專利名稱：提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實芯焊絲技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲。
背景技術(shù)：
現(xiàn)階段，我國仍處于基礎(chǔ)設(shè)施投資高速增長階段，大型建設(shè)工程需要大規(guī)格、高承載能力的工程機械設(shè)備如挖掘機、裝載機和起重機等。這些大型工程機械設(shè)備要求其零部件具有高強、耐磨以及較高的疲勞性能，以適宜高強度、重載荷、交變動載荷以及高頻率振動等惡劣的工作條件和環(huán)境。因此，制備工程機械設(shè)備的鋼鐵材料以及用于連接鋼鐵材料的焊接接頭也必須具備高強、耐磨和高疲勞強度的性能。目前，工程機械用鋼已通過微合金化，采用TMCP等軋制工藝和先進的熱處理工藝，使其強度逐漸提高到80(Tl000MPa，形成了系列工程機械高強鋼。在現(xiàn)有的與工程機械高強鋼匹配的焊絲技術(shù)中，“一種800MPa高強度高韌性氣體保護焊絲”(CN 101733580A)專利技術(shù)，所形成的焊縫金屬的強度可與SOOMPa級工程機械高強鋼相匹配，能用于煤礦機械設(shè)備，然而，該技術(shù)沒有考慮所形成的焊接接頭的疲勞強度較低的問題；“提高焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲”(CN1651181A)專利技術(shù)，通過降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以減小焊接殘余拉伸應(yīng)力來提高焊接接頭疲勞強度，在很大程度上提高了焊接接頭的疲勞性能，但該焊絲形成的焊縫金屬，其組織為馬氏體+(5 40)%的奧氏體，強度達不到80(Tl000MPa，仍不能滿足大型工程機械設(shè)備的高強度和高疲勞性能技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的是提供一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲，所形成的焊縫金屬強度高、韌性良和耐磨性能好，其強度與80(Tl000MPa級工程機械高強鋼相匹配，焊接接頭具有較高的抗疲勞損壞性能，能滿足對所焊接的工程機械設(shè)備的高強度和高疲勞性能技術(shù)要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實芯焊絲所采用的化學組分是C為0，Mn為I. 50 2· 00wt%, Si 為 O. 40 0· 80wt%, Cr 為 12.00 20· 00wt%, Ni 為 4.00 8· 00wt%, Mo 為O. 50 2· 00wt%, P彡O. 002wt%, S彡O. 005wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明不含碳元素，以保證焊縫金屬具有較好的抗裂性能和沖擊韌性，并避免鉻的碳化物析出而耗損焊縫金屬中的鉻元素。鉻元素是該發(fā)明中的主要合金元素，含量在12wt%以上；鉻為鐵素體形成元素，保證了焊縫金屬以δ相凝固；降低了奧氏體的相轉(zhuǎn)變溫度，促進低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物合金馬氏體的形成，提高焊縫金屬的強韌性；同時，鉻元素通過固溶強化的作用，提高了焊縫金屬的強度。本發(fā)明含有適量的鎳元素，鎳元素為奧氏體形成元素，起到擴大奧氏體相區(qū)的作用，保證在高溫時，焊縫金屬全部轉(zhuǎn)變成奧氏體組織，沒有δ鐵素體的殘留；同時，鎳元素有助于提高材料的淬硬性。添加的鑰元素與鎳元素和錳元素共同作用，使合金馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度(Ts)降低到150°C左右，合金、馬氏體的轉(zhuǎn)變完成溫度(Tf)降低到室溫，即在室溫下完成合金馬氏體的全部轉(zhuǎn)變。