本發明涉及焊接材料技術領域，特別是涉及一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲及其制備與焊接方法，適用于相應強度級別的金屬，用于全位置焊接。
背景技術：
我國常規能源以煤炭和水能為主,水能資源僅次于煤炭,居十分重要的地位。我國的水電建設事業已經取得了舉世矚目的成績。目前，長江上游干流及金沙江、大渡河上已經或即將建設的大型高水頭電站項目有33個，500萬kW以上的水電站就有向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、龍盤峽等。隨著我國用電負荷的不斷增加，基于優化電網需要，作為電網調峰功能的水電站——高水頭大容量抽水蓄能電站的建設也不斷增多，以滿足電網調峰要求。國內外研究報告表明，目前壓力鋼管最高水頭已達約1300m。HD值也已超過4000以上。高水頭、大容量是未來我國水電發展的趨勢，為滿足電站布置、降低工程綜合成本，新型材料的應用研究將是研究的主要方向。隨著大型、巨型電站不斷采用新材料、新技術、新工藝。目前800MP級高強鋼已得到廣泛應用，1000MPa級高強鋼也將逐步推廣應用，對1000MPa高強鋼用焊接材料的研究具有非常重要的意義。
由于水電工程的建設多地處于河道、水庫流經的山地，組裝場地有限，涵洞內焊接現場大風速、高濕度，部分管徑達5～10米(最大14米)，現場焊接時無法采用更高的預熱溫度。因此，要求在低預熱(甚至不預熱)條件下焊接。焊后又不能采用消除應力熱處理，要求焊縫金屬具有優良的抗氫致開裂能力。因而焊接的焊縫金屬必須具有優良的塑性、韌性和抗脆斷能力和止裂能力。
圍繞適用于大型水電站、抽水蓄能電站等重要部件用高塑韌性、超低焊接裂紋鋼板配套焊接材料，研制滿足水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范技術要求的1000MPa級高強鋼配套焊接材料(實心焊絲)，掌握水電站用超高強焊接材料研發、生產和應用的關鍵核心技術。開展上述關鍵技術研究極具挑戰性和開創性，且意義重大。
技術實現要素：
本發明克服了現有技術的不足，提供一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲，特別適用于1000MPa高強鋼焊接用。
本發明的1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲，確定了C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、Cu、S、P元素成分范圍，采用本發明的焊絲焊接B950CF鋼，焊縫金屬具有高強度和優良的沖擊韌性，全位置焊接工藝性能良好，焊縫表面光滑、均勻，焊道形貌美觀。適用于相應強度級別的鋼材，如B950CF鋼、30CrMnSi、35CrMo等。
為解決上述的技術問題，本發明采用以下技術方案：
一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲，所述焊絲化學成分按重量份數計算包括：C：0.07-0.13份、Si：0.3-0.5份、Mn：1.8-2.3份、Ni：2.7-3.2份、Cr：0.3-1.2份、Mo：0.4-0.85份、Ti：0.01-0.1份、Al：0.01-0.03份、P：0.008份以下，S：0.005份-0.010份，Cu：0.3份以下、Nb:0.01-0.035份、余量為Fe。
更進一步的技術方案是所述焊絲化學成分按重量份數計算包括：C：0.09份、Si：0.4份、Mn：1.82份、Ni：2.8份、Cr：0.7份、Mo：0.65份、Ti：0.05份、Al：0.015份、P：0.004份以下，S：0.006份，Cu：0.004份、余量為Fe。
更進一步的技術方案是所述焊絲化學成分按重量份數計算包括：C：0.10份、Si：0.35份、Mn：2.05份、Ni：3.05份、Cr：0.8份、Mo：0.10份、Ti：0.02份、Al：0.018份、P：0.006份以下，S：0.004份，Cu：0.15份、余量為Fe。
