降低。

B：抑制先共析铁素体生成的元素。固溶的B在奥氏体晶界偏聚，降低界面能，抑制先共析铁素体的产生。同时B元素还具有减低奥氏体向铁素体转变的温度的作用，促进针状铁素体的形成。B元素的过度系数较低，添加范围在0.005～0.010％。

Ti元素与N元素的亲和力比B元素强，所以加入Ti元素可以防止B元素被氧化和氮化，保证B元素向焊缝中过渡。因为B是重要的提高淬透性的元素，所以可以提高焊缝金属的淬透性。扩大针状铁素体转变的区域，Ti、B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，可在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配。本发明将Ti/B含量的比例控制在7.0～10.0，当Ti/B含量的比例低于7.0时，焊缝金属韧性改善效果不明显。当Ti/B含量的比例高于10.0时，过量的Ti元素又会使焊缝金属的韧性下降。

S和P：对焊缝金属韧性具有危害作用，含量过高容易使焊缝产生裂纹，应尽量降低其含量，尤其是P元素。因为在埋弧焊过程中，焊剂的使用会使焊缝金属中P元素含量增高。要求S元素的含量不超过0.010％，P元素的含量不超过0.020％。

以上化学元素设计总结归纳为：降低C含量，控制Si含量，降低S和P含量，适当添加Mo、Ni、Ti和B元素的含量，形成Mn-Mo-Ni-Ti-B的合金体系。保证焊缝金属强度的同时，降低晶界先共析铁素体的含量，增加晶内针状铁素体的数量，从而提高在大线能量焊接条件下焊缝金属的低温冲击韧性。

本发明涉及的药芯焊丝采用Mn-Mo-Ni-Ti-B合金体系，填充在软钢外皮内的合金药粉的填充率为10～18％，配合伊萨OK10.62焊剂，在50～100kJ/cm焊接线能量下，熔敷金属性能满足IACS中焊接材料3Y级要求。该药芯焊丝适合于单丝和双丝埋弧焊，焊丝焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，适合全位置焊接。

1、采用本发明的焊丝熔敷金属和焊接接头具有优良的综合性能，即较高的抗拉强度和低温冲击韧性。

2、采用本发明的焊丝可以适用于50～100kJ/cm的大线能量焊接。当线能量在100kJ/cm时，在-40℃条件下焊缝金属的韧性仍然能够达到130J，甚至更高。

3、本发明的焊丝适合于单丝和双丝埋弧焊，焊丝焊接参数范围调节宽，焊接工艺稳定，焊缝成型美观，适合全位置焊接。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式具体介绍：

本发明的生产方式为利用在市场上购买的冷轧软钢带，利用药芯焊丝成型机将软钢带轧制成U型，然后向U型槽中添加合金粉末，合金粉末的填充率为13～16％(合金粉总重量占焊丝总重量的百分比)。填充合金粉末粒度为80～200目。然后将U型槽搭接封口，使合金粉末被包裹在其内，并且不易流动。再利用药芯焊丝拉拔机将其拉拔至成品所要求的尺寸，成品直径尺寸为4.0～5.0mm。

本发明的焊丝进行两种焊接试验，即熔敷金属焊接试验和钢板对接试验。焊剂均采用300℃烘干，保温2小时的伊萨OK10.62。熔敷金属焊接试验采用单丝埋弧焊焊接方法，钢板尺寸为300mm×125mm×20mm，垫板尺寸为300mm×25mm×10mm，钢板开V型单面15°坡口。钢板对接试验采用双丝埋弧焊焊接方法，选用鞍钢生产的EH32船板，尺寸为500mm×200mm×45mm，钢板开X型单面30°坡口，预留3.5mm钝边。具体的焊接工艺参数见表1。焊丝熔敷金属单丝埋弧焊实施例的化学成分见表2。单丝埋弧焊实施例焊丝熔敷金属性能见表3。钢板对接双丝埋弧焊实施例焊丝的化学成分见表4。钢板对接双丝埋弧焊实施例性能见表5。

表1焊接试验工艺参数

表2焊丝熔敷金属单丝埋弧焊实施例的化学成分(wt，％)

	C	Si	Mn	S	P	Ni	Mo	Ti	B	Ti/B
											本发明成分范围	0.06～0.10	0.10≤0.50	1.20～2.0	≤0.010	≤0.020	0.20～1.20	0～0.5	0.03～0.10	0.005～0.010
实施例1	0.075	0.36	1.61	0.006	0.015	0.55	0.23	0.074	0.0083
											实施例2	0.064	0.23	1.72	0.007	0.014	0.85	0.40	0.047	0.0063
实施例3	0.084	0.45	1.47	0.005	0.014	0.35	-	0.092	0.010
											对比例1	0.095	0.35	1.81	0.006	0.0093	0.35	0.27	0.11	-
对比例2	0.07	0.25	1.54	0.0049	0.012	0.28	-	0.10	0.0063
											对比例3	0.094	0.38	1.67	0.018	0.016	0.41	-	-	-

表3单丝埋弧焊实施例熔敷金属性能

表4钢板对接双丝埋弧焊实施例焊丝的化学成分(wt，％)

	C	Si	Mn	S	P	Ni	Mo	Ti	B	Ti/B
											实施例4	0.062	0.11	1.61	0.0028	0.016	0.62	-	0.045	0.0063
实施例5	0.061	0.15	1.47	0.0040	0.016	0.83	0.15	0.068	0.0061
											对比例4	0.10	0.18	1.48	0.01	0.009	0.07	0.49	-	-

表5钢板对接双丝埋弧焊实施例焊缝和热影响区(HAZ)冲击韧性

上述实施例的性能检验结果充分说明，本发明的埋弧焊药芯焊丝的性能已经达到IACS中焊接材料3Y级要求，焊缝和HAZ低温冲击韧性良好，焊缝成型美观，可以应用于船舶、桥梁和建筑等行业的大型焊接结构件的生产和制造。

Claims

1.一种适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝，包括向软钢外皮中填充合金粉末，其特征在于：所述的合金粉末的化学成分质量百分比为C：0.06％～0.10％、Si：0.10％～0.50％、Mn：1.20％～2.0％、Mo：0％～0.50％、Ni：0.20％～1.20％、Ti：0.03％～0.10％、B：0.005％～0.010％、S的含量不超过0.010％、P的含量不超过0.020％、余量为Fe和不可避免的对药芯焊丝性能没有影响的杂质，同时控制Ti与B元素的比例在7.0～10.0之间。

2.根据权利要求1所述的适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述合金粉末的填充率为10％～18％，填充合金粉末粒度为80～200目。

3.根据权利要求1或2所述的适合于大线能量焊接用的埋弧焊药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝成品直径范围是4.0～5.0mm。