一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法技术

一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，其化学成分质量百分比为：C：0.04～0.09％，Si：0.3～1.0％，Mn：0.5～1.2％，P<0.02％，S<0.01％，Ti：0.15～0.5％，V：0.03～0.08％，Nb：0.02～0.06％，Ni：0.9～1.8％，Cu：0.3～0.9％，余量为Fe以及不可避免的杂质，且，需要同时满足：Si/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；Ti/192+V/51+Nb/93＝(0.5～1.0)C/12。本发明专利技术所述高韧性气体保护焊丝适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法
本专利技术涉及气体保护焊丝，特别涉及一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接。
技术介绍
熔化极气体保护自动焊接效率高、焊接质量稳定可靠、操作简便，综合成本低，在各个工业领域得到非常广泛的应用。在石油天然气长输管线建设中，环缝焊接是施工的关键环节，熔化极气体保护焊接的优点显得更加明显，并因此成为管道现场施工焊接的主流方法。由于焊缝金属属于典型的非平衡快速凝固柱状晶组织，不能如管体母材那样通过轧制形变提高性能，只能通过化学成分的调整保证性能，所以，与之相匹配的气体保护焊丝成分体系在很大程度上决定了焊接接头质量与性能。近期，在很多国外管线项目中，用户从苛刻条件下加速失效的角度出发，对管材供应商提出了针对供货钢管应用不超过0.25kJ/mm超低热输入进行熔化极气体保护自动焊接并评价接头性能的要求，以此结果判定钢管可焊性。从焊接工艺角度来讲，一般的实芯焊丝熔化极气体保护自动焊接热输入范围为0.5～1.5kJ/mm，而0.25kJ/mm的超低热输入属于极端苛刻的焊接工艺条件，必将造成焊缝金属加速冷却以及严重的非平衡固态相变，从而对焊缝金属组织产生不利影响，并造成其综合性能指标特别是韧性的下降。焊缝金属组织与性能的恶化同时将导致近邻的熔合区性能下降，这将影响到用户对钢管可焊性优劣的正确判断，甚至会给管材供应商带来重大损失。例如，针对API5LX70M管线钢管，采用低合金钢常用AWSA5.18ER70S-G气体保护实芯焊丝在0.25kJ/mm超低热输入条件下进行自动环缝焊接，由于焊后快速冷却淬硬作用以及从奥氏体向铁素体发生固态相变后碳溶解度迅速下降，焊缝金属微观组织表现为不均匀分布的条状马氏体以及大量团簇状M-A组元，这属于能够引起严重脆化的组织类型。相应的，焊缝金属韧性指标严重下降，主要表现为：-10℃冲击功单值甚至低于35J，CTOD断裂韧性值普遍低于0.1mm，个别低于0.05mm。如果采用管线钢管现场施工主流自动环焊工艺，冲击功一般不低于100J，CTOD值也在0.2mm以上。鉴于焊缝金属冶金特点及性能控制的特殊性，有必要开发适合于超低热输入自动焊接条件的气体保护专用焊丝，通过化学成分体系的优化，限制在非平衡快速冷却过程中条状马氏体的生成并减少团簇状M-A组元的数量，从而提高焊缝金属韧性，目标值设定为：-10℃冲击功单值不低于50J，均值不低于60J。当前，针对低合金钢和钢管熔化极气体保护焊接的焊丝公开专利很多，如：中国专利申请公开号CN101658983公开了一种能够用于大热输入焊接的低合金钢高韧性气体保护焊丝，通过添加Ti、Ca、Mg、Ba等微合金元素在熔池反应中形成大量细小复合氧化物，可以作为针状铁素体形核质点，同时净化焊缝金属。Mn、Cr、Mo可以保证焊缝金属强度。该焊丝成分设计简单，成本较低，焊缝金属综合性能良好。中国专利申请公开号CN101905390、CN102152025等公开的气体保护实芯焊丝，采用添加少量贵重元素Cr、Ni、Mo，适量添加Cu，并采用Ti微合金化，在常规条件下进行熔化极气体保护焊接，接头强度最高可以达到900MPa，并具有良好的冲击韧性，同时兼具了一定的经济性。本焊丝成分设计使其碳当量较高，在焊缝和附近热影响区出现了贝氏体基体上掺杂的马氏体组织。中国专利申请公开号CN101288925公开了一种抗裂性能好、熔敷金属具有较好的综合力学性能的气体保护实芯焊丝，焊丝成分体系在低碳基础上，添加适量Cr、Ni、Mo、Ti，辅以适当的焊接工艺规范，能够满足700MPa～800MPa结构钢常规焊接工艺条件下的熔化极气体保护焊接。中国专利申请公开号CN101172322、CN101116930、CN101992365等公开的气体保护实芯焊丝在C-Mn基础元素辅以适量Cr、Ni、Mo的基础上，采用Ti、B联合微合金化，部分添加了稀土金属，除了进化焊缝，还通过B以及稀土化合物对晶界的抑制作用组织晶粒长大，提高焊缝金属综合力学性能。