本發(fā)明屬于金屬焊接材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：藥芯焊絲作為一種高效焊接材料，具有焊接效率高、焊接周期短、建造進(jìn)度快、焊接工藝性好、焊縫成型美觀、焊接變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備的建造領(lǐng)域。為適應(yīng)海洋環(huán)境氣候，海洋工程裝備的建造過程中，采用大厚板焊接必須進(jìn)行焊后熱處理，不僅能降低焊縫應(yīng)力、減少焊接畸變，同時(shí)改善母材、焊接熱影響區(qū)的性能，提高抗應(yīng)力腐蝕能力。然而在溫度區(qū)間400℃～600℃焊后熱處理，焊縫金屬容易產(chǎn)生第二類回火脆性現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫沖擊韌性大幅度下降。因此，有必要研制一種能夠提高焊縫金屬的抗回火脆性能力，確保海洋工程大厚板焊后熱處理仍保持優(yōu)良低溫沖擊韌性的藥芯焊絲。目前，防止第二類回火脆性的措施主要在以下兩點(diǎn)：一方面熱處理后采用快冷工藝，避免在脆性溫度區(qū)緩冷；另一方面控制焊縫金屬中部分元素含量抑制回火脆性，減少焊縫中S、P等雜質(zhì)元素；細(xì)化奧氏體晶粒，以降低單位界面上的雜質(zhì)偏聚；降低Mn元素含量，Mn可促進(jìn)P元素在晶界的偏析。通過這兩方面抑制回火脆性，提高焊縫金屬低溫沖擊韌性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有焊縫金屬在560℃焊后熱處理后因產(chǎn)生第二類回火脆性導(dǎo)致低溫沖擊韌性急劇下降的問題。為此，本發(fā)明提供了一種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲，包括碳鋼外皮及填充在碳鋼外皮內(nèi)的藥芯，所述碳鋼外皮質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量的85.5～86.0％，藥芯質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量的14.0～14.5％；所述藥芯的各成分及其含量占藥芯焊絲總質(zhì)量百分比如下：TiO25.22～5.9％；ZrO20.13～0.23％；Al2O30.06～0.17％；SiO20.42～0.68％；Si0.34～0.55％；Mn1.30～1.75％；Ni0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti0.17～0.24％；B0.010～0.014％；稀土金屬氟化物0.08～0.26％；NaF0.24～0.37％；余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。進(jìn)一步的，所述碳鋼外皮采用低碳鋼鋼帶，其化學(xué)成分占低碳鋼鋼帶質(zhì)量百分比為Mn0.15～0.4％，Si≤0.025％,C≤0.035％，S≤0.017，P≤0.014％，N≤0.006％；低碳鋼鋼帶應(yīng)用在本發(fā)明中其可焊性能良好，且成本低廉。進(jìn)一步的，所述藥芯的Mg、Al混合物中，Al元素含量與Mg元素、Al元素含量之和的比Al/(Mg+Al)為0.11～0.18；Al/(Mg+Al)比值低于0.11時(shí)，由于Al含量不足，影響藥芯焊絲立焊工藝性能，操作性不佳；其比值高于0.18時(shí)，由于Al含量偏高，易使脫氧產(chǎn)物Al2O3形成氧化物夾雜，影響焊縫力學(xué)性能；Al/(Mg+Al)比值在0.11～0.18之間，則即可保證藥芯焊絲操作性特別是立焊工藝性能，也可保證焊縫金屬力學(xué)性能。進(jìn)一步的，所述藥芯焊絲熔敷金屬中S元素含量≤0.01％，P元素含量≤0.02％。進(jìn)一步的，所述藥芯焊絲熔敷金屬中Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0～1.3％，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30～0.50％，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06～0.07％。進(jìn)一步的，所述藥芯焊絲的橫截面直徑為1.2mm。進(jìn)一步的，所述TiO2采用金紅石，ZrO2采用鋯英砂，Al2O3采用長(zhǎng)石，SiO2采用石英或長(zhǎng)石；且金紅石、鋯英砂、長(zhǎng)石和石英的總質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量≤4.6％；金紅石、鋯英砂、長(zhǎng)石和石英作為造渣劑可改善焊縫成形、保證焊絲具有優(yōu)良的焊接工藝性能，但過量則易使熔渣過多，易產(chǎn)生氧化物夾雜影響熔敷金屬力學(xué)性能。