钢用气保护焊丝
阅读：568发布：2020-05-11
专利汇可以提供钢用气保护焊丝专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及的是一种 钢 用气保护 焊丝 ，属于 焊接 材料领域。本发明的各个组分占总体材质重量的 质量 百分比表示分别为：C：0.003%-0.04%；Mn：1.5%-3%；Si：0.02%-0.4%；Ni：2%-6%；Mo：1%-3.2%；Ti：0%-0.4%；Cr：0.01%-0.6%；Cu：0.2%-0.4%；Mg：0%-0.1%；S：≤0.01%；P：≤0.02%；余量为Fe。本发明的 焊缝 具有良好的综合性能，特别是具有很高的强度，但是硬度不高，也具有较好的低温韧性。其中硬度较低对抗延迟开裂破坏和在 腐蚀 环境下的抗腐蚀能 力 很有利。，下面是钢用气保护焊丝专利的具体信息内容。
技术领域
本发明涉及的是一种焊接技术领域的焊接材料，特别是一种钢用气保护焊 丝。
背景技术
在现有技术中，随着冶金技术的进步使得冶炼超低碳和高洁净度的钢材成为 可能，微合金化、形变强化理论和材料成分、组织、性能关系研究成果的应用成 功地研制出高均匀度、超细晶粒的、高强高韧性的新一代钢种，该钢种的研制与 开发在日本、韩国、欧盟、中国以及其他国家得到较快发展。但相对而言，焊接 接头的组织与性能是整个结构比较薄弱的环节。因为焊缝金属的洁净度低，组织 粗大，存在组织和化学成分上的不均匀性，而且焊缝金属的强韧性只能通过合金 化和组织控制来实现，随着材料强度级别的增加，要进一步提高焊缝的强度 (700MPa以上)，必然引起焊缝合金化程度的提高，这样的后果容易导致焊缝金 属变脆，而且常用的针状铁素体焊缝金属对冷却速度很敏感，这给接头组织和性 能的调控带来困难。这与母材的优异性能相比，要实现与母材等强韧性是很困难 的，尤其是达到新一代钢铁材料所具有的强度和高韧性配合则更加困难。
经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN1413795的中国专利公开的“超 低碳高强度气体保护焊丝材料”：超低碳高强度气体保护焊丝材料，其适用钢 的强度级别为700-800MPa。焊丝熔敷金属的屈服强度最高达到790MPa，抗拉 强度最高达到840Mpa，抗拉强度尚未达到900MPa。这对于强度超过900MPa的高 强钢，在要求高强匹配的场合该焊丝则不能满足设计要求，比如船舶制造中的焊 接接头强度需要超过母材强度，而需要采用高强钢焊接制造的船舶结构就因此受 到限制。
经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN1413795的中国专利公开的“超 低碳高强度气体保护焊丝材料”：超低碳高强度气体保护焊丝材料，其适用钢 的强度级别为700-800MPa。焊丝熔敷金属的屈服强度最高达到790MPa，抗拉 强度最高达到840Mpa，抗拉强度尚未达到900MPa。这对于强度超过900MPa的高 强钢，在要求高强匹配的场合该焊丝则不能满足设计要求，比如船舶制造中的焊 接接头强度需要超过母材强度，而需要采用高强钢焊接制造的船舶结构就因此受 到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种钢用气保护焊丝。这种 超低碳、高强度气保护焊丝，能满足对焊缝金属高强度的要求，又能保持良好的 低温韧性及低硬度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明各个组分占总体材质的质量百分 比含量分别为：
C：0.003％-0.04％；
Mn：1.5％-3％；
Si：0.02％-0.4％；
Ni：2％-6％；
Mo：1.0％-3.2％；
Ti：0％-0.4％；
Cr：0.01％-0.6％；
Cu：0.2％-0.4％；
Mg：0％-0.1％；
杂质控制在S：≤0.01％，P：≤0.02％；
余量为Fe。
所述的Mg，其优选范围为：0.004％-0.010％，为冶炼时加入。
所述焊丝可以采用钨极氩弧焊或Ar+1％-20％CO2气保护焊，从而保证焊缝金 属具有较高的强度和优良的低温韧性和低的硬度。
本发明的组分设计原理如下：
(1)C含量：尽管C是保证强度的重要元素，但是在高强钢焊缝中C一方 面增加了强度，但是容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，为了防止该缺陷的产生 需要焊前预热、严格控制层间温度和采用焊后热处理，增加了焊接制造成本。基 于以上原因尽量降焊丝中C的含量；
(2)Mn含量：由于C固溶强化的减弱，采用以Mn代C保证焊缝金属的强 度。另外，Mn的增加使过冷奥氏体的更加稳定，促使焊缝金属发生下贝氏体转 变，使下贝氏体的强度与马氏体接近，而韧性和塑性则比马氏体要好；
