CN104923967B

CN104923967B - 可免除预热的高强高韧气保焊丝及焊缝金属

Info

Publication number: CN104923967B
Application number: CN201510354418.7A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 董利明; 郭慧英
Original assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: CN104923967A

Abstract

本发明公开了一种可免除预热的高强高韧气保焊丝及焊缝金属，以重量百分比为计的化学成分为C 0.03～0.07％，Si 0.25～0.45％，Mn 0.60～1.10％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 7.0～12.0％，Cr 17～21％，Ti 0.10～0.25％，余量为Fe及杂质元素的焊丝，采用混合气保焊后，得到的焊缝金属由马氏体、针状贝氏体和残余奥氏体构成，其抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥830MPa，‑40℃冲击功≥47J。可免除焊前预热和焊后热处理，焊缝金属中的残留奥氏体通过吸收扩散氢，降低了焊后冷裂纹敏感性，焊缝金属中的针状贝氏体有效提高了焊缝金属的低温韧性。

Description

可免除预热的高强高韧气保焊丝及焊缝金属

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种可免除预热的高强高韧气保焊丝及焊缝金属，特别是涉及一种适用于1000MPa级别高强度钢板的混合气保焊丝及焊缝金属。

背景技术

近年来，工程机械用泵车和吊臂、水电工程用压力水管、以及煤矿机械用液压支架等纷纷采用了抗拉强度800～1000MPa的高强度钢材，以提高结构部件的承载力和综合性能。一般情况下，该类钢板通常需要满足-20℃冲击功大于47J的要求。该类钢板通常采用控轧控冷和热处理的生产工艺，微观组织以回火马氏体为主；为确保力学性能和焊接性能，则采用低碳和低合金的设计原则，以降低焊前预热温度。

该类超高强度钢板在工业应用中离不开焊接装配，但国内尚无专门的匹配焊接材料。专利CN101244495A和CN101987403A中提到的焊丝均不能满足1000MPa的技术要求。专利CN102626836A提到了一种适合于钨极氩气保护焊焊接用实芯焊丝，采用该焊丝焊接，可得到全马氏体焊缝金属，其屈服强度在850MPa以上，抗拉强度在1050MPa以上，且-20℃冲击功在25J以上。虽然强度和韧性满足要求，但由于焊缝金属是马氏体组织，焊后冷裂纹敏感性大，易产生裂纹，需要焊前预热处理，效率低。针对上述缺点，专利文献特开2013-86134通过Cr和Ni合金元素的精确设计实现了马氏体和奥氏体焊缝组织设计，从而实现免除预热的惰性气体保护焊接，且焊缝金属的抗拉强度950MPa以上，但此焊丝和焊缝金属均针对惰性气体保护焊接，成本高，效率低。

上述方法均采用惰性气体保护焊接焊缝金属中的氧含量控制在50ppm内，以满足低温冲击韧性要求。但是当采用混合气体保护焊以后，焊缝金属的氧含量将从50ppm以下增加到100～450ppm之间，不能满足焊缝金属的低温韧性能要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可免除预热的高强高韧气保焊丝及焊缝金属，适用于混合气体保护焊，可免除焊前预热处理，满足超高强度要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

可免除预热的高强高韧气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C0.05～0.07％，Si 0.25～0.45％，Mn 0.60～1.10％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 7.0～12.0％，Cr18.2～21％，Ti 0.10～0.25％，余量为Fe及杂质元素，采用上述焊丝焊接制得的相应的焊缝金属以重量百分比为计其化学成分为C 0.06～0.07％，Si 0.25～0.45％，Mn 0.60～1.10％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 7.0～12.0％，Cr 17～21％，Ti 0.05～0.25％，O 0.01～0.04％，余为Fe及杂质元素。

进一步，所述的可免除预热的高强高韧气保焊丝适用于混合气保焊，保护气氛需选用含有95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热输入量5～18kJ/cm。

