一种实心焊丝及其制备方法和应用

1.本发明涉及焊材技术领域，尤其涉及一种实心焊丝及其制备方法和应用。


背景技术：

2.钢铁材料作为最重要的结构材料之一，在飞速发展的国民经济中扮演了举足轻重的角色。为了满足国家对于高端领域材料的特殊需求，新一代钢铁材料正向着低密度、高强高韧、节能减排和高安全性等方向发展。为了满足新一代钢铁材料在应用中所需要的连接技术，尤其是对于通过加入轻量化元素al(一般5％以上)以降低材料密度，同时加入适量mn、c等奥氏体稳定化元素，成为一种奥氏体轻质钢，兼具轻质化、高强塑韧性等多项高性能的fe-mn-al-c系合金钢，焊接材料的选择及其配套的焊接方法成了不可或缺的环节，气保焊是常用的焊接方法，但目前尚无适用于奥氏体轻质钢焊接的熔化极气体保护焊的实芯焊丝。
3.中国发明专利cn 111805120a公开了“一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝”，其成分质量百分数为：mn：22～26％,c：0.40～0.55％，si：0.30～0.70％，cr：2.5～5.0％，ni：1.5～4.0％，mo:1.0～3.0％，cu：0.20～0.90％，v：0.03～0.20％，p≤0.020％，s≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质，虽其焊丝所形成的熔敷金属在超低温具有高韧性，强度与低温奥氏体高锰钢相匹配，但这类焊丝用于焊接奥氏体轻质钢时，基体中al元素向焊缝中过渡而形成al2o3夹杂，导致焊缝力学性能严重降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种实心焊丝及其制备方法和应用，本发明提供的实心焊丝用于奥氏体轻质钢的熔化极气体保护焊，可以避免焊缝形成al2o3夹杂，得到力学性能优异的焊接头。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种实心焊丝，以质量百分比计，包括mn：23.5～25％，c：0.45～0.55％，si：1.55～1.80％，cr：2.55～3.85％，ni：1.50～3.50％，mo：0.1～0.8％，cu：0.50～1.00％，ca：0.01～0.05％，p≤0.005％，s≤0.003％，余量为fe。
7.优选的，包括mn：23.8～24.5％，c：0.48～0.55％，si：1.58～1.75％，cr：2.7～3.4％，ni：2.0～3.0％，mo：0.3～0.5％，cu：0.50～0.8％，ca：0.02～0.05％，p≤0.005％，s≤0.001％，余量为fe。
8.优选的，包括c：0.48％，mn：24％，si：1.62％，ni：2％，cr：3％，cu：0.5％，mo：0.5％，ca：0.02％，p≤0.002％，s≤0.001％，余量为fe。
9.优选的，包括c：0.55％，mn：23.8％，si：1.75％，ni：2.3％，cr：2.7％，mo：0.5％，cu：0.7％，ca：0.03％，p≤0.005％，s≤0.001％，余量为fe。
10.优选的，包括c：0.52％，mn：24.5％，si：1.58％，ni：3.0％，cr：3.4％，mo：0.3％，cu：0.8％，ca：0.05％，p≤0.005％，s≤0.001％，余量为fe。
11.本发明提供了上述方案所述实心焊丝的制备方法，包括以下步骤：
12.对应实心焊丝的组成进行配料，将各原料进行冶炼和浇铸，得到铸锭；
13.将所述铸锭进行锻造，得到焊丝原料；
14.将所述焊丝原料进行热轧，得到盘条；
15.将所述盘条进行退火拉拔，得到中间焊丝；
16.将所述中间焊丝进行镀铜，得到实心焊丝。
17.本发明提供了上述方案所述实心焊丝或上述方案所述制备方法制备得到的实心焊丝在奥氏体轻质钢的熔化极气体保护焊中的应用。
18.优选的，以重量百分比计，所述奥氏体轻质钢的化学组成包括：c为0.6～1.0％，mn为22～25％，al为5～8％，余量为fe；所述奥氏体轻质钢的力学性能满足：屈服强度rp
