CN104959748A

CN104959748A - 一种海工低温高强钢专用药芯焊丝

Info

Publication number: CN104959748A
Application number: CN201510378935.8A
Authority: CN
Inventors: 吴光辉; 张少健; 王天虎
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2015-10-07

Abstract

本发明公开了一种海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，按质量百分比计，药芯原料成分包括：金红石35～40％；氧化镁和/或氧化钙2～5％；锆英砂0.5～2％；低碳锰铁15～25％；氟化镁4～6％；铝镁合金2～4％；硅铁7～10％；钛铁5～8％；稀土氧化物0.5～2％；镍粉9～11％；余量为铁粉及不可避免的杂质。该药芯焊丝无添加硼(B)元素，具有优良的焊接工艺性能，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥470MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥22％；-60℃时，KV₂≥50J。

Description

一种海工低温高强钢专用药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种海工低温高强钢专用药芯焊丝。

背景技术

药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能及焊接效率，在造船、海洋工程等行业得到越来越多应用，在海洋石油钻井平台建造中需要大量使用低温高强钢焊接材料，尤其需要具有良好低温冲击韧性的药芯焊丝。同时，由于海洋石油钻井平台使用了很多大厚板，对焊接材料还要求有良好的抗裂性。

目前钻井平台及海工项目中常用的高强钢钢板主要包括A514、A517、EQ70、WELDOX700、EQ51、EQ63等，而相应的焊接材料均为美国及意大利的产品。

CN101450426B公开了一种低温钢药芯焊丝，它的药芯原料包括金红石、硅灰石、硅锰合金、铁粉、镍粉、冰晶石、长石、钛铁、硼铁、中碳锰铁、镁砂、石英、萤石。其为偏酸性渣系，熔敷金属-40℃低温冲击功平均值为78J(焦耳)。

CN103692110A公开了一种海洋工程用气保护药芯焊丝，药芯包括金红石、氟化物、其它造渣剂、强脱氧剂、弱脱氧剂、合金剂，其余为铁粉，其中合金剂中至少含有占药芯总质量2～5％的镍粉。该药芯焊丝屈服强度等级为375Mpa，熔敷金属低温冲击试验温度为-40℃。

当前大部分气体保护焊接用药芯焊丝通常只能满足-40℃低温冲击韧性要求且屈服强度低于470MPa。为了满足低温韧性要求，常常采用钛-硼(Ti-B)作为合金细化元素。而众所周知，相对其它常规元素，硼(B)对抗裂性危害更大，如冷裂纹敏感指数

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

其中硼的系数最高，达到5，而在P^`cm的计算公式中，硼的系数更高达23。因此，使用Ti-B细化焊缝金属时需要严格控制硼的含量，但实际很难稳定控制其含量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中焊接材料抗裂性不佳、低温冲击韧性不理想的情况，提供一种无添加硼(B)元素力学性能可满足-60℃冲击韧性要求，且满足屈服强度等级更高的海工低温高强钢专用药芯焊丝。

本发明提供的海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，按质量百分比计，药芯原料成分包括：金红石35～40％；氧化镁和/或氧化钙2～5％；锆英砂0.5～2％；低碳锰铁15～25％；氟化镁4～6％；铝镁合金2～4％；硅铁7～10％；钛铁5～8％；稀土氧化物0.5～2％；镍粉9～11％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

本发明中，含有大量金红石，可确保具有良好焊接工艺适用性。采取Al-Mg-Ti-Si-Mn联合脱氧方式，Al、Mg、Ti、Si、Mn来源于铝镁合金、钛铁、硅铁、低碳锰铁。其原理是：铝、镁、钛、硅、锰与氧元素的亲和力大于铁，优先与氧发生氧化反应，减少铁的氧化，同时有部分硅、锰作为合金成分过渡到焊缝中，从而确保焊缝金属屈服强度能达到470MPa以上。

药芯中金红石主要成分是TiO₂，起造渣作用。金红石少于35％时，立焊难操作，成型不好；金红石多于40％时，熔渣熔点升高，焊缝成形变差。

氧化镁和/或氧化钙主要用于调节熔渣碱度。碱金属氧化物少于2％时，提高碱度作用不显著；多于5％时，熔渣熔点变高，渣聚集成团，焊缝成形变差，焊接时飞溅变多变大。氧化镁和/或氧化钙可降低锆英砂中SiO₂活度，有利于锆英砂中ZrO₂作为形核剂，促使针状铁素体形核，从而提高焊缝金属冲击韧性。锆英砂少于0.2％，ZrO₂含量低，形核作用不明显；锆英砂多于2％，需要更多碱金属氧化物提高碱度，焊接工艺变差。

低碳锰铁是指含碳量小于0.7％的锰铁合金，可以参与脱氧，同时具有渗合金作用。药芯中低碳锰铁少于15％，焊缝Mn含量低，难以形成针状铁素体，冲击韧性低；低碳锰铁多于25％，焊缝Mn含量过高，易形成马氏体，提高抗拉强度降低冲击韧性。

氟化镁(MgF₂)焊接中可以脱氢，降低焊缝氢含量，减少产生冷裂纹的机率，含量少于4％时，脱氢作用不明显；多于6％时，焊接过程中熔滴变大，飞溅增多，焊接工艺变差。此外，氟化镁脱氢后可形成MgO，进一步提高熔渣碱度。

铝镁合金作为脱氧剂，脱氧产物为Al₂O₃和MgO。适量的Al₂O₃可改善全位置焊接操作工艺性能，MgO可提高熔渣碱度。铝镁合金作为脱氧剂，可使熔池反应中形成Ti₂O₃，促使针状铁素体形核，从而提高焊缝冲击韧性。

