技术领域
本发明涉及一种低温钢用高效埋弧焊接方法，特别涉及一种要求-40℃低温冲击韧性的埋弧焊用药芯焊丝、焊剂、焊接工艺及焊接接头。
背景技术：
近年来，造船、海工等行业的蓬勃发展带来了低温钢的快速发展和需求。为了确保结构安全，船级社规范等技术法规通常会要求焊接结构的-40℃冲击功在47J以上，这就要求母材钢板，焊接材料都需要满足-40℃冲击功要求。
焊接工时在船舶等大型焊接结构制造工时中占比约25-35%之间，因此提高焊接效率对于提高整体结构制造效率，节约成本非常重要。
通常状况下，在相同焊接工艺参数条件下，药芯焊丝的熔敷效率比实芯焊丝高20-30%，因此药芯焊丝在船舶、海工领域得到了广泛应用。大电流焊接可以显著提高焊接效率，但同时会恶化缝金属的低温冲击韧性。在确保焊接接头质量的前提下，现有药芯焊丝和埋弧焊剂只能承受焊接热输入量50kJ/cm的埋弧焊接，即电流≤700A，电压≤34A，效率不高。
与此同时，由于药芯焊丝容易吸潮的特性，常常会导致焊缝金属扩散氢含量较高，从而损坏高强度焊接接头安全。因此，在焊前通常需要对焊丝进行350℃加热并保温3小时的烘干处理，程序繁琐。
针对低温钢焊接接头-40℃冲击功的要求，还没有能够适应大电流800-1300A的埋弧焊接用药芯焊丝、焊剂和工艺。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可适用于大电流高效埋弧焊接的焊丝和焊剂、适用于对低温冲击韧性要求苛刻的低温钢的高效埋弧焊接方法，焊接电流可增加一倍，整体焊接效率可提高50%以上。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
药芯焊丝由金属外皮和内部芯料卷制而成。
金属外皮为低碳碳素钢，药粉填充率为12-25%，横截面上铁皮面积比例50-80%。以重量百分比计，焊丝含有0.05-0.12%C，≤0.20%Si，1.6-2.0%Mn，0.50-0.90%Ni，2.5-15%CaF2，0.3-1.2%CaCO3。
C含量要求是基于强度和低温冲击韧性的双重要求。当焊缝金属中的C含量小于0.03%，对强度几乎没有贡献；当其含量高于0.10%时，会显著增加碳当量，影响低温冲击韧性。考虑到焊接过程中的烧损和母材的稀释，其优选范围是0.05-0.12%。
Si元素对焊缝金属的低温冲击韧性不利，当铁基焊缝金属的Si含量超过0.35%以后，需要加入较高含量Ni元素才能确保-40℃低温韧性；考虑到焊接过程中，焊剂过渡和母材稀释引入的Si含量增加，因此应控制药芯焊丝中的Si含量≤0.2%。
Mn一方面通过增加淬透性、降低相转变点、细化微观组织来提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；但另一方面，当其含量超过2.0%时，使得焊缝中的凝固偏析加重，造成局部区域元素和微观组织的不均匀，有些偏析区域容易生成韧性较差的奥氏体-马氏体组织，从而恶化低温韧性；优选其含量是1.6-2.0%。
Ni是低温钢及焊缝金属中的常用元素，主要用于提高低温冲击韧性。但同时由于其价格较高，为降低成本，在确保性能的基础上，应尽可能少加。Ni和Mn都是扩大奥氏体区元素，即稳定奥氏体的元素，会降低奥氏体到铁素体的相转变点。考虑到Mn的添加量，以及强度和低温韧性的具体要求，其优选含量是0.5-0.9%。
CaF2作为焊丝中的药芯粉加入，主要作用是改善焊接过程中焊接熔池内的脱氧反应，一方面会形成一定量的含Ca氧化物粒子，可作为随后冷却过程中奥氏体向铁素体转变的异质形核质点，增加针状铁素体的体积含量，从而提高焊缝金属的低温冲击韧性；另一方面也将与熔池中的氢发生反应，降低了焊缝金属中氢含量、防止氢致裂纹。当其含量不足2.5%时，效果不明显。由于CaF2呈碱性，会影响电弧稳定性，当其含量超过15%时，会使电弧发生弯曲、摇摆等现象，不利于焊接接头质量控制。因此优选含量范围是6-16%。
CaCO3作为焊丝中的药芯粉加入，主要作用是调整焊接熔池的冶金反应，并控制O和N的含量。在同样的焊接材料和工艺技术条件下，添加一定量的CaCO3可将焊缝金属中的O含量降低0.04-0.07%，N含量降低0.003-0.005%，从而达到提高焊缝金属低温冲击韧性的目的。
为提高焊丝成分的均匀性，从而稳定控制焊接接头质量，有必要要求芯部粉料中的颗粒度在150-350目之间，否则会造成焊丝成分不均、从而造成接头质量的不稳定。
埋弧焊剂，以重量百分比计，含有21-35%CaF2，5-20%Al2O3，10-15%SiO2，碱度1.5-2.0。
添加CaF2主要目的是基于碱性渣系选择，可有效降低焊缝金属的氧含量，从而有利于焊缝金属的低温冲击韧性控制。当其含量超过35%时，会恶化电弧稳定性，不利于焊接质量控制；当其含量小于21%时，对氧含量的控制效果较弱，因此优选含量为21-35%。
添加Al2O3和SiO2主要是用于调整碱度、控制焊接熔池粘度、改善渣层结构，以适应高速焊接的工艺要求。两者都属于酸性氧化物，会增加焊接熔池流动性，改善成形性能。两者的优选范围分别是5-20%和10-15%，当其含量超过最大值时，容易导致碱度过低，焊缝金属的氧含量升高，扩散氢含量也升高，对低温冲击韧性和抗裂性能不利；当其含量低于下限时，会使得碱度过大，恶化成形性能，不利于焊接接头宏观质量控制。
焊剂中添加0.5-2.5%BaO可改善焊接电弧反应生成的氧化物的物理和化学特性、平衡电弧特性，从而改善焊接成型性能。
焊剂中添加0.5-2.5%TiO2可增加焊接熔池冶金反应生成的含Ti类氧化物粒子的比例，总而增加该类粒子作为晶内形核针状铁素体的能力，从而提高焊缝金属的低温冲击韧性。
焊剂碱度计算公式：[CaO+MgO+CaF2+BaO+0.5(MnO+FeO)]/[SiO2+0.5(Al2O3+TiO2+ZrO2)]，其值在1.5-2.0之间。
采用上述焊丝和焊剂，在低温钢板上可实现电流700-1300A，电压34-45V，送丝速率≥6m/min的埋弧焊接，熔敷率250-400g/min，比现有水平提高1倍以上。克服了行业局限于小电流焊接的技术难题。
