專利名稱：具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料焊接用的埋弧自動焊絲材料，尤其適用于焊接高強度高韌性 且具有高耐候性能要求的鋼種的埋弧自動焊焊絲。
背景技術：
隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，鐵路運輸行業(yè)己進入高速發(fā)展時期。近年來，鐵道線 路先后進行了六次大面積提速，初歩形成了 "叫縱兩橫"的提速網絡。為進一^滿足鐵道 部提速減重以及跨海大橋、海洋艦船、石油管線、工程機械等新鋼種重點T.程焊接材料配 套需求，將普遍采用高耐候性、卨強度、高韌性的新一代燁接結構用鋼。這些鋼中含有Cu、 Cr、 Ni、 Ti、 RE、 Mn等微合金元素提髙鋼種的耐大氣腐蝕性能,新一代耐候鋼種的強度級 別為500-600 MPa。對焊接接頭的性能提出了更高的要求，焊接接頭必須具有與基材相當 的強韌性及耐候性能。現(xiàn)有焊絲國家標準中沒有耐候鋼埋弧煤絲，原鐵道部部標 TB/T2:374-]999的技術要求WER44-8 (III)埋弧焊絲強度級別為440 MPa，遠不能需足鐵路 提速減重、跨海大橋、海洋船舶、石油管線、工程機械等高級別新鋼種重點工程焊接材料 配套需求。隨著高級別新鋼種的強度、韌性和耐候性能的不斷提高，其燥縫韌性、耐候性 與基材相比差距較大，高強度耐候系列焊接材料每年大量進口 ，無法滿足國內重點工程需 求。中國專利00114334. 4，其合金體系為Ni-Mo-Ti ，雖然滿足了高抗拉強度級別600-700MPa 的需要，但不足是只適合于制造壓力容器的低合金鋼板的焊接，尤其不具有耐候性，并且 由于含有Mo，其目前價格很昂貴，使得生產成本較高。中國專利97104393.0，其合金體 系為Ni-Ti-B，其適合于大線能量的焊接，對焊坡口有較強的適應性，但其不足仍是不具 有耐候性，不適用于我國鐵路提速減重、跨海大橋、工程機械、石油化工、海洋船舶等行 業(yè)對耐大氣腐蝕性能而丌發(fā)的耐候系列鋼種所需要匹配的具有耐候性能的埋弧焊接材料 需求，迫切需要開發(fā)新一代高耐候性高強度高韌性埋弧自動焊絲。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種具有耐候性能，且高強度高韌性、用于 500MPa及以上強度級別鋼種的焊接，當與堿性燒結焊劑匹配，焊后焊縫抗拉強度達到 560MPa以上，-40。C焊縫沖擊功達107J， -5(TC焊縫沖擊功達87J，接頭具有強韌性匹配及 抗腐蝕性能的耐候高強度高韌性埋弧自動焯絲。
實現(xiàn)上述目的技術內容
為了實現(xiàn)上述目的，其技術措施具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲，其在于焊絲的化學成分及重量百分比C:O. 05 0. 12, Si:O. 001 0. 10, Mn:1.50 2. 1， S《 0.015、 P《0.020 、 Ni:O. 20 0.60， Cr: 0.20 0.50， Cu:O. 25 0. 50， Ti :0. 05
0. 16, B:O. 002 0. 010， Als:O. 001 0. 015，余量為Fe和其它不可避免的夾雜。
其在于Ni的重量百分比為0. 25 0. 45。
其在于Ni的重量百分比為0. 30 0. 40。
其在于Cr的重量百分比為0. 25 0. 45。
其在于Cr的重量百分比為0. 30 0. 40。
其在于Ti的重量百分比為0. 08 0. 14。
其在于Ti的重量百分比為0. 10 0. 13。
其在于B的重量百分比為0. 004 0. 009。
其在于B的重量百分比為0. 006 0. 007。
其在于Als的重量百分比為0. 002 0. 010。
本發(fā)明焊接采用堿性燒結焊劑作為匹配焊劑，采用埋弧自動。
