專利名稱：埋弧焊用粘結(jié)焊劑和實芯焊絲以及低溫用鋼的埋弧焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及埋弧焊用粘結(jié)焊劑及焊絲，特別涉及至-40°C左右的低溫下仍能夠得到具有優(yōu)異的斷裂韌性的焊接部，主要被作為海洋結(jié)構(gòu)物或LPG油儲罐等使用的、適于低溫高強度用鋼的焊接的埋弧焊用粘結(jié)焊劑和實芯焊絲，以及低溫用鋼的埋弧焊方法。
背景技術(shù)：
低溫用鋼被用于寒冷地區(qū)的輸送管線管、海洋中的石油鉆探平臺等的海洋結(jié)構(gòu)物、LPG儲罐等。在這些結(jié)構(gòu)物中，從安全性和耐久性的觀點出發(fā)而要求品質(zhì)的更進ー步提高，其中，對于焊接部的性能提高有著更嚴格的要求。作為該焊接部的品質(zhì)，具有低溫下的斷裂韌性，作為該韌性的評價標準，是擺錘沖擊試驗中的吸收能及設(shè)計溫度下的斷裂韌性值(CTOD)。歷來，作為以提高該低溫下的斷裂韌性性能為目的的技術(shù)，本申請申請人提出有專利文獻I所公開的技術(shù)。該專利文獻I所公開的埋弧焊用粘結(jié)焊劑含有MgO 20 45%、Al2O3 10 30%、CaF2 5 15%、SiO2 5 20%、金屬碳酸鹽(以 CO2 換算):2 10%、CaO和BaO的一種或兩種的合計2 20%,并且含有金屬Si、金屬Al和金屬Ti的一種或兩種以上的合計0. 5 5%，金屬Ti和Ti氧化物(以Ti換算)的合計(totalTi) :1 7%，金屬B和B氧化物(以B換算)的ー種或兩種的合計0. I 0. 5%，S :0. 005 0. 15%。另外，在專利文獻2中公開，在低溫用鋼用Ti脫氧鋼所代表的控制脫氧的多層焊接中，作為以得到良好的焊接操作性和在AW(焊接的狀態(tài)下)及PWHT (去應(yīng)カ退火后)均具有良好的韌性的焊接部為目的的低溫用鋼的埋弧焊用焊絲，是ー種埋弧焊用粘結(jié)焊劑和焊絲，其對于從Ca、Mg、Zr和Al中選也的ー種以上的元素量的合計，以重量％計為0.015%以下的Ti脫氧鋼所代表的控制脫氧鋼板進行焊接，其中，埋弧焊用粘結(jié)焊劑為滿足下式(I) (3)，且 8 彡(SiO2)F 彡 16%, (Si)F 彡 0. 5%,0. I ( (Al)F 彡 I. 5%, (Mg)F^4.5%,0. (ADF+0. 25X (Mg)F彡1.5%，埋弧焊用焊絲同樣滿足下式(I) (3)，且0. 005 く [C]ff く 0. 08%,0. 005%^ [Si]ff く 0. 10%, I. 5 く [Ni]ff 彡 3. 5%。0. 002 彡 0. IX (B2O3) F+6 X [B]W+3X [B]b く 0. 025... (I)0. 05 ^ 0. OlX (TiO2)F+0. IX (Ti)F+3X [Ti]ff+1. 5X [Ti]B く 0. 22... (2)0. IX (P)F+0. 6X [P]ff+0. 3X [P]B く 0. 012... (3)先行技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I特開平7-256489號公報專利文獻2特開平10-113791號公報在專利文獻I中，通過調(diào)整焊劑的堿度和Ti、B等合金成分，能夠使焊接金屬中的氧、Ti、B量適當(dāng)化，確保優(yōu)異的斷裂韌性直至-60°C。但是，焊接金屬的強度級為，0.2%屈服強度在450MPa左右，因此要求更進一歩的高強度化。