用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝的制作方法

专利名称：用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，用来焊接由耐热低合金钢形成、并在各种设备例如核能设备、热能设备和石油炼制设备中使用的材料。更具体地，本发明涉及用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，用于焊接由耐热低合金钢形成的材料，其能抑制或完全防止当在高温下对焊接金属进行长时间的后焊接热处理(在下文，缩写为“PWHT”)时，在焊接金属中形成铁素体带，能形成具有高抗拉强度和高韧性的焊接金属，和能促进焊接工作。
背景技术：
将用于气体保护电弧焊接的焊丝分为实心焊丝和粉芯焊丝。与实心焊丝相比，粉芯焊丝具有各种优点，包括能产生较小的溅射，能形成满意外观和形状的焊珠，和促进立焊和仰焊以及平焊。因此，用于焊接由耐热低合金钢形成的材料的粉芯焊丝的应用已逐渐增加。
由于通过与由耐热低合金钢形成的材料一起焊接而形成的焊接结构可在高温、高压环境下使用，用于构成这类焊接结构的粉芯焊丝需要具有满足这类工作环境所需的工作条件的特征。通常，将在由耐热低合金钢形成的材料中的焊接点进行PWHT，以减少残余应力，去除残余氢气，和改善机械性能。因此，需要用于焊接由耐热低合金钢形成的材料的适于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝能防止焊接金属特性的变坏。
当常规的粉芯焊丝用于由耐热低合金钢形成的材料的气体保护电弧焊接时，在焊接金属中形成铁素体带，并且当将焊接点进行高温和长时间PWHT时焊接金属的机械性能被破坏。更具体地，铁素体带降低了焊接金属的抗拉强度。认为铁素体带是由在焊接金属凝固过程中金属组分的偏析和在PWHT过程中包含在焊接金属中的碳迁移引起的。
已提议一些技术来解决这类问题。在JP-B-No.8-13432(下文表示为“参考文献1”)中公开的一项技术向粉芯焊丝中添加了Nb和V以通过抑制碳在焊接金属中的迁移来抑制铁素体带，所述Nb和V是具有高的形成碳化物的能力的元素。本发明的发明人先前在JP-A-No.2001-314996(下文表示为“参考文献2”)中提议了一项技术，其在已知的即电弧稳定性的改善降低形成焊接金属和得到的铁素体带的合金组分的偏析，并且改善了焊接金属的机械性能的基础上，通过适当调整二氧化钛粉芯焊丝的TiO2、碱金属化合物和氟化物含量来抑制铁素体带。JP-A No.57-4397和JP-B No.62-19959(下文表示为“参考文献3”)中公开了一项改善焊接金属韧性的技术，其以适当的N含量向焊丝中添加N。在已知的即包含在焊接金属中的Ti可降低焊接金属的韧性的基础上，在JP-B No.2-42313和3-3558(下文表示为“参考文献4”)提议的一种氧化锆粉芯焊丝通过在预定的限制条件下指定TiO2含量和金属Ti含量或通过在预定的限制条件下指定TiO2含量和金属Ti含量并将N含量限制在适当的范围内，将焊剂的TiO2含量，即Ti的来源，和焊丝的Ti的含量减至最小的可能的范围。
尽管在参考文献1中公开的向粉芯焊丝中添加Nb和V的技术在抑制碳迁移以防止铁素体带方面是有效的，但Nb和V是极大降低焊接金属韧性的元素。因此，参考文献1在保证焊接金属具有足够韧性方面不是令人满意的。参考文献2难以满足较高韧性的需要。参考文献3未公开任何防止铁素体带的技术和未公开任何保证焊接金属具有满意韧性并防止铁素体带的技术。在参考文献4中公开的氧化锆粉芯焊丝在立焊和仰焊方向上的焊丝可用性劣于二氧化钛粉芯焊丝。

发明内容
考虑到上述问题完成了本发明，因此本发明的一个目的是提供用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，即使是将焊接金属进行长时间的高温PWHT时，其也能形成在其中抗铁素体带形成的焊接金属，和能形成具有高韧性的焊接金属。
依照本发明，用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝包含钢套管，包装在钢套管中的焊剂；其中基于粉芯焊丝的总质量，粉芯焊丝具有0.20％质量或以下的C含量，0.06-1.10％质量的Si含量，0.55-1.60％质量的Mn含量，2.60％质量或以下的Cr含量，0.30-1.50％质量的Mo含量，0.20-1.50％质量的Mg含量，0.005-0.035％质量的N含量和0.001-0.020％质量的B含量；基于粉芯焊丝的总质量，焊剂具有4.2-8.2％质量的TiO2含量和以F含量计的0.025-0.55％质量的氟化物含量；基于粉芯焊丝的总质量，粉芯焊丝具有0.50％质量或以下的Al含量，0.015％质量或以下的Nb含量和0.015％质量或以下的V含量。
在依照本发明的用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝中，在粉芯焊丝总质量的基础上，优选Mn含量为0.55一1.45％质量。优选依照本发明用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝包含至少一种选自Ti而不是TiO2和Zr的物质，基于粉芯焊丝的总质量，所述Ti含量为0.005-0.3％质量，Zr含量为0.002-0.3％质量。优选依照本发明的粉芯焊丝满足总Ti含量对N含量的比率在250-500(总Ti含量和N含量为在粉芯焊丝总质量的基础上的Ti含量和N含量)的条件。


