一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝及制造方法

本发明涉及一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝及制造方法。

背景技术：

1、随着能源消耗的激增，过度依赖石油、煤炭等化石能源造成了严峻的大气污染，广泛利用低硫燃料、天然气等清洁能源已发展为必然趋势。在目前使用的所有清洁能源中，天然气凭借着无毒、无色、无味及无腐蚀性的优势，受到世界各国的喜爱。天然气运输是化石能源运输的组成部分之一。主要形式是管道运输和加工成液化天然气通过专用的液化天然气输送船运输，天然气海外运输主要采用液化天然气输送船运输。液化天然气(liquefiednatural gas，lng)是天然气经压缩、冷却至其凝点(-161.5℃)温度后变成液体，通常液化天然气储存在-161.5摄氏度、0.1mpa左右的低温储存罐内。其主要成分为甲烷，用专用船或油罐车运输，使用时重新气化。20世纪70年代以来，世界液化天然气产量和贸易量迅速增加。这对于lng运输船、储罐材料及相应接收站的需求也进一步增加。目前，lng船和储罐大多数是用9ni钢制作而成的，但ni的价格较高且波动较大，极大限制了lng船和储罐的发展。因此，如何在保证lng船和储罐性能要求的前提下减少ni的含量成为新的研究重点。经过长时间的试验，低温高锰钢受到各国的关注。低温高锰钢因其低廉的成本和优异的塑韧性成为新一代先进清洁能源储运关键装备(lng船和储罐)理想的结构材料，在极端低温和海洋腐蚀性环境也能表现出极强的适应性。lng船和储罐用高锰钢目前在世界上率先由浦项研发并推广，超低温用奥氏体高锰钢具有高性能、低成本的优势，低温高锰钢不仅强度满足lng船和储罐的要求，而且其塑性、耐磨性都较为优良，其成本也仅相当于9ni钢的70％～80％，经济效益突出是今后lng船和储罐极具竞争力的首选材料，其应用前景不可估量，已成为世界各国的研究热点。

2、但是，市场上与低温高锰钢所匹配的焊接材料一直不够完善(根据报道仅有焊条、埋弧焊材和氩弧焊丝)。因而难以得到满足工程使用要求的低温高锰钢焊缝金属，使得低温高锰钢的推广受到阻碍。专利申请号、公布号cn202010378599.8、cn 111660035 a公开了一种超低温高锰钢焊接用钨极氩弧无缝药芯焊丝及其制备方法。其由药芯粉和包裹药芯粉的钢制外皮组成，药芯粉的填充质量占焊丝总重量的25～35％，药芯粉包括如下按重量百分比计的组分：金属锰70～80％、硅铁1～2％，金属镍10～15％，高碳铬铁1～2.5％，钛粉0.1～0.4％，石墨1～1.5％，钨粉3～5％，稀土0.2～0.6％。采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经退火、拉拔和校直切断，制备出直径为2.4mm的钨极氩弧无缝药芯焊丝。该药芯焊丝是仅用于钨极氩弧焊的直径较粗焊丝，另外采用的是无缝焊丝技术，焊丝成本较高。专利申请号、公布号cn201710194207.0、cn107009046a公开了一种用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝。其技术方案是：超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝的化学组分是：c为0.25～0.55wt％，mn为23～26wt％，ni为8～10wt％，w为3～5wt％，p≤0.002wt％，s≤0.001wt％，余量为fe和不可避免的杂质。该实芯焊丝中含有8％～10％的ni和3％～5％的w，不仅造成焊丝成本偏高。专利申请号、公布号cn202211377493.1、cn115647650a公开了一种lng船用低温高锰钢埋弧横焊焊丝、焊剂及其制备方法和焊接方法。发明焊丝包括：c、mn、ni、mo、si、s、p、cr、w、nb、n、ti、al、zr、余量为铁和不可避免的杂质；焊剂按包括：caf2、sio2、al2o3、cao、mgo、铝锰铁合金和氟化稀土。焊丝为直径2.4mm的实芯焊丝，发明的焊丝和焊剂用于lng船用低温高锰钢埋弧横焊。专利申请号、公布号cn202110742536.0、cn113458654a公开了一种超低温高锰钢焊丝、焊条及其制备方法，该焊丝的成分以质量百分比计含有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和不可避免的杂质。焊条在焊丝的基础上，配加特殊低成分的药皮。制备的焊丝为低温高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝的直径为φ4.0mm。制备的焊条直径为φ3.2mm，用于焊条手工电弧焊。

3、金属粉芯型药芯焊丝是药芯焊丝中的一种，兼顾实心焊丝和药芯焊丝的优点，是未来填充丝材发展的主要方向。相对于实芯焊丝金属粉芯型药芯焊丝截面具有更高电流密度，因此带来更高的焊接效率，且具有多层多道焊不用清渣，大大提高工作效率的优点。金属粉芯型药芯焊丝具有更好的润湿性、渗透性和侧壁熔合性能，特别在v型焊缝和角焊缝方面，可减少未熔合缺陷倾向，焊缝表面光滑美观，焊接接头质量高。

4、而且目前对于低温高猛钢仅有配套用氩弧焊焊丝、埋弧焊焊丝焊剂和手工电弧焊条，对于操作灵活、焊接效率较高的气保焊焊丝却没有相关研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝，适用于气体保护焊接的低温高锰钢焊接，焊接工艺性好，力学性能稳定。

