一种奥氏体轻质钢适用的低氢型焊条及制备方法

1.本发明属于特种合金焊材领域，涉及到海洋环境下专用高强度奥氏体轻质钢适用的低氢型焊条及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会经济的不断发展，能耗过高及环境非标排放等一系列问题日益严重。其解决方案，一方面是采用清洁能源代替现有燃料动力，另一方面是通过交通运载装备减重从而减负降耗限定污染指数。因此，交通运载装备减重量和增强度并举的创新方法历来是本领域一个节能环保的重要研究思路。fe-mn-al-c系合金钢通过加入轻量化元素al（一般5%以上）以降低材料质量密度，同时加入适量mn、c等奥氏体稳定化元素，会促进轻质、高强、增加塑韧性等多项高性能指标。此类轻质钢的发明思路，被广泛应用在现有技术领域。另外，作为运载装备的此类轻质钢，焊接是其工程施工中的主要连接方式，借助焊条的电弧焊又是常用的焊接方法。但目前现有技术中，与高强度奥氏体轻质钢配套适用而又性能优异的氢型焊条却极为少见。
3.对比现有专利文献发现，中国发明专利cn201910008172.6公开了“一种用于超低温高锰钢手工电弧焊接的低氢型焊条”, 是与本发明技术领域接近的一个文献。其原料组份以重量份数比计包括：c:0.30~0.75 %，mn:20~26 %，cr:3.0~5.5 %，ni:6.5~8.5，p:≤0.001 %，s:≤0.002%，余量为fe和不可避免的杂质。其焊缝成型良好，但是在面临450mpa级高强度焊奥氏体轻质钢为施工工件时，焊缝强度明显低于施工质量要求，无法实现此级高强度焊奥氏体轻质钢材料焊接连接质量要求。
4.中国发明专利cn202010456712.x公开了“一种超低温高锰钢的电弧焊焊条及制备方法”，是另一个与本发明技术领域接近的一个文献。其焊芯原料以重量份数计包括：c:0.30~0.75 %，mn:19~25 %，cr:3.0~5.5 %，ni:3.5~5.5，mo:3.5~5.5 %，w:2.5~4.0 %，p:≤0.010 %，s:≤0.006%，余量为fe和不可避免的杂质。其形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度可以与高强度的奥氏体轻质钢相匹配。但是无法解决如下问题：因高强度轻质钢中al含量较高时，所焊接时基体材料中al会借助短暂的高温形成扩散到焊缝中会形成过量的al2o3夹杂，如果不采用其他有效措施就可能导致焊缝力学性能指标降低、超标，甚至会造成工程施工的重大隐患。
5.综上所述，现有技术中的焊条产品和相关专利文献中所涉及到的技术指标，要么焊缝强度级别与450mpa级奥氏体轻质钢本体材料不匹配，要么无法解决上述轻质钢al含量较高的状态下可能导致的焊缝中al2o3夹杂较多、力学性能严重降低带来的隐患。为此，探索一种与450mpa级高强度奥氏体轻质钢相适配的专用低氢型焊条，已经成为市场的刚需。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种与奥氏体轻质钢适用的低氢型焊条及其制造工艺，解决450mpa级高强度奥氏体轻质钢材高效、高质焊接工程的需求和克服现有技术的缺陷和隐
患。
7.本发明为一种奥氏体轻质钢适用的低氢型焊条，结构中包括合金焊芯和附着在焊芯外表面的药皮，关键在于合金焊芯的化学组份按质量百分比计算包括：c:0.40～0.55%，mn:20～28%，si:0.8～1.2%，cr:2.0～5.0%，ni:1.0～3.0%，mo:0.5～3.5%，p≤0.005%，s≤0.003%，其余为铁和不可避免的杂质。为保证焊缝过渡层的质量，对配套药皮的化学组份特殊进行了改进设计：按质量百份比包括：大理石粉40～48%，萤石粉20～25%，钛白粉4.0～6.0%，镁铝合金粉2.0～7.0%，钾长石粉2.0～4.0%，稀土硅铁粉1.0～4.0%，镍粉0.5～4.5%，锆英砂2.0～3.5%，低碳铬铁粉0.2～4.0%，钼0.4～1.0%，钛铁1.0～2.0%，电解锰2.0～6.0%，碳酸钾1.0～3.0%，纯碱0.5～1.0%，云母1.5～2.0%，海藻酸钠1.0～2.0%，余量为fe粉。
