本發(fā)明涉及一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲及制造方法。

背景技術(shù)：

1、隨著能源消耗的激增，過度依賴石油、煤炭等化石能源造成了嚴(yán)峻的大氣污染，廣泛利用低硫燃料、天然氣等清潔能源已發(fā)展為必然趨勢。在目前使用的所有清潔能源中，天然氣憑借著無毒、無色、無味及無腐蝕性的優(yōu)勢，受到世界各國的喜愛。天然氣運輸是化石能源運輸?shù)慕M成部分之一。主要形式是管道運輸和加工成液化天然氣通過專用的液化天然氣輸送船運輸，天然氣海外運輸主要采用液化天然氣輸送船運輸。液化天然氣(liquefiednatural?gas，lng)是天然氣經(jīng)壓縮、冷卻至其凝點(-161.5℃)溫度后變成液體，通常液化天然氣儲存在-161.5攝氏度、0.1mpa左右的低溫儲存罐內(nèi)。其主要成分為甲烷，用專用船或油罐車運輸，使用時重新氣化。20世紀(jì)70年代以來，世界液化天然氣產(chǎn)量和貿(mào)易量迅速增加。這對于lng運輸船、儲罐材料及相應(yīng)接收站的需求也進一步增加。目前，lng船和儲罐大多數(shù)是用9ni鋼制作而成的，但ni的價格較高且波動較大，極大限制了lng船和儲罐的發(fā)展。因此，如何在保證lng船和儲罐性能要求的前提下減少ni的含量成為新的研究重點。經(jīng)過長時間的試驗，低溫高錳鋼受到各國的關(guān)注。低溫高錳鋼因其低廉的成本和優(yōu)異的塑韌性成為新一代先進清潔能源儲運關(guān)鍵裝備(lng船和儲罐)理想的結(jié)構(gòu)材料，在極端低溫和海洋腐蝕性環(huán)境也能表現(xiàn)出極強的適應(yīng)性。lng船和儲罐用高錳鋼目前在世界上率先由浦項研發(fā)并推廣，超低溫用奧氏體高錳鋼具有高性能、低成本的優(yōu)勢，低溫高錳鋼不僅強度滿足lng船和儲罐的要求，而且其塑性、耐磨性都較為優(yōu)良，其成本也僅相當(dāng)于9ni鋼的70％～80％，經(jīng)濟效益突出是今后lng船和儲罐極具競爭力的首選材料，其應(yīng)用前景不可估量，已成為世界各國的研究熱點。

2、但是，市場上與低溫高錳鋼所匹配的焊接材料一直不夠完善(根據(jù)報道僅有焊條、埋弧焊材和氬弧焊絲)。因而難以得到滿足工程使用要求的低溫高錳鋼焊縫金屬，使得低溫高錳鋼的推廣受到阻礙。專利申請?zhí)枴⒐继朿n202010378599.8、cn?111660035?a公開了一種超低溫高錳鋼焊接用鎢極氬弧無縫藥芯焊絲及其制備方法。其由藥芯粉和包裹藥芯粉的鋼制外皮組成，藥芯粉的填充質(zhì)量占焊絲總重量的25～35％，藥芯粉包括如下按重量百分比計的組分：金屬錳70～80％、硅鐵1～2％，金屬鎳10～15％，高碳鉻鐵1～2.5％，鈦粉0.1～0.4％，石墨1～1.5％，鎢粉3～5％，稀土0.2～0.6％。采用高頻焊接在合口處進行焊接，使有縫管成為無縫管，再經(jīng)退火、拉拔和校直切斷，制備出直徑為2.4mm的鎢極氬弧無縫藥芯焊絲。該藥芯焊絲是僅用于鎢極氬弧焊的直徑較粗焊絲，另外采用的是無縫焊絲技術(shù)，焊絲成本較高。專利申請?zhí)?、公布號cn201710194207.0、cn107009046a公開了一種用于超低溫高錳鋼焊接的鎢極氬弧焊實芯焊絲。其技術(shù)方案是：超低溫高錳鋼焊接的鎢極氬弧焊實芯焊絲的化學(xué)組分是：c為0.25～0.55wt％，mn為23～26wt％，ni為8～10wt％，w為3～5wt％，p≤0.002wt％，s≤0.001wt％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。該實芯焊絲中含有8％～10％的ni和3％～5％的w，不僅造成焊絲成本偏高。專利申請?zhí)枴⒐继朿n202211377493.1、cn115647650a公開了一種lng船用低溫高錳鋼埋弧橫焊焊絲、焊劑及其制備方法和焊接方法。發(fā)明焊絲包括：c、mn、ni、mo、si、s、p、cr、w、nb、n、ti、al、zr、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；焊劑按包括：caf2、sio2、al2o3、cao、mgo、鋁錳鐵合金和氟化稀土。焊絲為直徑2.4mm的實芯焊絲，發(fā)明的焊絲和焊劑用于lng船用低溫高錳鋼埋弧橫焊。專利申請?zhí)枴⒐继朿n202110742536.0、cn113458654a公開了一種超低溫高錳鋼焊絲、焊條及其制備方法，該焊絲的成分以質(zhì)量百分比計含有c：0.2～0.5％、mn：26～32％、si：0.02～0.10％、ni≤5％、cr：1.5～6.5％、mo：0.3～1.5％、s≤0.02％、p≤0.04％，余量包含fe和不可避免的雜質(zhì)。焊條在焊絲的基礎(chǔ)上，配加特殊低成分的藥皮。制備的焊絲為低溫高錳鋼用全自動埋弧焊實芯焊絲的直徑為φ4.0mm。制備的焊條直徑為φ3.2mm，用于焊條手工電弧焊。

