CN112404792B - 较高韧性钢合金焊缝熔敷物以及用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及被设计为生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极,并且涉及较高韧性焊缝熔敷物本身。该焊缝熔敷物可以包含小于0.20(或小于0.15)重量百分数的硅。该药芯焊接电极包含药芯和管状钢带。该药芯可以包含按该电极的重量百分数计0.25%‑0.30%的锆、0.12%‑0.18%的铝和0‑0.11%的硅。金属锆、铝和硅可以以硅‑锆金属粉末和铝‑锆金属粉末的形式添加到该药芯中。

Description

较高韧性钢合金焊缝熔敷物以及用于生产较高韧性钢合金焊 缝熔敷物的药芯焊接电极
技术领域
本公开总体上涉及用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极,并且涉及较高韧性焊缝熔敷物本身。
背景技术
本质上,所有的钢都是铁和碳的混合物,或者更恰当地说,是铁和碳的合金。然而,即使所谓的普通碳素钢也具有少量但指定量的锰和硅以及少量(通常不可避免的)磷和硫。普通碳素钢的碳含量可以高达2.0%,但是这种合金很少见。市售钢的碳含量通常范围是从约0.05%至约1.0%。
当加热至912℃(1674°F)时,铁从一种原子排列变成另一种原子排列的过程称为转变。这种转变不仅发生在纯铁中,也发生在它的许多合金中;每种合金组合物都在其自身的特征温度下转变。正是这种转变使得通过使用精心选择的热处理可以实现高度再现性的各种特性成为可能。
相图是合金系统中相场和相反应的平衡温度和组成限度的图形表示。在铁-渗碳体系统中,温度垂直地绘制,而组成水平地绘制。铁-渗碳体图(示于图1中)仅涉及铁-碳化铁系统的构成,即在每个温度和组成下存在什么相。
当钢合金快速冷却时,碳原子不能从铁晶格中有序地逸出。这引起“原子混乱”并导致晶格畸变,从而导致硬度、强度或两者都增加(尽管也有可能增加钢合金的脆性)。如果冷却足够快(例如,在淬火期间),可能形成被称为马氏体的新组织,尽管这种新组织(铁和渗碳体的聚集体)处于α相。
尽管普通碳素钢合金在室温下典型地只有三种稳定的相(铁素体、渗碳体和珠光体),但是通过不同的冷却过程和对合金组成的控制,可以形成许多不同的组织。
发明内容
本公开总体上涉及一种用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极。
根据本公开的一个方面,用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极包含药芯和管状钢带。药芯可以包含按电极的重量百分数计0.25%-0.30%的锆、0.12%-0.18%的铝、0-0.11%的硅、0.46%-0.52%的镁、1.85%-2.05%的锰、0.35%-0.45%的镍、0.004%-0.008%的硼、0.16%-0.22%的氧化钠、7.0%-8.0%的二氧化钛、0-0.50%的二氧化硅、以及0.20%-0.30%的氟化物。氟化物可以选自由以下组成的组:氟化锂、氟化钠、氟化铝、钠冰晶石、氟硅酸钾、特氟龙及其任意组合。管状钢带可以包含按该管状钢带的重量百分数计0.06%-0.10%的碳、0.35%-0.40%的锰以及余量的钢,包括不可避免的杂质。
根据本公开的另一个方面,可以使用药芯焊接电极(例如在第[0008]段中描述的焊接电极)生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物。焊缝熔敷物可以包含按该焊缝熔敷物的重量百分数计0至0.19%的硅。焊缝熔敷物可以进一步包含按该焊缝熔敷物的重量百分数计0至0.07%的氧、0至0.01%的氮、0至0.03%的铝、0至0.015%的锆、0至0.09%的钛、0至0.012%的钒、0至0.10%的铬、0至0.01%的钼、0至0.003%的钨、0至0.012%的铌、0至0.50%的镍、0.90%至1.60%的锰、0.01%至0.12%的碳、0至0.35%的铜、以及0.0015%至0.0065%的硼。
应当理解的是,前述总体描述和以下详细描述都描述了各种实施例,并且旨在提供综述或框架,以理解所要求保护的主题的性质和特征。包含这些附图以提供对各种实施例的进一步理解,并且附图被包含在本说明书内、构成本说明书的部分。附图展示了本文所描述的各种实施例,并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
以下是对附图中描绘的实例的描述。附图不一定按比例绘制,并且出于清晰或简明的目的,附图的某些特征和某些视图可能按比例夸大或示意性示出。
