CN103273213A - 一种高强度高韧性埋弧焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高韧性埋弧焊丝。按重量百分比计，其化学成分为：C0.05～0.10，Si≤0.20，Mn0.6～1.20，Ni3.00～3.80，Ti0.01～0.05，B0.001～0.005，Cu≤0.20，S≤0.008，P≤0.010，As≤0.005，Sb≤0.005，Sn≤0.005，N≤0.006，O≤0.005，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法包括铁水脱硫-转炉冶炼-LF炉精炼-连铸-线材轧制-盘条剥壳-酸洗-涂硼砂-拉丝-镀铜，制成直径为3.2mm和4.0mm规格的成品焊丝。与高碱度烧结焊剂SJ102配合时，焊缝金属在-60℃下的冲击吸收功高于80J。断裂韧性δ0（-10℃）≥0.25mm，焊丝适用于420～460MPa级低合金高强钢，可用于海洋工程结构、桥梁、船舶和压力容器等重要结构的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种高强度高韧性埋弧焊丝。
背景技术
随着全球石油天然气能源需求的急剧增长，陆地资源开采的难度日益加大，广阔的海洋己经成为油气资源开采新的增长点。相应地海工装备制造业也成为世界各国着力发展的重点产业。海工装备是典型的高技术、高附加值产品，具有产业链长，带动性强，发展潜力巨大等特点。海工装备的制造中，使用量最大的是屈服强度在350～420MPa级高强钢，由于海工结构具有高强度、大板厚、曲面相交易形成应力集中等特征，使用过程中又长期处于低温环境，要求结构抗疲劳，耐腐蚀，因此要求对应的焊材也具有高强度、高韧性、超低氢、耐腐蚀、抗疲劳的特性。
埋弧焊作为一种自动化的高效焊接工艺，在海洋工程装备建造中己经得到了广泛的应用，但由于焊接线能量大，焊接区的冷却速度慢，焊缝金属组织容易粗大化，造成低温韧性下降。因此，该工艺始终存在着焊接工艺的高效性与接头金属的高韧性之间的矛盾。目前在重要的海工装备制造中所使用的埋弧焊丝基本上都是国外知名品牌，国产焊丝因低温韧性，尤其是断裂韧性值不稳定而被拒之门外。
以往对适用于管线钢、建筑用钢、桥梁用钢和压力容器用钢的埋弧焊丝研究较多，包括专利公开号为CN1701904A的新型微合金化结构钢用H06C系列埋弧焊丝、专利公开号为CN101342645A的高等级管线钢用高强度高韧性高速焊埋弧焊丝、专利公开号为CN1200317A的低合金高强度高韧性埋弧焊丝、专利公开号为CN1919524A的低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝和专利公开号为CN1343544A的压力容器焊接用高强度高韧性埋弧焊丝等等，它们的合金系基本上属于Si-Mn-Mo-Ti-B和Si-Mn-Ni-Mo系，由于焊丝中Ni含量较低，一般小于1.5%，虽然通过Ti-B微合金化，可通过细化晶粒在一定程度改善韧性，但焊缝金属低温冲击韧性大多只能满足-40℃的要求，对于海工装备焊接所需要的断裂韧性指标，都没有确切的数据，难以在海工装备上应用。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种高强度高韧性的埋弧焊丝，以突破上述现有焊丝的不足，使之适用于屈服强度为420MPa～460MPa级的低合金高强钢，焊缝金属的-60℃下 冲击韧性值大于80J，断裂韧性δ0（-10℃）≥0.25mm。可用于海洋工程结构、桥梁、船舶和压力容器等重要结构的焊接。
为了解决上述技术问题，本发明一种高强度高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为：C0.050～0.100，Si≤0.20，Mn0.6～1.20，Ni3.00～3.80，Ti0.01～0.05，B0.001～0.005，Cu≤0.20，S≤0.008，P≤0.010，As≤0.005，Sb≤0.005，Sn≤0.005，N≤0.006，O≤0.005，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的关键在于焊丝一方面采用Mn-Ni-Ti-B合金系，通过优化两组合金元素Mn、Ni和Ti、B的比例，尤其是将韧化元素Ni提高到3.0～3.8%的较高水平，可在焊缝中形成高比例的针状铁素体和韧化的铁素体基体组织，提高焊缝金属的低温韧性。另一方面通过精选原材料和冶金过程控制S、P、O、N及其它影响焊缝金属低温韧性的杂质元素含量，达到钢质的高纯净度，稳定焊缝金属的低温韧性。
本发明焊丝成分的设计依据是：
C：是扩大奥氏体相区的元素，可促使形成针状铁素体，减少晶界多边形铁素体，并且细化再热区晶粒，提高熔敷金属的强度和韧性。但焊缝中C含量过高，形成脆化的淬硬组织，韧性值降低，取得最佳韧性的C含量为0.05～0.10%。
