专利名称：埋弧焊用粘结焊剂和实芯焊丝以及低温用钢的埋弧焊方法
技术领域：
本发明涉及埋弧焊用粘结焊剂及焊丝，特别涉及至-40°C左右的低温下仍能够得到具有优异的断裂韧性的焊接部，主要被作为海洋结构物或LPG油储罐等使用的、适于低温高強度用钢的焊接的埋弧焊用粘结焊剂和实芯焊丝，以及低温用钢的埋弧焊方法。
背景技术：
低温用钢被用于寒冷地区的输送管线管、海洋中的石油钻探平台等的海洋结构物、LPG储罐等。在这些结构物中，从安全性和耐久性的观点出发而要求品质的更进ー步提高，其中，对于焊接部的性能提高有着更严格的要求。作为该焊接部的品质，具有低温下的断裂韧性，作为该韧性的评价标准，是摆锤冲击试验中的吸收能及设计温度下的断裂韧性值(CTOD)。历来，作为以提高该低温下的断裂韧性性能为目的的技术，本申请申请人提出有专利文献I所公开的技术。该专利文献I所公开的埋弧焊用粘结焊剂含有MgO 20 45%、Al2O3 10 30%、CaF2 5 15%、SiO2 5 20%、金属碳酸盐(以 CO2 换算):2 10%、CaO和BaO的一种或两种的合计2 20%,并且含有金属Si、金属Al和金属Ti的一种或两种以上的合计0. 5 5%，金属Ti和Ti氧化物(以Ti換算)的合计(totalTi) :1 7%，金属B和B氧化物(以B换算)的ー种或两种的合计0. I 0. 5%，S :0. 005 0. 15%。另外，在专利文献2中公开，在低温用钢用Ti脱氧钢所代表的控制脱氧的多层焊接中，作为以得到良好的焊接操作性和在AW(焊接的状态下)及PWHT (去应カ退火后)均具有良好的韧性的焊接部为目的的低温用钢的埋弧焊用焊丝，是ー种埋弧焊用粘结焊剂和焊丝，其对于从Ca、Mg、Zr和Al中选也的ー种以上的元素量的合计，以重量％计为0.015%以下的Ti脱氧钢所代表的控制脱氧钢板进行焊接，其中，埋弧焊用粘结焊剂为满足下式(I) (3)，且 8 彡(SiO2)F 彡 16%, (Si)F 彡 0. 5%,0. I ( (Al)F 彡 I. 5%, (Mg)F^4.5%,0. (ADF+0. 25X (Mg)F彡1.5%，埋弧焊用焊丝同样满足下式(I) (3)，且0. 005 く [C]ff く 0. 08%,0. 005%^ [Si]ff く 0. 10%, I. 5 く [Ni]ff 彡 3. 5%。0. 002 彡 0. IX (B2O3) F+6 X [B]W+3X [B]b く 0. 025... (I)0. 05 ^ 0. OlX (TiO2)F+0. IX (Ti)F+3X [Ti]ff+1. 5X [Ti]B く 0. 22... (2)0. IX (P)F+0. 6X [P]ff+0. 3X [P]B く 0. 012... (3)先行技术文献专利文献专利文献I特开平7-256489号公报专利文献2特开平10-113791号公报在专利文献I中，通过调整焊剂的碱度和Ti、B等合金成分，能够使焊接金属中的氧、Ti、B量适当化，确保优异的断裂韧性直至-60°C。但是，焊接金属的強度级为，0.2%屈服強度在450MPa左右，因此要求更进一歩的高強度化。另外，在专利文献2中，海洋结构物和LPG储罐等所使用的低温用钢在焊接时，想要在AW(焊接的状态下)及PWHT(去应カ退火后)的状态下，得到至-70°C下低温韧性优异的焊接金属，但是没有达成使低温断裂韧性(特别是CTOD性能)提高。
发明内容