中国专利申请号CN101733580、CN101913035的专利公开了用于高强钢焊接的熔化极气体保护焊丝，其成分体系在C-Mn基础元素辅以少量Cr、Ni、Mo的基础上，利用Ti-Zr联合微合金化，通过TiO、TiN、ZrO等高熔点粒子促进焊缝金属中针状铁素体形核，从而达到细化晶粒并提高焊缝综合力学性能的目的。综上所述，当前已经公开的商品化的气体保护焊丝都是基于常用的熔化极气体保护焊接工艺或大热输入焊接，焊接热输入基本不低于0.5kJ/mm，焊缝金属焊后冷却速度适中，在上述化学成分体系范围内不会造成焊缝金属组织异常并导致严重脆化。然而，如果将上述成分体系焊丝应用在前述海外管线钢管用户要求的不超过0.25kJ/mm的超低热输入气体保护焊接，则会如常用的AWSA5.18ER70S-G气体保护实芯焊丝一样，使焊缝金属出现条状马氏体和高碳不均匀分布的M-A组元，从而使焊缝金属严重脆化，冲击功和CTOD断裂韧性剧烈下降。所以，当前已有气体保护焊丝不能满足不超过0.25kJ/mm超低热输入气体保护焊接要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝及其焊接方法，适用于不超过0.25kJ/mm超低热输入自动焊接，采用低碳锰高硅成分体系，同时添加钛、钒、铌在低氧熔池环境下固碳固氮，在降低有效碳含量和碳当量的同时，降低了超低热输入焊接后快速冷却时的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元。适量添加的完全溶于基体的镍、铜具有面心立方晶格滑移变形能力强的特点，有助于提高焊缝金属韧性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：针对不超过0.25kJ/mm超低热输入气体保护自动焊接导致的热循环特点，结合各种合金元素对固态相变中淬硬行为与组织转变特点，本专利技术所述气体保护实芯焊丝采用较常规技术偏低的碳、锰以及较高硅成分设计，并同时添加钛、钒、铌强碳化物形成元素实现在低氧化势熔池环境下固碳固氮并形成复合碳氮化物，降低焊缝金属中有效碳含量和碳当量，从而降低了超低热输入焊接后快速冷却时的淬硬倾向，避免焊缝金属形成不均匀分布条状马氏体和高碳团簇状M-A组元，进而改善焊接接头韧性指标。快速冷却过程中形成的细小的钛、钒、铌的复合碳氮化物可以作为铁素体形核核心细化固态相变组织。适量添加的镍、铜能够完全固溶于焊缝金属基体，二者面心立方金属滑移系和滑移方向多的特点，能够提高焊缝金属基体韧性。具体的，本专利技术所述用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其化学成分质量百分比为：C：0.04～0.09％Si：0.3～1.0％Mn：0.5～1.2％P：<0.02％S：<0.01％Ti：0.15～0.5％V：0.03～0.08％Nb：0.02～0.06％Ni：0.9～1.8％Cu：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其化学成分质量百分比为：/nC：0.04～0.09％/nSi：0.3～1.0％/nMn：0.5～1.2％/nP：<0.02％/nS：<0.01％/nTi：0.15～0.5％/nV：0.03～0.08％/nNb：0.02～0.06％/nNi：0.9～1.8％/nCu：0.3～0.9％/n余量为Fe以及不可避免的杂质；且，需要同时满足：/nSi/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；/nTi/192+V/51+Nb/93＝(0.5～1.0)C/12。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于超低热输入自动焊接的高韧性气体保护焊丝，其化学成分质量百分比为：
C：0.04～0.09％
Si：0.3～1.0％
Mn：0.5～1.2％
P：<0.02％
S：<0.01％
Ti：0.15～0.5％
V：0.03～0.08％
Nb：0.02～0.06％
Ni：0.9～1.8％
Cu：0.3～0.9％
余量为Fe以及不可避免的杂质；且，需要同时满足：
Si/14+Mn/27.5+Ti/24＝0.06～0.12；
Ti/192+V/51+Nb/93＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，曹能，钱伟方，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31