0.2
为440～500mpa，抗拉强度rm为700～850mpa，延伸率a≥40％，-40℃冲击功kv2≥120j；所述奥氏体轻质钢的组织为全奥氏体。
19.优选的，所述熔化极气体保护焊的条件包括：焊前不预热，层间焊缝温度≤100℃，以体积分数计，保护气体为80％ar 20％co2，焊接电流为200～220a，焊接电压为24～26v，焊接速度为35～40cm/min，气体流量为15～20l/min，热输入为8～10kj/cm。
20.优选的，焊接后形成的熔敷金属屈服强度r
el
≥470mpa，抗拉强度rm≥750mpa，延伸率a5为35％～45％，-40℃kv2冲击功为80～110j。
21.本发明提供了一种实心焊丝，以质量百分比计，包括mn：23.5～25％，c：0.45～0.55％，si：1.55～1.80％，cr：2.55～3.85％，ni：1.50～3.50％，mo：0.1～0.8％，cu：0.50～1.00％，ca：0.01～0.05％，p≤0.005％，s≤0.003％，余量为fe。
22.本发明采用的主要合金元素mn的含量在23.5～25％，与母材的锰含量相当，保证了与母材基体相当的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在较强的锰元素浓度梯度，避免了锰元素大量扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。本发明中的mn、c、ni和cu同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，使其形成奥氏体组织的焊缝金属。本发明采用si、ca、mn进行联合脱氧，可以有效的避免母材金属中过渡的al元素被氧化成al2o3夹杂，而导致焊缝的性能严重下降，而且ca的加入对脱硫、磷也有很好的作用。本发明具有合适含量的si元素，保证熔敷金属具有良好的流动性和美观的焊缝成形。
23.本发明的焊丝便于实现工业化流程生产。
具体实施方式
24.本发明提供了一种实心焊丝，以质量百分比计，包括mn：23.5～25％，c：0.45～0.55％，si：1.55～1.80％，cr：2.55～3.85％，ni：1.50～3.50％，mo：0.1～0.8％，cu：0.50～1.00％，ca：0.01～0.05％，p≤0.005％，s≤0.003％，余量为fe。
25.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括mn 23.5～25％，优选为23.8～24.5％。在本发明的实施例中，所述mn的含量具体为23.8％、24％或24.5％。在本发明中，mn是奥氏体稳定化元素，能扩大奥氏体相区的同时起到固溶强化的作用，焊接过程中，部分锰烧损后与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系。但是随着锰含量的增加，形成的焊缝晶粒粗大化，且热导率急剧下降、线胀系数上升，导致工作加热或冷却时形成较大内应力，显著增大开裂倾向、恶化热加工性，不易多加。因此，本发明焊丝将mn含量限定为
23.5～25％。
26.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括c 0.45～0.55％，优选为0.48～0.55％。在本发明的实施例中，所述c元素的含量具体为0.48％、0.52％或0.55％。在本发明中，c是非常显著的奥氏体稳定化和固溶强化元素，提高c含量，可以扩大奥氏体相区和提高强度。但是，过多的c会与mn形成沿晶脆性相，从而不利于焊缝的塑韧性。因此，本发明焊丝将c含量限定为0.45～0.55％。
