極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種在極低溫環(huán)境下沖擊韌性優(yōu)異、在常溫下屈服強(qiáng)度突出的極低溫鋼的焊接接頭，而且，提供一種能夠制造出所述焊接接頭的助焊劑芯電弧焊接材料、埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料。
【專利說明】
極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料
[0001 ] 本申請(qǐng)要求2012年11月22日提交的韓國專利申請(qǐng)第10-2012-0133244號(hào)、2012年 11月22日提交的韓國專利申請(qǐng)第10-2012-0133245號(hào)和2012年11月27日提交的韓國專利申 請(qǐng)第10-20 12-0135518號(hào)的優(yōu)先權(quán)；本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2013年11月22日、申請(qǐng)?zhí)枮?201380060601.5且發(fā)明名稱為"極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料" 的中國專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種極低溫鋼的焊接接頭及用于制造該焊接接頭的焊接材料。更為具 體地，涉及助焊劑芯電弧焊焊接材料、埋弧焊焊接材料、氣體金屬電弧焊焊接材料及利用上 述焊接材料制造的焊接接頭。
【背景技術(shù)】
[0003] 由于最近對(duì)液化天然氣(LNG)的需求暴增，用于運(yùn)輸、保管極低溫LNG的運(yùn)輸設(shè)備 及儲(chǔ)存儲(chǔ)罐的需求也隨之暴增。運(yùn)輸或儲(chǔ)存LNG的儲(chǔ)罐必須具備在LNG溫度即-165°C以下的 溫度下能夠充分承受沖擊的結(jié)構(gòu)。為此，作為在極低溫度下的沖擊韌性高的材料，代表性的 有Al、9%Ni鋼、不銹鋼（以下簡稱為STS)。
[0004] 但是，A1的抗張強(qiáng)度比較低，需使用厚的A1板，因此存在焊接性差的問題。
[0005] 而且，9%Ni鋼存在焊接材料(合金625材料:含有50重量％以上的Ni、20重量％以 上的Cr)價(jià)格高、焊接接頭的屈服強(qiáng)度低的問題，而STS存在價(jià)格高、熱變形率低及無法確保 極低溫度等問題。
[0006] 因此，需要開發(fā)一種與Ni的價(jià)格相比價(jià)格低廉、且能夠確保焊接性能的作為奧氏 體穩(wěn)定性元素的用于極低溫的高Μη基焊接接頭。
[0007] 尤其，為了在-196Γ以下的極低溫度下確保焊接構(gòu)造物的穩(wěn)定性，必須確保具有 27J以上的沖擊韌性的焊接接頭，而且為了制造結(jié)構(gòu)體需要常溫下的屈服強(qiáng)度為360Mpa以 上的焊接接頭。為此，目前使用Ni和Cr的含量高的材料(含有50重量％以上的Ni、20重量％ 以上的Cr)來形成焊接接頭，但是目前還沒有開發(fā)出少量含有高價(jià)合金的焊接材料，而且也 沒有利用這種材料的焊接接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] (一)要解決的技術(shù)問題
[0009] 本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種在極低溫度環(huán)境下也能夠保持韌性優(yōu)異的奧氏體相 的同時(shí)防止焊接時(shí)的高溫龜裂，從而具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性及常溫屈服強(qiáng)度的焊接接 頭。
[0010] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種能夠制造所述焊接接頭的焊接材料。
[0011] 但是，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題并不限定于以上提及的技術(shù)問題，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員能夠從以下記載的內(nèi)容清楚地理解其他所要解決的技術(shù)問題。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013] 本發(fā)明提供一種極低溫鋼的焊接接頭，以重量％計(jì)，包括:C: 0.05~1.30 % ; Si : 0.2~1.8% ;Μη:0·4~23% ;Cr:0.01~12% ;Ni:23~49% ;Mo、Co及W元素中的一種以上元 素:0.01~10% ;A1:0.2%以下;Ti :0.9%以下;Nb和V元素中的一種以上元素:0.9%以下；S 和P元素中的一種以上元素:0.035%以下;余量的Fe及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0014] 而且，本發(fā)明提供一種助焊劑芯電弧焊接材料，包括:芯和裹住所述芯的外皮，以 重量％計(jì)，所述助焊劑芯電弧焊接材料包括:C:0.05~1.30 2~1.8%; Mn :0.5~ 25%;?和3元素中的一種以上元素：低于0.031%;附：25~50%41 :1.5%以下；1102:3.5~ 15%;K、Na及Li元素中的一種以上元素:0.01~1.3%;Ti:2.4%以下;Mo、W及Co元素中的一 種以上元素:0.001~10%;其余是Fe及其他不可避免的雜質(zhì)，其中，所述外皮由Ni: 35~46 重量％、其他雜質(zhì):〇.〇5重量％以下、余量的Fe組成。
