一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝及焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝及焊接方法，涉及焊接技术领域，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明专利技术所采用的锰‑镍成分设计与高锰低温钢母材有良好的相容性，且成分简单、适用于常规的焊丝制造方法，焊丝所形成的焊缝金属在‑196℃的低温下具有优良的冲击韧性，很好的满足了高锰低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊接的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝及焊接方法
本专利技术涉及焊接
，特别是涉及一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝及焊接方法。
技术介绍
液化天然气（沸点-162℃）、液氧（沸点-183℃）和液氮（沸点-196℃）等物质的储存及运输需要在低温条件下服役的结构材料，主要力学性能要求是在低温下具有足够的冲击韧性。作为常用的低温钢，9%Ni钢和Cr-Ni奥氏体不锈钢等材料都需要添加大量昂贵的镍元素，因此成本高。近年来，高锰低温钢作为一种前沿的新型低温材料受到广泛关注，其专用配套焊材开发也是极为重要的工作。埋弧焊接方法由于自动化程度高、焊接质量可控，以及焊接效率高等优点广泛应用于液化天然气储罐等结构的焊接。高锰低温钢的锰含量为24%左右，组织类型为奥氏体，在没有专用配套焊丝的情况下，通常使用9%Ni钢的焊丝作为替代，如ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4等。这些焊材的镍含量高达50%以上，因而价格昂贵。从另一方面考虑，母材与焊材成分中锰和镍的差异过大，不利于焊接接头熔合线附近组织与性能的控制。随着高锰低温钢的开发日渐成熟，近年来也出现了专为高锰低温钢设计的焊材。专利CN201710194206公开了一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，锰含量为23～26%。专利CN201710194314公开了一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝，锰含量为24～26%。韩国浦项也为高锰钢开发了专用的高锰焊材产品，锰含量为22%左右。这些高锰焊材具有合金成本低的优势显著，但由于高含量锰元素在焊接过程中容易形成有毒性的锰挥发，需要专用焊接设备，使用难度大。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。技术效果：本专利技术采用复合添加锰和镍的合金设计，降低了镍等昂贵元素含量，因而降低了焊丝的合金成本；同时将锰元素控制在一定含量以内，避免了过高锰含量在焊接过程中形成有毒性锰挥发，因而降低了焊丝的使用难度。所采用的锰-镍成分设计与高锰低温钢母材有良好的相容性，且成分简单、适用于常规的焊丝制造方法。焊丝所形成的焊缝金属在-196℃的低温下具有优良的冲击韧性，很好的满足了高锰低温钢用于建造液化天然气储罐等设备时对焊接的要求。本专利技术进一步限定的技术方案是：进一步的，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，W：2%～4%，Mo：0.1%～1.2%，Ti：0.01%～0.2%，Nb：0.01%～0.2%，N：0.02%～0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。前所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其化学成分及质量百分比如下：C：0.29%，Mn：14.1%，Ni：17%，Cr：3.1%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。前所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%，Mn：15%，Ni：16%，Cr：5%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。前所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其化学成分及质量百分比如下：C：0.4%，Mn：12%，Ni：20%，Cr：2%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。