耐候鋼焊接接頭要求較高的強度和低溫沖擊韌性及優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能。本焊絲在 化學成分設計上充分考慮了這些要求，選用堿性燒結焊劑作為匹配焊劑。焊絲中C、 Mn、 Ni保證焊縫足夠的強度，提高焊縫的韌性；適量的Cu、 Cr對焊縫有強化作用，增加焊縫 的耐大氣腐蝕性能；微量Ti、 B有利于抑制焊縫中奧氏體品粒長大，推遲奧氏體到鐵素體 的轉變溫度，促使焊縫金屬晶內針狀鐵素體的形成，細化二次品粒。低S、 P含量提高焊 縫純凈度和性能，進一步提高焊縫耐候性能。其具體作用
本發(fā)明焊絲中C重量百分比控制在0.05-0. 12， C元素含量對焊縫的強韌性及其組織 組成有較大的影響。當C含量較低時，焊縫強度較低，焊縫金屬中鐵素體比例較高。當C 含量較高時，焊縫韌性下降，焊縫中珠光體比例增加。因此，C含量過高或過低均會影響 焊縫中針狀鐵素體含量。
本發(fā)明焊絲中Si重量百分比控制在0. 001-0. 10，焊接后基材中的Si部分過渡到焊縫， 焊縫中含Si量控制在0. 3%以下。
本發(fā)明焊絲中Mn重量百分比控制在1.50-2. 1， Mn是焊縫強韌化的有效元素，在焊 縫中有利于脫氧，防止引起熱裂紋及鐵硫化物的形成。當焊縫中Mn重量百分比在
1. 20-1. 60時，焊縫強韌性達到最佳的匹配。
本發(fā)明焊絲中Ni重量百分比控制在0.20-0. 60 ， Ni有利于提高焊縫金屬的韌性尤其 是低溫沖擊韌性，降低脆性轉變溫度。同時提高焊縫耐蝕性能。Ni含量太高時，焊絲強度 及硬度過高，Ni含量導致焊縫與母材成分差別大，且使焊絲成本增加。本發(fā)明焊絲中Cr重量百分比控制在0.20-0.50，焊縫中含一定的Cr元素有利于提高 焊縫中針狀鐵素體含量，減少先共析鐵素體，并有細化鐵素體晶粒的作用，提高焊縫強韌 性，同時提高焊縫耐蝕性能。Cr還有助于保持焊縫熱處理后性能維持在較高的水平。
Cu重量百分比控制含量小于0.5時，以固溶強化方式提高焊縫強度，并降低針狀鐵素 體起始轉變溫度，提高針狀鐵素體含量；當Cu重量百分比控制含量大于0.5時，以析出 方式強化焊縫，但對焊縫韌性不利。因此將焊絲中Cu重量百分比控制在O. 10 0.50。
本發(fā)明焊絲中加入Ti可以細化焊縫金屬組織。Ti與N具有極高的親和力，Ti與N結 合成TiN質點，作為晶核，促使焊縫中針狀鐵素體的形成。焊縫金屬中Ti重量百分比控 制在0.01-0. 04，考慮到一定的過渡系數(shù)，因此，本發(fā)明焊絲中的Ti重量百分比控制可提 高為0. 05- 0. 16 。
本發(fā)明焊絲中B重量百分比控制在0. 002-0. 010，固溶的B在奧氏體晶界聚集降低晶 界能量，能控制先共析鐵素體的析出，B還能推遲奧氏體一鐵素體相轉變溫度，有利于晶 粒內針狀鐵素體的形成。
S、 P元素是焊縫中的主要有害元素，它們顯著降低焊縫金屬低溫沖擊韌性。S是焊絲 中不可避免的元素，焊絲鋼冶煉時應盡量降低S含量。本發(fā)明焯絲與低S含量的堿性類焊 劑如CHF101焊劑匹配使用，能使燥縫中S含量控制在較低水平。
本發(fā)明焊絲采用電爐或轉爐冶煉，無特殊冶煉工藝要求。
本發(fā)明埋弧自動焊絲具有如下優(yōu)點
1、 本焊絲具有良好的耐大氣腐蝕等性能。
2、 本發(fā)明焊絲用于55(MPa及以上強度級別鋼結構的焊接，焊縫具有與基材較高的強 韌性匹配和優(yōu)良的接頭性能。
3、 本焊絲鋼冶煉工藝穩(wěn)定易于實現(xiàn)，鋼坯的軋制及焊絲的拉撥、鍍銅等性能優(yōu)良。
具體實施例方式
實施例1
利用0.5噸電爐冶煉該焊絲，經軋制和拉撥成焊絲，焊絲直徑4mm，表面鍍銅。其成
品成分為C: 0.06， Si: 0.041， Mn: 1.68' Ni: 0.43， Cr: 0.26, Ti: 0.10， Cu: 0.26，
B: 0.0057， Als: 0.009。其余為Fe和其它不可避免的夾雜。采用CHF101焊劑匹配進行
熔敷金屬焊接試驗，焊接電流為600A，焊接電壓為31V，燥接速度為35cm/min。層間溫度
《150°C。焊縫金屬屈服強度ReL=425MPa,抗拉強度Rm=560MPa，延伸率A=26%，斷面收縮率
Z=75%。焊縫熔敷金屬平均沖擊功Akv (20°C) =147J， Akv (-4(TC) =107J， Akv (-5CTC)
