一種高性能埋弧焊絲、焊縫金屬及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能埋弧焊絲、焊縫金屬及其應(yīng)用，以重量百分比計焊絲的化學(xué)成分組成為：C0.02～0.09%，Si≤0.30%，Mn2.0～3.0%，P≤0.01%，S≤0.008%，Ni2.0～5.0%，Ti0.10～0.30%，Nb0.10～0.30%，N≤0.01%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。利用本發(fā)明焊絲，搭配堿度2.5～3.5的燒結(jié)焊劑制得的焊縫金屬屈服強度≥830MPa，抗拉強度≥980MPa，-20℃沖擊功在60J以上；多道焊縫組織和力學(xué)性能均勻，兼具超高強度和良好低溫沖擊韌性。本發(fā)明焊絲可為超高強度鋼材的工程應(yīng)用提供匹配的焊接材料。
【專利說明】一種高性能埋弧焊絲、焊縫金屬及其應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種高性能埋弧焊絲及焊縫金屬，特別涉及一種超高強度埋弧實芯焊絲，利用其制得的焊縫金屬具備超高強度和優(yōu)良低溫沖擊韌性，屬高強度焊絲鋼領(lǐng)域。【背景技術(shù)】[0002]隨著結(jié)構(gòu)大型化、安全等級嚴(yán)格化，以及自身結(jié)構(gòu)減重的需要，高強度和超高強度級別鋼種逐漸在建筑、橋梁、工程機械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比如，抗拉強度900MPa級別的鋼種在建筑、橋梁和工程機械的關(guān)鍵承重部位上已經(jīng)得到了應(yīng)用。上述鋼種一般通過調(diào)質(zhì)熱處理工藝生產(chǎn),但由于加入合金量較大,其抗裂性能普遍不高。[0003]已公開的專利文獻有部分涉及到埋弧焊縫金屬抗拉強度<980MPa或者20°C沖擊功> 60J的報道，但鮮有能夠同時兼顧兩者。而且，還對預(yù)熱溫度和層間溫度做出了嚴(yán)格限定，比如預(yù)熱溫度>100°C，層間溫度控制在100~200°C之間；層間溫度過低易導(dǎo)致焊接冷裂紋，影響接頭質(zhì)量；層間溫度過高則會導(dǎo)致焊縫強度下降或者沖擊韌性下降，不符合力學(xué)性能要求，影響了焊接效率和焊接質(zhì)量。在工程結(jié)構(gòu)施工中，尤其是野外露天作業(yè)中，很難滿足上述苛刻條件，否則易造成焊接質(zhì)量問題。[0004]目前，市場還沒有可免除預(yù)熱，且不對焊接過程中的層間溫度做出苛刻要求的抗拉強度在980MPa以上的埋弧焊絲及焊縫金屬。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有埋弧焊絲及焊縫金屬需要預(yù)熱和層間溫度嚴(yán)格控制的不足，提供了一種可免除預(yù)熱，且不用控制層間溫度的高強度高韌性的埋弧焊絲及焊縫金屬；采用本發(fā)明焊絲，搭配堿度2.5~3.5燒結(jié)焊劑可制得無缺陷焊縫，其抗拉強度<980MPa, -20°C沖擊功<60J。[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:[0007]一種高性能埋弧焊絲，以重量百分比計焊絲的化學(xué)成分組成為:C0.02~0.09%,Si ( 0.30%, Mn2.0 ~3.0%, P^0.01%, S^0.008%, Ν?2.0 ~5.0%, Ti0.10 ~0.30%,Nb0.10~0.30%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。[0008]一種焊縫金屬，使用上述成分的焊絲搭配堿度2.5~3.5燒結(jié)焊劑制得。[0009]所述的焊縫金屬，以重量百分比計該焊縫金屬的化學(xué)成分組成為:C0.02~0.09%, Si < 0.30%，Μη2.0~3.0%, P<0.01%, S <0.008%, Ni2.0~5.0%,Ti0.10~0.30%,Nb0.10~0.30%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。[0010]所述的高性能埋弧焊絲在制造焊縫金屬中的應(yīng)用，制得焊縫金屬的力學(xué)性能如下:屈服強度>830MPa，抗拉強度>980MPa，-20°C沖擊功>60J。[0011]本發(fā)明中各元素的作用和含量限定的理由詳述如下:[0012]C:作為鋼中不可缺少的提高鋼材強度的元素之一，當(dāng)其含量〈0.02%時會顯著降低強度，因此其含量應(yīng)> 0.02% ;此外，高的C含量對低溫沖擊韌性和焊接性能不利。綜合考慮，本發(fā)明C含量控制為0.02~0.09%。
