CN112404671A

CN112404671A - 一种用于fcb法大线能量埋弧焊接的实心焊丝及其制备方法和应用

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Publication number: CN112404671A
Application number: CN202011229265.0A
Authority: CN
Inventors: 朱伏先; 李素坤; 朱雨; 庄焱磊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2040-11-06
Also published as: CN112404671B

Abstract

本发明公开了一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料技术领域。该焊丝化学成分(wt.％)：C 0.06～0.09％，Si 0.12～0.28％，Mn 1.52～2.0％，A 0.0001～0.3％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中：所述A元素为Mg、Ca、Zr、RE和B中的一种或多种。所述实心焊丝的化学成分中还含有Ti、Ni和Cu(或者含有Ti和V)。本发明焊丝在线能量60～300kJ/cm施焊后能够保障焊接接头具有与母材相匹配的强度和低温冲击韧性。本焊丝适用于厚度40mm以下结构钢板的FCB法及其它埋弧焊机的大线能量焊接。

Description

一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝及其制备方法和应用。

背景技术

近年，随着造船、海洋工程、高层建筑、桥梁、工程机械等制造业的迅速崛起，针对构件日益大型化、大跨度化的发展趋势，大量使用中厚钢板的这些行业为提高焊接施工效率和降低成本，逐步开始采用气电立焊、FCB法埋弧自动焊和电渣焊等大线能量焊接方法。其中FCB法(Flux Cooper Backing)又称焊剂铜衬垫法，它是在板块状的铜板上均匀铺设4～6mm厚的衬垫焊剂，用充气软管顶压装置将其与钢板背面紧密贴合，再在坡口正面堆放表面焊剂，并由正面焊接，同时形成背面焊缝的单面焊双面成形焊接方法，其焊接成形示意如图1，其电极及三根焊丝的配置方式如图2所示。FCB法主要应用于船舶的平面分段流水线拼板焊接，用于厚度10mm～40mm钢板的拼焊时，能实现单面焊双面成形，工件无需翻身，与双面埋弧自动焊相比，效率可提高3～5倍。由于FCB法焊接时的线能量通常会达到200kJ/cm以上，在这样高的线能量下施焊时，非常容易导致焊缝金属的晶粒产生严重长大，且单道次焊接比多道次焊接时的焊后冷速小，很容易使基材焊接热影响区组织在随后的相变过程中形成侧板条铁素体、魏氏组织和上贝氏体等非正常粗晶组织，造成焊接接头的强度和韧性严重恶化，产生焊接裂纹的几率显著增加，影响构件整体的安全使用。由于目前国产结构钢及其配套的焊接材料只能承受50kJ/cm以下的焊接线能量，严重制约着FCB法埋弧焊等高效焊接方法的大面积推广应用，导致国内造船企业先后从国外引进的20余条FCB法埋弧自动焊接生产线潜能至今得不到充分发挥。因此能够承受50kJ/cm以上热输入的大线能量焊接用钢及其配套焊接材料的研究开发已引起国内企业的广泛关注。

中国发明专利ZL201310135074.1公开了“一种提高大线能量焊接性能的钢板冶炼方法”；CN104004962A公开了“一种焊接高热输入的海洋工程用正火钢板及其制造方法”；CN111500821A公开了“一种复合包芯线和大线能量焊接用钢的制备方法”。在这些专利技术的支持下，近10多年来，国内部分钢铁企业已经突破国外的长期技术封锁，能够制造出焊接线能量大于500kJ/cm、厚度达到70mm的TMCP态EH40、EH36船舶用钢板和线能量大于300kJ/cm、厚度达到80mm以上的正火态EH36N海洋工程用钢板。这些大线能量焊接用造船钢板目前已陆续通过ABS、DNV、BV、KR、CCS等多国船级社认证，开始被用于极地船舶和大型FPSO(海上浮式生产储油船)等的建造。遗憾的是，目前我国众多焊接材料生产企业仍不具备大线能量焊接用钢配套焊接材料的供货能力，例如造船企业所用的FCB法大线能量埋弧自动焊实心焊丝和焊剂几乎全部从日本企业高价(约2.5～3.0万元/吨)进口，为摆脱这种长期受制于人的被动局面，国内钢铁企业、焊材生产商、造船企业、高等学校和科研院所应携手合作，共同推进大线能量焊接用钢配套焊接材料的国产化进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝及其制备方法和应用，所制备的焊丝能够保障焊接接头具有与母材相匹配的强度和低温冲击韧性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，按重量百分含量计，所述实心焊丝的化学成分如下：

