超高强度超低氢焊条及焊缝金属的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料领域，特别是涉及一种抗拉强度> 830MPa，扩散氨含量 《2ml/100g的超低氨手工焊用电焊条及焊缝金属。
【背景技术】
[0002] 高强钢的采用一方面增加工程结构的承重力，同时也能够降低自重、节约材料，因 而在工程机械、桥梁、建筑和海洋工程等领域中得到广泛应用。近来屈服强度690MPa、抗拉 强度830MPa的高强钢在工程机械、海洋工程等领域得到了广泛应用，工程建设中自然离不 开焊接材料的装配加工。
[0003] 该类钢材的焊接材料，一方面需要同等强度甚至更高级别的焊接材料，W满足焊 接接头的强度和初性要求；同时还对焊接接头的焊缝金属的扩散氨含量提出了严格要求， W防止焊接冷裂纹的生成。焊缝金属冷裂纹敏感性随强度增加而增加，当其抗拉强度超 过SOOMPa时，其形成冷裂纹的临界扩散氨含量将由600-700MPa时的8-15ml/100g降低到 4-6ml/100g。显而易见，为防止焊接冷裂纹，确保焊接接头质量，应选择扩散氨含量小于临 界含量的焊材。
[0004] 因此，对于屈服强度690MPa级钢材，正确的焊条应该同时满足强度和超低氨含量 两个技术要求。
[0005] 现有技术中涉及屈服强度> 690MPa的焊条及烙敷金属报道不多。专利技术 CN200610066049. 2提供了一种抗拉强度1000M化的手工电焊条烙敷金属，但7. 1-12%含量 Ni的添加，大幅增加了成本。专利技术201210547498. 4提供了一种管线X100专用电焊条， 虽然强度在690MPa W上，但是能否应用于海洋平台还是个未知数。而且，上述技术不能满 足烙敷金属超低氨的要求。现有超低氨焊条仅限于抗拉强度650MPa W下，比如专利技术 201010608238. 4和200510017422. 0。截至目前，屈服强度690MPa W上的焊条及烙敷金属 未见报道。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供超低氨的手工电焊条，使用该焊 条制得的焊缝金属的屈服强度> 690MPa，抗拉强度> 830MPa，-4(TC> 80J，扩散氨含量 《2ml/100g。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案： 高强度超低氨电焊条及焊缝金属，焊条由焊芯和外表包覆药皮组成，所述焊芯为低 合金钢，W重量百分比计，包括；C 0. 02-0. 08, Si 0. 05-0. 20, Μη 0. 50-1. 50, P《0. 020， S《0. 020，Ni 1. 2-2. 5,佩 0. 01-0. 08, Cu 0. 65-1. 35 ; 所述药皮包括；15-40%大理石，8-12%蛮石，5-9%铅铁，3-7%长石，1 -5%氣铅酸钟， 1. 0-3. 0%儘铁，1. 0-3. 0%媒铁，1. 0-2. 5%钢铁，1. 0-5. 0%纪蛮石，26-45%铁粉，余下为粘结 剂； 采用该焊条用于结构钢焊接，得到焊接接头，其焊缝金属含有：c 0.02-0.06， Si 0. 10-0. 40, Μη 1. 10-1. 55, P《0. 020, S《0. 010, Ni 1. 2-2. 5, Mo 0. 25-0. 65,佩 0. 01-0. 08, Cu 0. 65-1. 35, Zr 0. 01-0. 10, Υ 0. 01-0. 10, 0 0. 025-0. 040,余量为铁及不可 避免的杂质，且Υ/0 0.8-3. 6。
[0008] 焊条中大理石的作用是造渣和造气，电离后的CaO可W稳弧，也能脱硫。含量过低 会造成渣量少，对焊缝的保护不够，影响焊接过程；反之，含量过高会造成药皮和渣量过大、 电弧稳定性下降，不利于成型。本发明中优选含量在25-40%。
[0009] 蛮石和氣铅酸钟是本发明中焊条药皮的重要成分组合之一。两者在电弧作用下， 会分离出氣离子，与焊缝金属中的氨离子结合形成氣化氨，从而被烙池中的冶金反应排出 焊缝金属；同时上述过程也不会对电弧稳定性产生影响。
[0010] 纪蛮石和铅铁粉是本发明中焊条药皮的另一个成分组合。锦是强氧化物形成元 素，在理化性能上与铁接近，但得益于其比重大的特点，锦元素在焊接冶金烙池中的脱氧反 应中形成的氧化物粒子更容易均匀分布。纪元素作为稀±元素中的一种，理化性能与常用 的涧、饰相近，也容易在焊接烙池中与氧反应生成致密分布的氧化物粒子。
