CN103480983B - 一种9Ni钢的高强高韧气保焊缝金属 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种9Ni钢的高强高韧气保焊缝金属，以重量百分比计其化学成分组成为：C≤0.04%，Si？0.01～0.30%，Mn？0.30～0.70%，P≤0.006%，S≤0.004%，Mo？5～10%，REM？0.005～0.05%，Ti？0.05～0.5%，余量为Ni及不可避免杂质。本发明采用药芯焊丝的混合气体Ar+10～20%CO2保护焊接方法获得，具有优良的综合性能，焊缝抗拉强度≥718MPa，断后延伸率≥44%，-196℃冲击功≥70J；且焊接热裂纹敏感性小，可实现在高电流、大焊接速度下获得高质量焊缝。本发明技术可为我国LNG低温储罐的焊接装配提供解决方案。

Description

一种9Ni钢的高强高韧气保焊缝金属
技术领域
本发明涉及一种9Ni钢的高强高韧焊缝金属，特别涉及一种9Ni低温钢的药芯焊丝气保焊缝金属，属低温钢配套焊接材料领域。
背景技术
9Ni钢是美国国际镍公司于1944年开发的含镍量为9%的低碳钢。随着对液化天然气（LNG）需求的增加，9Ni钢作为其储罐用钢已被普遍接受，且储罐结构不断向大型化方向发展。9Ni低温钢的焊接是LNG低温储罐建造的关键点和难点之一。手工焊条电弧焊和埋弧焊接是LNG储罐建造中使用最广泛的焊接技术。埋弧焊接由于自动化程度高、焊接质量可控，以及焊接效率高等优点在水平纵向焊缝，甚至是垂直焊缝中得到了应用。手工电弧焊则由于全位置焊接、以及野外适应能力得到了广泛应用。
与手工电焊条相比较，实芯焊丝或药芯焊丝的气保焊接具有熔敷效率高的优点；但由于气保焊接接头的焊缝金属中氧含量较高，导致焊缝金属低温冲击韧性下降、以及热裂纹敏感性增加等缺点，因此气体保护焊接一直未能在LNG储罐建造过程中得到推广应用。目前，有必要开发9Ni低温钢的专用气保焊丝。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种气保焊丝，采用该焊丝焊接后可得到低温冲击韧性优异的9Ni低温钢的气保焊缝金属。在较大焊接工艺参数范围内，能够得到无缺陷的焊接接头，且焊缝金属的抗拉强度≥718MPa，延伸率≥44%，-196℃冲击功≥70J。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种9Ni钢用高强高韧气保焊缝金属，其化学成分以重量百分比计组成如下：C≤0.04%，Si0.01～0.30%，Mn0.30～0.70%，P≤0.006%，S≤0.004%，Mo5～10%，REM0.005～0.05%，Ti0.05～0.5%，余量为Ni及不可避免杂质。
采用匹配的气保焊丝，采用混合保护气体，在给定的焊接参数条件下，可得到性能优异并含有上述化学成分的9Ni低温钢气保焊缝金属。
按上述方案，所述气保焊缝金属采用大电流高速度气体保护焊接方法获得，保护气体为Ar+10～15％CO2，焊接电流250～300A，焊接速度45～60cm/min。
对于Ni基合金材料的焊缝金属来说，焊接凝固阶段容易发生热裂纹，其与焊缝金属的化学成分有直接关系。凝固阶段的脆性转变温度（BTR）常被用来评价焊缝金属的热裂纹倾向，即BTR(K)=38.7+358.7×C+29.3×Si-0.3×Mn+212.7×P+330.8×S+2.6×Cr+1.0×Mo+14.5×Nb+2.9×Fe，式中的化学元素均以重量百分比计算。计算BTR数值大代表热裂纹敏感性强，数值小代表热裂纹敏感性小。
本发明中各元素的作用和含量限定的理由详述如下：
C：C含量高对镍基材料的低温冲击韧性和焊接性能不利；此外依据Ni基合金的热裂纹敏感性计算公式(即BTR数值)可知，降低C可有效降低焊缝金属的热裂纹敏感性。综合考虑，本发明C含量控制为≤0.04％。
P：从BTR计算公式可知，C，P和S是影响Ni基焊缝金属热裂纹倾向最重要的三个元素。因此，P只作为杂质元素，其含量控制为≤0.006%。
S：与P元素基于同样考虑，作为杂质元素，其含量控制为≤0.004%。
Si：是焊缝金属中不可或缺的脱氧元素，因此其含量应该≥0.01%；另一方面也增加了焊缝金属的热裂纹倾向、并对焊缝金属的低温冲击韧性造成不利影响，因此控制其含量≤0.30%。因此，本发明Si含量在0.01～0.30%。
Mn：是焊缝金属中的主要脱氧元素之一，同时也能提高钢板和焊缝金属强度最有效的元素之一，因此其含量应该≥0.30%；但对于Ni基焊缝金属来说，较高的Mn含量（比如≥0.70%）会显著降低焊缝金属低温冲击韧性。因此，本发明Mn含量控制为0.30～0.70%。
