CN114289930A - 高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高锰奥氏体低温钢用激光‑电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺。其技术方案是：所述高锰奥氏体低温钢用激光‑电弧复合焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％；Si为≤0.05wt％；Mn为20～32wt％；Ni为0.1～2wt％；Cr为0.1～1.8wt％；Cu为0.55～1.00wt％；W为0.5～1.9wt％；Mo为1.3～3.0wt％；Al为0.5～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。焊接工艺为激光‑电弧复合焊。本发明能全自动焊接、焊接效率高、焊接烟尘小、焊接变形小、成型好和力学性能优良；采用激光+电弧复合焊接工艺具有成型良好、焊接烟尘小、焊接变形量小、焊接效率高和超低温韧性高的特点，强度与高锰奥氏体低温钢相匹配。
Description
技术领域
本发明属于激光-电弧复合焊实芯焊丝技术领域。具体涉及一种高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺。
背景技术
近年来，随着液化天然气(简写为LNG，下同)清洁能源的快速发展，LNG储运装备(其服役温度为-196℃)呈现出前所未有的巨大需求。目前商业用LNG储罐用钢为9Ni钢，价格昂贵，因此，开发和研制新型低温钢成为世界各国的重要方向。锰含量为22～25％的高锰钢，因其与镍具有相同的物理冶金特点，通过添加其它合金元素，使高锰钢的层错能控制在22～24mJ/m2以上，在-196℃的超低温条件下其微观组织仍然为稳定的奥氏体，从而保证了超低温下的优良的综合力学性能，与9Ni钢的力学性能相当，因而，高锰奥氏体低温钢成为未来极具竞争力的、替代9Ni钢用于LNG储运装备的新型低温钢铁材料。
与高锰奥氏体低温钢配套的焊接材料与工艺是建造LNG储运装备的关键技术之一，决定着整个结构的完整性和运行的安全性。现有技术中：
《一种用于高锰奥氏体低温钢手工电弧焊接的低氢型焊条》(CN201910008172.6)专利技术，公开了一种与高锰低温钢配套的手工电焊条，该手工电焊条虽然可以实现全位置焊接，但全部采用人工操作，劳动强度大，焊接效率低；焊条的发尘量大，不利于焊工的实体健康。
《一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺》(CN201710432013.X)专利技术、《用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝》(CN201710194207.0)专利技术和《TUNGSTENINERT GAS WELDING MATERIAL FOR HIGH MANGANESE STEEL》(KR20140188144)专利技术，公开了三种与高锰奥氏体低温钢配套的钨极氩弧焊焊丝及焊接工艺，由于钨极氩弧焊采用钨极作为电极，通过钨极与焊接板接触产生电弧来熔化焊丝和钢板，只能人工操作，不能实现自动化、存在焊接效率低的问题。
《一种适用于高锰奥氏体低温钢的高效埋弧焊金属粉芯药芯焊丝》(CN201811602479.0)专利技术、《制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝》(CN201710194206.6)专利技术、《一种25Mn奥氏体钢用金属粉芯埋弧焊丝焊剂组合》(CN202010599845.2)专利技术和《一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝》(CN202010993137.7)专利技术，公开了用于高锰奥氏体低温钢焊接的全自动埋弧焊焊丝和焊剂，但埋弧焊只能实现平焊位置焊接；且由于埋弧焊的焊接热输入大，焊接形变较大。《HIGH STRENGTH WELDING JOINT HAVING EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS AT VERY LOWTEMPERATURE,AND FLUX-CORED ARC WELDING WIRE THEREFOR》(US201816189232)专利技术和《一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝》(CN201910008171.1)专利技术，公开了用于高锰低温钢的CO2或CO2+Ar混合气体保护的药芯焊丝和实芯焊丝，虽然可实现全位置高效率焊接，但是存在烟尘大、飞溅大、焊缝金属成型差和力学性能低等问题。
目前，用于高锰奥氏体低温钢焊接材料的主要技术问题为：焊接效率低、焊接烟尘大、焊接变形大和焊缝金属成型差。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种能全自动焊接、焊接效率高、焊接烟尘小、焊接变形小、成型好和力学性能优良的高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺；采用该焊丝及焊接工艺所形成的焊缝金属成型好、低温韧性优良和冲击值稳定，强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，能满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％；Si为≤0.05wt％；Mn为20～32wt％；Ni为0.1～2wt％；Cr为0.1～1.8wt％；Cu为0.55～1.00wt％；W为0.5～1.9wt％；Mo为1.3～3.0wt％；Al为0.5～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的制备方法是：按照所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分配料，冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理，层绕，制得高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝。
