一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲及其使用方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué)成分組成：C：0.10～0.12％，Si：0.40～0.50％，Mn：0.60～0.70％，S≤0.010％，P≤0.015％，Cr：1.2～1.5％，Mo：0.50～0.6％，Ni≤0.02％，Cu≤0.03％，Al：0.030～0.080％，Sb≤0.0040％，Sn≤0.0050％，As≤0.0050％，余量為Fe。本發(fā)明采用低S、P、Sb、Sn、As含量的焊絲獲得低雜質(zhì)含量的焊縫金屬，調(diào)整Si、Mn的含量及其比例不僅起到了良好的脫氧效果，而且有利于焊縫組織均勻；通過添加Al元素起到強(qiáng)脫氧的效果，同時又能細(xì)化晶粒，顯著改善焊縫金屬的低溫沖擊韌性；該氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，焊接電弧穩(wěn)定、焊接煙塵和飛濺小、焊縫成形美觀。
【專利說明】
一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲及其使用方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于焊接材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲及其使 用方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 1~1.25%Cr-0.5%M〇低合金耐熱鋼在火力發(fā)電、石油化工以及原子能等行業(yè)應(yīng) 用廣泛，如石油精煉的脫硫反應(yīng)器、裂解加氫反應(yīng)器、熱交換器等壓力容器中通常都會使用 Cr-Mo耐熱鋼。Cr-Mo耐熱鋼制造的設(shè)備在高溫下長時間運(yùn)行后，會發(fā)生回火脆化而導(dǎo)致材 料韌性下降，這要求設(shè)備制造所使用的母材、焊縫金屬等都具有更加充足的韌性余量。此 外，國際上對于安裝及運(yùn)行在寒冷地帶的壓力容器等設(shè)備甚至提出了-30°C苛刻條件下的 低溫韌性要求，市場上普通的Cr-Mo耐熱鋼焊接材料已無法滿足上述使用要求。
[0003] 因此，為了提高Cr-Mo耐熱鋼材料的韌性特別是低溫韌性，改善Cr-Mo鋼焊接材料 的回火脆化問題，需要降低51、513) 8等雜質(zhì)元素。但是，上述苛刻的低溫韌性要求僅靠控 制雜質(zhì)元素含量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須采取與低溫用焊接材料相同的技術(shù)手段，細(xì)化焊縫金屬 微觀組織才能進(jìn)一步改善其沖擊韌性。
[0004] 目前，有關(guān)耐熱鋼實(shí)心焊絲的專利如下：
[0005] (1)高強(qiáng)耐熱鋼氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲(CN103056548A)，此專利公開的實(shí)芯焊絲適用 于131111附11(^、0650、15111^〇￥等〇-附^〇高強(qiáng)度鋼的焊接，采用添加11元素的方法細(xì)化焊縫 晶粒，改善焊縫金屬的沖擊韌性，加上焊絲中含有一定的Ni元素，對焊縫金屬的韌性有利， 所得熔敷金屬室溫沖擊韌性大于60J。雖然此焊絲具有較高的強(qiáng)度以及室溫沖擊韌性，但已 無法滿足具有-3 0 °C低溫韌性要求的苛刻條件下使用；另外，國家標(biāo)準(zhǔn)對1~1.2 5 % C r -0.5%Mo低合金耐熱鋼焊接材料中Ni元素的含量有嚴(yán)格規(guī)定(Ni < 0.30% )，因而此專利公 開的實(shí)芯焊絲已不適合用于1~1.25%Cr-0.5%Mo低合金耐熱鋼的焊接。
[0006] (2)含有鉻鉬釩合金的耐磨堆焊實(shí)芯焊絲(CN102000926A)，此專利公開了一種含 有鉻鉬釩合金的堆焊實(shí)芯焊絲，其Cr含量高達(dá)14~16 %，為高合金焊絲，而且此實(shí)芯焊絲旨 在獲得較高的表面硬度和耐磨性能，與具有沖擊韌性要求的焊接用實(shí)心焊絲大相徑庭。
[0007] (3)耐熱鋼氣體保護(hù)焊絲(CN101362262A)，此專利公開的耐熱鋼氣體保護(hù)焊絲適 用于80%Ar+20%C〇2混合氣體保護(hù)焊以及12CrlMoV等550MPa級鉻鉬耐熱鋼的焊接;然而此 混合氣體含有大量的C0 2氣體，保護(hù)氣的氧化性強(qiáng)，易導(dǎo)致焊縫金屬含氧量高，最終增加焊 縫金屬中生成C0氣孔和降低焊縫金屬沖擊韌性的傾向，因而該氣體保護(hù)焊絲并不適用于關(guān) 鍵承力部位或?qū)_擊韌性要求高的條件。
[0008] 綜上所述，目前公開的耐熱鋼實(shí)心焊絲大部分只涉及室溫沖擊韌性，或通過控制 S、P等雜質(zhì)元素改善焊縫金屬沖擊韌性，或添加 Ni等奧氏體化元素焊縫金屬提高塑性和韌 性，未涉及到低溫沖擊韌性，亦不能兼顧化學(xué)成分與力學(xué)性能、特別是低溫沖擊韌性；因此， 這些焊接材料已不能滿足苛刻條件下如要求低溫沖擊韌性時的使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有耐熱鋼氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲低溫沖擊韌性差的問題。
[0010] 為此，本發(fā)明提供了一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué) 成分組成：(：：0.10~0.12%，51 :0.40~0.50%，]\111:0.60~0.70%，5<0.010%，？< 0.015%，Cr:1.2~1.5%，M〇:0.5~0.6%，Ni <0.02%，Cu<0.03%，A1:0.030~0.080%， Sb《0.0040%，Sn< 0.0050%，As< 0.0050%，余量為Fe。