Mo：是能够同时提高焊缝金属强度和低温冲击韧性的主要元素中的主要元素之一，其含量控制为5～10%。
REM：是本发明中的关键元素之一，一方面可以脱氧，来降低焊缝金属中的氧含量、从而提高焊缝金属低温冲击韧性；另一方面还可以净化晶界、并改善C，P和S在晶界的偏析，从而提高抗热裂纹敏感性，其含量为0.005～0.05%。
Ti：是本发明的关键元素之一，与REM同时可以更好发挥脱氧作用，并能把焊缝金属的氧含量稳定控制在较低的水平，从而有利于控制焊缝金属的低温冲击韧性；另一方面，会在焊缝金属中形成大量尺寸细小、致密分布的氧化物，从而起到细化焊缝金属晶粒尺寸，达到提高强度的目的。其含量应为Ti0.05～0.5%，
Ni：是本发明的关键元素之一，是保证焊缝金属低温韧性最关键的元素，综合焊缝金属的强度和韧性要求，确定本发明焊缝金属为Ni基成分。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：（1）提供了高强度高韧性的气保焊缝金属，为气保焊接方法在9Ni低温钢罐的制造加工过程中的应用提供了基础，相比较手工电弧焊则提高了焊接效率；（2）本发明提供的气保焊缝金属的低温冲击韧性优良且稳定，其-196℃冲击功≥70J；（3）本发明提供的气保焊缝金属焊接热裂纹敏感性小，可实现在高电流、大焊接速度下获得高质量焊缝。
具体实施方式
以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
焊接试板采用20mm厚度9Ni钢板，其化学成分（重量百分比）包括：0.05C，0.34Si，0.55Mn，0.0035P，0.0025S，9.24Ni，余量为Fe及杂质。采用V型60°坡口，坡口间隙为1mm，钝边为3mm。
实施例1：选用匹配焊丝，焊接电流为260A，焊接速度为48cm/min，层间温度≤100℃，保护气体为Ar+12%CO2，进行气体保护焊接试验。
实施例2：选用匹配焊丝，焊接电流为280A，焊接速度为53cm/min，层间温度≤100℃，保护气体为Ar+15%CO2，进行气体保护焊接试验。
实施例3：选用匹配焊丝，焊接电流为290A，焊接速度为58cm/min，层间温度≤100℃，保护气体为Ar+18%CO2，进行气体保护焊接试验。
焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现缺陷。对上述焊接接头的焊缝金属的化学成分、强度和低温冲击韧性进行测试，其结果分别见表1、表2和表3。
表1实施例焊缝金属的化学成分（以重量百分比计）
C Si Mn P S Mo REM Ti Ni
实施例1 0.02 0.15 0.45 0.005 0.0025 7.4 0.04 0.12 余量
实施例2 0.03 0.12 0.60 0.004 0.0032 9.2 0.03 0.26 余量
实施例3 0.02 0.25 0.35 0.004 0.0028 6.5 0.01 0.35 余量
表2实施例焊缝金属的拉伸性能
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/% 断面收缩率/%
实施例1 456 725 44 46
实施例2 448 728 46 45
实施例3 452 718 45 46
表3实施例焊缝金属的冲击性能
通过上述实施例可知，采用本发明技术可得到无缺陷的9Ni低温钢的气保焊接接头，且焊缝金属的抗拉强度≥718MPa，断后延伸率≥44%，-196℃冲击吸收功≥70J，解决了9Ni低温钢储罐焊接加工无法应用气保焊接方法的瓶颈难题。

Claims (3)

1.一种9Ni钢的高强高韧气保焊缝金属，其特征在于，以重量百分比计的化学成分组成为：C≤0.04％，Si0.01～0.30％，Mn0.30～0.70％，P≤0.006％，S≤0.004％，Mo5～10％，REM0.005～0.05％，Ti0.05～0.5％，余量为Ni及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的气保焊缝金属，其特征在于，所述焊缝金属采用大电流高速度气保焊接方法获得，保护气体为Ar+10～15％CO2，焊接电流250～300A，焊接速度45～60cm/min。
3.根据权利要求1～2任一所述的气保焊缝金属，其特征在于：所述的气保焊缝金属抗拉强度≥718MPa，延伸率≥44％，-196℃冲击功≥70J。
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