高强度高韧性高耐候气保焊焊丝.pdf

本发明涉及高强度高韧性高耐候气保焊焊丝。其解决目前在高强度高韧性高耐候钢种进行焊接的焊接材料缺乏匹配性，尤其耐大气腐蚀性能差的问题。其技术措施：其在于组成的化学成分(重量％)为：C：0.04～0.12，Si：0.40～0.80，Mn：1.40～2.0，P≤0.020，S≤0.015，Ni：0.40～1.0，Cr：0.20～0.50，Ti：0.06～0.20，Cu：0.30～0.50，B：0.002～0.0079，Als≤0.02，余量为Fe及其它不可避免的夹杂。该焊丝采用混合气体(80％Ar+20％CO2)作为保护气体进行焊接。其焊接接头具有优良的耐大气腐蚀性能及机械性能，焊缝抗拉强度达735MPa，焊缝冲击功Akv(－40℃)达到182 J，Akv(－60℃)冲击功达到173 J。特别适用于铁路桥梁、管线等重要构件的气体保护焊接。

1、  高强度高韧性高耐候气保焊焊丝，其特征在于组成该焊丝的化学成分(重量％)为：C：0.04～0.12，Si：0.40～0.80，Mn：1.40～2.0，P≤0.020，S≤0.015，Ni：0.40～1.0，Cr：0.20～0.50，Ti：0.06～0.20，Cu：0.30～0.50，B：0.002～0.0079，Als≤0.02，余量为Fe和其它不可避免的夹杂。

高强度高韧性高耐候气保焊焊丝
一、技术领域
本发明涉及一种金属材料焊接用的气体保护焊丝材料，尤其适用于焊接高强度高韧性且具有高耐候性能要求的钢种的气体保护焊焊丝。
二、背景技术
随着我国国民经济的高速发展，铁路运输行业已进入高速发展时期。近年来，我国铁路先后进行了五次大面积提速，初步形成了“四纵两横”的提速网络。为满足铁路提速减重以及跨海大桥、军工舰船、石油管线等要求其钢种高耐候、高强度、高韧性并要求强度级别达到500-700MPa的需求，故对焊接接头的性能也提出了更高的要求，焊接接头必须具有与基材相当的强韧性及耐候性能，强度级别也要达到500-700MPa。相应的焊接材料也必须同时满足这种要求，并且还要经济性。但目前市场尚无能满足需求的相应气保护焊丝品种。现行的国家标准中没有耐候钢气体保护焊丝，原铁道部部标TB/T2374-1999的技术要求WER44-8I、WER44-8II两种耐候气保护焊丝强度级别为440Mpa，远不能需足铁路提速减重高级别新钢种的发展需求。公开号为CN1413795A专利申请，其主要使为了实现施焊后焊缝处金属冷裂纹的敏感性小、焊缝处金属与母材性能结果相近的目的。但未能解决高级别耐候系列结构钢种的相匹配的焊接材料耐大气腐蚀的问题。
三、发明内容
本发明的目的在于提供焊接性能稳定，飞溅小，无气孔、焊缝处金属与高级别耐候系列结构钢种性能相匹配的高强度高韧性高耐候气体保护焊丝。
实现上述目的技术内容：
高强度高韧性高耐候气保焊焊丝，其特征在于组成该焊丝的化学成分(重量％)为：C：0.04～0.12，Si：0.40～0.80，Mn：1.40～2.0，P≤0.020，S≤0.015，Ni：0.40～1.0，Cr：0.20～0.50，Ti：0.06～0.20，Cu：0.30～0.50，B：0.002～0.0079，Als≤0.02，余量为Fe和其它不可避免的夹杂。
本发明的实施是通过混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护进行焊接。
焊丝中加入合适的Ti、B、Ni、Cr、Cu等微量合金元素，以促使在焊缝金属中产生大量高密度位错的细针状铁素体组织。其具体作用：
金属元素Ti、B：在焊缝中联合加入Ti、B，可限制先共析铁素体的转变，而扩大针状铁素体转变的区域，从而在焊缝中可稳定获得大量的针状铁素体。还有利于抑制焊缝中奥氏体晶粒长大，推迟奥氏体到铁素体的转变温度，促使焊缝金属晶内针状铁素体的形成，细化二次晶粒。焊丝中加入Ti可以细化焊缝金属组织。Ti与N具有极高的亲和力，Ti与N结合成TiN质点，作为晶核，促使焊缝中针状铁素体的形成。
固溶的B在奥氏体晶界聚集降低晶界能量，能控制先共析铁素体的析出，B还能推迟奥氏体→铁素体相转变温度，有利于晶粒内针状铁素体的形成。
