提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝

摘要

本发明涉及一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝。其技术方案是：该实芯焊丝的化学组分是：C为0，Mn为1.50~2.00wt%，Si为0.40~0.80wt%，Cr为12.00~20.00wt%，Ni为4.00~8.00wt%，Mo为0.50~2.00wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。使用本发明的实芯焊丝所形成的焊缝金属具有高强、高韧性和高耐磨性的特点，其强度能与800~1000MPa级工程机械高强钢相匹配，焊接接头具有较高的抗疲劳性能，能满足对所焊接制备的工程机械设备的高强度和高疲劳性能的技术要求。

说明书

技术领域

本发明属于实芯焊丝技术领域。具体涉及一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝。

背景技术

现阶段，我国仍处于基础设施投资高速增长阶段，大型建设工程需要大规格、高承载能力的工程机械设备如挖掘机、装载机和起重机等。这些大型工程机械设备要求其零部件具有高强、耐磨以及较高的疲劳性能，以适宜高强度、重载荷、交变动载荷以及高频率振动等恶劣的工作条件和环境。因此，制备工程机械设备的钢铁材料以及用于连接钢铁材料的焊接接头也必须具备高强、耐磨和高疲劳强度的性能。

目前，工程机械用钢已通过微合金化，采用TMCP等轧制工艺和先进的热处理工艺，使其强度逐渐提高到800~1000MPa，形成了系列工程机械高强钢。在现有的与工程机械高强钢匹配的焊丝技术中，“一种800MPa高强度高韧性气体保护焊丝”（ CN 101733580A）专利技术，所形成的焊缝金属的强度可与800MPa级工程机械高强钢相匹配，能用于煤矿机械设备，然而，该技术没有考虑所形成的焊接接头的疲劳强度较低的问题；“提高焊接接头疲劳性能的实芯焊丝”（CN1651181A）专利技术，通过降低马氏体转变温度以减小焊接残余拉伸应力来提高焊接接头疲劳强度，在很大程度上提高了焊接接头的疲劳性能，但该焊丝形成的焊缝金属，其组织为马氏体+(5~40)%的奥氏体，强度达不到800~1000MPa，仍不能满足大型工程机械设备的高强度和高疲劳性能技术要求。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝，所形成的焊缝金属强度高、韧性良和耐磨性能好，其强度与800~1000MPa级工程机械高强钢相匹配，焊接接头具有较高的抗疲劳损坏性能，能满足对所焊接的工程机械设备的高强度和高疲劳性能技术要求。

为实现上述目的，本发明的实芯焊丝所采用的化学组分是：C为0，Mn为1.50~2.00wt%，Si为0.40~0.80wt%，Cr为12.00~20.00wt%，Ni为4.00~8.00wt%，Mo为0.50~2.00wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

由于采用了上述技术方案，本发明不含碳元素，以保证焊缝金属具有较好的抗裂性能和冲击韧性，并避免铬的碳化物析出而耗损焊缝金属中的铬元素。铬元素是该发明中的主要合金元素，含量在12wt%以上；铬为铁素体形成元素，保证了焊缝金属以δ相凝固；降低了奥氏体的相转变温度，促进低温转变产物合金马氏体的形成，提高焊缝金属的强韧性；同时，铬元素通过固溶强化的作用，提高了焊缝金属的强度。本发明含有适量的镍元素，镍元素为奥氏体形成元素，起到扩大奥氏体相区的作用，保证在高温时，焊缝金属全部转变成奥氏体组织，没有δ铁素体的残留；同时，镍元素有助于提高材料的淬硬性。添加的钼元素与镍元素和锰元素共同作用，使合金马氏体的开始转变温度（T_s）降低到150℃左右，合金马氏体的转变完成温度（T_f）降低到室温，即在室温下完成合金马氏体的全部转变。通过净化钢水，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。

以上合金元素组成的化学成分，使焊缝金属组织为全合金马氏体，不残留高温δ铁素体组织，不残留γ奥氏体组织，保证了焊缝金属的强度和韧性；另一方面在低温转变产生的相变应力与焊接热应力相互抵消，将焊接残余拉应力减小到最小或为零，从而在很大程度上改善了因焊接残余拉应力而导致的焊接接头疲劳强度的降低。