本发明样的问题点而做，其目的在于，提供一种埋弧焊用粘结焊剂和实芯焊丝以及低温用钢的埋弧焊方法，其通过适当地规定焊丝和焊剂的组成，能够在优异的焊接操作性下，得到低温断裂韧性优异的焊接部(焊接金属)。本发明的埋弧焊用粘结焊剂，其特征在于，含有MgO 23 43质量％、Al2O3 :11 31质量％、CaF2 6 16质量％、SiO2 7 20质量％、金属碳酸盐以CO2换算为I. 0 8. 0质量％、CaO和BaO的ー种或两种合计2 16质量％，并且含有金属Si :0. 4 I. 5质量％，金属Ti和Ti氧化物(total Ti):以Ti换算值的合计为1.0 7.0质量％，金属B和B氧化物的ー种或两种以B换算值的两者合计为0. 01 0. 20质量％，碱金属Na、K和Li的氧化物以向各元素換算的換算值合计，含有I. 0 6. 0质量％，满足(Ti换算值+B換算值)/SiO2 :0. 05 0. 55。本发明的埋弧焊用实芯焊丝，其特征在于，含有C :0. 10 0. 15质量％、Mn :1. 5
2.5质量％、Ni :2. 0 2.6质量％，Mo限制在0. 05质量％以下，N限定在0. 008质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且满足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5。本发明的低温用钢的埋弧焊方法，其特征在于，使用如下埋弧焊用粘结焊剂和埋弧焊用实芯焊丝，得到含有B :0. 0010 0. 0050质量％和Ti :0. 010 0. 050质量％，满足[Ti]/
0. 50 0. 90的焊接金属，该埋弧焊用粘结焊剂含有MgO 23 43质量％、A1203 11 31质量％、CaF2 6 16质量％、SiO2 7 20质量％、金属碳酸盐以CO2换算为I. 0 8. 0质量％、CaO和BaO的ー种或两种合计2 16质量％，并且含有金属Si :0. 4 I. 5质量％，金属Ti和Ti氧化物(total Ti):以Ti换算值的合计为I. 0 7. 0质量％，金属B和B氧化物的一种或两种以B換算值的两者合计为0. 01 0. 20质量％，碱金属Na、K和Li的氧化物以换算成各元素的换算值合计，含有I. 0 6.0质量％，满足(Ti换算值+B换算值)/SiO2 :0. 05
0.55 ；该埋弧焊用实芯焊丝含有C :0. 10 0. 15质量％、Mn :1. 5 2. 5质量％、Ni
2.0 2. 6质量％，Mo限制在0. 05质量％以下，N限定在0. 008质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且满足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5。根据本发明的埋弧焊用粘结焊剂，通过适当地规定焊剂的组成，能够得到具有优异的焊接操作性和断裂韧性的焊接金属。另外，根据本发明的埋弧焊用料芯焊丝，通过适当地规定焊丝的组成，能够得到高强度且具有优异的断裂韧性的焊接金属。此外，根据本发明的低温用钢的埋弧焊方法，能够得到0. 2%屈服应カ为500MPa以上、抗拉强度为610MPa以上、CTOD值5 (-40°C )为0. 25mm以上的焊接金属。
图I是表示焊丝的[NiV([Mn]+ [Mo])比率对焊接金属的各性质的影响的标绘图。
图2是表示焊剂的(Ti换算值+B换算值)/Si02对焊接金属的各性质的影响的标绘图。
具体实施例方式历来，焊接金属的高韧性化技术被大量提出，而专利文献I所公开的技术是通过调整焊剂碱度和合金成分来达成高韧性化。另外，在专利文献2中，通过调整焊剂和焊丝中各自的合金成分来达成高韧性化。但是，在这些现有的技术中，0. 2%屈服强度为450MPa左右，另外CTOD值低。本发 明为了消除这样的现有技术的问题点而做，开发出通过调整焊剂和焊丝的合金成分，强度级0. 2%屈服强度为500MPa以上、抗拉强度为610MPa以上、CTOD至-40°C为0. 25mm以上，具有优异的断裂韧性的焊接金属。以下，对于本发明的焊剂和焊丝的组成限定理由进行说明。首先，对于埋弧焊用粘结焊剂的组成进行说明。