C 0.06～0.09％，Si 0.12～0.28％，Mn 1.52～2.0％，A 0.0001～0.3％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中：所述A元素为Mg、Ca、Zr、RE和B中的一种或多种。

所述实心焊丝的化学成分中还含有Ti、Ni和Cu，此种情况下，Ti含量为0.008～0.035wt.％，Ni含量为0.05～0.8wt.％，Cu含量为0.05～0.8wt％。

或者，所述实心焊丝的化学成分中还含有Ti和V(不含Ni和Cu)，其中：Ti含量为0.008～0.035wt.％，V含量为0.01～0.06wt.％。

当所述实心焊丝的化学成分含有Mg、Ca、Zr、RE和B中的一种或多种时，各元素按重量百分含量计为：Mg 0.0001～0.005％，Ca 0.0001～0.008％，Zr 0.0001～0.02％，RE0.0001～0.02％，B 0.0001～0.002％；RE为含Ce或La的稀土元素。

所述实心焊丝的化学成分中还可以含有0.001～0.03wt.％的Al元素。

所述实心焊丝的杂质要求为：P≤0.015wt.％，S≤0.005wt.％，N≤0.007wt.％，O≤0.006wt.％。

所述用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用转炉冶炼—LF炉精炼—连铸工艺，按照所述实心焊丝的化学成分制成130×130mm或150×150mm连铸方坯；

(2)将连铸方坯堆垛放置24小时以上后，通过步进式加热炉加热至1050～1150℃，铸坯在炉时间不少于3.5小时，然后进高速线材轧机轧制，控制粗轧开轧温度1020～1080℃、精轧开轧温度900～950℃；

(3)精轧后采用间段式水冷模式，控制吐丝温度850～890℃，最后通过斯太尔摩延迟冷却、集卷等工序制成直径6～8mm的焊丝钢盘条；

(4)将焊丝钢盘条制备成所述实心焊丝。

上述步骤(1)中，当钢水到达LF炉进行精炼时，需通过加入锰铁或硅铁等弱脱氧方式控制氧含量≤100ppm后，添加Ti元素，随后再添加Mg、Ca、Zr、RE或B元素的一种或多种，控制各元素添加间隔时间≤10min，最后再进行LF炉造渣、脱硫和合金化；当完成LF炉精炼后，控制炉渣中FeO+MnO的质量百分比≤1.5％。

上述步骤(4)中，将所述实心焊丝钢盘条依次进行剥壳、酸洗、涂硼砂、粗拉、回火、细拉、镀铜和绕盘工艺后，制成直径4～7mm的成品实心焊丝并绕成内径300～630mm盘卷。

所述实心焊丝用于40mm以下厚度结构钢板的FCB法大线能量埋弧焊接，具体过程为：采用进口或国产焊剂，在焊接热输入60～300kJ/cm范围内，采用FCB法或其他埋弧焊接方法对屈服强度345～420MPa级别结构钢热轧厚钢板施焊。

所能达到的焊缝金属力学性能如下：屈服强度450～560MPa，抗拉强度470～680MPa，延伸率20～28％，0℃冲击吸收功163～207J，-20℃冲击吸收功116～143J，-40℃冲击吸收功98～125J，各项指标满足GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》和GB/T1591—2018《低合金高强度结构钢》等国家标准的相关要求。

本发明的设计机理及有益效果如下：

1、本发明焊丝钢盘条的制造过程是以普通C-Mn钢为基础钢，采用氧化物冶金(Oxides Metallurgy)工艺，通过合理的化学成分设计，选择合适的合金添加方法，利用冶金过程化学反应使钢中夹杂物微细化、球状化并形成化学结构可控的高熔点复合夹杂物，借助这些复合夹杂物在焊接的过程中除能够有效抑制焊缝金属晶粒粗化外，还能在焊缝金属的奥氏体/铁素体相变过程中诱导生成大量具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体，从而保障焊接接头具有与母材相匹配的强度和低温冲击韧性。

