一种超高强气体保护焊丝及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焊接材料及其制造方法，尤其涉及一种气体保护焊接材料及其制 造方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代机械装备的高参数、大型化和轻量化的发展要求，采用80kg级及以上强 度级别的钢材也成为许多国内制造行业的第一选择。比如，在工程机械制造领域中的起重 机、混凝土泵车，又比如，在矿山机械制造领域中的煤机液压支架，或是，在水电行业领域中 的水电压力钢管。同时，港口机械，海洋结构，客货车辆及特种车辆等相关制造领域也都需 要大量使用强度级别较高的钢材。同时，由于富氩气体保护焊接是一种高效、廉价、可靠的 自动化或半自动化焊接方式，因此，在以上制造领域中都会广泛采用到此种气体保护焊接 方式。
[0003] 用于80kg级及以上强度级别的钢材的焊接材料通常都会含有一定含量的主合金 元素，而不含有微合金元素，这样焊接材料所形成的焊缝金属的碳当量就会较高，相应地， 焊缝金属的抗裂性就会较差，成本也相对较高。为了提供于下游终端用户加工钢铁材料的 便利性，如下料、切割、焊接制作、弯曲成形等加工步骤，现有技术中的高强度的钢材会通过 低合金或微合金化来提高其强度。然而，随着抗拉强度的提高，超高强度焊接材料的低温冲 击韧性则会会大大地降低，为了使得超高强度焊接材料也具有良好的强韧性能，一般会加 入大于2%以上的Ni含量，由此会导致焊接材料的成本大幅地提高。
[0004][0005][0006][0007] 由上述中国专利文献所公开的技术方案可以得知，高强度焊接材料的高强度主要 源于添加一定量的淬透性合金化元素（例如，C、Cr、Mo、W、Ni及Cu等元素），以此来提高焊 缝金属的强度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种超高强气体保护焊丝，其合金含量低、碳当量低，由该 焊丝焊接后形成的焊缝金属同时具有较高的强度、较大的低温韧性以及较好的塑性，并且 这三者之间的匹配性好。与此同时，采用该焊丝焊接形成的焊缝金属还具有优良的抗裂性 能和良好的焊接性能。
[0009] 为了实现上述目的，本发明提出了一种超高强气体保护焊丝，其化学元素质量百 分比含量为：
[0010] C 0.06-0.12 %, Si 0.55-0.80 %, Mn 1.60-1.95 %,0<Cu^0. 20 %, CrO. 10-0. 35%, Mo 0. l〇-〇. 50%, Ni I. 00-1. 60%, Ti 0. 01-0. 20%, BO. 0005-0. 0060%, 余量为Fe及其他不可避免的杂质。
[0011] 本技术方案中不可避免的杂质除了 P和S元素之外，还包括A1、0、N和H元素。作为 不可避免的杂质元素，这些杂质元素的含量应当是越低越好。在超高强气体保护焊丝中，磷 与硫均不利于焊缝金属的塑韧性能，因此，其含量需要严格控制，在本发明的技术方案中可 以将磷含量控制为< 〇. 〇15wt. %，而将硫含量控制为< 0,01Owt. %。另外，为了减少夹杂 的产生，提高焊缝金属的塑韧性，并提高焊缝金属的洁净度，可以将控制Al < 0. 02wt. %。 同时，为了提高焊缝金属的韧性，可以控制〇彡〇. 〇〇5wt. %，N彡0. 006wt. %且 H 彡 0. 0002wt. %。
[0012] 本发明所述的超高强气体保护焊丝中的各化学元素的设计原理为：
[0013] C :碳可以有效地提高焊缝金属的强度。但是，含量过高的碳元素会影响焊缝金属 的塑性、韧性以及冷裂纹敏感性能，因此，基于本发明的技术方案，将焊丝中的碳含量应控 制在0. 06-0. 12wt. %范围之间。
[0014] 优选地，可以将焊丝中的碳含量控制为0. 06-0,1Owt. %。
[0015] Si :硅固溶在铁素体和奥氏体中，其可以提高焊缝金属的强度。同时，添加一定含 量的硅还可以增加焊缝金属的流动性，使得焊丝在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能。 然而，硅含量过高会导致焊缝金属的韧性急剧下降，故将本发明所述的焊丝中硅的质量百 分比含量设计为〇. 55-0. 80%。
