低合金高強度高韌性埋弧焊絲的製作方法

2023-05-08 15:27:56

專利名稱：低合金高強度高韌性埋弧焊絲的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接材料，具體地說是一種中錳低矽微合金化埋弧焊絲，主要用於埋弧焊，特別適用於橋梁等大型鋼結構的焊接。
對於橋梁、船舶、大型壓力容器等大型結構，鋼板較厚，接頭形式多樣，拘束度大，使用環境溫度較低，焊接接頭要求有較高的衝擊韌性和抗裂性能，對焊接材料提出了很高的要求。
近十年來，國際上開發了Ti、B微合金化焊絲。Ti、B的作用機理為固溶的B在奧氏體晶界析出，降低了晶界能，抑制先共析鐵素體的析出。TiN及氧化物在焊縫中成為晶內鐵素體核，促進鐵素體的形成，焊縫金屬韌性得以提高。這些焊絲有1992年2月由冶金工業部鋼鐵研究總院等申請的「低碳微合金化埋弧焊絲」，專利申請號為92105621.4及1982年1月申請的英國專利GB 2090615「微鉬或無鉬焊接材料」。這些焊絲採用了C-Mn-Mo-Ti-B、C-Mn-Mo-Cr-Ti-B、C-Mn-Cr-Ti-B等合金系列，雖都在不同程度上接頭性能滿足了使用要求，但它們的不足之處在於韌性仍然偏低，特別是在大線能量焊接、焊後熱處理或多層焊的情況下，低溫韌性明顯下降。如C-Mn-Ti-B系焊絲在焊縫為2道時，焊縫金屬-40℃ V型衝擊功約為80J，而當焊縫為4道時，則下降為29J。C-Mn-(Mo)-Cr-Ti-B焊絲雖然焊縫熱處理後性能有所改善，但其韌性仍難以與目前先進的鋼材相匹配，難以滿足實際結構焊接需求。這些焊絲多用於焊接線能量20KJ左右較薄板的焊接，板厚≥35mm焊接未見應用，且焊絲中Mn、Mo、Cr等合金元素的含量普遍較高，難以同時保持優良的焊縫強度和韌性，合金元素的加入也使焊絲成本大為提高。
本發明目的在於提供一種適合大線能量焊接、焊後焊縫性能優良的埋弧焊絲；該焊絲對厚鋼板焊接的坡口角度及焊接線能量有較強的適應性，焊前不預熱，焊後不需熱處理，焊接工藝性能好；適用於橋梁、船舶、壓力容器等大型結構的焊接製作。
本發明為了達到上述目的，提供一種合金高強度高韌性埋弧焊絲，其特徵在於焊絲的化學成份按重量(％)含有C 0.06～0.12、Mn 1.20～1.80、Si0.02～0.06、Ni 0.20～0.50、Ti 0.10～0.16、B 0.006～0.010，餘量為Fe及不可避免的S、P，還需嚴格控制焊絲中的[O]、[N]含量。焊絲中不可避免的S、P含量系要求(重量％)S≤0.01、P≤0.015、[N]≤0.005。
本發明焊絲化學成份的設計原則說明如下C含量小於0.06％時，焊絲強度較低，焊縫金屬中鐵素體比例較高，不利於針狀鐵素體的形成，而超過1.2％會使焊縫金屬的強度過高，珠光體比例增大，也不利於針狀鐵素體的大量形成。
Si焊縫中含Si量應控制在0.4％以下，由於焊劑及母材中含有較高的Si，在焊接過程中增Si現象比較嚴重，因此應控制焊絲中的Si含量，含量控制在0.02～0.06％最適合。
Mn系焊縫強化的有效元素，當焊縫金屬中Mn含量小於1.0％時，焊縫強度偏低，當焊縫中Mn含量高於1.6％時，焊縫金屬的低溫韌性明顯下降。Mn在焊縫中有利於脫氧，防止引起熱裂紋的鐵硫化物的形成。為控制焊縫中Mn含量，焊絲中的Mn含量應在1.20～1.80％之間。