采用上述焊丝、焊剂和焊接工艺制得的焊接接头，质量满足要求，其焊缝金属中的氧含量≤0.04%，且氧化物类夹杂物的体积含量≥2.2×105/mm3，这样确保了氧化物类粒子异质形核针状铁素体的能力，并使得焊缝金属中针状铁素体含量≥60%。
得益于上述材料和工艺制得的焊接接头，以及元素含量和微观组织的精确控制，使得焊缝金属的抗拉强度≥600MPa；-40℃冲击功≥90J。
与此同时，焊缝金属中的扩散氢含量≤8ml/100g，防止了氢致裂纹的产生。
与现有技术相比，本发明技术的有益效果至少在于：
1.给低温钢提供了一种适用于700-1300A大电流埋弧焊接材料和工艺，焊接效率提高一倍以上；
2.焊丝、焊剂和焊接工艺搭配，实现了在大电流焊接工艺条件下的焊缝金属的高强度、-40℃冲击韧性和成型性能的统一；
3.焊接接头的扩散氢含量低，冷裂倾向小。
具体实施方式
以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：药芯焊丝成分含有0.08%C，0.15%Si，1.62%Mn，0.86%Ni，10%CaF2,0.95%CaCO3，0.008%P，0.003%S。焊丝直径为3.2mm，药粉填充率为20%，药粉颗粒度在300目左右，横截面上铁皮面积比例为60%。
焊剂为烧结焊剂，碱度为1.65，具体成分包括28%CaF2，16%Al2O3，11%SiO2和1.5%TiO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。
试验母材为20mm厚，抗拉强度为652MPa，-40℃冲击功为156J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口为Y型，角度为25°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为1100A，电压为42V，送丝速率7m/min。
焊后检验，未发现缺陷，焊接接头质量完好。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.032%，扩散氢含量为6ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.35×105/mm3。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量75%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为636MPa，-40℃冲击功为126J。
实施例2：药芯焊丝成分含有0.09%C，0.06%Si，1.96%Mn，0.56%Ni，14%CaF2,1.15%CaCO3，0.15%Mo，0.009%P，0.004%S。焊丝直径为4.0mm，药粉填充率为24%，药粉颗粒度在200目左右，横截面上铁皮面积比例为55%。
焊剂为烧结焊剂，碱度为1.85，具体成分包括32%CaF2，6%Al2O3，12%SiO2，0.8%BaO和1.5%TiO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。
试验母材为40mm厚，抗拉强度为732MPa，-40℃冲击功为156J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口双V型，角度为35°，钝边为3mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为1300A，电压为46V，送丝速率7.5m/min。
焊后检验，未发现缺陷，焊接接头质量完好。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.029%，扩散氢含量为4.5ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.46×105/mm3。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量72%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为706MPa，-40℃冲击功为116J。
实施例3：药芯焊丝成分含有0.05%C，0.20%Si，1.60%Mn，0.90%Ni，5%CaF2,0.6%CaCO3，0.15%Cr，0.006%P，0.003%S。焊丝直径为4.0mm，药粉填充率为14%，药粉颗粒度在250目左右，横截面上铁皮面积比例为75%。
焊剂为烧结焊剂，碱度为1.75，具体成分包括35%CaF2，7%Al2O3，10%SiO2，2.0%BaO和2.0%TiO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。
试验母材为30mm厚，抗拉强度为682MPa，-40℃冲击功为216J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口双V型，角度为30°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为800A，电压为36V，送丝速率7.8m/min。
焊后检验，未发现缺陷，焊接接头质量完好。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.031%，扩散氢含量为6.4ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.42×105/mm3。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量65%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为676MPa，-40℃冲击功为134J。