[0016] 优选地，还可以将该焊丝中硅的质量百分比含量设定为0. 55-0. 75%。
[0017] Mn :锰是增加焊缝金属强韧性的有益元素之一。锰含量的增加不仅有利于防止焊 缝金属出现热裂纹，还有利于焊缝金属的脱氧。不过，若锰含量过高就容易导致焊丝钢铸坯 中出现偏析和裂纹，也容易使得焊缝金属的碳当量过大，并降低焊缝金属的韧性。因而，本 发明所述的气体保护焊丝中的锰元素的含量应该控制为I. 60-1. 95wt. %。
[0018] 更为优选的是，将锰元素的含量控制为1. 70-1. 90wt. %。
[0019] Cu:当铜含量小于0.5wt. %时，其作用主要表现为固溶强化，其析出强化作用 并不明显，而当铜含量大于0. 5wt. %时，析出强化起主要作用，本技术方案要采用Cu的 固溶强化作用，但是，铜含量的增加会导致碳当量的增加，从而使得热裂纹敏感性也相 应增加。综合各种因素，本发明所述的气体保护焊丝中的铜的质量百分比含量设定为ο < Cu 彡 0· 20%〇
[0020] 优选地，铜的质量百分比含量可以为0 < Cu < 0. 15%。
[0021] Cr :铬可以提高焊缝金属的淬透性，从而提高其强度。但是含量过高的铬会降低焊 缝金属的韧性，同时还会增加焊缝金属冷裂纹敏感性。一定含量的铬元素才可以细化铁素 体晶粒，从而增加焊缝金属二次组织的强韧性。鉴于此，本发明的技术方案中的铬含量控制 为 0· 10-0. 35wt. %〇
[0022] 优选地，还可以将上述技术方案中的铬含量进一步地控制为0. 10-0. 30wt. %。
[0023] Mo :钼因可以存在于固溶体相和碳化物相中而具有固溶强化和析出强化的作用， 同时，钼还具有细化晶粒的作用，从而兼具提高焊缝金属的强度和韧性的作用。钼是减小回 火脆性的元素，其可以提高多层多道焊缝金属的回火稳定性；但钼的含量过高会使得焊缝 组织产生较多的淬硬组织，增加焊缝金属的冷裂纹敏感性。另外，钼金属的添加成本也相对 较高。基于此，将本发明所述的超高强气体保护焊丝中的钼含量应控制为〇. 10-0. 50wt. %。
[0024] 优选地，钼含量还可以进一步地控制为0. 20-0. 50wt. %。
[0025] Ni :镍可以提高焊缝金属的韧性，尤其是提高焊缝金属的低温冲击韧性，并降低脆 性转变温度。在一定添加范围内，随着镍含量的增加，可以提高焊缝金属的强度，可是一旦 镍含量超过该添加范围之后，焊缝金属的强度就不会随其含量的增加而增加。此外，镍元素 是一种昂贵的合金金属元素，在添加时需要考虑其对于生产成本所造成的影响。故而，在本 发明的技术方案中将镍含量控制为I. 00-1. 60wt. %。
[0026] 作为一种更为优选的设定范围，可以将镍含量控制为I. 20-1. 60wt. %。
[0027] Ti和B :钛与氧、氮形成钛的氧化物与氮化物，作为晶内二次焊缝组织的形核质 点，强化了晶内。硼在奥氏体晶界偏聚，抑制先共析铁素体的形核与长大，强化了晶界。但 是硼含量过高时，将会引起硼脆。钛、硼联合加入的复合作用是含量稍高一些的钛可优先与 氧、氮结合，从而可以保护硼不被氧化；然而钛含量也不易过高，其原因在于：Ti含量过高 而形成的氧化物与氮化物尺寸大小不均匀，尺寸较大的氧、氮化物在焊缝金属中便会以夹 杂物的形式存在，从而会大幅地降低焊缝金属的塑性。由此，在本发明所述的超高强气体保 护焊丝中，需要控制钛含量为0.01-0. 20wt. %，并且控制硼含量为0.0005-0. 0060wt. %。
[0028] 优选地，可以将钛含量控制为0. 03-0. 15wt. %。
[0029] 优选地，可以将硼含量控制为0. 0015-0. 0050wt. %。
[0030] 较之于现有技术，本发明所述的超高强气体保护焊丝中不含W和Re等微合金元 素。同时，本发明的焊丝中的合金元素的添加量较少，其碳当量较低，使得焊丝的生产成本 相对较低，因此其具有更好的经济效益。
[0031] 另外，相较于现有技术，本发明所述的超高强气体保护焊丝中的Cu元素主要起到 了固溶强化的作用，而现有技术中的Cu元素在其所公开的技术方案中起到的是析出强化 的作用。
[0032] 此外，与现有技术相比较，本发明所述的超高强气体保护焊丝在添加 Ti元素的基 础上，还添加了 B元素，以