CN107186382A - 一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2~0.4%，Mn为18.0~27.0%，Si≤0.15%，S≤0.005%，P≤0.02%，Ni为1.0~3.0%，Cr为2.0~4.5%，Cu为0.2~0.5%，N为0.01~0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。前所述的高锰超低温钢焊丝的焊接工艺采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为4~21KJ，保护气体采用高纯氩气。本发明提出的高锰超低温钢的焊丝采用高Mn含量的合金设计，大幅度降低了Ni含量，从而使材料成本显著降低；所提出的焊接工艺不需要焊前预热和焊后热处理，工艺简单，易于实施；所形成的焊缝金属具有良好的强度、塑性和韧性配合，特别是在‑196℃的超低温环境下具有良好韧性。

Description

一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺

技术领域

本发明属于低温钢焊接材料及焊接工艺技术领域，特别是涉及一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺。

背景技术

液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源，其产业发展受到越来越多的重视。LNG船是用于运输LNG的专用船舶，由于LNG是被降温到-163℃液体状态的天然气，所以LNG船在运输过程中必须将它保持在-163℃，因而LNG船的工作环境要求制造LNG船的材料具有优异的低温性能。9%Ni钢材由于其在极低温度下仍具有优良的韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196℃的特点，因此自1960年通过研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9%Ni钢就成为用于制造大型LNG贮罐的主要材料之一。

如今9%Ni钢已经广泛应用于低温深冷设备，9%Ni钢及其配套焊材开发已经比较成熟，但由于Ni等昂贵合金元素的使用量较高（9%Ni钢的Ni含量约为9%，焊材的Ni含量高于50%），钢板及焊材成本难以降低。因此，很多国家都在积极研发新型的超低温材料。作为9%Ni钢的有力竞争者之一，高锰超低温钢的研发近年来受到广泛关注，其Mn元素含量为20~28%，而Ni元素不作为必需的合金元素（黄维, 张志勤, 高真凤. 石油及LNG储罐用钢现状及最新研究进展. 上海金属, 2016, 38(2):74-78）。

高锰超低温钢的焊接也可以使用高Ni含量的焊材。申请公布号为CN103978322A的中国发明公开了一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，焊芯为镍合金焊芯，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn:0.5~1.5％，Mo:4~9％，Nb:1.5~2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr:12~18％，余量为 Ni，各成分总量为100％。该专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条虽然表现出良好的焊接工艺性，焊缝也具有良好的力学性能，但该焊条中Ni含量高达80%左右，这不利于充分发挥材料的成本优势。遗憾的是，目前关于针对高锰超低温钢开发的焊材的报道很少，韩国浦项制铁公开报道过其成功开发了高锰超低温钢焊材，但对具体资料严格保密，而国内的相关研发工作仍处于起步阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有超低温钢焊材成本高，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种适用于高锰超低温钢的焊丝及其焊接工艺。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2~0.4%，Mn为18.0~27.0%，Si≤0.15%，S≤0.005%，P≤0.02%，Ni为1.0~3.0%，Cr为2.0~4.5%，Cu为0.2~0.5%，N为0.01~0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

本发明的有益效果是：超低温钢焊丝采用高Mn含量的合金设计，大幅度降低了Ni含量，从而使成本和费用显著降低，应用前景良好。

本发明中各化学成分的主要作用如下：

C能够产生固溶强化，还能够提高奥氏体的稳定性，抑制ε-马氏体的形成，提高低温韧性，但过高的C含量使层错能显著增大并阻碍孪晶的形成，损害塑性，因此将C含量控制在0.2~0.4%；

Mn能够产生固溶强化，还能够稳定奥氏体，具有与Ni相似的作用，为了得到足够稳定的奥氏体，抑制ε-马氏体的形成，需要添加大量的Mn，但Mn含量过高则容易产生沿晶脆断，降低低温韧性，因此将Mn含量控制在18.0-27.0%；