8.以上所述的奥氏体轻质钢适用的低氢型焊条，关键还在于合金焊芯、药皮是借助于以下所改进的工艺步骤形成低氢型焊条，改进后的关键工序步骤中包括：（1）热轧盘条：配比所述合金焊芯的原料，将原料热轧成直径φ7.5mm的盘条，其热轧工艺参数是：加热温度1200
±
20℃，保温1h，轧制高线出口温度为1050
±
30℃，吐丝温度≥970℃，轧制盘条入水冷却，入水温度≥950℃；（2）退火拉拔：将（1）所获得的φ7.5mm盘条，经退火后拉拔，具体工序包括粗拉、固溶、表面清理、精拉，最后制成直径为φ3.2mm的合金焊芯；所述固溶处理是加热至1050-1100℃，保温1h，随后水冷至室温；（3）压涂药皮：先按药皮化学组分配料混合，加入粘结剂搅匀，加压涂敷到合金焊芯表面，最后借助烘干定位，制成低氢型焊条。
9.本发明过程中通过大量的实验、改进，在实验工程中取得了大量的数据，结合具体的工程适用实践，总结出工件焊接施工中工艺参数如下：焊接时工件层间温度控制为≤80℃，焊接电流90～110a，电弧电压为26～28v，焊接速度为10～12cm/min，焊接热量输入值为15～18kj/cm。
10.本发明所述的奥氏体轻质钢用低氢型焊条及其制备方法，是通过对大量试验数据统计、分细后确定的。包括焊条中化学成份质量百分比区间值、及其应用施工中的具体规范条件和实际达到的技术效果，可以参看以下说明。
11.（1）本发明中的焊条能够有效地焊接高锰、高碳的高强度轻质钢，特别是用于450mpa级高强度奥氏体轻质钢材的重要施工场合，能够得到强度与韧性与本体钢材相适配的焊接头和焊缝，达到重点工程的施工的高质量要求。
12.（2）锰是奥氏体稳定元素在室温下仍能够保持全奥氏体组织，本发明中的焊条所形成的焊缝金属中的锰含量与轻质钢的锰含量相当，不会产生锰元素的浓度梯度。
13.（3）本发明中采用si、mn进行随机联动的脱氧机制，有效的避免了母体中过量的al元素被氧化为al2o3形成夹杂，从而约束了焊缝的技术指标严重下降。合适的si还能保证本发明所述的合金焊芯和配套焊药在线使用时形成的熔融态具有良好的流动性，能保持固态下焊缝具有良好的形态特征和低温韧性的技术指标。
14.（4）本发明的焊条化学成分中含有适量的mo元素，在规定的焊接工艺下进行焊接时，具有优异的抗热裂纹敏感性。
15.（5）本发明实施焊接工艺性优异：飞溅较小、脱渣性优良、焊缝成形美观。
16.下面结合具体的实施例进一步说明本发明目的是如何实现的。
具体实施方式
17.首先，对本发明给出的创新技术手段、包括原理和机制做出进一步说明，实施例列表中涉及到本发明技术创新的核心节点，并给出了详细的实施方案和具体随机选定的对比例对照。但本实施例列表1和2中所选定数据的范围并不局限定本发明创新技术新的边界，它决定用于以上实施例数据区间具体数值的重新组合模式。实施例中对本专利合金焊芯、配套药皮见下列表1、表2，对比例是为了研究确认关键组份数据参量的变化对本发明的影响时而随机选定的某试验方案，在此给与特别说明。实施例与对比例的力学性能对比表见表3。
18.本发明确认的合金焊芯和药皮的化学组份的作用与机理说明：mn：是奥氏体结构稳定因素，能够扩大奥氏体相区、缩小铁素体相区，促使熔敷金属在室温和低温下保持奥氏体组织。较高的mn含量有利于获得单相奥氏体组织，从而保证熔敷金属的韧性。但是随着锰含量增加，焊缝成型恶化、热裂纹敏感性提高，不易多加。因此，通过反复试验验证锰的质量百分比为20～28%。
19.c：c是非常显著的奥氏体稳定化和固溶处理强化元素，提高c含量可以提高熔敷金属的强度。但是c含量过高时焊缝的开裂倾向增加，且c在焊接过程中形成co及co2等气体，从而导致焊接作业时飞溅增大。因此，通过反复试验验证和调整c的质量百分比为0.45～0.55%。
