專利名稱：用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲，更具體而言，本發明涉及用于具有大于620MPa的試驗應力的高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲。
背景技術：
近來，鋼建筑物因為它們變得比以前更大而要求減輕重量，高抗拉強度鋼的使用滿足了這種要求。對于適合低溫韌性的焊接材料的需求在日益增加，所述低溫韌性是在海工建筑物和壓力容器的領域中必需的。這種焊接材料被設計成用于保護電弧焊和埋弧焊。然而，這些焊接方法仍然存在效率、可操作性、焊接位置等問題。這種情況已經導致需要滿足高效率、低溫韌性和良好的可操作性的需求的粉芯焊絲。
迄今為止已經研制了各種類型的粉心焊絲。其中之一是日本專利公開號H9-253886中公開的用于高抗拉強度鋼(具有690MPa的抗拉強度)的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲。所述粉芯焊絲包含具有指定量的TiO2、金屬氟化物、鎂和其它合金組分，所以在長時間的PWHT(焊后熱處理)后不但提供良好的焊接可操作性而且提供良好的高溫強度和低溫韌性。
在日本專利公開號H3-47695中公開了另一種用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲。所述粉芯焊絲含有主要由TiO2、MgO和MnO組成的二氧化鈦型焊劑，其中TiO2/MgO比率和合金組分的含量被適當地規定，使其提供良好的焊接可操作性和韌性。
在日本專利公開號H8-174275公開了又一種用于高抗拉強度鋼(具有大于680N/mm2的抗拉強度)的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲。由于它具有適當含量的合金組分和Ta，盡管熱量輸入范圍寬，但其允許有效率地操作并且提供與基體金屬相當的良好韌性和高強度。

發明內容
根據在-30至-40℃的夏氏沖擊值測試所有上述專利文件中公開的焊絲的低溫韌性。這種測試溫度并不適于經受極低溫度的海工建筑物和其它建筑物。在更低溫度比方說-60℃的測試是必不可少的。在上述專利文件中均沒有提到低溫(約-60℃)韌性。
在日本專利公開號H9-253886和H3-47695中公開的焊絲包含大量造渣劑以致在焊接時產生大量熔渣。這需要清除熔渣的額外步驟，從而降低了焊接效率。盡管Ti是在焊接時產生熔渣的一種組分并且對焊接效率起著重要作用，但是日本專利公開號H8-174275規定了用于提高焊接效率的金屬粉末的量，而沒有規定Ti含量。
迄今為止，沒有人成功研制這樣的用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲，所述粉芯焊絲在非常低的溫度下具有良好的韌性和抗裂性，并且還可以提高焊接可操作性。
本發明是考慮到前述而完成的。本發明的一個目的是提供新的用于具有大于620MPa的試驗應力的高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲。所述粉芯焊絲將在極低溫度比方說約-60℃下的良好抗裂性和良好低溫韌性賦予焊接金屬，并且還具有優異的焊接可操作性。
本發明涉及用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲，所述粉芯焊絲包含基于焊絲總量的C0.04至0.11質量％，Si0.40至0.75質量％，Mn1.30至2.50質量％，Ni0.10至2.50質量％，Cr0.10至1.00質量％，Mo0.10至1.00質量％，Ti0.06至0.30質量％，Fe不小于90質量％，N不大于0.0150質量％，