图1示出了铁-碳相图(也称为铁-碳化铁相图或铁-渗碳体相图)的富含铁端的副本;
图2示出了药芯焊丝的示例截面;以及
图3示出了用于使用焊丝电极的药芯焊丝电弧焊(FCAW)的实例焊接设备。
当结合附图阅读时,将更好地理解前述发明内容以及以下详细的描述。应当理解的是,权利要求不限于附图中所示的布置和工具。此外,图中所示的外观是可以被采用以实现装置的所述功能的许多装饰性外观之一。
具体实施方式
在以下详细的描述中,阐述了具体的细节,以便提供对本公开的实施例的全面理解。然而,本领域技术人员将清楚,在没有一些或全部这些特定细节的情况下也可以实践所公开的实例。为简洁起见,可能没有详细描述众所周知的特征或过程。此外,相似或相同的附图标记可以用于标识共同或相似的元件。
下文将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简洁描述,在说明书中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应理解的是,在任何此类实际实施方式的开发中,如同在任何工程或设计项目中,必须做出大量特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标,例如符合与系统相关的和与商业相关的约束,这些限制可能随着实施方式而改变。此外,应理解的是,这样的开发工作可能是复杂和耗时的,但是对于享有本公开益处的普通技术人员而言却将是设计、生产和制造的常规任务。
当介绍本公开的各种实施例的要素时,冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在表示存在一个或多个该要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的并且表示除了存在所列出的要素以外还可以存在另外的要素。
根据本公开,新熔敷的焊缝金属具有新颖且独特的组织。具体地,固体焊缝熔敷金属是铁素体(相)组织的独特组合,该铁素体(相)组织是从奥氏体相组织转变的产物,该奥氏体相组织存在于该组成的起始Ac3转变温度以上。奥氏体组织及其组成,连同冷却速率将决定最终铁素体组织的“品质”。图1示出了铁-碳化铁相图。
此外,多道次焊缝具有附加的益处,就是将先前熔敷的焊缝的部分重新加热成奥氏体组织。与新熔敷的液体池相比,这种重新加热的区域定向冷却的程度较小。
焊缝熔敷物的机械特性取决于原始熔敷态的铁素体组织的量和作为再奥氏体化产物的铁素体组织的量(热影响的焊缝金属(HAWM))。
多道次焊缝金属中HAWM的量是Ac3温度(范围)的直接函数。焊缝金属的Ac3温度越低,产生的HAWM越多。通过焊缝金属的组成来确定Ac3温度。铁素体稳定剂通常提高Ac3转变温度(一个例外是铬,它首先降低Ac3)。奥氏体稳定剂通常降低Ac3转变温度(一个例外是钴,它略微提高Ac3)。
焊缝熔敷金属的组成很重要,因为在所遇到的冷却速率范围内,下贝氏体铁素体组织是优选的结果。该组成应该产生最低的Ac3温度并且在焊缝金属的熔敷过程中,应在液体中形成夹杂物,从而形成细晶粒的奥氏体。这种特征很重要,因为晶界在最终的铁素体组织中持续存在。焊缝金属还应该相对洁净;夹杂物(与氧和氮含量成比例)应控制在熔渣系统的最低水平。
E71T-12电极类型的AWS A5.20(A5.36)规范限定了全焊接金属的化学组成。这些限度限制了可以控制Ac3的方式。奥氏体稳定剂紧密结合。在T-12的设计中,优选的合金化的铁素体稳定剂是硅;这种元素是有限额的。硅提高了Ac3温度,导致铁素体相中的晶粒生长。高硅水平使设计具有更好的焊工吸引力。根据本公开,可以实现与系统中的氧(来自保护气体和氧化物)相同量的反应,但是使用非常低水平的铁素体稳定剂。为此,将所有的或几乎所有的金属硅从电极上去除,并且限制将还原为硅进入熔敷物的二氧化硅的量,从而在焊缝熔敷金属中实现不超过限制量的硅(例如,不超过0.19或0.15重量百分数)。通过去除金属硅而损失的脱氧功能是通过更具反应性的组分实现的,这些组分在焊缝金属中的残留量非常小。代替硅的主要脱氧剂是锆和铝。钛是另一种可能的替代物,但是钛的使用可能导致焊缝金属中的钛水平可能引起焊缝金属的脆化。
总的来说,这种方法允许在焊接电极中包括更高水平的奥氏体稳定剂,这恢复了由于焊缝熔敷物中硅的减少而损失的拉伸强度。焊缝熔敷金属中最小量的铁素体稳定剂大大降低了Ac3温度的上升。更有利的奥氏体/铁素体比率导致多道次焊缝中精细组织的量增加。
当设计成AWS规格电极类型时,必须满足熔敷物化学和用从AWS坡口提取的指定测试样品测量的机械特性的最低要求。此外,其他测试机构例如ABS(美国船级社)可能具有独特的测试要求,这些要求使电极在指定的应用中使用是合格的。这些测试的目的不是测试电极的全焊接金属性能,而是预测在指定的基材和电极上使用时的实际性能。一种这样的测试是ABS 3G对接焊缝。