27.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括si 1.55～1.80％，优选为1.58～1.75％。在本发明的实施例中，具体为1.62％、1.75％或1.58％。在本发明中，si是有效的脱氧元素和固溶强化元素，提高si含量，可减少焊缝中氧化物夹杂，同时提高强度。但是，过多的si降低碳在奥氏体中的溶解度，使碳化物数量增多，冲击韧性相应下降。由于此种气保焊丝将用于焊接高合金化的锰系奥氏体钢，过低的si含量则无法保证熔敷金属具有良好的流动性和美观的焊缝成形。因此，本发明将si含量限定为1.55～1.85％。
28.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括cr 2.55～3.85％，优选为2.7～3.4％。在本发明的实施例中，所述cr的含量为3％、2.7％或3.4％。在本发明中，cr在提高固溶强化效应的同时，保证有良好的延伸率，增加cr含量可同时提高耐蚀性及塑韧性。但过多的cr易增加沿晶析出的网状碳化物，反而降低冲击韧性与塑韧性。因此，本发明将cr含量限定为2.55～3.85％。
29.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括ni 1.50～3.50％，优选为2.0～3.0％。在本发明的实施例中，ni的含量具体为2％、2.3％或3.0％。在本发明中，ni的加入可以起到提高焊缝的强度，从基体组织的角度来讲，镍对焊接性能有利，在高锰钢焊接时，ni元素的加入可获得与mn含量相匹配的强韧性，同时保持焊缝成型的美观性。但当镍的含量较高时，可能与焊缝中的杂质(如硫)形成低熔点化合物,而使热裂纹敏感性明显增大。因此，本发明焊丝将ni含量限定为1.5～3.5％。
30.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括mo 0.1～0.8％，优选为0.3～0.5％。在本发明的实施例中，所述mo的含量具体为0.5％或0.3％。在本发明中，mo可固溶于奥氏体中强化基体，同时提高高温强度，提高淬透性，能够阻止奥氏体化的晶粒粗大从而稳定塑韧性。但当焊缝中mo含量超过0.6％时，低温冲击韧性明显下降。因此，本发明焊丝将mo含量限定为0.1～0.8％。
31.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括cu 0.50～1.00％，优选为0.50～0.8％。在本发明的实施例中，所述cu的含量具体为0.5％、0.7％或0.8％。在本发明中，cu可作为奥氏体稳定化元素，同时由于此种气保焊丝将用于焊接高合金化的锰系奥氏体钢，母材中大量al元素的过渡会缩小奥氏体区间、促进脆性相的形成从而降低塑韧性，依靠铜比铝有较强的氧化性，进而来保护母材中铝元素向焊缝中过渡形成的al2o3夹杂。因此，本发明焊丝将cu含量限定为0.5～1.0％。
32.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括ca 0.01～0.05％，优选为0.02～0.05％。在本发明的实施例中，具体为0.02％、0.03％或0.05％。由于本发明的焊丝将用于焊接高合金化的锰系奥氏体钢，母材中大量al元素的过渡会缩小奥氏体区间、促进脆性相的形成从而降低塑韧性，依靠钙比铝有较强的氧化性，进而来保护母材中铝元素向焊缝中过渡形成的al2o3夹杂。但过高的钙又会与铝结合形成al2ca、al4ca夹杂。因此，本发明焊丝
将ca含量限定为0.01～0.05％。
33.以质量百分比计，本发明提供的实心焊丝包括p≤0.005％和s≤0.003％。
34.本发明提供的实心焊丝还包括余量的fe和不可避免的杂质元素。
35.本发明提供了上述方案所述实心焊丝的制备方法，包括以下步骤：
36.对应实心焊丝的组成进行配料，将各原料进行冶炼和浇铸，得到铸锭；
37.将所述铸锭进行锻造，得到焊丝原料；
38.将所述焊丝原料进行热轧，得到盘条；
39.将所述盘条进行退火拉拔，得到中间焊丝；
40.将所述中间焊丝进行镀铜，得到实心焊丝。
