CN106312372B - 一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝及其制备与焊接方法 - Google Patents

一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝及其制备与焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝及其制备与焊接方法，所述焊丝化学成分按重量份数计算包括：C：0.07‑0.13份、Si：0.3‑0.5份、Mn：1.8‑2.3份、Ni：2.7‑3.2份、Cr：0.3‑1.2份、Mo：0.4‑0.85份、Ti：0.01‑0.1份、Al：0.01‑0.03份、P：0.008份以下，S：0.005份‑0.010份，Cu：0.3份以下、Nb:0.01‑0.035份、余量为Fe。本发明可替代进口焊丝，显著降低大型水电站、抽水储能电站等用高强钢的建设成本，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝及其制备与焊接 方法
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，特别是涉及一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝及其制备与焊接方法，适用于相应强度级别的金属，用于全位置焊接。
背景技术
我国常规能源以煤炭和水能为主,水能资源仅次于煤炭,居十分重要的地位。我国的水电建设事业已经取得了举世瞩目的成绩。目前，长江上游干流及金沙江、大渡河上已经或即将建设的大型高水头电站项目有33个，500万kW以上的水电站就有向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、龙盘峡等。随着我国用电负荷的不断增加，基于优化电网需要，作为电网调峰功能的水电站——高水头大容量抽水蓄能电站的建设也不断增多，以满足电网调峰要求。国内外研究报告表明，目前压力钢管最高水头已达约1300m。HD值也已超过4000以上。高水头、大容量是未来我国水电发展的趋势，为满足电站布置、降低工程综合成本，新型材料的应用研究将是研究的主要方向。随着大型、巨型电站不断采用新材料、新技术、新工艺。目前800MP级高强钢已得到广泛应用，1000MPa级高强钢也将逐步推广应用，对1000MPa高强钢用焊接材料的研究具有非常重要的意义。
由于水电工程的建设多地处于河道、水库流经的山地，组装场地有限，涵洞内焊接现场大风速、高湿度，部分管径达5～10米(最大14米)，现场焊接时无法采用更高的预热温度。因此，要求在低预热(甚至不预热)条件下焊接。焊后又不能采用消除应力热处理，要求焊缝金属具有优良的抗氢致开裂能力。因而焊接的焊缝金属必须具有优良的塑性、韧性和抗脆断能力和止裂能力。
围绕适用于大型水电站、抽水蓄能电站等重要部件用高塑韧性、超低焊接裂纹钢板配套焊接材料，研制满足水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范技术要求的1000MPa级高强钢配套焊接材料(实心焊丝)，掌握水电站用超高强焊接材料研发、生产和应用的关键核心技术。开展上述关键技术研究极具挑战性和开创性，且意义重大。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，特别适用于1000MPa高强钢焊接用。
本发明的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，确定了C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、Cu、S、P元素成分范围，采用本发明的焊丝焊接B950CF钢，焊缝金属具有高强度和优良的冲击韧性，全位置焊接工艺性能良好，焊缝表面光滑、均匀，焊道形貌美观。适用于相应强度级别的钢材，如B950CF钢、30CrMnSi、35CrMo等。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，所述焊丝化学成分按重量份数计算包括：C：0.07-0.13份、Si：0.3-0.5份、Mn：1.8-2.3份、Ni：2.7-3.2份、Cr：0.3-1.2份、Mo：0.4-0.85份、Ti：0.01-0.1份、Al：0.01-0.03份、P：0.008份以下，S：0.005份-0.010份，Cu：0.3份以下、Nb:0.01-0.035份、余量为Fe。
更进一步的技术方案是所述焊丝化学成分按重量份数计算包括：C：0.09份、Si：0.4份、Mn：1.82份、Ni：2.8份、Cr：0.7份、Mo：0.65份、Ti：0.05份、Al：0.015份、P：0.004份以下，S：0.006份，Cu：0.004份、余量为Fe。
