一種焊接材料、焊縫金屬及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種焊接材料、焊縫金屬及其應(yīng)用，以重量百分比計焊接材料及焊縫金屬的化學(xué)成分組成為：C≤0.10%，Si?0.2～0.6%，Mn?1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni?1.5～4.5%，Cr?0.3～1.0%，Ti?0.05～0.2%，V?0.05～0.2%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。使用本發(fā)明焊接材料所得的焊縫金屬屈服強(qiáng)度≥690MPa，抗拉強(qiáng)度≥830MPa，斷后延伸率≥19%，-60℃沖擊功≥80J。采用手工電弧焊，或者氣體保護(hù)焊，可在較大的工藝范圍內(nèi)獲得無缺陷、高質(zhì)量焊縫，為大厚度690MPa級別平臺用鋼的焊接加工制造提供解決方案。
【專利說明】一種焊接材料、焊縫金屬及其應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高韌性厚板的焊接材料及焊縫金屬，特別涉及一種屈服強(qiáng)度690MPa級厚板的焊接材料及焊縫金屬，屬于海洋鉆采油平臺用鋼配套焊接材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]全球經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展帶動了能源需求不斷增長，尤其是石油和天然氣的需求量不斷加大。隨著陸地資源相繼枯竭，油氣勘探逐漸轉(zhuǎn)移到深海領(lǐng)域。過去10年，海上油氣鉆采平臺的建設(shè)數(shù)量的年均增長率約80%，而且這一趨勢在未來的20年內(nèi)不會改變。鉆采油平臺的樁腿、齒條等承重部件需要屈服強(qiáng)度690MPa、且能夠抵抗_60°C沖擊功要求的鋼板，以確保結(jié)構(gòu)的安全；根據(jù)承載不同，鋼板的厚度在30~220mm之間。
[0003]建造現(xiàn)場條件和結(jié)構(gòu)決定了該類焊接結(jié)構(gòu)件的焊接拘束應(yīng)力大、多位置焊接等特點，對焊接材料的工藝性能和抗裂性能提出了高要求；另一方面，由于屈服強(qiáng)度超過690MPa，又要求確保-60沖擊韌性，因此對焊接材料提出了更高的要求，即要同時滿足高焊接工藝性能、高強(qiáng)度、高韌性和抗裂性能。
[0004]目前的配套焊接材料主要采用鎳鑰系和鎳鑰鉻系，焊縫金屬的典型合金元素包括2~4.5%鎳，0.5%鑰或者0.3~0.6%鉻。但由于焊接材料的鎳和鑰含量高，因此提高了焊接加工成本，給該類焊接材料及高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用帶來了障礙。
[0005]因此，行業(yè)迫切需求低成本、高工藝性能、能夠滿足技術(shù)要求的焊接材料和焊縫金屬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了低成本、高韌性的屈服強(qiáng)度690MPa鉆采油平臺鋼的焊接材料及焊縫金屬。采用手工電弧焊、氣保焊接等焊接方法，能夠得到無缺陷的焊接接頭，且焊縫金屬的屈服強(qiáng)度> 690MPa，抗拉強(qiáng)度> 830MPa，延伸率≥19%, -60°C沖擊功≥80J。
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0008]一種屈服強(qiáng)度690MPa級別鉆采油平臺鋼的焊接材料，所述焊接材料以重量百分比計的化學(xué)成分組成如下:c ≤ 0.10%, Si 0.2~0.6%, Mn 1.5~2.0%, P≤0.008%,S ≥ 0.006%, Ni 1.5 ~4.5%, Cr 0.3 ~1.0%, Ti 0.05 ~0.2%, V 0.05 ~0.2%,余量為 Fe
及不可避免雜質(zhì)。
[0009]所述的焊接材料可為焊條、實芯焊絲或藥芯焊絲。
[0010]所述的焊接材料，在690MPa級鉆采油平臺用鋼焊接中的用途。
[0011]一種屈服強(qiáng)度690MPa級鉆采油平臺用鋼的焊縫金屬，所述焊縫金屬以重量百分比計的化學(xué)成分組成如下:c ≤ 0.10%, Si 0.2~0.6%, Mn 1.5~2.0%, P≤0.008%,S ≤ 0.006%, Ni 1.5 ~4.5%, Cr 0.3 ~1.0%, Ti 0.05 ~0.2%, V 0.05 ~0.2%,余量為 Fe及不可避免雜質(zhì)。[0012]采用手工電弧焊、或者氣體保護(hù)焊，所述的焊接材料在制造高強(qiáng)高韌焊縫金屬中的應(yīng)用，所得焊縫金屬屈服強(qiáng)度≥690MPa，抗拉強(qiáng)度≥830MPa，斷后延伸率≥19%，_60°C沖擊功≥80J。
[0013]本發(fā)明的焊接材料可以通過常規(guī)的制造工藝即可獲得。
[0014]本發(fā)明中各元素的作用和含量限定的理由詳述如下:
[0015]C:高的C含量對鐵基材料的低溫沖擊韌性和焊接性能不利，本發(fā)明C含量控制為≤0.10%O