Ni可以提高焊縫金屬的韌性，尤其是提高焊縫金屬的低溫衝擊韌性，降低脆性轉變溫度。同時Mn和Ni能在相當大的含量範圍內有利於改善焊縫金屬的韌性。但因其屬於貴重元素不宜多加，因此焊絲中Ni含量控制在0.20～0.50％之間。
Ti適量加入可以細化焊縫金屬組織。Ti與N具有極高的親和力，Ti與N結合形成TiN質點，作為晶核，促使細針狀鐵素體大量形成。焊縫金屬中Ti的含量一般在0.01～0.04％之間，由於Ti過度係數低，焊絲中Ti含量應為0.10～0.16％。
B固溶的B在奧氏體晶界偏析，降低晶界能量，控制先共析鐵素體的析出。B還能推遲奧氏體—鐵素體相轉變的溫度，促進晶粒內針狀鐵素體的形成。針狀鐵素體數量的增加，會使焊縫金屬低溫韌性顯著提高。焊縫中B的含量一般在0.001～0.004％，由於過度係數較低，焊絲中B含量為0.006～0.01％。
S、P元素對焊縫金屬低溫韌性有危害作用，應儘量降低。要求焊絲中S≤0.01、P≤0.015(重量％)。
N在焊絲的冶烘煉過程中，N不可避免地進入焊絲鋼水中，對焊縫金屬的低溫韌性影響較大，但在用Ti作為合金元素處理焊縫時，N成為必要的元素，焊絲中N的含量應小於0.005％。
歸納起來為適當減少C、Mn含量，控制Si含量，降低S、P，適量添加Ni、Ti、B即Mn-Ni-Ti-B系。保證了合適的焊縫強度，細化奧氏體、鐵素體組織，減少脆化組織(如非金屬夾雜物)和固溶N，最終增加針狀鐵素體的數量，提高焊縫金屬的低溫韌性。
本發明焊絲所用Mn-Ni-Ti-B系合金，焊絲的冶煉工藝穩定容易實現，焊絲的成本較低。
實施例1本發明焊絲採用電爐冶煉，冶煉時脫氧用金屬Mn鐵，終脫氧加Ti，然後再加B鐵。焊絲主要成分(重量％)含有C 0.08、Mn 1.72、Si 0.03、Ni 0.30、Ti 0.15、B 0.0077。生產的焊絲與SJ101通用燒結焊劑匹配，焊接板厚25mm的16Mn鋼，開V型坡口，焊前不預熱，焊後不熱處理，所得焊縫金屬的機械性能及V型缺口衝擊功為6s＝475MPa，6b＝570MPa，δ5＝29％，ψ＝75％，AKV(-40℃)＝129J。由於焊縫中存在大量的晶內細針狀鐵素體，使得焊縫金屬的韌性尤其是低溫衝擊韌性得到很大提高。實施例2本發明的焊絲主要成分在焊接時對焊接線能量及坡口形式及板厚適應性強。採用本焊絲對橋梁鋼板進行對接焊接，鋼板厚度32～50mm，雙U型坡口，坡口角度50～70°，焊前不預熱，焊後不熱處理。
焊接鋼板的化學成分(重量％)含有C 0.14、Si 0.28、Mn 1.35、S0.017、P 0.024、Nb 0.036，板厚50mm，坡口角度60°。
本發明的焊絲對焊接線能量的適應性當焊接線能量為35KJ/cm時，焊接道數18道，AKV(-40℃)＝168J，當焊接線能量為44KJ/cm時，焊接道數15道，AKV(-40℃)＝111J。可見，儘管焊接線能量變化範圍大，焊接道數多，存在後道焊縫對前道焊縫的再熱作用，但焊縫韌性均較高，焊絲能適應多道和大線能量的焊接。