另外，本發(fā)明還提供了上述海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲的制備方法，采用鋼帶法生產(chǎn)工藝，通過對(duì)接O型或搭接O型的封口方式，將藥芯封在碳鋼外皮內(nèi)，經(jīng)過成型減徑后即得所述藥芯焊絲。鋼帶法制造藥芯焊絲生產(chǎn)線的主工藝由鋼帶裁剪機(jī)組、鋼帶復(fù)繞機(jī)組、鋼帶清洗、成形機(jī)組、加粉機(jī)組、合縫機(jī)組、直線式拔絲機(jī)組和工字輪收線機(jī)等組成。購(gòu)進(jìn)的鋼帶首先經(jīng)化學(xué)成分檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行裁剪成一定寬度的鋼帶，進(jìn)入下一道工序。采用金屬清洗劑超聲波振動(dòng)清洗，清水沖洗、熱風(fēng)烘干的辦法來進(jìn)行鋼帶清洗，清洗后的鋼帶應(yīng)無油、無水、無銹。在成形機(jī)機(jī)組將鋼帶軋成“U”形槽，再經(jīng)加粉機(jī)組按一定配比加入藥粉，在合縫機(jī)組將邊緣合縫，經(jīng)拔絲機(jī)組減徑，最后進(jìn)人收線機(jī)，成為藥芯焊絲成品。本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲在焊接時(shí)的焊接條件為：采用CO2混合氣體保護(hù)，電流240～280A，電壓26～30V，熱處理工藝為在560℃溫度下保溫2小時(shí)，爐冷至400℃后空冷。進(jìn)一步的，上述海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲用于海洋工程用屈服強(qiáng)度為390MPa、厚度在20～70mm之間的鋼板的全位置焊接。本發(fā)明海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲的設(shè)計(jì)原則如下：本發(fā)明采用鈦型渣系,選用成分穩(wěn)定、雜質(zhì)含量低的原材料降低藥芯中S、P雜質(zhì)元素含量；選用Mn-Mg-Al-Ti-Si脫氧方式，降低焊縫中氧化物，凈化晶界，對(duì)晶界偏聚有抑制作用，減輕第二類回火脆性；選擇Ti-B合金體系，細(xì)化晶粒，抑制第二類回火脆性，以此達(dá)到提高低溫沖擊韌性的目的。TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2、MgO、NaF作為藥芯中礦物成分。TiO2用于調(diào)節(jié)熔渣熔點(diǎn)和粘度，改善電弧穩(wěn)定性和焊縫成型，其加入量少于5.22％時(shí)，熔渣不能完全覆蓋，焊縫成形差，飛濺多；當(dāng)加入量超過5.9％時(shí)，會(huì)使焊縫成形變差，脫渣不好，還易產(chǎn)生氣孔；因此，TiO2加入量控制為5.22～5.9％。ZrO2用于提高熔渣熔點(diǎn)和粘度，改善熔渣覆蓋性能，使熔渣能完全覆蓋而不出現(xiàn)漏渣，使焊縫表面光潔，其加入量少于0.13％時(shí)，不能體現(xiàn)上述特征；加入量大于0.23％時(shí)，焊縫成形差、熔渣不易脫落，抗氣孔性也變差；因此ZrO2加入量控制為0.13～0.23％。Al2O3用于提高熔渣熔點(diǎn)和粘度，調(diào)整熔渣流動(dòng)性，其加入量少于0.06％時(shí)不能體現(xiàn)上述特征；當(dāng)加入量大于0.17％時(shí)，會(huì)使熔渣熔點(diǎn)提高，影響熔渣流動(dòng)性，焊縫成形變差；因此，Al2O3加入量控制為0.06～0.17％。SiO2用于調(diào)節(jié)熔渣流動(dòng)性和粘度，細(xì)化熔滴，降低飛濺、改善熔渣覆蓋性能，其加入量少于0.42％時(shí)，熔渣不能完全覆蓋，焊縫成形及脫渣都很差；加入量大于0.68％時(shí)，會(huì)降低熔渣熔點(diǎn)，熔渣流動(dòng)性太強(qiáng)，使立焊工藝性能變差，因此，SiO2加入量控制為0.42～0.68％。NaF用于去氫劑，降低焊縫擴(kuò)散氫含量；其加入量太少時(shí)，去氫能力不足，焊縫易產(chǎn)生氣孔壓坑，加入量太多時(shí)，焊接飛濺和煙塵增大，還會(huì)降低熔渣熔點(diǎn)，使熔渣流動(dòng)性變差，覆蓋不良，脫渣困難；因此，NaF加入量控制為0.24～0.37％。