3、金屬粉芯型藥芯焊絲是藥芯焊絲中的一種，兼顧實心焊絲和藥芯焊絲的優(yōu)點，是未來填充絲材發(fā)展的主要方向。相對于實芯焊絲金屬粉芯型藥芯焊絲截面具有更高電流密度，因此帶來更高的焊接效率，且具有多層多道焊不用清渣，大大提高工作效率的優(yōu)點。金屬粉芯型藥芯焊絲具有更好的潤濕性、滲透性和側(cè)壁熔合性能，特別在v型焊縫和角焊縫方面，可減少未熔合缺陷傾向，焊縫表面光滑美觀，焊接接頭質(zhì)量高。

4、而且目前對于低溫高猛鋼僅有配套用氬弧焊焊絲、埋弧焊焊絲焊劑和手工電弧焊條，對于操作靈活、焊接效率較高的氣保焊焊絲卻沒有相關(guān)研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲，適用于氣體保護焊接的低溫高錳鋼焊接，焊接工藝性好，力學(xué)性能穩(wěn)定。

2、本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供上述一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲的制造方法，該方法步驟簡單，原料易得，加工方便。

3、為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲，包括304不銹鋼外皮和藥芯粉，所述的304不銹鋼外皮各元素成分的質(zhì)量百分比為：c≤0.08％、si≤0.75％、mn≤2.00％、s≤0.030％、p≤0.045％、cr＝18.0～20.0％、ni＝10.0～12.0％、余量為fe，所述的藥芯粉各組分質(zhì)量百分比為：中碳錳鐵75％～85％，稀土硅鐵3％～5％，鈮粉2％～3％、硼鐵0.05％～1％、金紅石2％～5％、長石1.0％～2.0％、銅粉0.7％～1.2％，余量為鐵粉。

4、為簡單說明問題起見，以下對本發(fā)明所述的一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲均簡稱為本焊絲。

5、本焊絲的優(yōu)點：

6、本焊絲的藥芯粉中加入中碳錳鐵。焊絲中中碳錳鐵中的錳(mn)主要用于實現(xiàn)低溫高錳鋼中錳元素的含量。中碳錳鐵中的碳(c)在焊絲焊接過程中可以起到脫氧的作用，焊接結(jié)束留在焊縫金屬中的c元素可以和其它合金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳化物，起到強化作用，提高低溫高錳鋼的強度和耐磨性能。本發(fā)明焊絲中中碳錳鐵的加入量為75％-85％。

7、本焊絲采用金屬粉芯藥芯焊絲渣系。金紅石熔渣凝固溫度高，能提高全位置焊接性，加入量以2-5％為宜，加入量太低全位置焊接性差，加入量過高焊縫表面會產(chǎn)生大量焊渣。

