一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝

摘要

一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C0.010～0.050%，Mn1.800～2.100%，Mo0.400～0.800%，Ti0.150～0.450%，B0.005～0.010%，Ni1.000～1.500%，Cu0.200～0.300%，Si0.010～0.020%，Nb0.020～0.040%，Cr0.100～0.400%，Re0.100～0.250%，P

权利要求

1.一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，其特征在于，按质量百分比由以下组分组成：

C0.010～0.050%，Mn1.800～2.100%，Mo0.400～0.800%，Ti0.150～0.450%，B0.005～

0.010%，Ni1.000～1.500%，Cu0.200～0.300%，Si0.010～0.020%，Nb0.020～0.040%，Cr0.100～0.400%，Re0.100～0.250%，P<0.005%，S<0.003%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

说明书

一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝

技术领域

[0001] 本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝。

背景技术

[0002] 随着经济的快速增长，人们对钢材的需求量日益增加。高等级贝氏体钢具有良好的强度、韧性和焊接性能而成为理想的工业用钢材料，并且符合可持续发展要求而受到人们的强烈关注，在汽车、机械制造、电器和国防等行业获得了广泛的应用。众所周知，钢材的强度越高，其韧性储备越低。针对这种贝氏体钢材，要解决的关键技术问题就是焊接缺陷问题。现有技术解决此问题最常见的是采取预热及焊后热处理等措施，但这些措施的代价是延长了制造周期，增加了制造成本，并且增大了工人的劳动强度。

[0003] 高强高韧焊接材料，可以在一定程度上降低焊接缺陷的产生概率，还可以降低工艺条件的要求和生产的成本，并能得到性能优良的焊缝组织和强韧化高的焊接接头。可见，研制一种与母材相匹配的高性能焊丝材料，并保证其在工业生产中的应用，显得十分重要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，解决了现有焊丝在焊接贝氏体钢时制造周期长、成本高的问题。

[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C0.010～0.050%，Mn1.800～2.100%，Mo0.400～0.800%，Ti0.150～0.450%，B0.005～0.010%，Ni1.000～1.500%，Cu0.200～0.300%，Si0.010～ 0.020%，Nb0.020～0.040%，Cr0.100～0.400%，Re0.100～0.250%，P<0.005%，S<0.003%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0006] 本发明的有益效果是：本发明贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，解决了现有技术在焊接贝氏体钢时采取预热及焊后处理等措施来降低焊接缺陷制造周期长、成本高的问题；焊丝与烧结焊剂SJ101配合使用，保证稳弧性能良好，熔池流动性好，飞溅颗粒细小，焊后脱渣容易，熔渣覆盖均匀；焊缝成型细致美观，及接头强度较高、韧性良好；可适用于大线能量焊接，焊前不预热，焊后不处理，既适用于单层多层，也适用于单面或双面焊接；研制工艺简单，成本低廉，易于工业化生产。

附图说明

[0007] 图1是本发明实施例1制作出的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图；

[0008] 图2是本发明实施例2制作出的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图；

[0009] 图3是本发明实施例3制作出的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图。

具体实施方式

[0010] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0011] 本发明一种贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C0.010～0.050%，Mn1.800～2.100%，Mo0.400～0.800%，Ti0.150～0.450%，B0.005～
0.010%，Ni1.000～1.500%，Cu0.200～0.300%，Si0.010～0.020%，Nb0.020～0.040%，Cr0.100～0.400%，Re0.100～0.250%，P<0.005%，S<0.003%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0012] 本发明化学成分的设计原理如下：

[0013] （1）C：C含量接近于零，钢的连续冷却转变曲线中的贝氏体鼻子就会左移，在很宽范围的冷却速率下形成贝氏体组织。C含量升高，原奥氏体晶粒尺寸增大，柱状晶宽度增加，针状铁素体(AF)的比例增加，先共析铁素体的数量减少。贝氏体钢焊缝金属中C含量极限一般控制在0.12%以下，碳含量增加，韧性提高，但考虑到炼钢因降碳而增加冶炼成本，C控制在0.040～0.080%。因此本发明设计焊丝C含量为0.010～0.050%。

