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CN119347203A - 一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大热输入富氩混合气体保护焊接方法 - Google Patents

一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大热输入富氩混合气体保护焊接方法 Download PDF

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CN119347203A CN202411483087.2A CN202411483087A CN119347203A CN 119347203 A CN119347203 A CN 119347203A CN 202411483087 A CN202411483087 A CN 202411483087A CN 119347203 A CN119347203 A CN 119347203A
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冯伟
徐锴
朱厚国
卢吉超
韩忠阳
李丹晖
刘满雨
杨再勋
丛文龙
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Abstract

一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大热输入富氩混合气体保护焊接方法。本发明属于焊接技术领域。本发明解决了在大热输入焊接时普通焊丝的焊缝组织会较为粗大，焊缝的强度和韧性下降，和没有与1000MPa级高强钢相匹配的焊丝和焊接技术的问题。本发明通过调控焊丝成分和采用真空感应炉冶炼和辊模+眼膜拉拔技术制备焊丝，更加精准控制焊丝的化学成份，保证了更高的送丝性能，加上与焊丝相匹配的大热输入富氩混合气体保护焊接方法，更有利于大热输入焊丝时的高送丝速度和焊接接头性能。所以在低合金高强钢板焊接时，利用本发明的焊丝和焊接技术，采用大热输入可以快速高效的完成焊接工作，并且保障焊缝性能优良。