Si是重要脫氧劑，其滲合金率約為85％；藥芯焊絲中含有一定量的Si能降低焊縫金屬的氧含量，提高低溫沖擊韌性，調(diào)節(jié)鐵水的流動(dòng)性，加入量(Si換算值)少于0.34％時(shí)不能體現(xiàn)上述特征，大于0.55％時(shí)鐵水變粘，焊縫強(qiáng)度過高，沖擊韌性降低。因此加入量(Si換算值)限定在0.34～0.55％。Mn是主要脫氧劑，其滲合金率約為70％；降低焊縫金屬的含氧量，增加焊縫金屬?gòu)?qiáng)度和抗裂性，提高低溫沖擊韌性，調(diào)節(jié)鐵水流動(dòng)性，同時(shí)也是易產(chǎn)生第二類回火脆性的有害元素；加入量(Mn換算值)少于1.30％時(shí)，體現(xiàn)增強(qiáng)焊接金屬?gòu)?qiáng)度和抗裂性特性不足，大于1.75％時(shí)焊接金屬熱處理后低溫沖擊韌性急劇下降。因此加入量(Mn換算值)限定在1.30～1.75％。Ni對(duì)提高低溫沖擊韌性有利，但有脆化元素P加入時(shí)，Ni含量過高會(huì)增加第二類回火脆性傾向。因此，加入量限定在0.41～0.49％。Mg、Al是強(qiáng)脫氧劑，提高沖擊韌性，加入量少于0.37％時(shí)提高低溫沖擊韌性能力及脫氧能力不足，大于0.54％時(shí)由于脫氧產(chǎn)物含有鎂或鋁氧化物使熔渣的熔點(diǎn)上升凝固速度加快不利于焊縫氣體的排除和焊縫成型。因此加入量限定在0.37～0.54％。Ti屬脫氧劑，Ti元素的氧化物具有晶內(nèi)形核的作用，可細(xì)化晶粒，促使焊縫在凝固時(shí)析出針狀鐵素體，一定程度上抑制第二類回火脆性的產(chǎn)生。Ti(Ti換算值)加入量小于0.17％時(shí)，無法體現(xiàn)上述特性，大于0.24％時(shí)容易造成電弧爆裂，飛濺過大。因此，加入量(Ti換算值)限定在0.17～0.24％。B有效的抑制晶界鐵素體的生成，促進(jìn)形成細(xì)小的晶內(nèi)鐵素體，從而提高焊縫的韌性。B元素(B換算值)加入量低于0.010％時(shí)，無法體現(xiàn)上述特性，加入量高于0.014％時(shí)，焊縫沖擊韌性會(huì)明顯下降。因此加入量(B換算值)限定在0.010～0.014％之間。稀土金屬氟化物：球化夾雜物，凈化晶間雜質(zhì)，提高焊縫低溫沖擊韌性，抑制第二類回火脆性。加入量小于0.08％時(shí)，無法起到實(shí)際效果，大于0.26％時(shí)容易造成電弧不穩(wěn)，飛濺增多，影響焊縫成型，增加回火脆性傾向。因此，加入量限定在0.08～0.26％。Fe即鐵粉，提高熔敷效率，改善電弧狀態(tài)，調(diào)節(jié)鐵水熔點(diǎn)和粘度，余量加入。本發(fā)明的有益效果：(1)本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲通過控制Mn元素、Si元素含量，達(dá)到了既能保證焊縫金屬?gòu)?qiáng)度，又能抑制第二類回火脆性的目的。(2)本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲采用低雜質(zhì)原材料，如電解錳、鎂粉，降低藥芯中S、P含量，有效地將焊縫金屬S元素控制在≤0.01％，P元素含量制在≤0.02％，使焊縫具有優(yōu)異的抗第二類回火脆性及抗裂性。(3)本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲通過增加鈦鐵在配方中的含量，使其起到細(xì)化晶粒的作用，從而抑制第二類回火脆性；同時(shí)通過加入少量稀土元素削弱雜質(zhì)元素在晶界的偏析，起到凈化焊縫的作用，抑制第二類回火脆性的產(chǎn)生。(4)本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲用于海洋工程用屈服強(qiáng)度為390MPa大厚板材(20～70mm)焊接，其焊縫金屬經(jīng)(560℃)保溫2小時(shí)熱處理后具有優(yōu)良力學(xué)性能。具體實(shí)施方式下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明提供了一種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲，包括碳鋼外皮及填充在碳鋼外皮內(nèi)的藥芯，所述碳鋼外皮質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量的85.5～86.0％，藥芯質(zhì)量占藥芯焊絲總質(zhì)量的14.0～14.5％；所述藥芯的各成分及其含量占藥芯焊絲總質(zhì)量百分比如下：TiO25.22～5.9％；ZrO20.13～0.23％；Al2O30.06～0.17％；SiO20.42～0.68％；Si0.34～0.55％；Mn1.30～1.75％；Ni0.41～0.49％；Mg、Al混合物0.37～0.54％；Ti0.17～0.24％；B0.010～0.014％；稀土金屬氟化物0.08～0.26％；NaF0.24～0.37％；余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。