一種高錳超低溫鋼焊絲及其焊接工藝的製作方法

2023-07-02 06:46:01

本發明屬於低溫鋼焊接材料及焊接工藝技術領域，特別是涉及一種高錳超低溫鋼焊絲及其焊接工藝。

背景技術：

液化天然氣（lng）作為一種清潔、高效的能源，其產業發展受到越來越多的重視。lng船是用於運輸lng的專用船舶，由於lng是被降溫到-163℃液體狀態的天然氣，所以lng船在運輸過程中必須將它保持在-163℃，因而lng船的工作環境要求製造lng船的材料具有優異的低溫性能。9%ni鋼材由於其在極低溫度下仍具有優良的韌性和高強度，而且與奧氏體不鏽鋼和鋁合金相比具有熱脹係數低、經濟性好、使用溫度最低可達-196℃的特點，因此自1960年通過研究證明不進行焊後消除應力熱處理亦可安全使用以來，9%ni鋼就成為用於製造大型lng貯罐的主要材料之一。

如今9%ni鋼已經廣泛應用於低溫深冷設備，9%ni鋼及其配套焊材開發已經比較成熟，但由於ni等昂貴合金元素的使用量較高（9%ni鋼的ni含量約為9%，焊材的ni含量高於50%），鋼板及焊材成本難以降低。因此，很多國家都在積極研發新型的超低溫材料。作為9%ni鋼的有力競爭者之一，高錳超低溫鋼的研發近年來受到廣泛關注，其mn元素含量為20~28%，而ni元素不作為必需的合金元素（黃維,張志勤,高真鳳.石油及lng儲罐用鋼現狀及最新研究進展.上海金屬,2016,38(2):74-78）。

高錳超低溫鋼的焊接也可以使用高ni含量的焊材。申請公布號為cn103978322a的中國發明公開了一種專門用於lng船超低溫鋼焊接的高效鎳基焊條，包括焊芯及裹覆於焊芯表面的藥皮，焊芯為鎳合金焊芯，焊芯化學成分及其重量百分比含量為：c≤0.03％，s≤0.01％，p≤0.01％，mn:0.5~1.5％，mo:4~9％，nb:1.5~2.5％，si≤0.25％，fe≤1.0％，cr:12~18％，餘量為ni，各成分總量為100％。該專門用於lng船超低溫鋼焊接的高效鎳基焊條雖然表現出良好的焊接工藝性，焊縫也具有良好的力學性能，但該焊條中ni含量高達80%左右，這不利於充分發揮材料的成本優勢。遺憾的是，目前關於針對高錳超低溫鋼開發的焊材的報導很少，韓國浦項制鐵公開報導過其成功開發了高錳超低溫鋼焊材，但對具體資料嚴格保密，而國內的相關研發工作仍處於起步階段。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是現有超低溫鋼焊材成本高，針對以上現有技術存在的缺點，提出一種適用於高錳超低溫鋼的焊絲及其焊接工藝。

本發明解決以上技術問題的技術方案是：一種高錳超低溫鋼焊絲，其化學成分及質量百分比含量如下：c為0.2~0.4%，mn為18.0~27.0%，si≤0.15%，s≤0.005%，p≤0.02%，ni為1.0~3.0%，cr為2.0~4.5%，cu為0.2~0.5%，n為0.01~0.06%，餘量為fe和通常煉鋼存在的殘留元素。

本發明的有益效果是：超低溫鋼焊絲採用高mn含量的合金設計，大幅度降低了ni含量，從而使成本和費用顯著降低，應用前景良好。

本發明中各化學成分的主要作用如下：

c能夠產生固溶強化，還能夠提高奧氏體的穩定性，抑制ε-馬氏體的形成，提高低溫韌性，但過高的c含量使層錯能顯著增大並阻礙孿晶的形成，損害塑性，因此將c含量控制在0.2~0.4%；

mn能夠產生固溶強化，還能夠穩定奧氏體，具有與ni相似的作用，為了得到足夠穩定的奧氏體，抑制ε-馬氏體的形成，需要添加大量的mn，但mn含量過高則容易產生沿晶脆斷，降低低溫韌性，因此將mn含量控制在18.0-27.0%；