本发明所制备的实芯焊丝用于焊接高强工程机械用钢，焊缝金属形成合金马氏体，合金马氏体组织保证了较高的强度，较好的韧性，且合金马氏体具有较高的耐磨性能，焊缝金属的屈服强度达到680~910MPa，抗拉强度达到815~1158MPa，延伸率A为13~17%，-20℃时冲击功A_kv为52~68J，硬度值为305~350（HV10）；通过调整合金成分，将马氏体开始转变温度控制在150℃左右，马氏体转变完成温度控制在室温左右，最大程度地使低温相变应力与焊接热产生的拉伸应力相抵消，将焊接残余拉应力引起的疲劳强度降低减小到最小或为零，与相同强度级别的焊接接头相比较，焊接接头的疲劳强度提高30~35%，具有较高的抗疲劳性能；实现了高强工程机械设备力学性能及抗疲劳性能的要求。

因此，本发明合金元素含量相对简单；所形成的焊缝金属具有高强、高韧性和高耐磨性的特点，其强度能与800~1000MPa级工程机械高强钢相匹配，焊接接头具有较高的抗疲劳性能，能满足对所焊接制备的工程机械设备的高强度和高疲劳性能的技术要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：

实施例1

一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝。该实芯焊丝的化学组分是：C为0，Mn为1.50~1.65wt%，Si为0.40~0.55wt%，Cr为18.00~20.00wt%，Ni为4.00~5.50wt%，Mo为0.50~0.70wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所制备的实芯焊丝，直径为Φ2.5mm，采用钨极氩弧焊焊接方法，焊接20mm厚的800MPa级工程机械用钢。该级别工程机械钢板的化学组分是：C为≤0.12wt%，Si为0.15~0.35wt%，Mn为0.80~1.50wt%，Cr为0.02~0.06wt%，Mo为0.20~0.60wt%，P为≤0.003wt%，S为≤0.015wt%。该800MPa级工程机械用钢板的力学性能是：抗拉强度为≥785MPa，屈服强度为≥685MPa，延伸率A=15%；-20℃时冲击功A_kv≥47J。试板坡口型式为V型，单侧坡口角度为45°。选用直径Φ2.5mm的铈钨极，氩气纯度大于99.95%，氩气流量为8~12L/min，气体喷嘴直径为Φ8~12mm，喷嘴伸出长度为4~5mm。焊接电流为70~80A，电弧电压为14~16V，焊接速度为6~8cm/min。

焊后进行焊缝金属力学性能及焊接接头疲劳性能分析：焊缝金属的屈服强度为680MPa，抗拉强度为815MPa，伸长率A=17%，-20℃时冲击功平均值A_kv=68J，硬度平均值为305(HV10)；焊接接头的疲劳性能在高频疲劳试验机上进行测试，频率f为139赫兹，应力循环比r为0.1，循环次数为10⁷次，试验结果测得疲劳强度比同强度级别的焊接接头提高35%。

实验结果表明：采用本实施例所制备的800MPa实芯焊丝，经钨极氩弧焊焊接后，其焊缝金属的力学性能完全满足800MPa工程机械用钢的技术要求，其焊接接头也满足工程机械设备的疲劳强度技术要求。

实施例2

一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝。该实芯焊丝的化学组分是：C为0，Mn为1.65~1.80wt%，Si为0.55~0.70wt%，Cr为14.00~18.00wt%，Ni为5.50~6.50wt%，Mo为0.70~1.20wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所焊接的钢板及坡口型式同实施例1。

本实施例所制备的实芯焊丝，直径为Φ1.2mm，采用100%氩气保护的气体保护焊接工艺，焊接电流为285~340A，电弧电压为31~33V。

焊后进行焊缝金属力学性能及焊接接头疲劳性能分析：焊缝金属的屈服强度为698MPa，抗拉强度为830MPa，伸长率A=13%，-20℃时冲击功平均值A_kv=47J，硬度平均值为327(HV10)；焊接接头的疲劳性能在高频疲劳试验机上进行测试，试验参数同实施例1，试验结果测得疲劳强度比同强度级别的焊接接头提高30%。

实验结果表明：采用本实施例所制备的800MPa实芯焊丝，经100%氩气保护的气体保护焊焊接后，其焊缝金属的力学性能完全满足800MPa工程机械用钢的技术要求，其焊接接头也满足工程机械设备的疲劳强度技术要求。