高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的焊接工艺为激光-电弧复合焊；其中：
激光功率为4～10kW，焦点处光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为+20mm，激光入射角为5°～7°，光丝间距为5～10mm；焊接速度为80～150cm/min，电弧电压为20～25V，焊接电流为165～230A，送丝速度为5～8m/min，焊丝干伸长为15mm～20mm，焊枪角度为35°～45°；惰性气体的流量为20～25L/min，所述惰性气体中：Ar为91～99Vol％，N2为1～4Vol％，O2为0～2Vol％。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.35～0.55wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为22.5～25.5wt％，Cr为3.00～4.00wt％，Cu为0.30～0.70wt％，B≤0.005wt％，N为≤0.05wt％，P为≤0.005wt％，S为≤0.003wt％；所述高锰奥氏体低温钢的力学性能是：屈服强度为≥400MPa，抗拉强度为≥800MPa，延伸率A≥22％；-196℃时横向冲击功Akv≥27J；所述高锰奥氏体低温钢的厚度为6～20mm。
所述高锰奥氏体低温钢的钢板坡口为V型坡口，坡口间隙为1～3mm，坡口角度为50～60°。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明的焊接工艺采用以惰性气体Ar为主的保护气体，保证了焊丝中合金元素最大程度地过渡到熔池中形成焊缝金属。保护气体中添加了1～4％的N2气体，一方面起保护作用，另一方面部分在高温下分解的N，进入到焊缝金属中起到固溶强化的作用。当保护气体中不添加O2时，为纯惰性气体保护，熔滴以短路过渡为主。当添加了少量的O2气体，起到降低表面张力的作用，焊缝金属实现良好成型。
本发明基于以惰性气体Ar为主的保护气体，采用的实芯焊丝的化学组分中的C、Mn、Ni、Cu均为奥氏体稳定元素，通过采用C为0.20～0.60wt％、Mn为20～32wt％、Ni为0.1～2wt％、Cu为0.55～1.00wt％的设计，保证在在-196℃时所形成焊缝金属仍为全奥氏体组织，且层错能为22.5～23.8mJ/m2，在低温受到外在力的作用时以孪晶为主要形变方式，从而保证了超低温时的综合力学性能，包括超低温冲击韧性、强度及延展性。
本发明采用的化学组分中的Cr、Mo为主要的固溶强化的元素，通过采用Cr为0.1～1.8wt％、Mo为1.3～3.0wt％，两者综合作用使得所形成的焊缝金属在室温时可达到400MPa以上的屈服强度。
本发明采用的化学组分中的W、Al及微量元素Nb+V+Ti+B+RE等为主要的析出强化元素和夹杂物改性元素，通过采用W为0.5～1.9wt％、Al为0.5～2wt％、Nb+V+Ti+B+RE≤0.5wt％的设计，在固溶强化的作用上，进一步提高了所形成焊缝金属在室温时屈服强度和抗拉强度，且不损伤低温时的延展性。
本发明采用的化学组分中的Si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中Si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中Si含量过低，不能起到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。与激光-电弧复合焊中的以惰性保护气体相配套，通过添加少量的O2来改善和优化熔池流动性，从而保证焊缝金属具有良好的成型性。因此，本发明的实芯焊丝的化学组分中的Si为≤0.05wt％。
本发明中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，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
本发明基于以上保护气体及实芯焊丝组成设计，在焊接过程中不产生焊接烟尘，只有少量合金元素的蒸气，通过适当防护，就可对焊工起到保护作用。采用激光-电弧复合焊机，以实芯焊丝作为电极，能快速熔化，提高焊接效率，减少焊丝的使用量；同时能减少焊接接头的变形量，提高焊接接头的强度和超低温韧性的力学性能。
本发明采用激光+电弧复合热源，一方面，由于激光能量高，使得焊缝金属的熔深大，焊材消耗量只有熔化极气体保护焊的30～40％；另一方面，采用(94～99Vol％)Ar+(1～4Vol％)N2+(0～2Vol％)O2的惰性气体保护焊接，焊接速度快，进一步提高焊接效率，其焊接效率是手工电弧焊的10倍左右，是熔化极气体保护焊的4～8倍，另外，焊接烟尘小，只有少量的金属蒸气。其次，采用激光+电弧复合热源，焊接热输入小，使得焊接变形小，变形量是埋弧焊的1/2～1/3；而且能够有效提高电弧能量利用率，减小激光功率的损耗，能够显著增加电弧稳定性，改善焊缝金属的成型性。
本发明所制备的高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝，用于高锰奥氏体低温钢的激光-电弧复合焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，-196℃时冲击功Akv为70～80J；亦保证了足够的强度：屈服强度为420～440MPa，抗拉强度为675～690MPa，延伸率A为42～46％，实现了-196℃工作温度时的高锰奥氏体低温钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
因此，本发明具有能全自动焊接、焊接效率高、焊接烟尘小、焊接变形小、成型好和力学性能优良的特点；采用激光+电弧复合焊接工艺，所形成的焊缝金属的成型良好、低温韧性优良和冲击值稳定，强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，焊接接头强度高和超低温韧性的力学性能优良；本发明能满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术方案统一描述如下：
