本发明属于钨极氩弧焊实芯焊丝技术领域。具体涉及一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝。
背景技术：
低温钢是指用于液化石油气（lpg）和液化天然气（lng）等贮存运输容器以及海洋石油工程结构的钢铁材料，其工作温度分为-20～-40℃、-50～-80℃、-100～-110℃和-162～-196℃四个级别。现阶段，工作温度在-196℃、用于lng罐的钢称为超低温钢。用于lng罐的钢主要是9ni钢，由于镍含量高达9%，导致9ni钢钢板价格昂贵。为节省ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本，世界各国科研人员正在积极研发和试制高锰低温钢。
我国一些高校与钢铁企业已联合开展了一些理论和实验研究，研发出适于实用的超低温高锰钢，所述超低温高锰钢在应用过程中，主要采用焊接工艺进行结构及设备的制造。
超低温高锰钢焊接材料采用与9ni钢相同的焊接材料，9ni钢工程应用最多的是镍基焊接材料，当采用镍基焊接材料时，存在两个问题：一是焊接材料中镍元素含量为50~60%，价格昂贵；二是母材与焊丝的成分含有不同的mn和ni含量，浓度梯度会引起焊接接头熔合线处元素扩散，组织与性能发生变化。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种成本低和合金成分体系简单的用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝；所形成的焊缝金属低温韧性优良、强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足对所焊接的设备的强度和超低温韧性的技术要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝的化学组分是：c为0.25~0.55wt%，mn为23~26wt%，ni为8~10wt%，w为3~5wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的主要合金元素mn元素的含量为23~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。
本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本发明中碳元素含量为0.25~0.55wt%，镍元素含量为8~10wt%。
本发明在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加3~5wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：p≤0.002wt%和s≤0.001wt%。通过净化钢水，将焊丝的p和s含量降到最低，避免因p、s偏聚而产生热裂纹倾向。
本发明采用的化学成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和具有足够的强度，且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。
本发明所制备的钨极氩弧焊实芯焊丝用于焊接超低温高锰钢，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功akv为62~115j；亦保证了焊缝金属的机械性能：屈服强度为408~485mpa，抗拉强度为575~680mpa，延伸率a为41~45%，达到了超低温高锰钢制造lng结构的力学性能要求，特别是超低温韧性的要求。
因此，本发明合金元素含量价格低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属具有低温韧性优良，强度能与超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接制备的lng等设备的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。
实施例1
一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝（以下简称钨极氩弧焊实芯焊丝）。所述钨极氩弧焊实芯焊丝的化学组分是：c为0.25~0.35wt%，mn为23~24wt%，ni为9.4~10wt%，w为3.0~3.8wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质。
本实施例所制备的用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝，直径为φ2.4mm，采用钨极氩弧焊焊接方法；所述的超低温高锰钢为12mm厚的25mn超低温钢。
所述25mn超低温钢的化学组分是：c为0.40~0.50wt%，si为0.10~0.20wt%，mn为20~28wt%，n为0.01~0.08wt%，p为≤0.005wt%，s为≤0.003wt%。所述25mn超低温钢的力学性能是：抗拉强度为≥400mpa，屈服强度为≥560mpa，延伸率a=40%；-196℃时冲击功akv≥54j。
所述25mn超低温钢的试板坡口型式为v型，单侧坡口角度为30°。
本实施例采用直径φ2.5mm的铈钨极，氩气纯度大于99.95%，氩气流量为8~12l/min，气体喷嘴直径为φ8~12mm，喷嘴伸出长度为4~5mm。
本实施例中：焊接电流为160~220a，电弧电压为14~16v，焊接速度为6~8cm/min。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为408~435mpa，抗拉强度为575~625mpa，伸长率a=44~45%，-196℃时冲击功平均值akv=94~115j。
实验结果表明：采用本实施例所制备的钨极氩弧焊实芯焊丝，经钨极氩弧焊焊接后，焊缝金属的力学性能完全满足超低温25mn钢的技术要求，焊接接头满足用25mn超低温钢制备的lng贮罐的技术要求。
实施例2
一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝。除下述外，其余同实施例1：
所述钨极氩弧焊实芯焊丝的化学组分是：c为0.35~0.45wt%，mn为25~26wt%，ni为8.8~9.4wt%，w为3.8~4.4wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质。
本实施例所制备的实芯焊丝，直径为φ2.4mm。对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为466~485mpa，抗拉强度为658~680mpa，伸长率a=41~43%，-196℃时冲击功平均值akv=62~78j。
实施例3
一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝。除下述外，其余同实施例1：
所述钨极氩弧焊实芯焊丝的化学组分是：c为0.45~0.55wt%，mn为24~25wt%，ni为8.0~8.8wt%，w为4.4~5.0wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质。
本实施例所制备的实芯焊丝的直径为φ2.4mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为435~466mpa，抗拉强度为625~658mpa，伸长率a=43~44%，-196℃时冲击功平均值akv=78~94j。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的主要合金元素mn元素的含量为23~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。
本具体实施方式中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本具体实施方式中碳元素含量为0.25~0.55wt%，镍元素含量为8~10wt%。
本具体实施方式在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加3~5wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量：p≤0.002wt%和s≤0.001wt%。通过净化钢水，将焊丝的p和s含量降到最低，避免因p、s偏聚而产生热裂纹倾向。
本具体实施方式采用的化学成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和具有足够的强度，且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。
本具体实施方式所制备的钨极氩弧焊实芯焊丝用于焊接超低温高锰钢，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功akv为62~115j；亦保证了焊缝金属的机械性能：屈服强度为408~485mpa，抗拉强度为575~680mpa，延伸率a为41~45%，达到了超低温高锰钢制造lng结构的力学性能要求，特别是超低温韧性的要求。
因此，本具体实施方式合金元素含量价格低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属具有低温韧性优良，强度能与超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接制备的lng等设备的强度和超低温韧性的技术要求。