金属元素Si、Mn：在焊丝中加入Si、Mn，以使其在过渡到焊缝中时，通过脱氧反应形成氧化物夹杂或氧硫复合物夹杂。还有一部分夹杂物是Ti脱氮形成的氮化物。这些夹杂物可作为针状铁素体的形核质点。形核质点的数量直接决定针状铁素体针片的大小。Si控制在0.40-0.80％，在焊接时起脱氧作用与强化焊缝作用。Mn控制在1.40-2.0％，Mn是焊缝强韧化的有效元素，在焊缝中有利于脱氧，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。
金属C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu诸元素，可以提高焊缝金属的淬透性，抑制先共析铁素体的产生，促进针状铁素体的形成。焊丝中C控制在0.04-0.12％，C元素含量对焊缝的强韧性及其组织组成有较大的影响。当C含量较低时，焊缝强度较低，焊缝金属中铁素体比例较高。当C含量较高时，焊缝韧性下降，焊缝中珠光体比例增加。因此C含量过高或过低均会影响焊缝中针状铁素体含量。
焊丝中Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。Ni控制在0.40-1.0％。Ni含量太高时，不仅导致焊丝强度及硬度过高、使焊缝与母材成分差别加大，也使焊丝成本增加。
适量的Cu、Cr对焊缝有强化作用，以增加焊缝的耐大气腐蚀性能。Cu含量小于0.5％时，以固溶强化方式提高焊缝强度，并降低针状铁素体起始转变温度，提高针状铁素体含量；当Cu含量大于0.5％时，以析出方式强化焊缝，但对焊缝韧性不利。因此将焊丝中Cu含量控制在0.20～0.50％。焊缝中含一定的Cr元素有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝强韧性。Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。
Als元素有利于在焊缝中脱氧，为了提高焊缝金属的韧性，但含量应控制在小于0.01％较低范围内为好。
S、P、元素为有害元素，故将其含量控制在较低范围内，以提高焊缝纯净度和焊接性能及进一步提高焊缝耐候性能。
本发明气体保护焊丝材料的制备方法与现有技术制备方法相同。
本发明气体保护焊丝具有如下优点：
1、本焊丝钢冶炼工艺稳定易于实现，钢坯的轧制及焊丝拉拨、镀铜等性能优良，满足铁路提速减重以及跨海大桥、军工舰船、石油管线等要求其钢种高耐候、高强度、高韧性系列钢种的焊接技术要求。
2、本发明焊丝用于500-700MPa强度级别钢种的焊接，焊丝具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定，飞溅小，无气孔、成型美观，适应于全位置焊接，焊缝具有与基材相当高的强韧性匹配性能和优良的耐大气腐蚀性能。
四、具体实施方案
下面用实施例进一步详述本发明：
实施例1：利用0.5吨电炉冶炼该焊丝，经轧制和拉拨成焊丝，焊丝直径1.2mm，表面镀铜。其组成的化学成分(重量％)为：C：0.06，Si：0.49，Mn：1.81，S：0.005，P：0.010，Ni：0.62，Cr：0.26，Ti：0.11，B：0.006，Cu：0.26，Als：0.009，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。采用富氩混合气体(80％Ar+20％CO₂)作为保护气体进行焊接试验，焊接电流为250～260A，焊接电压为28V，焊接速度为275mm/min。层间温度≤150℃。焊缝金属屈服强度ReL＝665MPa，抗拉强度Rm＝735MPa，延伸率A＝20％，断面收缩率Z＝68％。熔敷金属平均冲击功Akv(-20℃)＝204J，Akv(-30℃)＝182J，Akv(-40℃)＝180J，Akv(-60℃)＝173J，具有优良低温冲击韧性。
