专利名称：低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，与碱性烧结焊剂匹配，焊缝金属抗拉强度≥800MPa，-40℃冲击韧性AKV≥47J，对线能量适应范围宽。
背景技术：
近年来，武钢相继开发了DB685、HG785、WCF-80等高强度级别的钢板，这些钢种填补了我国超高强度低合金钢的空白，满足了国内的需要。但同时由于市场相应的焊接材料较少，钢种的推广应用受到限制，尤其是埋弧焊材料，目前尚没有配套，与国外的发展水平有较大差距。用国内目前市场上的埋弧焊丝焊接这些高强度级别的钢种，常常出现焊缝金属强度偏低，或者低温韧性难以满足要求的现象。
国外的800MPa低合金高强度钢，都有相应的埋弧焊焊接材料，如日本神户制钢公司的US-80BN和US-80LT焊丝同MF-38、PFH-80AK焊剂配合使用，用于焊接抗拉强度为785MPa级别的钢种，但含Mo量较高，达到0.7％以上，具有较高的成本。新日铁公司用Y-80M(H)、Y-80M配NF-16焊剂焊接，焊缝金属具较高的强度，满足800MPa级别钢的焊接，但低温冲击韧性难以达到较高水平。瑞士伊萨公司的OK13.43焊丝、北京钢铁研究总院研制的H08Mn2Ni3CrMoA焊丝，与相应的焊剂匹配，均可以用于800MPa级别的超强钢焊接，但都存在含Mo量较高或冲击韧性较低这一特点。武钢技术中心在1990年进行了WCF-80钢埋弧焊丝的研制，焊丝熔敷金属强度大于800MPa，但只能使-20℃冲击韧性达到50J。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，与碱性烧结焊剂匹配，焊缝金属抗拉强度高、冲击韧性强，完全满足高强度级别的低合金钢板焊接的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是按重量百分比计，该焊丝的化学成分为C 0.06～0.12，Si 0.03～0.20，Mn 1.50～2.00，Cr 0.20～0.60，Ni 1.40～2.60，Mo 0.10～0.50，Cu 0.10～0.60，Ti 0.06～0.20，B 0.002～0.010，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的焊丝成分设计与匹配的碱性烧结焊剂密切相关，焊丝合金元素对焊缝性能有很大的影响作用。
对于抗拉强度为800MPa级的低合金高强钢，要使焊缝金属抗拉强度达到800MPa的同时，又获得良好的低温冲击韧性，关键在于通过在焊丝中加入合适的合金元素，促使在焊缝金属中产生大量高密度位错的低碳贝氏体和针状铁素体组织。为此，焊缝金属必须具有合适的合金体系，并满足以下几个条件。
1.充分利用合金元素的强化作用。
Ni、Cr、Mo元素通过固溶强化提高焊缝金属的强度。C、Mn、Ni、Cr、Cu等诸元素促进焊缝中低碳贝氏体板条生成，起组织强化作用。同时在厚板多层焊中，可以利用Cu元素的时效强化作用，提高焊缝的强度和韧性。
2.限制先共析铁素体转变。
微量的B在奥氏体晶界上的非平衡偏聚，在焊缝中将明显抑制先共析铁素体在奥氏体晶界上形核。为防止B的氧化和氮化，需在焊缝中加入Ti。Ti、B联合加入后，在焊缝中稳定获得大量的针状铁素体，使焊缝在后续冷却过程中产生的低碳贝氏体板条束得到分割，提高了焊缝的韧性。且Ti、B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配。但上述Ti、B含量的最佳配合范围因不同的焊缝合金系和焊缝强度而异。
3.在未转变奥氏体晶内存在一定数量和大小的夹杂物作为针状铁素体的形核质点。
当奥氏体过冷到针状铁素体转变温度区域时，因晶界形核受到抑制，铁素体针片便以晶内夹杂物为中心开始形核和长大，直到遇到其它的针片为止。先形核的针状铁素体片可诱发其它的铁素体片形核。
焊缝中氧化物夹杂的产生是因为氧在焊缝中极少固溶，当焊丝中的Mn通过熔滴过渡到焊缝中时，绝大多数氧与焊缝中Si、Mn等进行脱氧反应形成氧化物夹杂或氧硫复合物夹杂。其中部分夹杂物在高温下长大，分离而进入渣中。部分因快速冷却而留在焊缝中。还有一部分夹杂物是Ti脱氮形成的氮化物。上述夹杂物或复合夹杂物均有可能作为针状铁素体的形核质点，且未转变奥氏体晶内夹杂物的数量直接决定针状铁素体针片的大小。尤其是Ti的加入，可在焊缝中产生大量Ti的微细氧化物，促进针状铁素体形核。
4.合适的奥氏体晶粒尺寸。