通過凈化鋼水，將焊絲的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而產(chǎn)生熱裂紋傾向。以上合金元素組成的化學成分，使焊縫金屬組織為全合金馬氏體，不殘留高溫δ鐵素體組織，不殘留Y奧氏體組織，保證了焊縫金屬的強度和韌性；另一方面在低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的相變應(yīng)力與焊接熱應(yīng)力相互抵消，將焊接殘余拉應(yīng)力減小到最小或為零，從而在很大程度上改善了因焊接殘余拉應(yīng)力而導致的焊接接頭疲勞強度的降低。本發(fā)明所制備的實芯焊絲用于焊接高強工程機械用鋼，焊縫金屬形成合金馬 氏體，合金馬氏體組織保證了較高的強度，較好的韌性，且合金馬氏體具有較高的耐磨性能，焊縫金屬的屈服強度達到680、IOMPa，抗拉強度達到815 1158MPa，延伸率A為13 17%，_20°C時沖擊功Akv為52 68J，硬度值為305 350 (HVlO);通過調(diào)整合金成分，將馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度控制在150°C左右，馬氏體轉(zhuǎn)變完成溫度控制在室溫左右，最大程度地使低溫相變應(yīng)力與焊接熱產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力相抵消，將焊接殘余拉應(yīng)力引起的疲勞強度降低減小到最小或為零，與相同強度級別的焊接接頭相比較，焊接接頭的疲勞強度提高3(Γ35%，具有較高的抗疲勞性能；實現(xiàn)了高強工程機械設(shè)備力學性能及抗疲勞性能的要求。因此，本發(fā)明合金元素含量相對簡單；所形成的焊縫金屬具有高強、高韌性和高耐磨性的特點，其強度能與80(Tl000MPa級工程機械高強鋼相匹配，焊接接頭具有較高的抗疲勞性能，能滿足對所焊接制備的工程機械設(shè)備的高強度和高疲勞性能的技術(shù)要求。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述，并非對本其保護范圍的限制 實施例I
一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲。該實芯焊絲的化學組分是C為 0，Μη 為 I. 50 1· 65wt%,Si 為 O. 40 0· 55wt%,Cr 為 18. 00^20. 00wt%,Ni為 4. 00 5· 50wt%,Mo為O. 50 0· 70wt%, P彡O. 002wt%, S彡O. 005wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本實施例所制備的實芯焊絲，直徑為Φ2. 5mm，采用鎢極氬弧焊焊接方法，焊接20mm厚的800MPa級工程機械用鋼。該級別工程機械鋼板的化學組分是C為彡O. 12wt%,Si 為 O. 15 O. 35wt%, Mn 為 O. 80 1· 50wt%, Cr 為 O. 02 O. 06wt%, Mo 為 O. 20 0· 60wt%, P 為(O. 003wt%, S為彡O. 015wt%。該800MPa級工程機械用鋼板的力學性能是抗拉強度為彡785MPa，屈服強度為彡685MPa，延伸率A=15% ;_20°C時沖擊功Akv彡47J。試板坡口型式為V型，單側(cè)坡口角度為45°。選用直徑Φ2. 5mm的鈰鎢極，氬氣純度大于99. 95%，氬氣流量為8 12L/min，氣體噴嘴直徑為Φ8 12πιπι，噴嘴伸出長度為4 5臟。焊接電流為7(Γ80Α，電弧電壓為14 16V，焊接速度為6 8cm/min。焊后進行焊縫金屬力學性能及焊接接頭疲勞性能分析焊縫金屬的屈服強度為680MPa，抗拉強度為815MPa，伸長率A=17%，-20°C時沖擊功平均值A(chǔ)kv=68J，硬度平均值為305 (HVlO);焊接接頭的疲勞性能在高頻疲勞試驗機上進行測試，頻率f為139赫茲，應(yīng)力循環(huán)比r為O. 1，循環(huán)次數(shù)為IO7次，試驗結(jié)果測得疲勞強度比同強度級別的焊接接頭提高35%。實驗結(jié)果表明采用本實施例所制備的SOOMPa實芯焊絲，經(jīng)鎢極氬弧焊焊接后，其焊縫金屬的力學性能完全滿足SOOMPa工程機械用鋼的技術(shù)要求，其焊接接頭也滿足工程機械設(shè)備的疲勞強度技術(shù)要求。實施例2