(I)埋弧焊用粘结焊剂“MgO :23 43 质量 ％ ”MgO具有的作用是，通过其添加，提高碱度，并且作为脱氧剂使焊接金属中的氧降低，因此在降低氧上有效。另外，MgO的添加也使熔渣的耐火性增加。MgO低于23质量％时，该作用无法发挥。另外，若MgO超过43质量％，则熔渣的剥离和焊道外观恶化。“A1203 :11 31 质量Al2O3具有作为造渣剂的作用，有确保焊道的熔渣剥离性的效果。另外，Al2O3具有提高电弧的集中性和稳定性的作用。但是，若Al2O3低于11质量％，则熔渣的剥离性劣化，电弧不稳定，焊接变得困难。另外，若Al2O3超过31质量％，则焊接金属中的氧增加，使焊接金属的韧性劣化。“CaF2 6 16 质量％ ”CaF2公知的作用是调整生成熔渣的熔点，但CaF2也有使焊接金属中的氧降低的效果。但是，CaF2低于6质量％吋，该效果得不到发挥，另外若CaF2超过16质量％，则电弧变得不稳定，焊道外观劣化，另外在焊道上发生麻点。“Si02 :7 20 质量％ ”SiO2作为造渣剂而具有修整焊道外观和焊道形状的作用，但在SiO2低于7质量％吋，该效果得不到发挥，另外若SiO2超过20质量％，则使焊接金属中的氧增加，使韧性劣化。“金属碳酸盐以CO2换算为I. 0 8. 0质量％ ”金属碳酸盐因焊接热而气化，具有降低电弧气氛中的水蒸气分压，降低焊接金属的扩散性氢量这样的电弧保护效果。但是，金属碳酸盐低于1.0质量％吋，该效果无法发挥。另外，若金属碳酸盐超过8.0质量％，则熔渣的剥离恶化，这时在焊道上发生麻点，操作性不良。一般来说，作为金属碳酸盐可列举CaC03、BaCO3等。“CaO和BaO的ー种或两种合计2 16质量％ ”CaO和BaO与MgO—起提高碱度，对于降低焊接金属中的氧有效。另外，CaO和BaO具有同样的作用效果。但是，CaO和BaO其一种或两种的合计低于2质量％时，无法发挥该效果，另外若超过16质量％，则电弧稳定性和焊道的外观劣化。
“金属 Si :0. 4 1.5 质量金属Si具有使焊接金属中的氧量降低的脱氧效果。该金属Si通常以Fe-Si合金的形式添加。该合金中的Si在焊剂单位质量中低于0. 4质量％时，脱氧效果无法被发挥。另外，若Si超过I. 5质量％，则脱氧效果饱和，焊接金属的韧性反而劣化，并且强度过度提闻。
“金属Ti和Ti氧化物(total Ti)以Ti换算值的合计为I. 0 7. 0质量％ ”金属Ti具有使焊接金属中的氧量降低的脱氧效果。另外，Ti氧化物作为造渣剂而具有调节粘性和流动性的效果。金属Ti也在焊接中氧化，成为Ti氧化物，作为造渣剂而具有调节粘性和流动性的效果。其合计(total Ti)低于1.0质量％时，该效果得不到发挥，若超过7. 0质量％，则脱氧过剩，另外熔渣量过剩，在焊道表面发生烧结，熔渣剥离性劣化。如此，金属Ti和Ti氧化物彼此具有密切的关联性，作为total Ti来规定其量。焊剂的金属Ti和Ti氧化物(Ti换算值)的合计(total Ti)的更优选范围是0. 3 I. 3质量％“金属B和B氧化物的ー种或两种以B换算值的两者合计为0. 01 0. 20质量金属B和B氧化物具有控制焊接金属中的固溶B量的效果，但是B換算值以与金属B的合计低于0. 01质量％时，抑制固溶B在晶界偏析中的微细的组织，韧性提高效果无法发挥，若B换算值的合计超过0. 20质量％，则焊接金属的淬火性大幅上升，韧性降低。焊剂的金属B和B氧化物的ー种或两种，以B换算值的合计，更优选的范围是0. 01 0. 15质量％。“碱金属Na、K和Li的氧化物以向各元素换算的换算值合计，为I. 0 6. 0质