在[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]和[Ti]分別表示C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo和Ti的各自含量的情況下，表示包層和粉芯中總量的以質量％計的每種組分含量滿足下式F(x)＝-576.9[C]+34.1[Si]+80.1[Mn]+1.5[Ni]-22.8[Cr]-6.8[Mo]-83.1[Ti]≥100。
前述含量表示組成加入焊絲的化合物的規定元素的量。例如，從加入焊絲的SiO2(等)的量計算Si含量。
<本發明的效果>
根據本發明，用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲將甚至在極低溫度比方說約-60℃下也優異的低溫韌性和抗裂性賦予焊接金屬。所述粉芯焊絲還具有優良的焊接可操作性和工作效率。


圖1是顯示F(x)值和在-60℃的夏氏沖擊值(vE-60℃(J))之間關系的圖。
具體實施例方式
以下將更詳細地描述本發明。為解決上述問題，本發明的發明人研究了有效提高低溫韌性的粉芯焊絲的合金組分。作為結果，他們發現焊絲中的合金組分的量和焊接金屬的低溫韌性之間存在關系。顯然，焊接金屬的低溫韌性取決于合金組分的共同作用。研究了單個合金組分對低溫韌性的影響并將其經驗性地公式化。結果如下所示。
換句話說，焊絲中的合金組分的量和焊接金屬的低溫韌性之間的關系由下式表示。
F(x)＝-576.9[C]+34.1[Si]+80.1[Mn]+1.5[Ni]-22.8[Cr]-6.8[Mo]-83.1[Ti]≥100其中[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]和[Ti]分別表示焊絲中C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo和Ti的含量。只有F(x)值不小于100，焊絲才將在極低溫度比方說約-60℃下優異的低溫韌性賦予焊接金屬。
當在焊絲中增加C、Cr、Ti和Mo含量(特別是C和Ti的含量)時，由高抗拉強度鋼(具有高于620MPa的試驗應力)焊接形成的焊接金屬的韌性趨向于降低。
Ti含量的增加導致焊接金屬中固溶體Ti含量的增加，從而導致在再熱部分(或通過后續途徑加熱的焊接金屬部分)中TiC的析出。TiC的析出加劇了成核能力，從而使得層(course)板條狀貝氏體占優勢，這導致韌性的明顯降低。增加C含量產生島狀馬氏體從而降低韌性。
相反，Si、Mn和Ni趨向于增加韌性。特別是，Si和Mn降低焊接金屬中的氧含量，從而對韌性有貢獻。
只有焊絲包含在根據上述發現的合適量中適當選擇的合金組分時，本發明才產生其效果。由于如下原因對合金組分進行選擇并量化。如下給出的每種組分的含量以焊絲總量(質量％計)作為基礎。根據本發明的粉芯焊絲由鋼包層和其中的粉芯組成，并且包層和芯中的一個或兩個包含任何如下組分。
C0.04至0.11質量％C是對焊接金屬的強度影響很大的組分。在小于0.04質量％的量的情況下，得不到大于620MPa的試驗應力。因此，C的量應該不小于0.04質量％，更優選不小于0.06質量％。在大于0.11質量％的量的情況下，使得焊接金屬對冷裂非常敏感。因此，C的量應該不大于0.11質量％，更優選不大于0.10質量％。
Si0.40至0.75質量％Si起著脫氧劑的作用，即降低焊接金屬的氧含量，并且保持焊接金屬的強度。在小于0.40質量％的量的情況下，脫氧進行得不徹底，從而產生氣泡和差的韌性。因此，Si的量應該不小于0.40質量％，更優選不小于0.50質量％。在大于0.75質量％的量的情況下，產生與基體金屬不相容的粘滯性焊接金屬，從而降低焊接可操作性。因此，Si的量應該不大于0.75質量％，更優選不大于0.60質量％。