[0015] 而且，本發(fā)明提供一種埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料，包括:芯和裹住所 述芯的外皮，以重量％計(jì)，所述焊接材料包括:C: 0.05~1.20% ; Si :0.3~1.2% ;Mn: 3~ 15% ;P和S元素中的一種以上元素:0.03%以下;Ni:25~50% ;A1:1.5%以下；余量的Fe及 其他不可避免的雜質(zhì)，其中，所述外皮由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0.0重量5%以下、余 量的Fe組成。
[0016] (三)有益效果
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，可提供一種在極低溫環(huán)境下沖擊韌性優(yōu)異、在常溫下的屈服強(qiáng)度突 出的焊接接頭。而且，能夠提供一種能夠制造出所述焊接接頭，且包含少量的高價(jià)合金，從 而成本比較低的助焊劑芯電弧焊接材料、埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的焊接材料的一副剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 一般，用在極低溫度下的高Μη鋼作為替代用于液化天然氣儲(chǔ)罐的9%鎳鋼、STS304 鋼等而添加了高Μη的鋼，高Μη鋼在極低溫度下也會(huì)形成穩(wěn)定的奧氏體組織，因此具有無需 進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理等，焊接時(shí)在熱影響區(qū)(ΗΑΖ)不發(fā)生韌性劣化的特性。
[0022] 本發(fā)明的極低溫鋼的焊接接頭是能夠通過對(duì)用于極低溫用海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)備、能量 設(shè)備、造船設(shè)備及壓力容器等的極低溫用高Μη鋼進(jìn)行埋弧、助焊劑芯電弧、氣體金屬電弧焊 接(SAW，F(xiàn)CAW and GMAW)來得到，并且被設(shè)計(jì)成具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性。因此，通過控制 成分來使其在極低溫度環(huán)境下維持優(yōu)異的奧氏體相的同時(shí)在焊接時(shí)防止高溫龜裂，從而提 供具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性及常溫下的屈服強(qiáng)度的埋弧、助焊劑芯電弧及氣體金屬電弧焊 接接頭。
[0023] 而且，本發(fā)明的助焊劑芯電弧焊接材料、埋弧焊接材料及氣體金屬電弧焊接材料 被設(shè)計(jì)成不僅能夠?qū)⑺鰳O低溫用高Μη鋼與另一種材料焊接，而且具有優(yōu)異的低溫沖擊韌 性。因此，通過控制成分使其在極低溫環(huán)境下維持優(yōu)異的奧氏體相的同時(shí)在焊接時(shí)防止高 溫龜裂，從而實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的全方位焊接。
[0024]首先，對(duì)本發(fā)明的極低溫鋼的焊接接頭進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0025]本發(fā)明的一個(gè)方面的焊接接頭，以重量％計(jì)，包括：C:0.05~1.30%;Si:0.2~ 1.8% ;Μη:0·4~23% ;Cr:0.01 ~12% ;Ni:23~49% ;Mo、Co、W元素中的一種以上元素:0.01 ~10% 41:0.2%以下；11:0.9%以下;恥、￥元素中的一種以上元素:0.9%以下 ；3和?元素 中的一種以上元素:〇. 035%以下;余量的Fe及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0026] 下面說明所述各成分的數(shù)值限定的理由。下面，若不特別指定各成分的含量單位， 需留意要以重量％計(jì)算。
[0027] 碳（C):0.05 ~1.30%
[0028] C作為能夠確保焊接金屬的硬度和焊接金屬的極低溫沖擊韌性的奧氏體穩(wěn)定性元 素，也是現(xiàn)存的最強(qiáng)的元素，并且，作為間隙元素能夠增強(qiáng)常溫下的屈服強(qiáng)度的必要元素。 但是，若添加的C含量低于0.05%，其強(qiáng)度會(huì)降低，需增加能夠替代碳的合金元素的含量。與 此相反，若添加的C含量超過1.30%，存在焊接時(shí)與Mn、Cr等合金元素結(jié)合而產(chǎn)生MC、M 23C6等 碳化物，具有在低溫下沖擊韌性下降及產(chǎn)生龜裂的問題。
[0029] 硅（Si):0.2 ~1.8%
[0030] 若Si含量低于0.2%，焊接金屬內(nèi)的脫氧效果不充分、降低焊接金屬的流動(dòng)性，若 Si含量超過1.8%，具有在焊接金屬內(nèi)誘發(fā)偏析而導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生斷裂的問題。
[0031] 錳（Mn) :0.4~23%
[0032] Μη作為生成低溫穩(wěn)定性奧氏體的主要元素，是必須添加的材料，與Ni相比，是非常 低廉的元素。若Μη的添加量低于0.4%，不會(huì)產(chǎn)生充分的奧氏體，因此在極低溫度下的韌性 非常低，若Μη的添加量超過23%，存在產(chǎn)生過多的偏析，并誘發(fā)高溫龜裂、產(chǎn)生有害煙霧等 的缺點(diǎn)。