[0011 ] 進(jìn)一步地，上述實(shí)心焊絲焊縫金屬中Si+Mn < 1 ? 20%，且Mn: Si >2:1。
[0012]優(yōu)選實(shí)施方式，該氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué)成分組 成：C:0.11%，Si:0.50%，Mn:0.70%，S:0.010%，P:0.015%，Cr:1.3%，M〇:0.6%，Ni: 0.02%，Cu:0.03%，A1:0.030%，Sb:0.0040%，Sn:0.0030%，As:0.0050%，余量為Fe。 [0013]優(yōu)選實(shí)施方式，該氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué)成分組 成：C:0.12%，Si:0.40%，Mn:0.60%，S:0.008%，P:0.011%，Cr:1.5%，M〇:0.5%，Ni: 0.018%，Cu:0.025%，A1:0.080%，Sb:0.002%，Sn:0.0050%，As:0.0025%，余量為Fe。 [0014]優(yōu)選實(shí)施方式，該氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué)成分組 成：C:0.10%，Si:0.45%，Mn:0.68%，S:0.007%，P:0.012%，Cr:1.2%，M〇:0.53%，Ni: 0.015%，Cu:0.017%，A1:0.060%，Sb:0.0035%，Sn:0.0045%，As:0.004%，余量為Fe。 [00 15]本發(fā)明還提供了上述氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的使用方法，采用98%Ar+2%02活性 氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接;采用98%Ar+2%0 2活性氣體進(jìn)行保護(hù)既可以提高焊接效率，又 可以避免焊縫增碳，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
[0016]本發(fā)明提供的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲用于1~1.25 % Cr-0.5 %Mo低合金耐熱 鋼的氣體保護(hù)焊接。
[0017] 本發(fā)明氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的化學(xué)成分設(shè)計(jì)原理如下：
[0018] C元素增加金屬強(qiáng)度、硬度，提高淬火性，為低合金耐熱鋼提高強(qiáng)度所必須的元素； 此外，C元素與Mn、Ni、Cu、Co等元素能穩(wěn)定奧氏體組織，降低Ac^，屬于一種奧氏體化元素； 因此，在1~1.25%Cr-0.5%Mo低合金耐熱鋼中C元素的含量通常在0.05%以上，當(dāng)C元素含 量太高時，則顯著增加金屬的強(qiáng)度，降低其塑性與韌性，本發(fā)明中將焊絲中C元素的含量控 制在0.10%~0.12%范圍內(nèi)。
[0019] 焊絲中的Si主要起脫氧作用，過渡到焊縫金屬中的Si元素為鐵素體化元素，因此 在低合金耐熱鋼中不超過0.5%，增加 Si含量可以改善熔化金屬的流動性，對利于焊縫成形 平滑美觀，而增加 Si元素的含量則會導(dǎo)致焊縫金屬性形成粗大的鐵素體晶粒和板條狀針狀 鐵素體，這不利于阻止裂紋傳播，沖擊韌性較低，因此，本發(fā)明中控制Si元素的含量在0.40 ~0.50%范圍內(nèi)。
[0020] Mn作為脫氧劑和合金劑，具有脫硫作用;Mn為奧氏體化元素，可提高鐵素體與奧氏 體的硬度與強(qiáng)度，使塑性略有降低；當(dāng)Mn含量較高時，會使晶粒粗化并增加低合金鋼的回火 脆性，低合金耐熱鋼中Mn與Si的含量及其比例對力學(xué)性能至關(guān)重要，本發(fā)明中控制Mn含量 為0.60~0.70%。而調(diào)整Si、Mn的含量及其比例不僅起到了良好的脫氧效果，而且有利于焊 縫組織均勻，優(yōu)選的，該實(shí)心焊絲熔敷金屬中Si +Mn總含量控制在1.20 %以下，Mn/Si大于 2.0〇
[0021] S和P兩種元素為低合金耐熱鋼中的雜質(zhì)元素，S通常以化合物形式存在于金屬中， 如FeS與Fe形成共晶的溫度為985°C，增加材料的熱裂傾向；P通常以固溶形式存在于鋼中， 顯著增加鋼材的脆性和裂紋敏感性;本發(fā)明中SS0.010%，PS0.015%。
[0022] Cr為合金元素，隨著Cr含量的增加，低合金耐熱鋼的高溫性能提升，但Cr含量太高 導(dǎo)致回火脆性，一般按照國家標(biāo)準(zhǔn)控制Cr元素的含量，本發(fā)明中控制Cr含量在1.20~ 1.50%范圍內(nèi)。
[0023] Mo為合金元素，熱強(qiáng)性元素，可顯著提高Cr-Mo低合金耐熱鋼的高溫性能;此外，Mo 元素為碳化物形成元素，可提高鋼的強(qiáng)度;Mo與Cr、Mn等配合使用時，可改善鋼的回火脆性， Mo的過渡系數(shù)大于90%，一般不過量添加，本發(fā)明中Mo含量控制在0.5~0.6%范圍內(nèi)。 [0024] Ni為奧氏體化元素，添加適當(dāng)?shù)腘i元素可以顯著改善鋼的韌性，特別是低溫沖擊 韌性;但是，Ni可以穩(wěn)定奧氏體組織，降低鋼的A C1點(diǎn)，Ni易于S形成低熔點(diǎn)的化合物，對于要 求焊后熱處理的低合金耐熱鋼來說要控制Ni元素的添加量，一般國標(biāo)要求其含量小于 0.30%，本發(fā)明控制附<0.20%。