2、本发明焊丝适用于船舶、海工、建筑、桥梁等制造领域中厚度40mm以下结构钢板的FCB法及其它埋弧焊机的大线能量焊接。

3、本发明制成的直径4～7mm成品焊丝，主要适用于AH/DH/EH36、AH/DH/EH40、AH/DH/EH420造船钢板及相同强度级别低合金高强度结构钢板在热输入60～300kJ/cm范围内的FCB法大线能量埋弧焊接，同时也适用于这些钢板在热输入60～300kJ/cm范围内的单丝、双丝及多丝埋弧焊接。

附图说明

图1为FCB法焊接成形示意图；

图2为FCB法焊接电极配置方式；

图3为FCB法焊接EH36造船钢板焊接接头宏观金相照片；其中：(a)实施例1焊丝焊接；(b)对比例1焊丝焊接。

图4为FCB法焊接Q420C结构钢板焊接接头宏观金相照片；其中：(a)实施例1焊丝焊接；(b)对比例1焊丝焊接。

具体实施方式

下面结合附图与实施例详述本发明。以下实施例仅用于解释的目的，本发明并不局限于这些实施例中，凡采用等同变换或等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

采用转炉冶炼—LF炉精炼—连铸工艺，当钢水到达LF炉精炼时，采用氧化物冶金工艺，通过硅、锰弱脱氧控制氧含量达到45ppm后，依次添加Ti、Mg、Al、Ca和B元素，各元素添加间隔时间8min，然后进行LF炉造渣、脱硫和合金化，当LF炉精炼完成后，钢水进入连铸工序铸成150×150mm方坯。铸坯化学成分按质量百分比计为：C 0.08％，Si 0.21％，Mn1.57％，P 0.010％，S 0.003％，Ni 0.22％，Cu0.20％，Ti 0.015％，Mg 0.003％、Ca0.003％，Al_T0.02％，B 0.002％，N 0.004％％，O 0.003％％，余量为Fe及不可避免的杂质。

将连铸方坯堆垛放置约24小时后，通过步进式加热炉加热至1100℃，铸坯在炉时间4.5小时，然后进高速线材轧机轧制，控制粗轧开轧温度1050℃、精轧开轧温度920℃，精轧后采用間段式水冷模式、控制吐丝温度870℃，最后通过斯太尔摩延迟冷却、集卷等工序制成直径6.5mm和8.0mm两种规格的焊丝钢盘条。两种焊丝钢盘条的拉伸力学性能如表1所示。

表1 FCB法大线能量埋弧焊接焊丝钢盘条的拉伸力学性能

盘条直径/mm	Rel/MPa	Rm/MPa	YR	A/％
					8.0	398	510	0.78	29
6.5	411	519	0.79	28

所获得的两种规格盘条通过剥壳、酸洗、涂硼砂、粗拉、回火、细拉、镀铜和绕盘等常规工艺，将直径8mm盘条制成直径6.4mm焊丝并绕成内径630mm盘卷；将直径6.5mm盘条制成直径4.8mm焊丝并绕成内径630mm盘卷；考虑双丝埋弧大线能量焊接的要求，将部分直径6.5mm盘条分别制成直径4.0mm和5.0mm焊丝并绕成内径300mm盘卷。

对比例1

同样采用转炉冶炼—LF炉精炼—连铸工艺生产，只是钢水到达LF炉进行精炼时，不采用氧化物冶金工艺，即按传统工艺脱氧、造渣、脱硫和合金化，无需控制合金添加顺序，无需控制氧含量≤100ppm，无需添加Mg、RE、Zr和B等特殊合金元素。精炼结束后同样连铸成150×150mm方坯，其化学成分按质量百分比含C 0.09％，Si 0.10％，Mn 1.96％，P0.008％，S 0.005％，Ni 0.28％，Cu0.19％，Al 0.02％，N 0.005％，O 0.003％，Ti0.016％，Ca 0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