根据本公开的焊接电极被设计为具有低至-76°F的合适的夏比“V”形缺口(CVN)韧性。公认的做法是,在测试温度下超过20英尺磅的CVN值被认为对于在该温度下使用是合格的。
CVN韧性取决于焊缝熔敷物的组织、组成和洁净度。根据本公开的电极应该满足AWS电极类型的指定的化学组成范围。AWS还描述了每种电极类型的熔渣的一般组成。根据本公开的电极可以被称为“金红石”类型,其以相对低的飞溅实现非常好的全位置焊接。
在每种电极类型的熔敷物化学范围内,可以优化熔敷物化学以实现最大的韧性。一种技术是使奥氏体稳定剂与铁素体稳定剂的比率非常高。随着该比率增加,AC3转变温度降低;低的AC3温度与CVN韧性具有良好的相关性。这种结果的两个原因是更好的单道次组织,并且更重要的是,在多道次AWS坡口焊缝中的更大体积的精细组织。
根据本公开,制备了焊接电极,其中药芯中的硅含量已经被去除或降低。这种变化减少了焊缝金属的硅含量。硅存在于金红石电极中,以与氧反应并改善焊道的润湿/形状。根据本公开,通过在药芯中使用铝粉末来实现相等的氧化。铝粉末反应更完全;在焊缝熔敷物中回收了非常少的铝。在焊缝金属中仍发现一些硅;这种硅是来源于基材溶解到焊池中,以及电极芯中二氧化硅的还原。
因此,根据本公开,药芯中的金属粉末将几乎不含金属硅。例如,可以将呈硅-锆金属粉末形式的减少量的金属硅(按电极的重量计≤0.12%或≤0.11%)添加到药芯中作为载体而将锆金属添加到药芯中。此外,铝被用作硅的替代物。因此,锆可以以铝-锆金属粉末的形式添加到药芯中以增加锆的量和铝的量二者。可替代地,锆可以以镍-锆金属粉末的形式添加到药芯中。铝可以以铝-锆金属粉末的形式添加到药芯中以另外增加锆的量。根据本公开的一个方面,药芯包含按电极的重量计0.12%-0.18%(例如0.16%)的铝和0.25%-0.30%(例如0.26%)的锆。这种合金组合,连同药芯中按电极的重量计最高达0.50%(例如0.44%)的二氧化硅,导致按焊缝熔敷物的重量计小于0.20%(例如小于0.19%或小于0.15%)的全焊接金属(AWM)硅含量,以及按焊缝熔敷物的重量计小于0.015%的AWM铝(AWS坡口焊缝测试)。根据本公开的某些方面,AWM为按焊缝熔敷物的重量计小于0.15%。
以上电极组成和焊缝金属可以被包括在使用洁净的金红石技术的熔渣系统中。
根据本公开的一个方面,用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极包含药芯和管状钢带。药芯可以包含按电极的重量百分数计最高达0.50%的锆、最高达0.25%的铝、最高达0.7%的镁、最高达2.5%的锰、最高达0.6%的镍、最高达0.01%的硼、最高达0.3%的氧化钠、最高达10%的二氧化钛、以及最高达0.50%的氟化物。药芯可以另外包含最高达0.15%的硅和最高达0.60%的二氧化硅。金属锆、铝和硅可以以硅-锆金属粉末和铝-锆金属粉末的形式添加到该药芯中。在本公开中使用的氟化物是指含有氟阴离子(F-)的化合物。氟化物可以选自由以下组成的组:氟化锂、氟化钠、氟化铝、钠冰晶石、氟硅酸钾、特氟龙及其任意组合。例如,氟化物可以选自由以下组成的组:氟化锂、钠冰晶石、特氟龙及其任意组合。
根据本公开的一个方面,药芯可以包含按电极的重量百分数计0.25%-0.30%的锆、0.12%-0.18%的铝、0.46%-0.52%的镁、1.85%-2.05%的锰、0.35%-0.45%的镍、0.004%-0.008%的硼、0.16%-0.22%的氧化钠、7.0%-8.0%的二氧化钛、以及0.20%-0.30%的氟化物。药芯可以另外包含0.08%-0.11%的硅。药芯可以另外包含0.42%-0.50%的二氧化硅。
根据本公开的另一个方面,药芯可以包含按电极的重量百分数计:0.26%的锆、0.16%的铝、0.49%的镁、1.95%的锰、0.38%的镍、0.18%的氧化钠、7.4%的二氧化钛、以及0.26%的氟化物。药芯可以另外包含0.09%的硅。药芯可以另外包含0.44%的二氧化硅。
管状钢带可以包含按该管状钢带的重量百分数计最高达0.15%的碳、最高达0.5%的锰以及余量的钢,包括不可避免的杂质。例如,管状钢带可以包含按重量百分数计0.05%-0.12%的碳和0.25%-0.50%的锰;或0.06%-0.10%的碳和0.30%-0.45%的锰;或0.07%-0.09%的碳和0.35%-0.40%的锰。