[0014] （2）Mn：Mn是奥氏体稳定化元素，显著降低γ→α转变的相变温度，Mn的主要作用是增加过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体相变移向较低的温度，共析反应在较低的碳浓度下进行，抑制其在较高温度下向多边形铁素体（PF）相变，在通常的焊缝金属冷却（800～500℃，3～30℃/s）时，Mn会抑制奥氏体向珠光体的转变。焊缝金属的屈服强度和抗拉强度随Mn含量升高呈线性增加，每增加0.01%Mn可使焊缝的屈服强度和抗拉强度增加10MPa，且Mn虽然并不增加高钢的室温冲击韧性，但却显著降低脆性转变温度。Mn的有益作用在于它能与硫结合成硫化锰，使焊缝金属中的硫部分进入熔渣，起到脱硫的作用，而残留的硫化锰并不沉淀于晶界，其次锰细化了焊缝金属的组织。Mn、Si同时存在时，随着Mn/Si含量的增加，可使相变温度逐渐降低，组织细化，但Si显著提高珠光体相变温度，在较高的温度下形成较为粗大的碳化物，这样就促使多边形铁素体的析出对韧性不利。本发明设计Mn含量控制在1.800～2.100%。

[0015] （3）Si：Si有利于焊接熔池金属脱氧，在低合金钢埋弧焊焊缝中，质量分数为0.15～0.3%的Si含量能使其达到最高的缺口冲击韧性。埋弧焊时，如果通过焊剂渗Si，焊缝金属中Si最高可达0.8%，在这种情况下，即使Mn/Si比值大于3，焊缝金属内非金属的缺口冲击韧性还会下降，这归因于随着Si含量的增加，焊缝金属内非金属夹杂物(如硅酸盐)增多，如Si保持在0.15～0.25%的范围内，则较高的Mn/Si比（Mn/Si比﹥3），可使焊缝金属的冲击韧性明显提高。因此本发明设计焊丝Si含量范围控制在0.010～0.020%。

[0016] （4）Mo：Mo可以缩小γ相区，形成强碳化物，主要作用是推迟先共析铁素体转变而有利于形成贝氏体结构，Mo在焊缝中固溶于奥氏体或以碳化物的形式存在，并强烈地抑制珠光体转变。随着Mo含量增加，组织由珠光体-贝氏体转变为单一的含贝氏体型铁素体和均匀分布的马氏体-奥氏体岛的贝氏体，它可以改善钢板焊接热影响区（HAZ）的韧性，研究表明：当Mo含量在0.2～0.3%时，这种改善会更加明显，而且钢板强度和低温韧性都很好。在Mn含量为1.2%时，加入0.15%的Mo会使焊缝中针状铁素体含量从45%增加到85%，且针状铁素体晶粒特别细小，但当Mn含量降到0.8%时，增加Mo将不会改变针状铁素体含量，而促进侧板条铁素体形成。Mo在贝氏体钢焊缝中可作为强化剂使用，少量Mo的加入可提高缺口冲击韧度，降低脆性转变温度，但一般Mo含量小于0.5%。本发明设计Mo含量范围控制在
0.400～0.800%。

[0017] （5）Ni：Ni无限固溶于γ-Fe，是扩大γ相区的元素。Ni能降低点阵中的位错运动抗力和位错与间隙元素交互作用能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂倾向。提高贝氏体钢焊缝金属中的Ni含量，可以保证在较高的抗拉强度下达到高韧性。同时，Ni对贝氏体钢焊缝金属产生一定的强化作用，附加质量分数为1%的Ni，焊缝金属的屈服强度可提高20～50MPa。在低合金高强度钢焊缝中，Ni含量的最佳范围为0.8～1.6%。因此本发明焊丝Ni含量范围为1.000～1.500%。

[0018] （6）Cr：Cr是扩大γ相区的元素，降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行，焊缝金属的硬度随Cr含量增加而渐增，当Cr﹥0.5%时，会对韧性产生不利影响。本发明Cr含量范围控制在0.100～0.400%。

[0019] （7）Cu：Cu是降低γ相变温度元素，增加过冷奥氏体的稳定性，降低马氏体开始转变点（Ms）。焊缝中Cu含量在0.03%～0.89%范围内时，随着Cu含量的增加，针状铁素体（AF）数量减少，晶界铁素体数量增加，晶粒细化，实际上Cu在低合金高强度钢中主要作用是用来提高抗大气腐蚀性。贝氏体钢中Cu含量0.025%即可提高耐蚀性，高于0.25%时，加入更多的Cu并不能继续提高钢的耐蚀性，故控制Cu在0.2～0.3%内。因此本发明中Cu含量范围控制在0.200～0.300%。