Mn1.30至2.50質量％Mn類似Si起著脫氧劑的作用。它還提高焊接金屬的韌性。在小于1.20質量％的量的情況下，脫氧進行得不徹底，產生氣泡和差的韌性。因此，Mn的量應該不小于1.30質量％，更優選不小于1.80質量％。在大于2.50質量％的量的情況下，強度增加但是使得焊接金屬對冷裂更敏感。因此，Mn的量應該不大于2.50質量％，更優選不大于2.10質量％。Ni0.10至2.50質量％Ni是對焊接金屬的強度和韌性影響很大的組分。在小于0.10質量％的量的情況下，對充分提高韌性沒有幫助。因此，Ni的量應該不小于0.10質量％，更優選不小于0.50質量％。在大于2.50質量％的量的情況下，易于導致熱裂。因此，Ni的量應該不大于2.50質量％，更優選不大于2.00質量％。
Cr0.10至1.00質量％Cr總是對強度有貢獻。在小于0.10質量％的量的情況下，得不到足夠的強度。因此，Cr的量應該不小于0.10質量％。在大于1.00質量％的量的情況下，強度增加很大，但降低韌性并導致冷裂。因此，Cr的量應該不大于1.00質量％，更優選不大于0.60質量％。
Mo0.10至1.00質量％Mo總是對強度有貢獻，減小粒度并提高低溫韌性。在小于0.10質量％的量的情況下，得不到足夠的強度，也不產生晶粒細化的作用，從而導致低韌性。因此，Mo的量應該不小于0.10質量％，更優選不小于0.20質量％。在大于1.00質量％的量的情況下，導致明顯的硬化，從而降低韌性。因此，Mo的量應該不大于1.00質量％，更優選不大于0.60質量％。
Ti0.06至0.30質量％Ti減小粒度，但是在其過量存在時產生熔渣。在小于0.06質量％的量的情況下，不能根據需要減小粒度，從而導致差的低溫韌性。因此，Ti的量應該不小于0.06質量％，更優選不小于0.10質量％。在大于0.30質量％的量的情況下，產生熔渣，需要清除熔渣的額外步驟，從而降低生產效率。因此，Ti的量應該不大于0.30質量％，更優選不大于0.25質量％。
順帶提到，應該優選以金屬或合金(如Fe-Ti)的形式添加Ti。以氧化物形式添加的Ti產生大量熔渣，其清除需要額外步驟，從而降低生產效率。相反，以金屬或合金形式添加的Ti產生極少溶渣，從而可以有效進行平焊或水平位置焊接。
N不大于0.015質量％
在本發明中不主動加入N。然而，粉芯焊絲包含一定含量的來自焊劑原料的N。在大于0.015質量％的量的情況下，趨向于產生氣泡。因此，N的量應該不大于0.015質量％，更優選不大于0.010質量％。
根據本發明的粉芯焊絲的上述組分的余量主要由存在于鋼包層和其中的焊劑中的Fe合金(如Fe-Si、Fe-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo和Fe-Ti)和來源于鐵粉的Fe組成。Fe占焊絲總量的高于90質量％，更優選高于93質量％。大于90質量％的Fe含量提供高的沉積率。此外，根據本發明的粉芯焊絲可以額外包含堿金屬氟化物和氧化物、堿土金屬氟化物和氧化物、B、Al、Mg等。
合金元素的含量由下式規定。
F(x)＝-576.9[C]+34.1[Si]+80.1[Mn]+1.5[Ni]-22.8[Cr]-6.8[Mo]-83.1[Ti]≥100該式表示焊接金屬的低溫韌性對合金元素含量的依賴關系。它是通過對由數十個焊絲樣品得到的焊接金屬進行夏氏沖擊測試(在-60℃)而統計得到的，每個焊絲樣品包含如下規定的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Ti、Fe、N和其它。