[0033] 鉻（Cr) :0.01 ~12%
[0034] Cr是鐵酸鹽穩(wěn)定性元素，通過添加一定含量的Cr可降低奧氏體穩(wěn)定性元素的含 量，是增強(qiáng)耐蝕性及硬度的元素。添加0.01重量％以上的少量Cr也可增強(qiáng)硬度和耐蝕性。但 是，如果添加超過12%，會(huì)生成過多的Cr基碳化物，從而降低極低溫韌性。
[0035] 鎳（Ni):23 ~49%
[0036] Ni是奧氏體穩(wěn)定性元素，是必須要添加的元素，但由于價(jià)位非常昂貴，因此其添加 量優(yōu)選維持在23~49%，雖然其具有增強(qiáng)極低溫沖擊韌性的作用，但添加Ni會(huì)降低常溫下 的屈服強(qiáng)度，因此合適的添加量為23~49%。
[0037] 鉬(Mo)、鈷(Co)、鎢(W)元素中的一種以上元素:0.01%~10%
[0038] Mo、Co、W是增強(qiáng)基體的屈服強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度的元素，即使添加0.01重量％以上的 少量的元素，也可以起到提高硬度的效果，但若添加量超過10 %，會(huì)促進(jìn)所述元素的碳化物 的產(chǎn)生，因此具有降低極低溫韌性的缺點(diǎn)。
[0039]鋁(Α1):0·2% 以下
[0040] 添加Α1會(huì)降低硬度，并且增加堆垛層錯(cuò)能（SFE:Stacking Fault Energy)，從而起 到確保在低溫下的韌性的作用。但是，若A1的含量超過0.2%，在焊接接頭產(chǎn)生過多的氧化 物，從而具有降低極低溫沖擊韌性的缺點(diǎn)。
[0041 ]鈦(Ti):0.9% 以下
[0042]添加Ti會(huì)起到增強(qiáng)屈服強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度的作用。但是，若Ti的添加量超過0.9%， 存在在焊接接頭產(chǎn)生龜裂的缺點(diǎn)。
[0043] 鈮(Nb)和釩(V)元素中的一種以上元素:0.9%以下
[0044] Nb和V是提高常溫硬度的元素，若所述元素的含量超過0.9 %，會(huì)產(chǎn)生龜裂，因此， 以重量％計(jì)，所述元素的含量優(yōu)選為〇. 9 %以下。
[0045] 硫(S)和磷(P)元素中的一種以上:0.035%以下
[0046] S和P是典型的導(dǎo)致高溫龜裂的元素，盡量控制在低含量，在必須要添加的情況下 也要控制在0.035%以下。
[0047]除所述必要成分外，以重量％計(jì)，本發(fā)明的焊接接頭可以進(jìn)一步包含:N:0.001~ 0.6 %和B: 0.0001~0.008 %元素中的一種或兩種以上元素，從而更加提高本發(fā)明的效果。
[0048] 氮（N) :0.001 ~0.6%
[0049] N是提高硬度的元素，具有與C相同的特性。若N的含量超過0.6%，在焊接接頭出現(xiàn) 氣孔，因此N的含量要保持在0.6 %以下，況且，若焊接接頭中含有0.75 %以上的N，會(huì)過多產(chǎn) 生氮化物，從而存在降低沖擊韌性的缺點(diǎn)。
[0050] 硼（B) :0.0001 ~0.008%
[0051] B是提高硬度的間隙元素，具有即使添加少量也能夠提高屈服強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度的 優(yōu)點(diǎn)，但是，若大量添加B會(huì)產(chǎn)生龜裂，因此要控制在0.008 %以下。
[0052] 本發(fā)明的其余成分是鐵(Fe)，只是在一般的制作過程中受周圍環(huán)境的影響不可避 免地混入一些雜質(zhì)，是無法排除的，只要是該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都會(huì)知道所述雜質(zhì)，因此 在本說明書中不作特別的說明。
[0053]本發(fā)明的焊接接頭包括上述成分，而且所述Mo、Co以及W元素中的一種以上元素 (以下以'Mo+Co+W'表示）、Nb和V元素中的一種以上元素（以下以'Nb+V'表示）、Ni、Cr、Al、Ti 可以滿足以下關(guān)系式：
[0054]關(guān)系式1
[0055] 1·5Ni-8Cr-2·5(Mo+W+Co)-20Al-29Ti-55(Nb+V)彡0
[0056] 若滿足上述關(guān)系式1，沖擊韌性在-196°C的極低溫度下可保持27J以上。
[0057] 而且，本發(fā)明的焊接接頭包括上述成分，而且所述C、Mn、Cr、Ni、Mo+Co+W、Ti&&Nb +V可以滿足以下關(guān)系式2:
[0058] 關(guān)系式2
[0059] 98.5C-1.08Mn+9.73Cr-l.52Ν?+10.3(Mo+ff+Co)+122Ti+34.7(Nb+V)
[0060] 若滿足上述關(guān)系式2,常溫下的屈服強(qiáng)度可以為360MPa以上。
[0061] 而且，本發(fā)明的焊接接頭包括上述成分，而且所述Si、Al及Ti可以滿足以下關(guān)系式 3：
[0062] 關(guān)系式3
[0063] Si+Al+Ti彡2.0
[0064]若Si+Al+Ti>2.0，有可能會(huì)產(chǎn)生龜裂，因此按照上述關(guān)系式3進(jìn)行控制。
[0065] 本發(fā)明的焊接接頭具有在-196Γ的極低溫度下沖擊韌性為27J以上，在常溫下屈 服強(qiáng)度為360MPa以上的技術(shù)效果。