从结合附图的下述描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更明显，其中图1是实施例和比较例的安装以坡口的工件的典型截面图；和图2是表示本发明实施例中通过使用粉芯焊丝生产的焊接金属的夏氏冲击能量2mmVE-18℃(Avg.)对实施例的总Ti含量对N含量的比率的依赖关系的曲线图。
具体实施例方式
参照附图，将在下文描述本发明的一个实施方案。
本发明的发明人认真地进行了试验和研究，以解决前述问题。使用了常规的、分别具有不同Nb和含V量、用于焊接由耐热低合金钢形成的材料的二氧化钛粉芯焊丝，所述低合金钢包含1.25％Cr和0.5％Mo。通过使用前述粉芯焊丝来焊接由包含1.25％Cr和0.5％Mo的钢形成的试样。将如此获得的焊接金属进行长时间的高温PWHT，然后观察焊接金属的显微结构。在690℃下PWHT加热焊接金属9.5小时，然后通过炉内冷却来冷却焊接金属。
焊接金属显微结构的观察表明在焊接金属的晶粒和晶界中分布了包含通过还原TiO2而产生的Nb，V和Ti的各种沉淀。已知通过那些沉淀的阻塞作用，即通过防止原子和晶界的迁移固定当前状态的作用，固定了晶界，结果，抑制了铁素体带。已知包含Ti和其它元素的各种沉淀的阻塞作用在PWHT过程中抑制晶界的迁移，从而抑制铁素体带。
已知在PWHT过程中，通过包含Ti和其它元素的各种沉淀的阻塞作用对晶界迁移的抑制，抑制了铁素体带的迁移。这种铁素体带抑制方法不同于常规的铁素体带抑制方法，所述常规的铁素体带抑制方法是在焊接金属中添加Nb和/或V，以沉淀Nb碳化物和/或V碳化物，以通过在PWHT过程中抑制C原子的迁移来抑制铁素体带。依照本发明，具有包含二氧化钛的焊剂的粉芯焊丝用作Ti源，以供应作为阻塞物质的Ti。通过还原不可避免地包含于焊接金属中的TiO2产生的Ti与N化合以产生TiN沉淀。
在前述知识和思想的基础上产生了本发明。下述内容为能令人满意地实现本发明目的的必需条件。
(1)通过向焊接金属中添加适量的Si，Mn，Mg和F化合物促进TiO2的还原，和通过向焊接金属中添加适量的N并还原TiO2以产生Ti促进TiN的沉淀，以有效限制铁素体带的形成。
(2)通过向焊接金属中添加适量的B使显微结构细致化，以增强焊接金属的韧性，调整焊接金属的Nb和V含量以防止由于在PWHT过程中，MX-型Nb和V碳化物的沉淀导致的焊接金属的韧性的降低，并调整Al含量以防止由于脆化导致的焊接金属的韧性降低。
(3)最佳化电弧稳定剂含量，例如TiO2含量和氟化合物含量，以保证满意的焊接工作，形成具有满意粘度的炉渣，并防止飞溅。
对依照本发明的用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝组成的限制条件将在下文描述。基于焊丝的总质量，粉芯焊丝组分的含量以质量百分比来表示。
C含量0.2％质量或以下碳增强钢的可淬性，并改善焊接金属的抗拉强度和韧性。因此，可向粉芯焊丝的钢套管或焊剂之一或钢套管和焊剂中添加碳。如果粉芯焊丝的C含量大于0.20％质量，焊接金属的抗拉强度过高，焊接金属的韧性非常低，并在焊接金属中易于发生热裂。因此，粉芯焊丝的碳含量必需为0.20％质量或以下。碳，例如石墨，或合金例如碳化铬，Si-C，高C-Fe-Mn或高C-Fe-Cr用来向焊剂中添加碳。优选地，粉芯焊丝的碳含量为0.03％质量或以上。
Si含量0.06-1.10％质量硅用作对焊接金属脱氧的脱氧剂。硅增加焊接金属的粘度，并具有调整焊珠形状的作用。硅具有促进TiO2还原反应和稳定向焊接金属中回收B的作用。为了那些目的，将硅添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到焊丝和焊剂中。然而，如果粉芯焊丝的硅含量低于0.06％质量，硅的脱氧作用不足，在焊接金属中易于形成气孔，由于焊接金属不足的粘度，形成不令人满意的形状的焊珠，并且由于TiO2不充分的还原，不能产生有效抑制铁素体带的足够量的TiN。而且，如果粉芯焊丝的Si含量低于0.06％质量，回收到焊接金属中的B较低，不能使焊接金属的显微结构精致，并且焊接金属的韧性较低。如果粉芯焊丝的Si含量高于1.10％质量，焊接金属的抗拉强度极高，并且由于过分还原TiO2和Ti的固溶体增加，降低了焊接金属的韧性。因此，Si含量必须在0.06-1.10％质量范围内。合金如Fe-Si，Fe-Si-Mn或Fe-Si-Cr用来向焊剂中添加Si。