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的制备方法是：按照所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分配料，冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理，层绕，制得高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝。
所述高锰钢激光-电弧复合焊实芯焊丝的直径为Φ1.2mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.35～0.55wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为22.5～25.5wt％，Cr为3.00～4.00wt％，Cu为0.30～0.70wt％，B≤0.005wt％，N为≤0.05wt％，P为≤0.005wt％，S为≤0.003wt％；所述高锰奥氏体低温钢的力学性能是：屈服强度为≥400MPa，抗拉强度为≥800MPa，延伸率A≥22％；-196℃时横向冲击功Akv≥27J；所述高锰奥氏体低温钢的厚度为6～20mm。
所述高锰奥氏体低温钢的钢板坡口型式为V型：坡口间隙为1～3mm；坡口角度为50～60°。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺。
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.40wt％；Si为≤0.04wt％；Mn为20～26wt％；Ni为1.0～2.0wt％；Cr为1.1～1.8wt％；Cu为0.55～0.70wt％；W为0.5～1.5wt％；Mo为1.3～2.1wt％；Al为1.2～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0.2～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的焊接工艺采用激光-电弧复合热源；其中：
激光功率为4～8kW，焦点处光斑直径为0.2～0.3mm，离焦量为+20mm，激光入射角为6～7°，光丝间距为5～8mm；焊接速度为80～110cm/min，电弧电压为20～23V，焊接电流为165～190A，送丝速度为5～7m/min，焊丝干伸长为15～18mm，焊枪角度为35°～40°；惰性气体的流量为20～25L/min，所述惰性气体中：Ar为95Vol％，N2为4Vol％，O2为1Vol％。
所述高锰奥氏体低温钢的厚度为10mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.45wt％，Si为0.10wt％，Mn为28wt％，N为0.05wt％，P为0.004wt％，S为0.003wt％。所述高锰奥氏体低温钢的力学性能是：屈服强度为475MPa，抗拉强度为810MPa，延伸率A为41％；-196℃时冲击功Akv为75J。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，焊缝金属成型良好；焊缝金属的屈服强度为426～440MPa，抗拉强度为678～690MPa，伸长率A为42～45％，-196℃时横向冲击功平均值Akv为70～77J。
实施例2
一种高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝及焊接工艺。
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.40～0.60wt％；Si为0.04～0.05wt％；Mn为26～32wt％；Ni为0.1～1.0wt％；Cr为0.1～1.1wt％；Cu为0.70～1.00wt％；W为1.5～1.9wt％；Mo为2.1～3.0wt％；Al为0.5～1.2wt％；Nb+V+Ti+B+RE≤0.2wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的焊接工艺采用激光-电弧复合热源；其中：
激光功率为8～10kW，焦点处光斑直径为0.3～0.4mm，离焦量为+20mm，激光入射角为5～6°，光丝间距为8～10mm；焊接速度为110～150cm/min，电弧电压为23～25V，焊接电流为190～230A，送丝速度为7～8m/min，焊丝干伸长为18～20mm，焊枪角度为40°～45°；惰性气体的流量为20～25L/min，所述惰性气体：Ar为98Vol％，N2为2Vol％。
所述高锰奥氏体低温钢的厚度为20mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.45wt％，Si为0.10wt％，Mn为28wt％，N为0.05wt％，P为0.004wt％，S为0.003wt％。所述高锰奥氏体低温钢的力学性能是：屈服强度为475MPa，抗拉强度为810MPa，延伸率A为41％；-196℃时冲击功Akv为75J。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，焊缝金属成型良好；焊缝金属的屈服强度为420～433MPa，抗拉强度为675～686MPa，伸长率A为43～46％，-196℃时横向冲击功平均值Akv为72～80J。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式的焊接工艺采用以惰性气体Ar为主的保护气体，保证了焊丝中合金元素最大程度地过渡到熔池中形成焊缝金属。保护气体中添加了1～4％的N2气体，一方面起保护作用，另一方面部分在高温下分解的N，进入到焊缝金属中起到固溶强化的作用。当保护气体中不添加O2时，为纯惰性气体保护，熔滴以短路过渡为主。当添加了少量的O2气体，起到降低表面张力的作用，焊缝金属实现良好成型。