一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲。該實芯焊絲的化學組分是C為 0，Μη 為 I. 65 I. 80wt%, Si 為 O. 55 O. 70wt%, Cr 為 14. 00 18· 00wt%, Ni 為 5. 50 6· 50wt%,Mo為O. 70 1· 20wt%, P彡O. 002wt%, S彡O. 005wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本實施例所焊接的鋼板及坡口型式同實施例I。本實施例所制備的實芯焊絲，直徑為Φ1. 2mm，采用100%氬氣保護的氣體保護焊接工藝，焊接電流為285 340A，電弧電壓為31 33V。焊后進行焊縫金屬力學性能及焊接接頭疲勞性能分析焊縫金屬的屈服強度為698MPa，抗拉強度為830MPa，伸長率A=13%，-20 V時沖擊功平均值A(chǔ)kv=47J，硬度平均值為327 (HVlO);焊接接頭的疲勞性能在高頻疲勞試驗機上進行測試，試驗參數(shù)同實施例1，試驗結(jié)果測得疲勞強度比同強度級別的焊接接頭提高30%。實驗結(jié)果表明采用本實施例所制備的800MPa實芯焊絲，經(jīng)100%氬氣保護的氣體保護焊焊接后，其焊縫金屬的力學性能完全滿足SOOMPa工程機械用鋼的技術(shù)要求，其焊接接頭也滿足工程機械設(shè)備的疲勞強度技術(shù)要求。實施例3
一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲。該實芯焊絲的化學組分是C為 0，Μη 為 I. 80 2· 00wt%, Si 為 O. 70 0· 80wt%, Cr 為 12. 00 14· 00wt%, Ni 為 6. 50 8· 00wt%,Mo為I. 20 2· 00wt%, P彡O. 002wt%, S彡O. 005wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本實施例所制備的實芯焊絲，直徑為Φ2. 5mm，采用鎢極氬弧焊焊接方法，焊接20mm厚的IOOOMPa級工程機械用鋼。該IOOOMPa級工程機械鋼板的化學組分是C為 O. 10 0· 20wt%, Si 為 O. 20 0· 70wt%, Mn 為 I. 00 1· 70wt%, Mo 為 O. 30 0· 50wt%, Ni 為O. 30 0· 50wt%, Cr 為 O. 80 1· 20wt%, S ^ O. 02wt%, P ( O. 025wt% ;該鋼板的力學性能是屈服強度彡980MPa，抗拉強度為108(Tl370MPa，-2(TC沖擊韌性值彡25J。坡口型式及焊接工藝同實施例I。焊后進行焊縫金屬力學性能及焊接接頭疲勞性能分析焊縫金屬的屈服強度為91OMPa,抗拉強度為1158MPa，伸長率A=15%，-20°C時沖擊功平均值A(chǔ)kv=52J，硬度平均值為350 (HVlO);焊接接頭的疲勞性能在高頻疲勞試驗機上進行測試，試驗參數(shù)同實施例1，試驗結(jié)果測得疲勞強度比同強度級別的焊接接頭提高32%。實驗結(jié)果表明采用本實施例所制備的IOOOMPa實芯焊絲，經(jīng)鎢極氬弧焊焊接后，其焊縫金屬的力學性能完全滿足IOOOMPa工程機械用鋼的技術(shù)要求，其焊接接頭也滿足工程機械設(shè)備的疲勞強度技術(shù)要求。本具體實施方式
