CN111805120A - 一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其化学组分为，C:0.40‑0.55wt％；Mn:22‑26wt％；Si:0.30‑0.70wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：2.5‑5.0wt％；Ni：1.5‑4.0wt％；Mo：1.0‑3.0wt％；Cu:0.20‑0.90wt％；V：0.03‑0.20wt％；Nb：0.01‑0.05wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。本发明所述的实心焊丝，价格相对低廉，所形成的熔敷金属在超低温(‑196℃)具有高韧性，强度与低温奥氏体高锰钢相匹配。
Description
技术领域
本发明属于熔化极实心焊丝领域，尤其是涉及一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝。
背景技术
液化天然气(LNG)是将天然气经过净化处理后，由气态变为液态，由于石油价格持续上涨，寻求替代能源、实现能源需求多元化的要求日趋迫切，各国对LNG的需求增长尤为迅猛。液化天然气的储存和运输必须使用一种低温专用钢，长期以来，液化天然气储存和运输的船舶上主要应用9Ni钢，此种钢使用温度最低可达-196℃，但含较高的Ni元素，因此价格昂贵。
近年来，奥氏体高锰钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受瞩目。研究表明奥氏体高锰钢的低温韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能与目前广泛应用的9％Ni钢相当。另外，金属锰的价格比镍元素价格相比较低，采用高锰钢可大幅降低材料制造成本，因此，高锰钢比传统镍系低温钢具有较明显的优势。2010年11月韩国大宇造船厂联合现代公司、大宇造船海洋公司与浦项钢铁公司和五大船级社共同成立了名为“极低温用高锰钢及焊接材料共同开发”的项目，历时5年的努力，成功实现批量生产。目前国内关于低温奥氏体高锰钢也开始进入研发阶段，此种钢板在应用过程中，采用焊接工艺进行结构及设备的制造，因此研发一种与高锰钢配套使用的焊材材料是高锰钢使用及发展过程中不可缺少的重要环节。
针对低温奥氏体高锰钢的熔化极实心焊丝，专利CN106938375(适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝)公开了一种适用于低温奥氏体高锰钢配套使用的熔化极实心焊丝，该焊丝满足了-196℃冲击韧性良好，抗拉强度在582～695MPa，化学成分与母材相当，Ni元素含量在6.4～8.2wt％。此种焊丝抗拉强度小于700MPa，合金成分中虽然提高了Mn含量，降低了Ni元素含量，但仍有6.4～8.2wt％的Ni，会在一定程度上增加焊丝的成本。
发明内容
本发明旨在提出一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，以克服现有技术的不足，本发明焊丝Ni元素含量降低至4％以下，大幅度节约了成本，价格相对低廉。并且通过添加其他强碳化物形成元素增强了奥氏体的强度，使焊缝金属抗拉强度≥700MPa；所形成的熔敷金属在超低温(-196℃)具有高韧性，强度与低温奥氏体高锰钢相匹配。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其化学组分为，C:0.40-0.55wt％；Mn:22-26wt％；Si:0.30-0.70wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：2.5-5.0wt％；Ni：1.5-4.0wt％；Mo：1.0-3.0wt％；Cu:0.20-0.90wt％；V：0.03-0.20wt％；Nb：0.01-0.05wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。
优选的，其化学组分为，C:0.40-0.45wt％；Mn:23-25wt％；Si:0.40-0.50wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：3.4-3.8wt％；Ni：2.3-3.0wt％；Mo：1.4-2.0wt％；Cu:0.40-0.60wt％；V：0.06-0.10wt％；Nb：0.025-0.04wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。
优选的，所述熔化极实心焊丝的直径为Ф1.0-1.6mm。
本发明同时提供如上所述的熔化极实心焊丝在极低温奥氏体高锰钢焊接中的应用。
优选的，焊接时，保护气体为80vol％氩气以及20vol％二氧化碳，气体流量为15～20L/min。
优选的，焊接电流为280～300A，电弧电压28～30V，焊接速度为36～45cm/min，焊接线能量为10.5～15KJ/cm。
优选的，适宜温度范围是≥-196℃。
本发明同时提供如上所述的熔化极实心焊丝在液化天然气贮存运输容器的超低温奥氏体高锰钢材结构的焊接中的应用。
本发明采用的主要合金元素Mn含量为22-26wt％，与低温奥氏体高锰钢的Mn含量相当，避免了焊丝与母材在形成焊接接头的过程中由于成分不同造成的元素梯度，从而保证了焊缝金属成分与组织的稳定性。
如果要保证-196℃下具有良好的冲击韧性，必须要得到稳定的奥氏体组织。C、Mn、Ni元素都是奥氏体形成元素，为了形成稳定的奥氏体组织必须添加足够量的奥氏体形成元素，但是Ni元素价格昂贵。因此为了降低成本我们采用了高锰低镍的合金体系，既保证了奥氏体组织，获得了良好的超低温韧性，又降低了生产成本。C、Mn的含量过高则会造成冲击韧性明显降低。因此发明中C元素加入量为0.40-0.55wt％，Mn元素加入量为22-26wt％，Ni元素加入量为1.5-4.0wt％。
在本发明中硅起到脱氧和改善焊缝成型的作用，一定量的Si元素可以改善铁水流动性，提高焊丝的焊接工艺性。但加入过量的Si会导致熔敷金属韧性下降，增加焊缝裂纹产生倾向，故Si元素加入量为0.30-0.70wt％。
稳定的奥氏体组织虽然具有良好的超低温韧性，但通常情况下强度及硬度较低，为提高焊后熔敷金属的强度，需采取多种复合强化方式，考虑到奥氏体钢不能通过形成硬化相的方式进行强化，通常可采用固溶强化、弥散沉淀强化，细晶强化等措施，因此本项目加入了一定量的铬、钼元素，增加强度，同时添加了少量的强碳化物形成元素钒和铌，通过形成碳化物起到弥散沉淀强化的作用。这几种元素如果含量过高会造成组织发生变化，降低韧性。Cu元素也可以扩大奥氏体形成相区，有利于形成稳定的奥氏体组织，是奥氏体形成元素，但Cu元素只能部分溶解于奥氏体中，与奥氏体有限溶解，无法大量添加。因此Cr元素加入量为2.5-5.0wt％，Mo元素加入量为1.0-3.0wt％，Cu:0.20-0.90wt％；V：0.03-0.20wt％；Nb：0.01-0.05wt％。