本發明的焊絲對鋼板厚度的適應性當焊接鋼板的板厚為32mm時，焊接道數為7道，AKV(-40℃)＝196J，當板厚為50mm時，AKV(-40℃)＝168J。可見，板厚增加時，焊縫低溫韌性有所下降，但總體水平仍然較高，焊絲能適應不同厚度鋼板的焊接。
本發明的焊絲對鋼板坡口角度的適應性對50mm厚的鋼板，當坡口為50°、60°、70°，線能量為36KJ/cm時，AKV(-40℃)分別為129J、110J和102J，焊絲對坡口角度有較強的適應性。
本發明的焊絲對焊劑的適應性採用SJ101、TSJ101及OK10.62焊劑焊接以上50mm厚鋼板，焊縫AKV(-40℃)分別為168J、160J和180J，焊縫衝擊功都非常高，不同的焊劑對焊縫的衝擊功無明顯影響。
採用本發明焊絲進行T型拘束抗裂試驗，焊縫表面及斷面的裂紋率均為零，焊絲具有較佳的抗裂性能。
很明顯，在所選的焊接條件範圍內，即使是在多道埋弧焊的條件下，焊縫金屬的衝擊韌性都比較好。由於橋梁、壓力容器、工程機械等大型結構的焊接工藝條件與此相當，因此本發明焊絲適合於這些領域的焊接應用。
本發明的焊絲具有如下顯著的效果1.採用本發明焊絲焊接的焊縫金屬具有優良的綜合性能，有較高的抗拉強度和低溫衝擊韌性以及優良的抗裂性能。
2.本發明的焊絲特別適合於大線能量焊接，即使當線能量達44KJ/cm，焊縫的-40℃衝擊功仍然很高，達到111J，遠高於其它焊絲的衝擊功。焊絲對焊接線能量及坡口形式適應性強，焊前不需預熱，焊後不需熱處理，適應實際生產工藝條件。因此是大型結構焊接的理想的焊接材料。
3.本發明的焊絲可用於單層或多層、單面或多面多種工藝要求以及各種厚度板的焊接。
4.本發明的焊絲成分設計簡單，採用的合金元素Mn、Ni含量都不高，焊絲成本低，冶煉工藝穩定，易生產、易推廣。
本發明的焊絲適用於橋梁、石油管線、大型壓力容器等結構的焊接。
權利要求
1.一種低合金高強度高韌性埋弧焊絲，其特徵在於化學成份(重量％)含有C 0.06～0.12、Mn 1.20～1.80、Si 0.02～0.06、Ni 0.20～0.50、Ti0.10～0.16、B 0.006～0.01，餘量為Fe及不可避免的S和P，還需嚴格控制焊絲中的[O]和[N]含量。
2.根據權利要求1所述的焊絲，其特徵在於焊絲中不可避免的S和P含量系要求(重量％)S≤0.01、P≤0.015、[N]≤0.005。
全文摘要
本發明為一種低合金高強度高韌性埋弧焊絲,其化學成分(重量%)含有C0.06～0.12、Mn1.20～1.80、Si0.02～0.06、Ni0.20～0.50、Ti0.10～0.16、B0.006～0.01,餘量為Fe及不可避免的S和P。本焊絲為中錳低矽微合金化埋弧焊絲,焊後焊縫具有高的強度及低溫衝擊韌性,對大厚板焊接的坡口角度及焊接線能量有較強的適應性,焊前不需預熱,焊後不需進行熱處理,焊接工藝性能好,能廣泛用於橋梁、石油管線、大型壓力容器等結構的焊接。
文檔編號B23K35/30GK1200317SQ9710439
公開日1998年12月2日 申請日期1997年5月26日 優先權日1997年5月26日
發明者繆凱, 楊建東, 王玉濤, 黃治軍, 劉吉斌, 朱學剛, 高長益, 黃辰奎, 丁韋 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司, 鐵道部科學研究院金屬及化學研究所