不含碳元素，以保證焊縫金屬具有較好的抗裂性能和沖擊韌性，并避免鉻的碳化物析出而耗損焊縫金屬中的鉻元素。鉻元素是該發(fā)明中的主要合金元素，含量在12wt%以上；鉻為鐵素體形成元素，保證焊縫金屬以δ相凝固；降低了奧氏體的相轉(zhuǎn)變溫度，促進低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物合金馬氏體的形成，提高焊縫金屬的強韌性；同時，鉻元素通過固溶強化的作用，提高焊縫金屬的強度。本發(fā)明含有適量的鎳元素，鎳元素為奧氏體形成元素，起到擴大奧氏體相區(qū)的作用，保證在高溫時，焊縫金屬全部轉(zhuǎn)變成奧氏體組織，沒有δ鐵素體的殘留；同時，鎳元素有助于提高材料的淬硬性。添加鑰元素，與鎳元素和錳元、素共同作用，使合金馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Ts)降低到150°C左右，合金馬氏體轉(zhuǎn)變完成溫度(Tf)降低到室溫，即在室溫下完成合金馬氏體的全部轉(zhuǎn)變。通過凈化鋼水，將焊絲的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而產(chǎn)生熱裂紋傾向。以上合金元素組成的化學成分，使焊縫金屬組織為全合金馬氏體，不殘留高溫δ鐵素體組織，不殘留Y奧氏體組織，保證了焊縫金屬的強度和韌性；另一方面在低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的相變應(yīng)力與焊接熱應(yīng)力相互抵消，將焊接殘余拉應(yīng)力減小到最小或為零，從而在很大程度上改善了因焊接殘余拉應(yīng)力而導致的焊接接頭疲勞強度的降低。本具體實施方式
所制備的實芯焊絲用于焊接高強工程機械用鋼，焊縫金屬形成合金馬氏體，合金馬氏體組織保證了較高的強度，較好的韌性，且合金馬氏體具有較高的耐磨性能，焊縫金屬的屈服強度達到68(T910MPa，抗拉強度達到815 1158MPa，延伸率A為13 17%，_20°C時沖擊功AkvS 52 68J，硬度值為305 350 (HVlO);通過調(diào)整合金成分，將馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度控制在150°C左右，馬氏體轉(zhuǎn)變完成溫度控制在室溫左右，最大程度地使低溫相變應(yīng)力與焊接熱產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力相抵消，將焊接殘余應(yīng)力弓I起的疲勞強度降低減小到最小，與相同強度級別的焊接接頭相比較，疲勞強度提高3(Γ35%，具有較高的抗疲勞性能；實現(xiàn)了高強工程機械設(shè)備力學性能及抗疲勞性能的要求。因此，本具體實施方式
合金元素含量相對簡單；所形成的焊縫金屬具有高強、高韌性和高耐磨性的特點，其強度能與80(Tl000MPa級工程機械高強鋼相匹配，焊接接頭具有較高的抗疲勞性能，能滿足對所焊接制備的工程機械設(shè)備的高強度和高疲勞性能的技術(shù)要求。權(quán)利要求
1. 一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲，其特征在于該實芯焊絲的化學組分是C 為 O，Mn 為 I. 50 2. 00wt%, Si 為 0. 40 0. 80wt%, Cr 為 12. 00 20. 00wt%, Ni為 4. 00 8. 00wt%, Mo 為 0. 50 2. 00wt%, P 彡 0. 002wt%, S 彡 0. 005wt%，余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高工程機械高強鋼焊接接頭疲勞性能的實芯焊絲。其技術(shù)方案是該實芯焊絲的化學組分是C為0，Mn為1.50~2.00wt%，Si為0.40~0.80wt%，Cr為12.00~20.00wt%，Ni為4.00~8.00wt%，Mo為0.50~2.00wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。使用本發(fā)明的實芯焊絲所形成的焊縫金屬具有高強、高韌性和高耐磨性的特點，其強度能與800~1000MPa級工程機械高強鋼相匹配，焊接接頭具有較高的抗疲勞性能，能滿足對所焊接制備的工程機械設(shè)備的高強度和高疲勞性能的技術(shù)要求。
文檔編號B23K35/30GK102632348SQ20121013344
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者吳開明, 張心保, 王紅鴻, 黃剛 申請人:武漢科技大學