硅铁、钛铁作为脱氧剂，同时具有渗合金作用，确保熔敷金属屈服强度等级满足470MPa。含量过多时，屈服强度过高，焊缝冲击韧性下降，太少则焊缝强度达不到要求。硅铁是硅和铁按一定比例组成的铁合金，可直接购买市售商品，牌号有FeSi75、FeSi65、FeSi45等。钛铁是含钛量为20％～27％(质量百分含量)的铁合金，可直接购买市售商品，牌号有FeTi30、FeTi40等。

稀土氧化物可细化晶粒，含量少于0.5％时，作用不明显；多于2％，焊缝金属中稀土含量过多，反而降低冲击韧性。

镍粉含有大量Ni，作为渗合金剂使用。焊缝含有适量的Ni，可降低脆性转变温度，使低温冲击韧性满足要求。

上述药芯配方中不添加硼，通过各特定用量成分之间的相互作用来实现提高冲击韧性和抗屈服强度的要求。

优选地，所述药芯的质量占药芯焊丝总质量的13～17％。

优选地，所述锆英砂中ZrO₂的质量百分比在65％以上。锆英砂主要成分是ZrO₂、SiO₂等。当ZrO₂的质量百分比较低时，SiO₂等其它成分含量较高，将降低熔渣碱度，会降低焊缝冲击韧性数值。

优选地，所述氧化镁和/或氧化钙，与锆英砂的质量比大于等于2。锆英砂主要成分ZrO₂、SiO₂均为酸性氧化物，氧化镁和/或氧化钙为碱性氧化物。氧化镁和/或氧化钙，与锆英砂的质量比值影响焊接熔渣的碱度，当比值大于等于2时，可确保焊缝获得较好的韧性。

优选地，所述氧化镁为电熔镁砂。电熔镁砂中MgO含量高，杂质含量低，且其结构致密，相对其它含MgO材料(如轻烧镁砂)，具有较好的耐潮性，有利于获得扩散氢更低的焊缝。

优选地，所述锆英砂的颗粒直径小于74μm。锆英砂熔点很高，可达2200℃以上。当其粒度大于74μm时，焊接过程难以熔化，易在焊缝表面形成“麻点”。

本发明还提供上述任一海工低温高强钢专用药芯焊丝的焊接方法，焊接条件为：保护气体CO₂，纯度99.95％；焊接电流230～240A；焊接电压26～27V；焊接速度28～32mm/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的药芯焊丝使用CO₂保护气体焊接，具有优良的焊接工艺性能，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥470MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥22％；-60℃时，KV₂≥50J。

2、本发明的药芯焊丝没有添加硼，焊缝金属具有良好的抗冷裂性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例药芯焊丝配方见表1，钢皮为SPCC钢带，采用常规药芯焊丝制造工艺。

其中，实施例1、3的金属氧化物为普通氧化镁，稀土氧化物为氧化钇。实施例2为电熔镁砂，稀土氧化物为氧化钇。实施例4的金属氧化物为氧化钙，稀土氧化物为氧化镧，实施例5～9的金属氧化物为氧化镁和氧化钙的混合物，稀土氧化物为混合稀土；其中实施例5、7和9中氧化镁为电容镁砂。实施例4、5和9中锆英砂粒度小于200目(小于74μm)，其中ZrO₂的质量百分比在65％以上。

表1药芯焊丝配方(质量百分比)

表2所示为实施例药芯焊丝熔敷金属的化学成分与力学性能。焊接条件：保护气体CO₂，纯度99.95％；焊接电流230～240A；焊接电压26～27V；焊接速度约30mm/min。

表2熔敷金属的化学成分与力学性能

从表1及表2所示实施例的化学成分可以得出：本发明的药芯焊丝使用CO₂保护气体焊接，熔敷金属和焊接接头综合性能：屈服强度≥470MPa；抗拉强度≥550MPa；伸长率≥22％；-60℃条件下，Akv≥50J。

表3斜Y抗裂试验裂纹率(％)

编号	表面裂纹率	根部裂纹率	断面裂纹率
				1	0	0	0
2	0	0	0

3	0	0	0
				4	0	0	0
5	0	1.5	1.7
				6	0	0	0
7	0	3.2	2
				8	0	0	0
9	0	2.1	1.3

实施例1～9进行了斜Y抗裂试验，试验结果见表3，显示均具有较好的抗裂能力。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种海工低温高强钢专用药芯焊丝，由碳钢外皮和药芯组成，其特征在于，按质量百分比计，药芯原料成分包括：金红石35～40％；氧化镁和/或氧化钙2～5％；锆英砂0.5～2％；低碳锰铁15～25％；氟化镁4～6％；铝镁合金2～4％；硅铁7～10％；钛铁5～8％；稀土氧化物0.5～2％；镍粉9～11％；余量为铁粉及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的质量占药芯焊丝总质量的13～17％。

3.根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述锆英砂中ZrO₂的质量百分含量在65％以上。

4.根据权利要求1所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述氧化镁和/或氧化钙，与锆英砂的质量比大于等于2。

5.根据权利要求1～4任一所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述氧化镁为电熔镁砂。

6.根据权利要求5所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝，其特征在于，所述锆英砂的颗粒直径小于74μm。

7.一种权利要求1～6任一所述的海工低温高强钢专用药芯焊丝的焊接方法，其特征在于，焊接条件为：保护气体CO₂，纯度99.95％；焊接电流230～240A；焊接电压26～27V；焊接速度28～32mm/min。