专利名称：高强度高韧性埋弧焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度高韧性埋弧焊丝，是一种用于焊接600MPa级别低合金高强钢的焊丝，其焊缝金属具有600～700MPa抗拉强度、-40℃冲击韧性AKV≥60J、对线能量适应范围宽，消除应力处理后焊缝仍有较高的强度和韧性。
近年来，600MPa级别的高强度高韧性结构钢在大型化工容器、石油管道及水利电力工程中得到广泛应用，在这些大型结构的制作中，埋弧焊是提高焊接效率的理想焊接方法。目前国内外600MPa级别钢材所使用的埋弧焊丝，其合金体系之一是Mn-Ni-Mo系，通过增加焊丝中的Mn、Ni、Mo元素含量，来提高焊缝的强度和韧性，如H08MnMoNiTiA焊丝、H10Mn2MoA焊丝。这种类型的焊丝用来焊接低合金高强钢，往往引发两种问题焊缝消除应力处理后韧性下降幅度过大，与低合金钢板成分差异过大，特别是在有一定H2S含量的介质中，高Ni焊丝还因容易产生应力腐蚀而限制了使用。1992年冶金部钢铁研究总院申请的申请号为92105621的“低碳微合金化埋弧焊丝”专利，其焊丝主要用于管线钢较薄钢板的小线能量焊接，多层焊时焊缝金属冲击韧性大大下降，在板厚大于35mm的结构中使用时，一般σs400～500MPa，σb500～600MPa。
本发明的目的是提供一种高强度高韧性的埋弧焊丝，能克服上述焊丝的不足，适合于高强度级别的较大厚度低合金钢板焊接，焊缝抗拉强度达到600～700MPa，-40℃冲击韧性AKV≥60J。
本发明设计的一种高强度高韧性埋弧焊丝，其特征是焊丝的化学成份含有(按重量％)C0.05～0.10，Mn1.60～2.10，Si≤0.10，Ni0.30～0.50，Mo0.20～0.50，Ti0.08～0.15。
本发明埋弧焊丝的化学成份设计是与所选用焊剂紧密相连的，需选用工艺性能较好、质量稳定的焊剂，才能保证焊缝中氢含量较低，焊接接头有较好的抗冷裂能力，适合于重要构件的焊接。如SJ101焊剂属氟碱型烧结焊剂，碱度值约为1.8，是本发明焊丝的较优配套焊剂。
对于高强度钢焊接材料，要使焊缝金属有高的强度和优良的韧性，关键在于通过适当的合金元素促使焊缝中形成一定量的针状铁素体组织。C、Mn、Ni、Mo元素在一定的范围内都有促使针状铁素体形成的能力，微量的Ti、B元素对针状铁素体的形成有较大的促进作用。焊缝金属的强韧化可以通过添加其中的几种元素得以实现，焊丝合金系列的选择不仅要考虑最终强度、韧性的获得，还要考虑焊接结构的工作环境及与所焊钢材的化学成份和性能匹配。
本发明的焊丝以C-Mn合金系为基础，焊缝的含碳量增加虽然可以提高焊缝中针状铁素体的量而减少先共析铁素体的量，但过多的C元素，促进了焊缝中贝氏体乃至马氏体的形成，且不利于焊缝的抗冷裂性能。因此，焊丝中的C含量控制在较低水平。Mn是重要的固溶强化元素，Mn在焊缝组织由奥氏体向铁素体转变时并不重新分布，但锰含量的增加减少了γ-α的驱动力，使晶界先共析铁素体减少，促使晶内针状铁素体形成，因此焊缝中的Mn要达到一定的水平；但在凝固过程中，锰元素易向液相偏析，从而使液固界面具有较多的锰元素，因此当锰含量过高时，焊缝中Mn偏析区域容易产生残余奥氏体、马氏体、珠光体或贝氏体等组织。为保证焊缝的强度，焊丝的锰元素控制在1.6～2.1之间。
Ni、Mo元素的固溶强化是提高焊缝强韧性的重要手段，Ni、Mo元素与Mn元素相类似，可以减少焊缝中的先共析铁素体数量，增加针状铁素体含量，但超过一定数量时，会形成贝氏体或马氏体组织。另外，增加Mo含量，对多道焊和焊后消除应力处理时焊缝韧性有不利影响，为了达到强韧性的匹配，焊丝中Ni、Mo元素含量(按重量％)分别控制在0.30～0.50和0.20～0.50，与一些低合金高强钢的Ni、Mo元素含量相近。
Ti元素对焊缝金属中针状铁素体的形成有显著作用。焊缝中的Ti元素形成TiN、TiO、Ti2O3等尺寸大小不同的夹杂物，这些夹杂物成为针状铁素体形核的质点。焊缝中20ppm的Ti元素就可以使针状铁素体含量有显著的上升，因而微量的Ti是提高焊缝强韧性的有效措施。在本焊丝中，Ti控制在0.08～0.15范围内。
由于SJ101焊剂约含有15～20％的SiO2，用此焊剂焊接时，焊缝金属Si元素含量维持在较高水平，过高的Si含量对焊缝的冲击韧性有不利影响，因此焊丝中的Si含量不大于0.10％。