[0066] 下面，對(duì)本發(fā)明的用于制造焊接接頭的助焊劑芯電弧焊接材料進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0067]本發(fā)明的助焊劑芯電弧焊接材料是由包括合金和助焊劑粉末的芯和外皮組成的 復(fù)合焊絲，是包括由規(guī)定的合金和助焊劑組成的芯和裹住所述芯外面的外皮的雙重結(jié)構(gòu)。 [0068]更具體地，裹住芯的外皮是由包含有35~46重量％Ni的Fe基長條組成的單一外皮 結(jié)構(gòu)。
[0069] 本發(fā)明的助焊劑芯電弧焊接材料，以重量％計(jì)，包括:C:0.05~1.30%;Si:0.2~ 1.8% ;Μη:0·5~25%;P和S元素中的一種以上元素：小于0.031%;Ni:25~50%;Α1:1·5% 以下；Ti0 2:3.5~15%;K、Na及Li元素中的一種以上元素:0.01~1.3%;11:2.4%以下 ;]\1〇、 W、Co元素中的一種以上元素:0.001~10重量％ ;余量的Fe及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0070] 下面，說明上述各成分的數(shù)值限定的理由。
[0071] 碳(C):0.05 ~1.30 重量 ％
[0072] 碳作為能夠確保焊接金屬的硬度和焊接金屬的極低溫沖擊韌性的奧氏體穩(wěn)定性 元素，也是現(xiàn)存的最強(qiáng)的元素，在本發(fā)明當(dāng)中是必要元素。但是，即使在焊絲中所述碳成分 的含量低，仍然可從助焊劑中獲得充分量的碳，因此碳含量的下限限定為0.05重量％也能 滿足要求。只是，若碳含量低于0.05%，在極低溫度下不會(huì)產(chǎn)生奧氏體，因此具有韌性下降 的問題。而且，若碳含量超過1.30重量％，焊接時(shí)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w等，由此有可能在焊接 接頭誘發(fā)缺陷，而且與錳、鉻等合金元素結(jié)合而產(chǎn)生MC、M 23C6等碳化物，因此具有在低溫下 沖擊韌性下降的問題。因此，優(yōu)選地，將碳含量限定在0.05~1.30重量％范圍內(nèi)。
[0073] 硅（Si):0.2 ~1.8 重量 ％
[0074] 若硅含量低于0.2重量％，有可能導(dǎo)致焊接金屬內(nèi)的脫氧效果不充分、降低焊接金 屬的流動(dòng)性，相反，若硅含量超過1.8重量％，具有在焊接金屬內(nèi)誘發(fā)偏析而導(dǎo)致低溫沖擊 韌性降低，并且給焊接裂紋敏感性產(chǎn)生壞影響的問題。因此，優(yōu)選地，將硅含量限定在0.3~ 1.8重量％范圍內(nèi)。
[0075] 錳(Mn) :0.5~25重量％
[0076] 錳作為生成低溫穩(wěn)定性奧氏體的主要元素，是在本發(fā)明當(dāng)中必須添加的元素，與 鎳相比，是非常低廉的一種元素。若猛的含量低于0.5重量％，不會(huì)產(chǎn)生充分的奧氏體，因此 在極低溫度下的韌性非常低，相反，若錳的含量超過25重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的偏析，并誘發(fā) 高溫龜裂、產(chǎn)生有害煙霧等。因此，優(yōu)選地，將錳的含量限定在0.5~25重量％范圍內(nèi)。
[0077] 硫(S)和磷(P)元素中的一種以上元素:低于0.031%
[0078] 硫和磷具有焊接后凝固時(shí)最終凝固部分出現(xiàn)偏析的特性。該元素會(huì)制造出低熔點(diǎn) 化合物，而在焊接該部位時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生龜裂，因此，優(yōu)選地，將硫和磷元素 中的一種以上元素的含量限定為低于0.031重量％。
[0079] 鎳(Ni):25 ~50 重量 ％
[0080] 鎳是奧氏體穩(wěn)定性元素，是在本發(fā)明當(dāng)中必須要添加的元素，為保證極低溫韌性， 需添加25重量％以上，考慮到制造成本單價(jià)的問題，優(yōu)選地包含50重量％以下，因此，優(yōu)選 地，將鎳的含量限定在25~50重量％范圍內(nèi)。
[0081] 鋁(Α1):1·5重量％以下
[0082] 錯(cuò)會(huì)降低硬度，并且增加堆垛層錯(cuò)能（SFE:Stacking Fault Energy)，從而確保在 低溫下的韌性。但是，若鋁的含量超過1.5%，在焊接接頭將Ti02還原生成Ti(C、N)，從而極 端地降低極低溫沖擊韌性。因此，優(yōu)選地，將鋁的含量限定在1.5重量％以下。
[0083] 二氧化鈦(Ti02) :3.5~15重量％
[0084] 所述Ti02作為造渣劑，在液態(tài)焊接金屬凝固之前被凝固，以抑制液態(tài)焊接金屬流 出，由此進(jìn)行全方位焊接。為達(dá)到所述效果，在本發(fā)明優(yōu)選添加3.5重量％以上。但是，若 Ti0 2含量超過15重量％，焊接金屬內(nèi)的氧化物含量急劇上升，因此具有極低溫沖擊韌性下 降的缺點(diǎn)，因此，優(yōu)選地，將二氧化鈦(Ti0 2)的含量限定在3.5~15重量％范圍內(nèi)。
[0085] 鉀(K)、鈉(Na)及鋰(Li)元素中的一種以上元素:0.01~1.3重量％
[0086]所述堿金屬在焊接過程中會(huì)通過降低電弧的電離電勢，方便電弧的產(chǎn)生，并在焊 接過程中能夠保持穩(wěn)定的電弧，將所述堿金屬添加0.01重量％以上，才能達(dá)到這種效果。但 是，其含量超過1.3重量％，因高蒸氣壓會(huì)出現(xiàn)過多的焊接煙霧，在此，堿金屬包括鉀、鈉及 鋰基堿金屬中的一種或兩種以上，本發(fā)明當(dāng)中堿金屬的添加效果與各含量比無關(guān)。
[0087] 鈦(Ti):2.4重量％以下
[0088]優(yōu)選地，本發(fā)明的焊絲包括2.4重量％以下的鈦，鈦是強(qiáng)力的脫氧劑，可強(qiáng)力除去 焊接金屬內(nèi)的氧化物。但是，若添加過多的量，Ti(C、N)的含量隨之增加，從而具有極端地降 低沖擊韌性的缺點(diǎn)。因此，優(yōu)選地，將鋁的含量限定為2.4重量％以下。