C是確保焊縫金屬強度的主要元素，但過高的C元素使組織的淬硬性增加，焊縫的冷裂傾向加大，同時不利于后續的拉拔生產。因此，本發明焊絲中的C含量控制在0.07-0.13％范圍內。
Si是常用的脫氧劑，有較明顯的固溶強化效果。能有效降低焊縫中的氧，防止CO氣孔的產生，但是脫氧后產生的硅酸鹽會提高熔渣和液態金屬的粘度，導致焊接時產生嚴重的飛濺，惡化焊接性，Si在有效提高焊縫強度的同時也降低了韌性，所以Si含量不宜過高。本發明焊絲中的Si含量控制在0.3-0.5％范圍內。
Mn通過固溶強化提高焊縫的強度，除了可做脫氧劑外，還能有效減少焊縫中的S含量，防止熱裂紋的產生。Mn是奧氏體穩定化元素，能降低奧氏體的臨界轉變溫度，促進焊縫中針狀鐵素體的生成，減少對力學性能不利的先共析鐵素體和側板條鐵素體含量。Mn元素含量過高,焊縫中會形成魏氏組織,也使韌性降低。本發明焊絲中的Mn含量控制在1.8-2.3％范圍內。
Ni是奧氏體穩定化元素，提高焊縫金屬的韌性,特別是低溫韌性,降低脆性轉變溫度。在γ-Fe中無限固溶，與Mn的作用類似，Ni可以增加組織中的針狀鐵素體，并對焊縫進行固溶強化。在焊縫金屬的整個冷卻速度范圍內，Ni都可以使相變溫度降低，并使側板條鐵素體開始轉變溫度降低程度明顯大于針狀鐵素體開始轉變溫度的降低。從而利于針狀鐵素體的形成。有效細化晶粒。因此，本發明焊絲中Ni含量控制在2.7-3.2％。
Cr元素與Ni元素一同加入時能有效的提高淬透性,同時,Cr元素能固溶強化基體,提高焊縫熱強性。Cr元素可以提升焊縫中針狀鐵素體的含量,降低先共析鐵素體含量,細化鐵素體晶粒,從而提高強度和韌性。Cr雖然有較強的固溶強化作用，但是會使鋼的脆性轉變溫度提高，降低焊接性。因此，本發明焊絲中Cr含量控制在0.3-1.2％。
Mo能強烈地抑制珠光體的形核與長大，促進貝氏體組織的生成，可以使焊縫在很寬的冷卻溫度范圍內獲得中溫轉變組織。在含Mn量高的焊縫中，Mo能抑制先共析鐵素體的生成，增加針狀鐵素體的含量。Mo屬于縮小γ相區的元素,會縮短相變溫度區間,產生置換固溶強化,引起晶格畸變,使材料沖擊韌性下降,因此,Mo含量過高對焊縫韌性不利。但Mo元素也能提高焊縫的強度。本發明焊絲中Mo含量控制在0.4-0.85％之間。
Ti與O、N有極強的親和力，能有效脫氧，并能減少焊縫中的自由N，生成的Ti的氮、氧化物具有較高的熔點，可以作為針狀鐵素體的形核核心，并能阻礙奧氏體晶粒的長大，細化晶粒。微量的Ti就能顯著改善焊縫組織，增加焊縫中的針狀鐵素體含量。本發明焊絲中Ti含量控制在0.01-0.1％之間。
少量A1加入鋼中能降低氧、氮水平,細化晶粒,提高沖擊韌性。本發明焊絲中Al含量控制在0.01-0.03％之間。
Cu是擴大奧氏體區的元素,能提高強度和韌性,特別是大氣腐燭性能,是高強低碳貝氏體鋼中幾乎必加的元素。Cu除了穩定奧氏體之外,還顯著提高碳化物的活度,促進合金碳化物的析出,從而可以間接發揮細化轉變組織和析出強化作用。在時效處理中,Cu能形成極為細小、彌散的析出相,是進一步強化貝氏體鋼的主要措施之一。Cu的熔點較低,高Cu鋼易發生熱脆,不利于后續生產,解決的方案是在含Cu鋼中添加Cu含量一半以上的Ni。本發明焊絲中Cu含量控制在0.3％以下。
S、P是有害元素，嚴重惡化焊縫的性能，主要表現在降低上平臺韌性和提高韌脆轉變溫度，導致氫致開裂。因此焊縫中要嚴格控制P含量。近年來的研究表明，微量S的存在有利于于熔敷金屬的流動性，本發明中P控制在0.008％以下，S含量控制在0.005-0.010％范圍內。
更進一步的技術方案是提供一種上述1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
采用脫硫鐵水，控制入爐鐵水硫含量，采用中頻感應爐煉鋼，降低冶煉終點的C、S、P含量，經脫氧合金化后，采用爐外精煉工藝加真空脫氣，冶煉出鋼水，鋼水經澆鑄成連鑄坯，連鑄坯經軋機軋制成盤條；盤條經剝殼-酸洗-涂硼砂-粗拉-回火處理-細拉-鍍銅制成成品焊絲。
更進一步的技術方案是所述鋼水經品種鑄機全保護澆鑄成連鑄坯。
更進一步的技術方案是所述成品焊絲為Φ1.0mm或Φ1.2mm的成品焊絲。
更進一步的技術方案是提供一種上述1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲的焊接方法，所述焊接方法包括以下步驟：