Mn含量0.55-1.60％质量(优选0.55-1.45％质量)锰用作对焊接金属脱氧的脱氧剂，增强焊接金属的硬性，并改善焊接金属的抗拉强度和韧性。锰，类似于Si，促进TiO2的还原反应，并稳定向焊接金属回收B。为了那些目的，将Mn添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。如果粉芯焊丝的Mn含量为0.55％质量或以下，Mn的脱氧作用不足，易于形成气孔，焊接金属的抗拉强度不足，并且由于TiO2的不充分还原，导致不能产生有效抑制铁素体带的足够量的TiN。如果粉芯焊丝的Mn含量为0.55％质量或以下，降低了回收到焊接金属中的B，并能精致焊接金属的显微结构，并且降低焊接金属的韧性。另一方面，如果粉芯焊丝中的Mn含量高于1.60％质量，由于熔融的焊接金属的极高流动性，极大地破坏了通过立焊和仰焊形成的焊珠的形状，焊接金属的抗拉强度极高，由于TiO2过分还原导致Ti固溶体的量增加，降低了焊接金属的韧性。因此，粉芯焊丝的Mn含量必须在0.55-1.6％质量的范围内。优选粉芯焊丝的Mn含量为1.45％质量或以下，因为如果粉芯焊丝的Mn含量为1.45％质量或以下，可以令人满意的形状形成焊珠。为了前述目的，金属，例如金属Mn，合金，例如Fe-Mn或Fi-Si-Mn用来向焊剂中添加Mn。
Cr含量2.6％质量或以下铬是耐热低合金钢的重要组分，并且具有改善焊接金属抗拉强度的作用。为了这种效果，将铬添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。依照将被焊接的金属的质量来适当调整粉芯焊丝的Cr含量。另一方面，如果粉芯焊丝的Cr含量高于2.60％质量，则焊接金属的抗拉强度极高，并且焊接金属的韧性较低。因此，粉芯焊丝的Cr含量必须为2.6％质量或以下。金属，如金属Cr，或合金，例如Fe-Cr用来向焊剂中添加Cr。优选地，粉芯焊丝的Cr含量为0.10％质量或以上。
Mo含量0.30-1.50％质量钼，类似于Cr，是耐热低合金钢的重要组分，并且具有改善焊接金属抗拉强度的作用。钼具有增加焊接金属耐回火软化性和抑制PWHT引起的抗拉强度降低的作用。为了这种效果，将钼添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。依照将被焊接的金属的质量适当调整粉芯焊丝的Mo含量。如果粉芯焊丝的Mo含量低于0.30％质量，则焊接金属的抗拉强度不足。另一方面，如果粉芯焊丝的Mo含量高于1.50％质量，则焊接金属的抗拉强度极高，并且焊接金属的韧性较低。因此，粉芯焊丝的Mo含量必须在0.30-1.50％质量范围内。金属，例如金属Mo，或合金，例如Fe-Mo用来向焊剂中添加Mo。
Mg含量0.20-1.50％质量镁是对焊接金属脱氧的有效脱氧剂，并添加到粉芯焊丝中以增强焊接金属的韧性。优选地，为了这种作用和这种效果，将Mg添加到焊剂中。镁，类似于Si和Mn，具有促进TiO2还原反应和稳定向焊接金属中回收B的作用。为了那些作用，将镁添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。如果粉芯焊丝的Mg含量低于0.20％质量，Mg的脱氧作用不足，易于形成气孔，氧的量增加并且焊接金属的韧性较低。而且，如果粉芯焊丝的Mg含量低于0.20％质量，由于TiO2不充分还原，不能产生抑制铁素体带的足够量的TiN，回收到焊接金属中的B较低，不能精致显微结构，并且焊接金属的韧性较低。另一方面，如果粉芯焊丝的Mg含量高于1.50％质量，飞溅增强，破坏了炉渣的覆盖能力，破坏了通过立焊和仰焊形成的焊珠形状，由于过分还原TiO2和Ti固溶体的量增加，导致焊接金属的韧性降低。因此，粉芯焊丝的Mg含量为0.20-1.50％质量。Mg源是金属Mg或Mg合金，例如Si-Mg或Ni-Mg。
