一種大線能量焊接電弧焊焊條的製作方法
2023-05-30 07:44:36 5
專利名稱：一種大線能量焊接電弧焊焊條的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電弧焊焊條，具體地說是一種大線能量焊接電弧焊焊條。其適用 於中厚板高強鋼大線能量焊接，也可用於相同強度級別的超級鋼和普通碳素鋼的焊接。
背景技術：
鋼板被廣泛用於諸如建築、橋梁、壓力容器儲罐、管線和船舶等基礎建設和大型建 築中。建築構件的大型化和高層化發展趨勢要求鋼板的厚度增加，同時具有更高的綜合性 能，包括更高的力學性能、高效的加工性能以及優良的抗腐蝕性能和抗疲勞性能等。但是， 隨著鋼板強度的提高，其衝擊韌度和焊接性能顯著下降，焊接裂紋敏感性增加。特別是隨著 焊接線能量的提高，傳統低合金高強鋼的焊接熱影響區性能(強度、韌性)惡化，易產生焊接 冷裂紋問題，給大型鋼結構的製造帶來困難。由於焊接為厚板加工的主要方式，滿足大線能 量焊接性能也逐步成為各種鋼種所具備的一種性能所以，在追求高強度的同時，改善鋼板 的韌性以提高鋼板的焊接性能越來越迫切。鋼大線能量焊接的主要難點在於其熱影響區 (HAZ)的強度和韌性隨著輸入線能量的增大而降低。因此，HAZ的韌性成為制約高強 度鋼大線能量焊接的關鍵因素。為了解決H A Z的韌性問題，國內外相繼開展了大線能量(大於50KJ/cm)焊接用 鋼的研究工作，提出的改善韌性的方法主要有降低碳含量和碳當量、利用微合金元素和氧 化物夾雜細化奧氏體晶粒、獲得韌性好的組織如針狀鐵素體以及貝氏體組織的超低碳鋼、 通過改進生產工藝提高韌性等。通過對提高鋼大線能量焊接性技術的研究，目前國外以日 本為代表的國家已經研製出很多適用於大線能量焊接的鋼種，其組織主要為鐵素體和超低 碳貝氏體。國內武鋼研製了 WG J 5 1 O C 2和WD L 6 1 O D 2鋼，具有較好的大線能 量焊接性能，並申請了專利。此外，武鋼還研製了大線能量焊接高韌性抗鋅液腐蝕用鋼。該 鋼以N b、V等微合金元素提高鋼的強度，採用T i的複合氧化物獲得彡5 O k J / c m 的抗大線能量焊接性能。鋼板的研製促進了焊接材料的開發。焊接材料主要是通過合金化控制焊縫的組 織，以實現大線能量條件下焊縫金屬的強韌化，從而確保焊縫金屬與母材組織性能的匹配。 由於適合大線能量焊接的高強鋼與同等強度的普通鋼相比在大線能量焊接條件下其熱影 響區仍具有很好的綜合性能，而現有的焊接材料都是針對普通鋼材所研製，例如E5015焊 芯為H08A，焊條藥皮配方為(質量％)鈦白粉2-10%、雲母2-5%、石英3_9%、大理石3_50%、 中碳錳鐵5-6%、45#矽鐵5-10%、螢石12-20%、鈦鐵10_13%。在大線能量條件下(大於50KJ/ cm)，由於焊縫金屬組織粗大，且容易出現其它冶金缺陷，因此現有的焊接材料雖然能夠滿 足強度指標要求，但綜合性能明顯低於同等強度的大線能量焊接高強鋼，即現有焊接材料 組織性能不能與大線能量焊接高強鋼很好的匹配，且強度級別越高，差別越大。要實現焊縫 的強韌化，並避免冷裂紋，需開發與母材組織性能相匹配的焊接材料，但在這方面尚無成熟 的經驗。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種合金組成合理，通 過合金化控制焊縫的組織實現強韌化，焊接接頭與母材組織性能匹配良好，具有低氫、低 碳、高純潔性、細晶粒的特點，實現對中厚板高強鋼大線能量焊接的電弧焊焊條。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是一種大線能量焊接電弧焊焊條， 其以H08A為焊芯，其特徵是藥皮配方包括礦物原料和合金元素，各組分質量百分含量為 螢石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，鈦白粉5_10%，錳鐵10_15%，長石5_10%，鋯砂4-7% ； MoO. 5-4. 