适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝及其应用
阅读说明：本技术 适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝及其应用 (Flux-cored wire for ultralow-temperature high manganese steel suitable for all-position welding and application thereof ) 是由 陈成 汪昌红 包润新 汪涛 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及焊接材料技术领域,尤其涉及一种适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝及其应用；该药芯焊丝包括碳钢钢带和药芯,碳钢钢带为SPCC钢带,药芯中各组分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：大理石2～6％,钛酸钾2～6％,氟化钠0.5～2.5％,金属锰60～70％,金属铬6～8％,氮化铬铁4～8％,镍粉8～12％,钼粉2～6％,钒铁1～2％,铜粉1～2％,氧化铋0.2～0.4％,石墨0.5～1.5％,余量为铁粉,药芯焊丝在焊接时的保护气体为：80％Ar+20％CO-(2)的混合气。本发明提供的药芯焊丝,采用低成本的C-Mn-Cr-Ni-N合金体系设计,在-196℃及更低温度下力学性能优异,能显著降低成本,且能实现全位置焊接,焊接接头综合性能好。(The invention relates to the technical field of welding materials, in particular to a flux-cored wire for ultralow-temperature high-manganese steel suitable for all-position welding and application thereof; the flux-cored wire comprises a carbon steel strip and a flux core, wherein the carbon steel strip is an SPCC steel strip, and the flux core comprises the following components in percentage by mass: 2-6% of marble, 2-6% of potassium titanate, 0.5-2.5% of sodium fluoride, 60-70% of manganese metal, 6-8% of chromium metal, 4-8% of chromium nitride, 8-12% of nickel powder, 2-6% of molybdenum powder, 1-2% of ferrovanadium, 1-2% of copper powder, 0.2-0.4% of bismuth oxide, 0.5-1.5% of graphite and the balance of iron powder, wherein the protective gas of the flux-cored wire during welding is as follows: 80% Ar + 20% CO 2 The mixed gas of (1). The flux-cored wire provided by the invention adopts a low-cost C-Mn-Cr-Ni-N alloy system design, has excellent mechanical property at the temperature of-196 ℃ and lower, can obviously reduce the cost, can realize all-position welding, and is a welding joint healdThe combination property is good.)
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝及其应用。
背景技术
随着现代工业的发展，世界上的能源消耗越来越多的集中在气态能源上，尤其是天然气，天然其是清洁、方便、高效的先进能源，当前用于液化天然气(LNG)储存和运输的低温钢工作温度为-196℃，使用量最大的是9Ni钢，由于镍元素的价格昂贵，使得9Ni钢的冶炼和使用成本大大提高。