[0089] 鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)元素中的一種以上元素:0.001%~10重量％
[0090] 鉬、鈷、鎢是增強(qiáng)基體硬度的元素，在本發(fā)明當(dāng)中優(yōu)選地包括0.001重量％以上。但 是，若所述元素的含量超過10%，會(huì)產(chǎn)生過多的碳化物，從而具有降低極低溫韌性的缺點(diǎn)。 因此，優(yōu)選地，將鉬、媽、鈷元素中的一種以上元素的含量限定在0.001~10重量％范圍內(nèi)。 [0091 ]除上述的必要成分外，以重量％計(jì)，本發(fā)明的焊接材料可以進(jìn)一步包括:Cr: 0.001 ~10%;Nb和V元素中的一種以上元素:0.001~1.2%;Si02、Zr02及Al 2〇3元素中的一種以上 元素:0.01~7.0% ;F和Ca元素中的一種以上元素:0.01~1.0%;以及N:0.01~0.5%元素 中的一種或兩種以上，從而更加提高本發(fā)明的效果。
[0092] 鉻（Cr) :0.001 ~10重量％
[0093] 鉻是鐵酸鹽穩(wěn)定性元素，是增強(qiáng)硬度和耐蝕性的元素。要達(dá)到該效果，優(yōu)選地包括 0.001重量％以上。但是，若鉻的含量超過10重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的鉻基碳化物，從而具有極 低溫韌性下降的問題。因此，優(yōu)選地，將鉻的含量限定在0.001~10重量％范圍內(nèi)。
[0094] 鈮(Nb)和釩(V)元素中的一種以上元素:0.001~1.2重量％
[0095] 鈮和釩是能夠提高基體硬度的元素，在本發(fā)明當(dāng)中優(yōu)選地包括0.001重量％以上。 但是，若所述元素的含量超過1.2重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的碳化物，從而具有降低極低溫韌性 的缺點(diǎn)。因此，優(yōu)選地，將銀和銀元素中的一種以上元素的含量限定在0.001~1.2重量％范 圍內(nèi)。
[0096] 二氧化硅(Si02)、二氧化鋯(Zr02)及氧化鋁(Al2〇3)元素中的一種以上元素：0.01 ~7.0重量％
[0097] 若Si02、Zr02、Al203元素中的一種以上元素的含量低于0.01重量％，熔渣涂布、脫 渣性和電弧的穩(wěn)定性惡化，導(dǎo)致全方位焊接作業(yè)性和焊縫的形成惡化，若所述元素的含量 超過7.0重量％，熔渣量急劇上升，熔渣粘度也變高，從而全方位焊接作業(yè)性和焊縫形狀惡 化。而且，硅、鋁等轉(zhuǎn)移成堆焊金屬的量增加，從而降低沖擊韌性。因此，優(yōu)選地，將Si〇2、 Zr〇2、Al2〇3元素中的一種以上元素的含量限定在0.01~7.0重量％范圍內(nèi)。
[0098] 氟(F)、鈣(Ca)元素中的一種以上元素:0.01~1.0重量％
[0099] 本發(fā)明的焊絲若在堿金屬基氟化合物和堿土金屬基氟化合物中進(jìn)一步添加氟和 鈣，則會(huì)更加提高本發(fā)明的效果。若在焊絲內(nèi)部添加〇. 〇 1重量％以上的所述氟化合物，在高 溫的電弧中產(chǎn)生氟，在焊接過程中與氫反應(yīng)而引起脫氫反應(yīng)，從而有效降低擴(kuò)散氫，但是， 若添加量超過1.0重量％，因高蒸氣壓特性，會(huì)產(chǎn)生過多的焊接煙霧，并且在將Ti〇 2作為主 要的熔渣成分的金紅石系中過度降低熔池的熔渣粘度，由此形成不穩(wěn)定的焊縫。因此，優(yōu)選 地，將其含量限定在0.01~1.0重量％。
[0100] 氮(Ν):0·01 ~0.5 重量 ％
[0101]并且，本發(fā)明的焊絲若進(jìn)一步添加氮，會(huì)更加提高本發(fā)明的效果。氮是具有與碳相 同特性的元素，在本發(fā)明當(dāng)中為達(dá)到所述效果，優(yōu)選地包括0.01重量％以上。相反，若氮的 含量超過0.5重量％，會(huì)過多產(chǎn)生氮化物，從而降低沖擊韌性。因此，優(yōu)選地，將其氮含量限 定在0.01~0.5重量％范圍內(nèi)。
[0102] 本發(fā)明的其余的成分是鐵(Fe)，只是在一般的制作過程中受原材料或周圍環(huán)境的 影響不可避免地混入一些雜質(zhì)，是無法排除的，只要是該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都會(huì)知道所 述雜質(zhì)，因此在本說明書中對(duì)其所有的內(nèi)容不作特別的說明。
[0103] 所述焊接材料的外皮由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0.05重量％以下、余量的Fe 組成，所述外皮是高Ni鋼，起到在焊接時(shí)增加焊接接頭的Ni的含量的作用，將Ni和其他雜質(zhì) 的含量限定在上述范圍是為了在極低溫度下確保韌性以及降低焊接時(shí)的龜裂等缺陷。
[0104] 所述焊接材料的直徑優(yōu)選為0.9~1.6mm，考慮到外皮的密度與芯的密度差，所述 外皮在所述焊接材料中的重量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為50~90%。
[0105] 如圖1所示，這種形態(tài)的外皮有可能呈現(xiàn)出裹住合金成分的芯的單一外皮結(jié)構(gòu)。
[0106] 下面，對(duì)用于制造本發(fā)明的焊接接頭的埋弧焊接材料和氣體金屬電弧焊接材料進(jìn) 行詳細(xì)說明。
