一種超高強鋼用氣保焊絲及焊縫金屬的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接材料技術領域，涉及一種超高強鋼用氣保焊絲及焊縫金屬，特別是涉及一種100MPa高強鋼用氣體保護焊用實芯焊絲及焊縫金屬。
【背景技術】
[0002]近年來，工程機械用泵車和吊臂、水電工程用壓力水管、以及煤礦機械用液壓支架等紛紛采用了抗拉強度800?100MPa的高強度鋼材，以提高結構部件的承載力和綜合性能。一般情況下，該類鋼板通常需要滿足-20°C沖擊功大于47J的要求。該類鋼板通常采用控軋控冷+熱處理的生產工藝，微觀組織以回火馬氏體為主；為確保力學性能和焊接性能，則采用低碳和低合金的設計原則，以降低焊前預熱溫度。
[0003]該類超高強度鋼板在工業(yè)應用中離不開焊接裝配，但國內尚無專門的匹配焊接材料。CN101244495A和CN101987403A中提到的焊絲均不能滿足100MPa的技術要求。CN102626836A公開了高Cr高Ni惰性氣體保護焊接用焊絲及焊縫金屬，并使得接頭強度在100MPa以上，但也存在兩個缺點:一是焊絲合金成本高；二是采用惰性氣體保護焊接導致焊接工藝成本高，給工業(yè)應用帶來困難。截至目前，未見能夠適應100MPa級別鋼板焊接的以惰性氣體為主的混合氣體保護焊接專用焊絲和工藝。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種超高強鋼用氣保焊絲及焊縫金屬，以適應100MPa級別鋼板的焊接。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0006]一方面，一種超高強鋼用氣保焊絲，以重量百分比為計焊絲的化學成分為:C
0.03 ?0.10，Si 0.25 ?0.45，Mn 1.60 ?1.90，S 彡 0.01，P 彡 0.01，Ni 2.80 ?5.20，Cr0.50 ?2.50，Mo 0.3 ?0.8，Nb 0.02 ?0.15，Ti 0.05 ?0.2，Zr 0.01 ?0.20，余量為
Fe及雜質元素。
[0007]進一步，氣保焊絲的保護氣氛選用容積組成為95%或以上比例的惰性氣體的混合氣體，焊接熱輸入量5?18kJ/cm。
[0008]另一方面，以惰性氣體為主的混合氣體保護焊，焊接熱輸入量在5?18kJ/cm之間，制得的焊縫金屬以重量百分比為計的化學成分為:c 0.03?0.10，S1.25?0.45，Mn
1.60 ?1.90，S 彡 0.01，P 彡 0.01，Ni 2.80 ?4.80，Cr 0.50 ?2.50，Mo 0.3 ?0.8，Nb0.02 ?0.15，Ti 0.05 ?0.2，Zr 0.01 ?0.20，O 0.010 ?0.045，余量為 Fe 及雜質元素，Ceq 0.55 ?0.75，Ceq = C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4。
[0009]進一步，焊縫金屬中含鈦或鋯的氧化物粒子的體積密度多250/mm2，其中尺寸在0.2?2 μ m之間的體積密度^ 200/mm2。
[0010]更進一步，焊縫金屬的屈服強度彡850MPa，抗拉強度彡100MPa, _20°C沖擊功彡 47J。
[0011]本發(fā)明中焊絲的各元素作用和含量限定如下:
[0012]C:添加合適含量的C是保證焊縫強度的重要因素，因此C含量不宜過低，但過高的C含量會惡化焊接性，增加冷裂傾向，所以C含量也不宜過高。當其含量多0.1%時，會顯著增加冷裂紋敏感性，同時也會惡化焊縫金屬中馬氏體的韌性，從而影響整個焊接接頭的沖擊韌性；但當其含量< 0.03%時，對焊縫金屬的強度貢獻較少，會提高需加入鋼中合金元素的含量。因此，優(yōu)選其成分為0.03?0.10%。
[0013]S1:為確保焊接過程中的冶金脫氧過程順利進行，焊絲中的添加量需多0.25%,否則會影響焊接接頭質量；另一方面，也會通過固溶強化提高焊縫金屬的強度。當其含量^ 0.45%時，會顯著促進魏氏體組織和側板條鐵素體的生成，從而惡化焊縫金屬的沖擊韌性。因此，優(yōu)選其成分為0.25?0.45%。
[0014]Mn:在焊縫中是有效的強度增加元素和脫氧元素，有利于細化焊縫組織。但過高的Mn含量會使焊縫韌性降低，并增加焊縫的裂紋敏感性，因此優(yōu)選Mn含量為1.60?1.90%。