(3)Si含量：Si在焊缝金属中主要作为脱氧元素，也具有一定的固溶强化 作用，但是Si在超低碳焊缝金属中容易降低韧性，所以设计时在保证足够脱氧 的条件下尽量保持在成分含量的下限；
(4)Ni含量；Ni一方面增强奥氏体的稳定性，保证下贝氏体组织的获得， 另一方面对低温韧性极为有利，而且Ni对强度的提高也有贡献；
(5)Mo含量：考虑到碳的大幅度降低，尽管以Mn代C，但是为了保证足够 的强度，考虑加入适量的Mo保证强度，同时也利用Mo对低温韧性的改善作用；
(6)Ti含量：Ti的加入主要是补充脱氧；
(7)Cu与Cr含量：提高焊缝金属的抗腐蚀能力；
(8)Mg含量：Mg一方面具有强烈的脱氧效果，从而可以弥补Si含量降低 脱氧不足的不利因素，另一方面Mg具有强烈增强晶界强度和净化晶界的作用， 而且Mg在焊缝金属中还有脱S的效果。这对改善焊缝金属的塑性、韧性具有很 大益处。
本发明的加工工艺特点及应用：
在上述设计原理下，选择合适的合金元素与纯铁配比进行真空冶炼，冶炼时 Mn、Ti、Mg依次最后加入，并且在加入时采用惰性气体保护防止蒸发。在合金 元素全部熔化15-30分钟后浇成铸锭，再经过锻、轧制、盘元和拔丝等工艺制 成成品焊丝，焊丝的直径可根据需要拉拔成1.2mm或1.6mm。由于本发明涉及焊 丝设计对象为强度级别超过900MPa，所以很适合用于象高强船用钢材料的焊接。 由于设计中含有Cu、Cr元素，对于船舶结构服役时的抗应力腐蚀性能极为有益； 另外由于含有较多Ni能保证低温韧性；由于C含量较低，和高强韧性超低碳贝 氏体组织的获得，这对焊接施工过程中的焊前预热、层间温度控制和焊后热处理 等工艺的要求不是很严格，可节约时间和成本，同时也减少了焊接返修的费用。
本发明的焊缝具有良好的综合性能，特别是具有很高的强度，但是硬度不高， 也具有较好的低温韧性。其中硬度较低对抗延迟开裂破坏和在腐蚀环境下的抗腐 蚀能力很有利。其综合性能为：σs＝881MPa-892MPa，σb＝900MPa-954MPa， 硬度为260-280Hv，AKv-20℃＝44J，AKv-40℃＝38J-42J。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明各个组分占总体材质的质量百分 比含量分别为：
C：0.003％-0.04％；
Mn：1.5％-3％；
Si：0.02％-0.4％；
Ni：2％-6％；
Mo：1.0％-3.2％；
Ti：0％-0.4％；
Cr：0.01％-0.6％；
Cu：0.2％-0.4％；
Mg：0％-0.1％；
杂质控制在S：≤0.01％，P：≤0.02％；
余量为Fe。
所述的Mg，其优选范围为：0.004％-0.010％，为冶炼时加入。
所述焊丝可以采用钨极氩弧焊或Ar+1％-20％CO2气保护焊，从而保证焊缝金 属具有较高的强度和优良的低温韧性和低的硬度。
本发明的组分设计原理如下：
(1)C含量：尽管C是保证强度的重要元素，但是在高强钢焊缝中C一方 面增加了强度，但是容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，为了防止该缺陷的产生 需要焊前预热、严格控制层间温度和采用焊后热处理，增加了焊接制造成本。基 于以上原因尽量降焊丝中C的含量；
(2)Mn含量：由于C固溶强化的减弱，采用以Mn代C保证焊缝金属的强 度。另外，Mn的增加使过冷奥氏体的更加稳定，促使焊缝金属发生下贝氏体转 变，使下贝氏体的强度与马氏体接近，而韧性和塑性则比马氏体要好；
(3)Si含量：Si在焊缝金属中主要作为脱氧元素，也具有一定的固溶强化 作用，但是Si在超低碳焊缝金属中容易降低韧性，所以设计时在保证足够脱氧 的条件下尽量保持在成分含量的下限；
(4)Ni含量；Ni一方面增强奥氏体的稳定性，保证下贝氏体组织的获得， 另一方面对低温韧性极为有利，而且Ni对强度的提高也有贡献；
(5)Mo含量：考虑到碳的大幅度降低，尽管以Mn代C，但是为了保证足够 的强度，考虑加入适量的Mo保证强度，同时也利用Mo对低温韧性的改善作用；
(6)Ti含量：Ti的加入主要是补充脱氧；
(7)Cu与Cr含量：提高焊缝金属的抗腐蚀能力；
(8)Mg含量：Mg一方面具有强烈的脱氧效果，从而可以弥补Si含量降低 脱氧不足的不利因素，另一方面Mg具有强烈增强晶界强度和净化晶界的作用， 而且Mg在焊缝金属中还有脱S的效果。这对改善焊缝金属的塑性、韧性具有很 大益处。
本发明的加工工艺特点及应用：
在上述设计原理下，选择合适的合金元素与纯铁配比进行真空冶炼，冶炼时 Mn、Ti、Mg依次最后加入，并且在加入时采用惰性气体保护防止蒸发。在合金 元素全部熔化15-30分钟后浇成铸锭，再经过锻、轧制、盘元和拔丝等工艺制 成成品焊丝，焊丝的直径可根据需要拉拔成1.2mm或1.6mm。由于本发明涉及焊 丝设计对象为强度级别超过900MPa，所以很适合用于象高强船用钢材料的焊接。 由于设计中含有Cu、Cr元素，对于船舶结构服役时的抗应力腐蚀性能极为有益； 另外由于含有较多Ni能保证低温韧性；由于C含量较低，和高强韧性超低碳贝 氏体组织的获得，这对焊接施工过程中的焊前预热、层间温度控制和焊后热处理 等工艺的要求不是很严格，可节约时间和成本，同时也减少了焊接返修的费用。