[0107] 本發(fā)明的埋弧焊接材料和氣體金屬電弧焊接材料，以重量％計(jì)算，包括:C:0.05~ 1.20% ; Si :0.3~1.2% ;Mn: 3~15% ;P和S元素中的一種以上元素 ：0.03%以下；Ni: 25~ 50 % ; A1:1.5 %以下;其余是Fe及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0108] 下面，說明上述各成分的數(shù)值限定的理由。
[0109] 碳(C):0.05 ~1.20 重量 ％
[0110] 碳作為能夠確保焊接金屬的硬度和焊接金屬的極低溫沖擊韌性的奧氏體穩(wěn)定性 元素，也是現(xiàn)存的最強(qiáng)的元素，在本發(fā)明當(dāng)中是必要元素。但是，即使在焊絲中所述碳成分 的含量低，仍然可從助焊劑中獲得充分量的碳，因此碳含量的下限限定為0.05重量％也能 夠滿足要求。只是，若碳含量低于0.05%，在極低溫度下不會(huì)產(chǎn)生奧氏體，從而存在韌性下 降的問題。而且，若碳含量超過1.20重量％，焊接時(shí)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w等，由此有可能在焊 接接頭誘發(fā)缺陷，而且與錳、鉻等合金元素結(jié)合而產(chǎn)生MC、M 23C6等碳化物，從而具有在低溫 下沖擊韌性下降的問題。因此，優(yōu)選地，將碳含量限定在0.05~1.20重量％范圍內(nèi)。
[0111] 硅（Si):0.30 ~1.2 重量 ％
[0112] 若硅含量低于0.30重量％，有可能焊接金屬內(nèi)的脫氧效果不充分、降低焊接金屬 的流動(dòng)性，相反，若硅含量超過1.2重量％，具有在焊接金屬內(nèi)誘發(fā)偏析而導(dǎo)致低溫沖擊韌 性降低，并且給焊接裂紋敏感性產(chǎn)生壞影響的問題。因此，優(yōu)選地，將硅含量限定在0.30~ 1.2重量％范圍內(nèi)。
[0113] 錳(Μη) :3~15重量％
[0114] 錳作為生成低溫穩(wěn)定性奧氏體的主要元素，是在本發(fā)明當(dāng)中必須要添加的元素， 與鎳相比，是非常低廉的一種元素。若猛的含量低于3重量％，不會(huì)產(chǎn)生充分的奧氏體，因此 在極低溫度下的韌性非常低，相反，若錳的含量超過15重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的偏析，并誘發(fā) 高溫龜裂。因此，優(yōu)選地，將錳的含量限定在3~15重量％范圍內(nèi)。
[0115] 硫(S)和磷(P)元素中的一種以上元素:0.03重量％以下
[0116] 硫和磷具有焊接后凝固時(shí)最終凝固部分出現(xiàn)偏析的特性。該元素會(huì)制造出低熔點(diǎn) 化合物，而在焊接該部位時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生龜裂，因此，優(yōu)選地，將硫和磷元素 中的一種以上元素的含量限定為低于0.03重量％。
[0117] 鎳(Ni):25 ~50 重量 ％
[0118] 鎳是奧氏體穩(wěn)定性元素，是在本發(fā)明當(dāng)中必須要添加的元素，為保證極低溫韌性， 需添加25重量％以上，考慮到制造成本單價(jià)的問題，優(yōu)選地包含50重量％以下，因此，優(yōu)選 地，將鎳的含量限定在25~50重量％范圍內(nèi)。
[0119] 鋁(Al):1.5重量％以下
[0120] 鋁會(huì)降低硬度，并且增加堆垛層錯(cuò)能，從而確保在低溫下的韌性。但是，若鋁的含 量超過1.5%，在焊接接頭將Ti02還原生成Ti(C、N)，從而具有極端地降低極低溫沖擊韌性 的缺點(diǎn)。因此，優(yōu)選地，將鋁的含量限定為1.5重量％以下。
[0121] 除所述必要成分外，以重量％計(jì)，本發(fā)明的焊接材料可以進(jìn)一步包括：由鉻(Cr: 0.001~6% ;Mo、W及Co元素中的一種以上元素:0.001~6% ;Nb和V元素中的一種以上元素： 0.001~1.5%;以及N:0.01~0.5%元素組成的組中選擇的一種或兩種以上的元素，從而更 加提高本發(fā)明的效果。
[0122] 鉻(Cr) :0.001 ~6重量％
[0123] 鉻是鐵酸鹽穩(wěn)定性元素，是增強(qiáng)硬度和耐蝕性的元素。要達(dá)到該效果，優(yōu)選地包括 0.001重量％以上。但是，若鉻的含量超過6重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的鉻基碳化物，從而具有極 低溫韌性下降的問題。因此，優(yōu)選地，將鉻的含量優(yōu)選地限定在0.001~6重量％范圍內(nèi)。
[0124] 鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)元素中的一種以上元素:0.001%~6重量％
[0125] 鉬、鎢、鈷是增強(qiáng)基體硬度的元素，在本發(fā)明當(dāng)中優(yōu)選地包括0.001重量％以上。但 是，若所述元素的含量超過6重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的碳化物，從而具有降低極低溫韌性的缺 點(diǎn)。因此，優(yōu)選地，將鉬、鎢、鈷元素中的一種以上元素的含量限定在0.001~6%范圍內(nèi)。
[0126] 鈮(Nb)和釩(V)元素中的一種以上元素:0.001~1.5重量％
[0127] 鈮和釩是能夠提高基體硬度的元素，在本發(fā)明當(dāng)中優(yōu)選地包括0.001重量％以上。 但是，若所述元素的含量超過1.5重量％，會(huì)產(chǎn)生過多的碳化物，從而具有降低極低溫韌性 的缺點(diǎn)。因此，優(yōu)選地，將銀和銀元素中的一種以上元素的含量限定在0.001~1.5重量％范 圍內(nèi)。
