CN112045331A - 一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料 - Google Patents

一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料 Download PDF

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Abstract

一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，属于焊接材料技术领域。其化学元素质量百分比含量为：Cr：0.90‑1.50％，W：0.10‑0.80％，Mo：0.20‑0.70％，Ni：2.0‑4.0％，Mg：0.000‑0.010％，Ti：0.030‑0.120％，Cu：0.00‑0.60％，V：0.00‑0.10％，C：0.01‑0.10％，Si：0.10‑0.90％，Mn：0.30‑1.80％，余量为Fe及不可避免的杂质。优点在于，焊丝进行焊接后，所形成的焊缝金属的屈服强度为896‑960MPa，抗拉强度为937‑1002MPa，延伸率A为16‑21％。焊缝金属高温屈服强度为460‑480MPa。并且具有较高的低温冲击韧性。

Description

一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，特别是涉及一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，包括气体保护焊丝和埋弧焊丝，应用范围包括工程机械、海洋平台、船舶和建筑等结构的焊接。
背景技术
为了提高结构的使用性能并控制成本，先进高强钢获得越来越多的应用。早期的高强钢主要是铁素体-珠光体钢，组织中主要是大晶粒的铁素体和粗大的珠光体，这类钢的强度主要是通过C-Mn强化来获得，碳含量可达到0.2％左右。20世纪50年代以后，为了提高结构用钢的性能，欧美各国先后开发了淬火回火钢(Q&T钢)，例如美国的高屈服强度(HY)系列钢，英国的QT系列，日本的NS系列。这类钢均是在低碳低合金钢的基础上，通过采用调质热处理工艺，获得低碳回火马氏体组织，来达到高强度高韧性的配合，屈服强度在(560～900MPa)之间，为保证较厚规格钢板有足够的淬透性，钢中通常要添加Ni、Cr、Mo等合金元素，钢的强度级别要求越高，添加的合金元素含量也相应增加。因此，随着强度的提高，钢的碳当量大幅增加。随碳当量增加，使钢的焊接性恶化，焊接变得十分困难，从改善传统钢焊接性的角度考虑，降低钢中碳含量是必要的措施。但是，在依靠马氏体组织强化的传统高强船体钢中，碳是最有效的强化元素。因此，如何兼顾高强度和易焊接性，对于传统的高强船体钢而言，仍然是存在的主要问题。
进入20世纪80年代后，随着微合金化、TMCP技术、洁净钢技术，真空炉外精炼和连铸等一系列先进冶金技术的发展，为解决高强钢的高强度与易焊接性的矛盾提出了新的思路，高强钢的发展进入了新的时代，开发了易焊接的系列高强度低合金(HSLA)新钢种。其中低碳贝氏体钢含碳量较低(0.10wt％)，并含有适量的Mn、Ni、Mo、Cr等合金元素，焊接时允许使用较宽范围的线能量，从而可提高焊接生产率，并可获得韧性良好的焊缝金属。为了进一步提高使用性能，有的钢种加入了一些耐腐蚀、耐火的合金元素，使其可以在工程机械、海洋平台、船舶和建筑等结构上使用。在这些新型低碳高韧性耐腐蚀耐火钢的工程应用中，焊接是必需的连接技术，因此需要开发相应的高韧性、耐腐蚀、耐火的焊接材料，并使其可尽量降低焊接预热温度，以保证整体结构的服役安全性和施工便利性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，包括气体保护焊丝和埋弧焊丝。采用该焊接材料焊接形成的焊缝金属兼具有较高的低温韧性、室温强度和高温强度、良好的耐腐蚀性，同时采用该焊丝焊接时还具有良好的抗冷、热裂纹性能。
本发明的高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料(用作保护焊丝和埋弧焊丝)的化学元素质量百分比含量为：Cr：0.90-1.50％，W：0.10-0.80％，Mo：0.20-0.70％，Ni：2.0-4.0％，Mg：0.000-0.010％，Ti：0.030-0.120％，Cu：0.00-0.60％，V：0.00-0.10％，C：0.01-0.10％，Si：0.10-0.90％，Mn：0.30-1.80％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明中不可避免的杂质除了P与S元素之外，还包括Al、O和N元素。作为不可避免的杂质元素，均对焊缝金属的韧性有害，这些杂质元素的含量应当越低越好。因此，其含量要严格控制，在本发明的技术方案中，将P+S+Al+O+N控制在≤0.10％。
本发明各化学元素的限定理由分别叙述如下：
Cr：有效提高焊缝金属的耐腐蚀性，同时可提高室温强度和高温强度。
W：有效提高焊缝金属的室温强度，在高温时W可有效阻止晶界滑移，从而提高焊缝金属的高温强度。
Mo：有效提高焊缝金属的室温强度，抑制晶界铁素体的形成，适当的含量对提高低温韧性有作用。同时Mo在高温时对阻止晶界滑移也有一定作用，从而可提高焊缝金属的高温强度。
Ni：由于焊缝金属中加入了较多的固溶合金元素，导致焊缝金属塑性变形能力低，加入一定量的Ni可促进形成塑性好的晶界残余奥氏体，可有效提高焊缝金属的塑性和低温韧性。