[0025] Cu可增加鋼抵抗大氣腐蝕以及海水腐蝕的能力，在低合金耐熱鋼中一般為雜質(zhì)元 素，本發(fā)明控制Cu< 0.03%。
[0026] A1作為強(qiáng)脫氧劑，具有固氮作用，少量的A1化合物可細(xì)化晶粒、提高韌性，特別是 低溫沖擊韌性;另外，A1元素還可以調(diào)節(jié)焊接熔滴的表面張力，改善焊縫成形;但A1元素過 量添加時，鋁的化合物作為第二相粒子則會對沖擊韌性不利，因此，本發(fā)明中控制A1含量在 0.030 ~0.080 % 之間。
[0027] Sb、Sn及As等元素為低合金耐熱鋼中的雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素在鋼中引起偏析， 或高溫下迀移聚集導(dǎo)致高溫回火脆性，因此應(yīng)嚴(yán)格控制這些有害元素的含量。GB/T 8110 《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》中對Sb、Sn、As等雜質(zhì)元素含量未作明確規(guī)定，本 發(fā)明的焊絲中Sb、Sn、As等雜質(zhì)元素含量均控制在0.005%以下。
[0028]本發(fā)明的有益效果：
[0029] (1)本發(fā)明提供的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的熔敷金屬的力學(xué)性能為：屈服強(qiáng) 度490~530MPa、抗拉強(qiáng)度590~610MPa、伸長率:25~28%，-30°C低溫沖擊功大于110J。
[0030] (2)本發(fā)明提供的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲采用低S、P、Sb、Sn、As含量的焊絲獲 得低雜質(zhì)含量的焊縫金屬;調(diào)整Si、Mn的含量及其比例不僅起到了良好的脫氧效果，而且有 利于焊縫組織均勻;通過添加0.030~0.080%的A1元素起到強(qiáng)脫氧的效果，同時又能細(xì)化 晶粒，顯著改善焊縫金屬的韌性，特別是低溫沖擊韌性。
【附圖說明】
[0031] 圖1是實(shí)施例1中氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲低溫沖擊試樣斷口電子掃描顯微鏡圖。
[0032] 圖2是實(shí)施例2中氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲低溫沖擊試樣斷口電子掃描顯微鏡圖。 [0033]圖3是實(shí)施例3中氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲低溫沖擊試樣斷口電子掃描顯微鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(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?；?本發(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。
[0035]本發(fā)明對完成化學(xué)成分設(shè)計(jì)的焊絲進(jìn)行鋼錠冶煉、乳制盤條、退火熱處理、拉拔、 中間退火、精拉、鍍銅等工序最終獲得成品氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲。實(shí)施例中氣保護(hù)高韌性 實(shí)心焊絲的化學(xué)成分如表1所示。
[0036]表1:氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的化學(xué)成分(wt. %)
[0038] 將上述實(shí)施例1~3中的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲經(jīng)98%Ar+2%〇2活性氣體保護(hù)焊 方法進(jìn)行焊接，焊接試板按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行620°C/lh退火處理，對熱處理后焊縫金屬 的化學(xué)成分與力學(xué)性能進(jìn)行測試，其熔敷金屬化學(xué)成分如表2及表3所示。
[0039]表2:實(shí)施例熔敷金屬化學(xué)成分(wt. %)
[0041]表3:實(shí)施例熔敷金屬力學(xué)性能
[0043]由表2可以看出，本發(fā)明的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分完全 符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。由表3可以看出，本發(fā)明的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的熔敷金屬的 力學(xué)性能完全符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其屈服強(qiáng)度490~530MPa、抗拉強(qiáng)度590~610MPa、 伸長率:25~28%，而且其熔敷金屬低溫沖擊韌性優(yōu)異，在-30°C低溫沖擊功穩(wěn)定在110J以 上。
[0044] 對實(shí)施例1~3的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲進(jìn)行低溫沖擊測試。測試結(jié)果顯示，沖擊 測試后實(shí)施例1~3的沖擊試樣未完全斷裂為兩部分，試樣根部位置仍然連接在一起，表明 采用本發(fā)明氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的焊縫金屬材料具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性。