实施例4：药芯焊丝成分含有0.06%C，0.12%Si，1.80%Mn，0.70%Ni，12%CaF2，0.9%CaCO3，0.75%MgO，0.007%P，0.002%S。焊丝直径为2.4mm，药粉填充率为20%，药粉颗粒度在150目左右，横截面上铁皮面积比例为60%。
焊剂为烧结焊剂，碱度为1.90，具体成分包括29%CaF2，11%Al2O3，11%SiO2，1.5%BaO，1.2%TiO2和1.6%ZrO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。
试验母材为16mm厚，抗拉强度为782MPa，-40℃冲击功为196J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口单V型，角度为35°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为800A，电压为36V，送丝速率7.8m/min。
焊后检验，未发现缺陷，焊接接头质量完好。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.038%，扩散氢含量为7.4ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.38×105/mm3。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量68%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为746MPa，-40℃冲击功为126J。
实施例5：药芯焊丝成分含有0.08%C，0.13%Si，1.75%Mn，0.65%Ni，10%CaF2,0.8%CaCO3，0.006%P，0.004%S。焊丝直径为3.2mm，药粉填充率为16%，药粉颗粒度在300-350目之间，横截面上铁皮面积比例为70%。
焊剂为烧结焊剂，碱度为2.2，具体成分包括38%CaF2，12%Al2O3，13%SiO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。碱度超过权利要求范围。
试验母材为20mm厚，抗拉强度为688MPa，-40℃冲击功为282J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口单V型，角度为35°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为900A，电压为37V，送丝率7.4m/min。
焊后检验，未发现缺陷；但是焊道成型性能不好，呈现蛇形弯曲；且伴随有粘渣现象。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.026%，扩散氢含量为5.4ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.1×105/mm3。氧化物夹杂物体积含量未达标。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量43%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为665MPa，-40℃冲击功为36J。冲击功超出权利要求范围。
实施例6：药芯焊丝成分含有0.09%C，0.28%Si，1.95%Mn，0.85%Ni，8%CaF2，0.007%P，0.004%S。焊丝直径为4.0mm，药粉填充率为30%，药粉颗粒度在200目左右，横截面上铁皮面积比例为48%。成分、填充率和铁皮面积比例均不在权利要求范围内。
焊剂为烧结焊剂，碱度为1.7，具体成分包括28%CaF2，9%Al2O3，14%SiO2，焊前需要250℃以上烘干2小时以上。
试验母材为40mm厚，抗拉强度为688MPa，-40℃冲击功为282J。
焊接工艺参数如下：
（1）焊接坡口双V型，角度为30°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；
（2）焊接电流为1000A，电压为40V，送丝率7.8m/min。
焊后检验，未发现缺陷，焊道表面成型质量有所降低。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.041%，扩散氢含量为7.4ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.3×105/mm3。氧含量超出权利要求范围。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量52%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为665MPa，-40℃冲击功为31J。冲击功超过权利要求范围。
实施例7：采用实施例4所用的药芯焊丝、焊剂和测试母材钢板，并采用相同的坡口。
焊接参数如下：焊接电流为1420A，电压为48V，送丝速率8.6m/min。
焊后检验，焊道表面发黑，成型质量下降。
理化检验结果：焊缝金属的氧含量为0.044%，扩散氢含量为10.4ml/100g，缝金属中氧化物类夹杂物的体积含量为2.05×105/mm3。三个数据均超出权利要求范围。
微观组织观察结果表明：针状铁素体含量32%。
力学性能检验结果：焊缝金属的抗拉强度为625MPa，-40℃冲击功为29J。冲击功超过权利要求范围。
通过以上实施例可知，采用本发明药芯焊丝、焊剂和焊接工艺，可实现低温钢的焊接电流达1300A的高效快速埋弧焊接。制得的焊接接头的焊缝金属的抗拉强度≥600MPa，-40℃冲击功≥90J。该技术克服了传统技术受制于小电流焊接、低温韧性和扩散氢含量不稳定的技术难题。