[发明专利]一种用于大热输入埋弧焊的高强韧药芯焊丝材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊丝材料，具体为一种用于大热输入埋弧焊的高强韧药芯焊丝材料，它具有高强度、高韧性的特点。

背景技术

高层建筑、大跨度桥梁、大型船舶、超长输油管线等机械工程结构的制造向大型化、巨型化方向发展成为一个重要趋势。为了满足机械工程结构向大型化、巨型化方向发展的需求，我国已成功地开发出了大热输入(热输入量为60～150KJ/cm)焊接中厚板高强度低合金钢(High Strength Low Alloy Steel，简称HSLA)。大巨型工程结构制造过程中，广泛采用效率高、节能、易实现自动化的双丝、三丝多丝埋弧焊大热输入焊接方法。

大热输入焊接HSLA钢时，因焊接熔池中液态金属冷却速度快，温度梯度大，焊缝金属晶粒迅速长大，晶粒尺寸往往超过120μm，HSLA钢的晶粒尺寸均在10μm以下。焊缝金属的晶粒尺寸是HSLA钢的晶粒尺寸的十倍以上，焊缝金属晶粒的粗化，造成韧性大幅度降低，焊缝金属的强韧性与HSLA钢的强韧性严重不匹配，焊缝金属成为焊接结构的薄弱区域之一，威胁着结构的使用安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大热输入埋弧焊的高强韧药芯焊丝材料，该材料可以代替目前使用的焊缝金属晶粒易粗化的焊接材料，能够提高焊缝金属的强韧性。

本发明提供的一种用于大热输入埋弧焊的高强韧药芯焊丝材料，其特征在于，药芯粉由合金粉与矿物粉混合而成，各合金粉与矿物粉的组分及重量百分比为：99金红石8～12％；45硅铁5～7％；金属锰4～8％；55钼铁0.5～2％；99氧化物稀土铈2～6％；25钛铁0.3～1.0％；余量为铁粉。

本发明针对目前用的大热输入量埋弧焊焊缝金属晶粒易粗大化，造成焊缝金属的强韧性不足，难以满足使用要求的难题。发明了一种含有稀土铈(Ce)，适用于大热输入埋弧焊用高强度高韧性新型药芯焊丝材料。本发明提供的焊丝材料能使大热输入焊接HSLA钢焊缝金属的晶粒得到细化，代替目前使用的焊缝金属晶粒易粗化的焊接材料，提高焊缝金属的强韧性，使焊缝金属的强韧性与HSLA钢母材相匹配。利用本发明的高强度高韧性新型药芯焊丝材料，配备市售的相应焊剂，可确保大热输入埋弧焊焊缝金属的晶粒尺寸在15μm以下，改善大热输入焊缝金属的强韧性。

本发明主要用Ce在焊接冶金过程中与氧、硫反应，易形成直径为0.4μm～0.8μm的超细Ce氧硫化物质点(Ce_xO_xS_x)，如CeO·CeS、CeO·MnO·(Mn、Cu)S，弥散、均匀分布于焊缝金属中。Ce氧硫化物质点钉轧、拖曳高温奥氏体晶界的迁移，阻碍奥氏体晶粒长大。同时Ce氧硫化物质在奥氏体晶内诱导铁素体形核，细化焊缝金属晶粒。

具体实施方式

本发明的理论基础：

大热输入钢铁材料晶粒的细化，常利用直径为0.4μm～0.8μm的细小粒子，如TiN、VN等阻碍晶粒长大，并且利用Ti₂O₃等细夹杂物，诱导铁素体在奥氏体晶内形核，形成所谓的晶内铁素体(Intergranular Ferrite，简称IGF；又称针状铁素体Acicular Ferrite，简称AF)。利用Ti₂O₃等细夹杂物，诱导铁素体在奥氏体晶内形核，这种技术称为氧化物冶金技术(Oxide Metallurgy)。由于晶内铁素体(IGF)的晶粒尺寸约为5μm左右，若钢铁材料中有70％以上的IGF，钢铁材料的晶粒尺寸整体可细化到10μm以下。

焊缝金属的冶金过程与钢铁材料的冶金过程基本相同，可将钢铁材料的氧化物冶金技术运用于大热输入埋弧焊焊缝金属的晶粒细化。目前有研究报道利用焊缝金属中残留的Ti、Al脱氧的细小夹杂物Ti₂O₃、A1₂O₃·(Mn、Cu)S诱导IGF形核，细化焊缝金属晶粒，提高焊缝金属的强度与韧性。但Ti、Al脱氧的细小夹杂物Ti₂O₃、Al₂O₃·(Mn、Cu)S在大热输入埋弧焊焊缝金属中易形成直径大于5μm以上的超大夹杂物，造成焊缝金属的韧性值不稳定。

本发明的基本思路：