实施例2：利用0.5吨电炉冶炼该焊丝，经轧制和拉拨成焊丝，焊丝直径1.2mm，表面镀铜。其组成的化学成分(重量％)为：C：0.07，Si：0.60，Mn：1.60，S：0.006，P：0.012，Ni：0.70，Cr：0.33，Ti：0.14，B：0.005，Cu：0.35，Als：0.005，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。焊丝采用80％Ar+20％CO₂作为保护气体，焊接12mm厚铁路机车提速耐候钢W400QN，其钢的化学成分(按重量％)主要含有C：0.07，Si：0.39，Mn：0.35，Cu：0.30，Cr：0.42，Ni：0.30，P：0.009，S：0.006。机械性能ReL＝410MPa，Rm＝535MPa.冲击功Akv(-40℃)＝79J。焊接工艺为Y型坡口，坡口钝边为1mm，坡口角度为60°，焊接工艺参数为焊接电流260～270A，焊接电压～27V，焊速29cm/min。焊缝拉伸试验断在基材，正反弯d＝3a，120°合格，焊接接头的抗拉强度、冷弯性能优良。焊缝冲击功Akv(-20℃)＝89J，Akv(-60℃)＝68J，Akv(-70℃)＝61J。纵向对接试板熔合线、热影响区冲击功达到较高水平。焊缝组织主要为先共析铁素体+晶内针状铁素体，过热区组织为贝氏体组织。焊缝三区具有较高的低温冲击韧性，接头具有优良的焊接工艺性能及优良低温性能。全焊缝接头腐蚀性能试验，共采用了2件试样进行接头电化学腐蚀测试。试验条件与试验结果：焊接接头试样进行磨光，经3％硝酸酒精浸蚀，使肉眼可清晰分辨基材-热影响区(HAZ)-焊缝。各区以甘汞电极作参比，在室温下，采用微区电化学技术。在3％NaCl溶液中，稳定2分钟时测得各区腐蚀电位。基材电化学腐蚀试验焊接接头各区电位：基材：负530毫伏，热影响区HAZ：负525毫伏，焊缝：负531毫伏。焊接接头各区电位差异均不大，说明本发明焊丝与焊接高耐候性能W400QN钢种匹配接头具有优良的耐腐蚀性能。焊缝综合性能满足新一代提速机车焊接匹配技术条件。
实施例3：利用0.5吨电炉冶炼该焊丝，经轧制和拉拨成焊丝，焊丝直径1.2mm，表面镀铜。其组成的化学成分(重量％)为：C：0.10，Si：0.70，Mn：1.53，S：0.006，P：0.007，Ni：0.95，Cr：0.40，Ti：0.17，B：0.007，Cu：0.40，Als：0.005，其余为Fe和其它不可避免的夹杂。焊丝采用富氩混合气体(80％Ar+20％CO₂)作为保护气体，其焊接A710的板厚为12mm，其A710钢种的主要化学成分(重量％)C：≤0.07，Si：≤0.40，Mn：≤0.70，Cu：1.0-1.30，Cr：0.6-0.90，Ni：0.70-1.0，P：≤0.020，S：≤0.010。机械性能ReL＝590MPa，Rm＝685Mpa，Akv(-40℃)＝260J，Akv(-80℃)＝180J。焊接工艺为Y型坡口。坡口钝边为1mm，坡口角度为60°，焊接工艺参数为焊接电流240～260A，焊接电压～27V，焊速29cm/min。焊接接头拉伸试验断在基材，正反弯d＝3a，180°合格，焊接接头地抗拉强度、冷弯性能优良。焊缝冲击功Akv(-60℃)＝105J，Akv(-80℃)＝103J。纵向对接试板熔合线Akv(-60℃)＝96J、Akv(-80℃)＝89J，热影响区冲击功Akv(-60℃)＝197J，Akv(-80℃)＝181J。焊缝组织主要为先共析铁素体+晶内针状铁素体，过热区组织为贝氏体组织。焊缝三区具有较高的低温冲击韧性，接头具有优良的焊接工艺性能及优良低温性能。全焊缝接头腐蚀性能试验，共采用了2件试样进行接头电化学腐蚀测试。试验条件与试验结果：焊接接头试样进行磨光，经3％硝酸酒精浸蚀，使肉眼可清晰分辨基材-热影响区HAZ-焊缝。各区以甘汞电极作参比，在室温下，采用微区电化学技术。在3％NaCl溶液中，稳定2分钟时测得各区腐蚀电位。基材电化学腐蚀试验焊接接头各区电位：基材：负545毫伏，热影响区HAZ：负535毫伏，焊缝：负533毫伏。焊接接头各区电位差异均不大，说明本发明焊丝与A710钢匹配接头具有优良的耐腐蚀性能。焊缝综合性能满足A710钢焊接匹配技术条件。