超低温高锰钢与9Ni钢具有相同的物理冶金特点，且具有高性能(抗裂性优异)、低成本的优势，是今后替代9Ni钢，作为LNG储罐用钢极具竞争力的首选材料，已成为世界各国的研究热点。面对超低温高锰钢如此庞大的市场需求，能与超低温高锰钢相匹配、具有良好焊接工艺性能、力学性能、服役性能的焊材具有非常好的市场前景，LNG储罐制造过程中应用最多的焊接位置是3G(立焊)和4G(仰焊)位置，需要所使用的焊材适用于全位置焊接。目前，市场上未见到适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝，这将是实现高效率焊接超低温高锰钢的瓶颈之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝，包括碳钢钢带和药芯，所述药芯中各组分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：大理石2～6％，钛酸钾2～6％，氟化钠0.5～2.5％，金属锰60～70％，金属铬6～8％，氮化铬铁4～8％，镍粉8～12％，钼粉2～6％，钒铁1～2％，铜粉1～2％，氧化铋0.2～0.4％，石墨0.5～1.5％，余量为铁粉。
较佳地，所述药芯的质量占药芯焊丝总质量的35～45％。
较佳地，所述钛酸钾中TiO2的质量百分比为50～60％，K2O的质量百分比为17～19％。
较佳地，所述氮化铬铁中Cr的质量百分比大于60％，N的质量百分比大于5％。
较佳地，所述钒铁中V的质量百分比大于50％。
较佳地，所述碳钢钢带为SPCC钢带。
本发明提供的适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺值得。
本发明还提供应用上述的适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝的方法，该药芯焊丝在焊接时的保护气体为80％Ar和20％CO2的混合气体。
进一步地，该药芯焊丝在平焊位置焊接时焊接电流为200～220A，焊接电压为28～30V。
进一步地，该药芯焊丝在横焊位置焊接时焊接电流为160～180A，焊接电压为26～28V。
进一步地，该药芯焊丝在立焊和仰焊位置焊接时焊接电流为120～140A，焊接电压为22～24V。
本发明适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝的设计原理是：通过低成本的C-Mn-Cr-Ni-N成分体系设计，采用金属粉芯合金过渡，形成的焊缝金属中Mn含量为20～25％，在-196℃及更低温度下力学性能优良。本发明中含有适量钛酸钾，可确保焊接电弧的稳定性和具有良好的全位置焊接工艺适用性；通过加入适量Ni、N进一步稳定奥氏体组织，以提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性；Cr、Mo的加入，可形成碳化物或氮化物，以提高焊缝强度，Mo还能缩小固液共存区间，可以有效抑制热裂纹产生；通过向焊缝金属中加入微量的合金元素，如V、Cu等，可以使焊缝金属的晶粒细化，既可提高焊缝金属的强度和韧性，又可改善其抗裂性能。
大理石的主要成分是CaCO3，其主要作用是提高焊接电弧挺度，可大大降低富氩气体保护焊接时电弧的分散度，提高焊接熔深和母材的熔合；当药芯中加入量少于2％时焊接电弧分散，熔深浅，且容易引起焊缝与母材熔合不良，加入量高于6％时，飞溅增大。
钛酸钾主要成分是TiO2和K2O，起造渣和稳弧作用，减少焊接飞溅，改善熔渣流动性和覆盖性，有利于焊丝的全位置焊接工艺；钛酸钾加入量以2～6％为宜，加入量太低，焊接电弧稳定性和全位置焊接工艺性变差。
氟化钠熔点较低，可降低熔渣的共熔点，降低熔渣的粘度和表面张力，有利于改善焊缝脱渣性和焊缝表面成形；氟化钠在高温下分解产生HF气体，起到焊缝去氢和提高抗压痕的作用，其加入量大于2.5％时，焊接飞溅增大，熔渣变稀，使焊丝的全位置焊接工艺变差；加入量少于0.5％时去氢能力不足，容易出现气孔压痕。
金属锰中Mn是扩大奥氏体区和稳定奥氏体组织的元素，当焊缝金属中Mn含量大于20％时能够形成完全奥氏体组织，低温脆性转变温度消失，提高焊缝金属低温冲击韧性；金属锰还可以参与脱氧，用于降低焊缝金属的含氧量，增加焊缝金属强度和抗裂性，金属锰最佳添加量为60～70％。
金属铬和氮化铬铁中Cr可与C形成碳化物，起到弥散强化和固溶强化作用，提高焊缝金属强度；N是扩大奥氏体区和稳定奥氏体组织的元素，可以提高焊缝金属低温冲击韧性；同时作为固溶强化元素，可与Cr、Mo、V形成氮化物，可提高焊缝金属强度而并不显著损害焊缝金属的塑性和韧性；金属铬加入量以6～8％为宜，氮化铬铁加入量以4～8％为宜。