41.本发明对应实心焊丝的组成进行配料，将各原料进行冶炼和浇铸，得到铸锭。本发明对所述冶炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的冶炼过程即可。在本发明中，所述浇铸的温度优选为1500～1600℃，浇铸后30min脱模，空冷至室温得到铸锭。
42.得到铸锭后，本发明将所述铸锭进行锻造，得到焊丝原料。锻造前，本发明优选将铸锭加热至1180
±
20℃保温2h以上，从而保证铸锭组织成分均匀化。在本发明中，开锻温度优选为1100
±
30℃，终锻温度优选≥950℃。本发明对所述焊丝原料的尺寸没有特殊要求，根据实际需求确定即可。在本发明的实施例中，具体是锻造成尺寸为50*50*1500mm的焊丝原料，从而与后面轧机设置的参数相匹配。
43.得到焊丝原料后，本发明将所述焊丝原料进行热轧，得到盘条。
44.在本发明中，所述热轧的加热温度优选为1200
±
20℃，保温时间优选为1h，轧制高线出口温度优选为1050
±
30℃，吐丝温度优选≥970℃，轧制盘条入水冷却，入水温度优选≥950℃。在本发明中，所述盘条的直径优选为7.5mm。
45.得到盘条后，本发明将所述盘条进行退火拉拔，得到中间焊丝。
46.本发明对所述退火拉拔的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的退火拉拔过程即可。在本发明中，所述中间焊丝的直径优选为1.2mm。
47.得到中间焊丝后，本发明优选将所述中间焊丝进行镀铜，得到实心焊丝。本发明对所述镀铜的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的镀铜过程即可。焊丝的主要成分是钢，裸漏在大气中容易生锈腐蚀，表面镀一层铜可有效地延长保质期；同时可以加强导电性能。在本发明中，所述实心焊丝的直径优选为1.2mm。
48.本发明提供了上述方案所述实心焊丝或上述方案所述制备方法制备得到的实心焊丝在奥氏体轻质钢的熔化极气体保护焊中的应用。
49.在本发明中，以重量百分比计，所述奥氏体轻质钢的化学组成优选包括：c为0.6～1.0％，mn为22～25％，al为5～8％，余量为fe；所述奥氏体轻质钢的力学性能满足：屈服强度rp
0.2
为440～500mpa，抗拉强度rm为700～850mpa，延伸率a≥40％，-40℃冲击功kv2≥120j；所述奥氏体轻质钢的组织为全奥氏体。
50.在本发明中，所述熔化极气体保护焊的条件优选包括：焊前不预热，层间焊缝温度≤100℃，以体积分数计，保护气体为80％ar 20％co2，焊接电流为200～220a，焊接电压为24～26v，焊接速度为35～40cm/min，气体流量为15～20l/min，热输入为8～10kj/cm。
51.在本发明中，焊接后形成的熔敷金属具有良好的力学性能，屈服强度r
el
≥470mpa，抗拉强度rm≥750mpa，延伸率a5为35％～45％，-40℃kv2冲击功为80～110j。
52.下面结合实施例对本发明提供的实心焊丝及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
53.实施例1
54.1)冶炼浇铸：在真空感应炉中进行冶炼，按照表1成分配料装炉，钢水浇铸成圆形铸锭，钢水浇铸温度为1520℃，浇铸后30min脱模，空冷至室温，得到铸锭。
55.2)锻造：对步骤1)所得铸锭进行锻造，加热至1180℃保温2h以上，保证铸锭成分组织均匀化，开锻温度为1100℃，终锻温度为940℃，锻造成尺寸为50*50*1550mm的焊丝原料。
56.3)热轧：对步骤2)所得焊丝原料热轧成直径为7.5mm的盘条，其热轧工艺参数是：加热温度1200℃，保温1h，轧制高线出口温度为1050℃，吐丝温度为975℃，轧制盘条入水冷却，入水温度为955℃，得到直径为7.5mm的盘条。
57.4)退火拉拔：对步骤3)所获得的盘条经退火后拉拔，制成直径为1.2mm的中间焊丝。
58.5)镀铜：对步骤4)所获得的直径为1.2mm的焊丝表面进行镀铜，焊丝分别经过碱洗擦洗槽、酸洗漂洗槽、镀铜槽、水洗中和槽、热水清洗槽，最终获得直径为1.2mm的成品气保焊丝。
59.实施例2