[0016]S1:是焊縫金屬中不可或缺的脫氧元素、能夠有效提高焊縫金屬強(qiáng)度的元素之一，因此其含量應(yīng)該> 0.2% ;另一方面當(dāng)其含量超過0.6%會導(dǎo)致焊縫金屬中的側(cè)板條鐵素體體積含量增多、導(dǎo)致低溫沖韌性下降。因此，本發(fā)明Si含量在0.2~0.6%。
[0017]Mn:是焊縫金屬中的主要脫氧元素之一，同時也能提高鋼板和焊縫金屬強(qiáng)度最有效的元素之一，因此其含量應(yīng)該> 1.5% ;但同時超過2.0%的Mn含量會顯著降低焊縫金屬低溫沖擊韌性。因此，本發(fā)明Mn含量控制為1.5~2.0%。
[0018]N1:可有效提高鐵素體基體的低溫韌性，也是低溫鋼及其焊接材料中常用的元素。雖然可以通過固溶強(qiáng)化機(jī)理來提高焊縫金屬強(qiáng)度，但當(dāng)其含量超過1.5%后，對于焊縫金屬的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不明顯；但是1.5~4.5%之間的鎳含量對于提高焊縫金屬的鐵素體基體的低溫韌性效果明顯，因此，鎳含量為1.5~4.5%。
[0019]Cr:是有效提高焊縫金屬淬透性的元素之一，從而提高焊縫金屬強(qiáng)度；但是但當(dāng)其含量超過1.0%后，會顯著促進(jìn)側(cè)板條鐵素體和貝氏體的生產(chǎn)，對低溫韌性不利，因此，其含量為0.3~1.0%。
[0020]T1:是本發(fā)明最重要的元素之一，一方面可有效改善焊接工藝性能、通過改善熔滴過度形態(tài)達(dá)到提高焊道形貌和焊接表面質(zhì)量，可同時滿足鉆采油平臺焊接結(jié)構(gòu)的大拘束度、大厚度和多位置焊接等特點帶來的焊接工藝難題。
[0021]另一方面，鈦通過析出強(qiáng)化等手段可有效提高焊縫金屬強(qiáng)度，同時焊縫中大量形成的氧化鈦可有效促進(jìn)針狀鐵素體的形成，可有效提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。正是由于鈦的加入對于焊縫金屬低溫韌性的有益作用，可將鎳含量降低到1.0~1.5%。因此，鈦含量為0.05~0.2%ο
[0022]V:通過V(C，N)析出來提高焊縫金屬的強(qiáng)度，同時對焊縫金屬的低溫韌性沒有損傷；當(dāng)其含量低于0.05時，強(qiáng)化效果不明顯；當(dāng)其含量超過0.2%時，其強(qiáng)化作用不再明顯，同時對低溫沖擊韌性不利。因此，優(yōu)選含量為0.05~0.2%。
[0023]P:本發(fā)明中作為雜質(zhì)元素，其含量控制為≤0.008%。
[0024]S:作為雜質(zhì)元素，其含量控制為ι0.006%。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少在于:
[0026]1、提供了一種低成本、焊接工藝性能優(yōu)良的鉆采油平臺高強(qiáng)鋼的焊接材料及焊縫金屬，為該類高強(qiáng)度高韌性大厚度的鋼結(jié)構(gòu)的焊接加工提供了解決方案。
[0027]2、焊接材料及焊縫金屬抗裂性能好，可適應(yīng)多位置、不同焊接工藝條件焊接，并能得到高質(zhì)量焊縫金屬，其屈服強(qiáng)度≤690MPa，抗拉強(qiáng)度≥830J，-60°C沖擊功≥80J，能夠滿足技術(shù)條件要求?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1焊縫金屬的微觀組織圖片。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0030]實施例1:
[0031]焊接試板采用國產(chǎn)60mm厚平臺鋼板，其屈服強(qiáng)度710MPa，抗拉強(qiáng)度855MPa，延伸率 22%，-60°C沖擊功 185J。
[0032]選用直徑1.2mm實芯焊絲，采用80%Ar+20%C02的混合氣體作為保護(hù)氣體，進(jìn)行熱輸入量16kJ/cm的氣保焊接。以重量百分比計焊絲化學(xué)成分組成，0.09C，0.55Si，1.90Mn,0.006Ρ，0.004S，3.6Ni，0.75Cr,0.16Ti，0.14V，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0033]焊接坡口為雙V，坡口角度為60°，鈍邊為3?5臟，間隙為I?3mm。焊前預(yù)熱溫度120°C。單面焊滿10道次后，即在反面清根，然后進(jìn)行10?20道次的焊接，然后再轉(zhuǎn)到另一面直至焊滿，然后到另一面焊滿。正反兩面共計焊85道次。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0034]以重量百分比計焊接接頭焊縫金屬的化學(xué)成分組成，0.06C, 0.35Si，1.75Mn，0.007Ρ，0.005S，2.8Ni，0.55Cr，0.12Ti，0.08V，其余為Fe及雜質(zhì)元素。機(jī)械性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強(qiáng)度745MPa，抗拉強(qiáng)度為860MPa，延伸率為19%，_60°C沖擊功分別為102，124和118J，平均值為115J。