8、本焊絲的藥芯粉中加入硼鐵。添加硼元素，硼可提高高錳奧氏體鋼超低溫韌性，硼元素在低溫高錳鋼中可以起到“晶界黏合劑”的作用，硼對高錳鋼超低溫韌性的改善是因為硼在晶界處的偏聚消除了錳的偏聚，從而提高了高錳鋼的超低溫韌性，但并不是硼含量越高越好。對不同硼含量的高錳鋼進行相同的處理，對其超低溫韌性進行比較發(fā)現(xiàn)，在一定硼含量的條件下，隨著硼含量的增加，高錳鋼的超低溫韌性會先升高再降低。本發(fā)明焊絲中硼鐵的加入量0.05％-1.0％為宜。

9、本焊絲的藥芯粉中加入稀土硅鐵。稀土硅鐵中的主要成分硅在焊接過程中主要起到脫氧作用。稀土硅鐵中的稀土元素鈰(ce)在本發(fā)明的低溫高錳鋼焊絲中起到脫硫、脫氧的作用。另外，微量ce可以明顯細化低溫高錳鋼的顯微組織。作用機理為添加ce后焊接過程中焊接熔池中，大尺寸、有棱角的夾雜物與長條狀的夾雜物被改性為小尺寸、類球狀的含ce夾雜物，生成的含ce類亞微米級夾雜物可以作為δ-fe相異質(zhì)形核的有效核心，細化低溫高錳鋼的顯微組織。隨著低溫高錳鋼中ce含量的增加，低溫高錳鋼的強度、塑性與沖擊韌性均呈現(xiàn)出明顯升高的趨勢，ce細化低溫高錳鋼的顯微組織及ce對夾雜物的改性是提高低溫高錳鋼力學(xué)性能的主要原因。稀土硅鐵中si元素含量約為40％，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)低溫高錳鋼要求si含量小于0.5％，根據(jù)焊絲填充率計算，本發(fā)明焊絲中稀土硅鐵的加入量3.0％-5.0％為宜。

10、本焊絲的藥芯粉中加入鈮粉(nb)，nb微合金化對低溫高錳鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，nb的加入可以提高低溫高錳鋼的屈服強度和抗拉強度。其主要原因是添加nb之后阻礙了晶粒的長大，細化晶粒，并且細化晶粒會導(dǎo)致應(yīng)變誘發(fā)孿晶的臨界應(yīng)變增加而抑制應(yīng)變誘發(fā)孿晶。另外nb原子和c原子可以形成nbc沉淀，低溫高錳鋼析出的nbc沉淀相會阻礙低溫高錳鋼的晶界遷移和位錯的運動，因此可以顯著提高低溫高錳鋼的屈服強度、抗拉強度和加工硬化能力。但是，nb加入含量過高會導(dǎo)致伸長率的下降。本發(fā)明焊絲中鈮粉的加入量為2.0％-3.0％。

11、本焊絲的藥芯粉中加入長石。長石可以調(diào)節(jié)鐵水和渣的粘度，有利于全位置焊接。但是加入量太高會引起煙塵和飛濺增加。因此長石的加入量應(yīng)控制在1％-2％之間。

12、本焊絲的藥芯粉中加入銅粉(cu)。對于低溫高錳鋼而言，cu作為奧氏體穩(wěn)定元素，在奧氏體中有較高的固溶度，可以提高低溫高錳鋼的低溫韌性。本發(fā)明焊絲中銅粉的加入量為0.7％～1.2％。

13、本焊絲采用304不銹鋼帶作為外皮。304不銹鋼帶中含有cr元素和ni元素，因此本發(fā)明焊絲中不需要加入鉻粉(或鉻鐵)和鎳粉。適用于氣體保護焊接的低溫高錳鋼焊接，焊接工藝性好，力學(xué)性能穩(wěn)定。

14、為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲的制造方法，包括以下步驟：

15、(1)按比例配置藥芯粉；

16、(2)取元素組成滿足要求的不銹鋼帶作為不銹鋼外皮，采用在線同步添加藥芯粉；

17、(3)添加藥芯粉后的不銹鋼帶經(jīng)軋輥成型、減徑處理得到成品藥芯焊絲，成品藥芯焊絲的直徑為1.0～1.4mm，藥芯粉填充率為33％～38％。

18、為簡單說明問題起見，以下對本發(fā)明所述的一種低溫高錳鋼用金屬粉芯型藥芯焊絲的制造方法均簡稱為本方法。

19、本方法的優(yōu)點：本方法步驟簡單，原料易得，加工方便。