[0011] 研究表明，锦和纪的氧化物粒子均可W在焊缝金属冷却相转变过程中，充当异质 形核质点，可有效促进晶内针状铁素体的生成。氧化物粒子的尺寸、分布和体积含量均对相 转变有影响，呈致密分布的小尺寸氧化物粒子对针状铁素体的形核促进效果最佳。试验数 据表明：当焊缝金属中的 Zr 0.01-0. 10, Y 0.01-0. 10, 0 0.025-0. 040,且 Y/0 0.8-3. 6 之 间时，焊缝金属可得到15-30%的针状铁素体。
[0012] 焊条药皮中的儘、媒和钢铁粉的添加主要是用于合金化、提高焊缝金属强度。
[0013] 焊条中焊芯采用低合金钢材料，即在普通碳素钢基础上添加一部分的Ni和化，后 者不方便在药皮材料中添加。
[0014] 焊缝金属中各元素的含量和配比决定了焊缝金属的最终性能。
[0015] C是不可或缺元素，对于高强焊缝，为降低焊接冷裂纹敏感性，其含量应《0.08。 因此，优选其含量为0. 02-0. 06。
[0016] Si是焊缝中的脱氧元素，当其含量高时不利于低温初性。因此，优选其含量为 0. 10-0. 40。
[0017] Μη能够提高焊缝的强度及浑透性，有利于细化焊缝组织；同时该元素是奧氏体区 扩大元素，与Ni和化共同作用，可显著降低焊缝金属在焊后冷却过程中的奧氏体的相转变 温度区间，从而为低碳马氏体的形成创造条件。优选其含量为1. 10-1.55。
[0018] Ni是本发明中最重要的元素之一，添加1. 20-2. 50%的Ni，一方面可W确保针状铁 素体为基体组织的焊缝金属的低温初性，另一方面与一定量的Μη和化配合，使得焊缝金属 获得足够的强度，最重要的是与一定量的Mo和化复合添加，可确保焊缝金属的高耐腐蚀性 能。
[0019] Mo可有效提高焊缝金属的强度和低温初性，机理是通过降低奧氏体相转变温度 和细化转变组织。考虑到强度和初性要求，添加0. 25-0. 65%较为合适，一方面可确保焊缝 形成马氏体组织所需要的浑透性，另一方面也为氧化物促进形核生成的针状铁素体创造空 间，从而形成双相结构。
[0020] 化本发明中最重要的元素之一，利用其析出强化可W同时提高强度和低温初性， 但过量添加会增加焊缝金属的热脆性。因此，优选其含量0. 65-1. 35。
[0021] Nb微量添加用于促进化的析出强化。数据表明；0. 05%的添加可将析出相的尺寸 降低10%，体积密度增加30-50%，进而可将焊缝金属的强度提高30-50MPa。
[0022] Zr元素具有较好的细化晶粒作用，微量Zr元素的加入，在焊缝中形成大量细小的 Zr〇2质点，一来促进焊缝针状铁素体形核，二来起到一定止裂作用，大幅降低了焊缝初脆转 变温度，同时对提高焊缝强度有一定贡献。但当Zr含量过高时，其细化晶粒的作用不再增 强，反而会促进M-A组元形成从而导致焊缝初性下降。考虑到Zr在烙池中易烧损，将其含 量设置为0.01-0. 10。
[0023] Y元素属于稀±元素，在焊缝中形成的氧化物，一方面可促进针状铁素体形成，另 一方面也会净化焊缝金属，提高综合性能。优选其含量为0. 01-0. 10。
[0024] P，S作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量P《0.020， S《0. 015。
[002引本发明中焊缝金属的Ni-Mo-化-Nb合金设计确保了强度和低温初性，大量存在的 致密分布的锦和纪氧化物粒子，则为焊缝中针状铁素体的生成提供了条件，两者配合将得 到针状铁素体和低碳马氏体的双相结构焊缝金属。
[0026] 与现有技术相比，本发明焊条及焊缝金属的有益效果至少在于： 1. 采用含有纪蛮石药皮的焊条，大幅度降低了焊缝金属中的扩散氨含量，可将其从普 通水平5-15ml/100g降低到2ml/100g W下； 2. 焊缝金属的Ni-Mo-化-佩合金设计，利用了化和Nb的复合析出强化，使得焊缝金属 的屈服强度> 690MPa，抗拉强度> 830MPa ; 3. 采用锦和纪调控焊缝金属中的氧化物粒子，使得尺寸在0.2umW上的氧化物粒子 的面积个数> 1. 2X103/mm2,从而在焊缝金属中形成针状铁素体和低碳马氏体的双相组织。
【具体实施方式】
[0027] W下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0028] 实施例1 : 采用直径 4. 0mm 的焊芯，其化学成分为；C 0.03, Si 0.22, Μη 0. 85, P0. 008, S0.00 5, Ni 1. 4,佩0.06, Cu 0.75;选用药皮成分包括：28%大理石，9%蛮石，6%铅铁，5%长石，3%氣铅 酸钟，1. 8%儘铁，2. 1%媒铁，1. 5%钢铁，1. 6%纪蛮石，38%铁粉，余下为粘结剂。
[0029] 将药皮用粉末揽拌混合均匀后，加入钢钟水玻璃粘结剂，然后送入压条机将其包 裹于焊芯上，再经12(TC低温烘赔2小时，36(TC高温烘赔1小时，即制得长400mm，外径 6. 2