N含量0.005-0.035％质量氮与Ti化合以沉淀具有在焊接金属中抑制铁素体带作用的TiN。N具有在氮化物中固定Ti固溶体的作用，以改善焊接金属的韧性。为了那些作用，将氮添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。如果粉芯焊丝的N含量低于0.005％质量，由于氮化物的不充分沉淀以及不能还原Ti的固溶体和焊接金属的韧性较低，难以获得抑制铁素体带的作用。另一方面，如果粉芯焊丝的N含量高于0.035％质量，由于N的固溶体增加，降低了焊接金属的韧性，过量的N形成气孔，并且破坏了炉渣可去除性。因此，粉芯焊丝的N含量必须为0.005-0.035％质量。金属氮化物，例如N-Cr，N-Si或N-Ti用来向粉芯焊丝中添加N。
B含量0.001-0.020％质量硼具有精致焊接金属的显微结构和改善焊接金属的韧性的作用。为了这种效果，将硼添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。如果粉芯焊丝的B含量低于0.001％质量，则B的韧性改善作用不足。另一方面，如果粉芯焊丝的B含量高于0.020％质量，则焊接金属经受热裂。因此，粉芯焊丝的B含量为0.001-0.020％质量。合金，例如Fe-B或Fe-Si-B，或硼氧化物，例如B2O3，用来向焊剂中添加B。当向焊剂中添加硼氧化物时，依据B含量，在硼氧化物含量的基础上调整B含量。
TiO2含量4.2-8.2％质量二氧化钛是一种基本的炉渣形成物质，并且用作电弧稳定剂。部分TiO2被Si，Mn，Mg和氟化物还原以产生Ti，并且在焊接金属中Ti与N化合以沉淀TiN。如此沉淀的TiN在抑制铁素体带方面非常有效。由于TiO2是基本的炉渣形成物质，并且在热环境中易于发生部分TiO2的还原反应，将TiO2包含在焊剂中以促进TiO2的还原反应。如果焊剂中TiO2的含量少于4.2％质量，电弧变得不稳定，焊接工作事实上变得不可能，并且仅少量的Ti通过还原产生，并且，由于少量的Ti通过还原产生并且沉淀的TiN的量降低，TiO2抑制铁素体带的作用不足。另一方面，如果焊剂中TiO2含量高于8.2％质量，炉渣具有非常高的粘度，所述高粘度引起包括炉渣的焊接缺陷，炉渣增加包含在焊接金属中的氧量，降低了焊接金属的韧性。因此，焊剂的TiO2含量必须为4.2-8.2％质量。
以F含量计的氟化物含量0.025-0.55％质量氟化物用作电弧稳定剂。氟化物具有降低炉渣熔点、改善炉渣流动性和覆盖能力、形成满意形状的焊珠的作用。通过用电弧分解和气化氟化物产生的氟气体具有搅拌熔融金属以促进从熔融金属中分离炉渣和降低包含在焊接金属中的氧量的作用。氟化物，类似于Si，Mn和Mg，具有使通过还原TiO2而产生的Ti与N化合，以在焊接金属中沉淀TiN，以抑制铁素体带的作用，和稳定向焊接金属中回收B的作用。由于氟化物用作一种炉渣形成材料，并且在热环境中易于产生部分TiO2的还原反应，向焊剂中添加氟化物以促进TiO2的还原反应。如果以焊剂的F含量计，氟化物含量低于0.025％质量，难以获得该作用，电弧不稳定，飞溅增强，并且破坏了焊珠的形状。而且，如果以焊剂的F含量计，氟化物含量低于0.025％质量，由于包含于焊接金属中的氧量减少的不充分作用，易于形成气孔，由于回收到焊接金属中的B的减少，降低了焊接金属的韧性，不能精致显微结构。而且，如果以焊剂的F含量计，氟化物含量低于0.025％质量，由于因TiO2的不充分还原导致的通过还原TiO2而产生的Ti的量很少，沉淀的TiN的量也少，并且难以获得抑制铁素体带的足够作用。另一方面，如果以焊剂的F含量计的氟化物含量高于0.55％质量，炉渣的流动性极高，损坏了覆盖性能，并且明显破坏了焊珠的形状。因此，以焊剂的F含量计的氟化物含量必须为0.025-0.55％质量。可能的氟化物为LiF，NaF，K2SiF6，CaF2，MgF2，BaF2，CeF3和含CF2的氟油。可用含CF2的氟油包被粉芯焊丝，以将氟油用作润滑剂。
Al含量0.50％质量或以下铝用作对焊接金属脱氧的脱氧剂，并具有在焊珠中防止形成气孔的作用和以喷雾形式转移小滴的作用。为了前述作用，将铝添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。如果粉芯焊丝的Al含量高于0.50％质量，由于焊接金属变硬并且变脆，焊接金属的抗拉强度极高，并且焊接金属的韧性极低。因此，粉芯焊丝的Al含量必须是0.50％质量或以下。通过高温电弧分解包含在粉芯焊丝中的氧化铝，产生Al。因此，AL2O3含量转变成等值的AL含量。优选地，粉芯焊丝的Al含量为0.03％质量或以上。