[0128] 氮(Ν):0·01 ~0.5 重量 ％
[0129] 并且，本發(fā)明的焊絲若進(jìn)一步添加氮，會(huì)更加提高本發(fā)明的效果。氮是具有與碳相 同特性的元素，在本發(fā)明當(dāng)中為達(dá)到所述效果，優(yōu)選地包括0.01重量％以上。相反，若氮的 含量超過0.5重量％，會(huì)過多產(chǎn)生氮化物，從而降低沖擊韌性。因此，優(yōu)選地，將其氮含量限 定在0.01~0.5重量％范圍內(nèi)。
[0130] 本發(fā)明的其余成分是鐵(Fe)，只是在一般的制作過程中受原材料或周圍環(huán)境的影 響不可避免地混入一些雜質(zhì)，是無法排除的，只要是該領(lǐng)域的技術(shù)人員都會(huì)知道所述雜質(zhì)， 因此在本說明書中對(duì)其所有的內(nèi)容不作特別的說明。
[0131] 所述焊接材料的外皮由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0.05重量％以下、余量的鐵 (Fe)組成，所述外皮是高Ni鋼，起到在焊接時(shí)增加焊接接頭的Ni的含量的作用，將Ni和其他 雜質(zhì)的含量限定在上述范圍是為了在極低溫度下確保韌性以及降低焊接時(shí)的龜裂等缺陷。
[0132] 優(yōu)選地，所述焊接材料的直徑優(yōu)選在0.9~6.0mm范圍內(nèi)，考慮到外皮的密度與芯 的密度差，所述外皮在所述焊接材料中的重量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為50~90%。
[0133] 如圖1所示，這種形態(tài)的外皮有可能呈現(xiàn)出裹住合金成分的芯的單一外皮結(jié)構(gòu)。
[0134] 而且，在所述芯和所述外皮之間，或者在所述外皮的外表面可以進(jìn)一步包括附加 的外皮，如圖2及圖3所示，可以分別呈現(xiàn)出雙重外皮結(jié)構(gòu)。所述附加的外皮由C:0.025重 量％以下、Μη:0.025重量％以下、余量的Fe以及其他不可避免的雜質(zhì)組成。
[0135] 所述附加的外皮是低碳鋼，起到在焊接時(shí)增加焊接深度的作用的同時(shí)提高焊絲的 硬度，從而起到在焊接時(shí)提高焊絲的直線移動(dòng)性的作用。若所述碳或錳超出所述數(shù)值范圍， 在制造焊接材料的拉延工藝等過程中會(huì)遇到困難。
[0136] 如上所述，當(dāng)附加的外皮包含在焊接材料時(shí)，整個(gè)焊接材料以重量％計(jì)，也是由C: 0.05~1.20% ;Si :0.3~1.2% ;Mn: 3~15% ;P和S元素中的一種以上元素:0.03%以下;Ni: 25~50% ;A1:1.5%以下；余量的Fe;以及其他不可避免的雜質(zhì)組成，根據(jù)需要還可以選擇 性地包括由Cr:0.001~6% ;Mo、W、Co元素中的一種以上元素:0.001~6% ;Nb、V元素中的一 種以上元素:0.001~1.5%;以及N:0.01~0.5元素組成的組中選擇的一種或兩種以上。
[0137] 包括所述附加的外皮的焊接材料的直徑優(yōu)選為0.9~6.0mm，考慮到外模的密度與 芯的密度差，包括所述追加外皮的整個(gè)外皮在焊接材料中的重量分?jǐn)?shù)的優(yōu)選為50~90%， 從整體上看，芯部分有必須要添加的元素，因此芯在整個(gè)焊接材料中的重量分?jǐn)?shù)為10~ 50 %。因此，在具備雙重外皮結(jié)構(gòu)的情況下外皮整體重量分?jǐn)?shù)同樣是整體焊接材料的50~ 90% 〇
[0138] 下面，說明附圖標(biāo)記。
[0139] 11:芯12:外皮(含有高Ni)
[0140] 21:芯22:附加的外皮(低碳鋼)23:外皮(含有高Ni)
[0141] 31:芯32:附加的外皮(低碳鋼)33:外皮(含有高Ni)
[0142] 以下，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。但是，以下實(shí)施例只是為了更好地說 明本發(fā)明而示例的，并不限定本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
[0143] [實(shí)施例1]
[0144] 采用不同的焊接方法，并準(zhǔn)備了具有如下的表1和表2中表示的成分的焊接接頭， 各成分的含量單位是重量％。
[0145] 焊接方法采用了埋弧焊接方法（SAW;Submerged Arc Welding)、助焊劑芯電弧焊 接方法(FCAW;Flux Corded Arc Welding)、氣體金屬電弧焊接方法(GMAW(or MCW);Gas Metal Arc Welding)〇
[0146] SAW是利用助焊劑AB基(常用的助焊劑）以2.4~3. OkJ/mm的熱輸入量來實(shí)施焊接。
[0147] FCAW是在100%C02的條件下以1.7kJ/mm的熱輸入量來實(shí)施焊接。
[0148] GMAW(或MCW)是在80 % Al+20 % C02的條件下以1.7kJ/mm的熱輸入量來實(shí)施焊接。
[0149] 之后，測量焊接接頭是否出現(xiàn)龜裂或氣孔、-196Γ下的沖擊韌性、常溫下的屈服強(qiáng) 度，并將測量結(jié)果表示在表1和表2中。沖擊韌性(CVN @-196r)值的單位是J，屈服強(qiáng)度的單位是 MPa。而且以' + '連接的成分表示相應(yīng)成分的一種以上的含量。