=87J，焊縫具有優(yōu)良的強韌性匹配及低溫沖擊韌性。滿足新一代經濟型高耐候性鋼種的配套焊接技術要求。 實施例2
利用0.5噸電爐冶煉該焊絲，經軋制和拉撥成焊絲，焊絲直徑4mm，表面鍍銅。其成 品重量成份為C: 0.07， Si: 0.040， Mn: 1.60， Ni: 0.41， Cr: 0.30， Ti: 0.12, Cu: 0.29, B: 0.006, Als: 0.005。其余為Fe和其它不可避免的夾雜。焊絲與大西洋焊接制 品有限公司生產的CHF101焊劑匹配，焊接20mm厚新一代海洋平臺鋼WNHS315,鋼的化學 成分(按重量％)主要含有C: 0.061 ， Si: 0.28， Mn: 1.37 ， Nb: 0.047, Mo: 0.27 , P: 0.008 ， S: 0.005 。 Rm=510MPa、 ReL=316MPa、 Akv (-(TC) =268J。焊接工藝為Y型坡口。 坡口鈍邊為6mm，坡口角度單側為35。，焊接工藝參數(shù)為焊接電流650A，焊接電壓31V，焊 速35cm/min。接頭的抗拉強度Rm=505MPa、冷彎d二3a， 180"合格。焊縫沖擊功Akv (-2(TC) =91J, Akv (-4(TC) =69J，熔合線沖擊功Akv (-20°C) 二125J， Akv (-40°C) =81J，熱影 區(qū)沖擊功Akv (-20。C) 二177J， Akv (-40°C) =136J，接頭三區(qū)沖擊功達到較高水平。埋弧 焊接頭過熱區(qū)主要為貝氏體組織，焊縫金屬主要為細小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體 組織較少從而使焊縫三區(qū)具有較高的低溫沖擊韌性。進行全焊縫接頭電化學腐蝕測試，試 驗條件對焊接接頭試樣進行磨光，經3%硝酸酒精浸蝕，使肉眼可清晰分辨基材一一熱 影響區(qū)(HAZ) —焊縫。各區(qū)以甘汞電極作參比，在室溫下，采用微區(qū)電化學技術。在3 Q^N'aCl溶液中，穩(wěn)定2分鐘時測得的各區(qū)平均腐蝕電位基材負479毫伏，熱影響區(qū)(HAZ): 負483毫伏，焊縫負485毫伏。焊接接頭各區(qū)電位差異均不大，試驗說明本發(fā)明焊絲與 新--代海洋平臺鋼WNHS315匹配接頭具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。燥縫綜合性能滿足新一代海 洋平臺鋼WNHS315匹配焊接技術條件。
實施例3
利用0.5噸電爐冶煉該焊絲，經軋制和拉撥成焊絲，輝絲直徑4mm，表面鍍銅。其燥絲
的重量化學成份為C: 0.09， Si: 0.060， Mn: 1.90， Ni: 0.41， Cr: 0.35, Ti: 0.15， Cu:
0.35, B: 0.009， Als: 0.012。其余為Fe和其它不可避免的夾雜。焊絲與CHF101焊劑匹配，
焊接20mm厚海洋平臺鋼E36，重量化學成分C: 0.12 ， Si: 0.28, Mn: 1.48 ， Ni (Nb):
0.020 , Mo: 0.036 ， P: 0.008 , S: 0.005 。 Rm=535MPa、 ReL二360MPa、 Akv(-0°C)=96J。
焊接工藝與實施例2相同。接頭的抗拉強度Rm=520MPa、冷彎cN3a， 180°合格。焊縫沖擊功
Akv ((TC) 二144J， Akv (-20°C) =73J，熔合線沖擊功Akv (0°C) =88J， Akv (-20°C) =100J，
熱影區(qū)沖擊功Akv (0°C) =95J， Akv (-20°C) =63J，接頭三區(qū)沖擊功達到較高水平。埋弧
焊接頭過熱區(qū)主要為貝氏體組織，焊縫金屬主要為細小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體
組織較少從而使焊縫三區(qū)具有較高的低溫沖擊韌性。進行全焊縫接頭電化學腐蝕測試。試驗條件對焊接接頭試樣進行磨光，經3%硝酸酒精浸蝕，使肉眼可清晰分辨基材一熱影
