專利名稱：低合金高強(qiáng)度高韌性埋弧焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接材料，具體地說是一種中錳低硅微合金化埋弧焊絲，主要用于埋弧焊，特別適用于橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接。
對(duì)于橋梁、船舶、大型壓力容器等大型結(jié)構(gòu)，鋼板較厚，接頭形式多樣，拘束度大，使用環(huán)境溫度較低，焊接接頭要求有較高的沖擊韌性和抗裂性能，對(duì)焊接材料提出了很高的要求。
近十年來，國(guó)際上開發(fā)了Ti、B微合金化焊絲。Ti、B的作用機(jī)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(nèi)鐵素體核，促進(jìn)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(yè)部鋼鐵研究總院等申請(qǐng)的“低碳微合金化埋弧焊絲”，專利申請(qǐng)?zhí)枮?2105621.4及1982年1月申請(qǐng)的英國(guó)專利GB 2090615“微鉬或無(wú)鉬焊接材料”。這些焊絲采用了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于韌性仍然偏低，特別是在大線能量焊接、焊后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(shí)，焊縫金屬-40℃ V型沖擊功約為80J，而當(dāng)焊縫為4道時(shí)，則下降為29J。C-Mn-(Mo)-Cr-Ti-B焊絲雖然焊縫熱處理后性能有所改善，但其韌性仍難以與目前先進(jìn)的鋼材相匹配，難以滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)焊接需求。這些焊絲多用于焊接線能量20KJ左右較薄板的焊接，板厚≥35mm焊接未見應(yīng)用，且焊絲中Mn、Mo、Cr等合金元素的含量普遍較高，難以同時(shí)保持優(yōu)良的焊縫強(qiáng)度和韌性，合金元素的加入也使焊絲成本大為提高。
本發(fā)明目的在于提供一種適合大線能量焊接、焊后焊縫性能優(yōu)良的埋弧焊絲；該焊絲對(duì)厚鋼板焊接的坡口角度及焊接線能量有較強(qiáng)的適應(yīng)性，焊前不預(yù)熱，焊后不需熱處理，焊接工藝性能好；適用于橋梁、船舶、壓力容器等大型結(jié)構(gòu)的焊接制作。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，提供一種合金高強(qiáng)度高韌性埋弧焊絲，其特征在于焊絲的化學(xué)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，余量為Fe及不可避免的S、P，還需嚴(yán)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(fā)明焊絲化學(xué)成份的設(shè)計(jì)原則說明如下C含量小于0.06％時(shí)，焊絲強(qiáng)度較低，焊縫金屬中鐵素體比例較高，不利于針狀鐵素體的形成，而超過1.2％會(huì)使焊縫金屬的強(qiáng)度過高，珠光體比例增大，也不利于針狀鐵素體的大量形成。
Si焊縫中含Si量應(yīng)控制在0.4％以下，由于焊劑及母材中含有較高的Si，在焊接過程中增Si現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此應(yīng)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(qiáng)化的有效元素，當(dāng)焊縫金屬中Mn含量小于1.0％時(shí)，焊縫強(qiáng)度偏低，當(dāng)焊縫中Mn含量高于1.6％時(shí)，焊縫金屬的低溫韌性明顯下降。Mn在焊縫中有利于脫氧，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(yīng)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沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)Mn和Ni能在相當(dāng)大的含量范圍內(nèi)有利于改善焊縫金屬的韌性。但因其屬于貴重元素不宜多加，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(xì)化焊縫金屬組織。Ti與N具有極高的親和力，Ti與N結(jié)合形成TiN質(zhì)點(diǎn)，作為晶核，促使細(xì)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，由于Ti過度系數(shù)低，焊絲中Ti含量應(yīng)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(zhuǎn)變的溫度，促進(jìn)晶粒內(nèi)針狀鐵素體的形成。針狀鐵素體數(shù)量的增加，會(huì)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％，由于過度系數(shù)較低，焊絲中B含量為0.006～0.01％。
S、P元素對(duì)焊縫金屬低溫韌性有危害作用，應(yīng)盡量降低。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(jìn)入焊絲鋼水中，對(duì)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(shí)，N成為必要的元素，焊絲中N的含量應(yīng)小于0.005％。
歸納起來為適當(dāng)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(qiáng)度，細(xì)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(shù)量，提高焊縫金屬的低溫韌性。
本發(fā)明焊絲所用Mn-Ni-Ti-B系合金，焊絲的冶煉工藝穩(wěn)定容易實(shí)現(xiàn)，焊絲的成本較低。