[0020] （8）Ti：Ti是缩小γ相区的元素，为强脱氧剂及Ti（C，N）形成元素，这些高熔点化合物质点可以作为结晶核心，细化焊缝晶粒，一般Ti含量小于0.003%时，随着Ti含量的增加，针状铁素体数量增加。Ti在贝氏体钢焊缝金属中的作用与钒相似，也能显著地提高焊缝金属的抗拉强度，并对提高缺口冲击韧度产生有益的影响，焊缝金属中最合适的Ti含量取决于它的强度等级和氧的含量。如在中等强度的焊缝金属中，最佳的Ti含量约为0.1%，而在高强度焊缝中，Ti含量为0.015%的焊缝金属韧性最好。本发明设计Ti含量范围控制在0.150～0.450%。

[0021] （9）B：B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移，同时使贝氏体转变曲线变得扁平，较大的冷却范围内就能得到贝氏体组织；B也可以细化焊缝组织，B和Ti之间存在强烈的交互作用，焊缝中没有足够的Ti，B的有利影响不大，当B和Ti含量过高时将促进上贝氏体形成，由此Ti、B又不能太高。本发明中B含量范围控制在0.005～0.010%。

[0022] （10）Nb：高的含Nb量使奥氏体的稳定性增加，使过冷奥氏体向低温组织转变，但其含量又恶化冲击韧性，使脆性转变温度升高，应限制Nb含量小于0.05%。本发明设计Nb含量范围控制在0.020～0.040%。

[0023] （11）Re：稀土Re在焊缝中起净化杂质、变质夹杂和微合金化作用，更多的是有利于改善韧性塑性，可综合发挥Mo、Ti、B的强化效果。本发明Re含量范围控制在0.100～0.250%。

[0024] 上述贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝的制作过程，具体包括以下步骤：

[0025] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢，在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.010～0.050%，Mn1.800～2.100%，Mo0.400～0.800%，Ti0.150～0.450%，B0.005～0.010%，Ni1.000～1.500%，Cu0.200～0.300%，Si0.010～0.020%，Nb0.020～0.040%，Cr0.100～0.400%，Re0.100～0.250%，P<0.005%，S<0.003%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0026] 焊接试板为贝氏体钢，规格为500mm×155mm×15mm，其主要成份（质量分数，%）为：0.044C，0.22Si，1.95Mn，0.39Ni，0.014Ti，0.21Cu，0.09Nb，Fe余量，厚度为15mm。其抗拉强度为868MPa，屈服强度为745MPa，延伸率为24.2%，20℃的平均夏比冲击（Charpy）吸收功为
213J。

[0027] 采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对试板进行埋弧焊。

[0028] 本发明贝氏体钢用高强高韧埋弧焊丝，具有以下优点：

[0029] 本发明的焊丝与烧结焊剂SJ101焊丝匹配，用于国产贝氏体钢埋弧焊，焊缝的组织主要为贝氏体铁素体与粒状贝氏体的混合组织，含有少量弥散分布的黑色碳化物；焊缝的抗拉强度σb≥790Mpa，冲击韧性平均值≥170J，延伸率平均值≥15%，断面收缩率≥65%。优异的综合性能，保证了其在工业领域的应用；

[0030] 本发明的焊丝与烧结焊剂SJ101焊丝匹配，具有良好的工艺性能：引弧及稳弧性能良好，脱渣性能优良，焊道成型均匀美观；

[0031] 本发明可适用于大线能量焊接，焊前不预热，焊后不处理。即可适用于单层多层，也可适用于单面或双面焊接；

[0032] 本发明的焊丝采用微合金化的原理设计，研制工艺简单，成本低廉，适合生产和工业化。

[0033] 实施例1

[0034] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢，在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.010%，Mn1.800%，Mo0.400%，Ti0.150%，B0.006%，Ni1.200%，Cu0.200%，Si0.012%，Nb0.030%，Cr0.400%，Re0.200%，P0.003%，S0.002%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0035] 焊接试板坡口采用I型坡口，采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对其进行对接双面埋弧焊，焊接工艺参数如表1所示。

[0036] 表1焊接工艺参数

[0037]

[0038] 对焊接接头的力学性能进行测试，结果如表2所示，并对焊接接头进行金相实验，焊缝中心金相组织如图1所示，贝氏体钢焊缝中心的组织主要为针状铁素体（AF）和粒状贝氏体（GB），针状铁素体呈现一种混杂分布形式且组织细小。这种无规则彼此互相交错分布的细小片条束可有效地提高其强韧性，细小粒状贝氏体的弥散分布又进一步增强了其性能。

