CN108637525A

CN108637525A - 一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝

Info

Publication number: CN108637525A
Application number: CN201810470554.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋文春; 陈伟; 涂善东; 张显程; 王传龙; 肖承燃
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明公开一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其包含有以下质量百分比的元素成分：C 0.02％～0.07％，Si 0.2％～0.6％，Mn 1.2％～1.6％，Ni 10％～12％，Cr 11％～12.5％，Nb 0.15％～0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过合理调配C、Cr、Ni、Mn等元素的含量，降低埋弧焊丝的马氏体相变温度。利用马氏体相变过程中产生的体积膨胀效应抵消焊件冷却过程中的收缩变形，降低拉伸残余应力，在焊缝区引入均匀分布的压应力。本发明提供的可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝的熔敷金属的马氏体相变温度低(100℃)，焊缝区的残余应力为均匀分布的压应力，焊后变形小，可免除焊后去应力处理。

Description

一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝。

背景技术

我国制造业技术进步很大程度上依赖于高品质制造能力的进步与突破，焊接是装备制造业过程中必不可少的关键环节。然而在低合金高强度钢的焊接过程中，焊缝区往往要产生很高的拉伸残余应力，拉伸残余应力将影响焊接结构的服役可靠性，导致焊接构件在服役甚至制造过程中由于变形和开裂而报废，这使得焊接制造品质的可控性成为难题。

目前，对于大型焊接构件通常采用焊后热处理法、机械作用法等来消减拉伸残余应力，然而上述措施往往受构件尺寸、建造成本、施工环境等因素制约，且对残余应力的消减程度有限，并不能完整地解决焊接残余应力的问题。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种可免除焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊焊丝，从制造的源头提高装备制造的焊接品质与效率。采用该埋弧焊丝，焊后拉伸残余应力水平低，分布均匀，焊后变形小，无裂纹、气孔等缺陷，可免除焊后去应力处理。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其包含有以下质量百分比的元素成分：C 0.02％～0.07％，Si 0.2％～0.6％，Mn 1.2％～1.6％，Ni 10％～12％，Cr 11％～12.5％，Nb 0.15％～0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，该埋弧焊丝由以下质量百分比的元素成分加工而成：C 0.05％，Si0.4％，Mn 1.55％，Ni 11.8％，Cr 11.6％，Nb 0.34％，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，该埋弧焊丝由以下质量百分比的元素成分加工而成：C 0.03％，Si0.28％，Mn 1.41％，Ni 11.3％，Cr 10.9％，Nb 0.41％，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，该埋弧焊丝配合熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131，用于EH40低合金高强度钢构件的埋弧焊接。

优选的，焊接工艺参数：焊丝直径1.2mm，焊接电流400A，焊接电压28V，焊接热输入量为1.2～1.8kJ/mm，预热温度100℃～150℃。

本发明的原理及有益技术效果如下：

一、各元素成分的设计：

C元素：C元素可以提高焊缝金属的硬度、强度与耐磨性能，降低马氏体的相变温度。但是，C元素过高则会降低接头的塑性及耐腐蚀性能，加剧S、P元素偏析，导致晶间贫铬的发生。因此，C含量应控制在0.07％以下，以避免生成脆硬的高碳片状马氏体组织，兼具提高焊接接头的韧性及抗冷裂性能。

Si元素：Si能够降低马氏体相变温度，同时具有脱氧剂的作用。由于熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131的SiO₂含量较高(34％～38％)，为避免由Si元素含量过高而导致的接头冲击韧性的降低，将Si含量控制在0.2％～0.6％。

Mn元素：Mn能够降低马氏体相变温度。作为脱硫元素与硫化合形成MnS，降低材料的热裂敏感性。Mn含量过高则又会导致接头机械性能恶化、韧性下降，并且MnS易与Nb元素反应，在晶界处生成粗大的一次析出相，降低接头的塑韧性。所以将Mn含量控制在1.2％～1.6％。