[0015]N1:是本發(fā)明中的重要元素，一方面是利用其韌化鐵素體基體的原理來提高焊縫金屬的沖擊韌性，另一方面利用其高淬透性來提高焊縫金屬的強度，從而達到同時提高強度和韌性的目的。當其含量< 2.5%時，其提高焊縫金屬基體的韌性的作用不明顯；當其含量多5.5%時，將會導致焊縫金屬的淬透性過強，導致強度過高、韌性下降，同時過高的鎳含量將會導致熔煉難度增加，進一步增加成本。在綜合考慮C、Mn、Cr元素的基礎上，優(yōu)選其成分為2.8?5.2%。
[0016]Cr:一方面利用其高淬透性來提高焊縫金屬的強度。另一方面通過與Ni搭配來綜合考慮其對焊縫金屬的凝固組織、熱裂紋敏感性和平衡組織的影響。在本發(fā)明中，為確保焊縫金屬在焊后凝固過程中避免S鐵素體的生成，從而惡化焊縫金屬的韌性，其含量需滿足:Cr ( 0.6Ν?+1.2。
[0017]在綜合考慮C，Mn和Ni元素的基礎上，優(yōu)選其成分0.5?2.5%。
[0018]Mo:是有效促進焊縫金屬針狀鐵素體形成的元素之一，在通過細化焊縫金屬微觀組織的同時，提高了焊縫金屬的強度和低溫沖擊韌性。因此控制其含量為0.3?0.8%。
[0019]Nb:本發(fā)明中的重要元素之一，一般用于低合金高強鋼的生產中，在焊絲中少見添加。在氣保焊絲添加少量的Nb，可通過細化焊縫金屬微觀組織來有效提高焊縫金屬的強度，添加0.02%的Nb可提高焊縫金屬強度30?40MPa，從而可取代部分貴重合金元素。當其含量超過0.15%，會大幅度增加Nb (C，N)等碳氮化物的生成，從而失去組織細化作用，同時也會惡化韌性。因此優(yōu)選其含量為0.02?0.15%。
[0020]T1:是本發(fā)明中的重要元素之一，該元素是強脫氧劑、脫氮劑，適量Ti的加入能在焊縫中形成細小難溶且彌散分布的化合物(T1，TiN)質點，促進針狀鐵素體形核，細化焊縫組織，有效增加焊縫的強度及韌性。
[0021]Zr:作用與Ti類似，是強脫氧劑、脫氮劑。適量Zr的加入能在焊縫中形成細小難溶且彌散分布的氧化物粒子，促進針狀鐵素體形核，細化焊縫組織，有效增加焊縫的強度及韌性。
[0022]Ti和Zr復合添加效益優(yōu)于單一添加，一是形成的氧化物粒子體積含量會增加，二是粒子的尺寸會降低、且易均勻分布、不容易聚集長大。這些呈致密分布、小尺寸的高熔點粒子的存在，一方面促進了母管焊縫中針狀鐵素體生成、另一方面也抑制了側板條鐵素體和晶界鐵素體的生成。上述兩方面共同作用，確保了焊縫金屬中細化組織的生成、有利于低溫韌性。
[0023]此外TiN的析出還減少了焊縫金屬中的自由氮含量，降低了其對低溫韌性的不利影響，但過高的Ti含量會導致焊縫韌性惡化。
[0024]因此優(yōu)選Ti含量為0.05?0.20%，優(yōu)選Zr含量為0.01?0.20%。
[0025]S，P:對焊縫的低溫韌性不利，作為雜質元素其含量應控制在合理范圍，本發(fā)明中，控制其含量S彡0.01%，P彡0.01%。
[0026]O:本發(fā)明中焊縫金屬中的氧含量在0.008?0.070%之間，這取決于保護氣體的種類和比例。焊縫金屬的低溫韌性隨氧含量增加而降低，尤其是當其含量大于0.04%時。因此應控制其含量< 0.04%。當同時也要考慮Ti和Zr的氧化物粒子對于焊縫金屬組織細化作用的發(fā)揮，當氧含量<0.01%時，生成的粒子數(shù)量嚴重不足。因此，優(yōu)選焊縫金屬中氧含量在0.01?0.04%之間。
[0027]當Ti，Zr和O含量滿足上述要求時，焊縫金屬中含鈦或鋯的氧化物粒子的體積密度彡250/mm2，其中尺寸在0.2?2 μπι之間的體積密度彡200/mm2。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果:
[0029]1.本發(fā)明采用低成本的NiCrNb合金設計，克服了 100MPa級別焊縫金屬高Ni高Cr合金設計帶來的成本過高、不利于應用的缺點，另一方面通過TiZr復合添加的氧化物粒子控制技術克服了傳統(tǒng)MnMoCrNi合金設計所帶來的_20°C低溫沖擊韌性不足的問題。
[0030]2.本發(fā)明基于T1、Zr和O的氧化物粒子控制技術，制得的焊縫金屬中含鈦或鋯的氧化物粒子的體積密度彡250