海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲及其制得的焊縫金屬的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲及其制得的焊縫金屬，所述埋弧焊絲的化學(xué)成分按質(zhì)量百分數(shù)計為：C0.02～0.09％，Si≤0.30％，Mn0.8～2.0％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr0.30～0.60％，Ni2.0～3.0％，Mo0.30～0.50％，Cu0.05～0.12％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。焊縫金屬為所述高強韌埋弧焊絲在電流600～690A，電壓25～35V，焊接速度5.3～6.8cm/s，焊接熱輸入量25～40kJ/cm條件下配以堿度1.5～2.5的燒結(jié)焊劑制得，焊縫金屬同時具有高抗拉強度和沖擊功，且還能夠免除焊接前預(yù)熱和層間溫度控制等要求，提高了整體的焊接效率。
【專利說明】
海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲及其制得的焊縫金屬
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于焊接材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲及其制得的焊縫金屬?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著結(jié)構(gòu)大型化、安全等級嚴格化，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，且大多應(yīng)用于關(guān)鍵承重部位。高強度和超高強度級別鋼種大多通過調(diào)質(zhì)熱處理工藝生產(chǎn)而成，由于其中加入的合金量較多，抗裂性能普遍不高。
[0003]目前，現(xiàn)有的埋弧焊縫金屬具有抗拉強度彡780MPa或者-40°c沖擊功彡60J的性能，但是無法同時達到兩者的水平。此外，現(xiàn)有埋弧焊縫金屬的生產(chǎn)過程中對預(yù)熱溫度、層間溫度做了嚴格的規(guī)定，如預(yù)熱溫度多100°c，層間溫度控制在100?200°C之間。當(dāng)層間溫度過低易導(dǎo)致焊接冷裂紋，影響接頭質(zhì)量；當(dāng)層間溫度過高會導(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，尤其是海洋平臺的搭建中，很難滿足上述苛刻條件，否則易造成焊接質(zhì)量問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的是提供一種海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲及其制得的焊縫金屬，通過本發(fā)明高強韌埋弧焊絲制得焊縫金屬的抗拉強度780 ?1080MPa，且-40 °C沖擊功彡60 J，-60 °C沖擊功在45 J以上。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的一種海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲， 該埋弧焊絲的化學(xué)成分按質(zhì)量百分數(shù)計為:C0.02?0.09%，Si彡0.30%，Mn0.8?2.0%，P <0.02%，S<0.008%，Cr0.30?0.60%，Ni2.0?3.0%，Mo0.30?0.50%，Cu0.05?0.12%，余莖為Fe及不可避免雜質(zhì)。
[0006]此外，本發(fā)明還提供一種利用上述高強韌埋弧焊絲制得的焊縫金屬，將所述高強韌埋弧焊絲在電流600?690A，電壓25?35V，焊接速度5.3?6.8cm/s，焊接熱輸入量25? 40kJ/cm條件下配以堿度1.5?2.5的燒結(jié)焊劑制得。
[0007]在上述技術(shù)方案中，以質(zhì)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%，Mn0.8?2.0%，P<0.02%，S<0.008%，Cr0.30?0.60%，Ni2.0? 3.0%，M〇0.30?0.50%，Cu0.05?0.12%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述焊縫金屬屈服強度650?800MPa，抗拉強度780? 1080MPa，延伸率彡20%，-40°C沖擊功在60J以上，-60°C沖擊功在45J以上。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0010]其一、由于母材中不含氫，設(shè)計的焊絲中不含有氫，在不進行預(yù)熱的前提下也可以避免焊縫金屬氫致裂紋的產(chǎn)生；另外通過使用Ni元素提高焊縫金屬的抗裂性，從而省去預(yù)熱工序并配以一定比例的Cr元素保持一定的Cr/Ni時，可降低熱裂紋傾向；試用母材為海工鋼，根據(jù)國標(biāo)其碳當(dāng)量小于0.4%，正常厚度范圍內(nèi)的鋼種在碳當(dāng)量低于0.45%時均可不需要預(yù)熱。所以本發(fā)明可免除焊接前預(yù)熱和層間溫度控制等要求，提高了整體的焊接效率，尤其是對于海洋平臺用鋼的施工環(huán)境。