将连铸方坯堆垛放置约24小时后，通过步进式加热炉加热至1100℃，铸坯在炉时间4.5小时，然后进高速线材轧机轧制，控制粗轧开轧温度1050℃、精轧开轧温度920℃，精轧后水冷、控制吐丝温度870℃，最后通过斯太尔摩延迟冷却、集卷等工序制成直径6.5mm和8.0mm两种规格的焊丝钢盘条。两种对比例1焊丝钢盘条的拉伸力学性能如表2所示。

表2对比例1中FCB法埋弧焊接焊丝钢盘条的拉伸力学性能

盘条直径/mm	Rel/MPa	Rm/MPa	YR	A/％
					8.0	410	508	0.81	27
6.5	423	518	0.82	26

所获得的两种规格盘条通过剥壳、酸洗、涂硼砂、粗拉、回火、细拉、镀铜和绕盘等常规工艺，将直径8mm盘条制成直径6.4mm焊丝并绕成内径630mm盘卷；将直径6.5mm盘条制成直径4.8mm焊丝并绕成内径630mm盘卷。

实施例2

将实施例1和对比例1获得的直径4.8mm焊丝分别置于FCB法埋弧自动焊机的L极和T1极，将直径6.4mm焊丝置于T2极，采用国产34mm厚EH36造船钢板匹配日本日铁(株)进口焊剂NSH-1RM/NSM-50M，在表3所示参数条件下进行实施例1和对比例1焊丝的FCB法大线能量埋弧焊接对比试验，作为参考，同时还在表3所示相同参数条件下进行了实施例1焊丝与日本日铁(株)进口Y-DL焊丝的对比试验，测得的本组焊接接头力学性能数据如表4所示，实施例1和对比例1焊接接头的宏观金相照片如图3所示。由表4数据可以看出，对比例焊丝焊后金属的冷弯性能不合格；且-40℃的低温冲击功单值和均值全都达不到《船舶及海洋工程用结构钢》GB 712—2011标准要求的≥34J。而实施例1焊丝施焊后焊缝金属各项力学性能指标全部满足GB 712—2011标准要求，而且-40℃低温冲击功的单值和均值全都远远超过了标准规定的≥34J，达到了日本日铁(株)进口Y-DL焊丝的实物水平。由此可见，本发明的FCB法大线能量埋弧焊接实心焊丝已具备替代进口条件，期待在国内船舶及海洋工程制造领域同行们的鼎力合作下，尽快实现大面积推广应用。

表3 FCB法大线能量埋弧焊接EH36船板试验参数

表4 FCB法大线能量埋弧焊接EH36船板焊接接头力学性能

实施例3

将实施例1和对比例1获得的直径4.8mm焊丝作为FCB埋弧焊机的前两丝(L极和T1极)，直径6.4mm焊丝作为FCB埋弧焊机的后丝(T2极)，采用目前在建“深中通道”沉管所用厚度30mm Q420C钢板匹配国产TGF-55E/TGF-B焊剂，在表5所示参数条件下进行了FCB法大线能量埋弧焊接的对比试验，焊接接头的力学性能如表6所示，焊接接头的宏观金相照片如图4所示。从表6数据不难发现，将实施例1焊丝匹配国产焊剂用于焊接屈服强度420MPa级的低合金高强度结构钢厚板时，其焊接接头的强韧性能匹配依然非常合理，各项力学性能满足GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》标准要求，而对比例1焊丝焊后金属的冷弯性能不合格，-20℃低温冲击功的单值和均值同样都没有达到GB/T 1591—2018标准要求。由此表明，高效的FCB法埋弧焊接方式及本发明的大线能量焊接实心焊丝匹配国产焊剂，同样有望在大量使用低合金高强度结构钢厚板的建筑、桥梁和工程机械制造等领域中得到推广应用。

表5 FCB法大线能量埋弧焊接Q420C钢板试验参数

表6 FCB法大线能量埋弧焊接Q420C钢板焊接接头力学性能

实施例4

将实施例1制成的直径4.0mm和5.0mm焊丝分别作为双丝埋弧焊机的前丝(L极)和后丝(T1极)匹配国产TGF-55E焊剂，采用国产30mm厚Q420C钢板在表7所示参数条件下进行了双丝埋弧自动焊接，测得的焊接接头力学性能如表8所示，表8试验结果显示，本发明的焊丝即便用于低合金高强度结构钢板的双丝或多丝大线能量埋弧焊接时，其焊接接头同样会具有很好的综合力学性能，且焊缝金属的各项力学性能满足GB/T 1591—2018标准要求，足见本发明的焊丝适应性强、通用性好，具有很好的市场前景和推广应用价值。