另外，在專利文獻2中，海洋結(jié)構(gòu)物和LPG儲罐等所使用的低溫用鋼在焊接時，想要在AW(焊接的狀態(tài)下)及PWHT(去應(yīng)カ退火后)的狀態(tài)下，得到至-70°C下低溫韌性優(yōu)異的焊接金屬，但是沒有達成使低溫斷裂韌性(特別是CTOD性能)提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明樣的問題點而做，其目的在于，提供一種埋弧焊用粘結(jié)焊劑和實芯焊絲以及低溫用鋼的埋弧焊方法，其通過適當(dāng)?shù)匾?guī)定焊絲和焊劑的組成，能夠在優(yōu)異的焊接操作性下，得到低溫斷裂韌性優(yōu)異的焊接部(焊接金屬)。本發(fā)明的埋弧焊用粘結(jié)焊劑，其特征在于，含有MgO 23 43質(zhì)量％、Al2O3 :11 31質(zhì)量％、CaF2 6 16質(zhì)量％、SiO2 7 20質(zhì)量％、金屬碳酸鹽以CO2換算為I. 0 8. 0質(zhì)量％、CaO和BaO的ー種或兩種合計2 16質(zhì)量％，并且含有金屬Si :0. 4 I. 5質(zhì)量％，金屬Ti和Ti氧化物(total Ti):以Ti換算值的合計為1.0 7.0質(zhì)量％，金屬B和B氧化物的ー種或兩種以B換算值的兩者合計為0. 01 0. 20質(zhì)量％，堿金屬Na、K和Li的氧化物以向各元素換算的換算值合計，含有I. 0 6. 0質(zhì)量％，滿足(Ti換算值+B換算值)/SiO2 :0. 05 0. 55。本發(fā)明的埋弧焊用實芯焊絲，其特征在于，含有C :0. 10 0. 15質(zhì)量％、Mn :1. 5
2.5質(zhì)量％、Ni :2. 0 2.6質(zhì)量％，Mo限制在0. 05質(zhì)量％以下，N限定在0. 008質(zhì)量％以下，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且滿足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5。本發(fā)明的低溫用鋼的埋弧焊方法，其特征在于，使用如下埋弧焊用粘結(jié)焊劑和埋弧焊用實芯焊絲，得到含有B :0. 0010 0. 0050質(zhì)量％和Ti :0. 010 0. 050質(zhì)量％，滿足[Ti]/
0. 50 0. 90的焊接金屬，該埋弧焊用粘結(jié)焊劑含有MgO 23 43質(zhì)量％、A1203 11 31質(zhì)量％、CaF2 6 16質(zhì)量％、SiO2 7 20質(zhì)量％、金屬碳酸鹽以CO2換算為I. 0 8. 0質(zhì)量％、CaO和BaO的ー種或兩種合計2 16質(zhì)量％，并且含有金屬Si :0. 4 I. 5質(zhì)量％，金屬Ti和Ti氧化物(total Ti):以Ti換算值的合計為I. 0 7. 0質(zhì)量％，金屬B和B氧化物的一種或兩種以B換算值的兩者合計為0. 01 0. 20質(zhì)量％，堿金屬Na、K和Li的氧化物以換算成各元素的換算值合計，含有I. 0 6.0質(zhì)量％，滿足(Ti換算值+B換算值)/SiO2 :0. 05
0.55 ；該埋弧焊用實芯焊絲含有C :0. 10 0. 15質(zhì)量％、Mn :1. 5 2. 5質(zhì)量％、Ni