镍粉中Ni是形成和稳定奥氏体组织的元素，可降低脆性转变温度，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。
钼粉中Mo可形成碳化物或氮化物，以提高焊缝强度，Mo还能缩小固液共存区间，可以有效抑制热裂纹发生。
V是强碳化物形成元素，可以形成特殊碳化物，细化奥氏体晶粒，提高焊缝金属强度和韧性。
Cu是固溶强化和沉淀强化元素，能提高焊缝金属的强度；其加入量大于2％时，对抗裂性不利，铜粉加入量以1～2％为宜。
氧化铋的作用是改善脱渣性，氧化铋加入量以0.2～0.4％为宜。
C是奥氏体化元素，同时C能与Cr、Mo、V形成碳化物，以提高奥氏体焊缝金属的强度。
本发明焊接的超低温高锰钢熔敷金属化学成分为：C：0.3～0.45％，Si≤0.5％，Mn：20～25％，Cr：2～6％，Ni：2～6％，Mo：0.5～2.0％，Cu：0.1～0.2％，N：0.1～0.2％，V≤0.2％，S≤0.015％，P≤0.015％。
当熔敷金属中C含量小于0.3％时，焊缝强度不能够满足要求；当熔敷金属中C含量大于0.45％时，焊接时可能会产生裂纹，并使冲击韧性降低。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明提供的药芯焊丝，采用低成本的C-Mn-Cr-Ni-N合金体系设计，用金属粉芯合金过渡，形成的焊缝金属中Mn含量为20～25％，在-196℃及更低温度下力学性能优异，配套焊材的Ni含量显著降低，极大的降低了使用成本；
2)本发明提供的药芯焊丝，其熔敷金属和焊接接头综合性能好，抗拉强度≥700MPa；屈服强度≥500MPa；伸长率≥30％；在-196℃条件下，Akv≥80J；
3)本发明提供的药芯焊丝，具有优良的焊接工艺性能，适用于全位置焊接，适用性广。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝，包括碳钢钢带和药芯，碳钢钢带优选SPCC钢带，药芯的质量为药芯焊丝总质量的35～45％，所述药芯中各组分及其在药芯中所占的质量百分比含量为：大理石2～6％，钛酸钾2～6％，氟化钠0.5～2.5％，金属锰60～70％，金属铬6～8％，氮化铬铁4～8％，镍粉8～12％，钼粉2～6％，钒铁1～2％，铜粉1～2％，氧化铋0.2～0.4％，石墨0.5～1.5％，余量为铁粉。
进一步地，所述钛酸钾中TiO2的质量百分比为50～60％，K2O的质量百分比为17～19％。
进一步地，所述氮化铬铁中Cr的质量百分比大于60％，N的质量百分比大于5％。
进一步地，所述钒铁中V的质量百分比大于50％。
本发明提供的适用于全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝采用常规药芯焊丝制造工艺值得。
应用上述药芯焊丝的焊接方法为，采用80％Ar+20％CO2的混合气为保护气体，在平焊位置焊接时，焊接电流为200～220A，焊接电压为28～30V；在横焊位置焊接时，焊接电流为160～180A，焊接电压为26～28V；在立焊和仰焊位置焊接时焊接电流为120～140A，焊接电压为22～24V。
通过具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1-3为3中不同配方的药芯焊丝，编号为1#、2#、3#，表1为药芯配方和焊接工艺性能评价，表2为药芯焊丝熔敷金属的力学性能，表3为熔敷金属的化学成分表。
表1药芯配方(质量百分比)和焊接工艺性能
实施例编号
1#
2#
3#
大理石
4
4
3
钛酸钾
5
4
2
氟化钠
0.5
1
1.3
金属锰
63
60
65
金属铬
6.5
7
6
氮化铬铁
4.5
6
7
镍粉
9
11
8
钼粉
3
2
4
钒铁
1.5
1
1.5
铜粉
1.5
2
1
氧化铋
0.3
0.4
0.2
石墨
0.6
1.2
1
铁粉
0.6
0.4
0
药芯填充率
40
38
42
焊接工艺性能评价
良好
良好
一般
表2熔敷金属的力学性能
表3熔敷金属的化学成分
由表1、表2和表3可以看出，本发明提供的全位置焊接的超低温高锰钢用药芯焊丝熔敷金属和焊接接头综合性能：抗拉强度≥700MPa；屈服强度≥500MPa；伸长率≥30％；在-196℃条件下，Akv≥80J；全位置焊接工艺性能优良，能完全满足超低温高锰钢力学性能要求和焊接位置要求。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。
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