Nb含量0.015％质量或以下包含在焊接金属中的铌使包含在焊接金属中的碳化物沉淀。如此沉淀的碳化物具有在PWHT过程中抑制原子迁移的作用和抑制铁素体带的作用。然而，当进行PWHT时，Nb与C化合形成微小的、MX-型碳化物。如果粉芯焊丝的Nb含量高于0.015％质量，MX-型碳化物明显降低焊接金属的韧性。因此，粉芯焊丝的Nb含量必须是0.015％质量或以下。氧化铌含量转变成等值的Nb含量。
V含量0.015％质量或以下包含于焊接金属中的钒，类似于Nb，使包含于焊接金属中的碳化物沉淀，以通过在PWHT过程中抑制C原子的迁移来抑制铁素体带。然而，当进行PWHT时，V与C化合形成微小的、MX-型碳化物。如果粉芯焊丝的V含量高于0.015％质量，MX-型碳化物明显降低焊接金属的韧性。因此，粉芯焊丝的V含量必须是0.015％质量或以下。氧化钒含量转变成等值的V含量。
Ti含量0.005-0.3％质量钛用作对焊接金属脱氧的脱氧剂，并具有改善焊接金属韧性的作用。钛化合并产生有效抑制铁素体带的TiN。因此，优选向粉芯焊丝中添加适量的Ti，以改善焊接金属的韧性和抑制铁素体带。为了前述作用，将钛添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。将可溶于酸、包含Ti的物质添加到钢套管中。将金属Ti或具有Ti的合金，例如Fe-Ti添加到焊剂中。与通过还原TiO2产生的Ti不同，以这种形式包含于粉芯焊丝中的Ti不经历除了Ti的脱氧剂，例如Si，Mn和Mg的还原作用，并保留在焊接金属中。因此，向焊接金属中回收Ti是令人满意的，并且Ti可稳定包含在焊接金属中。包含在TiO2中的Ti是不溶于酸的Ti。如果焊接金属包含不同于TiO2形式的Ti，即溶于酸的Ti，并且Ti含量低于粉芯焊丝的0.005％质量，则不能改善焊接金属的韧性。如果焊接金属包含溶于酸形式的Ti，并且Ti含量高于粉线焊丝的0.3％质量，则焊接金属的抗拉强度极高，Ti的固溶体的量很大，并且焊接金属的韧性很低。因此，依据Ti而不是TiO2，粉芯焊丝的Ti含量为粉芯焊丝的0.005-0.3％质量。
Zr含量0.002-0.3％质量锆用作脱氧剂，并具有改善焊接金属韧性的作用。包含在粉芯焊丝中的锆又改善了焊接金属的韧性。因此，优选粉芯焊丝以适当的Zr含量包含Zr，以进一步改善焊接金属的韧性。为了这种效果，将锆添加到钢套管或焊剂之一中，或添加到钢套管和焊剂中。当粉芯焊丝的Zr含量低于0.002％质量时，锆不能进一步改善焊接金属的韧性。粉芯焊丝的Zr含量超过0.3％质量不能发挥任何具体作用。因此，粉芯焊丝的Zr含量必须为粉芯焊丝的0.002-0.3％质量。金属Zr或具有Zr的合金，例如Fe-Zr，或Fe-Si-Zr用来向焊剂中添加Zr。
包含于粉芯焊丝中的Ti和Zr的各自作用和效果彼此无关。因此，优选粉芯焊丝包含Ti或Zr之一，更优选粉芯焊丝包含Ti和Zr。
总的Ti含量对N含量的比率250-500通过调整粉芯焊丝组分的质量百分比，使得粉芯焊丝的总Ti含量对粉芯焊丝的N含量的比率，即(总Ti含量)/(N含量)为250-500，降低了包含在焊接金属中的Ti固溶体和N固溶体，并且进一步改善了焊接金属的韧性，所述粉芯焊丝的总Ti含量，即基于以TiO2形式包含于粉芯焊丝中的Ti的Ti含量，和基于包含于钢套管和/或焊剂中的Ti的Ti含量的总和。
当粉芯焊丝具有前述组成时，可获得用于焊接材料的本发明理想的粉芯焊丝，所述焊接材料由耐热低合金刚通过气体保护电弧焊形成。因此，对包含于粉芯焊丝中的炉渣形成物质的质量百分比和组成无特别的限制。炉渣形成物质包含非金属组分，并形成炉渣，所述炉渣覆盖熔融金属，以在气体保护电弧焊过程中，在焊接接头周围，使熔融金属与周围环境相隔离。更具体地，炉渣形成物质是TiO2，其是粉芯焊丝的一个组分，所述粉芯焊丝的内含物是特定的，氟化物，Al2O3，氧化硼，氧化铌和氧化钒，微调炉渣的碱性或炉渣的熔点、粘度和流动性的物质，例如ZrO2，SiO2，CaO和MgO，和微调电弧的条件的物质，例如K2O和Na2O。
如果包括钢套管和焊剂的粉芯焊丝的所有组分的质量和组成满足具体的条件，对本发明粉芯焊丝的钢套管的质量和组成无任何特别的限制。
不需要以特别具体的焊剂比率，将本发明粉芯焊丝的焊剂填充到钢套管中。考虑到粉芯焊丝的产率，和工艺操作条件，例如在形成和脱模过程，钢套管破裂的可能性，可适当确定焊剂比率。优选的焊剂比率是例如，11.0-18.0％质量。