实施例3

一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝。该实芯焊丝的化学组分是：C为0，Mn为1.80~2.00wt%，Si为0.70~0.80wt%，Cr为12.00~14.00wt%，Ni为6.50~8.00wt%，Mo为1.20~2.00wt%，P≤0.002wt%，S≤0.005wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所制备的实芯焊丝，直径为Φ2.5mm，采用钨极氩弧焊焊接方法，焊接20mm厚的1000MPa级工程机械用钢。该1000MPa级工程机械钢板的化学组分是：C为0.10~0.20wt%，Si为0.20~0.70wt%，Mn为1.00~1.70wt%，Mo为0.30~0.50wt%，Ni为0.30~0.50wt%，Cr为0.80~1.20wt%，S≤0.02wt%，P≤0.025wt%；该钢板的力学性能是：屈服强度≥980MPa，抗拉强度为1080~1370MPa，-20℃冲击韧性值≥25J。坡口型式及焊接工艺同实施例1。

焊后进行焊缝金属力学性能及焊接接头疲劳性能分析：焊缝金属的屈服强度为910MPa，抗拉强度为1158MPa，伸长率A=15%，-20℃时冲击功平均值A_kv=52J，硬度平均值为350(HV10)；焊接接头的疲劳性能在高频疲劳试验机上进行测试，试验参数同实施例1，试验结果测得疲劳强度比同强度级别的焊接接头提高32%。

实验结果表明：采用本实施例所制备的1000MPa实芯焊丝，经钨极氩弧焊焊接后，其焊缝金属的力学性能完全满足1000MPa工程机械用钢的技术要求，其焊接接头也满足工程机械设备的疲劳强度技术要求。

本具体实施方式不含碳元素，以保证焊缝金属具有较好的抗裂性能和冲击韧性，并避免铬的碳化物析出而耗损焊缝金属中的铬元素。铬元素是该发明中的主要合金元素，含量在12wt%以上；铬为铁素体形成元素，保证焊缝金属以δ相凝固；降低了奥氏体的相转变温度，促进低温转变产物合金马氏体的形成，提高焊缝金属的强韧性；同时，铬元素通过固溶强化的作用，提高焊缝金属的强度。本发明含有适量的镍元素，镍元素为奥氏体形成元素，起到扩大奥氏体相区的作用，保证在高温时，焊缝金属全部转变成奥氏体组织，没有δ铁素体的残留；同时，镍元素有助于提高材料的淬硬性。添加钼元素，与镍元素和锰元素共同作用，使合金马氏体开始转变温度（T_s）降低到150℃左右，合金马氏体转变完成温度（T_f）降低到室温，即在室温下完成合金马氏体的全部转变。通过净化钢水，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向。

以上合金元素组成的化学成分，使焊缝金属组织为全合金马氏体，不残留高温δ铁素体组织，不残留γ奥氏体组织，保证了焊缝金属的强度和韧性；另一方面在低温转变产生的相变应力与焊接热应力相互抵消，将焊接残余拉应力减小到最小或为零，从而在很大程度上改善了因焊接残余拉应力而导致的焊接接头疲劳强度的降低。

本具体实施方式所制备的实芯焊丝用于焊接高强工程机械用钢，焊缝金属形成合金马氏体，合金马氏体组织保证了较高的强度，较好的韧性，且合金马氏体具有较高的耐磨性能，焊缝金属的屈服强度达到680~910MPa，抗拉强度达到815~1158MPa，延伸率A为13~17%，-20℃时冲击功A_kv为52~68J，硬度值为305~350（HV10）；通过调整合金成分，将马氏体开始转变温度控制在150℃左右，马氏体转变完成温度控制在室温左右，最大程度地使低温相变应力与焊接热产生的拉伸应力相抵消，将焊接残余应力引起的疲劳强度降低减小到最小，与相同强度级别的焊接接头相比较，疲劳强度提高30~35%，具有较高的抗疲劳性能；实现了高强工程机械设备力学性能及抗疲劳性能的要求。

因此，本具体实施方式合金元素含量相对简单；所形成的焊缝金属具有高强、高韧性和高耐磨性的特点，其强度能与800~1000MPa级工程机械高强钢相匹配，焊接接头具有较高的抗疲劳性能，能满足对所焊接制备的工程机械设备的高强度和高疲劳性能的技术要求。