響區(qū)(HAZ) —焊縫。各區(qū)以甘汞電極作參比，在室溫下，采用微區(qū)電化學技術。在3XNaCl 溶液中，穩(wěn)定2分鐘時測得的各區(qū)平均腐蝕電位基材負488毫伏，熱影響區(qū)(HAZ):負 475毫伏，焊縫負482毫伏。焊接接頭各區(qū)電位差異均不大，試驗說明本發(fā)明焊絲與海洋 平臺鋼E36匹配，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。庫縫綜合性能滿足海洋平臺鋼E36匹配焊接技術 條件。
實施例4
利用0.5噸電爐冶煉該焊絲，經軋制和拉撥成焊絲，焊絲直徑4mm，表面鍍銅。其焊絲 重量化學成分為C: 0.10, Si: 0.07, Mn: 1.70， Ni: 0.45， Cr: 0.29, Ti: 0.13， Cu: 0.30， B: 0.005， Als: 0.006。其余為Fe和其它不可避免的夾雜。焊絲與大西洋焊接制品 有限公司生產的CHF101焊劑匹配，焊接32,厚新一代高強度高韌性耐候橋梁鋼(京滬大橋 WNQ570)，麗Q570鋼的主要化學成分(按重量％)為C: 0.05， Si: 0.40， Mn: 1.58 ， P: 0.015 , S: 0.008 。 R『595MPa、 ReL-475MPa、 Akv (-40°C) =278J。焊接工藝參數(shù)為焊接 電流630A，焊接電壓31V，焊速34m/min。焊接接頭的強度590MPa，冷彎性能優(yōu)良，焊縫沖 擊功Akv (20°C) =150J， Akv (-20°C)=聰，Akv (_40°C) =71J，熱影響區(qū)Akv (20°C) =195J， Akv (-20°C) :173J， Akv (-40°C) =117J，接頭三區(qū)沖擊功達到較高水平。埋弧焊 接頭過熱區(qū)主要為貝氏體組織，焊縫金屬主要為細小的針狀鐵素體組織，先共析鐵素體組 織較少從而使焊縫三區(qū)具有較高的低溫沖擊韌性。進行全'岸縫接頭電化學腐蝕測試。試驗 條件對焊接接頭試樣進行磨光，經3%硝酸酒精浸蝕，使肉眼可清晰分辨基材一熱影響 區(qū)(HAZ) —焊縫。各區(qū)以甘汞電極作參比，在室溫下，采用微區(qū)電化學技術。在3XNaCl
溶液中，穩(wěn)定2分鐘時測得的各區(qū)平均腐蝕電位基材負511毫伏，熱影響區(qū)(HAZ):負
494毫伏，焊縫負503毫伏。焊接接頭各區(qū)電位差異均不大，試驗說明本發(fā)明焊絲與新一 代高強度高韌性耐候橋梁鋼(WNQ570)匹配接頭具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。焊縫綜合性能滿 足新一代高強度高韌性耐候橋梁鋼(WNQ570)匹配焊接技術條件。 實施例5
利用0.5噸電爐冶煉該焊絲，經軋制和拉撥成焊絲，焊絲直徑4mm，表面鍍銅。其焊絲 重量化學成分為C: 0.12, Si: 0.08， Mn: 2.0, Ni: 0.45， Cr: 0.45， Ti: 0.15， Cu: 0.40， B: 0.008， Als: 0.013。其余為Fe和其它不可避免的夾雜。輝絲與CHF101焊劑匹配， 焊接新一代提速減重鐵路機車用鋼W400QN，厚度12nm。 W400QN鋼的化學成分(按重量％) 主要含有C: 0. 07，Si: 0.39' Mn: 0.35， Ni: 0. 30，Cu: 0. 30，Cr: 0. 42， P: 0. 09， S: 0.006。 機械性能ReL: 4麼a， Rm: 535MPa. Akv (-40°C) =88J。進行了全焊縫接頭腐蝕性能試驗。共采用了2件試樣進行接頭電化學腐蝕測試。試驗條件與試驗結果對焊接接頭試樣進行 磨光，經3%硝酸酒精浸蝕，使肉眼可清晰分辨基材一HAZ —焊縫。各區(qū)以甘滎電極作參比， 在室溫下，采用微區(qū)電化學技術。在3XNaCl溶液中，穩(wěn)定2分鐘時測得各區(qū)腐蝕電位?；?材電化學腐蝕試驗焊接接頭各區(qū)電位基材負534毫伏，熱影響區(qū)(HAZ):負532毫伏，
焊縫負531毫伏。焊接接頭各區(qū)電位差異均不大，試驗說明本發(fā)明焊絲與新一代耐候機
