一种用于焊接高强度高韧性结构钢的焊条

摘要

本发明属于焊接材料技术领域，是一种用于焊接高强度结构钢的手工电焊条，适用于焊接屈服强度780～980MPa级的高强度高韧性的钢材。该焊条形成的熔敷金属化学成分的重量百分比为：C 0.051～0.14％，Si 0.15～0.8％，Mn0.5～1.8％，Ni 7.1～12.0％，Mo 0.1～0.68％，Cr≤1.2％，Co≤1.5％，V 0.02～0.16％，Nb≤0.14％，Ti+Zr 0.003～0.07％，S≤0.03％，P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明焊条与现有技术相比成分设计合理，具有在焊条形成的熔敷金属屈服强度相同的条件下，冲击韧性有明显提高的优点。

说明书

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种用于焊接高强度结构钢的手工电焊条，其适用于焊接屈服强度780～980MPa级的高强度高韧性的钢材。

背景技术

随着机械工业和制造业的进一步发展，针对钢结构产品的需求进一步增加，特别是对高强度钢的需求。人们为了提高钢结构产品的性能和降低制造成本，所使用的钢材强度也越来越高，同时要求与其配套的焊接材料也具有同样或相接近的强度。通常来说随着焊接材料强度的提高，会降低形成焊缝的熔敷金属的冲击韧性，因此如何使熔敷金属在提高强度的同时又能得到足够的冲击韧性是人们一直在追求的目标。

《焊接技术》第32卷第2期《W607焊条的研制》、《焊接》第2002年第8期《X70管线钢配套焊条CHE607GX的研制及应用》和专利CN1433869A、CN1569386A、CN1528555A等介绍了各自的高强度钢用焊接材料，其中《W607焊条的研制》中介绍的W607焊条熔敷金属屈服强度为445MPa，《X70管线钢配套焊条CHE607GX的研制及应用》中介绍的CHE607GX焊条熔敷金属屈服强度为510Mpa。专利CN1433869A，CN1569386A和CN1528555A介绍的是高强度焊条，其中前两个专利用于焊接屈服强度大于780MPa高强度钢，第三个专利用于焊接屈服强度大于950MPa的高强度钢，虽然他们的屈服强度能够达到一定的标准，但其熔敷金属的冲击韧性却较低，限制了其进一步的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成分设计合理，对比现有技术在焊条形成的熔敷金属屈服强度相同的条件下，冲击韧性有明显提高的高强度高韧性焊条。

根据上述目的，本发明的技术方案为：

该焊条形成熔敷金属化学成分的重量百分比为：C 0.051～0.14％，Si0.15～0.8％，Mn：0.5～1.8％，Ni 7.1～12.0％，Mo 0.1～0.68％，Cr≤1.2％，Co≤1.5％，V 0.02～0.16％，Nb≤0.14％，Ti+Zr 0.003～0.07％，S≤0.03％，P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述熔敷金属化学成分中各种合金元素的作用如下：

C一般认为在明显提高熔敷金属强度的同时也使冲击韧性显著降低，因此为了保证熔敷金属具有足够的韧性，应严格限制C的加入量。本发明发现当C小于0.051％时，熔敷金属中贝氏体含量较多，C的强化作用不明显。当C≥0.051％时，随着C含量的增加，熔敷金属强度明显提高，同时冲击韧性下降幅度不大，这是由于C同时具有脱氧作用，降低熔敷金属的氧含量能够改善其冲击韧性；但当C大于0.14％时，冲击韧性明显恶化。

Si也是一种脱氧剂，为保证脱氧效果，Si含量应不小于0.15％。同时固溶到熔敷金属中的Si具有固溶强化作用，能提高熔敷金属的强度，但是会使冲击韧性下降；特别是当Si大于0.80％时，冲击韧性下降过多。

Mn主要用于提高熔敷金属强度，同时也起到脱氧和脱硫的作用，其加入量应不小于0.50％，随着Mn含量的增加，熔敷金属强度上升，而冲击韧性呈先上升后下降的规律；当Mn大于1.80％时，冲击韧性下降过多。

Ni是提高熔敷金属韧性的主要元素，同时Ni也是奥氏体稳定化的主要元素，它有利于形成强韧性良好的低碳马氏体组织。随着Ni含量的增加，熔敷金属韧性逐渐上升，当Ni≥7.10％时，冲击韧性明显提高，同时由于C的作用，抑制了贝氏体组织的出现，使熔敷金属中有较多的低碳马氏体组织，从而保证了熔敷金属具有较高的强度，但当Ni含量超过12.00％时，Ni不再具有改善韧性的作用，冲击韧性反而明显下降。