[0045] 另外，分別對實(shí)施例1~3中低溫沖擊試驗(yàn)后的沖擊試樣斷口通過電子掃描顯微鏡 進(jìn)行觀察，其結(jié)果分別如圖1、圖2和圖3所示。由圖1、圖2和圖3可以看出，經(jīng)低溫沖擊試驗(yàn)后 的沖擊試樣斷口中存在大量的韌窩和塑性變形痕跡，這表明本發(fā)明的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊 絲焊縫金屬具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。
[0046] 本發(fā)明提供的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的焊縫金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能符合 GB/T 8110《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》中ER55-B2的規(guī)定，滿足石油化工、壓力 容器、原子能等行業(yè)對1~1.25 % Cr-0.5 % Mo珠光體耐熱鋼的高標(biāo)準(zhǔn)焊接要求。
[0047] 綜上所述，本發(fā)明提供的這種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲采用低S、P、Sb、Sn、As含量的 焊絲獲得低雜質(zhì)含量的焊縫金屬，調(diào)整Si、Mn的含量及其比例不僅起到了良好的脫氧效果， 而且有利于焊縫組織均勻;通過添加 A1元素起到強(qiáng)脫氧的效果，同時又能細(xì)化晶粒，顯著改 善焊縫金屬的低溫沖擊韌性;該實(shí)心焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，焊接電弧穩(wěn)定、焊接煙塵和飛 濺小、焊縫成形美觀。
[0048]以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，其特征在于：由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下化學(xué)成分組成 C:0.10~0.12%，Si:0.40~0·50%，Μη:0·60~0.70%，S<0.010%，P<0.015%，Cr:1.2~ 1.5%，Mo:0.5~0.6%，Ni<0.02%，Cu<0.03%，Al:0.030~0.080%，Sb<0.0040%，Sn< 0 · 0050 %，As < 0 · 0050 %，余量為Fe。2. 如權(quán)利要求1所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，其特征在于:所述實(shí)心焊絲熔敷金屬中 Si+Mn< 1.20%，且Mn:Si>2:l。3. 如權(quán)利要求2所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，其特征在于：由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下 化學(xué)成分組成：C:0.11%，Si :0.50%，Mn:0.70%，S:0.010%，P:0.015%，Cr:l .3%，Mo: 0.6%，Ni:0.02%，Cu:0.03%，Al:0.030%，Sb:0.0040%，Sn :0.0030%，As:0.0050%，余量 為Fe。4. 如權(quán)利要求2所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，其特征在于：由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下 化學(xué)成分組成：C:0.12%，Si :0.40%，Mn:0.60%，S:0.008%，P:0.011%，Cr:l .5%，Mo: 0.5%，Ni:0.018%，Cu:0.025%，A1:0.080%，Sb:0.002%，Sn:0.0050%，As:0.0025%，余 量為Fe。5. 如權(quán)利要求2所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲，其特征在于：由按質(zhì)量百分比計(jì)的如下 化學(xué)成分組成：C:0.10%，Si :0.45%，Mn:0.68%，S:0.007%，P:0.012%，Cr:l .2%，Mo: 0.53%，Ni :0.015%，Cu:0.017%，A1:0.060%，Sb:0.0035%，Sn:0.0045%，As:0.004%，余 量為Fe。6. 如權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的使用方法，其特征在于:采 用98 % Ar+2 % O2活性氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接。7. 如權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的氣保護(hù)高韌性實(shí)心焊絲的應(yīng)用，其特征在于：用于1~ 1.25 % Cr-0.5 %Mo低合金耐熱鋼的氣體保護(hù)焊接。
【文檔編號】B23K35/30GK105880871SQ201610361298
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】宋昌寶, 王哲, 王玲艷, 呂奎清
【申請人】武漢鐵錨焊接材料股份有限公司