5%, NiO. 8-3. 8%, TiO. 2-2. 0%, B0. 3-2. 5%,稀土元素 0. 1-0. 5%。 本發明根據大線能量焊接特點，選擇H08A為焊芯，提供的中厚板高強鋼大線能量 焊條具有低氫、低碳、高純潔性、細晶粒的特點。藥皮礦物原料選用螢石、石英、長石、鋯砂、 錳鐵、鈦白粉、大理石等，焊條藥皮重量係數和焊條外徑的選取與普通焊條相同。根據大量 實驗結果確定藥皮中所添加合金元素(Ni、Mo、Ti、B和稀土元素)含量的設計範圍。以實現 不同強度級別中厚板高強鋼的大線能量最優焊接。對照現有技術，本發明的有益效果是通 過合金化手段，控制大線能量條件下焊縫金屬晶粒尺寸和組織形態，同時對焊接熱影響區 晶粒長大趨勢進行有效控制，進而提高焊接接頭強度和韌性，使焊接接頭綜合力學性能不 低於高強鋼母材，從而滿足使用要求；同時這種焊條成本低廉，無需改進生產設備，便於生 產，也可用於相同強度級別超級鋼、普通低合金鋼和碳素鋼的焊接。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的描述
本發明一種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，藥皮配方包括礦物原料和合金元 素。各組分質量百分含量為螢石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，鈦白粉5_10%，錳鐵 10-15%，長石 5-10%，鋯砂 4-7% ；MoO. 5-4. 5%, NiO. 8-3. 8%, TiO. 2-2. 0%, B0. 3-2. 5%,稀土元 素0. 1-0. 5%。在嚴格控制碳含量的前提下，通過添加適量的合金元素和少量的稀土元素，可 以使焊縫金屬晶粒尺寸明顯細化，焊縫組織結構得到優化，進而實現焊接接頭的強韌化。本發明焊條藥皮礦物原料的作用是螢石、石英、大理石和長石聯合作用能夠提高 電弧燃燒的穩定性，造氣、造渣，保護焊接熔池，嚴格控制擴散氫含量；鈦白粉、錳鐵有利於 焊縫脫氧、去硫磷雜質，還可以為焊縫補充燒損的錳和鈦等有益合金元素；螢石、石英、大理 石、鈦白粉和鋯砂有利於減小飛濺，促進熔滴過渡；水玻璃的主要作用是把這些礦物原料良 好的粘結起來，保證焊條藥皮的質量。藥皮中通過添加合金元素及其含量來控制大線能量 條件下焊縫金屬的組織形態和晶粒尺寸，進而實現焊縫金屬的強韌化。所添加合金元素及 主要作用是①M的固溶強化作用較小，但細化晶粒效果較大，對韌性改善有利。在焊縫中 增加鎳後將會發生以下變化焊態下焊縫中先共析鐵素體的比例逐漸減少，針狀鐵素體逐 漸增多；②金屬Mo在一定含量範圍能細化晶粒，使焊縫金屬硬度，屈服強度，抗拉強度和韌 性均得到提高；Mo含量過高對衝擊韌性不利，當Mo含量控制在5%以下時，既能細化晶粒， 又能提高焊縫金屬的耐磨性。③金屬Ti可以細化晶粒，提高韌性，與焊縫金屬中的氮結合， 可以減少固溶氮的有害作用，並具有脫氧的作用，可以減少焊縫金屬的含氧量。④B在焊縫 凝固過程中與N結合為BN，降低固溶N的含量；固溶B能抑制γ晶間的先共析鐵素體的析 出，提高抗裂性，減少氫脆，B、Ti共存時效果更佳，B也可以細化晶粒。⑤稀土元素(鈰Ce或釔Y)作為一種微量合金加入到焊條藥皮中，可以改變夾雜物形態並減少夾雜物的含量，提 高高溫抗裂性能，細化晶粒，提高焊縫金屬的抗拉強度、屈服強度和韌性。對改善焊條的焊 接性能，提高電弧穩定性也能起到很好的作用。使用本發明在大線能量條件下(大於50KJ/cm)焊接400MPa—500MPa級高強鋼主 要通過合金化調整大線能量條件下焊縫金屬組織形態和晶粒尺寸(晶粒尺寸小於20微米)， 使其獲得細小針狀鐵素體即可獲得理想的強韌性；在大線能量條件下(大於50KJ/cm)焊接 600MPa — SOOMPa級高強鋼主要是在嚴格控制焊縫金屬碳含量的前提下，通過合金化調整大 線能量條件下焊縫組織形態和晶粒尺寸(晶粒尺寸小於15微米)，使其獲得細小的超低碳下 貝氏體組織即可獲得理想的強韌性。