si在晶界偏聚會弱化晶界，降低塑性和低溫韌性，因此將si含量控制在0.15%及以下；

s會形成mns，s和p在晶界偏聚還會弱化晶界，從而增大低溫沿晶脆性，因此需要控制在最低限度；

ni能夠產生固溶強化，提高奧氏體穩定性，顯著改善低溫韌性，但ni的價格昂貴，大量添加將造成成本過高，因此將ni含量控制在1.0-3.0%；

cr能夠產生固溶強化，還能強化奧氏體晶界，但含量過高則會降低成形性，因此將cr含量控制在2.0-4.5%；

cu能夠穩定奧氏體相，還能夠產生固溶強化和析出強化，但含量過高會增大熱脆性，不利於加工，因此將cu含量控制在0.2-0.5%；

n能夠產生固溶強化，在晶界偏聚會顯著強化晶界並抑制低溫沿晶脆性，但含量過高則容易形成大量氮化物從而損害塑性，因此將n含量控制在0.01-0.06%。

本發明的另一目的在於提供一種高錳超低溫鋼焊絲的焊接工藝，使焊縫金屬能夠獲得良好的綜合性能。

本發明解決以上技術問題的技術方案是：一種高錳超低溫鋼焊絲的焊接工藝，採用鎢極氬弧焊，坡口類型為「v」型，熱輸入量為4~21kj，保護氣體採用高純氬氣。

本發明的有益效果是：焊接工藝不需要焊前預熱和焊後熱處理，工藝簡單，易於實施，且所形成的焊縫金屬具有良好的強度、塑性和韌性的配合，即綜合性能優異，特別是在-196℃的超低溫環境下具有良好的韌性。

具體實施方式

附圖說明：圖1為實施例1中焊縫金屬的金相組織圖。

實施例1

一種高錳超低溫鋼焊絲，其化學成分及質量百分比含量如下：c為0.33%，mn為24.4%，si為0.05%，s為0.002%，p為0.013%，ni為1.6%，cr為3.1%，cu為0.2%，n為0.035%，餘量為fe和通常煉鋼存在的殘留元素。

使用該焊絲對高錳超低溫鋼進行焊接，採用鎢極氬弧焊，坡口類型為「v」型，熱輸入量為4kj，保護氣體為高純氬氣。

如附圖1所示為焊縫金屬的金相組織照片，顯微組織類型為奧氏體。測得焊縫金屬的規定非比例延伸強度rp0.2=551mpa，抗拉強度rm=813mpa，延伸率a=44%，-196℃下衝擊試驗衝擊吸收能量kv2=50j。

實施例2

一種高錳超低溫鋼焊絲，其化學成分及質量百分比含量如下：c為0.2%，mn為27.0%，si為0.15%，s為0.001%，p為0.02%，ni為1.0%，cr為4.5%，cu為0.33%，n為0.06%，餘量為fe和通常煉鋼存在的殘留元素。

使用該焊絲對高錳超低溫鋼進行焊接，採用鎢極氬弧焊，坡口類型為「v」型，熱輸入量為15kj，保護氣體為高純氬氣。

焊縫金屬的顯微組織類型為奧氏體，規定非比例延伸強度rp0.2=420mpa，抗拉強度rm=680mpa，延伸率a=51%，-196℃下衝擊試驗衝擊吸收能量kv2=92j。

實施例3

一種高錳超低溫鋼焊絲，其化學成分及質量百分比含量如下：c為0.4%，mn為18.0%，si為0.07%，s為0.001%，p為0.007%，ni為3.0%，cr為2.0%，cu為0.5%，n為0.01%，餘量為fe和通常煉鋼存在的殘留元素。

使用該焊絲對高錳超低溫鋼進行焊接，採用鎢極氬弧焊，坡口類型為「v」型，熱輸入量為21kj，保護氣體為高純氬氣。

焊縫金屬的顯微組織類型為奧氏體，規定非比例延伸強度rp0.2=486mpa，抗拉強度rm=741mpa，延伸率a=40%，-196℃下衝擊試驗衝擊吸收能量kv2=64j。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。