Description

一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大 热输入富氩混合气体保护焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大热输入富氩混合气体保护焊接方法。
背景技术
在当今的工业领域中，钢结构制造行业正处于快速发展的进程之中，这一发展态势对焊接工作的效率以及焊缝质量提出了越来越高的要求。大热输入焊接技术因其较高的熔敷效率，能够快速地完成焊接工作，焊缝质量优良，并且该技术还节能减排，操作简便，易于自动化应用，所以在实际生产中的应用范围正逐渐扩大。
然而，在大热输入焊接的情况下，普通焊丝焊缝组织会变得较为粗大，导致焊缝的强度和韧性下降，进而使焊缝容易出现开裂。基于此，在开发适用于大热能量焊接的钢板时，配套开发相应的焊丝，就成为了必然需求。Q1100钢板已经在工程机械领域投入实际使用，但是由于缺乏与之强度和韧性相匹配的焊丝材料，大多数企业在进行焊接操作时，只能选择使用强度较低的焊材，并且采用小热输入的焊接方式来弥补焊材强度方面的不足。这种做法不仅熔敷效率较低，焊接速度缓慢，而且在能源利用方面也造成了浪费。随着水电重大装备制造行业的不断发展，在水电工程的建设过程中，大多会使用中厚板或者大厚板，采用大热输入焊接方式能够显著提高生产效率，因此高强韧焊丝已经成为水电用钢焊接发展的一个必然趋势。目前，1000MPa级低合金高强钢已经积累了一定的使用经验，在这种情况下，开发与之相配套的国产低合金高强钢焊丝以及与之相配套的焊接工艺，具有必要性和紧迫性。
发明内容
本发明的目的是为了解决在大热输入焊接时普通焊丝的焊缝强度和韧性下降，和没有与1000MPa级低合金高强钢相匹配的焊丝和焊接技术等问题，本发明提供了一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝及其制备方法和大热输入富氩混合气体保护焊接方法。
本发明的技术方案如下：
本发明的目的之一在于提供一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝，所述焊丝化学成分按重量百分比包括：C 0.08～0.14％，Mn 1.60～2.00％，Si 0.50～0.80％，S0.030～0.080％，P≤0.008％，Ni 2.50～4.0％，Cr 0.40～1.0％，Mo 0.40～1.0％，Ti0.05～0.20％，V 0.005～0.02％，Cu 0.10～0.50％，Al 0.015～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步限定，焊丝化学成分按重量百分比包括：C 0.08～0.12％，Mn 1.60～1.90％，Si 0.50～0.70％，S 0.030～0.080％，P≤0.006％，Ni 3.00～3.7％，Cr 0.50～0.9％，Mo 0.60～0.90％，Ti 0.05～0.20％，V 0.005～0.02％，Cu 0.15～0.40％，Al0.015～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步限定，不可避免的杂质为Sn<0.004％，As<0.001％，Pb<0.001％。
本发明的目的之二在于提供一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝的制备方法，所述方法：
S1：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到盘条；
S2：将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，得到成品；
S3：成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
进一步限定，S1中盘条直径为Ф5.5mm。
进一步限定，S2中12道连续拉拔的前10道为辊模，后2道为眼模。
进一步限定，S2中成品的直径为Ф1.18mm。
本发明的目的之三在于提供一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝在大热输入富氩混合气体保护焊接中的应用。
本发明的目的之四在于提供一种适用于大热输入富氩混合气体保护焊接方法，该焊接方法使用上述焊丝，该焊接方法的富氩混合气体体积份数为80～95％Ar+5～20％CO2。
进一步限定，富氩混合气体体积份数为90％Ar+10％CO2。
进一步限定，富氩混合气体流量为20L/min。
进一步限定，该焊接方法的焊接参数为：焊接电流230～300A，焊接电压25～31V，焊接速度120～420cm/min，道间温度135～175℃。
本发明的目的之五在于提供一种上述焊接方法在焊缝抗拉强度为1000-1100Mpa的低合金高强钢板焊接中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)本发明适用于大热输入的焊接技术，在焊接热输入为10～40kJ/cm条件下保护焊接，再此条件下其熔敷金属抗拉强度可以达到1000～1100MPa，有优良的低温冲击韧性，并且焊缝表面光亮，焊道成型美观，飞溅和烟尘量少等优点。
(2)本发明在制备焊丝时使用真空感应炉冶炼方法冶炼铁水，在真空的氛围下实现金属合金的冶炼，采用电磁感应原理在被熔炼金属合金中形成涡流生热进行加热冶炼的方法冶炼。通过精准控制，精准去除由生产原材料混入产品的各种杂质。利用真空感应炉冶炼真空特性以及真空感应炉的配置进行精准脱氧，使得1000MPa高强钢气保护焊丝所用原材料的清洁度进一步提高，也可以更加精准调整和控制焊丝的化学成分。
(3)本发明使用的辊模拉拔技术，无需进行酸洗硼化、退火软化等有损焊材的工艺步骤，只需控制焊材的冷塑性变形过程，便可使焊材的屈服强度与抗拉强度同步增减，得到具有高屈服强度、均匀稳定的焊丝，本发明使用的后两道眼膜拉拔可以使焊丝具有更高的表面质量送丝性能，这更有利于大热输入焊丝时的高送丝速度。
附图说明
图1为实施例1-3和对比例1焊接坡口示意图；
图2为实施例1-3和对比例1在不同焊接热输入下的抗拉强度；
图3为实施例1-3和对比例1在不同焊接热输入下-40℃冲击吸收功。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
以下实施例的焊丝制造用盘条钢，均由真空感应电炉冶炼制成。实芯焊丝的工艺流程为：Ф5.5mm盘条，机械剥壳，校直，砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，清洗，涂防锈层，密排层绕绕盘，包装。
焊接时使用焊接机械小车固定焊枪，保证焊接热输入稳定。
实施例1：
焊丝直径：1.2mm。焊丝材料组成的化学成分重量百分比为C 0.09％，Si 0.55％，Mn1.9％，Cr 0.82％，Ni 3.55％，Mo 0.65％，Ti 0.15％，Cu 0.35％，V 0.015％，S0.056％，P 0.0029％，Al 0.032％，余量为Fe和不可避免的杂质。
焊丝制备：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到直径为Ф5.5mm的盘条；将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，前10道为辊模，后2道为眼模，成品的直径为Ф1.18mm；成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
本实施例熔敷金属的焊接方法按照GB/T 8110-2008规定执行，熔敷金属试验采用合金含量低的Q345钢板为熔敷试板，试板厚度为20mm，机械加工单边单面22.5°坡口，如附图1所示。试验实施例焊丝在坡口面和垫板面焊接隔离层焊缝金属冲击性能试验按GB/T2650-2022规定进行，焊缝金属拉伸性能试验按GB/T 2652-2022规定执行。