[0011]其二、本發(fā)明的埋弧焊絲主要采用低Si設(shè)計并含有微量此、&、附1〇、〇1金屬，確保了焊縫金屬的強度和低溫沖擊韌性的穩(wěn)定，在較寬的焊接工藝條件下能夠使得焊縫金屬的抗拉強度780?1080MPa，-40 °C沖擊功彡60 J，-60 °C沖擊功彡45 J。[〇〇12]其三、本發(fā)明的埋弧焊絲的生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)工藝上采用轉(zhuǎn)爐或電弧爐將鐵水、 廢鋼、鐵水與廢鋼經(jīng)煉鋼后進行精煉和調(diào)整鋼水成分，然后澆鑄為方坯，再按常規(guī)工藝熱乳成盤條和冷乳拔成焊絲。此外，采用此丄廣附^^⑶合金成分^七學(xué)成分簡單?成本低廉?！靖綀D說明】
[0013]圖1為實施例1的焊縫金屬的透射電鏡下放大20000倍的組織圖。[〇〇14]圖2為實施例1的焊縫金屬的透射電鏡下放大20000倍的組織圖。
[0015]圖3為實施例1的焊縫金屬的掃描電鏡下放大1000倍的斷口組織圖。
[0016]圖4為實施例1的焊縫金屬的掃描電鏡下放大5000倍的斷口組織圖?！揪唧w實施方式】[〇〇17]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0018]本發(fā)明埋弧焊絲及焊縫金屬中的元素添加理由詳述如下:
[0019]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)多0.02%，此外高的C含量對低溫沖擊韌性和焊接性不利。本發(fā)明C 含量控制為〇.02?0.09%。
[0020]S1:—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)致低溫沖擊韌性以及抗裂性能力降低，因此，本發(fā)明Si含量在0.30%以下。
[0021]Mn: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，否則易產(chǎn)生大尺寸的MnS夾雜，給焊絲用盤條的冶煉帶來困難，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含量控制在0.8?2.0%。
[0022]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< 0.02%，優(yōu)選地，P 彡 0.015%。[〇〇23] S:雜質(zhì)元素，含量控制為彡0.008%。
[0024]Cr:可提高鋼的強度和硬度而塑性降低不大。Cr具有很強的耐蝕、耐酸能力。Cr能提高在高溫時的抗氧化能力和機械性能。Cr在合金鋼中易產(chǎn)生碳化物，使合金鋼導(dǎo)熱變差， 容易產(chǎn)生氧化鉻，使焊接造成困難。當(dāng)Cr/Ni含量一定時，可降低熱裂紋傾向。其含量為0.30 ?0.60%
[0025]N1: —方面提高焊縫金屬的抗裂性，從而省去預(yù)熱工序，另一方面提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。當(dāng)其含量多2.0%時，焊縫金屬的抗裂性能顯著提高，從而免去預(yù)熱工序。當(dāng)其含量過高時，則會使得焊縫金屬中未轉(zhuǎn)變奧氏體含量顯著升高，降低焊縫金屬的強度。含量適當(dāng)時，焊縫金屬的低溫沖擊韌性優(yōu)異。因此選取其含量為2.0?3.0%。
[0026] Mo:鉬在合金鋼中提高鋼的強度、硬度，細化晶粒，防止回火脆性和過熱傾向、蠕變強度及持久強度，Mo的含量為0.30?0.50%時可提高塑性，減少裂紋的傾向，提高沖擊韌性。[〇〇27] Cu:可改變焊絲物理特性，降低焊絲熔點，Cu的含量為0.05?0.12 %時有利于焊接的實現(xiàn)，同時提高焊縫金屬的耐候性。[〇〇28] 本發(fā)明在電流600?690A，電壓25?35V，焊接速度5.3?6.8cm/s，焊接熱輸入量25 ?40kJ/cm條件下進行焊接，同時采用堿度1.5?2.5的燒結(jié)焊劑得到的熔敷金屬含氧量低， 能夠獲得較高的沖擊韌性，抗裂性好，且能夠有效除硫降硅，還能避免隨著堿度提高，焊道形狀變得窄而高，容易產(chǎn)生咬邊、夾渣等缺陷。[〇〇29]下面以具體的實例說明本發(fā)明及其具有的優(yōu)點。
[0030]實施例1
[0031]選取直徑4.0mm的埋弧實芯焊絲，其成分為(重量百分比):0.07%的C，0.2%的Si， 1.2%的]^，0.015%?，0.003%的5,0.5%的0,2.8%的附，0.5%的]\1〇,0.1%的(:11，其余為Fe及雜質(zhì)元素。[〇〇32]選取屈服強度為690MPa的高強度鋼作為焊接試板。垂直鋼板乳向切出尺寸為800 X 200 X 60mm的焊接試板。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640?650A，電壓30?32V，焊接速度5.8?6.0cm/s，焊接熱輸入量30?33kJ/cm。燒結(jié)焊劑選用為98%SJ101和2%SJ502。焊接前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X 射線及超聲波對焊接接頭進行探傷，均未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。通過ICP-AES檢測焊縫金屬成分，(以質(zhì)量百分比計)組成為 0.066C，0.2299Si，1.368Mn，0.0123P，0.0031S， 0 ? 4003Cr，2 ? 444Ni，0 ? 3446Mo，0 ? 0716Cu，其余為Fe及雜質(zhì)元素。[〇〇33]本實施例制得的焊縫金屬的透射電鏡下放大20000倍的組織圖如圖1和圖2所示， 掃描電鏡下放大1000倍和5000倍的斷口組織圖分別如圖3和圖4所示。焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度694MPa，拉伸強度803MPa，延伸率20 %，-40°C沖擊功為133，95 和67J，平均值為98.3J，-60 °C沖擊功為80，55和65J，平均值為66.7J。