[0013]S1:一方面具有脫氧作用，另一方面還可以增加焊縫金屬的強度；但過多加入會導(dǎo)致低溫沖擊韌性降低、以及抗裂性能的降低；因此，本發(fā)明Si含量在0.30%以下。
[0014]Mn:是提高鋼板強度最有效的元素之一，較高的Mn含量會顯著降低相轉(zhuǎn)變溫度從而促進貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變，以提高鋼板強度；同時，Mn也是有效的擴大奧氏體區(qū)的元素，另一方面與Ni共同作用將有利于焊縫組織中得到部分未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體，從而提高焊縫金屬的抗裂性、低溫沖擊韌性。但Mn含量不宜過高(如> 3%)，否則容易產(chǎn)生大尺寸的MnS夾雜，給焊絲用盤條的冶煉帶來難度，同時也對盤條的性能帶來危害，進而影響焊絲和焊縫金屬的性能。因此，本發(fā)明Mn含量控制為2.0~3.0%。
[0015]P:會顯著降低焊接性能，比如P的偏析會引發(fā)焊接裂紋、以及焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性惡化。因此，本發(fā)明P只作為雜質(zhì)元素，為保證鋼板的綜合力學(xué)性能，其含量控制為P^0.01%。
[0016]S:雜質(zhì)元素，本發(fā)明S含量控制為≤0.008%。
[0017]N1:本發(fā)明中最重要的元素，一方面是提高焊縫金屬的抗裂性，從而省去預(yù)熱工序，另一方面是提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。當(dāng)其含量> 2.0%時，焊縫金屬的抗裂性能顯著提高，從而可免除焊前預(yù)熱工序；當(dāng)其含量> 5.0%時，焊縫金屬中的未轉(zhuǎn)變奧氏體含量將會顯著增加，從而降低焊縫金屬的強度。在含量2.0%~5.0%之間時，焊縫金屬的-20°C沖擊韌性穩(wěn)定在60J以上。因此其最佳含量范圍為2.0%~5.0%。
[0018]T1:一方面通過促進針狀鐵素體形成來提高焊縫金屬的強度、并改善低溫沖擊韌性；另一方面也通過析出強化提高了焊縫金屬的強度。其含量在0.10~0.30%之間。
[0019]Nb:是強碳氮化物形 成元素，加入0.10%的Nb通過Nb (C，N)析出可提高焊縫金屬的強度100~150MPa ;此外，該元素還易于偏析晶界，從而起到抑制側(cè)板條鐵素體和晶界鐵素體的生成，從而改善焊縫金屬的韌性。與Ti復(fù)合添加時，復(fù)合析出物(Nb，Ti) (C，N)的強化效果更好。為兼顧強度和韌性，其含量控制在0.10~0.30%之間。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少在于:
[0021]1、省去了焊前預(yù)熱和層間溫度控制、提高了焊接施工效率，尤其是對于野外施工的大型高強鋼焊接結(jié)構(gòu)。
[0022]2、新型MnNiTiNb合金設(shè)計確保了焊縫金屬強度和低溫沖擊韌性的穩(wěn)定，在較寬的焊接工藝條件下可使得焊縫金屬的抗拉強度≤980MPa，-20°C沖擊功≤60J。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。
[0024]實施例1
[0025]選取直徑4.0mm的埋弧實芯焊絲，其成分(重量百分比)組成為0.07C，0.12Si，2.4Μη，0.008Ρ，0.004S，3.2Ni，0.16Ti，0.21Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0026]焊接試板選取屈服強度980MPa鋼板，厚度為25mm。采用V型50°坡口，鈍邊4mm，間隙3mm。單絲埋弧焊接參數(shù)如下:電流600A,電壓34V,焊接速度40cm/min,焊接熱輸入量30kJ/cm ;焊前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進行探傷，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。焊縫金屬成分(重量百分比)組成為0.06C,0.16Si，2.ΙΜn,Ο.007Ρ，0.004S，2.8Ni，0.14Ti，0.16Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0027]焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度858MPa，抗拉強度992MPa，延伸率21%，斷面收縮率51%;-20°C沖擊功為114，96和106J，平均值為105J。