2.0 2. 6質(zhì)量％，Mo限制在0. 05質(zhì)量％以下，N限定在0. 008質(zhì)量％以下，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且滿足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5。根據(jù)本發(fā)明的埋弧焊用粘結(jié)焊劑，通過適當(dāng)?shù)匾?guī)定焊劑的組成，能夠得到具有優(yōu)異的焊接操作性和斷裂韌性的焊接金屬。另外，根據(jù)本發(fā)明的埋弧焊用料芯焊絲，通過適當(dāng)?shù)匾?guī)定焊絲的組成，能夠得到高強度且具有優(yōu)異的斷裂韌性的焊接金屬。此外，根據(jù)本發(fā)明的低溫用鋼的埋弧焊方法，能夠得到0. 2%屈服應(yīng)カ為500MPa以上、抗拉強度為610MPa以上、CTOD值5 (-40°C )為0. 25mm以上的焊接金屬。


圖I是表示焊絲的[NiV([Mn]+ [Mo])比率對焊接金屬的各性質(zhì)的影響的標繪圖。
圖2是表示焊劑的(Ti換算值+B換算值)/Si02對焊接金屬的各性質(zhì)的影響的標繪圖。
具體實施例方式歷來，焊接金屬的高韌性化技術(shù)被大量提出，而專利文獻I所公開的技術(shù)是通過調(diào)整焊劑堿度和合金成分來達成高韌性化。另外，在專利文獻2中，通過調(diào)整焊劑和焊絲中各自的合金成分來達成高韌性化。但是，在這些現(xiàn)有的技術(shù)中，0. 2%屈服強度為450MPa左右，另外CTOD值低。本發(fā) 明為了消除這樣的現(xiàn)有技術(shù)的問題點而做，開發(fā)出通過調(diào)整焊劑和焊絲的合金成分，強度級0. 2%屈服強度為500MPa以上、抗拉強度為610MPa以上、CTOD至-40°C為0. 25mm以上，具有優(yōu)異的斷裂韌性的焊接金屬。以下，對于本發(fā)明的焊劑和焊絲的組成限定理由進行說明。首先，對于埋弧焊用粘結(jié)焊劑的組成進行說明。(I)埋弧焊用粘結(jié)焊劑“MgO :23 43 質(zhì)量 ％ ”MgO具有的作用是，通過其添加，提高堿度，并且作為脫氧劑使焊接金屬中的氧降低，因此在降低氧上有效。另外，MgO的添加也使熔渣的耐火性增加。MgO低于23質(zhì)量％時，該作用無法發(fā)揮。另外，若MgO超過43質(zhì)量％，則熔渣的剝離和焊道外觀惡化?！癆1203 :11 31 質(zhì)量Al2O3具有作為造渣劑的作用，有確保焊道的熔渣剝離性的效果。另外，Al2O3具有提高電弧的集中性和穩(wěn)定性的作用。但是，若Al2O3低于11質(zhì)量％，則熔渣的剝離性劣化，電弧不穩(wěn)定，焊接變得困難。另外，若Al2O3超過31質(zhì)量％，則焊接金屬中的氧增加，使焊接金屬的韌性劣化?！癈aF2 6 16 質(zhì)量％ ”CaF2公知的作用是調(diào)整生成熔渣的熔點，但CaF2也有使焊接金屬中的氧降低的效果。但是，CaF2低于6質(zhì)量％吋，該效果得不到發(fā)揮，另外若CaF2超過16質(zhì)量％，則電弧變得不穩(wěn)定，焊道外觀劣化，另外在焊道上發(fā)生麻點?！癝i02 :7 20 質(zhì)量％ ”SiO2作為造渣劑而具有修整焊道外觀和焊道形狀的作用，但在SiO2低于7質(zhì)量％吋，該效果得不到發(fā)揮，另外若SiO2超過20質(zhì)量％，則使焊接金屬中的氧增加，使韌性劣化?！敖饘偬妓猁}以CO2換算為I. 0 8. 0質(zhì)量％ ”金屬碳酸鹽因焊接熱而氣化，具有降低電弧氣氛中的水蒸氣分壓，降低焊接金屬的擴散性氫量這樣的電弧保護效果。但是，金屬碳酸鹽低于1.0質(zhì)量％吋，該效果無法發(fā)揮。另外，若金屬碳酸鹽超過8.0質(zhì)量％，則熔渣的剝離惡化，這時在焊道上發(fā)生麻點，操作性不良。一般來說，作為金屬碳酸鹽可列舉CaC03、BaCO3等?！癈aO和BaO的ー種或兩種合計2 16質(zhì)量％ ”CaO和BaO與MgO—起提高堿度，對于降低焊接金屬中的氧有效。另外，CaO和BaO具有同樣的作用效果。但是，CaO和BaO其一種或兩種的合計低于2質(zhì)量％時，無法發(fā)揮該效果，另外若超過16質(zhì)量％，則電弧穩(wěn)定性和焊道的外觀劣化。