根据本公开的另一个方面,可以使用药芯焊接电极(例如在第[0033]-[0036]段中描述的焊接电极)生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物。为了提高焊缝熔敷物的韧性,可以使该焊缝熔敷物中的硅的量最小化。例如,焊缝熔敷物可以包含按该焊缝熔敷物的重量百分数计0至0.19%的硅或0至0.15%的硅。焊缝熔敷物可以进一步包含按该焊缝熔敷物的重量百分数计0至0.12%的氧(例如0至0.07%的氧)、0至0.01%的氮、0至0.03%的铝(例如0至0.02%的铝)、0至0.015%的锆(例如0至0.005%的锆)、0至0.09%的钛、0至0.50%的镍、0.90%至1.60%的锰、0.01%至0.12%的碳、0至0.35%的铜(例如0至0.020%的铜)、以及0至0.008%的硼(例如0.0015%至0.0065%的硼)。焊缝熔敷物可以进一步包含按该焊缝熔敷物的重量百分数计0至0.012%的钒、0至0.10%的铬、0至0.01%的钼、0至0.003%的钨、以及0至0.012%的铌。
根据本公开的一个方面,焊缝熔敷物中氧和氮的重量百分数可以通过LECO燃烧测试来测量。焊缝熔敷物(或焊接电极)中硼的重量百分数可以通过校准的电弧火花光谱分析仪来测量。
表1示出了根据本公开形成的焊缝熔敷物(实例1)的特性。
表1
使用根据本公开的管状焊丝的实施例(实例1)的焊接实验。
表1
表2示出了根据本公开形成的焊缝熔敷物(实例2)的特性。
表2
使用根据本公开的管状焊丝的实施例(实例2)的焊接实验。
表2
表3示出了根据本公开形成的焊缝熔敷物(实例3)的特性。
表3
使用根据本公开的管状焊丝的实施例(实例3)的焊接实验。
如表1-3所示,在-60°F下,焊缝熔敷物的焊后状态的夏比V形缺口(CVN)韧性可以是例如至少60英尺磅或至少70英尺磅。在-76°F下,焊缝熔敷物的CVN韧性可以是例如,至少50英尺磅或至少110英尺磅。在1150°F下消除应力4小时后,在-60°F下,焊缝熔敷物的CVN韧性可以是例如,至少40英尺磅或至少75英尺磅。在1150°F下消除应力1小时后,在-60°F下,焊缝熔敷物的CVN韧性可以是例如,至少55英尺磅。
根据本公开的一个方面,该焊缝熔敷物可以通过在ABS指定的对接焊缝中和AWSA5.20 E71T-12坡口焊缝中焊接来生产,并且满足AWS A5.20 E71T-12全焊接金属组成的要求和限制。
根据本公开的一个方面,可以通过提供带(或护套材料)并将该带进给通过成形模具来制造药芯焊丝电极,该成形模具将该带弯曲并使其形成可以填充有药芯组合物的成分的形状。通常,所形成的形状是U形。然后用药芯组合物填充成形的护套。然后,焊丝穿过闭合模具,闭合模具将其闭合成管状,其中护套30封装芯32,从而形成药芯焊丝电极,如图2所示。该药芯焊丝电极可以具有接缝34。药芯组合物的成分通常是粉末状的,当将封装的焊丝进给通过拉丝模具以将该焊丝的直径减小到最终所需的直径时,可以将所述成分压实。
根据本公开的一个方面,电极可以包含按该电极的重量百分数计75%-95%的护套和25%-5%的药芯;或80%-95%的护套和20%-5%的药芯;或85%-90%的护套和15%-10%的药芯。护套与药芯的其他范围可能是可行的并且仍然在本公开的范围内。
图3示出了用于使用根据本公开的焊丝电极的药芯焊丝电弧焊(FCAW)的焊接设备的实例。该焊接设备包括直流电源50、焊枪10、焊丝电极14,以及用于将该焊丝电极14进给到该焊枪50中的装置。用于进给焊丝电极的装置的实例在图3中被示出为焊丝驱动器20和焊丝盘22。可替代地,可以使用将焊丝电极进给到焊枪中的任何其他方式。保护气体16可以通过焊枪10中的气体喷嘴12来供应给焊接过程。焊丝电极14可以具有护套和芯,该芯具有如本公开中所描述的药芯组合物。在焊丝电极14与一个或多个工件11、13之间形成电弧18,以形成熔融的焊接熔池15。保护气体16可以由外源17供应给焊接过程。对于其中焊枪联接到直流电源的FCAW过程,保护气体可以是以75%Ar/25%CO2、80%Ar/20%CO2、82%Ar/18%CO2、90%Ar/10%CO2或95%Ar/5%CO2的比率混合的Ar和CO2的混合物。可替代地,可以使用100%的CO2作为保护气体,或95%的Ar/最高达5%的O2的比率来稳定电弧,或其他合适的保护气体的共混物。
本文公开的各个方面和实施例并不旨在进行限制。在不脱离本文所呈现主题的精神或范围的情况下,可以使用其他实施例,并且可以做出其他改变。将容易理解的是,如本文总体上描述和在附图中示出的,本公开的各方面可以以各种不同的配置被布置、替代、组合、分离和设计,所有这些都在本文中考虑。

Claims (21)

1.一种用于生产较高韧性钢合金焊缝熔敷物的药芯焊接电极,包含:
药芯;以及
管状钢带;
其中所述药芯包含按所述电极的重量百分数计的以下成分:
0.25%-0.30%的金属锆,
0.12%-0.18%的金属铝,