表7实施例焊丝用于双丝埋弧焊接Q420C钢板的试验参数

表8实施例1焊丝用于双丝埋弧焊接Q420C钢板的焊接接头力学性能

实施例5：

与实施例1不同之处在于：本实施例铸坯化学成分按质量百分比计为：C 0.085％，Si 0.20％，Mn 1.98％，P 0.015％，S 0.003％，V 0.03％，Ti 0.015％，Zr 0.007％、Ca0.0025％，B 0.0015％，N 0.003％％，O 0.0025％％，余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例6：

与实施例1不同之处在于：本实施例铸坯化学成分按质量百分比计为：C 0.086％，Si 0.23％，Mn 1.57％，P 0.010％，S 0.002％，V 0.05％，Al_T 0.02％，Ti 0.013％，Ce0.005％，B 0.001％，N 0.004％％，O 0.002％％，余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例7：

将实施例5-6制成的直径4.0mm和5.0mm焊丝分别作为双丝埋弧焊机的前丝(L极)和后丝(T1极)匹配国产TGF-55E焊剂，采用国产30mm厚Q420C钢板在表7所示参数条件下进行了双丝埋弧自动焊接，测得的焊接接头力学性能如表9所示，可以看出，焊缝金属的各项力学性能全部满足GB/T 1591—2018标准要求。由此说明,本发明焊丝的化学成分适应性强，工艺窗口较宽，有利于在国内现有装备条件下实现批量制造和大面积推广应用。

表9实施例5-6焊丝用于双丝埋弧焊接Q420C钢板的焊接接头力学性能

Claims

1.一种用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：按重量百分含量计，所述实心焊丝的化学成分如下：

2.根据权利要求1所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝的化学成分中还含有Ti、Ni和Cu，Ti含量为0.008～0.035wt.％，Ni含量为0.05～0.8wt.％，Cu含量为0.05～0.8wt％。

3.根据权利要求1所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝的化学成分中还含有Ti和V，Ti含量为0.008～0.035wt.％，V含量为0.01～0.06wt.％。

4.根据权利要求1所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝的化学成分含有Mg、Ca、Zr、RE和B中的一种或多种时，各元素按重量百分含量计为：Mg 0.0001～0.005％，Ca 0.0001～0.008％，Zr 0.0001～0.02％，RE 0.0001～0.02％，B 0.0001～0.002％；RE为含Ce或La的稀土元素。

5.根据权利要求1所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝的化学成分中还可以含有0.001～0.03wt.％的Al元素。

6.根据权利要求1-5任一所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝，其特征在于：所述实心焊丝的杂质要求为：P≤0.015wt.％，S≤0.005wt.％，N≤0.007wt.％，O≤0.006wt.％。

7.根据权利要求1-5任一所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(4)将焊丝钢盘条制备成所述实心焊丝。

8.根据权利要求7所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，当钢水到达LF炉进行精炼时，需通过加入锰铁或硅铁等弱脱氧方式控制氧含量≤100ppm后，添加Ti元素，随后再添加Mg、Ca、Zr、RE或B元素的一种或多种，控制各元素添加间隔时间≤10min，最后再进行LF炉造渣、脱硫和合金化；当完成LF炉精炼后，控制炉渣中FeO+MnO的质量百分比≤1.5％。

9.根据权利要求7所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，将所述实心焊丝钢盘条依次进行剥壳、酸洗、涂硼砂、粗拉、回火、细拉、镀铜和绕盘工艺后，制成直径4～7mm的成品实心焊丝并绕成内径300～630mm盘卷。

10.根据权利要求1-5任一所述的用于FCB法大线能量埋弧焊接的实心焊丝的应用，其特征在于：所述实心焊丝用于厚度40mm以下结构钢板的FCB法大线能量埋弧焊接，具体过程为：采用进口或国产焊剂，在焊接热输入60～300kJ/cm范围内，采用FCB法或其他埋弧焊接方法对屈服强度345～420MPa级别结构钢热轧厚钢板施焊。