总之，在本发明的焊丝中，C、Mn、Ni、Mo元素起到固溶强化作用，同时这些元素与微量的Ti元素一起，使焊缝金属获得较多的针状铁素体组织。本发明技术关键在于C、Mn、Ni、Mo和Ti元素的合理成份范围，使焊缝金属具有高强度同时有高的低温冲击韧性，并且对大线能量、不同消除应力处理条件有较高的适应性。
本发明的焊丝与其它埋弧焊丝相比具有下述显著效果本发明焊丝的化学成份特点是含较低的C，较高的Mn，少量的Ni、Mo和微量的Ti等元素，通过各元素的综合作用使焊缝达到较高的强度。本焊丝与SJ101焊剂配合使用，焊缝金属可得到较高的抗拉强度和低温冲击韧性。由于Ni、Mo元素含量控制在一定的水平，与目前低合金高强度钢有较好的匹配，因而适合高强度高韧性钢种的焊接。
本发明焊丝可用于较厚钢板的大线能量焊接，在多层焊时，焊缝金属的抗拉强度达到600～700MPa，-40℃冲击韧性AKV≥60J，对线能量适应范围宽，消除应力处理后焊缝仍有较高的强度和韧性，适合于相应级别的低合金高强钢压力容器、工程机械、水电压力钢管、船舶、海洋平台及桥梁等厚大结构的埋弧焊接。
下面用实施例对本发明作进一步详述实施例1采用0.5吨电炉，选用较低Si含量的铁料，进行了焊丝冶炼。冶炼中注意控制钢中气体含量，对冶炼工艺无特殊要求。焊丝的化学成份含有(按重量％)C 0.06，Mn 1.96，Si 0.07，Ni 0.37，Mo 0.33，Ti 0.08。冶炼后轧制成直径为4mm的焊丝。
用本发明的焊丝与SJ101焊剂配合焊接，焊接规范为焊接电流550±20A，电弧电压34±1V，焊接速度42±2cm/min，焊接线能量～27kJ/cm。焊接试板厚25mm，坡口角度为20°，带12mm垫板，根部间隙为16mm。熔敷金属的力学性能为σs515MPa，σb607MPa，δ527％，-20℃ AKV117J，-40℃AKV77J。
实施例2采用本发明的焊丝，其化学成分(按重量％)含有C 0.082，Mn 2.03，Si 0.06，Ni 0.34，Mo 0.29，Ti 0.13。与SJ101焊剂配合焊接，焊接试板厚48mm，开一深25mm、根部宽度为16mm，角度为30°的U型坡口。焊接规范、焊缝金属的力学性能如表1所示，说明本发明焊丝在相当宽的线能量范围内，可以得到具有良好力学性能的焊缝。
表1 不同线能量埋弧焊焊接规范及焊缝金属力学性能
实施例3冶炼本发明的焊丝，其化学成分(按重量％)含有C 0.093，Mn 1.78，Si 0.06，Ni 0.30，Mo 0.23，Ti 0.12。焊丝与SJ101焊剂配合使用，焊接抗拉强度为650MPa低合金高强度钢。试板厚38mm，开双面角度为50°的V型坡口。焊接线能量采用35KJ/cm，焊接规范为焊接电流～580A，电弧电压～30V，焊接速度～30cm/min。焊后消除应力处理(SR处理)的保温温度分别为500、530、580、600、630℃，保温时间按板厚每25.4cm保温1小时计算；加热时，300℃以下的加热速度不控制，300℃以上的加热速度为65℃/h；冷却时，冷却速度控制在45℃/h。
焊缝金属的力学性能如表2所示，试验结果说明本发明焊丝焊接650MPa低合金高强度钢，其焊缝金属对SR处理具有良好的适应性。
表2不同SR处理埋弧焊焊缝金属性能
本发明焊丝与SJ101焊剂配合使用，适用于600～700MPa级别的低合金高强钢压力容器、工程机械、水电压力钢管、船舶、海洋平台及桥梁等厚大结构的埋弧焊焊接。
权利要求
1.一种高强度高韧性埋弧焊丝，其特征是焊丝的化学成分含有(按重量％)C0.05～0.10，Mn1.60～2.10，Si≤0.10，Ni0.30～0.50，Mo0.20～0.50，Ti0.08～0.15。
全文摘要
本发明涉及一种高强度高韧性埋弧焊丝,其化学成分含有(重量%):C:0.05～0.10,Mn:1.60～2.10,Si:≤0.10,Ni:0.30～0.50,Mo:0.20～0.50,Ti:0.08～0.15。本焊丝与SJ101焊剂匹配使用，焊缝金属抗拉强度600～700MPa，－40℃冲击韧性A
文档编号B23K35/30GK1258579SQ0011433
公开日2000年7月5日 申请日期2000年1月19日 优先权日2000年1月19日
发明者刘吉斌, 王玉涛, 缪凯, 黄治军, 朱学刚 申请人:武汉钢铁(集团)公司