本实施例采用富氩体积份数(90％Ar+10％CO2)保护气体焊接，气流量为20L/min，详细焊接参数参见表1。
实施例2：
焊丝直径：1.2mm。焊丝材料组成的化学成分重量百分比为C 0.095％，Si 0.53％，Mn 1.8％，Cr 0.78％，Ni 3.4％，Mo 0.75％，Ti 0.14％，Cu 0.36％，V 0.018％，S0.057％，P 0.0042％，Al 0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
焊丝制备：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到直径为Ф5.5mm的盘条；将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，前10道为辊模，后2道为眼模，成品的直径为Ф1.18mm；成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
本实施例熔敷金属的焊接方法按照GB/T 8110-2008规定执行，熔敷金属试验采用合金含量低的Q345钢板为熔敷试板，试板厚度为20mm，机械加工单边单面22.5°坡口，如附图1所示。试验实施例焊丝在坡口面和垫板面焊接隔离层，焊缝金属冲击性能试验按GB/T2650-2022规定进行，焊缝金属拉伸性能试验按GB/T 2652-2022规定执行。
本实施例采用富氩体积份数(90％Ar+10％CO2)保护气体焊接，气流量为20L/min，详细焊接参数参见表1。
实施例3：
焊丝直径：1.2mm。焊丝材料组成的化学成分重量百分比为C 0.11％，Si 0.53％，Mn1.75％，Cr 0.65％，Ni 3.63％，Mo 0.8％，Ti 0.17％，Cu 0.35％，V 0.014％，S0.066％，P 0.0032％，Al 0.038％，余量为Fe和不可避免的杂质。
焊丝制备：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到直径为Ф5.5mm的盘条；将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，前10道为辊模，后2道为眼模，成品的直径为Ф1.18mm；成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
本实施例熔敷金属的焊接方法按照GB/T 8110-2008规定执行，熔敷金属试验采用合金含量低的Q345钢板为熔敷试板，试板厚度为20mm，机械加工单边单面22.5°坡口，如附图1所示。试验实施例焊丝在坡口面和垫板面焊接隔离层，焊缝金属冲击性能试验按GB/T2650-2022规定进行，焊缝金属拉伸性能试验按GB/T 2652-2022规定执行。
本实施例采用富氩体积份数(90％Ar+10％CO2)保护气体焊接，气流量为20L/min，详细焊接参数参见表1。
对比例1：
焊丝直径：1.2mm。焊丝材料组成的化学成分重量百分比为C 0.11％，Si 0.72％，Mn1.68％，Cr 0.38％，Ni 2.38％，Mo 0.65％，Ti 0.09％，Cu 0.08％，S 0.003％，P0.008％，Al 0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
焊丝制备：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到直径为Ф5.5mm的盘条；将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，前10道为辊模，后2道为眼模，成品的直径为Ф1.18mm；成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
本对比例熔敷金属的焊接方法按照GB/T 8110-2008规定执行，熔敷金属试验采用合金含量低的Q345钢板为熔敷试板，试板厚度为20mm，机械加工单边单面22.5°坡口，如附图1所示。试验实施例焊丝在坡口面和垫板面焊接隔离层，焊缝金属冲击性能试验按GB/T2650-2022规定进行，焊缝金属拉伸性能试验按GB/T 2652-2022规定执行。
本对比例采用富氩体积份数(80％Ar+20％CO2)保护气体焊接，气流量为20L/min，详细焊接参数参见表1。
表1为实施例1-3和对比例1在不同焊接热输入条件下的焊接参数
将本实施例1～3和对比例1得到的焊缝进行力学性能测试，在不同焊接热输入条件下力学性能如附图2、附图3所示：
由熔敷金属力学性能可知，本实施例1～3焊丝在焊接热输入为10～40kJ/cm条件下焊接，制得焊缝金属的力学性能抗拉强度均大于1000MPa，-40℃低温冲击吸收功均大于50J。满足工程应用要求的抗拉强度大于950MPa，-40℃低温冲击吸收功大于47J。
对比例1焊丝在焊接热输入为10～40kJ/cm条件下焊接，制得焊缝金属的力学性能在热输入大于20kJ/cm时，制得焊缝金属的力学性能抗拉强度小于工程应用要求的抗拉强度950MPa。
综上，本发明焊丝可满足1000MPa级强度要求不同厚度的低合金高强钢板材焊接。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝，其特征在于，化学成分按重量百分比包括：C 0.08～0.14％，Mn 1.60～2.00％，Si 0.50～0.80％，S 0.030～0.080％，P≤0.008％，Ni 2.50～4.0％，Cr 0.40～1.0％，Mo 0.40～1.0％，Ti 0.05～0.20％，V 0.005～0.02％，Cu0.10～0.50％，Al 0.015～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，不可避免的杂质为Sn<0.004％，As<0.001％，Pb<0.001％。
3.权利要求1或2所述的1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝的制备方法，其特征在于，所述方法：
S1：将焊丝原料依次投放到真空感应炉进行冶炼、浇注钢锭、开坯和轧机轧制，得到盘条；
S2：将盘条经机械剥壳、校直和砂带打磨后直接进入三辊辊模拉拔，共经过12道连续拉拔，得到成品；
S3：成品采用在线清洗，表面涂覆防锈涂层，密排层绕绕盘，得到焊丝。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S1中盘条直径为Ф5.5mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中12道连续拉拔的前10道为辊模，后2道为眼模，S2中成品的直径为Ф1.18mm。
6.权利要求1或2所述的1000MPa级高强高韧实心无镀铜焊丝在大热输入富氩混合气体保护焊接中的应用。
7.一种适用于大热输入富氩混合气体保护焊接方法，其特征在于，该焊接方法使用的焊丝如权利要求1或2所述，该焊接方法的富氩混合气体体积份数为80～95％Ar+5～20％CO2。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，富氩混合气体流量为20L/min。
9.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，该焊接方法的焊接参数为：焊接电流230～300A，焊接电压25～31V，焊接速度120～420cm/min，道间温度135～175℃。
10.权利要求7-9任一项所述的焊接方法在焊缝抗拉强度为1000-1100Mpa的低合金高强钢板焊接中的应用。
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