本发明涉及焊丝及焊接方法，特别涉及一种适用于超低温高锰钢的金属粉芯药芯焊丝及焊接方法。
背景技术：
液化天然气(lng)作为一种清洁、高效的能源，其产业发展受到各个国家的重视，然而其储存运输条件却十分苛刻(通常在-163℃)。9ni钢作为lng储运领域的重要材料，其配套焊材开发已经比较成熟，但由于ni等昂贵合金材料的使用量较高(焊材ni含量甚至高于50％)，导致钢板和配套焊材成本难以降低。
超低温高锰钢因在极低温条件下可以保持理想的性能，被视为第二代lng储罐用新材料。但目前，国内并无相关配套焊材，限制了25mn钢的应用。
技术实现要素：
发明目的：本发明目的是提供一种适用于高锰超低温钢的金属粉芯药芯焊丝，包括钢带外皮和包裹在内的金属粉芯，焊后所形成的焊缝无熔渣，并保证焊缝金属拉伸性能、屈服性能及延伸率优异，特别是在-196℃超低温环境下仍具有良好的韧性。
技术方案：本发明所述一种适用于高锰超低温钢的金属粉芯药芯焊丝，化学组分是：中碳锰铁90～93wt％；75#硅铁0.11～0.16wt％；铬金属粉4～6wt％；镍粉2.6～3.5wt％；稳弧剂0.02～0.2wt％，余量为fe和不可避免的杂质。所述焊丝外部钢带中c≤0.08wt％、fe≥90wt％。所述金属粉芯在金属粉芯药芯焊丝中含量为10-30wt％。
进一步地，所述中碳锰铁中的锰质量百分比大于80％。所述稳弧剂为氧化钠和氧化钾的混合物。
本发明所述的适用于高锰超低温钢的金属粉芯药芯焊丝的焊接方法，采用tig焊，保护气体是纯度为99.99％的ar气，焊接电流190-210a；焊接电压22-24v；焊接速度18cm/min。
上述部分成分含量的限定理由如下：
mn元素为奥氏体形成元素，在熔池金属凝固时与c、ni共同作用，以奥氏体为凝固初始相并保持到室温，最终焊缝组织为奥氏体相。同时mn元素有固溶强化，稳定奥氏体，抑制ε-马氏体的形成的作用。但mn含量过高会产生沿晶界脆性断裂，低温韧性下降。考虑到母材mn含量的因素，需要保证与母材相同的成分体系，削弱浓度梯度的影响，本发明将mn含量控制在22-26wt％。
c含量过高则会显著增大层错能，损害塑性。本发明将c含量控制在0.2-0.5wt％。
si会在晶界偏聚弱化晶界，降低塑性和低温韧性。本发明将si含量控制在0.05-0.06wt％。
ni则考虑其价格昂贵，大量添加成本过高。本发明将ni含量控制在1-3wt％。
考虑s、p元素的不利影响，本发明钢带外皮严格控制s、p含量：p≤0.005wt％和s≤0.005wt％，避免焊缝金属出现液化裂纹与再热裂纹。
考虑稳弧性，添加氧化钠和氧化钾的混合物、二氧化钛等作为稳弧剂，添加量为0.02-0.2wt％。
有益效果：本发明焊丝采用的化学成分体系采用高mn含量设计，同时，大幅降低ni的含量，从而显著降低了材料的成本；本发明焊丝较实芯焊丝焊缝成形好，且操作更加容易；本发明焊丝用于焊接超低温高锰钢，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了焊缝金属的机械性能，所形成的焊缝金属具有良好的强度、塑性和韧性配合，特别是在-196℃的超低温环境下具有良好韧性。
具体实施方式
实施例1
本实施例的用于超低温高锰钢tig焊的金属粉芯药芯焊丝，药芯的化学成分是：中碳锰铁90wt％，其中，中碳锰铁中的锰质量百分比为81％；75#硅铁0.11wt％；铬金属粉4wt％；镍粉2.6wt％；氧化钠和氧化钾的混合物0.02wt％，余量为fe和不可避免的杂质。金属粉芯质量占金属粉芯药芯焊丝总质量的10％。
本实施例的焊接方法采用tig焊，ar气流量为20-25l/min。焊接电流190-210a，焊接电压22-24v，焊接速度18cm/min。
本实施例的金属粉芯药芯焊丝直径为φ2.4mm，是经装粉、钢带压制封闭成型、拉拔(酸洗)后层绕制而成。
焊接试板为20mm厚的25mn超低温钢。
25mn超低温钢的试板坡口型式为v型，单侧坡口角度为30°。
所述25mn超低温钢的化学组分是：c为0.43wt％，si为0.20wt％，mn为23.8wt％，n为0.04wt％，该25mn超低温钢的力学性能是：抗拉强度为800mpa，屈服强度为440mpa，延伸率a＝37％；-196℃时冲击功akv＝120j。
对本实施例焊后形成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440mpa，抗拉强度为660mpa，伸长率a＝40％，-196℃时冲击功akv＝80j。
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
本实施例的用于超低温高锰钢tig焊的金属粉芯药芯焊丝，与实施例1的区别在于：所述金属粉芯药芯焊丝，药芯的化学成分为：中碳锰铁为93wt％，硅铁0.16wt％，铬金属粉6wt％，镍粉3.5wt％，二氧化钛0.2wt％余量为fe和不可避免的杂质。其中，中碳锰铁中的锰质量百分比为82％。金属粉芯质量占金属粉芯药芯焊丝总质量的30％。
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450mpa，抗拉强度为680mpa，伸长率a＝30％，-196℃时冲击功平均值akv＝71j。
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。
因此，本发明合金元素含量价格低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属成形好，焊接操作简单。焊缝金属低温韧性优良，强度能与超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接制备的lng的强度和超低温韧性的技术要求。