“金屬 Si :0. 4 1.5 質(zhì)量金屬Si具有使焊接金屬中的氧量降低的脫氧效果。該金屬Si通常以Fe-Si合金的形式添加。該合金中的Si在焊劑單位質(zhì)量中低于0. 4質(zhì)量％時，脫氧效果無法被發(fā)揮。另外，若Si超過I. 5質(zhì)量％，則脫氧效果飽和，焊接金屬的韌性反而劣化，并且強度過度提聞。
“金屬Ti和Ti氧化物(total Ti)以Ti換算值的合計為I. 0 7. 0質(zhì)量％ ”金屬Ti具有使焊接金屬中的氧量降低的脫氧效果。另外，Ti氧化物作為造渣劑而具有調(diào)節(jié)粘性和流動性的效果。金屬Ti也在焊接中氧化，成為Ti氧化物，作為造渣劑而具有調(diào)節(jié)粘性和流動性的效果。其合計(total Ti)低于1.0質(zhì)量％時，該效果得不到發(fā)揮，若超過7. 0質(zhì)量％，則脫氧過剩，另外熔渣量過剩，在焊道表面發(fā)生燒結(jié)，熔渣剝離性劣化。如此，金屬Ti和Ti氧化物彼此具有密切的關(guān)聯(lián)性，作為total Ti來規(guī)定其量。焊劑的金屬Ti和Ti氧化物(Ti換算值)的合計(total Ti)的更優(yōu)選范圍是0. 3 I. 3質(zhì)量％“金屬B和B氧化物的ー種或兩種以B換算值的兩者合計為0. 01 0. 20質(zhì)量金屬B和B氧化物具有控制焊接金屬中的固溶B量的效果，但是B換算值以與金屬B的合計低于0. 01質(zhì)量％時，抑制固溶B在晶界偏析中的微細的組織，韌性提高效果無法發(fā)揮，若B換算值的合計超過0. 20質(zhì)量％，則焊接金屬的淬火性大幅上升，韌性降低。焊劑的金屬B和B氧化物的ー種或兩種，以B換算值的合計，更優(yōu)選的范圍是0. 01 0. 15質(zhì)量％?！皦A金屬Na、K和Li的氧化物以向各元素換算的換算值合計，為I. 0 6. 0質(zhì)
量V，堿金屬Na、K和Li的氧化物具有使電弧穩(wěn)定化的效果，但這些氧化物以向各元素換算的換算值合計而低于1.0質(zhì)量％時，該效果無法被發(fā)揮。另外，若向各元素換算的換算值的合計超過6. 0質(zhì)量％，則脫氧效果無法提高，焊接金屬的韌性劣化，并且強度過度上升?！?(Ti 換算值 +B 換算值)/SiO2 :0. 05 0. 55”在本發(fā)明中，為了確保斷裂韌性和焊接操作性這兩方，如上述這樣限定各成分組成，但本發(fā)明者們還發(fā)現(xiàn)，通過將(Ti換算值+B換算值)/SiO2規(guī)定在滿足0. 05 0. 55的范圍，能夠確保斷裂韌性和焊接操作性這兩方。若(Ti換算值+B換算值)/SiO2低于0. 05，則生成焊接金屬氧量高的粗大的組織，由此導(dǎo)致斷裂韌性降低。另外，若(Ti換算值+B換算值)/SiO2超過0. 55，則熔渣的剝離性和焊道形狀等的焊接操作性劣化，焊接金屬的強度也上升，斷裂韌性降低。熔渣的(Ti換算值+B換算值)/SiO2更優(yōu)選的范圍是0. 10 0. 40。(2)其次，對于實芯焊絲的組成進行說明?！癈 :0. 10 0. 15 質(zhì)量％ ”為了得到良好的韌性，需要降低C。為了在焊接金屬中得到良好的低溫韌性，需要使之處于0. 15質(zhì)量％以下。但是,若C低于0. 10質(zhì)量則脫氧不足，韌性劣化?！癕n :1. 5 2. 5 質(zhì)量Mn確保焊接金屬的淬火性，在生成晶內(nèi)鐵素體的相變核上需要。這ーMn的效果在