[0035]實施例2:焊接試板采用國產(chǎn)40mm厚平臺鋼板，其屈服強(qiáng)度725MPa，抗拉強(qiáng)度875MPa，延伸率 21%，_60°C沖擊功 205J。
[0036]選用直徑5.0mm焊條進(jìn)行手工焊條電弧焊接。焊接坡口為單V，坡口角度為50°，鈍邊為2?4mm，間隙為I?2mm。以重量百分比計焊條的表皮藥粉的化學(xué)成分組成，0.06C,0.55Si, 1.75Μη，0.0068P,0.0052S，4.2Ni，0.95Cr,0.18Ti，0.20V，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0037]焊前鋼板的預(yù)熱溫度為150°C。單面焊滿8道次后，即在反面清根；然后進(jìn)行10?20道次的焊接，然后再轉(zhuǎn)到另一面直至焊滿，然后到另一面焊滿。正反兩面共計焊35道次。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0038]以重量百分比計焊接接頭焊縫金屬的化學(xué)成分組成，0.08C, 0.25Si，1.55Mn，
0.006Ρ，0.004S，3.5Ni，0.75Cr，0.07Ti，0.1IV，其余為Fe及雜質(zhì)元素。機(jī)械性能測試結(jié)果表明:焊縫的屈服強(qiáng)度748MPa，抗拉強(qiáng)度為860MPa，延伸率為19%，_60°C沖擊功分別為123，124和136J，平均值為128J。
[0039]實施例3:焊接試板采用120mm厚平臺鋼板，其屈服強(qiáng)度718MPa，抗拉強(qiáng)度868MPa，延伸率 20%，-60°C沖擊功 195J。
[0040]選用直徑1.2mm藥芯焊絲，采用85%Ar+15%C02的混合氣體作為保護(hù)氣體，進(jìn)行熱輸入量15kJ/cm的氣保焊接。以重量百分比計藥芯焊絲中藥粉的化學(xué)成分組成，0.07C，
1.95Mn，0.0075P,0.0045S，2.8Ni, 1.2Cr,0.15Ti，0.16V，其余為 Fe 及雜質(zhì)元素。
[0041]焊接坡口為雙V，坡口角度為65°，鈍邊為2?5臟，間隙為I?3mm。焊前預(yù)熱溫度為150°C。單面焊滿8道次后，即在反面清根；然后進(jìn)行10?20道次的焊接，然后再轉(zhuǎn)到另一面直至焊滿，然后到另一面焊滿。正反兩面共計焊165道次。焊后采用X射線和超聲波對焊接接頭進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0042]以重量百分比計焊接接頭焊縫金屬的化學(xué)成分組成，0.05C，0.20Si，1.90Mn，0.007Ρ，0.003S,1.9Ni,0.9Cr，0.15Ti，0.12V，其余為Fe及雜質(zhì)元素。機(jī)械性能測試結(jié)果表明:焊縫屈服強(qiáng)度742MPa，抗拉強(qiáng)度為875MPa，延伸率為19%，_60°C沖擊功分別為118，114和126J，平均值為119J。 [0043]采用本發(fā)明技術(shù)可得到無缺陷的低溫管線的埋弧焊接接頭，且焊縫金屬屈服強(qiáng)度<690MPa，抗拉強(qiáng)度<830MPa，斷后延伸率<19%，-60°C沖擊吸收功<100J，給屈服強(qiáng)度690MPa級別鉆采油平臺鋼的焊接加工帶來了解決方案。
【權(quán)利要求】
1.一種焊接材料，其特征在于，所述焊接材料以重量百分比計的化學(xué)成分組成如下:C ≤ 0.10%, Si 0.2 ~0.6%, Mn 1.5 ~2.0%, P ≤ 0.008%, S ≤ 0.006%, Ni 1.5 ~4.5%, Cr0.3~1.0%, Ti 0.05~0.2%, V 0.05~0.2%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接材料，其特征在于:焊接材料可為焊條、實芯焊絲或藥芯焊絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的焊接材料，其特征在于:在690MPa級鉆采油平臺用鋼焊接中的用途。
4.一種使用權(quán)利要求1所述的焊接材料制得的焊縫金屬，其特征在于，所述焊縫金屬以重量百分比計的化學(xué)成分組成如下:C ( 0.10%, Si 0.2~0.6%，Mn 1.5~2.0%，P ≤ 0.008%, S ≤ 0.006%, Ni 1.5 ~4.5%, Cr 0.3 ~1.0%, Ti 0.05 ~0.2%, V 0.05 ~0.2%,余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接材料在制造高強(qiáng)高韌焊縫金屬中的應(yīng)用，所得焊縫金屬屈服強(qiáng)度≤690MPa，抗拉強(qiáng)度≤830MPa，斷后延伸率≤19%，_60°C沖擊功≤80J。
【文檔編號】B23K35/30GK103480985SQ201310445220
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】張盤 申請人:張盤