上述海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲的制備方法：使用鋼帶法生產(chǎn)工藝，通過對(duì)接O型或搭接O型的封口方式，在低碳鋼鋼帶制成的外皮內(nèi)填充藥芯粉料，填充率為14～14.5％，經(jīng)過成型減徑后得到直徑為1.2mm的成品藥芯焊絲。下面具體通過五個(gè)實(shí)施例來說明本發(fā)明海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲的組成及性能。實(shí)施例1～5的藥芯成分及其占所述藥芯焊絲總質(zhì)量的百分比含量％，以及Al/(Mg+Al)的比值如表1所示；本實(shí)施例中藥芯焊絲的碳鋼外皮采用低碳鋼鋼帶，其化學(xué)成分見表2；藥芯粉料的化學(xué)成分及原材料構(gòu)成見表3。表1：藥芯成分及其含量表2：碳鋼外皮的化學(xué)成分表3：藥芯粉料部分構(gòu)成上述實(shí)施例1～5制備的海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲在焊接時(shí)的焊接條件為：采用CO2混合氣體保護(hù)，電流240～280A，電壓26～30V，熱處理工藝為在560℃溫度下保溫2小時(shí)，爐冷至400℃后空冷。焊接試板為屈服強(qiáng)度為390MPa級(jí)別鋼板或同級(jí)別強(qiáng)度的低碳鋼。采用本發(fā)明海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲焊接后的熔敷金屬力學(xué)性能如表4和表5所示。表4：熔敷金屬力學(xué)性能Rm(MPa)ReL(MPa)A(％)KV2(J)-40℃實(shí)施例155045025102114120實(shí)施例252443026116114121實(shí)施例353644024105108104實(shí)施例453042025126118103實(shí)施例552544027110106119表5：熔敷金屬化學(xué)成分CSiMnSPNi實(shí)施例10.0630.311.010.0080.0140.42實(shí)施例20.0650.331.120.0050.0150.45實(shí)施例30.0610.351.080.0060.0140.44實(shí)施例40.0660.381.060.0080.0160.43實(shí)施例50.0680.341.160.0060.0140.43由表4和表5可知，本發(fā)明藥芯焊絲通過控制合金元素含量，在熱處理后能有效降低脆性相的產(chǎn)生，保證了熔敷金屬熱處理后具有穩(wěn)定的低溫沖擊韌性，其-40℃沖擊功KV2≥47J，解決了熱處理后焊縫金屬脆化的問題。對(duì)上述實(shí)施例的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表6所示。表6：熔敷金屬擴(kuò)散氫含量由表6可知，本發(fā)明的藥芯焊絲熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量低于5ml/100g，可有效抑制焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)一步保證焊接結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。另外，采用實(shí)施例1～5制備的海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲進(jìn)行斜Y抗裂性試驗(yàn)，焊前預(yù)熱至150℃。經(jīng)檢測(cè)，其表面裂紋率、斷面裂紋率、根部裂紋率均為0％(20℃×72％RH)。綜上所述，本發(fā)明提供的這種海洋工程大厚板熱處理用藥芯焊絲通過合理設(shè)計(jì)其成分配比，最大限度的發(fā)揮各成分的優(yōu)勢(shì)，抗氣孔性能優(yōu)異，焊接速度快，熔敷效率高，且具有較好的焊縫金屬?gòu)?qiáng)度，同時(shí)又能抑制第二類回火脆性的產(chǎn)生，從而達(dá)到了提高低溫沖擊韌性的目的，本發(fā)明可用于海洋工程用屈服強(qiáng)度為390MPa、厚度在20～70mm之間的鋼板的全位置焊接。以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3