I.5質(zhì)量％以上時能夠獲得，但是若Mn超過2. 5質(zhì)量％，則焊接金屬的淬火性過大，韌性劣化。
“Ni 2. 0 2. 6 質(zhì)量％ Ni在焊接金屬的基體中固溶，使鐵素體本身高韌性化。這ー Ni的效果在2. 0質(zhì)量％以上時能夠獲得。另ー方面，若Ni超過2.6質(zhì)量％，則P和S容易在晶界析出，高溫裂紋容易產(chǎn)生?！癕o :0. 05 質(zhì)量％ 以下”Mo具有使焊接金屬的提高的效果。但是，若Mn超過0.05質(zhì)量％，則焊接金屬的淬火性過度上升，焊接金屬的韌性降低。“N :0. 008 質(zhì)量％ 以下，，N是使韌性劣化的元素，優(yōu)選盡可能低，因此使N的上限為0. 008%。還有，本發(fā)明的實芯焊絲的余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)?！?[NiV([Mn]+ [Mo]) :0. 9 I. 5”在本發(fā)明中，為了提高斷裂韌性和耐高溫裂紋性雙方，以上述方式規(guī)定實芯焊絲的組成，但本發(fā)明者們還發(fā)現(xiàn)，若在[Ni]/([Mn]+ [Mo])滿足0. 9 I. 5的范圍調(diào)整各成分的組成，則能夠更確實地使斷裂韌性和耐高溫裂紋性這兩方提高。若[NiV ([Mn]+ [Mo])低于0.9，則焊接金屬的淬火性高，斷裂韌性降低。另外，若[Ni]/([Mn]+ [Mo])超過1.5，則高溫裂紋容易產(chǎn)生。焊絲的[Ni]/([Mn]+ [Mo])更優(yōu)選的范圍是1.0 I. 4。(3)接著，對于由本發(fā)明的焊接方法得到的焊接金屬的組成進行說明?！癇 :0. 0010 0. 0050 質(zhì)量％ ”B低于0. 0010質(zhì)量％時,發(fā)揮不出先共析鐵素體的抑制效果,韌性劣化。另一方面，若B超過0. 0050質(zhì)量％，則焊接金屬的淬火性變大，由此導(dǎo)致韌性劣化?！癟i :0. 010 0. 050 質(zhì)量Ti低于0. 010質(zhì)量％吋，晶內(nèi)針狀鐵素體的相變核的生成受到阻礙，韌性劣化。另一方面，若Ti超過0. 050質(zhì)量％，則由于粗大的板條狀貝氏體的生成導(dǎo)致韌性劣化?！?[Ti]/
0. 50 0. 90”[Ti]/
低于0. 50時，脫氧不足，因此粗大的先共析鐵素體的生成，由此導(dǎo)致韌性劣化。另ー方面，若[Ti]/
超過0.90，則粗大的板條狀貝氏體的生成導(dǎo)致韌性劣化。實施例以下，通過本發(fā)明的實施例更具體地說明本發(fā)明的效果。制作下述表I所示的Wl W6的6種焊絲。表I中Wl W3是處于本發(fā)明的范圍的實施例，W4 W6是脫離本發(fā)明的范圍的比較例。焊絲直徑在全部焊絲中為4. 0mm。同樣，制作下述表2和表3所示的Fl F15的15種焊劑。這些焊劑的原料是對于原料粉末以水玻璃作為粘合材料而進行造粒后，以500°C分別燒成，?；癁?0 48篩號的粒度。在下述表2和表3中，F(xiàn)l F5是處于本發(fā)膽的范圍的實施例，F(xiàn)6 F15是脫離本發(fā)明的范圍的比較例。表I
權(quán)利要求
1.一種埋弧焊用粘結(jié)焊劑，其特征在于，含有MgO 23 43質(zhì)量％、Al2O3 :11 31質(zhì)量％、0&&:6 16質(zhì)量％、SiO2 :7 20質(zhì)量％、金屬碳酸鹽以CO2換算為I. O 8. O質(zhì)量％工&0和BaO的一種或兩種合計2 16質(zhì)量％，并且含有金屬Si :0. 4 I. 5質(zhì)量％，金屬Ti和Ti氧化物的Ti總量以Ti換算值計的合計為I. O 7. O質(zhì)量％，金屬B和B氧化物的一種或兩種以B換算值計的兩者合計為O. 01 O. 20質(zhì)量％，堿金屬Na、K和Li的氧化物以換算為各元素的換算值合計為I. O 6. O質(zhì)量％，滿足(Ti換算值+B換算值)/SiO2 0. 05 O. 55。