保护气体可以是CO2气体、任何合适组成的Ar-CO2混合气体、任何合适组成的Ar-O2混合气体和任何合适组成的Ar-CO2-O2混合气体的任一种。优选地，依照所焊接的物质的组成，可选择性地确定钢套管的组成。钢套管的可能的材料包括低碳刚和合金钢。对钢套管的型钢断面无任何特别的限制，钢套管可以是有缝钢管或无缝钢管。
当需要时，除了那些上述提及的组分以外，本发明的粉芯焊丝可包含，例如Cu，Ni，Co和/或W，以满足被焊接物质的所需要的能力。当钢套管是无缝钢管时，钢套管的表面可镀以Cu、Ni或复合材料。
如上述所提及，这是本发明的一个特征，即通过向焊接金属中添加适量的Si，Mn，Mg和氟化物来促进TiO2的还原。如果Si含量、Mn含量、Mg含量和氟化物含量分别在上述范围内，可能令人满意地还原TiO2。
实施例将实施例中本发明粉芯焊丝的作用与比较例中粉芯焊丝的作用进行比较。
在表3-11中列出的粉芯焊丝是装配式的，使用了低碳钢的套管(A和B型套管)和Cr-Mo钢套管(C和D型套管)，它们分别具有示于表1和2的化学组成。所有粉芯焊丝的各自外直径是1.2mm。在示于表12和13的焊接条件下，将试样板1，即图1所示的具有19mm厚度、并被凹槽隔开的耐热低合金钢的工件进行对接气体保护电弧焊接。耐热低合金钢是0.5％Mo钢(A204，Gr.A.JIS)，1.25％Cr-0.5％Mo钢(A387 Gr，11，C1.2，JIS)，2.25％Cr-1.0％Mo钢(A387，G4.22，C1.2，JIS)。表12显示了形成将进行性能测试的焊接金属的焊接条件，表13显示了用于可用性测试的焊接条件。在板1间形成的凹槽是具有45°坡口角度和13mm根部间隙的V-凹槽。
为了下述测试项目和性能评估项目，进行测试焊接。
(1)焊接金属的性能评估在示于表12中的平焊焊接条件下，利用示于表3-6的比较例1-29中的粉芯焊丝和示于表7-11的实施例1-35的粉芯焊丝，通过平焊制得焊接金属。通过射线照相检查来检查焊接金属。将具有满足Z3 104 1，JIS那些规定的质量的焊接金属确定为良好，其余的为较差。
PWHT后，将焊接金属进行抗拉试验和夏氏冲击试验。仅将通过使用实施例7的粉芯焊丝来焊接0.5％Mo钢的板1制得的焊接金属在620℃保持1小时，并为了PWHT通过炉内冷却来冷却，而将通过使用其余粉芯焊丝形成的焊接金属在690℃保持1小时，并通过炉内冷却来冷却。抗拉试验测得0.2％-条件屈服强度和延长。用机械测定法测得的测量值所表示的抗拉性能的接受条件对于板1的质量，即分别在表15-23中显示的测试板的质量而言是特定的。表14显示了实施例和比较例的抗拉性能接受条件。在-18℃下，将每个焊接金属的安装以2mm V凹槽的三个No.4夏氏冲击试验试样进行夏氏冲击试验，并测量测试样吸收的能量值，用三个测量值的平均值表示焊接金属的冲击性能。可接受的冲击性能的范围为55J或以上，其用2mmVE-18℃(Avg.)≥55J表示。
利用高温通过PWHT长时间处理测试样，然后检查焊接金属中的铁素体带。将通过焊接0.5％Mo钢和1.25％Cr-0.5％Mo钢的板形成的测试样在690℃保持9.5小时，并通过炉内冷却来冷却。将通过焊接2.25％Cr-1.0％Mo钢的板形成的测试样在690℃保持15.3小时，并通过炉内冷却来冷却。测试板1(钢型测试板)的质量和保护气体的组成示于表示测试结果的表15-23。PWHT后，沿焊接金属的焊接线，以等间隔从焊接金属的六个部分采样用于显微结构观察的切片，将切片通过镜样抛光来抛光，并通过蚀刻进行抛光，以获得用于观察显微结构的六个测试样。用光学显微镜观察测试样，以观察是否形成任何铁素体带。当在每个焊接金属的六个测试样的任一个中未发现任何铁素体带时，则粉芯焊丝的铁素体带抑制能力是可接受的，而且当在每个焊接金属的六个测试样的任一个中发现有铁素体带时，粉芯焊丝的铁素体带抑制能力是不可接受的。分析焊接金属以确定其化学组成。
(2)焊丝可用性的评估利用表6-11中所示的实施例1-33中的粉芯焊丝和表3-6中所示的比较例1-29中的粉芯焊丝，在表13中所示的条件下，通过如(1)中所提及的平焊和通过在垂直方向上角焊生产焊接金属。依照焊接过程中电弧稳定性、炉渣可移动性、飞溅强度和焊珠形状，通过感观检测评估粉芯焊丝的可用性。
所有的测试结果和评估结果示于表15-23中。表1(单位质量百分比)