Mn：是良好的脱氧剂和固溶强化元素，具有扩大奥氏体相区、降低韧脆转变温度、提高韧性的作用。但Mn含量过高焊缝中易形成淬硬组织，导致焊缝韧性下降。考虑Mn、Ni元素的相互作用，本发明将Mn的含量控制在0.6～1.2%。
Ni：在焊缝中能够韧化金属基体，提高对疲劳的抗力和减少对缺口的敏感性，降低材料的韧脆转变温度，明显提高低温韧性，对于脆性转变温度在-60℃以下的焊缝金属，要求焊丝中Ni元素含量在3.0～3.8%的范围。
Si：Si的加入一般会降低焊缝低温韧性，因此本发明的焊丝中将其限制在0.2%以下。
Ti、B：焊缝中加入微量的Ti、B元素可起到细化焊缝组织的作用，Ti与O、N形成的TiO和TiN，作为针状铁素体的形核质点，促进了奥氏体晶粒内针状铁素体的形成，而元素B向奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能，抑制了晶界铁素体的形核和长大。本发明的焊丝中将Ti元素的含量控制在0.01～0.05%，B元素的含量控制在0.001～0.005%。
P：会降低焊缝金属的塑性和韧性，同时增加热裂纹敏感性。本发明中通过优化冶金过程，将P含量控制在0.012%以下的极低水平。
S：在焊接过程中易生成低熔点的化合物，是造成焊缝热裂的主要原因，同时也明显降低焊缝金属韧性，因此其含量应严格限制，本发明的焊丝中S≤0.008%。
本发明高强度高韧性埋弧焊丝的制造方法包括铁水脱硫-转炉冶炼-LF炉精炼-连铸-线 材轧制-盘条剥壳-酸洗-涂硼砂-拉丝-镀铜，制成不同直径规格的成品焊丝。
本发明的优越性在于焊丝质量稳定，与高碱度烧结焊剂配合时，焊缝金属在-60℃下的冲击吸收功高于80J。断裂韧性δ0（-10℃）≥0.25mm，焊丝适用于420～460MPa级低合金高强钢，可用于海洋工程结构、桥梁、船舶和压力容器等重要结构的焊接。
具体实施方式
本发明一种高强度高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为：C0.050～0.100，Si≤0.20，Mn0.6～1.20，Ni3.00～3.80，Ti0.01～0.05，B0.001～0.005，Cu≤0.20，S≤0.008，P≤0.010，As≤0.005，Sb≤0.005，Sn≤0.005，N≤0.006，O≤0.005，余量为Fe及不可避免的杂质。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
表1 实施例埋弧焊丝成分（重量%）
采用本发明焊丝与SJ102焊剂匹配进行熔敷金属试板焊接，试板为FH40，厚度为20mm，坡口角度10°，根部间隙16mm。焊接规范为：焊接电流470～570A，焊接电压为27～34V，焊接速度为400～450mm/min，层间温度≤150℃。实施例熔敷金属的力学性能见表2。
表2 实施例与烧结焊剂SJ102配合熔敷金属力学性能
| 力学性能 | ReL(MPa) | Rm(MPa) | A(%) | Akv(-60℃)(J) |
| 实施例1 | 435 | 560 | 27 | 90 |
| 实施例2 | 450 | 580 | 27 | 105 |
| 实施例3 | 480 | 595 | 26 | 125 |
采用本发明焊丝与SJ102焊剂匹配进行对接接头试板焊接，试板材料为FH40，厚度为50mm，坡口角度60°，X形坡口，钝边6mm。焊接规范为：焊接电流470～570A，焊接电压为27～34V，焊接速度为400～450mm/min，层间温度≤150℃。实施例对接接头的力学性能见表3。
表3 实施例与烧结焊剂SJ102配合对接焊缝力学性能
| 力学性能 | Rm(MPa) | Akv(-60℃)(J) | δ0（-10℃） |
| 实施例1 | 560 | 83 | 1.98 |
| 实施例2 | 580 | 95 | 2.05 |
| 实施例3 | 595 | 97 | 2.02 |
尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种高强度高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为：C0.050～0.100，Si≤0.20，Mn0.6～1.20，Ni3.00～3.80，Ti0.01～0.05，B0.001～0.005，Cu≤0.20，S≤0.008，P≤0.010，As≤0.005，Sb≤0.005，Sn≤0.005，N≤0.006，O≤0.005，余量为Fe及不可避免的杂质。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20130904 |