2.一種埋弧焊用實芯焊絲，其特征在于，含有C :0. 10 O. 15質(zhì)量％、Mn :1. 5 2. 5質(zhì)量％、Ni :2. O 2. 6質(zhì)量％，并且，將Mo限制在O. 05質(zhì)量％以下，將N限定在O. 008質(zhì)量％以下，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，并且滿足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 1.5。
3.—種低溫用鋼的埋弧焊方法，其特征在于，使用如下埋弧焊用粘結(jié)焊劑和埋弧焊用實芯焊絲，得到含有B 0. 0010 O. 0050質(zhì)量％和Ti 0. 010 O. 050質(zhì)量％，滿足[Ti]/[O] 0. 50 O. 90的焊接金屬，其中， 所述埋弧焊用粘結(jié)焊劑含有MgO :23 43質(zhì)量％、Al2O3 :11 31質(zhì)量％、CaF2 :6 16質(zhì)量％、Si02 :7 20質(zhì)量％、金屬碳酸鹽以CO2換算為1.0 8.0質(zhì)量％工&0和BaO的一種或兩種合計2 16質(zhì)量％，并且含有金屬Si 0. 4 I. 5質(zhì)量％，金屬Ti和Ti氧化物的Ti總量以Ti換算值計的合計為I. O 7. O質(zhì)量％，金屬B和B氧化物的一種或兩種以B換算值計的兩者合計為O. 01 O. 20質(zhì)量％，堿金屬Na、K和Li的氧化物以換算成各元素的換算值合計為I. O 6. O質(zhì)量％，并且，滿足(Ti換算值+B換算值)/SiO2 0. 05 O.55 ； 所述埋弧焊用實芯焊絲含有C :0. 10 O. 15質(zhì)量％、Mn :1. 5 2. 5質(zhì)量％、Ni :2. O 2.6質(zhì)量％，并且，將Mo限制在O. 05質(zhì)量％以下，將N限定在O. 008質(zhì)量％以下，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)，并且滿足[Ni]/([Mn]+ [Mo]) :0. 9 1.5。
全文摘要
本發(fā)明提供一種埋弧焊用粘結(jié)焊劑和實芯焊絲以及低溫用鋼的埋弧焊方法，其能夠在優(yōu)異的焊接操作性下，得到低溫斷裂韌性優(yōu)異的焊接部(焊接金屬)。埋弧焊用粘結(jié)焊劑含有MgO23～43質(zhì)量％、Al2O311～31質(zhì)量％、CaF26～16質(zhì)量％、SiO27～20質(zhì)量％、金屬碳酸鹽以CO2換算為1.0～8.0質(zhì)量％、CaO和BaO的一種或兩種合計2～16質(zhì)量％，并且含有金屬Si0.4～1.5質(zhì)量％，金屬Ti和Ti氧化物(total Ti)以Ti換算值的合計為1.0～7.0質(zhì)量％，金屬B和B氧化物的一種或兩種以B換算值的兩者合計為0.01～0.20質(zhì)量％，堿金屬Na、K和Li的氧化物以向各元素換算的換算值合計，含有1.0～6.0質(zhì)量％，滿足(Ti換算值+B換算值)/SiO20.05～0.55。
文檔編號B23K35/30GK102615451SQ20121002497
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者中西浩二郎, 太田誠, 韓鵬 申請人:株式會社神戶制鋼所