極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料。更為具 體地，涉及助焊劑芯電弧焊焊接材料、埋弧焊焊接材料、氣體金屬電弧焊焊接材料及利用上 述焊接材料制造的焊接接頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于最近對(duì)液化天然氣（LNG)的需求暴增，用于運(yùn)輸、保管極低溫LNG的運(yùn)輸設(shè)備 及儲(chǔ)存儲(chǔ)罐的需求也隨之暴增。運(yùn)輸或儲(chǔ)存LNG的儲(chǔ)罐必須具備在LNG溫度即-165°C以下 的溫度下能夠充分承受沖擊的結(jié)構(gòu)。為此，作為在極低溫度下的沖擊韌性高的材料，代表性 的有Al、9%Ni鋼、不銹鋼（以下簡(jiǎn)稱為STS)。
[0003] 但是，A1的抗張強(qiáng)度比較低，需使用厚的A1板，因此存在焊接性差的問(wèn)題。
[0004] 而且，9%Ni鋼存在焊接材料（合金625材料：含有50重量％以上的Ni、20重量％ 以上的Cr)價(jià)格高、焊接接頭的屈服強(qiáng)度低的問(wèn)題，而STS存在價(jià)格高、熱變形率低及無(wú)法 確保極低溫度等問(wèn)題。
[0005] 因此，需要開發(fā)一種與Ni的價(jià)格相比價(jià)格低廉、且能夠確保焊接性能的作為奧氏 體穩(wěn)定性元素的用于極低溫的高M(jìn)n基焊接接頭。
[0006] 尤其，為了在-196°C以下的極低溫度下確保焊接構(gòu)造物的穩(wěn)定性，必須確保具有 27J以上的沖擊韌性的焊接接頭，而且為了制造結(jié)構(gòu)體需要常溫下的屈服強(qiáng)度為360Mpa以 上的焊接接頭。為此，目前使用Ni和Cr的含量高的材料（含有50重量％以上的Ni、20重 量％以上的Cr)來(lái)形成焊接接頭，但是目前還沒(méi)有開發(fā)出少量含有高價(jià)合金的焊接材料， 而且也沒(méi)有利用這種材料的焊接接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種在極低溫度環(huán)境下也能夠保持韌性優(yōu)異的奧氏體相 的同時(shí)防止焊接時(shí)的高溫龜裂，從而具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性及常溫屈服強(qiáng)度的焊接接 頭。
[0009] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種能夠制造所述焊接接頭的焊接材料。
[0010] 但是，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題并不限定于以上提及的技術(shù)問(wèn)題，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員能夠從以下記載的內(nèi)容清楚地理解其他所要解決的技術(shù)問(wèn)題。
[0011] (二）技術(shù)方案
[0012] 本發(fā)明提供一種極低溫鋼的焊接接頭，以重量％計(jì)，包括：C:0. 05~1.30% ; Si:0.2 ~1.8% ;Mn:0.4 ~23% ;Cr:0.01 ~12% ;Ni:23 ~49% ;Mo、Co及W元素中的一 種以上元素：〇. 01~10%;A1 :0. 2%以下；Ti:0. 9%以下；Nb和V元素中的一種以上元素： 0.9%以下；S和P元素中的一種以上元素：0. 035%以下；余量是Fe及其他不可避免的雜 質(zhì)。
[0013] 而且，本發(fā)明提供一種助焊劑芯電弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以 重量％計(jì)，所述助焊劑芯電弧焊接材料包括：c:0.05~1. 30%;Si:0. 2~1. 8%;Mn:0.5~ 25% ;P和S元素中的一種以上元素：低于0. 031%;Ni:25~50% ;A1 :1.5%以下；Ti02: 3. 5~15% ;K、Na及Li元素中的一種以上元素：0?01~1. 3%;Ti:2.4%以下；Mo、W及Co 元素中的一種以上元素：〇. 001~10% ;其余是Fe及其他不可避免的雜質(zhì)，其中，所述外皮 由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0. 05重量％以下、余量是Fe組成。
[0014] 而且，本發(fā)明提供一種埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料，包括：芯和裹住所 述芯的外皮，以重量％計(jì)，所述焊接材料包括：C:0. 05~1. 20%;Si:0. 3~1. 2%;Mn:3~ 15% ;P和S元素中的一種以上元素：0. 03%以下；Ni:25~50% ;A1 :1.5%以下；余量是 Fe及其他不可避免的雜質(zhì)，其中，所述外皮由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0. 0重量5% 以下、余量的Fe組成。
[0015](三）有益效果
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，可提供一種在極低溫環(huán)境下沖擊韌性優(yōu)異、在常溫下的屈服強(qiáng)度突 出的焊接接頭。而且，能夠提供一種能夠制造出所述焊接接頭，且包含少量的高價(jià)合金，從 而成本比較低的助焊劑芯電弧焊接材料、埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 一般，用在極低溫度下的高M(jìn)n鋼作為替代用于液化天然氣儲(chǔ)罐的9 %鎳鋼、 STS304鋼等而添加了高M(jìn)n的鋼，高M(jìn)n鋼在極低溫度下也會(huì)形成穩(wěn)定的奧氏體組織，因此具 有無(wú)需進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理等，焊接時(shí)在熱影響區(qū)（HAZ)不發(fā)生韌性劣化的特性。