進而獲得與母材性能相匹配的理想的強韌性，實現對 中厚板高強鋼的大線能量條件下良 好焊接。實施例1. 一種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，焊條藥皮配方中各組分 質量百分含量為螢石15%，石英8%，大理石35%，鈦白粉9%，錳鐵15%，長石10%，鋯砂4% ； Mol. 4%, Ni2. 0%，Ti0. 2%, B0. 3%,稀土元素(優先選鈰Ce)0. 1%。大線能量條件下(大於50KJ/ cm)，焊縫金屬晶粒尺寸小於20微米，下屈服強度和抗拉強度分別為406MPa和610MPa，0°C 的衝擊吸收功為138J，延伸率為28%，可用於400MPa級中厚高強鋼、同等強度級別的低合金 鋼和碳素鋼的大線能量焊接，也可用於上述材料的一般焊接。實施例2. —種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，焊條藥皮配方中各組分 質量百分含量為螢石19%，石英6%，大理石35%，鈦白粉6%，錳鐵13%，長石10%，鋯砂6% ； MoO. 5%,Ni2. 2%, Til. 0%，B1. 0%,稀土元素(優先選鈰Ce)0. 3%。大線能量條件下(大於50KJ/ cm)，焊縫金屬晶粒尺寸小於20微米，下屈服強度和抗拉強度分別為486MPa和650MPa，0°C 的衝擊吸收功為140J，延伸率為25%，可用於500MPa級中厚高強鋼、同等強度級別的低合金 鋼和碳素鋼的大線能量焊接，也可用於上述材料的一般焊接。實施例3. —種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，焊條藥皮配方中各組分 質量百分含量為螢石25%，石英5%，大理石34%，鈦白粉5%，錳鐵10%，長石5%，鋯砂7% ； Μο4· 5%，NiO. 8%，Til. 6%，Bi. 8%,稀土元素鈰 CeO. 3%。大線能量條件下(大於 50KJ/cm)，焊 縫金屬晶粒尺寸小於15微米，下屈服強度和抗拉強度分別為606MPa和750MPa，0°C的衝擊 吸收功為128J，延伸率為25%，可用於600MPa級中厚高強鋼、同等強度級別的低合金鋼和碳 素鋼的大線能量焊接，也可用於上述材料的一般焊接。實施例4. 一種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，焊條藥皮配方中各組分 質量百分含量為螢石25%，石英6%，大理石25%，鈦白粉6%，錳鐵12%，長石10%，鋯砂5% ； Μο3· 0%, Ni3. 8%, Til. 7%, Β2· 0%,稀土元素鈰 CeO. 5%。大線能量條件下(大於 50KJ/cm)，焊 縫金屬晶粒尺寸小於15微米，下屈服強度和抗拉強度分別為698MPa和815MPa，0°C的衝擊 吸收功為122J，延伸率為22%，可用於700MPa級中厚高強鋼、同等強度級別的低合金鋼和碳 素鋼的大線能量焊接，也可用於上述材料的一般焊接。實施例5. —種大線能量焊接電弧焊焊條，焊芯為H08A，焊條藥皮配方中各組分質 量百分含量為螢石25%，石英6%，大理石20%，鈦白粉10%，錳鐵14%，長石7%，鋯砂6% ；Mo4%, Ni3%, Τ 2. 0%, B2. 5%,稀土元素鈰CeO. 5%。大線能量條件下(大於50KJ/cm)，焊縫金屬晶 粒尺寸小於15微米，下屈服強度和抗拉強度分別為795MPa和876MPa，0°C的衝擊吸收功為 108J，延伸率為21%，可用於SOOMPa級中厚高強鋼、同等強度級別的低合金鋼和碳素鋼的大線能量焊接，也可用於上述材料的一般焊接.