[0152]從上述表1和表2的結(jié)果來看，符合本發(fā)明的合金成分含量和關(guān)系式的發(fā)明材料沒 有出現(xiàn)龜裂或氣孔，沖擊韌性在-196Γ的極低溫度下都呈現(xiàn)出27J以上，常溫下的屈服強(qiáng)度 都呈現(xiàn)出360Mpa以上。
[0153] 相反，對(duì)比材料在龜裂或氣孔、沖擊韌性、屈服強(qiáng)度中至少有一項(xiàng)的結(jié)果比較差， 可以判斷出不適合制造焊接接頭。
[0154] [實(shí)施例2]
[0155] 準(zhǔn)備了具有如下表3中表示的成分的助焊劑芯電弧焊接材料。各成分的含量單位 是重量％。
[0156] 發(fā)明材料和對(duì)比材料的外皮結(jié)構(gòu)和外皮的成分相同，只是整個(gè)焊接材料的含量不 同。所述焊接材料的外皮由以Ni : 35~46重量％、其他雜質(zhì)：0.05重量％以下、余量的Fe組 成。
[0157] 對(duì)各焊接材料實(shí)施了助焊劑芯電弧焊接(FCAW)。
[0158] FCAW是在100%的⑶2的條件下以1.7Kj/mm的熱輸入量實(shí)施了焊接。用于FCAW的焊 絲的直徑為1.2mm。
[0159] 之后，測量焊接性、焊接接頭是否出現(xiàn)龜裂或氣孔、在-196Γ下的沖擊韌性、在常 溫下的屈服強(qiáng)度，并將結(jié)果表示在以下表3中。沖擊韌性(CVN)值的單位是J，屈服強(qiáng)度的單 位是MPa。而且以' + '連接的成分表不相應(yīng)成分的一種以上的含量。
[
[0161]如上述表3所示，滿足本發(fā)明的合金成分的發(fā)明材料焊接性良好，不出現(xiàn)龜裂或氣 孔，沖擊韌性在-196Γ的極低溫度下均為27J以上，在常溫下的屈服強(qiáng)度均為360Mpa以上。
[0162] 相反，對(duì)比材料在焊接性、龜裂或氣孔、沖擊韌性、屈辱強(qiáng)度中至少有一項(xiàng)的結(jié)果 比較差，因此可以判斷出不適合用于焊接材料。
[0163] [實(shí)施例3]
[0164] 準(zhǔn)備了具有如以下表4中表示的成分的埋弧焊接材料、氣體金屬電弧焊接材料。各 成分的含量單位是重量％。
[0165] 發(fā)明材料和對(duì)比材料的外皮結(jié)構(gòu)和外皮成分相同，只是整個(gè)焊接材料的含量不 同。
[0166] 對(duì)比材料 3-1、3-3、3-4和發(fā)明材料3-1、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-9具有單一外皮 結(jié)構(gòu)，高Ni鋼的外皮由Ni:35~46重量％、其他雜質(zhì)：0.05重量％以下、余量的Fe組成，對(duì)比 材料3-2和發(fā)明材料3-2、3-8具有雙重外皮結(jié)構(gòu)，高Ni鋼的外皮由Ni : 35~46重量％、其他雜 質(zhì)：0.05重量％以下、余量的Fe組成，低碳鋼外皮由C:0.025重量％、Μη:0.025重量％以下、 余量的Fe及其他不可避免的雜質(zhì)組成。
[0167] 對(duì)各焊接材料實(shí)施了埋弧焊接(SAW)和氣體金屬電弧焊接(GMAW)。
[0168] SAW是以2.4~3.OkJ/mm的熱輸入量來實(shí)施了焊接。用于SAW的焊絲的直徑為 4.0mm〇
[0169] GMAW是在80 % Ar+20 % C02的條件下以1.7k J/mm的熱輸入量實(shí)施了焊接。用于GMAW 的焊絲的直徑為1.2mm。
[0170] 之后，測量焊接接頭的龜裂或氣孔與否、_196°C下的沖擊韌性、屈服強(qiáng)度，并將結(jié) 果表示在表4中。沖擊韌性值的單位是J，屈服強(qiáng)度的單位是MPa。而且以' + '連接的成分表示 相應(yīng)成分的一種以上的含量。
[0172] 如上述表4所示，滿足本發(fā)明的合金成分的發(fā)明材料沒有出現(xiàn)龜裂或氣孔，沖擊韌 性在-196Γ的極低溫均為27J以上，在常溫下的屈服強(qiáng)度均為360MPa以上。
[0173] 相反，對(duì)比材料在龜裂或氣孔、沖擊韌性、屈辱強(qiáng)度中至少有一項(xiàng)的結(jié)果比較差， 因此可以判斷出不適合用于焊接材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種助焊劑芯電弧焊接材料，包括：芯和裹住所述芯的外皮，以重量％計(jì)，所述助焊 劑芯電弧焊接材料包括:C:0.05~1.30% ;Si :0.2~1.8% ;Μη:0.5~25% ;P和S元素中的一 種以上元素：低于0.031%;附：25~50%41:1.5%以下 ；1^02:3.5~15%;1(、恥及1^元素中 的一種以上元素:〇.〇1~1.3% ;Ti :2.4%以下;Mo、W及Co元素中的一種以上元素:0.001~ 10% ;余量的Fe及其他不可避免的雜質(zhì)，其中，以重量％計(jì)，所述外皮由Ni : 35~46%、其他 雜質(zhì)：0.05%以下、余量的Fe組成。2. 根據(jù)利要求1所述的助焊劑芯電弧焊接材料，以重量％計(jì)，所述焊接材料還包括:Cr: 0.001~10%;Nb和V元素中的一種以上元素：0.001~1.2% ;Si〇2、Zr〇2及AI2O3中的一種以 上:0.01~7.0% ;F和Ca元素中的一種以上元素：0.01~1.0%;以及N:0.01~0.5%中的一 種或兩種以上。3. 根據(jù)利要求1所述的助焊劑芯電弧焊接材料，其中，所述外皮在所述焊接材料中的重 量分?jǐn)?shù)為50~90 %。
【文檔編號(hào)】C22C38/44GK106077993SQ201610562938
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2013年11月22日
【發(fā)明人】韓煜, 韓一煜, 金正吉, 李奉根, 李洪吉
【申請(qǐng)人】Posco公司