[0021] 本發(fā)明的極低溫鋼的焊接接頭是能夠通過(guò)對(duì)用于極低溫用海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)備、能量 設(shè)備、造船設(shè)備及壓力容器等的極低溫用高M(jìn)n鋼進(jìn)行埋弧、助焊劑芯電弧、氣體金屬電弧 焊接（SAW，F(xiàn)CAWandGMAW)來(lái)得到，并且被設(shè)計(jì)成具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性。因此，通過(guò)控 制成分來(lái)使其在極低溫度環(huán)境下維持優(yōu)異的奧氏體相的同時(shí)在焊接時(shí)防止高溫龜裂，從而 提供具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性及常溫下的屈服強(qiáng)度的埋弧、助焊劑芯電弧及氣體金屬電弧 焊接接頭。
[0022] 而且，本發(fā)明的助焊劑芯電弧焊接材料、埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料 被設(shè)計(jì)成不僅能夠?qū)⑺鰳O低溫用高M(jìn)n鋼與另一種材料焊接，而且具有優(yōu)異的低溫沖擊 韌性。因此，通過(guò)控制成分使其在極低溫環(huán)境下維持優(yōu)異的奧氏體相的同時(shí)在焊接時(shí)防止 高溫龜裂，從而實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的全方位焊接。
[0023] 首先，對(duì)本發(fā)明的極低溫鋼的焊接接頭進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0024] 本發(fā)明的一個(gè)方面的焊接接頭，以重量％計(jì)，包括：C:0.05~1.30% ;Si:0.2~ 1. 8% ;Mn:0. 4~23% ;Cr:0. 01~12% ;Ni:23~49% ;Mo、Co、W元素中的一種以上元 素：0. 01~10%;A1 :0. 2%以下；Ti :0. 9%以下；Nb、V元素中的一種以上元素：0. 9%以下； S和P元素中的一種以上元素：0. 035 %以下；余量是Fe及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0025] 下面說(shuō)明所述各成分的數(shù)值限定的理由。下面，若不特別指定各成分的含量單位， 需留意要以重量％計(jì)算。
[0026] 碳（C) :0? 05 ~1. 30%
[0027] C作為能夠確保焊接金屬的硬度和焊接金屬的極低溫沖擊韌性的奧氏體穩(wěn)定性元 素，也是現(xiàn)存的最強(qiáng)的元素，并且，作為間隙元素能夠增強(qiáng)常溫下的屈服強(qiáng)度的必要元素。 但是，若添加的C含量低于0. 05%，其強(qiáng)度會(huì)降低，需增加能夠替代碳的合金元素的含量。 與此相反，若添加的C含量超過(guò)1. 30 %，存在焊接時(shí)與Mn、Cr等合金元素結(jié)合而產(chǎn)生MC、 123(：6等碳化物，具有在低溫下沖擊韌性下降及產(chǎn)生龜裂的問(wèn)題。
[0028] 硅（Si) :0? 2 ~1. 8%
[0029] 若Si含量低于0. 2%，焊接金屬內(nèi)的脫氧效果不充分、降低焊接金屬的流動(dòng)性，若 Si含量超過(guò)1. 8%，具有在焊接金屬內(nèi)誘發(fā)偏析而導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生斷裂的問(wèn)題。
[0030] 錳（Mn) :0? 4 ~23%
[0031]Mn作為生成低溫穩(wěn)定性?shī)W氏體的主要元素，是必須添加的材料，與Ni相比，是非 常低廉的元素。若Mn的添加量低于0. 4%，不會(huì)產(chǎn)生充分的奧氏體，因此在極低溫度下的韌 性非常低，若Mn的添加量超過(guò)23 %，存在產(chǎn)生過(guò)多的偏析，并誘發(fā)高溫龜裂、產(chǎn)生有害煙霧 等的缺點(diǎn)。
[0032] 鉻（Cr) :0? 01 ~12%
[0033] Cr是鐵酸鹽穩(wěn)定性元素，通過(guò)添加一定含量的Cr可降低奧氏體穩(wěn)定性元素的含 量，是增強(qiáng)耐蝕性及硬度的元素。添加0. 01重量％以上的少量Cr也可增強(qiáng)硬度和耐蝕性。 但是，如果添加超過(guò)12%，會(huì)生成過(guò)多的Cr基碳化物，從而降低極低溫韌性。
[0034] 鎳（Ni): 23 ~49%
[0035] Ni是奧氏體穩(wěn)定性元素，是必須要添加的元素，但由于價(jià)位非常昂貴，因此其添加 量?jī)?yōu)選維持在23~49 %，雖然其具有增強(qiáng)極低溫沖擊韌性的作用，但添加Ni會(huì)降低常溫下 的屈服強(qiáng)度，因此合適的添加量為23~49%。
[0036] 鉬（Mo)、鈷（Co)、鎢（W)元素中的一種以上元素：0. 01 %~10%
[0037] Mo、Co、W是增強(qiáng)基體的屈服強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度的元素，即使添加0. 01重量％以上的 少量的元素，也可以起到提高硬度的效果，但若添加量超過(guò)10 %，會(huì)促進(jìn)所述元素的碳化物 的產(chǎn)生，因此具有降低極低溫韌性的缺點(diǎn)。
[0038] 鋁（Al):0.2% 以下
[0039]添加A1會(huì)降低硬度，并且增加堆垛層錯(cuò)能（SFE:StackingFaultEnergy)，從而 起到確保在低溫下的韌性的作用。但是，若A1的含量超過(guò)0. 2%，在焊接接頭產(chǎn)生過(guò)多的氧 化物，從而具有降低極低溫沖擊韌性的缺