權利要求
一種大線能量焊接電弧焊焊條，其以H08A為焊芯，其特徵是藥皮配方包括礦物原料和合金元素，其各組分質量百分含量為螢石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，鈦白粉5-10%，錳鐵10-15%，長石5-10%，鋯砂4-7%； Mo 0.5-4.5%，Ni 0.8-3.8%，Ti 0.2-2.0%，B 0.3-2.5%，稀土元素0.1-0.5%。
2.根據權利要求1所述的大線能量焊接電弧焊焊條，其特徵是所說藥皮配方中各組 分質量百分含量為螢石15%，石英8%，大理石35%，鈦白粉9%，錳鐵15%，長石10%，鋯砂4% ； Mol. 4%, Ν 2. 0%, TiO. 2%, B0. 3%, CeO. 1%。
3.根據權利要求1所述的大線能量焊接電弧焊焊條，其特徵是所說藥皮配方中各組 分質量百分含量為螢石19%，石英6%，大理石35%，鈦白粉6%，錳鐵13%，長石10%，鋯砂6% ； MoO. 5%, Ν 2. 2%, Til. 0%, Bi. 0%, CeO. 3%。
4.根據權利要求1所述的大線能量焊接電弧焊焊條，其特徵是所說藥皮配方中各組 分質量百分含量為螢石25%，石英5%，大理石34%，鈦白粉5%，錳鐵10%，長石5%，鋯砂7% ； Μο4· 5%, NiO. 8%, Til. 6%, Bi. 8%, CeO. 3%。
5.根據權利要求1所述的大線能量焊接電弧焊焊條，其特徵是所說藥皮配方中各組 分質量百分含量為螢石25%，石英6%，大理石25%，鈦白粉6%，錳鐵12%，長石10%，鋯砂5% ； Μο3· 0%, Ni3. 8%, Til. 7%, Β2· 0%, CeO. 5%。
6.根據權利要求1所述的大線能量焊接電弧焊焊條，其特徵是所說藥皮配方中各組 分質量百分含量為螢石25%，石英6%，大理石20%，鈦白粉10%，錳鐵14%，長石7%，鋯砂6% ； Mo4%, Ni3%, Ti2. 0%, B2. 5%, CeO. 5%。
全文摘要
本發明涉及一種大線能量焊接電弧焊焊條，其以H08A為焊芯，藥皮配方包括礦物原料和合金元素，其中各組分質量百分含量為螢石15-25%，石英5-8%，大理石20-35%，鈦白粉5-10%，錳鐵10-15%，長石5-10%，鋯砂4-7%；Mo0.5-4.5%，Ni0.8-3.8%，Ti0.2-2.0%，B0.3-2.5%,稀土元素0.1-0.5%。本發明能夠有效控制大線能量條件下焊縫金屬組織形態和晶粒尺寸，提高焊接接頭強度和韌性，成本低廉，用來實現對中厚板高強鋼的大線能量條件下良好焊接。也可用於同等強度級別的超級鋼、普通低合金鋼和碳素鋼的焊接。
文檔編號B23K35/36GK101837525SQ20101019669
公開日2010年9月22日 申請日期2010年6月10日 優先權日2010年6月10日
發明者張洪濤, 曹立新, 王國棟, 趙洪運, 駱宗安 申請人:哈爾濱工業大學(威海)