一种气体保护焊丝、包含其的制备方法以及包含其的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及一种气体保护焊丝、包含其的制备方法以及包含其的焊接方法。
背景技术
压力容器在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂是一种发生频率较高，后果较为严重的破坏现象。大型石油、化工企业中，对于处在湿硫化氢环境下钢材的耐腐性提出了更高的要求，Q345R(HIC)钢板是在湿硫化氢环境中使用的主要金属材料，在国内石化行业的油气开采、炼化和储运领域都得到了广泛应用。Q345R钢板在应用过程中，要求其具备足够的塑性、韧性以及强度，避免在各种应力和温度的作用下，提前失效或者产生脆性破裂。Q345R钢板作为压力容器时，压力容器是一种特殊的全焊结构，其焊接接头承受着与容器壳体相同的各种载荷、温度和工作介质的物理、化学作用。因而，关于焊接材料，也要求具备足够的塑性、韧性以及强度。
因而，研究开发出一种具备塑性、韧性以及高强度的气体保护焊丝，以及配合焊丝使用的制备方法以及焊接方法是急切需要的。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种气体保护焊丝，具备焊接工艺性能良好，电弧稳定，飞溅小，焊缝成型美观，低温韧性优良，同时具有良好的抗冷、热裂纹及抗HIC和SSC的性能。
具体地，一种气体保护焊丝，化学成分按重量百分比计，包括：
该发明中，气体保护焊丝的化学成分范围设定理由如下：
(C:0.05％～0.10％)
C是确保焊缝金属强度的主要元素，过高的C元素增加组织的淬硬倾向，焊缝冷裂倾向增大，不利于焊丝的生产制造；过低的C元素会导致强度降低明显，焊接过程中熔池脱氧不充分，出现气孔、夹渣等焊接缺陷。因此，控制C含量在0.05％～0.1％范围内。
(Si:0.40％～0.80％)
Si是常用的脱氧剂，有明显的固溶强化效果。能有效降低焊缝中的氧，防止CO气孔的产生。脱氧产物为硅酸盐，能够提高液态熔融金属的表面张力，导致焊接时出现飞溅，恶化焊接性，同时Si在有效提高焊缝强度的同时也会导致焊缝韧性的下降。因此，控制Si含量在0.40％～0.80％范围内。
(Mn:1.20％～1.60％)
Mn与Si一样，作为脱氧剂使用，另外还能有效减少焊缝中的S含量，防止热裂纹的产生。Mn/Si的比值为2～4时，不仅有利于减少非金属夹杂物的产生，还能促进针状铁素体的形成，对韧性的改善也更为有利。Mn元素含量过高，焊缝中会形成魏氏组织，降低韧性。因此，控制Mn含量在1.20％～1.60％范围内。
(S:0.005％及以下且不包含0％)
(P:0.010％及以下且不包含0％)
(Ca:0.0015％及以下且不包含0％)
(O:0.006％及以下且不包含0％)
(N:0.008％及以下且不包含0％)
S、P、N、O及H是有害的脆化元素，降低焊缝韧性，提高韧脆转变温度，必须加以限制。
通过限制S、P的含量，确保焊缝金属与湿硫化氢环境下使用的钢材具有同样的塑韧性以及抗应力腐蚀。
Ca、O、N含量高或匹配不良会恶化焊接工艺。
增大Ca会增大飞溅，恶化焊接工艺。
O含量过高会导致熔融液态金属流动性差，不利于熔池的铺展，增加飞溅，尤其是应用于100％CO2气体保护过程中，采用100体积％Ar或80体积％Ar+20体积％CO2作为保护气体，受O含量影响小。
N恶化焊接工艺，增加气孔敏感性，过高影响拉拔效果。
不可避免的杂质，是熔炼时不可避免混入的杂质，能够在不妨碍气保焊丝的特性的范围内包含。
本发明进一步地目的在于，提供一种气体保护焊丝的制备方法，通过控制原材料纯度，控制出炉温度，降低S、P含量，确保盘条中S、P含量在要求范围内。
具体地，一种气体保护焊丝的制备方法，包括如下步骤：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用中频感应炉炼钢，降低冶炼终点的C、S、P含量，经脱氧合金化后，采用炉外精炼工艺加真空脱气，冶炼出钢水，钢水经浇铸成连铸坯，连铸坯经轧机轧制成盘条，盘条经剥壳-砂带机-涂硼砂-粗拉-细拉-镀铜制成成品焊丝。
本发明再一步的目的在于，提供一种气体保护焊丝的焊接方法，经焊接后焊接接头满足在与容器壳体相同的各种载荷、温度和工作介质的物理、化学作用下应力腐不开裂，且具备与母材Q345R(HIC)钢板同等的塑性、韧性以及强度。
具体地，一种气体保护焊丝的焊接方法，包括如下步骤：
适用于对抗氢钢的焊接；