C0.03至0.15質量％，Si0.32至0.89質量％，Mn1.18至2.65質量％，Ni0.04至2.75質量％，Cr0.05至1.20質量％，Mo0.04至1.21質量％，Ti0.03至0.36質量％，Fe92.1至96.1質量％，N0.0010至0.0150質量％，其它0.10至3.25質量％(其它包括B、Na、F、K、Li、Al、Ca、Mg、P和S)。
F(x)值與焊接金屬的低溫韌性成比例。在每種合金元素的含量之前的因數表示每種合金元素對焊接金屬的低溫韌性的影響程度。換句話說，該因數越大，合金元素對低溫韌性的影響越大，反之亦然。負因數表示與其涉及的合金元素對低溫韌性具有負面影響。在使用數十個焊絲樣品的實驗中，根據合金元素對與其量成比例的低溫韌性提高的貢獻的多少，確定式F(x)中的因數。
得到每個焊絲樣品的F(x)值，將其作為在適當調整每種合金元素的量時得到的低溫韌性的指數，并且將由此得到的值對樣品在-60℃的夏氏沖擊值(簡寫為vE-60℃)作圖。結果示于圖1中。從圖1中注意到，在F(x)和vE-60℃之間存在線性關系。在F(x)≥100的區域中vE-60℃≥50J的值表明良好的低溫韌性。從而證實F(x)值可以準確預測用于高強度鋼的氣體保護電弧焊用粉芯焊絲的組成和由其形成的焊接金屬的低溫韌性之間的關系。
根據本發明的粉芯焊絲應該包含其量為10至30％的足夠用于普通粉芯焊絲的焊劑。小于10％的量對于焊劑而言太少，以至于本身不能供給必需的合金元素。從包層中添加合金元素導致原料成本的增加。此外，和合金元素的結合提高包層強度，從而降低焊絲的可拉絲性，這對生產成本不利。相反，含有大于30％的過量焊劑的焊絲的包層薄，從而具有差的可拉絲性(頻繁斷裂)，這對生產成本不利。
實施例參考如下實施例和比較例更詳細地描述本發明。在這些實施例中的焊接是在下表1所示的條件下進行的。樣品焊絲的組成和F(x)值示于表2中。樣品焊絲的包層的組成示于表3中。表2中所示的樣品焊絲具有如表4所示的兩種包層(A和B)中的任一種。包層(A和B)的組成示于表3中。在如表1所示的焊接條件下制備HT780鋼的焊接金屬。將焊接金屬切割以制備分別用于根據JIS Z3111 No.A1和No.A4的拉伸測試和夏氏沖擊測試的試樣。下表5顯示試驗應力(在0.2％)測試、夏氏沖擊強度和焊接可操作性的結果。
如果由樣品焊絲形成的焊接金屬具有高于620MPa的試驗應力和高于50J的夏氏沖擊值(在-60℃)，則認為樣品焊絲令人滿意。
在焊接后放置96小時之后將它們的襯墊金屬切除的情況下，通過超聲波探傷(根據JIS Z3060)和磁粉探傷(根據JIS G0565)測試樣品的冷裂。在這種測試之后，在SEM下觀察斷裂表面。在將其襯墊金屬切除的情況下，還通過超聲波探傷(根據JIS Z3060)和射線照相檢查(根據JIS Z3104)測試樣品的熱裂。在這種測試之后在SEM下觀察斷裂表面。順帶提到，根據JIS Z3111進行拉伸測試和夏氏沖擊測試以測試焊接金屬。
如果使用樣品焊絲的焊接效率明顯不足，則將焊接可操作性評價為“差”。
表1(焊接條件)

表2(焊絲的組分)

表3

表4

表5(測試結果)

如表2所示，實施例1至14中的樣品焊絲符合本發明，比較例15至32中的樣品焊絲在本發明的范圍之外。
從表5注意到實施例1至14中的樣品焊絲具有高于620MPa的試驗應力(在0.2％)和大于50J的vE-60℃值，這些是足夠的強度和顯著的低溫韌性的指標，并且它們還具有優異的焊接可操作性和抗裂性。
順帶提到，表5包含“其它”一欄，用以僅指在所有被測試的樣品焊絲(樣品1至32)中遭受冷裂或熱裂的那些樣品焊絲。