针状铁素体形成与奥氏体的晶粒尺寸有关，当奥氏体晶粒尺寸相对较小时，没有足够的空间供针状铁素体在晶内形成，而是在晶界优先进行先共析铁素体和贝氏体转变。
5.合适的焊缝金属淬透性。
C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu等诸元素可以提高焊缝金属的淬透性，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体和低碳贝氏体的形成。由上述元素构成的焊缝金属合金系在一定加入范围内，可以降低奥氏体的转变温度，使在较低温度下转变的针状铁素体和贝氏体具有较高的位错密度，从而使焊缝金属抗拉强度在达到800MPa的同时，又获得良好的低温冲击韧性。
本发明提供的焊丝和现有产品相比，具有以下主要优点其一.本焊丝所用合金体系合适，其盘条冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，焊丝的成本较低。
其二.与碱性烧结焊剂匹配，本焊丝具有良好的工艺性能。
其三.本焊丝质量稳定，匹配碱性烧结焊剂CHF105，焊缝金属的抗拉强度达到800MPa，-40℃冲击功AKV≥47J。
总之，本发明提供的焊丝是一种高强度高韧性的埋弧焊丝，适合于800MPa级别低合金高强度钢的埋弧焊接。可广泛用于工程机械、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管线等大型、重要结构低合金高强钢的焊接。
具体实施例方式
本发明提供的是一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为C 0.06～0.12，Si 0.03～0.20，Mn 1.50～2.00，Cr 0.20～0.60，Ni 1.40～2.60，Mo 0.10～0.50，Cu 0.10～0.60，Ti 0.06～0.20，B 0.002～0.010，余量为Fe及不可避免的杂质。不可避免的杂质为S≤0.010，P≤0.020。
本焊丝化学成分的设计原则说明如下C是调整焊缝金属强度的主要元素，必须保证焊丝中有一定的C含量。但在高强度焊缝金属中，过高的碳含量促进高碳马氏体的形成，会使焊缝金属淬硬性增加，塑性降低，使焊缝金属冷裂纹敏感性增加，因此将焊丝中的C含量控制在0.06～0.12％范围内。
Mn在焊缝中有利于脱氧，脱氧反应产生的氧化物夹杂和氧硫复合夹杂可作为针状铁素体的形核质点。Mn是焊缝强化的有效元素，当焊丝中Mn含量低于1.00时，在熔滴和熔池反应阶段脱氧不充分，使焊缝中氧含量过高，且使焊缝强度偏低。当焊丝中Mn含量过高时，焊缝金属中过高的Mn含量易造成Mn的偏析，在偏析区易产生M-A岛状组织，从而降低焊缝金属的韧性，因此将焊丝中的Mn含量控制在1.50～2.00％之间。
Mo元素一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，另一方面推迟奥氏体的转变温度，促进针状铁素体的形成，但Mo的增加显著增高焊丝的成本，因此Mo量在0.1～0.5％之间。
Ni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，降低脆性转变温度。同时Ni在焊缝金属中起着重要的强化作用。焊缝金属中Ni对冲击韧性的影响与Mn含量之间存在交互作用，当两种元素位于最佳的配合范围之内时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配，因此，根据上述Mn的加入量，可以确定焊丝中Ni加入量的适宜范围是Ni 1.40～2.60％。
将焊丝中Cr的含量设计为0.20～0.60％，是因为Cr强化铁素体的效果显著，过高的Cr含量会导致焊缝金属冷裂纹敏感性增加。
Cu在焊缝金属中的作用有两方面，一方面，Cu以固溶硬化方式起强化作用，并降低针状铁素体开始转变温度，利于获得高密度位错的细针状铁素体；另一方面Cu在多层焊时，受焊接热的作用，会产生析出相，起强化作用。Cu含量控制在0.10～0.60％为宜。
焊丝中加入微量的Ti、B可以进一步细化焊缝组织，Ti与O、N形成的TiO、Ti2O3和TiN，作为针状铁素体的形核质点，促进了奥氏体晶内针状铁素体的形成。B向奥氏体晶界偏聚降低了晶界能，抑制了晶界铁素体的形核和长大。同时Ti在焊缝中保护B不被氧化。焊丝中Ti、B采用联合加入效果更好，Ti含量应为0.06～0.20％、B含量应为0.002～0.010％。