表2(单位质量百分比)

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

表12

表13

表14

实施例7620℃×1小时，炉内冷却其它690℃×1小时，炉内冷却表15

*HC热裂 BH气孔表16

表17

*HC热裂， BH气孔表18

HC热裂 BH气孔 SI夹渣表19

表20

图21

表22

表23

将对使用实施例和比较例中的粉芯焊丝的测试结果进行解释。
比较例1中的粉芯焊丝具有超过0.20％质量的C含量，其为本发明指定的上限C含量。在通过使用比较例1中的粉芯焊丝形成的焊接金属中发生热裂，并且该焊接金属具有极高的抗拉强度，不能满足所需的冲击性能。
比较例2中的粉芯焊丝具有少于0.06％质量的Si含量，其为本发明指定的下限Si含量。焊接金属不具有足够的粘度，通过立焊形成不能接受的突起的焊珠。由于脱氧不充分，在焊接金属中形成气孔。由于B的回收较低，焊接金属具有低韧性，不能满足所需的冲击性能。由于TiO2还原不充分，不能沉淀足够的抑制铁素体带的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例3中的粉芯焊丝具有高于1.10％质量的Si含量，其为本发明指定的上限Si含量。焊接金属具有极高的抗拉强度，并且由于韧性降低，焊接金属不能满足所需的冲击性能，所述韧性降低是由于TiO2过分还原导致Ti固溶体增加所致。
比较例4中的粉芯焊丝具有少于0.55％质量的Mn含量，其是本发明指定的下限Mn含量。尽管粉芯焊丝的可用性是令人满意的，但由于脱氧不充分，在焊接金属中形成气孔，并且由于硬化不充分和B回收较低，焊接金属的抗拉强度和0.2％-条件屈服强度和韧性较低。焊接金属不能满足相应于那些性能所需的能力。由于TiO2还原不充分，不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例5中的粉芯焊丝具有高于1.60％质量的Mn含量，其是本发明指定的上限Mn含量。焊接金属的流动性极高，并通过立焊形成不能接受的突起的焊珠。焊接金属具有极高的抗拉强度。由于TiO2过分还原，导致Ti固溶体增加。结果，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例6的粉芯焊丝具有高于2.60％质量的Cr含量，其为本发明指定的上限Cr含量。焊接金属具有极高的抗拉强度，较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例7的粉芯焊丝具有少于0.30％质量的Mo含量，其为本发明指定的下限Mo含量。焊接金属具有较低的抗拉强度和较低的0.20％-条件屈服强度，即较低的强度性能。
比较例8的粉芯焊丝具有高于1.50％质量的Mo含量，其为本发明指定的上限Mo含量。焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例9和10的粉芯焊丝具有高于0.50％质量的Al含量，其为本发明指定的上限Al含量。硬化和脆化的焊接金属分别具有极高的抗拉强度，较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例11和12的粉芯焊丝具有高于0.015％质量的Nb含量，其为本发明指定的上限Nb含量。焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例13和14的粉芯焊丝具有高于0.015％质量的V含量，其为本发明指定的上限V含量。焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例15的粉芯焊丝具有少于0.001％质量的B含量，其为本发明指定的下限B含量。焊接金属不能形成精致的显微结构，具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例16和17的粉芯焊丝具有高于0.020％质量的B含量，其为本发明指定的上限B含量。在焊接金属中发生热裂。
比较例18的粉芯焊丝具有少于0.005％质量的N含量，其为本发明指定的下限N含量。不能以TiN沉淀的形式固定Ti，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例19的粉芯焊丝具有高于0.035％质量的N含量，其为本发明指定的上限N含量。在焊接金属中形成气孔，由于N固溶体增加，焊接金属的韧性降低，焊接金属不能满足所需的冲击性能。
比较例20的粉芯焊丝具有少于0.20％质量的Mg含量，其为本发明指定的下限Mg含量。由于脱氧不充分，在焊接金属中形成气孔。B回收较低，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。由于TiO2还原不充分，不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例21的粉芯焊丝具有高于1.50％质量的Mg含量，其为本发明指定的上限Mg含量。在焊接过程中发生强烈的飞溅。由于TiO2过分还原导致的Ti固溶体增加使得焊接金属具有较低的韧性，焊接金属不能满足所需的冲击性能。
比较例22的粉芯焊丝具有少于4.2％质量的TiO2含量，其为本发明指定的下限TiO2含量。电弧不稳定，并且粉芯焊丝的可用性特别不能接受。由于TiO2含量少，并且TiO2还原不充分，不能产生足够的Ti。不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例23的粉芯焊丝具有高于8.2％质量的TiO2含量，其为本发明指定的上限TiO2含量。产生了炉渣和夹渣，所述炉渣在焊接过程中覆盖熔池。由于较大的氧含量，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例24的粉芯焊丝具有少于0.025％质量的以F含量计的氟化物含量，其为本发明指定的以F含量计的下限氟化物含量。在焊接过程中电弧不稳定，并且粉芯焊丝的可用性实际上不能接受。由于脱氧不充分，在焊接金属中形成气孔。由于B回收较低，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击强度。由于TiO2还原不充分，不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例25的粉芯焊丝具有高于0.55％质量的以F含量计的氟化物含量，其为本发明指定的以F含量计的上限氟化物含量。炉渣的流动性极高，炉渣的焊珠覆盖性能不令人满意，并且通过立焊形成不能接受的突起焊珠。