實(shí)施例1本發(fā)明焊絲采用電爐冶煉，冶煉時(shí)脫氧用金屬M(fèi)n鐵，終脫氧加Ti，然后再加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(chǎn)的焊絲與SJ101通用燒結(jié)焊劑匹配，焊接板厚25mm的16Mn鋼，開V型坡口，焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理，所得焊縫金屬的機(jī)械性能及V型缺口沖擊功為6s＝475MPa，6b＝570MPa，δ5＝29％，ψ＝75％，AKV(-40℃)＝129J。由于焊縫中存在大量的晶內(nèi)細(xì)針狀鐵素體，使得焊縫金屬的韌性尤其是低溫沖擊韌性得到很大提高。實(shí)施例2本發(fā)明的焊絲主要成分在焊接時(shí)對(duì)焊接線能量及坡口形式及板厚適應(yīng)性強(qiáng)。采用本焊絲對(duì)橋梁鋼板進(jìn)行對(duì)接焊接，鋼板厚度32～50mm，雙U型坡口，坡口角度50～70°，焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理。
焊接鋼板的化學(xué)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(fā)明的焊絲對(duì)焊接線能量的適應(yīng)性當(dāng)焊接線能量為35KJ/cm時(shí)，焊接道數(shù)18道，AKV(-40℃)＝168J，當(dāng)焊接線能量為44KJ/cm時(shí)，焊接道數(shù)15道，AKV(-40℃)＝111J。可見，盡管焊接線能量變化范圍大，焊接道數(shù)多，存在后道焊縫對(duì)前道焊縫的再熱作用，但焊縫韌性均較高，焊絲能適應(yīng)多道和大線能量的焊接。
本發(fā)明的焊絲對(duì)鋼板厚度的適應(yīng)性當(dāng)焊接鋼板的板厚為32mm時(shí)，焊接道數(shù)為7道，AKV(-40℃)＝196J，當(dāng)板厚為50mm時(shí)，AKV(-40℃)＝168J?？梢姡搴裨黾訒r(shí)，焊縫低溫韌性有所下降，但總體水平仍然較高，焊絲能適應(yīng)不同厚度鋼板的焊接。
本發(fā)明的焊絲對(duì)鋼板坡口角度的適應(yīng)性對(duì)50mm厚的鋼板，當(dāng)坡口為50°、60°、70°，線能量為36KJ/cm時(shí)，AKV(-40℃)分別為129J、110J和102J，焊絲對(duì)坡口角度有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
本發(fā)明的焊絲對(duì)焊劑的適應(yīng)性采用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，焊縫沖擊功都非常高，不同的焊劑對(duì)焊縫的沖擊功無(wú)明顯影響。
采用本發(fā)明焊絲進(jìn)行T型拘束抗裂試驗(yàn)，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，在所選的焊接條件范圍內(nèi)，即使是在多道埋弧焊的條件下，焊縫金屬的沖擊韌性都比較好。由于橋梁、壓力容器、工程機(jī)械等大型結(jié)構(gòu)的焊接工藝條件與此相當(dāng)，因此本發(fā)明焊絲適合于這些領(lǐng)域的焊接應(yīng)用。
本發(fā)明的焊絲具有如下顯著的效果1.采用本發(fā)明焊絲焊接的焊縫金屬具有優(yōu)良的綜合性能，有較高的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性以及優(yōu)良的抗裂性能。
2.本發(fā)明的焊絲特別適合于大線能量焊接，即使當(dāng)線能量達(dá)44KJ/cm，焊縫的-40℃沖擊功仍然很高，達(dá)到111J，遠(yuǎn)高于其它焊絲的沖擊功。焊絲對(duì)焊接線能量及坡口形式適應(yīng)性強(qiáng)，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理，適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)工藝條件。因此是大型結(jié)構(gòu)焊接的理想的焊接材料。
3.本發(fā)明的焊絲可用于單層或多層、單面或多面多種工藝要求以及各種厚度板的焊接。
4.本發(fā)明的焊絲成分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用的合金元素Mn、Ni含量都不高，焊絲成本低，冶煉工藝穩(wěn)定，易生產(chǎn)、易推廣。
本發(fā)明的焊絲適用于橋梁、石油管線、大型壓力容器等結(jié)構(gòu)的焊接。
權(quán)利要求
1.一種低合金高強(qiáng)度高韌性埋弧焊絲，其特征在于化學(xué)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，余量為Fe及不可避免的S和P，還需嚴(yán)格控制焊絲中的[O]和[N]含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊絲，其特征在于焊絲中不可避免的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(fā)明為一種低合金高強(qiáng)度高韌性埋弧焊絲,其化學(xué)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,余量為Fe及不可避免的S和P。本焊絲為中錳低硅微合金化埋弧焊絲,焊后焊縫具有高的強(qiáng)度及低溫沖擊韌性,對(duì)大厚板焊接的坡口角度及焊接線能量有較強(qiáng)的適應(yīng)性,焊前不需預(yù)熱,焊后不需進(jìn)行熱處理,焊接工藝性能好,能廣泛用于橋梁、石油管線、大型壓力容器等結(jié)構(gòu)的焊接。
文檔編號(hào)B23K35/30GK1200317SQ9710439
公開日1998年12月2日 申請(qǐng)日期1997年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月26日
發(fā)明者繆凱, 楊建東, 王玉濤, 黃治軍, 劉吉斌, 朱學(xué)剛, 高長(zhǎng)益, 黃辰奎, 丁韋 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司, 鐵道部科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所