硫、磷是熔敷金属中的有害元素。当硫以FeS的形式存在时危害性最大，在熔池凝固时它容易发生偏析，增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，并且还会降低冲击韧性。磷在液态铁中有较大的溶解度，但在固然铁中的溶解度只有千分之几，磷易与铁形成磷化铁，常分布于晶界，增加了焊缝金属的冷脆性，冲击韧性降低。因此本发明把硫、磷含量控制在S≤0.010wt％，P≤0.020wt％。
相对于现有技术，本发明所述的种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，具有以下优势：
本发明中实心焊丝的合金成分体系与低温奥氏体高锰钢母材的合金成分体系接近，并且仅添加了少量的Ni元素，在保证焊后焊缝金属组织和成分的稳定性同时，尽可能降低了发明产品价格。稳定的奥氏体组织使焊缝金属具有良好的超低温冲击韧性和足够的强度。本发明的实心焊丝熔敷金属力学性能可达到屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥25％，在-196℃冲击功Akv≥41J，实现了-196℃工作温度时超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
具体实施方式
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝(以下简称熔化极实心焊丝)。所述熔化极实心焊丝的化学成分是：C为0.45wt％，Mn为23.64wt％，Si为0.50wt％，Cr为3.99wt％，Ni为2.62wt％，Mo为1.45wt％，Cu为0.47wt％，V为0.10wt％，Nb为0.033wt％，P为0.015wt％，S为0.009wt％，余量为Fe和不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100％。
所述熔化极实心焊丝，直径为Ф1.2mm，采用熔化极气体保护焊焊接方法，焊接试板20mm厚，用发明产品为母材包边6mm厚。
所述焊接试板的坡口形式为Y型，单侧坡口角度为10°。
本实施例采用保护气体为混合气体：80vol％氩气+20vol％CO2，气体流量为15～20L/min。
本实施例中：焊接电流为280～300A，电弧电压28～30V，焊接速度为36～45cm/min，焊接线能量为10.5～15KJ/cm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为560MPa，抗拉强度为750MPa，伸长率A＝30％，-196℃时冲击功平均值Akv＝58～66J。
本实施例实验结果表明：采用本实施例制备的一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，经熔化极气体保护焊焊接后，焊缝金属的力学性能完全满足超低温高锰钢的焊接技术要求。
实施例2
一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝。除下述外，其余同实施例1：
所述熔化极实心焊丝的化学成分是：C为0.40wt％，Mn为24.64wt％，Si为0.45wt％，Cr为3.88wt％，Ni为2.42wt％，Mo为1.55wt％，Cu为0.57wt％，V为0.08wt％，Nb为0.035wt％，P为0.019wt％，S为0.007wt％，余量为Fe和不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100％。
所述熔化极实心焊丝的直径为Ф1.2mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为473MPa，抗拉强度为703MPa，伸长率A＝39％，-196℃时冲击功平均值Akv＝62～77J。
实施例3
一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝。除下述外，其余同实施例1：
所述熔化极实心焊丝的化学成分是：C为0.42wt％，Mn为23.64wt％，Si为0.43wt％，Cr为3.87wt％，Ni为2.42wt％，Mo为1.68wt％，Cu为0.57wt％，V为0.07wt％，Nb为0.035wt％，P为0.017wt％，S为0.007wt％，余量为Fe和不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100％。
所述熔化极实心焊丝的直径为Ф1.2mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为485MPa，抗拉强度为712MPa，伸长率A＝43％，-196℃时冲击功平均值Akv＝64～76J。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其特征在于：其化学组分为，C:0.40-0.55wt％；Mn:22-26wt％；Si:0.30-0.70wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：2.5-5.0wt％；Ni：1.5-4.0wt％；Mo：1.0-3.0wt％；Cu:0.20-0.90wt％；V：0.03-0.20wt％；Nb：0.01-0.05wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其特征在于：其化学组分为，C:0.40-0.45wt％；Mn:23-25wt％；Si:0.40-0.50wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：3.4-3.8wt％；Ni：2.3-3.0wt％；Mo：1.4-2.0wt％；Cu:0.40-0.60wt％；V：0.06-0.10wt％；Nb：0.025-0.04wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。
3.根据权利要求1所述的用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝，其特征在于：所述熔化极实心焊丝的直径为Ф1.0-1.6mm。
4.权利要求1～3任一项所述的熔化极实心焊丝在极低温奥氏体高锰钢焊接中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：焊接时，保护气体为80vol％氩气以及20vol％二氧化碳，气体流量为15～20L/min。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：焊接电流为280～300A，电弧电压28～30V，焊接速度为36～45cm/min，焊接线能量为10.5～15KJ/cm。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：适宜温度范围是≥-196℃。
8.权利要求1～3任一项所述的熔化极实心焊丝在液化天然气贮存运输容器的超低温奥氏体高锰钢材结构的焊接中的应用。
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