采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接待焊金屬；
當待焊金屬為熔敷金屬時，焊接規范為：焊接電流230-270A，焊接電壓28-31V，焊接速度為25-30cm/min，氣體流量為20L/min，層間溫度130-150℃；熔敷金屬的屈服強度бs＝940MPa，抗拉強度бb＝1060MPa，熔敷金屬的延伸率＝17％，熔敷金屬-20℃沖擊功KV2＝60J，焊縫金屬的布氏硬度HB≤360。
1、更進一步的技術方案是當待焊金屬為1000MPa級高強鋼時，試板尺寸為300mm×150mm×38mm，采用不對稱X形坡口，坡口角度為30°；焊接規范為：焊接電流180-260A，焊接電壓22-28V，焊接速度16-25cm/min，氣體流量20L/min，試板預熱溫度120℃，層間溫度130-150℃；焊縫金屬的抗拉強度為бb＝1100MPa，焊縫金屬-20℃沖擊功KV2＝60J；焊縫金屬的布氏硬度HB≤360。
與現有技術相比，本發明實施例的有益效果之一是：
1.本發明焊絲采用中頻感應爐加爐外精煉加真空脫氣的方法冶煉。高速無扭軋機軋制，經拉拔加工成成品焊絲，生產上易于實現。
2.本發明的焊絲采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接，焊接飛濺小，電弧穩定性和全位置操作性良好，焊縫成形美觀，焊絲的焊接工藝性能優良。
3.本發明的焊絲采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接，熔敷金屬的屈服強度бs＝930-960MPa,抗拉強度бb＝1040-1100MPa，延伸率≥12％，-20℃沖擊功≥47J。
4.本發明的焊絲采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接B950CF，焊縫金屬抗拉強度бb＝1040-1080MPa，焊縫金屬-20℃沖擊功≥47J。
5.本發明可替代進口焊絲，顯著降低大型水電站、抽水儲能電站等用高強鋼的建設成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書(包括任何附加權利要求、摘要)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
下面結合實施例對本發明的具體實施方式進行詳細描述。
實施例1
本實施例公開一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲，所述焊絲化學成分按重量百分比計算包括：C：0.07-0.13％、Si：0.3-0.5％、Mn：1.8-2.3％、Ni：2.7-3.2％、Cr：0.3-1.2％、Mo：0.4-0.85％、Ti：0.01-0.1％、Al：0.01-0.03％、P：0.008％以下，S：0.005％-0.010％，Cu：0.3％以下、Nb:0.01-0.035％、余量為Fe。
進一步的，上述實施例的1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲的制備方法步驟如下：
采用脫硫鐵水，控制入爐鐵水硫含量，采用中頻感應爐煉鋼，選用雜質元素含量低的原材料，將冶煉終點的C、S、P控制在較低的水平，經脫氧合金化后，采用LF爐等爐外精煉工藝加真空脫氣，冶煉出成分符合要求的鋼水，鋼水經品種鑄機全保護澆鑄成連鑄坯，連鑄坯經高速無扭軋機軋制成Φ5.5mm的盤條。盤條經剝殼-酸洗-涂硼砂-粗拉-回火處理-細拉-鍍銅制成Φ1.0mm或Φ1.2mm成品焊絲。
實施例2
本實施例公開的一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲化學成分按重量百分比計算包括：C 0.09％、Mn 1.82％、Si 0.4％、Cr 0.7％、Mo 0.65％、Ni 2.80％、Ti 0.05％、Cu 0.25％、Al 0.015％、S 0.006％、P 0.004％，余量為鐵及不可避免的雜質。