車鋼W400QN匹配接頭具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。焊縫耐腐蝕性能滿足新 一 代耐候機車鋼 W400QN匹配焊接技術條件。
權利要求
1、具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲，其特征在于焊絲的化學成分及重量百分比C0.05～0.12，Si0.001～0.10，Mn1.50～2.1，S≤0.015、P≤0.020、Ni0.20～0.60，Cr0.20～0.50，Cu0.25～0.50，Ti0.05～0.16，B0.002～0.010，Als0.001～0.015，余量為Fe和其它不可避免的夾雜。
2、 根據(jù)權利要求1所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動煶絲，其特 征在于Ni的重量百分比為0. 25 0. 45。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲， 其特征在于Ni的重量百分比為0. 30 0. 40。
4、 根據(jù)權利要求1所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動煌絲，其特 征在于Cr的重量百分比為0. 25 0. 45。 .
5、 根據(jù)權利要求1或4所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲， 其特征在于Cr的重量百分比為0. 30 0. 40。
6、 根據(jù)權利要求1所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲，其特 征在于Ti的重量百分比為0. 08 0. 14。
7、 根據(jù)權利要求1或6所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動煤絲， 其特征在于Ti的重量百分比為0. 10 0. 13。
8、 根據(jù)權利要求1所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焯絲，其特 征在于B的重量百分比為0. 004 0. 009。
9、 根據(jù)權利要求1或8所述的具有耐候性的高強度高韌性埋弧自動焊絲，其 特征在于B的重量百分比為0. 006 0. 007。
10、 根據(jù)權利要求1所述的具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲，其特 征在于Als的重量百分比為0. 002 0. 010。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有耐候性能的高強度高韌性埋弧自動焊絲。其主要解決目前埋弧焊接材料的耐大氣腐蝕性能差、生產成本高等不足。其技術措施焊絲組成的重量化學成分C0.05～0.12，Si0.01～0.10，Mn1.50～2.1，S≤0.015、P≤0.020、Ni0.20～0.60，Cr0.20～0.50，Cu0.25～0.50，Ti0.05～0.16，B0.002～0.010，Als0.001～0.015，余量為Fe及其它不可避免的夾雜。本發(fā)明的焊絲與堿性燒結焊劑匹配焊接，焊接接頭具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能及優(yōu)良的綜合機械性能，焊縫熔敷金屬抗拉強度達到560MPa，、在-40℃時沖擊功達到107J，-50℃沖擊功達到87J。
文檔編號B23K35/00GK101537549SQ20091006158
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權日2009年4月14日
發(fā)明者劉吉斌, 曹修悌, 牟文廣, 王玉濤, 凱 繆, 胡因洪, 黃治軍 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司