本发明的焊缝具有良好的综合性能，特别是具有很高的强度，但是硬度不高， 也具有较好的低温韧性。其中硬度较低对抗延迟开裂破坏和在腐蚀环境下的抗腐 蚀能力很有利。其综合性能为：σs＝881MPa-892MPa，σb＝900MPa-954MPa， 硬度为260-280Hv，AKv-20℃＝44J，AKv-40℃＝38J-42J。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例1
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C：0.019％
Mn：2.0％
Si：0.33％
Ni：5.60％
Mo：2.5％
Ti：0.011％
Cr：；0.35％
Cu：0.34％
Mg：0.010％
S：0.0089％
P：0.010％
余量为Fe。
本实施例的制造过程为：选用纯铁，以及合适的合金元素配比，进行真空冶 炼，冶炼时不加入C，Mn、Mg依次最后加入，并且在加入时采用惰性气体保护 防止蒸发。在合金元素全部熔化20分钟后浇成铸锭，再经过锻、轧制、盘元和 拔丝等工艺制成成品焊丝，焊丝的直径可根据需要拉拔成1.2mm的焊丝。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属性能见表1。
实施例2
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C： 0.014％
Mn： 2.5％
Si：0.02％
Ni：5.6％
Mo：3.0％
Ti：0.019％
Cr：0.35％
Cu：0.35％
Mg：0.004％
S：0.0095％
P：0.009％
余量为Fe。
本实施例制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属性能见表1。
表1
注：冲击值上划线为单值，下为平均值；硬度为14点平均值，单值见表2
表2熔敷金属硬度(Hv10)
1 2 3 4 5 6 7 实施例1 289 301 254 270 280 271 259 实施例2 268 270 263 260 258 254 260
8 9 10 11 12 13 14 实施例1 268 259 268 271 259 253 261 实施例2 259 298 280 264 294 266 284
实施例3
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C： 0.04％
Mn： 1.5％
Si： 0.16％
Ni： 5.98％
Mo： 3.20％
Ti： 0.40％
Cr： 0.60％
Cu： 0.40％
Mg： 0％
S： 0.0086％
P： 0.009％
余量为Fe。
本实施例冶炼时C取上限加入量，Mn取下限加入量，Ti取上限加入量，不 加入Mg，其他制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+5％CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属的抗拉强度为930MPa，-20℃冲击韧性平均值为 23.3J(23J、23J、24J)，硬度为270(13点平均值)。
实施例4
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C：0.003％
Mn： 3.0％
Si： 0.40％
Ni： 2.0％
Mo： 1.0％
Ti： 0％
Cr： 0.01％
Cu： 0.20％
Mg： 0.10％
S： 0.0085％
P： 0.009％
余量为Fe。
本实施例制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+5％CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属的抗拉强度为915MPa，-20℃冲击韧性值22J，硬 度为280Hv(13点平均值)。
实施例5
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量(质量分数％)，其 中Mg质量百分比含量是0.01％，其他成分、制造过程以及熔敷金属试板焊接及 力学性能试验同实施例4。得到熔敷金属的抗拉强度为925MPa，-20℃冲击韧性 值34J，硬度平均值为274Hv。比实施例4的强度和韧性值高，硬度稍有降低。
实施例6
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量(质量分数％)，其中 Mg质量百分比含量是0.004％，其他成分、制造过程以及熔敷金属试板焊接及力 学性能试验同实施例3。得到熔敷金属的抗拉强度为940MPa，-20℃冲击韧性值 30J，硬度平均值为280Hv。比实施例3的强度和韧性值高，硬度稍有增加。