量V，碱金属Na、K和Li的氧化物具有使电弧稳定化的效果，但这些氧化物以向各元素換算的換算值合计而低于1.0质量％时，该效果无法被发挥。另外，若向各元素換算的换算值的合计超过6. 0质量％，则脱氧效果无法提高，焊接金属的韧性劣化，并且强度过度上升。“ (Ti 换算值 +B 换算值)/SiO2 :0. 05 0. 55”在本发明中，为了确保断裂韧性和焊接操作性这两方，如上述这样限定各成分组成，但本发明者们还发现，通过将(Ti换算值+B换算值)/SiO2规定在满足0. 05 0. 55的范围，能够确保断裂韧性和焊接操作性这两方。若(Ti换算值+B换算值)/SiO2低于0. 05，则生成焊接金属氧量高的粗大的组织，由此导致断裂韧性降低。另外，若(Ti换算值+B換算值)/SiO2超过0. 55，则熔渣的剥离性和焊道形状等的焊接操作性劣化，焊接金属的強度也上升，断裂韧性降低。熔渣的(Ti换算值+B换算值)/SiO2更优选的范围是0. 10 0. 40。(2)其次，对于实芯焊丝的组成进行说明。“C :0. 10 0. 15 质量％ ”为了得到良好的韧性，需要降低C。为了在焊接金属中得到良好的低温韧性，需要使之处于0. 15质量％以下。但是,若C低于0. 10质量则脱氧不足，韧性劣化。“Mn :1. 5 2. 5 质量Mn确保焊接金属的淬火性，在生成晶内铁素体的相变核上需要。这ーMn的效果在
I.5质量％以上时能够获得，但是若Mn超过2. 5质量％，则焊接金属的淬火性过大，韧性劣化。
“Ni 2. 0 2. 6 质量％ Ni在焊接金属的基体中固溶，使铁素体本身高韧性化。这ー Ni的效果在2. 0质量％以上时能够获得。另ー方面，若Ni超过2.6质量％，则P和S容易在晶界析出，高温裂纹容易产生。“Mo :0. 05 质量％ 以下”Mo具有使焊接金属的提高的效果。但是，若Mn超过0.05质量％，则焊接金属的淬火性过度上升，焊接金属的韧性降低。“N :0. 008 质量％ 以下，，N是使韧性劣化的元素，优选尽可能低，因此使N的上限为0. 008%。还有，本发明的实芯焊丝的余量是Fe和不可避免的杂质。“ [NiV([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5”在本发明中，为了提高断裂韧性和耐高温裂纹性双方，以上述方式规定实芯焊丝的组成，但本发明者们还发现，若在[Ni]/([Mn]+ [Mo])满足0. 9 I. 5的范围调整各成分的组成，则能够更确实地使断裂韧性和耐高温裂纹性这两方提高。若[NiV ([Mn]+ [Mo])低于0.9，则焊接金属的淬火性高，断裂韧性降低。另外，若[Ni]/([Mn]+ [Mo])超过1.5，则高温裂纹容易产生。焊丝的[Ni]/([Mn]+ [Mo])更优选的范围是1.0 I. 4。(3)接着，对于由本发明的焊接方法得到的焊接金属的组成进行说明。“B :0. 0010 0. 0050 质量％ ”B低于0. 0010质量％时,发挥不出先共析铁素体的抑制效果,韧性劣化。另一方面，若B超过0. 0050质量％，则焊接金属的淬火性变大，由此导致韧性劣化。“Ti :0. 010 0. 050 质量Ti低于0. 010质量％吋，晶内针状铁素体的相变核的生成受到阻碍，韧性劣化。另一方面，若Ti超过0. 050质量％，则由于粗大的板条状贝氏体的生成导致韧性劣化。“ [Ti]/
0. 50 0. 90”[Ti]/
低于0. 50时，脱氧不足，因此粗大的先共析铁素体的生成，由此导致韧性劣化。另ー方面，若[Ti]/
超过0.90，则粗大的板条状贝氏体的生成导致韧性劣化。实施例以下，通过本发明的实施例更具体地说明本发明的效果。制作下述表I所示的Wl W6的6种焊丝。表I中Wl W3是处于本发明的范围的实施例，W4 W6是脱离本发明的范围的比较例。焊丝直径在全部焊丝中为4. 0mm。同样，制作下述表2和表3所示的Fl F15的15种焊剂。这些焊剂的原料是对于原料粉末以水玻璃作为粘合材料而进行造粒后，以500°C分别烧成，粒化为10 48筛号的粒度。在下述表2和表3中，Fl F5是处于本发胆的范围的实施例，F6 F15是脱离本发明的范围的比较例。表I