Ni元素：主要用于降低马氏体相变温度，Ni元素同一定量的Mn元素配合可以避免铁素体相的生成，保证焊后焊缝组织全部为马氏体相。同时，Ni可以增强板条马氏体的本征韧性，提高接头的冲击韧性。但是当Ni含量超过12％时又会导致残余奥氏体含量增大，影响接头的机械性能。Ni的大量添加将促进M₆(C,N)析出相的形成，随着蠕变时间的增加，M₆(C,N)析出相逐渐粗化，导致接头蠕变寿命降低。因此，将Ni含量控制在10％～12％。

Cr元素：主要用于降低熔敷金属的马氏体相变温度，并起到固溶强化和二次硬化的作用。适量的Cr可以提高焊缝金属的耐磨性、耐蚀性和淬透性，避免由晶间贫铬导致的晶界腐蚀。一定量的Cr与C反应生成的M₂₃C₆型碳化析出物能够通过阻碍亚晶界与位错运动，有效抑制马氏体板条回复，提高合金的蠕变强度与寿命。当Cr含量超过13％会导致δ-Fe的生成，降低接头的冲击韧性。因此，将Cr的含量控制在11％～12.5％。

Nb元素：焊接过程中，Nb元素优先与C反应生成弥散分布的M(C,N)析出相，能够阻碍位错运动减缓位错结构的回复，产生位错强化效应。同时M(C,N)析出相的生成可以起到沉淀强化的效果显著提高接头强度。本发明中，Nb的含量应控制在0.15％～0.5％。

本发明的核心是通过合理调配C、Cr、Ni、Mn等元素的含量，降低埋弧焊丝的马氏体相变温度。利用马氏体相变过程中产生的体积膨胀效应抵消焊件冷却过程中的收缩变形，降低拉伸残余应力，在焊缝区引入均匀分布的压应力。

二、本发明的有益技术效果是：

(1)本发明可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝与无锰高硅低氟焊剂HJ131配合，制得的焊缝金属的屈服强度大于750MPa，抗拉强度大于1200MPa，延伸率≥12％。

(2)本发明提供的可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝的熔敷金属的马氏体相变温度低(100℃)，焊缝区的残余应力为均匀分布的压应力，焊后变形小，可免除焊后去应力处理。

附图说明

图1为采用本发明埋弧焊丝制得的试样的SEM图；

图2为采用本发明埋弧焊丝制得的试样的应力/应变曲线；

图3为本发明埋弧焊丝与普通埋弧焊丝的热模拟曲线对比图；

图4为分别采用本发明埋弧焊丝与普通埋弧焊丝制得的试样的焊缝区纵向残余应力对比图；

图5为分别采用本发明埋弧焊丝与普通埋弧焊丝制得的试样的焊缝区横向残余应力对比图。

具体实施方式

目前，如何找到一种适用于低合金高强度钢焊接的去应力工艺方法，并且同时满足材料机械性能、结构完整性、焊接成本及效率等方面的要求，已经成为装备制造领域面临的基础性重大挑战之一。

基于上述技术问题，本发明提出一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下实施例中埋弧焊丝的化学成分质量百分含量均由直读光谱仪测定；热模拟曲线采用Gleeble3800热模拟试验机测定；拉伸性能参数通过MTS-647材料测试***测定；残余应力通过中子衍射应力分析谱仪测定。

实施例1

在本实施例中，提供了一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，焊丝直径1.2mm，配合熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131，用于规格为25×300×1200mm的EH40低合金高强度钢钢板的焊接。单丝埋弧焊接参数如下：焊接速度0.4m/min，焊接电流400A，焊接电压28V，焊接热输入量为1.8kJ/mm，预热温度100℃～150℃。配合熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131。所述的埋弧焊丝的化学成分的质量百分比为：C：0.05％；Si：0.4％；Mn：1.55％；Ni：11.8％；Cr：11.6％；Nb：0.34％；余量为Fe及不可避免的杂质。焊后采用超声波对焊接接头进行探伤，未发现裂纹、气孔等缺陷。