实施例1
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C：0.019％
Mn：2.0％
Si：0.33％
Ni：5.60％
Mo：2.5％
Ti：0.011％
Cr：；0.35％
Cu：0.34％
Mg：0.010％
S：0.0089％
P：0.010％
余量为Fe。
本实施例的制造过程为：选用纯铁，以及合适的合金元素配比，进行真空冶 炼，冶炼时不加入C，Mn、Mg依次最后加入，并且在加入时采用惰性气体保护 防止蒸发。在合金元素全部熔化20分钟后浇成铸锭，再经过锻、轧制、盘元和 拔丝等工艺制成成品焊丝，焊丝的直径可根据需要拉拔成1.2mm的焊丝。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属性能见表1。
实施例2
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C： 0.014％
Mn： 2.5％
Si：0.02％
Ni：5.6％
Mo：3.0％
Ti：0.019％
Cr：0.35％
Cu：0.35％
Mg：0.004％
S：0.0095％
P：0.009％
余量为Fe。
本实施例制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属性能见表1。
表1
注：冲击值上划线为单值，下为平均值；硬度为14点平均值，单值见表2
表2熔敷金属硬度(Hv10)
1 2 3 4 5 6 7 实施例1 289 301 254 270 280 271 259 实施例2 268 270 263 260 258 254 260
8 9 10 11 12 13 14 实施例1 268 259 268 271 259 253 261 实施例2 259 298 280 264 294 266 284
实施例3
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C： 0.04％
Mn： 1.5％
Si： 0.16％
Ni： 5.98％
Mo： 3.20％
Ti： 0.40％
Cr： 0.60％
Cu： 0.40％
Mg： 0％
S： 0.0086％
P： 0.009％
余量为Fe。
本实施例冶炼时C取上限加入量，Mn取下限加入量，Ti取上限加入量，不 加入Mg，其他制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+5％CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属的抗拉强度为930MPa，-20℃冲击韧性平均值为 23.3J(23J、23J、24J)，硬度为270(13点平均值)。
实施例4
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量为(质量分数％)：
C：0.003％
Mn： 3.0％
Si： 0.40％
Ni： 2.0％
Mo： 1.0％
Ti： 0％
Cr： 0.01％
Cu： 0.20％
Mg： 0.10％
S： 0.0085％
P： 0.009％
余量为Fe。
本实施例制造过程同实施例1。
本实施例焊丝熔敷金属试板焊接及力学性能试验均按照GB8110-87/95—— 二氧化碳气保护焊用钢焊丝标准进行，试板为Q345钢，尺寸450mm×150mm×20mm， 坡口角度45°，隔离层厚度＞3mm，焊接电压：27-31V，焊接电流：260-290A， 焊接速度：5.5mm/s，层间温度：150℃，保护气体Ar+5％CO2混合气体，流量： 20-25L/min。焊接后熔敷金属的抗拉强度为915MPa，-20℃冲击韧性值22J，硬 度为280Hv(13点平均值)。
实施例5
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量(质量分数％)，其 中Mg质量百分比含量是0.01％，其他成分、制造过程以及熔敷金属试板焊接及 力学性能试验同实施例4。得到熔敷金属的抗拉强度为925MPa，-20℃冲击韧性 值34J，硬度平均值为274Hv。比实施例4的强度和韧性值高，硬度稍有降低。
实施例6
本实施例的钢用气保护焊丝，其熔敷金属化学成分及含量(质量分数％)，其中 Mg质量百分比含量是0.004％，其他成分、制造过程以及熔敷金属试板焊接及力 学性能试验同实施例3。得到熔敷金属的抗拉强度为940MPa，-20℃冲击韧性值 30J，硬度平均值为280Hv。比实施例3的强度和韧性值高，硬度稍有增加。
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