本實施例所述的1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲焊接熔敷金屬的焊接方法包括以下步驟：采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體進行熔敷金屬焊接，試板為Q235(堆邊)，厚度為20mm，坡口角度25°，根部間隙為16mm。焊接規范為：焊接電流230-270A，焊接電壓28-31V，焊接速度為25-30cm/min，氣體流量為20L/min，層間溫度130-150℃。熔敷金屬的屈服強度бs＝940MPa，抗拉強度бb＝1060MPa，熔敷金屬的延伸率＝17％，熔敷金屬-20℃沖擊功KV2＝60J。
本實施例所述的一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲焊接B950CF高強鋼的焊接方法包括以下步驟：
采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接B950CF高強鋼，試板尺寸為300mm×150mm×38mm，采用不對稱X形坡口，坡口角度為30°。焊接規范為：焊接電流180-260A，焊接電壓22-28V，焊接速度16-25cm/min，氣體流量20L/min，試板預熱溫度120℃，層間溫度130-150℃。焊縫金屬的抗拉強度為бb＝1040MPa，焊縫金屬-20℃沖擊功KV2＝60J。焊縫金屬的布氏硬度HB≤360。
實施例3
本實施例公開的一種1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲化學成分按重量百分比計算包括：C 0.10％、Mn 2.05％、Si 0.35％、Cr 0.8％、Mo 0.10％、Ni 3.05％、Ti 0.02％、Cu 0.15％、Al 0.018％、S 0.004％、P 0.006％，余量為鐵及不可避免的雜質。
本實施例所述的1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲焊接熔敷金屬的焊接方法包括以下步驟：采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體進行熔敷金屬焊接，試板材質、規格、坡口角度、預熱溫度、焊接工藝等與實例1相同，熔敷金屬屈服強度бs＝960MPa，抗拉強度бb＝1080MPa，熔敷金屬的延伸率＝18％，熔敷金屬-20℃沖擊功KV2＝60J。
本實施例所述的1000MPa高強鋼焊接用氣保護實心焊絲焊接B950CF高強鋼的焊接方法包括以下步驟：采用80％Ar+20％CO2富氬混合氣體焊接B950CF高強鋼，試板尺寸為300mm×150mm×38mm，采用不對稱X形坡口，坡口角度為30°。焊接規范為：焊接電流180-260A，焊接電壓22-28V，焊接速度16-25cm/min，氣體流量20L/min，試板預熱溫度120℃，層間溫度130-150℃。焊縫金屬的抗拉強度為бb＝1100MPa，焊縫金屬-20℃沖擊功KV2＝60J。焊縫金屬的布氏硬度HB≤360。
本實施例焊絲可以顯著降低大型水電站、抽水儲能電站等用高強鋼的建設成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。
在本說明書中所談到的“一個實施例”、“另一個實施例”、“實施例”等，指的是結合該實施例描述的具體特征、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一個實施例描述一個具體特征、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特征、結構或者特點也落在本發明的范圍內。
盡管這里參照發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開權利要求的范圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對于本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。