作为对比试样，采用直径为1.2mm的AWS A5.23埋弧焊丝，配合熔炼型中锰中硅中氟焊剂HJ350，焊接相同规格的EH40低合金高强度钢钢板。单丝埋弧焊接参数为：焊接速度0.65m/min，焊接电流650A，焊接电压30V，焊接热输入量为1.68kJ/mm。AWS A5.23埋弧焊丝的化学成分的质量百分比为：C：0.04％；Si：0.37％；Mn：1.32％；Ni：1.53％；S：0.006％；P：0.016％；余量为Fe及不可避免的杂质。焊后采用超声波对焊接接头进行探伤，未发现裂纹、气孔等缺陷。

如图1、2所示，本实施例由本发明埋弧焊丝制得的焊缝金属的微观组织主要为板条马氏体，焊缝金属的屈服强度大于750MPa，抗拉强度大于1200MPa，延伸率≥12％。如图3所示，本发明的埋弧焊丝的马氏体相变温度(Ms)为100℃远低于普通焊丝(AWS A5.23)的680℃。采用本发明埋弧焊丝制得试样的焊后角变形量为1.49°低于对比试样的2.49°。如图4、5所示，相比于对比试样，采用本发明焊丝制得的试样焊缝区形成了稳定的压缩残余应力，焊缝区纵向平均应力值为-425.83MPa。

实施例2

在本实施例中，提供了一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，配合熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131，用于EH40低合金高强度钢构件的焊接，所述的埋弧焊丝的化学成分的质量百分比为：C：0.04％；Si：0.28％；Mn：1.41％；Ni：11.3％；Cr：10.9％；Nb：0.41％；余量为Fe及不可避免的杂质。

所述埋弧焊丝与实施例1所涉及的埋弧焊丝的不同之处仅在于各元素的化学成分的质量百分比。

实施例3-实施例6

表1给出了本发明实施例3到实施例6的EH40低合金高强度钢构件埋弧焊接用焊丝的元素组成及其质量百分比含量，所述埋弧焊丝与实施例1所涉及的埋弧焊丝的不同之处仅在于各元素的化学成分的质量百分比。表2给出了本发明实施例1到实施例6的EH40低合金高强度钢构件焊缝区残余应力平均值，实验结果表明采用本发明埋弧焊丝制得的焊接接头的应力状态均为受压，并且都达到了很高的水平。

表1

	C	Si	Mn	Ni	Cr	Nb	Fe
								实施案例三	0.07	0.55	1.45	11.9	12.4	0.46	余量
实施案例四	0.06	0.44	1.52	11.1	12.3	0.47	余量
								实施案例五	0.02	0.25	1.32	10.5	11.3	0.21	余量
实施案例六	0.03	0.34	1.51	10.2	11.7	0.39	余量

表2

Claims

1.一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于包含有以下质量百分比的元素成分：C 0.02％～0.07％，Si 0.2％～0.6％，Mn 1.2％～1.6％，Ni 10％～12％，Cr 11％～12.5％，Nb 0.15％～0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于由以下质量百分比的元素成分加工而成：C 0.05％，Si 0.4％，Mn 1.55％，Ni11.8％，Cr 11.6％，Nb 0.34％，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于由以下质量百分比的元素成分加工而成：C 0.03％，Si 0.28％，Mn 1.41％，Ni11.3％，Cr 10.9％，Nb 0.41％，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于：该埋弧焊丝配合熔炼型无锰高硅低氟焊剂HJ131，用于EH40低合金高强度钢构件的埋弧焊接。

5.根据权利要求4所述的一种可免焊后去应力处理的低合金高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于：焊丝直径1.2mm，焊接电流400A，焊接电压28V，焊接热输入量为1.2～1.8kJ/mm，预热温度100℃～150℃。