以100体积％Ar或80体积％Ar+20体积％CO2作为保护气体进行焊接；焊前清除铁锈、油污、水分等杂质；采用多层多道焊时，层间温度为80℃～180℃。
本发明的有益效果表现在：
本申请的气体保护焊丝在焊接时，能够提升焊接效率，焊接工艺性能良好，电弧稳定，飞溅小，焊缝成型美观，低温韧性优良，同时具有良好的抗冷、热裂纹及抗HIC和SSC的性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一，本发明提供了一种气体保护焊丝，化学成分按重量百分比计，包括：
余量Fe以及不可避免的杂质。
本发明中，优选地，化学成分的重量百分比还可以为，
本发明中，进一步优选地，化学成分的重量百分比还可以为，
本发明中，进一步优选地，化学成分的重量百分比还可以为，
第二，本发明提供了一种气体保护焊丝的制备方法，包括如下步骤：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用中频感应炉炼钢，降低冶炼终点的C、S、P含量，经脱氧合金化后，采用炉外精炼工艺加真空脱气，冶炼出钢水，钢水经浇铸成连铸坯，连铸坯经轧机轧制成盘条，盘条经剥壳-砂带机-涂硼砂-粗拉-细拉-镀铜制成成品焊丝。
本发明中，钢水经品种铸机全保护浇铸成连铸坯。
本发明中，成品焊丝为φ1.2mm～φ2.0mm。
第三，本发明提供了一种气体保护焊丝的焊接方法，包括如下步骤：
适用于对抗氢钢的焊接；
以100体积％Ar或80体积％Ar+20体积％CO2作为保护气体进行焊接；焊前清除铁锈、油污、水分等杂质；采用多层多道焊时，层间温度为80℃～180℃。
进一步地，对抗氢钢的焊接，适用于500MPa-600MPa压力容器用钢的焊接。抗氢钢为Q345R(HIC)。
本发明中，以80体积％Ar+20体积％CO2作为保护气体时，采用此种焊接方法进行焊接时，为防止气孔的产生，不应将电弧电压控制的过低，电弧长度控制在4mm～5mm。焊接电流为260A～280A，焊接电压为29V～30V。
本发明中，以100体积％Ar作为保护气体时，采用此种焊接方法进行焊接时，为了防止焊缝氢致白点的产生，需配备高纯净度的气体，且应采用断弧操作，电弧长度控制在1mm～3mm。焊接电流为160A～200A。
<实施例1至4>
气体保护焊丝的化学成分见表1。实施例用E表示。
<对比例1至11>
气体保护焊丝的化学成分见表1。对比例用C表示。
表1各样品的化学成分表(质量％，余量Fe及不可避免的杂质)
<性能分析>
将表1中的各焊丝样品进行性能分析。分析内容包括无损检测探伤、拉伸试验、冲击试验、弯曲试验，抗HIC腐蚀试验。
其中：
焊丝熔敷金属纵向弯曲试验按照NB/T 47018.3要求进行测试，符合用“○”表示，不符合用“×”表示。
抗硫化物应力腐蚀开裂(SSC)试验按照NACE TM0177、GB/T4157要求进行测试，符合用“○”表示，不符合用“×”表示。
抗氢致诱导裂纹(HIC)试验按照NACE TM0284、GB/T8650要求进行测试，符合用“○”表示，不符合用“×”表示。
熔敷金属射线检测质量等级按照NB/T 47013.2要求进行测试，结果用等级表示。
性能上焊缝抗HIC性能按照GB 713-2014要求进行测试，结果用等级表示。
各样品的分析评价结果如表2所示。
实施例组的熔敷金属扩散氢含量(气相色谱法)≤2mL/100g。
对于匹配Q345R(HIC)钢板的气保焊丝而言，强度在530MPa～560MPa为宜，对比例组的强度过高过低均不利于焊接构件的综合性能。
实施例组依照标准NACE TM0177及GB/T4157对熔敷金属进行抗硫化物应力腐蚀开裂(SSC)试验，试验试样的内外表面均未出现氢鼓泡现象。金相观察试样没有裂纹出现，试验表明该焊丝抗硫化物应力腐蚀开裂性能良好。
实施例组依照标准NACE TM0284及GB/T8650对熔敷金属进行抗氢致诱导裂纹(HIC)试验，试验后取出试样在放大10倍情况下检查未出现腐蚀裂纹，试验表面其抗应力腐蚀性能良好。
综上所述，合金元素及杂质含量对熔敷金属的力学性能及抗HIC、SSC等腐蚀性能起着重要的作用。合理的合金元素、高的纯净度、超低的氢含量及适当的强硬度是获得良好综合力学性能和耐腐蚀性能的有效保障。合理的焊接参数和焊后热处理对焊缝理化性能也有较大影响。因而，采用本申请的气体保护焊丝、制备方法以及焊接方法，提升了焊接效率，具备电弧稳定、飞溅小，低温冲击韧性优良的优势。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