Mg：采用小热输入进行焊接时，产生的组织不会显著降低冲击韧性，这时可以不加入Mg。对于需要采用大热输入进行焊接的情形，在焊丝中加入微量的Mg，可抑制焊缝金属中晶界铁素体的形成，促进针状铁素体和细小板条贝氏体的形成；可细化析出质点，对原奥氏体晶粒产生钉扎作用。因此加入Mg可使大热输入焊接时，焊缝金属的低温冲击韧性提高。
Ti：可改善焊丝的焊接工艺性；同时也可细化晶粒，改善焊缝金属的韧性。
Cu：焊丝表面镀Cu可改善焊丝抗锈蚀的能力，改善焊接送丝的润滑性，同时少量Cu也可提高焊缝金属的室温强度和低温韧性。
V：加入少量的V可提高焊缝金属的室温和高温强度。
其它合金元素作用与常规焊接材料相似。
其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明焊丝制备采用行业内通用的常规生产制造工艺，没有特定要求：采用适当比例的原材料经冶炼获得所需的目标合金成分，浇铸成钢锭，并经锻造、热轧、拔丝(中间需要热处理)、表面处理、缠轴、包装等工序，得到成品焊丝。
气体保护焊丝用富氩气体作为保护介质进行焊接，埋弧焊丝使用焊剂作为保护介质进行焊接。
采用本发明所述的焊丝进行焊接后，所形成的焊缝金属的屈服强度为896-960MPa，抗拉强度为937-1002MPa，延伸率A为16-21％。焊缝金属高温屈服强度为460-480MPa。并且具有较高的低温冲击韧性。因此，本发明所述的焊丝能够应用于有耐火要求的高强度钢结构的焊接。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的焊丝进行说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。表1显示了本案实施例中的焊丝的化学成分质量百分配比。
表1本案实施例中的焊丝的化学成分质量百分配比(wt.％)，余量Fe
Cr W Mo Ni Mg Ti Cu V C Si Mn
1 0.90 0.78 0.65 2.0 0.000 0.045 0.20 0.08 0.08 0.90 1.72
2 1.11 0.56 0.55 2.8 0.010 0.03 0.55 0.04 0.07 0.80 1.50
3 1.28 0.33 0.38 3.1 0.005 0.10 0.35 0.05 0.04 0.65 0.80
4 1.45 0.10 0.20 3.5 0.008 0.07 0.00 0.00 0.01 0.72 1.00
5 0.93 0.80 0.70 2.5 0.002 0.120 0.60 0.10 0.10 0.32 1.80
6 1.21 0.67 0.61 3.0 0.006 0.100 0.40 0.02 0.06 0.55 1.30
7 1.42 0.28 0.45 4.0 0.003 0.085 0.00 0.07 0.03 0.40 0.55
8 1.50 0.15 0.24 3.8 0.000 0.060 0.50 0.00 0.02 0.10 0.30
本发明的实施例中的焊丝采用下列步骤制得：冶炼，精炼，铸造，热轧，缓冷，吐丝成盘条，酸洗，粗拉拔，热处理，细拉拔，表面处理。成品气体保护焊丝直径为0.8-1.6mm，成品埋弧焊丝直径为3.2-4.0mm。这些步骤基本为焊丝制造领域的常规步骤，因此本技术方案对于这些制造步骤不再进行详细描述。只是其中的热处理步骤不同于现有技术，且其与本案的实施效果密切相关。在本技术方案中，热处理温度为680-720℃，且冷却过程为缓冷，冷却时间为5小时。
板厚20mm的低合金高强钢板，坡口形式为45°单面V型，间隙为16mm，采用实施例中焊丝进行焊接，焊接预热温度低于70℃，道间温度控制在120±10℃之间，焊接热输入控制为20kJ/cm，气体保护焊采用富Ar+少量CO2作为保护气体，埋弧焊采用碱性焊剂保护，在母材上进行多层多道焊接，保证焊缝全熔透。焊接后，对焊缝金属进行纵向拉伸试验(室温、600℃)。
表2列出了本案实施例1-8中的焊丝经焊接后，所获得焊缝金属的拉伸力学性能，其中1-4为气体保护焊接，5-8为埋弧焊接。
表2焊缝金属的拉伸力学性能
Figure BDA0002630389230000051
由表可以看出，采用上述实施例中的焊丝进行焊接后，所获得焊缝金属具有高的室温屈服强度和抗拉强度；在600℃、持续3小时保温后，仍然能保持较高的屈服强度和抗拉强度，说明本发明的焊丝具有较高的高温强度性能。由此说明本发明的焊丝是适用于有耐火要求的高强度钢结构使用的焊接材料。
需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，包括气体保护焊丝和埋弧焊丝，其特征在于，化学元素质量百分比含量为：Cr：0.90-1.50％，W：0.10-0.80％，Mo：0.20-0.70％，Ni：2.0-4.0％，Mg：0.000-0.010％，Ti：0.030-0.120％，Cu：0.00-0.60％，V：0.00-0.10％，C：0.01-0.10％，Si：0.10-0.90％，Mn：0.30-1.80％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，其特征在于，用作气体保护焊丝，所述的不可避免的杂质P+S+Al+O+N控制在≤0.10％。
3.根据权利要求1或2所述的高韧性、耐腐蚀、耐火的低合金高强钢用焊接材料，其特征在于，用作气体保护焊丝，所形成的焊缝金属的屈服强度为896-960MPa，抗拉强度为937-1002MPa，延伸率A为16-21％。焊缝金属高温屈服强度为460-480MPa。并且具有较高的低温冲击韧性。
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