适用于‑196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝

摘要

本发明涉及一种适用于‑196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。其技术方案是：所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是：C为0.30~0.55wt%，Mn为24~26wt%，Ni为6.4~8.2wt%，W为2.5~4.0wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明制备成本低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足工作温度为‑196℃时所焊接的设备的强度和超低温韧性的技术要求。

说明书

技术领域

本发明属于熔化极气体保护焊焊丝技术领域。具体涉及一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。

背景技术

适用于工作温度为-196℃的容器主要是指液化天然气（LNG）等贮存运输容器。现阶段，用于LNG贮罐的钢为商业用9Ni钢，由于镍含量高达9%，钢板价格昂贵。为节省Ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本，世界各国科研人员正在积极研制超低温高锰钢。

在我国，一些高校与钢铁企业已率先联合开展了一些理论和实验研究，研发出适于实用的超低温高锰钢。超低温高锰钢在应用过程中，采用焊接工艺制造结构及设备时，熔化极气体保护焊方法是常用的焊接方法，需要相配套的焊丝。超低温高锰钢熔化极气体保护焊焊丝采用与9Ni钢相同的焊丝，9Ni钢工程应用最多的是镍基焊丝，当采用镍基焊丝时，存在两个问题：第一，焊丝中镍元素含量为50~60%，价格昂贵；第二，母材与焊丝的成分属于不同成分体系，差别较大，会引起焊接接头熔合线处元素扩散，组织与性能发生变化。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种成本低和合金成分体系简单的适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝，所形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是：C为0.30~0.55wt%，Mn为24~26wt%，Ni为6.4~8.2wt%，W为2.5~4.0wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单，制备成本低。

本发明采用的主要合金元素Mn的含量为24~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。

本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，且一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本发明采用碳元素含量为0.30~0.55wt%，镍元素含量为6.4~8.2wt%。

本发明在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加2.5~4.0wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效地减少和避免了凝固裂纹的出现。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%和S≤0.001wt%。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。

本发明采用的化学成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和有足够的强度，且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。

本发明所制备的熔化极气体保护焊实芯焊丝用于-196℃工作温度的25Mn超低温钢的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功A_kv为74~106J；亦保证了足够的强度：屈服强度为410~478MPa，抗拉强度为582~695MPa，延伸率A为38~42%，实现了-196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。

因此，本发明制备成本低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足对所焊接的适用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

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

一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝（以下简称熔化极气体保护焊焊丝）。所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是：C为0.30~0.38wt%，Mn为25.3~26.0wt%，Ni为6.4~7.0wt%，W为2.5~3.0wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述熔化极气体保护焊焊丝，直径为Φ1.2mm，采用熔化极气体保护焊焊接方法，焊接16mm厚的25Mn超低温钢。

所述25Mn超低温钢的化学组分是：C为≤0.40~0.50wt%，Si为0.10~0.20wt%，Mn为20~28wt%，N为0.01~0.08wt%，P为≤0.005wt%，S为≤0.003wt%。所述25Mn超低温钢的力学性能是：抗拉强度为≥400MPa，屈服强度为≥560MPa，延伸率A=40%；-196℃时冲击功A_kv≥54J。

所述25Mn超低温钢的试板坡口型式为X型，单侧坡口角度为30°。

本实施例采用保护气体为混合气体：80vol%氩气+20vol%CO₂，氩气流量为15~20L/min。

本实施例中：焊接电流为230~250A，电弧电压为28~30V，焊接速度为24~26cm/min，焊接线能量为16~18kJ/cm。

对本实施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445~456MPa，抗拉强度为625~663MPa，伸长率A=39~41%，-196℃时冲击功平均值A_kv=82~95J。

本实施例实验结果表明：采用本实施例制备的适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝，经熔化极气体保护焊焊接后，焊缝金属的力学性能完全满足25Mn超低温钢的技术要求，焊接接头满足-196℃工作温度的LNG贮罐的技术要求。

实施例2

一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。除下述外，其余同实施例1：

所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是：C为0.38~0.45wt%，Mn为24.7~25.3wt%，Ni为7.0~7.6wt%，W为3.0~3.5wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述熔化极气体保护焊焊丝的直径为Φ1.2mm。

对本实施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456~478MPa，抗拉强度为663~695MPa，伸长率A=38~39%，-196℃时冲击功平均值A_kv=74~82J。

实施例3

一种适用于-196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝。除下述外，其余同实施例1：

所述熔化极气体保护焊焊丝的化学组分是：C为0.45~0.55wt%，Mn为24.0~24.7wt%，Ni为7.6~8.2wt%，W为3.5~4.0wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所述熔化极气体保护焊焊丝的直径为Φ1.2mm。

对本实施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410~425MPa，抗拉强度为582~625MPa，伸长率A=41~42%，-196℃时冲击功平均值A_kv=95~106J。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单，制备成本低。

本具体实施方式采用的主要合金元素Mn的含量为24~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。

本具体实施方式中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，且一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本具体实施方式采用碳元素含量为0.30~0.55wt%，镍元素含量为6.4~8.2wt%。

本具体实施方式在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加2.5~4.0wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效地减少和避免凝固裂纹的出现。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%和S≤0.001wt%。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。

本具体实施方式的化学成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和有足够的强度，且降低凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。

本具体实施方式所制备的熔化极气体保护焊实芯焊丝用于-196℃工作温度的25Mn超低温钢的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功A_kv为74~106J；亦保证了足够的强度：屈服强度为410~478MPa，抗拉强度为582~695MPa，延伸率A为38~42%，实现了-196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求，特别是超低温韧性的要求。

因此，本具体实施方式制备成本低、合金成分体系简单；所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足工作温度为-196℃时所焊接的设备的强度和超低温韧性的技术要求。