进一步，所述的焊缝金属由马氏体、针状贝氏体和残余奥氏体构成，其中针状贝氏体和残余奥氏体的体积含量在15～30％之间。

更进一步，所述的焊缝金属的屈服强度≥830MPa，抗拉强度≥1000MPa，-40℃冲击功≥104J。

焊丝及焊缝金属中的元素添加理由详述如下：

C：合适的C含量是保证焊缝强度的重要因素，因此C含量不宜过低，但过高的C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量也不宜过高；恶化焊缝金属冲击韧性的上贝氏体和马奥岛组织都与局部较高的C含量有关。因此，优选其含量为0.05-0.07％。

Si：是气保焊丝和焊缝金属中不可或缺的元素。一方面是焊缝金属中的脱氧元素，另一方面通过固溶强化能够有效提高焊缝金属的强度。但在本发明中，为防止过量Si添加对焊缝金属韧性的不利影响，优选其含量为0.25-0.45％。

Mn：在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素，有利于细化焊缝组织。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此优选Mn含量为0.60～1.10％。

Ni：主要是利用其韧化铁素体基体原理来提高焊缝金属的冲击韧性，同时也利用其增加淬透性来提高焊缝金属强度；但过高的Ni含量会降低焊缝金属的流动性，对焊缝成形不利，也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷。

另外，从焊缝金属的三项组织控制角度出发，当其含量≥7.0％，才能确保焊缝金属中有残余奥氏体存在。因此，优选其含量为7.0～12.0％。

Cr：用于Ni配合进行焊缝金属微观组织控制，在上述Ni含量范围内，Cr的优选含量为18.2～21.0％，且Cr≤0.6Ni+12。

Ti：是本发明中最重要的元素之一，主要用来形成大量细小、致密分布的含Ti氧化物粒子，从而通过晶内异质形核来形成一定比例的针状贝氏体组织，从而提高焊缝金属的低温冲击韧性。

O：与Ti进行脱氧反应、生成含Ti的氧化物粒子。

已有结果表明，将Ti和O的含量对其最终反应产物的尺寸、体积含量等产生决定影响。当比例合适时，可形成大量、细小、并呈致密均匀分布的氧化物粒子，且不容易聚集长大。这些呈致密分布、小尺寸的高熔点粒子的存在，在焊缝金属在焊后冷过程中将会成为异质形核质点、并秀发针状贝氏体形核，然后才会发生马氏体转变。氧化物粒子诱导生成的针状贝氏体一方面提高了焊缝金属的韧性，另一方面也会细化随后生成的马氏体组织，也会对韧性有益。

因此，应控制Ti含量为0.10～0.25％，控制O含量为0.01～0.04％。S，P对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量S≤0.01％，P≤0.01％。

本发明的有益效果：

1.本发明采用CrNiTi合金设计以及马氏体、针状贝氏体和残余奥氏体的多相焊缝金属组织设计，使焊接工艺可采用混合气保焊。

2.多相组织的焊缝金属组织设计提升了焊缝金属的低温冲击韧性，采用混合气保焊得到的焊缝金属的屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，其-40℃冲击功≥100J。

3.马氏体、针状贝氏体和残余奥氏体的三相结构的焊缝金属设计可免除焊前预热和焊后热处理，焊缝金属中的残留奥氏体通过吸收扩散氢降低了焊后冷裂纹敏感性，焊缝金属中的针状贝氏体有效提高了焊缝金属的低温韧性。

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。

经冶炼成钢锭、冶炼钢坯放入加热炉加热、高速无扭转轧机轧制成盘条。盘条经剥壳、酸洗、拉拔、镀铜制成直径为0.8～1.6mm成品焊丝。

在1000MPa级别钢板上进行坡口等焊前准备，采用含有95％级以上比例惰性气体的混合气体作为保护气氛、焊接热输入量5～18kJ/cm的焊接，即制成焊接接头和焊缝金属。

实施例1：

采用上述方法制得直径1.2mm气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C0.05％，Si 0.32％，Mn 0.76％，S 0.005％，P 0.009％，Ni 8.80％，Cr 18.7％，Ti0.16％，其余为Fe及杂质元素。

采用95％Ar+5％CO₂的混合气体作为保护气氛，热输入量为9kJ/cm。选用8mm厚、抗拉强度1150MPa的钢板作为母材，采用单面V型坡口，坡口角度为55°，不摆动，无预热和焊后热处理。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