更进一步的技术方案是所述焊丝化学成分按重量份数计算包括：C：0.10份、Si：0.35份、Mn：2.05份、Ni：3.05份、Cr：0.8份、Mo：0.10份、Ti：0.02份、Al：0.018份、P：0.006份以下，S：0.004份，Cu：0.15份、余量为Fe。
C是确保焊缝金属强度的主要元素，但过高的C元素使组织的淬硬性增加，焊缝的冷裂倾向加大，同时不利于后续的拉拔生产。因此，本发明焊丝中的C含量控制在0.07-0.13％范围内。
Si是常用的脱氧剂，有较明显的固溶强化效果。能有效降低焊缝中的氧，防止CO气孔的产生，但是脱氧后产生的硅酸盐会提高熔渣和液态金属的粘度，导致焊接时产生严重的飞溅，恶化焊接性，Si在有效提高焊缝强度的同时也降低了韧性，所以Si含量不宜过高。本发明焊丝中的Si含量控制在0.3-0.5％范围内。
Mn通过固溶强化提高焊缝的强度，除了可做脱氧剂外，还能有效减少焊缝中的S含量，防止热裂纹的产生。Mn是奥氏体稳定化元素，能降低奥氏体的临界转变温度，促进焊缝中针状铁素体的生成，减少对力学性能不利的先共析铁素体和侧板条铁素体含量。Mn元素含量过高,焊缝中会形成魏氏组织,也使韧性降低。本发明焊丝中的Mn含量控制在1.8-2.3％范围内。
Ni是奥氏体稳定化元素，提高焊缝金属的韧性,特别是低温韧性,降低脆性转变温度。在γ-Fe中无限固溶，与Mn的作用类似，Ni可以增加组织中的针状铁素体，并对焊缝进行固溶强化。在焊缝金属的整个冷却速度范围内，Ni都可以使相变温度降低，并使侧板条铁素体开始转变温度降低程度明显大于针状铁素体开始转变温度的降低。从而利于针状铁素体的形成。有效细化晶粒。因此，本发明焊丝中Ni含量控制在2.7-3.2％。
Cr元素与Ni元素一同加入时能有效的提高淬透性,同时,Cr元素能固溶强化基体,提高焊缝热强性。Cr元素可以提升焊缝中针状铁素体的含量,降低先共析铁素体含量,细化铁素体晶粒,从而提高强度和韧性。Cr虽然有较强的固溶强化作用，但是会使钢的脆性转变温度提高，降低焊接性。因此，本发明焊丝中Cr含量控制在0.3-1.2％。
Mo能强烈地抑制珠光体的形核与长大，促进贝氏体组织的生成，可以使焊缝在很宽的冷却温度范围内获得中温转变组织。在含Mn量高的焊缝中，Mo能抑制先共析铁素体的生成，增加针状铁素体的含量。Mo属于缩小γ相区的元素,会缩短相变温度区间,产生置换固溶强化,引起晶格畸变,使材料冲击韧性下降,因此,Mo含量过高对焊缝韧性不利。但Mo元素也能提高焊缝的强度。本发明焊丝中Mo含量控制在0.4-0.85％之间。
Ti与O、N有极强的亲和力，能有效脱氧，并能减少焊缝中的自由N，生成的Ti的氮、氧化物具有较高的熔点，可以作为针状铁素体的形核核心，并能阻碍奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。微量的Ti就能显著改善焊缝组织，增加焊缝中的针状铁素体含量。本发明焊丝中Ti含量控制在0.01-0.1％之间。
少量A1加入钢中能降低氧、氮水平,细化晶粒,提高冲击韧性。本发明焊丝中Al含量控制在0.01-0.03％之间。
Cu是扩大奥氏体区的元素,能提高强度和韧性,特别是大气腐烛性能,是高强低碳贝氏体钢中几乎必加的元素。Cu除了稳定奥氏体之外,还显著提高碳化物的活度,促进合金碳化物的析出,从而可以间接发挥细化转变组织和析出强化作用。在时效处理中,Cu能形成极为细小、弥散的析出相,是进一步强化贝氏体钢的主要措施之一。Cu的熔点较低,高Cu钢易发生热脆,不利于后续生产,解决的方案是在含Cu钢中添加Cu含量一半以上的Ni。本发明焊丝中Cu含量控制在0.3％以下。
S、P是有害元素，严重恶化焊缝的性能，主要表现在降低上平台韧性和提高韧脆转变温度，导致氢致开裂。因此焊缝中要严格控制P含量。近年来的研究表明，微量S的存在有利于于熔敷金属的流动性，本发明中P控制在0.008％以下，S含量控制在0.005-0.010％范围内。
更进一步的技术方案是提供一种上述1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用中频感应炉炼钢，降低冶炼终点的C、S、P含量，经脱氧合金化后，采用炉外精炼工艺加真空脱气，冶炼出钢水，钢水经浇铸成连铸坯，连铸坯经轧机轧制成盘条；盘条经剥壳-酸洗-涂硼砂-粗拉-回火处理-细拉-镀铜制成成品焊丝。
更进一步的技术方案是所述钢水经品种铸机全保护浇铸成连铸坯。
更进一步的技术方案是所述成品焊丝为Φ1.0mm或Φ1.2mm的成品焊丝。
更进一步的技术方案是提供一种上述1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接待焊金属；