[0039] 表2焊接接头的力学性能

[0040]

[0041] 实施例2

[0042] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.040%，Mn2.000%，Mo0.700%，Ti0.300%，B0.007%，Ni1.500%，Cu0.250%，Si0.010%，Nb0.020%，Cr0.100%，Re0.200%，P0.004%，S0.001%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0043] 焊接试板坡口采用I型坡口，采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对其进行对接双面埋弧焊，焊接工艺参数如表3所示。

[0044] 表3焊接工艺参数

[0045]

[0046] 对焊接接头的力学性能进行测试，结果如表4所示，并对焊接接头进行金相实验，焊缝中心金相组织如图2所示，焊缝的显微组织主要为针状铁素体（AF）和粒状贝氏体（GB），有少量弥散分布的黑色碳化物。针状铁素体彼此交错分布，细小粒状贝氏体均匀分布于其基体上，增加了位错移动的阻力，可有效地提高其强韧性。

[0047] 表4焊接接头的力学性能

[0048]

[0049] 实施例3

[0050] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.030%，Mn2.100%，Mo0.600%，Ti0.450%，B0.005%，Ni1.000%，Cu0.200%，Si0.015%，Nb0.040%，Cr0.300%，Re0.100%，P0.002%，S0.001%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0051] 焊接试板坡口采用Y型坡口(坡口60±3°)，采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对其进行对接双面埋弧焊，焊接工艺参数如表5所示。

[0052] 表5焊接工艺参数

[0053]

[0054] 对焊接接头的力学性能进行测试，结果如表6所示，并对焊接接头进行金相实验，焊缝中心金相组织如图3所示，焊缝中心的组织主要为针状铁素体（AF）和粒状贝氏体（GB），针状铁素体以“篮筐编结”状态的存在，细小粒状贝氏体分布于其基体上，可有效的碍裂纹的扩展，提高其强韧性。

[0055] 表6焊接接头的力学性能

[0056]

[0057] 实施例4

[0058] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.040%，Mn1.900%，Mo0.800%，Ti0.400%，B0.008%，Ni1.400%，Cu0.300%，Si0.010%，Nb0.030%，Cr0.400%，Re0.250%，P0.003%，S0.001%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0059] 焊接试板坡口采用I型坡口(坡口60±3°)，采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对其进行对接双面埋弧焊，焊接工艺参数如表7所示。

[0060] 表7焊接工艺参数

[0061]

[0062] 对焊接接头的力学性能进行测试，结果如表8所示。

[0063] 表8焊接接头的力学性能

[0064]

[0065]

[0066] 实施例5

[0067] 选用去除铁锈的纯铁为焊丝钢在真空感应电炉中进行钢锭冶炼、精炼得到冶炼焊丝材料；锻造成方坯，去除表面黑皮及裂纹等表面缺陷；将方坯轧制成盘条，进行拉拔（拉拔步骤：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝）制成焊丝。该焊丝按质量百分比由以下组分组成：C0.050%，Mn1.900%，Mo0.600%，Ti0.300%，B0.010%，Ni1.300%，Cu0.200%，Si0.020%，Nb0.020%，Cr0.100%，Re0.200%，P0.004%，S0.002%，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100%。

[0068] 焊接试板坡口采用Y型坡口(坡口60±3°)，采用上述焊丝，配合烧结焊剂SJ101作为焊接材料，使用MZ-1000型自动焊机对其进行对接双面埋弧焊，焊接工艺参数如表9所示。

[0069] 表9焊接工艺参数

[0070]

[0071] 对焊接接头的力学性能进行测试，结果如表10所示。

[0072] 表10焊接接头的力学性能

[0073]

[0074] 现阶段，埋弧焊主要采用H08C焊丝和H03Mn焊丝，当其与烧结焊剂SJ101匹配进行埋弧焊接贝氏体钢时，焊接接头的平均力学性能见表11所示。本发明焊丝力学性能与表11所示结果相比较，在延伸率和断面收缩率方面基本持平，采用本发明焊丝焊接的焊缝平均抗拉强度最低为793Mpa，平均冲击韧性值最小为174J，而采用H08C焊丝和H03Mn焊丝焊接得到的平均抗拉强度分别为763Mpa、792Mpa，冲击韧性为别为113J、137J，可见本发明焊丝埋弧焊接贝氏体钢时，具有优异的综合性能，可以保证其在工业领域的应用。

[0075] 表11现有埋弧焊丝焊接接头的力学性能

[0076]