比较例26的粉芯焊丝具有分别少于0.06％质量和0.55％质量的Si含量和Mn含量，它们是本发明指定的下限Si含量和下限Mn含量。焊接金属不具有足够的粘度，并且通过立焊形成不能接受的突起的焊珠。焊接金属脱氧不充分，并在焊接金属中形成气孔。由于B回收不充分，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。由于TiO2还原不充分，不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例27的粉芯焊丝具有少于4.2％质量的TiO2含量，其为本发明指定的下限TiO2含量，和高于0.55％质量的以F含量计的氟化物含量，其为本发明指定的以F含量计的上限氟化物含量。在焊接过程中电弧不稳定，炉渣的焊珠覆盖性能不令人满意，通过立焊形成不能接受的突起的焊珠。由于TiO2含量少，还原不充分，导致不能沉淀抑制铁素体带的足够的TiN，在焊接金属中形成铁素体带。
比较例28的粉芯焊丝具有分别高于0.50％质量和0.035％质量的Al含量和N含量，它们是本发明指定的上限Al含量和上限N含量。炉渣的可移动性不令人满意，并且在焊接金属中形成气孔。由于过多的Al含量导致焊接金属硬化，因此，抗拉强度极高。由于N含量过多，N固溶体的量很大，因此，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
比较例29的粉芯焊丝具有分别高于0.020％质量和0.035％质量的B含量和N含量，它们是本发明指定的上限B含量和上限N含量。炉渣的可移动性不令人满意，并且在焊接金属中形成气孔。由于N含量过多，N固溶体的量很大，焊接金属具有较低的韧性，不能满足所需的冲击性能。
实施例1-35的粉芯焊丝具有本发明指定范围内的C，Si，Mn，Cr，Mo，Mg，N和B含量，那些粉芯焊丝的焊剂包含TiO2和氟化物，那些粉芯焊丝的TiO2含量和以F含量计的氟化物含量在本发明指定的范围内，那些粉芯焊丝的Al含量、Nb含量和V含量不高于Al含量、Nb含量和V含量的上限。所有的通过使用实施例1-35粉芯焊丝进行焊接而生产的焊接金属在辐射线发射性能方面是令人满意的，在PWHT后的抗拉强度和韧性方面是优异的，在那些焊接金属中，即使为了PWHT而将焊接金属在高温下长时间处理，也根本不会在其中形成任何铁素体带。所有通过使用实施例的粉芯焊丝焊接而形成的焊接金属是可接受的。实施例1-10、实施例12-25和实施例29-35的粉芯焊丝包含Ti和/或Zr，那些粉芯焊丝的Ti含量和/或Zr含量在本发明指定的含量范围内。因此，与其它实施例相比，通过使用那些本发明的粉芯焊丝焊接而生产的焊接金属在韧性方面是优异的。除了实施例5的粉芯焊丝以外，实施例1-35的所有粉芯焊丝具有不高于1.45％质量的Mn含量，其为本发明指定的上限Mn含量，并且通过立焊，那些粉芯焊丝形成非常令人满意形状的焊珠。
在实施例1-6和实施例6、8、9、19、20、34和35的粉芯焊丝中，总Ti含量对N含量的比率为250-500，并且如图2所示，通过使用那些粉芯焊丝焊接而生产的焊接金属在韧性方面优于通过使用其它实施例的粉芯焊丝焊接而生产的焊接金属，图2是表示焊接金属的夏氏冲击能量2mmVE-18℃(Avg.)与总Ti含量对N含量的比率之间的关系曲线。
从前述描述中很明显看出，依照本发明，在焊接金属中铁素体带的形成受到抑制，即使是为了PWHT，将焊接金属在高温下长时间进行处理，防止了抗拉强度的降低，并且焊接金属在韧性方面是优异的。用于耐热低合金钢工件的气体保护电弧焊接的本发明的粉芯焊丝在可用性(不仅在平焊，而且在立焊和仰焊)方面是令人满意的。
尽管在它的优选实施方案中关于一定程度的特性已对本发明进行了描述，但很显然很多变化和改变可能存在其中。因此，可以理解，除了此处具体描述的以外，在未脱离它的范围和精神的条件下，可以实施本发明。
权利要求
1.一种用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，其包含钢套管，和填充在钢套管中的焊剂；其中基于所述粉芯焊丝的总质量，粉芯焊丝具有0.20％质量或以下的C含量，0.06-1.10％质量的Si含量，0.55-1.60％质量的Mn含量，2.60％质量或以下的Cr含量，0.30-1.50％质量的Mo含量，0.20-1.50％质量的Mg含量，0.005-0.035％质量的N含量和0.001-0.020％质量的B含量，基于所述粉芯焊丝的总质量，所述焊剂具有4.2-8.2％质量的TiO2含量，0.025-0.55％质量的以F含量计的氟化物含量，和基于所述粉芯焊丝的总质量，所述粉芯焊丝具有0.50％质量或以下的Al含量，0.015％质量或以下的Nb含量，和0.015％质量或以下的V含量。
2.依照权利要求1的用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，其中基于所述粉芯焊丝的总质量，所述Mn含量为0.55-1.45％质量。
3.依照权利要求1的用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝，基于所述粉芯焊丝的总质量，其还包含至少一种选自Ti和Zr的物质，所述Ti不同于TiO2，含量为0.005-0.3％质量，所述Zr含量为0.002-0.3％质量。
4.依照权利要求1的粉芯焊丝，其中总Ti含量对N含量的比率为250-500，所述总Ti含量和所述N含量是基于所述粉芯焊丝总质量的Ti含量和N含量。
全文摘要
用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝包含钢套管和钢套管中的焊剂。基于粉芯焊丝的总质量，粉芯焊丝具有0.20％或以下C，0.06－1.10％Si，0.55－1.60％Mn，2.60％或以下Cr，0.30－1.50％Mo，0.20－1.50％Mg，0.005－0.035％N和0.001－0.020％B；焊剂具有4.2－8.2％TiO
文档编号B23K35/36GK1476953SQ03133060
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月26日
发明者原则行, 后藤明信, 畑野等, 山下贤, 信 申请人:株式会社神户制钢所