本具体实施方式基于以惰性气体Ar为主的保护气体，采用的实芯焊丝的化学组分中的C、Mn、Ni、Cu均为奥氏体稳定元素，通过采用C为0.20～0.60wt％、Mn为20～32wt％、Ni为0.1～2wt％、Cu为0.55～1.00wt％的设计，保证在在-196℃时所形成焊缝金属仍为全奥氏体组织，且层错能为22.5～23.8mJ/m2，在低温受到外在力的作用时以孪晶为主要形变方式，从而保证了超低温时的综合力学性能，包括超低温冲击韧性、强度及延展性。
本具体实施方式采用的化学组分中的Cr、Mo为主要的固溶强化的元素，通过采用Cr为0.1～1.8wt％、Mo为1.3～3.0wt％，两者综合作用使得所形成的焊缝金属在室温时可达到400MPa以上的屈服强度。
本具体实施方式采用的化学组分中的W、Al及微量元素Nb+V+Ti+B+RE等为主要的析出强化元素和夹杂物改性元素，通过采用W为0.5～1.9wt％、Al为0.5～2wt％、Nb+V+Ti+B+RE≤0.5wt％的设计，在固溶强化的作用上，进一步提高了所形成焊缝金属在室温时屈服强度和抗拉强度，且不损伤低温时的延展性。
本具体实施方式采用的化学组分中的Si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中Si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中Si含量过低，不能起到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。与激光-电弧复合焊中的以惰性保护气体相配套，通过添加少量的O2来改善和优化熔池流动性，从而保证焊缝金属具有良好的成型性。因此，本具体实施方式的实芯焊丝的化学组分中的Si为≤0.05wt％。
本具体实施方式中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，故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt％和S≤0.001wt％。通过净化钢水，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
本具体实施方式基于以上保护气体及实芯焊丝组成设计，在焊接过程中不产生焊接烟尘，只有少量合金元素的蒸气，通过适当防护，就可对焊工起到保护作用。采用激光-电弧复合焊机，以实芯焊丝作为电极，能快速熔化，提高焊接效率，减少焊丝的使用量；同时能减少焊接接头的变形量，提高焊接接头的强度和超低温韧性的力学性能。
本具体实施方式采用激光+电弧复合热源，一方面，由于激光能量高，使得焊缝金属的熔深大，焊材消耗量只有熔化极气体保护焊的30～40％；另一方面，采用(94～99Vol％)Ar+(1～4Vol％)N2+(0～2Vol％)O2的惰性气体保护焊接，焊接速度快，进一步提高焊接效率，其焊接效率是手工电弧焊的10倍左右，是熔化极气体保护焊的4～8倍，另外，焊接烟尘小，只有少量的金属蒸气。其次，采用激光+电弧复合热源，焊接热输入小，使得焊接变形小，变形量是埋弧焊的1/2～1/3；而且能够有效提高电弧能量利用率，减小激光功率的损耗，能够显著增加电弧稳定性，改善焊缝金属的成型性。
本具体实施方式所制备的高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝，用于高锰奥氏体低温钢的激光-电弧复合焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，-196℃时冲击功Akv为70～80J；亦保证了足够的强度：屈服强度为420～440MPa，抗拉强度为675～690MPa，延伸率A为42～46％，实现了-196℃工作温度时的高锰奥氏体低温钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
因此，本具体实施方式具有能全自动焊接、焊接效率高、焊接烟尘小、焊接变形小、成型好和力学性能优良的特点；采用激光+电弧复合焊接工艺，所形成的焊缝金属的成型良好、低温韧性优良和冲击值稳定，强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，焊接接头强度高和超低温韧性的力学性能优良；本具体实施方式能满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
Claims (2)
1.一种高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝，其特征在于所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％，Si为≤0.05wt％，Mn为20～32wt％，Ni为0.1～2wt％，Cr为0.1～1.8wt％，Cu为0.55～1.00wt％，W为0.5～1.9wt％，Mo为1.3～3.0wt％，Al为0.5～2wt％，Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％，P≤0.002wt％，S≤0.001wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的制备方法是：按照所述高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的化学组分配料，冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理，层绕，制得高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝。
2.一种高锰奥氏体低温钢用激光-电弧复合焊实芯焊丝的焊接工艺，其特征在于所述焊接工艺为激光-电弧复合焊：激光功率为4～10kW，焦点处光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为+20mm，激光入射角为5°～7°，光丝间距为5～10mm；焊接速度为80～150cm/min，电弧电压为20～25V，焊接电流为165～230A，送丝速度为5～8m/min，焊丝干伸长为15mm～20mm，焊枪角度为35°～45°；惰性气体的流量为20～25L/min，所述惰性气体中：Ar为94～99Vol％，N2为1～4Vol％，O2为0～2Vol％。
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