20.si：提高熔敷金属的流动性，改善焊缝成形质量，同时和锰联调起到脱氧作用。但是,当硅的含量超过1.4/重量百分比,会引起焊接接头内的偏析，从而会降低低温冲击强度，且会对焊接裂纹敏感性产生坏影响。因此,在本发明中反复比较试验数据后将所述硅的含量控制在质量百分比为0.8～1.2%。
21.cr：铬能显著提高焊缝抗拉强度，又能提高其抗氧化性能。但是，cr含量较大时，会生成铁素体而无法保持奥氏体单相结构特点。因此，本发明中铬元素最佳加入量为质量百分比2.0～4.0%。
22.ni：奥氏体稳定化元素，少量的镍元素能够在降低成本的前提下提高熔敷金属的低温韧性。本发明中镍元素加入量控制在质量百分比1.0～5.0%，是最佳选择 。
23.mo：适量的钼元素，能保证基体强度和减小凝固温度区间，有效减小或避免凝固裂纹的产生。但是，过量的mo会导致晶界析出大量的碳化物，导致焊缝的冲击强度急剧下降。因此，钼元素最佳加入量为质量百分比0.5～3.0%，对于本发明来说是个重要技术节点。
24.以下是本发明中药皮的化学组份的作用和机理的说明：大理石粉：大理石作为造渣剂，分解出的cao既能稳定电弧，又有良好的脱硫作用。大理石和萤石适合的比例为2：1。本发明中大理石粉的最佳加入量为40～48%。
25.萤石粉：萤石作为造渣剂，起降低熔渣熔点与稀释渣的作用，能改善脱渣性能。大理石和萤石适合的加入比例为2：1。本发明中萤石粉的最佳加入量为20～25%。
26.钛白粉：改善熔池流动性,优化熔渣物化性能,并与海藻酸钠、云母形成复合薄层熔渣。本发明中钛白粉的最佳加入量为4.0～6.0%。
27.镁铝合金：较强的脱氧剂，使焊缝产生低温冲击韧性，减少碳含量烧损，提高碳元
素的过渡率。本发明中的镁铝合金最佳加入量为2.0～7.0%。
28.稀土硅铁：通过细化组织，改善冲击韧性。本发明中的稀土硅铁最佳加入量为1.0～4.0%。
29.锆英砂：调节熔渣的熔点和粘度，改善全位置焊接性。本发明中的锆英砂最佳加入量为2.0～3.5%。
30.钾长石：作为造渣剂和稳弧剂，具有改善熔渣的粘度和表面张力的作用。本发明中的钾长石最佳加入量为2.0～4.0%。
31.碳酸钾：可以稳定电弧，减小飞溅，优化焊接工艺性。本发明中的碳酸钾最佳加入量1.0～3.0%。
32.云母：与钛白粉、海藻酸钠形成复合薄层熔渣,调整熔渣熔点,增加熔渣密度,改善脱渣性。本发明中的云母最佳加入量1.5～2.0%。
33.海藻酸钠：造气,有先期脱氧作用,此外,na可以改善电弧稳定性,并与钛白粉、云母形成复合薄层熔渣。本发明中的海藻酸钠最佳加入量1.0～2.0%。
34.根据以上的作用和机理的说明，并结合具体的实验数据和工程应用总结本发明的实施例汇总如下：表2实施例配套的药皮组份（质量百分比）表
对比例中，焊条芯的化学组分见表1，药皮的化学组分见表2。
35.采用以上表格中选取的合金焊芯料经热轧成直径φ7.5mm规格盘条，再经退火拉拔至直径φ 3.2mm规格直条，按照配套的焊芯表层组份加工制成对比例焊条。采用手工电弧焊焊接方法，焊接20mm厚高强度奥氏体轻质钢板，所述高强度轻质钢的成份中mn：22～25%，c：0.6～1.0%，al：5～8%；所形成的连接件力学性力学性能测试：rp0.2:440～510mpa ，rm：700～850mpa ，a：30～50%，-40℃kv2:150～260j。
36.高强奥氏体轻质钢的试板坡口型式为v型，单边坡口角度为30
°
，具体的焊接工艺参数如下本专利工艺：焊前不预热，层间温度≤80℃，焊接电流90～110a，电弧电压为26～28v，焊接速度为10～12cm/min，焊接热输入为15～18kj/cm。
37.对本对比例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为406mpa，抗拉强度为624mpa，伸长率a=30%，
ꢀ‑
40
°
c kv2：55j。
38.由于对比例和实施例相比si的含量较低，在轻质钢焊接过程中熔敷金属的流动性较差焊道间会存在夹渣，而且基体中的al会过渡到焊缝中形成大量的al2o3夹杂，严重影响了焊接接头的强度，延伸率及韧性。所得结论对确认本发明创新技术手段的关键节点给出了有力的启示。