[发明专利]一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺

说明书

本发明公开了一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2~0.4%，Mn为18.0~27.0%，Si≤0.15%，S≤0.005%，P≤0.02%，Ni为1.0~3.0%，Cr为2.0~4.5%，Cu为0.2~0.5%，N为0.01~0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。前所述的高锰超低温钢焊丝的焊接工艺采用钨极氩弧焊，坡口类型为“V”型，热输入量为4~21KJ，保护气体采用高纯氩气。本发明提出的高锰超低温钢的焊丝采用高Mn含量的合金设计，大幅度降低了Ni含量，从而使材料成本显著降低；所提出的焊接工艺不需要焊前预热和焊后热处理，工艺简单，易于实施；所形成的焊缝金属具有良好的强度、塑性和韧性配合，特别是在‑196℃的超低温环境下具有良好韧性。

技术领域

本发明属于低温钢焊接材料及焊接工艺技术领域，特别是涉及一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺。

背景技术

液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源，其产业发展受到越来越多的重视。LNG船是用于运输LNG的专用船舶，由于LNG是被降温到-163℃液体状态的天然气，所以LNG船在运输过程中必须将它保持在-163℃，因而LNG船的工作环境要求制造LNG船的材料具有优异的低温性能。9%Ni钢材由于其在极低温度下仍具有优良的韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196℃的特点，因此自1960年通过研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9%Ni钢就成为用于制造大型LNG贮罐的主要材料之一。

如今9%Ni钢已经广泛应用于低温深冷设备，9%Ni钢及其配套焊材开发已经比较成熟，但由于Ni等昂贵合金元素的使用量较高（9%Ni钢的Ni含量约为9%，焊材的Ni含量高于50%），钢板及焊材成本难以降低。因此，很多国家都在积极研发新型的超低温材料。作为9%Ni钢的有力竞争者之一，高锰超低温钢的研发近年来受到广泛关注，其Mn元素含量为20~28%，而Ni元素不作为必需的合金元素（黄维, 张志勤, 高真凤. 石油及LNG储罐用钢现状及最新研究进展. 上海金属, 2016, 38(2):74-78）。

高锰超低温钢的焊接也可以使用高Ni含量的焊材。申请公布号为CN103978322A的中国发明公开了一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，焊芯为镍合金焊芯，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn:0.5~1.5％，Mo:4~9％，Nb:1.5~2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr:12~18％，余量为 Ni，各成分总量为100％。该专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条虽然表现出良好的焊接工艺性，焊缝也具有良好的力学性能，但该焊条中Ni含量高达80%左右，这不利于充分发挥材料的成本优势。遗憾的是，目前关于针对高锰超低温钢开发的焊材的报道很少，韩国浦项制铁公开报道过其成功开发了高锰超低温钢焊材，但对具体资料严格保密，而国内的相关研发工作仍处于起步阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有超低温钢焊材成本高，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种适用于高锰超低温钢的焊丝及其焊接工艺。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种高锰超低温钢焊丝，其化学成分及质量百分比含量如下：C为0.2~0.4%，Mn为18.0~27.0%，Si≤0.15%，S≤0.005%，P≤0.02%，Ni为1.0~3.0%，Cr为2.0~4.5%，Cu为0.2~0.5%，N为0.01~0.06%，余量为Fe和通常炼钢存在的残留元素。

本发明的有益效果是：超低温钢焊丝采用高Mn含量的合金设计，大幅度降低了Ni含量，从而使成本和费用显著降低，应用前景良好。

本发明中各化学成分的主要作用如下：