60.1)冶炼浇铸：在真空感应炉中进行冶炼，按照表1成分配料装炉，钢水浇铸成圆形铸锭，钢水浇铸温度为1550℃，浇铸后30min脱模，空冷至室温，得到铸锭。
61.2)锻造：对步骤1)所得铸锭进行锻造，加热至1180℃保温2h以上，保证铸锭成分组织均匀化，开锻温度为1100℃，终锻温度为945℃，锻造成尺寸为50*50*1550mm的焊丝原料。
62.3)热轧：对步骤2)所得焊丝原料热轧成直径为7.5mm的盘条，其热轧工艺参数是：加热温度1200℃，保温1h，轧制高线出口温度为1050℃，吐丝温度为975℃，轧制盘条入水冷却，入水温度为940℃，得到直径为7.5mm的盘条。
63.4)退火拉拔：对步骤3)所获得的盘条经退火后拉拔，制成直径为1.2mm的中间焊丝。
64.5)镀铜：对步骤4)所获得的直径为1.2mm的焊丝表面进行镀铜，焊丝分别经过碱洗擦洗槽、酸洗漂洗槽、镀铜槽、水洗中和槽、热水清洗槽，最终获得直径为1.2mm的成品气保焊丝。
65.实施例3
66.1)冶炼浇铸：在真空感应炉中进行冶炼，按照表1成分配料装炉，钢水浇铸成圆形铸锭，钢水浇铸温度为1500℃，浇铸后30min脱模，空冷至室温，得到铸锭。
67.2)锻造：对步骤1)所得铸锭进行锻造，加热至1180℃保温2h以上，保证铸锭成分组织均匀化，开锻温度为1080℃，终锻温度为940℃，锻造成尺寸为50*50*1550mm的焊丝原料。
68.3)热轧：对步骤2)所得焊丝原料热轧成直径为7.5mm的盘条，其热轧工艺参数是：加热温度1200℃，保温1h，轧制高线出口温度为1050℃，吐丝温度为980℃，轧制盘条入水冷却，入水温度为960℃，得到直径为7.5mm的盘条。
69.4)退火拉拔：对步骤3)所获得的盘条经退火后拉拔，制成直径为1.2mm的中间焊丝。
70.5)镀铜：对步骤4)所获得的直径为1.2mm的焊丝表面进行镀铜，焊丝分别经过碱洗
擦洗槽、酸洗漂洗槽、镀铜槽、水洗中和槽、热水清洗槽，最终获得直径为1.2mm的成品气保焊丝。
71.对比例1
72.与实施例1的区别仅在于焊丝成分，详见表1。
73.利用实施例1～3以及对比例1的焊丝采用半自动钨极氩弧焊焊接方法，焊接20mm厚奥氏体新型轻质钢，所述奥氏体轻质钢的成分是：c为0.75％，mn为25.5％，al为7.3％，力学性能是：rp
0.2
为475mpa，rm为815mpa，a为43％，-40℃kv2为123j。
74.所述奥氏体轻质钢的试板坡口型式为y型，单边坡口角度为30
°
，钝边为2mm，焊前不预热，层间焊缝温度≤100℃，保护气体为80％ar 20％co2，焊接电流为200～220a，焊接电压为24～26v，焊接速度为35～40cm/min，气体流量为15～20l/min，热输入为8～10kj/cm。
75.对焊后的焊缝金属微观组织和力学性能进行检测，结果显示实施例1～3及对比例1焊缝组织均为奥氏体，没有热裂纹产生，力学性能见表2。
76.表1实施例和对比例焊丝成分(质量百分比％)
77.成分mncnisicrcumocaps实施例1240.4821.6230.50.50.02≤0.002≤0.001实施例223.80.552.31.752.70.70.50.03≤0.005≤0.001实施例324.50.523.01.583.40.80.30.05≤0.005≤0.001对比例1240.503.00.453.00.80.50.004≤0.005≤0.001
78.表2实施例和对比例力学性能
79.编号屈服强度/mpa抗拉强度/mpa延伸率/％-40℃kv2/j实施例147876542107实施例24837923595实施例346580235105对比例14127042855
80.由表2的结果可知，由于对比例1的硅含量较低，不在本发明范围内，焊接时熔敷金属的流动性与脱氧效果差，导致焊缝成形不好且存在大量的al2o3夹杂，严重降低了焊接接头的强度和塑韧性。
81.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。