S、P元素对焊缝金属低温韧性有危害作用，应尽量降低。要求焊丝中S≤0.010％、P≤0.020％。
总之，本发明通过在埋弧焊丝中联合加入适量的Ti和B，扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中稳定获得大量的针状铁素体和贝氏体组织；加入Mn、Mo进行固溶强化；加入Ni进一步提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；加入Cr以强化铁素体；尽量降低S、P等有害元素的含量。通过上述焊丝成分设计，从而使焊缝金属具有合适的合金体系，并最终使相应的焊缝金属获得优异的强韧性匹配。
下面用实例进一步详述本发明焊丝实施例1用电炉冶炼本发明焊丝钢，冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为φ4mm的焊丝，经表面镀铜后成为成品焊丝。其化学成分按重量百分数计为C 0.065，Si 0.10，Mn 1.75，Cr 0.52，Ni 2.39，Mo 0.36，Cu 0.14，Ti 0.089，B 0.0063，P0.009，S0.0036，余量为Fe。
本焊丝与CHF105焊剂配合焊接，焊接电流～500A，电弧电压～30V，焊接速度～36cm/min，焊接线能量～25KJ/cm。熔敷金属的力学性能为Rel＝620MPa，Rm＝825MPa，A＝20％，Z＝65％，冲击功AKV(-20℃)＝108J，AKV(-40℃)＝77J，AKV(-50℃)＝48J。
实施例2本焊丝的成分同实施例1。与CHF105焊剂配合使用，焊接低合金高强度钢HG785。试板厚度30mm，开角度为70°的X型坡口。焊接线能量采用34KJ/cm，具体规范为焊接电流～630A，电弧电压～31V，焊接速度～36cm/min。接头的抗拉强度达到850MPa，冷弯性能合格。焊缝金属系列温度冲击功AKV(-20℃)＝111J，AKV(-40℃)＝109J。
实施例3本焊丝的制作同实施例1。其化学成分按重量百分数计为C 0.10，Si 0.15，Mn 1.9，Cr 0.53，Ni 1.44，Mo 0.17，Cu 0.42，Ti 0.20，B 0.008，P0.009，S0.0034，余量为Fe。
本焊丝与CHF101焊剂配合使用，焊接规范同实施例1。熔敷金属的力学性能为Rel＝625MPa，Rm＝840MPa，A＝18％，Z＝63％，冲击功AKV(-20℃)＝77J，AKV(-40℃)＝50J。
实施例4本焊丝的成分与制作同实施例3。与CHF105焊剂配合使用，焊接低合金高强度钢HG80。试板厚度20mm，开角度为60°的V型坡口。焊接线能量采用36KJ/cm，具体规范为焊接电流～630A，电弧电压～31V，焊接速度～33cm/min。接头的抗拉强度达到865MPa，冷弯性能合格。焊缝金属系列温度冲击功AKV(-20℃)＝67J，AKV(-50℃)＝65J。
权利要求
1.一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，其特征是按重量百分比计，该焊丝的化学成分为C 0.06～0.12，Si 0.03～0.20，Mn 1.50～2.00，Cr 0.20～0.60，Ni 1.40～2.60，Mo 0.10～0.50，Cu 0.10～0.60，Ti 0.06～0.20，B 0.002～0.010，余量为Fe及不可避免的杂质，不可避免的杂质为S≤0.010、P≤0.020。
全文摘要
本发明是一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，按重量百分比计，其化学成分为C 0.06～0.12，Si 0.03～0.20，Mn 1.50～2.00，Cr 0.20～0.60，Ni 1.40～2.60，Mo 0.10～0.50，Cu 0.10～0.60，Ti 0.06～0.20，B 0.002～0.010，余量为Fe及不可避免的杂质。本焊丝与碱性烧结焊剂匹配，焊缝的抗拉强度≥800MPa，－40℃冲击韧性A
文档编号B23K9/18GK1919524SQ20061012451
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月13日 优先权日2006年9月13日
发明者刘吉斌, 缪凯, 胡因洪, 王玉涛, 黄治军, 曹修悌, 张小枫, 余酒泉, 胡家国, 牟文广, 陈浮 申请人:武汉钢铁(集团)公司