0-0.11%的硅,
0.46%-0.52%的镁,
1.85%-2.05%的锰,
0.35%-0.45%的镍,
0.004%-0.008%的硼,
0.16%-0.22%的氧化钠,
7.0%-8.0%的二氧化钛,
0-0.50%的二氧化硅,以及
0.20%-0.30%的氟化物。
2.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述药芯进一步包含按所述电极的重量百分数计0.08%-0.11%的硅。
3.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述药芯进一步包含按所述电极的重量百分数计0.42%-0.50%的二氧化硅。
4.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述氟化物选自由以下组成的组:氟化锂、氟化钠、氟化铝、钠冰晶石、氟硅酸钾、聚四氟乙烯及其任意组合。
5.如权利要求4所述的药芯焊接电极,其中所述氟化物选自由以下组成的组:氟化锂、钠冰晶石、聚四氟乙烯及其任意组合。
6.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述药芯包含呈硅-锆金属粉末形式的锆和硅。
7.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述药芯包含呈铝-锆金属粉末形式的铝和锆。
8.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述药芯中的所述锆、所述铝和所述硅由呈硅-锆和铝-锆金属粉末形式的锆、铝和硅组成。
9.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中所述管状钢带包含按所述管状钢带的重量百分数计:
0.05%-0.12%的碳,
0.30%-0.45%的锰,以及
余量的钢,包括不可避免的杂质。
10.如权利要求9所述的药芯焊接电极,其中所述管状钢带包含按所述管状钢带的重量百分数计:
0.06%-0.10%的碳,
0.35%-0.40%的锰,以及
余量的钢,包括不可避免的杂质。
11.如权利要求1所述的药芯焊接电极,其中,所述管状钢带包含按所述管状钢带的重量百分数计:
最高达0.15%的碳,
最高达0.50%的锰,以及
余量的钢,包括不可避免的杂质。
12.一种使用如权利要求1所述的药芯焊接电极生产的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,所述较高韧性钢合金焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.19%的硅。
13.如权利要求12所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,进一步包含按重量百分数计:0至0.15%的硅。
14.如权利要求12所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,进一步包含按重量百分数计:
0至0.07%的氧;
0至0.01%的氮;
0至0.03%的铝;
0至0.015%的锆;
0至0.09%的钛;
0至0.50%的镍;
0.90%至1.60%的锰;
0.01%至0.12%的碳;
0至0.35%的铜;以及
0至0.008%的硼。
15.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.012%的钒。
16.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.10%的铬。
17.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.01%的钼。
18.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.003%的钨。
19.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0至0.012%的铌。
20.如权利要求14所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中所述焊缝熔敷物包含按重量百分数计:0.0015%至0.0065%的硼。
21.如权利要求12所述的较高韧性钢合金焊缝熔敷物,其中,在-60°F下,所述焊缝熔敷物的焊后状态的夏比V形缺口(CVN)韧性为至少60英尺磅。
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