当待焊金属为熔敷金属时，焊接规范为：焊接电流230-270A，焊接电压28-31V，焊接速度为25-30cm/min，气体流量为20L/min，层间温度130-150℃；熔敷金属的屈服强度бs＝940MPa，抗拉强度бb＝1060MPa，熔敷金属的延伸率＝17％，熔敷金属-20℃冲击功KV2＝60J，焊缝金属的布氏硬度HB≤360。
1、更进一步的技术方案是当待焊金属为1000MPa级高强钢时，试板尺寸为300mm×150mm×38mm，采用不对称X形坡口，坡口角度为30°；焊接规范为：焊接电流180-260A，焊接电压22-28V，焊接速度16-25cm/min，气体流量20L/min，试板预热温度120℃，层间温度130-150℃；焊缝金属的抗拉强度为бb＝1100MPa，焊缝金属-20℃冲击功KV2＝60J；焊缝金属的布氏硬度HB≤360。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：
1.本发明焊丝采用中频感应炉加炉外精炼加真空脱气的方法冶炼。高速无扭轧机轧制，经拉拔加工成成品焊丝，生产上易于实现。
2.本发明的焊丝采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接，焊接飞溅小，电弧稳定性和全位置操作性良好，焊缝成形美观，焊丝的焊接工艺性能优良。
3.本发明的焊丝采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接，熔敷金属的屈服强度бs＝930-960MPa,抗拉强度бb＝1040-1100MPa，延伸率≥12％，-20℃冲击功≥47J。
4.本发明的焊丝采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接B950CF，焊缝金属抗拉强度бb＝1040-1080MPa，焊缝金属-20℃冲击功≥47J。
5.本发明可替代进口焊丝，显著降低大型水电站、抽水储能电站等用高强钢的建设成本，具有显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例1
本实施例公开一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，所述焊丝化学成分按重量百分比计算包括：C：0.07-0.13％、Si：0.3-0.5％、Mn：1.8-2.3％、Ni：2.7-3.2％、Cr：0.3-1.2％、Mo：0.4-0.85％、Ti：0.01-0.1％、Al：0.01-0.03％、P：0.008％以下，S：0.005％-0.010％，Cu：0.3％以下、Nb:0.01-0.035％、余量为Fe。
进一步的，上述实施例的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝的制备方法步骤如下：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用中频感应炉炼钢，选用杂质元素含量低的原材料，将冶炼终点的C、S、P控制在较低的水平，经脱氧合金化后，采用LF炉等炉外精炼工艺加真空脱气，冶炼出成分符合要求的钢水，钢水经品种铸机全保护浇铸成连铸坯，连铸坯经高速无扭轧机轧制成Φ5.5mm的盘条。盘条经剥壳-酸洗-涂硼砂-粗拉-回火处理-细拉-镀铜制成Φ1.0mm或Φ1.2mm成品焊丝。
实施例2
本实施例公开的一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝化学成分按重量百分比计算包括：C 0.09％、Mn 1.82％、Si 0.4％、Cr 0.7％、Mo 0.65％、Ni 2.80％、Ti0.05％、Cu 0.25％、Al 0.015％、S 0.006％、P 0.004％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例所述的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝焊接熔敷金属的焊接方法包括以下步骤：采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体进行熔敷金属焊接，试板为Q235(堆边)，厚度为20mm，坡口角度25°，根部间隙为16mm。焊接规范为：焊接电流230-270A，焊接电压28-31V，焊接速度为25-30cm/min，气体流量为20L/min，层间温度130-150℃。熔敷金属的屈服强度бs＝940MPa，抗拉强度бb＝1060MPa，熔敷金属的延伸率＝17％，熔敷金属-20℃冲击功KV2＝60J。
本实施例所述的一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝焊接B950CF高强钢的焊接方法包括以下步骤：