焊缝金属的化学成分为：C 0.06％，Si 0.28％，Mn 0.96％，S 0.004％，P0.006％，Ni 8.2％，Cr 17.4％，Ti 0.12％，O 0.024％，其余为Fe及杂质元素，且Ceq 4.1，

经检验，焊缝金属的屈服强度为868MPa，抗拉强度为1037MPa，-40℃冲击功126J。焊缝金属由马氏体、针状贝氏体和少量残余奥氏体构成，针状贝氏体和残余奥氏体的体积含量为24％。

实施例2：

采用上述方法制得直径1.0mm气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C0.07％，Si 0.28％，Mn 0.92％，S 0.004％，P 0.007％，Ni 11.4％，Cr 18.2％，Ti0.14％，其余为Fe及杂质元素。

采用98％Ar+2％O₂的混合气体作为保护气氛，热输入量为5kJ/cm。选用6mm厚、抗拉强度1076MPa的钢板作为母材，采用单面V型坡口，坡口角度为55°，不摆动，无预热和焊后热处理。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

焊缝金属的化学成分为：C 0.06％，Si 0.28％，Mn 0.85％，S 0.003％，P0.005％，Ni 10.8％，Cr 17.6％，Ti 0.11％，O 0.018％，其余为Fe及杂质元素，且Ceq 4.2。

经检验，焊缝金属的屈服强度为862MPa，抗拉强度为1053MPa，-40℃冲击功118J。焊缝金属由马氏体、针状贝氏体和少量残余奥氏体构成，针状贝氏体和残余奥氏体的体积含量为18％。

实施例3：

采用上述方法制得直径1.2mm气保焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：C0.06％，Si 0.42％，Mn 1.05％，S 0.003％，P 0.006％，Ni 8.6％，Cr 20.6％，Ti0.22％，其余为Fe及杂质元素。

采用95％Ar+5％CO₂的混合气体作为保护气氛，热输入量为14kJ/cm。选用16mm厚、抗拉强度1088MPa的钢板作为母材，采用双面V型坡口，坡口角度为45°，无预热和焊后热处理。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

焊缝金属的化学成分为：C 0.06％，Si 0.36％，Mn 0.96％，S 0.003％，P0.005％，Ni 8.2％，Cr 19.4％，Ti 0.18％，O 0.036％，其余为Fe及杂质元素，且Ceq 4.3。

经检验，焊缝金属的屈服强度为856MPa，抗拉强度为1042MPa，-40℃冲击功104J。焊缝金属由马氏体、针状贝氏体和少量残余奥氏体构成，针状贝氏体和残余奥氏体的体积含量为26％。

通过上述实施例可知，本发明可免除预热的高强高韧气保焊丝用于混合气保焊，保护气氛选用含有95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热入量5-18kJ/cm，可制得屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1000MPa，-40℃冲击功≥100J的高强高韧焊缝金属。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.可免除预热的高强高韧气保焊丝，其特征在于：以重量百分比为计的化学成分为：C0.05～0.07％，Si 0.25～0.45％，Mn 0.60～1.10％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 7.0～12.0％，Cr 18.2～21％，Ti 0.10～0.25％，余量为Fe及杂质元素；采用上述焊丝焊接制得的相应的焊缝金属以重量百分比为计其化学成分为C 0.06～0.07％，Si 0.25～0.45％，Mn0.60～1.10％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 7.0～12.0％，Cr 17～21％，Ti 0.05～0.25％，O0.01～0.04％，余为Fe及杂质元素；且Cr≤0.6Ni+12。

2.根据权利要求1所述的可免除预热的高强高韧气保焊丝，其特征在于：所述的气保焊丝适用于混合气保焊，保护气氛选用含有95％或以上比例的惰性气体的混合气体，焊接热输入量5～18kJ/cm。

3.根据权利要求1所述的可免除预热的高强高韧气保焊丝，其特征在于：焊缝由马氏体、针状贝氏体和残余奥氏体构成，其中针状贝氏体和残余奥氏体的体积含量在15～30％之间。

4.根据权利要求1所述的可免除预热的高强高韧气保焊丝，其特征在于：焊缝金属的屈服强度≥830MPa，抗拉强度≥1000MPa，-40℃冲击功≥104J。