[发明专利]低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，属焊接材料领域。本焊丝采用混合气体(80％Ar+20％CO₂)保护焊时，焊缝金属的抗拉强度为700～800MPa，-30℃冲击功A_kv≥80J。

【背景技术】

目前，气体保护焊丝的使用量在美国已占焊接材料产量的31％，日本约占41％，西欧约占56％，国内仅占焊材总量的10％，国内尚无成熟的700MPa级气体保护焊商品焊丝，且品种单一，远远不能满足日益增长的低合金高强钢气体保护焊的需求。国内普遍采用低匹配的Mn-Si系焊丝ER70S-6，其不足之处是焊丝焊缝金属抗拉强度低于600MPa，低温冲击韧性较差。ESAB公司生产的ST700混合气体保护焊丝，熔敷金属抗拉强度虽已达到700MPa，其不足之处是冲击韧性不能满足结构在低温服役下的使用要求。2000年日本新日铁株式会社申请的“管线气体保护焊接用焊丝及管线环缝气体保护焊接方法”，专利申请号JP2000218391A，介绍的气体保护焊丝的焊缝金属具有良好的低温冲击韧性，但不足之处是抗拉强度不能稳定达到700MPa。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，焊缝金属抗拉强度达700～800MPa，低温冲击韧性高，焊接工艺性能良好，可用于相应强度级别低合金高强钢大型、重要结构的气体保护焊丝。

为达到上述目的，本发明提供了一种低合金高强钢用高韧性气体保护焊丝，其特征是焊丝的化学成份(按重量％)为：C 0.05～0.12、Mn1.20～2.00、Ni 0.60～1.60、Si 0.30～1.20、Cu 0.10～0.50、Cr0.10～0.60、Ti 0.10～0.20、B 0.002～0.010、S≤0.10、P≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

对于抗拉强度为700MPa级的低合金高强钢，要使焊缝金属抗拉强度达到700～800MPa，同时又获得良好的低温冲击韧性，关键在于通过在焊丝中加入合适的合金元素，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。为此，焊缝金属必须具有合适的合金体系，并满足以下几个条件。

1.限制先共析铁素体转变。

微量的B在奥氏体晶界上的非平衡偏聚，在焊缝中将明显抑制先共析铁素体在奥氏体晶界上形核。为防止B的氧化和氮化，需在焊缝中加入Ti。Ti、B联合加入时，可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。且Ti、B之间存在交互作用，当二者之间存在一个最佳的配合范围时，相应的焊缝金属具有优异的强韧性匹配。但上述Ti、B含量的最佳配合范围因不同的焊缝合金系和焊缝强度而异。

2.在未转变奥氏体晶内存在一定数量和大小的夹杂物作为针状铁素体的形核质点。

当奥氏体过冷到针状铁素体转变温度区域时，因晶界形核受到抑制，铁素体针片便以晶内夹杂物为中心开始形核和长大，直到遇到其它的针片为止。先形核的针状铁素体片可诱发其它的铁素体片形核。

焊缝中氧化物夹杂的产生是因为氧在焊缝中极少固溶，当焊丝中的Si、Mn通过熔滴过渡到焊缝中时，绝大多数氧与焊缝中Si、Mn等进行脱氧反应形成氧化物夹杂或氧硫复合物夹杂。其中部分夹杂物在高温下长大，分离而进入渣中。部分因快速冷却而留在焊缝中。还有一部分夹杂物是Ti脱氮形成的氮化物。上述夹杂物或复合夹杂物均有可能作为针状铁素体的形核质点，且未转变奥氏体晶内夹杂物的数量直接决定针状铁素体针片的大小。

3.合适的奥氏体晶粒尺寸针状铁素体形成与奥氏体的晶粒尺寸有关，当奥氏体晶粒尺寸相对较小时，没有足够的空间供针状铁素体在晶内形成，而是在晶界优先进行先共析铁素体和贝氏体转变。夹杂物的尺寸分布对奥氏体晶粒尺寸有重要的影响。

4.合适的焊缝金属淬透性

C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu等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。由上述元素构成的焊缝金属合金系在在一定加入范围内，可以降低针状铁素体的转变温度，使在较低温度下转变的针状铁素体具有较高的位错密度，从而使焊缝金属抗拉强度在达到700～800MPa的同时，又获得良好的低温冲击韧性。

但在高强度焊缝金属中，过高的碳含量促进高碳马氏体的形成，使焊缝金属冷裂纹敏感性增加，因此将焊丝中的C含量控制在0.05％～0.12％范围内。

焊缝金属中过高的Mn含量易造成Mn的偏析，在偏析区易产生M-A岛状组织，从而降低焊缝金属的韧性，因此，将焊丝中的Mn含量控制在1.20％～2.00％之间。