权利要求
1.一种埋弧焊用粘结焊剂，其特征在于，含有MgO 23 43质量％、Al2O3 :11 31质量％、0&&:6 16质量％、SiO2 :7 20质量％、金属碳酸盐以CO2换算为I. O 8. O质量％工&0和BaO的一种或两种合计2 16质量％，并且含有金属Si :0. 4 I. 5质量％，金属Ti和Ti氧化物的Ti总量以Ti换算值计的合计为I. O 7. O质量％，金属B和B氧化物的一种或两种以B换算值计的两者合计为O. 01 O. 20质量％，碱金属Na、K和Li的氧化物以换算为各元素的换算值合计为I. O 6. O质量％，满足(Ti换算值+B换算值)/SiO2 0. 05 O. 55。
2.一种埋弧焊用实芯焊丝，其特征在于，含有C :0. 10 O. 15质量％、Mn :1. 5 2. 5质量％、Ni :2. O 2. 6质量％，并且，将Mo限制在O. 05质量％以下，将N限定在O. 008质量％以下，余量为Fe和不可避免的杂质，并且满足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 1.5。
3.—种低温用钢的埋弧焊方法，其特征在于，使用如下埋弧焊用粘结焊剂和埋弧焊用实芯焊丝，得到含有B 0. 0010 O. 0050质量％和Ti 0. 010 O. 050质量％，满足[Ti]/[O] 0. 50 O. 90的焊接金属，其中， 所述埋弧焊用粘结焊剂含有MgO :23 43质量％、Al2O3 :11 31质量％、CaF2 :6 16质量％、Si02 :7 20质量％、金属碳酸盐以CO2换算为1.0 8.0质量％工&0和BaO的一种或两种合计2 16质量％，并且含有金属Si 0. 4 I. 5质量％，金属Ti和Ti氧化物的Ti总量以Ti换算值计的合计为I. O 7. O质量％，金属B和B氧化物的一种或两种以B换算值计的两者合计为O. 01 O. 20质量％，碱金属Na、K和Li的氧化物以换算成各元素的换算值合计为I. O 6. O质量％，并且，满足(Ti换算值+B换算值)/SiO2 0. 05 O.55 ； 所述埋弧焊用实芯焊丝含有C :0. 10 O. 15质量％、Mn :1. 5 2. 5质量％、Ni :2. O 2.6质量％，并且，将Mo限制在O. 05质量％以下，将N限定在O. 008质量％以下，余量是Fe和不可避免的杂质，并且满足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 1.5。
全文摘要
本发明提供一种埋弧焊用粘结焊剂和实芯焊丝以及低温用钢的埋弧焊方法，其能够在优异的焊接操作性下，得到低温断裂韧性优异的焊接部(焊接金属)。埋弧焊用粘结焊剂含有MgO23～43质量％、Al2O311～31质量％、CaF26～16质量％、SiO27～20质量％、金属碳酸盐以CO2换算为1.0～8.0质量％、CaO和BaO的一种或两种合计2～16质量％，并且含有金属Si0.4～1.5质量％，金属Ti和Ti氧化物(total Ti)以Ti换算值的合计为1.0～7.0质量％，金属B和B氧化物的一种或两种以B换算值的两者合计为0.01～0.20质量％，碱金属Na、K和Li的氧化物以向各元素换算的换算值合计，含有1.0～6.0质量％，满足(Ti换算值+B换算值)/SiO20.05～0.55。
文档编号B23K35/30GK102615451SQ20121002497
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者中西浩二郎, 太田诚, 韩鹏 申请人:株式会社神户制钢所