[0028]實施例2
[0029]選取直徑4.0mm的埋弧實芯焊絲，其成分(重量百分比)組成為0.04C，0.08Si,2.9Μn，0.007Ρ，0.003S，4.8Ni，0.12Ti，0.28Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0030]焊接試板選取屈服強度980MPa鋼板，厚度為16mm。采用V型50°坡口，鈍邊3mm，間隙2mm。單絲埋弧焊接參數(shù)如下:電流500A,電壓32V,焊接速度36cm/min,焊接熱輸入量27kJ/cm ;焊前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進行探傷，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。焊縫金屬成分(重量百分比)組成為0.05C,0.1OSi, 2.6Μn，0.007Ρ，0.004S，4.2Ni，0.18Ti，0.24Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0031]焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度868MPa，抗拉強度1108MPa，延伸率20%，斷面收縮率48% ;-20°C沖擊功為104，101和86J，平均值為97J。
[0032]實施例3
[0033]選取直徑4.0mm的埋弧實芯焊絲，其成分(重量百分比)組成為0.03C，0.05Si，2.7Μn，0.006Ρ，0.004S，2.6Ni，0.28Ti，0.22Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0034]焊接試板選取屈服強度980MPa鋼板，厚度為40mm。采用雙Y型50°坡口，鈍邊5mm,間隙3mm。單絲埋弧焊接參數(shù)如下:電流750A,電壓38V,焊接速度46cm/min,焊接熱輸入量37kJ/cm;焊前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進行探傷，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。焊縫金屬成分(重量百分比)組成為0.04C,0.07Si，2.3Μn，0.006Ρ，0.004S，2.9Ni，0.26Ti，0.21Nb，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0035]焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度848MPa，抗拉強度992MPa，延伸率21%，斷面收縮率53% ;-20°C沖擊功為116，88和108J，平均值為104J。
[0036]通過上述實施例可知，本發(fā)明焊絲及其焊縫金屬，可免除焊前預(yù)熱和焊接過程中的層間溫度控制，提高了焊接效率，并得到了高質(zhì)量的焊接接頭；其中焊縫金屬的抗拉強度≥980MPa, -20°C沖擊韌性≥60J。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能埋弧焊絲，其特征在于，以重量百分比計焊絲的化學(xué)成分組成為:C0.02 ~0.09%, Si ≤0.30%，Μη2.0 ~3.0%, P≤0.01%, S ≤ 0.008%，Ni2.0 ~5.0%,Ti0.10 ~0.30%, Nb0.10~0.30%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
2.一種焊縫金屬，其特征在于，使用權(quán)利要求1所述的焊絲搭配堿度2.5~3.5燒結(jié)焊劑制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焊縫金屬，其特征在于，以重量百分比計該焊縫金屬的化學(xué)成分組成為:C0.02 ~0.09%, Si≤ 0.30%，Μη2.0 ~3.0%, P ≤0.01%, S ≤ 0.008%, Ni2.0 ~5.0%, Ti0.10~0.30%, Nb0.10~0.30%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能埋弧焊絲在制造焊縫金屬中的應(yīng)用，制得焊縫金屬的力學(xué)性能如下:屈服強度>830MPa，抗拉強度>980MPa，-20°C沖擊功>60J。
【文檔編號】B23K9/18GK103464926SQ201310441789
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】張盤 申請人:張盤