2、本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝的制造方法，该方法步骤简单，原料易得，加工方便。

3、为解决上述第一个技术问题，本发明提供了一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝，包括304不锈钢外皮和药芯粉，所述的304不锈钢外皮各元素成分的质量百分比为：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％、余量为fe，所述的药芯粉各组分质量百分比为：中碳锰铁75％～85％，稀土硅铁3％～5％，铌粉2％～3％、硼铁0.05％～1％、金红石2％～5％、长石1.0％～2.0％、铜粉0.7％～1.2％，余量为铁粉。

4、为简单说明问题起见，以下对本发明所述的一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝均简称为本焊丝。

5、本焊丝的优点：

6、本焊丝的药芯粉中加入中碳锰铁。焊丝中中碳锰铁中的锰(mn)主要用于实现低温高锰钢中锰元素的含量。中碳锰铁中的碳(c)在焊丝焊接过程中可以起到脱氧的作用，焊接结束留在焊缝金属中的c元素可以和其它合金元素发生化学反应生成碳化物，起到强化作用，提高低温高锰钢的强度和耐磨性能。本发明焊丝中中碳锰铁的加入量为75％-85％。

7、本焊丝采用金属粉芯药芯焊丝渣系。金红石熔渣凝固温度高，能提高全位置焊接性，加入量以2-5％为宜，加入量太低全位置焊接性差，加入量过高焊缝表面会产生大量焊渣。

8、本焊丝的药芯粉中加入硼铁。添加硼元素，硼可提高高锰奥氏体钢超低温韧性，硼元素在低温高锰钢中可以起到“晶界黏合剂”的作用，硼对高锰钢超低温韧性的改善是因为硼在晶界处的偏聚消除了锰的偏聚，从而提高了高锰钢的超低温韧性，但并不是硼含量越高越好。对不同硼含量的高锰钢进行相同的处理，对其超低温韧性进行比较发现，在一定硼含量的条件下，随着硼含量的增加，高锰钢的超低温韧性会先升高再降低。本发明焊丝中硼铁的加入量0.05％-1.0％为宜。

9、本焊丝的药芯粉中加入稀土硅铁。稀土硅铁中的主要成分硅在焊接过程中主要起到脱氧作用。稀土硅铁中的稀土元素铈(ce)在本发明的低温高锰钢焊丝中起到脱硫、脱氧的作用。另外，微量ce可以明显细化低温高锰钢的显微组织。作用机理为添加ce后焊接过程中焊接熔池中，大尺寸、有棱角的夹杂物与长条状的夹杂物被改性为小尺寸、类球状的含ce夹杂物，生成的含ce类亚微米级夹杂物可以作为δ-fe相异质形核的有效核心，细化低温高锰钢的显微组织。随着低温高锰钢中ce含量的增加，低温高锰钢的强度、塑性与冲击韧性均呈现出明显升高的趋势，ce细化低温高锰钢的显微组织及ce对夹杂物的改性是提高低温高锰钢力学性能的主要原因。稀土硅铁中si元素含量约为40％，根据国家标准低温高锰钢要求si含量小于0.5％，根据焊丝填充率计算，本发明焊丝中稀土硅铁的加入量3.0％-5.0％为宜。

10、本焊丝的药芯粉中加入铌粉(nb)，nb微合金化对低温高锰钢微观结构和力学性能的研究发现，nb的加入可以提高低温高锰钢的屈服强度和抗拉强度。其主要原因是添加nb之后阻碍了晶粒的长大，细化晶粒，并且细化晶粒会导致应变诱发孪晶的临界应变增加而抑制应变诱发孪晶。另外nb原子和c原子可以形成nbc沉淀，低温高锰钢析出的nbc沉淀相会阻碍低温高锰钢的晶界迁移和位错的运动，因此可以显著提高低温高锰钢的屈服强度、抗拉强度和加工硬化能力。但是，nb加入含量过高会导致伸长率的下降。本发明焊丝中铌粉的加入量为2.0％-3.0％。

11、本焊丝的药芯粉中加入长石。长石可以调节铁水和渣的粘度，有利于全位置焊接。但是加入量太高会引起烟尘和飞溅增加。因此长石的加入量应控制在1％-2％之间。

12、本焊丝的药芯粉中加入铜粉(cu)。对于低温高锰钢而言，cu作为奥氏体稳定元素，在奥氏体中有较高的固溶度，可以提高低温高锰钢的低温韧性。本发明焊丝中铜粉的加入量为0.7％～1.2％。

13、本焊丝采用304不锈钢带作为外皮。304不锈钢带中含有cr元素和ni元素，因此本发明焊丝中不需要加入铬粉(或铬铁)和镍粉。适用于气体保护焊接的低温高锰钢焊接，焊接工艺性好，力学性能稳定。

14、为解决上述第二个技术问题，本发明提供了一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝的制造方法，包括以下步骤：

15、(1)按比例配置药芯粉；

16、(2)取元素组成满足要求的不锈钢带作为不锈钢外皮，采用在线同步添加药芯粉；

17、(3)添加药芯粉后的不锈钢带经轧辊成型、减径处理得到成品药芯焊丝，成品药芯焊丝的直径为1.0～1.4mm，药芯粉填充率为33％～38％。

18、为简单说明问题起见，以下对本发明所述的一种低温高锰钢用金属粉芯型药芯焊丝的制造方法均简称为本方法。

19、本方法的优点：本方法步骤简单，原料易得，加工方便。