[〇〇34] 實施例2[〇〇35] 選取直徑3.0mm的本發(fā)明埋弧實芯焊絲，其成分為(重量百分比)0.05%的C， 0.15%的51，0.8%的]?11，0.012%的？，0.003%的5,0.35%的0,2.2%的附，0.35%的]\1〇， 0.07 %的Cu，其余為Fe及雜質(zhì)元素。[〇〇36]選取屈服強度為690MPa的高強度鋼作為焊接試板。垂直鋼板乳向切出尺寸為800 X 200 X 60mm的焊接試板。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600?640A，電壓25?31V，焊接速度5.3?5.9cm/s，焊接熱輸入量25?31kJ/cm。燒結(jié)焊劑選用為91%SJ101和9%SJ502。焊接前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X 射線及超聲波對焊接接頭進行探傷，均未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。通過ICP-AES檢測焊縫金屬成分，(以質(zhì)量百分比計)組成為〇.〇44C，0.1124Si，0.955Mn，0.0103P，〈0.003S， 0 ? 3031Cr，2 ? 0008Ni，0 ? 3221Mo，0 ? 0525Cu，其余為Fe及雜質(zhì)元素。
[0037]本實施例制得焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度683MPa，拉伸強度796MPa，延伸率22.1%，-40°(:沖擊功為103，123和781，平均值為101.31，-60°(:沖擊功為 53，58和90 J，平均值為67 J。
[0038]實施例3[〇〇39]選取直徑5.0mm的本發(fā)明埋弧實芯焊絲，其成分為(重量百分比)0.085 %的C，0.28%的 Si，1.8%的 Mn，0.013%的P，0.003%的 S，0.55%的 Cr，2.95%的Ni，0.48%的 Mo， 0.108%的Cu，其余為Fe及雜質(zhì)元素。[〇〇4〇]選取屈服強度為690MPa的高強度鋼作為焊接試板。垂直鋼板乳向切出尺寸為800 X 200 X 60mm的焊接試板。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645?690A，電壓31?35V，焊接速度5.9?6.8cm/s，焊接熱輸入量31?40kJ/cm。燒結(jié)焊劑選用為100%SJ101。焊接前無預(yù)熱，不控制層間溫度，焊后無熱處理。焊后采用X射線及超聲波對焊接接頭進行探傷，均未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。通過ICP-AES檢測焊縫金屬成分， (以質(zhì)量百分比計)組成為〇.〇79(:，0.281451，1.9651111，0.01152?，〈0.0035,0.55010， 2.5335Ni，0.3326Mo，0.1154Cu，其余為Fe及雜質(zhì)元素。[〇〇41]本實施例制得焊縫金屬的力學(xué)性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強度705MPa，拉伸強度883MPa，延伸率21.5 %，-40 °C沖擊功為96，115和86J，平均值為99J，-60 °C沖擊功為62，55 和78 J，平均值為65 J。
【主權(quán)項】
1.一種海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲，其特征在于，該埋弧焊絲的化學(xué)成分 按質(zhì)量百分數(shù)計為:C0.02?0.09%，Si彡0.30%，Mn0.8?2.0%，P彡0.02%，S彡0.008%， (>0.30?0.60%，附2.0?3.0%，]\1〇0.30?0.50%，〇10.05?0.12%，余量為？6及不可避免雜質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述海洋平臺用高強度鋼的高強韌埋弧焊絲，其特征在于:所述P的 質(zhì)量百分數(shù)彡0.015%。3.—種利用權(quán)利要求1所述高強韌埋弧焊絲制得的焊縫金屬，其特征在于:將所述高強 韌埋弧焊絲在電流600?690A，電壓25?35V，焊接速度5.3?6.8cm/s，焊接熱輸入量25? 40kJ/cm條件下配以堿度1.5?2.5的燒結(jié)焊劑制得。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊縫金屬，其特征在于，以質(zhì)量百分比計該焊縫金屬的化學(xué)成 分組成為:C0.02?0.09%，Si彡0.30%，Mn0.8?2.0%，P彡0.02%，S彡0.008%，Cr0.30? 0.60%，Ni2.0?3.0%，M〇0.30?0.50%，Cu0.05?0.12%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊縫金屬，其特征在于:所述P的質(zhì)量百分數(shù)<0.015 %。6.根據(jù)權(quán)利要求3?5任一項所述的焊縫金屬，其特征在于:所述焊縫金屬屈服強度650 ?800MPa，抗拉強度780?1080MPa，延伸率彡20%，-40°C沖擊功在60J以上，-60°C沖擊功在 45J以上。
【文檔編號】B23K9/18GK106001990SQ201610482729
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】萬響亮, 胡丞楊, 王恒輝, 王紅鴻, 李光強, 吳開明
【申請人】武漢科技大學(xué)