Mo也是提高熔敷金属强度的元素，其特点是当Mo含量较低时，随着Mo含量的增加，冲击韧性下降幅度不大，当Mo含量增加到一定程度时，冲击韧性明显下降，因此Mo含量的合适范围应在0.10～0.68％之间。

Cr和Co能够有效地提高熔敷金属的强度，但同时降低冲击韧性，而且Cr降低冲击韧性的作用比Co更加明显，因此Cr含量应控制在1.20％以下，Co含量应控制在1.50％以下。

V在低含量时具有改善冲击韧性的作用，因此应保证V≥0.020％，随着V含量的增加，熔敷金属强度增加、韧性有所下降，当V含量过高时韧性明显下降，因此V含量应不大于0.160％。Nb和V的作用类似，其含量应限制在0.140％以下。

Ti和Zr与氧的亲和力很强，一般用作脱氧剂，同时过渡到熔敷金属中的Ti和Zr与氧和氮结合形成颗粒细小的氧化物和氮化物，它们弥散分布在熔敷金属中，具有细化晶粒，提高冲击韧性的作用。当Ti和Zr小于0.003％时，细化晶粒作用不明显，当Ti和Zr大于0.070％时，所形成的氧化物和氮化物颗粒粗大，冲击韧性反而下降。

另外S和P是熔敷金属中的杂质元素，它们对熔敷金属的性能是有害的，应严格控制。

本发明采用与现有技术相似的制备方法，制造方法分为两种，一种是采用普通的H08焊芯，熔敷金属所需合金成分以金属粉未的形式加入粉料中，用水玻璃作粘结剂，将粉料混合均匀，然后用油压机压涂在H08焊芯上制成焊条，最后经低温和高温烧焙。

另一种方法是将主要合金成分在冶炼焊芯钢时加入，再经锻造，轧盘条、拨丝等工序制成合金焊芯，在料粉中只部分加入具有脱氧作用的Si、Mn、Ti和Zr，也可补充一些其他合金成分，其他过程与前一种方法相同。

本发明焊条与现有技术相比成分设计合理，在焊条的熔敷金属屈服强度相同的条件下，本发明的熔敷金属的冲击韧性有明显提高的优点。与现有技术相比，屈服强度同为800MPa时，本发明-50℃冲击功提高40J以上；屈服强度同为980MPa时，本发明-50℃冲击功提高60J以上。

具体实施方式

共制备10批焊条，批号依次为1#-10#，其中1#焊条采用H08A焊芯，2#焊条采用H08E焊芯，他们的熔敷金属合金元素主要靠药皮过渡，其它焊条采用合金焊芯，合金元素主要靠焊芯过渡。各种焊芯的化学成分见表1。

表1  本发明实施例焊芯的化学成分(重量％)

表1中，H08A和H08E焊芯都能在市场上购买，本实施例规格为直径4mm。合金芯的制造方法为首先根据表1中合金芯的成分进行配料和冶炼钢锭，再将钢锭锻成方坯，轧成盘条，拨成直径4mm的合金芯。方坯尺寸和盘条直径应根据轧机和拨丝机的要求确定。锻钢的开锻温度为1200℃，终锻温度为890℃，拨丝时如因加工硬化影响焊丝质量，应进行920～1000℃的退火处理。实施例中焊条药皮用料粉的成分见表2。

表2  本发明实施例焊条药皮用料粉的成分(重量％)

按表2成分配制料粉，用混料机进行干混，然后加入水玻璃作粘结剂进行湿混，再用压团机压成园柱状，用油压式焊条压涂机均匀地将料粉压涂到焊芯周围，其中1^#和2^#焊条外径为6.6mm，其它焊条外径为6.4mm，最后将制成的焊条进行80℃×4h低温烘干和400℃×2h高湿烘干，即可使用。

熔敷金属化学成分分析和力学性能试验按照国标GB/T5118进行，试板为低碳钢板，厚度20mm，先用试验焊条在坡口面及垫板面堆焊隔离层，再进行正式焊接。焊接规范为：焊接电源为直流反接，焊接电流150～160A，电弧电压23～24V，焊接速度160～180mm/min，道间温度100～120℃。表3为本发明实施例用低碳钢钢板的化学成分(重量％)，熔敷金属化学成分见表4，熔敷金属力学性能见表5。表4和表5中1#～10^#为本发明实施例，11^#和12^#为比较例，其中11^#为CN1569386A中的数据，12^#为CN1528555A中的数据。

表3  本发明实施例采用低碳钢钢板的化学成分(重量％)

  C  Si  Mn  P  S  Fe  0.15  0.35  1.42  0.017  0.014  余

表4  本发明实施例与现有技术比较的熔敷金属成分(重量％)

表5  本发明实施例与现有技术对比例的力学性能对比表