相反，注意到在比較例15(其中C含量小于0.04質量％)和比較例23(其中Cr含量小于0.10質量％)中的樣品焊絲具有低于620MPa的試驗應力(在0.2％)，這是強度不足的指標。還注意到在比較例16(其中C含量大于0.11質量％)和比較例24(其中Cr含量大于1.00質量％)中的樣品焊絲具有過高的強度和降低的韌性并遭受冷裂。
注意到在比較例17(其中Si含量小于0.40質量％)和比較例19(其中Mn含量小于1.30質量％)中的樣品焊絲由于脫氧不足而含有許多氣泡。還注意到在比較例18(其中Si含量大于0.75質量％)中的樣品焊絲與基體金屬不相容，從而導致差的焊接可操作性。
注意到在比較例20(其中Mn含量大于2.50質量％)中的樣品焊絲具有過高的強度并遭受冷裂。
注意到在比較例21(其中Ni含量小于0.10質量％)中的樣品焊絲或比較例27(其中Ti含量小于0.06質量％)中的樣品焊絲由于晶粒細化不足而具有低韌性。相反，注意到比較例22(其中Ni含量大于2.50質量％)中的樣品焊絲遭受熱裂。
注意到比較例25(其中Mo含量小于0.10質量％)中的樣品焊絲由于晶粒細化不足而具有低強度(在0.02％的試驗應力小于620MPa)和低韌性。
注意到比較例26(其中Mo含量大于1.00質量％)中的樣品焊絲由于焊接金屬極度硬化而具有低韌性。
注意到比較例28(其中Ti含量大于0.30質量％)中的樣品焊絲由于清除從中產生的大量熔渣需要長時間而具有差的焊接可操作性。
注意到比較例29至32(其中F(x)值小于100)中的樣品焊絲具有差的低溫韌性(在-60℃的夏氏沖擊值小于50J)。
注意到比較例33(其中除Fe以外的元素的量大并且Fe的量小于90質量％)中的樣品焊絲由于大量熔渣并且由于其中產生的沉積金屬量的減少而具有差的焊接可操作性。
注意到比較例34(其中N的量大于0.015質量％)中的樣品焊絲含有氣泡。
如上所述，在符合本發明的實施例1至14中的樣品焊絲具有良好的低溫韌性、焊接可操作性和抗裂性。
權利要求
1.一種用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲，其包含基于焊絲總量的C0.04至0.11質量％，Si0.40至0.75質量％，Mn1.30至2.50質量％，Ni0.10至2.50質量％，Cr0.10至1.00質量％，Mo0.10至1.00質量％，Ti0.06至0.30質量％，Fe不小于90質量％，N不大于0.0150質量％，其中由[C]、[Si]、[Mn]、[Ni]、[Cr]、[Mo]和[Ti]分別表示的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo和Ti的各種含量滿足下式F(x)＝-576.9[C]+34.1[Si]+80.1[Mn]+1.5[Ni]-22.8[Cr]-6.8[Mo]-83.1[Ti]≥100。
全文摘要
用于高抗拉強度鋼的氣體保護電弧焊的粉芯焊絲包含0.04至0.11質量％的C、0.40至0.75質量％的Si、1.30至2.50質量％的Mn、0.10至2.50質量％的Ni、0.10至1.00質量％的Cr、0.10至1.00質量％的Mo、0.06至0.30質量％的Ti、不小于90質量％的Fe和不大于0.0150質量％的N。這些元素的含量滿足下式F(x)＝－576.9[C]＋34.1[Si] ＋80.1[Mn] ＋1.5[Ni]－22.8[Cr]－6.8[Mo]－83.1[Ti]≥100。具有高于620MPa的試驗應力的粉芯焊絲將在約－60℃的極低溫度的良好的抗裂性和良好的低溫韌性賦予焊接金屬，并且還具有優異的焊接可操作性。
文檔編號B23K35/30GK1962161SQ20061013205
公開日2007年5月16日 申請日期2006年10月23日 優先權日2005年11月7日
發明者日高武史, 岡崎喜臣, 石田齊, 末永和之 申請人:株式會社神戶制鋼所