Si在晶界偏聚会弱化晶界，降低塑性和低温韧性，因此将Si含量控制在0.15%及以下；

S会形成MnS，S和P在晶界偏聚还会弱化晶界，从而增大低温沿晶脆性，因此需要控制在最低限度；

Ni能够产生固溶强化，提高奥氏体稳定性，显著改善低温韧性，但Ni的价格昂贵，大量添加将造成成本过高，因此将Ni含量控制在1.0-3.0%；

Cr能够产生固溶强化，还能强化奥氏体晶界，但含量过高则会降低成形性，因此将Cr含量控制在2.0-4.5%；

Cu能够稳定奥氏体相，还能够产生固溶强化和析出强化，但含量过高会增大热脆性，不利于加工，因此将Cu含量控制在0.2-0.5%；

N能够产生固溶强化，在晶界偏聚会显著强化晶界并抑制低温沿晶脆性，但含量过高则容易形成大量氮化物从而损害塑性，因此将N含量控制在0.01-0.06%。

本发明的另一目的在于提供一种高锰超低温钢焊丝的焊接工艺，使焊缝金属能够获得良好的综合性能。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种高锰超低温钢焊丝的焊接工艺，采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为4~21KJ，保护气体采用高纯氩气。

本发明的有益效果是：焊接工艺不需要焊前预热和焊后热处理，工艺简单，易于实施，且所形成的焊缝金属具有良好的强度、塑性和韧性的配合，即综合性能优异，特别是在-196℃的超低温环境下具有良好的韧性。

具体实施方式

附图说明：图1为实施例1中焊缝金属的金相组织图。

实施例1

一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.33%，Mn为24.4%，Si为0.05%，S为0.002%，P为0.013%， Ni为1.6%，Cr为3.1%，Cu为0.2%，N为0.035%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

使用该焊丝对高锰超低温钢进行焊接，采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为4KJ，保护气体为高纯氩气。

如附图1所示为焊缝金属的金相组织照片，显微组织类型为奥氏体。测得焊缝金属的规定非比例延伸强度R_p0.2=551MPa，抗拉强度R_m=813MPa，延伸率A=44%，-196℃下冲击试验冲击吸收能量KV₂=50J。

实施例2

一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2%，Mn为27.0%，Si为0.15%，S为0.001%，P为0.02%，Ni为1.0%，Cr为4.5%，Cu为0.33%，N为0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

使用该焊丝对高锰超低温钢进行焊接，采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为15KJ，保护气体为高纯氩气。

焊缝金属的显微组织类型为奥氏体，规定非比例延伸强度R_p0.2=420MPa，抗拉强度R_m=680MPa，延伸率A=51%，-196℃下冲击试验冲击吸收能量KV₂=92J。

实施例3

一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.4%，Mn为18.0%，Si为0.07%，S为0.001%，P为0.007%，Ni为3.0%，Cr为2.0%，Cu为0.5%，N为0.01%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

使用该焊丝对高锰超低温钢进行焊接，采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V” 型，热输入量为21KJ，保护气体为高纯氩气。

焊缝金属的显微组织类型为奥氏体，规定非比例延伸强度R_p0.2=486MPa，抗拉强度R_m=741MPa，延伸率A=40%，-196℃下冲击试验冲击吸收能量KV₂=64J。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2~0.4%，Mn为18.0~27.0%，Si≤0.15%，S≤0.005%，P≤0.02%，Ni为1.0~3.0%，Cr为2.0~4.5%，Cu为0.2~0.5%，N为0.01~0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

2.一种高锰超低温钢焊丝的焊接工艺，其特征在于：采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为4~21KJ，保护气体采用高纯氩气。

3.根据权利要求2所述的高锰超低温钢焊丝的焊接工艺，其特征在于：所述焊丝形成的焊缝金属的显微组织类型为奥氏体。

4.根据权利要求2所述的高锰超低温钢焊丝的焊接工艺，其特征在于：所述焊丝形成的焊缝金属的规定非比例延伸强度R_p0.2≥420MPa，抗拉强度R_m≥680MPa，延伸率A≥40%，-196℃冲击试验冲击吸收能量KV₂≥50J。