采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接B950CF高强钢，试板尺寸为300mm×150mm×38mm，采用不对称X形坡口，坡口角度为30°。焊接规范为：焊接电流180-260A，焊接电压22-28V，焊接速度16-25cm/min，气体流量20L/min，试板预热温度120℃，层间温度130-150℃。焊缝金属的抗拉强度为бb＝1040MPa，焊缝金属-20℃冲击功KV2＝60J。焊缝金属的布氏硬度HB≤360。
实施例3
本实施例公开的一种1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝化学成分按重量百分比计算包括：C 0.10％、Mn 2.05％、Si 0.35％、Cr 0.8％、Mo 0.10％、Ni 3.05％、Ti0.02％、Cu 0.15％、Al 0.018％、S 0.004％、P 0.006％，余量为铁及不可避免的杂质。
本实施例所述的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝焊接熔敷金属的焊接方法包括以下步骤：采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体进行熔敷金属焊接，试板材质、规格、坡口角度、预热温度、焊接工艺等与实例1相同，熔敷金属屈服强度бs＝960MPa，抗拉强度бb＝1080MPa，熔敷金属的延伸率＝18％，熔敷金属-20℃冲击功KV2＝60J。
本实施例所述的1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝焊接B950CF高强钢的焊接方法包括以下步骤：采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接B950CF高强钢，试板尺寸为300mm×150mm×38mm，采用不对称X形坡口，坡口角度为30°。焊接规范为：焊接电流180-260A，焊接电压22-28V，焊接速度16-25cm/min，气体流量20L/min，试板预热温度120℃，层间温度130-150℃。焊缝金属的抗拉强度为бb＝1100MPa，焊缝金属-20℃冲击功KV2＝60J。焊缝金属的布氏硬度HB≤360。
本实施例焊丝可以显著降低大型水电站、抽水储能电站等用高强钢的建设成本，具有显著的经济效益和社会效益。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种大型水电站/抽水储能电站用1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝，其特征在于：所述焊丝化学成分按重量份数计算包括：C：0.07-0.13份、Si：0.3-0.5份、Mn：1.8-2.3份、Ni：2.7-3.05份、Cr：0.3-0.7份、Mo：0.4-0.85份、Ti：0.01-0.05份、Al：0.015-0.03份、P：0.006份以下，S：0.005份-0.006份，Cu：0.15-0.3份、Nb:0.01-0.035份、余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种大型水电站/抽水储能电站用1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝的焊丝制备方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用中频感应炉炼钢，降低冶炼终点的C、S、P含量，经脱氧合金化后，采用炉外精炼工艺加真空脱气，冶炼出钢水，钢水经浇铸成连铸坯，连铸坯经轧机轧制成盘条；盘条经剥壳-酸洗-涂硼砂-粗拉-回火处理-细拉-镀铜制成成品焊丝。
3.根据权利要求2所述的焊丝制备方法，其特征在于所述的钢水经品种铸机全保护浇铸成连铸坯。
4.根据权利要求2所述的焊丝制备方法，其特征在于所述的成品焊丝为Φ1.0mm或Φ1.2mm的成品焊丝。
5.根据权利要求1所述的一种大型水电站/抽水储能电站用1000MPa高强钢焊接用气保护实心焊丝的焊丝焊接方法，其特征在于所述的焊接方法包括以下步骤：
采用80％Ar+20％CO2富氩混合气体焊接待焊金属；
当待焊金属为1000MPa级高强钢时，试板尺寸为300mm×150mm×38mm，采用不对称X形坡口，坡口角度为30°；焊接规范为：焊接电流180-260A，焊接电压22-28V，焊接速度16-25cm/min，气体流量20L/min，试板预热温度120℃，层间温度130-150℃；焊缝金属的抗拉强度为бb＝1100MPa，焊缝金属-20℃冲击功KV2＝60J；焊缝金属的布氏硬度HB≤360。
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