前所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其化学成分及质量百分比如下：C：0.27%，Mn：13.8%，Ni：17.5%，Cr：3%，W：3.2%，Mo：0.6%，Ti：0.04%，Nb：0.05%，N：0.06%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。本专利技术的另一目的在于提供一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝焊接方法，采用直径为2～4mm的焊丝，采用埋弧焊法，焊接厚度为15～30mm、Mn含量大于20%的高锰低温钢板，坡口为V型，焊接电流为400～560A，电弧电压为25～32V，单侧坡口角度为30°，焊接速度为30～55cm/min，焊接热输入为16～23kJ/cm。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术应用于高锰低温钢焊接，与现有的高镍（镍的质量百分数为50%以上）焊材相比成本降低三分之二以上，成本优势显著，能够大幅度降低高锰低温钢用于建造液化天然气储罐等设备的焊接成本；（2）本专利技术采用了Mn、Ni为主要合金元素的化学成分设计，获得了稳定的奥氏体组织，Ni能够显著提高奥氏体稳定性，而且不容易形成有害碳化物或是以偏聚形式弱化晶界，此外还能够改善焊接接头低温冲击性能，是非常理想的低温钢焊材合金元素；但是，Ni的价格昂贵，大量添加将使得材料成本显著增加，因此考虑将Ni含量降低，但当Ni含量过低时，不仅起不到足够的稳定奥氏体的效果，而且也不利于改善焊接接头性能；因此，本专利技术焊丝中的Ni含量控制在16～20%，与现有的低温钢高Ni焊丝相比Ni含量降低三分之二以上，大大降低了合金成本；（3）本专利技术中为了弥补N元素降低造成的奥氏体稳定性降低，需要配合添加其他的奥氏体稳定化合金元素，作为一种非常有效的Ni的替代元素，Mn也具有很强的稳定奥氏体的作用，同时也能够以固溶强化方式提高奥氏体的强度；在本专利技术中，含量12%及以上的Mn配合其他元素能够获得稳定的奥氏体组织，在-196℃仍然能够保持晶体结构稳定；但是，含量过高的Mn容易在晶界偏聚并弱化晶界，从而降低低温冲击韧性，更为重要的是，Mn元素过高容易在熔融金属状态下形成Mn蒸气挥发，严重损害焊接施工人员身体健康，造成环境污染；真空脱气实验结果表明，Mn的质量百分数为15%及以下时，熔融状态的焊丝金属在3mbar真空度下脱气10min后，Mn的质量百分数降低不超过0.2%，挥发现象不明显，而当Mn的质量百分数高于22%时，同样条件的真空脱气处理后，Mn挥发现象严重，Mn含量过高时其质量百分数降低可能超过1%；因此，本专利技术将Mn含量控制在15%及以下，能够显著减少焊接过程中熔融金属的Mn挥发，提高了焊丝的易使用性；同时，与采用高镍成分设计的现有焊丝相比，本专利技术采用的中高锰成分设计，更接近高锰钢母材的化学成分，因此降低了焊接接头的锰元素浓度梯度，从而减小了焊接熔合线附近组织与性能变化，焊丝与母材成分具有良好的相容性；（4）本专利技术中Cr也能够降低马氏体转变温度，同时也能够产生固溶强化效果，2%及以上的含量能够在本专利技术中发挥作用，但是当本专利技术中Cr含量大于5%时，容易在晶界处形成粗大碳化物析出并降低晶界强度，从而降低冲击韧性；（5）本专利技术中C具有显著的降低马氏体转变温度、提高奥氏体稳定性的效果，而且具有显著的固溶强化效果，但含量过高时将导致过高的强化效果以及粗大碳化物析出，从而降低冲击韧性，因此，本专利技术将C含量控制在0.2～0.4%的最佳范围；（6）本专利技术严格控制P与S的含量，这两种元素在晶界偏聚会导致焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，严重降低焊缝金属及焊接接头的低温冲击韧性，S还会与Mn形成MnS，恶化焊缝金属力学性能，因此，本专利技术要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%～0.4%，Mn：12%～15%，Ni：16%～20%，Cr：2%～5%，P≤0.004%，S≤0.002%，W：2%～4%，Mo：0.1%～1.2%，Ti：0.01%～0.2%，Nb：0.01%～0.2%，N：0.02%～0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.29%，Mn：14.1%，Ni：17%，Cr：3.1%，P≤0.004%，S≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的一种用于高锰低温钢埋弧焊接的焊丝，其特征在于，其化学成分及质量百分比如下：C：0.2%，M...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，李东晖，尹雨群，
申请(专利权)人：南京钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32