本發明屬于焊接材料領域，具體涉及一種極地船舶鋼用高強高韌埋弧焊絲及其使用方法。
背景技術：
：用于極地船舶建造的低溫鋼，因為應用在低溫寒冷海域，海洋環境復雜多變，要經受超低溫、冰雪磨蝕、低溫風浪碰撞、強烈的海洋風暴及凍土碰撞等帶來的諸多挑戰，對船舶用低溫鋼的設計、選材和建造加工等提出了更高的要求。極地船舶用低溫鋼要求具有優良的極寒低溫綜合性能，其結構材料不僅具有高的強度、良好的塑性，而且還要求在-60℃、-80℃下具有優異的沖擊韌性，特別是在極地海域嚴寒至-60℃的超低溫環境下鋼板的斷裂韌性要求良好，焊接性能優異。極地船舶船體結構的安全性要求非常高，極地船舶鋼的強度高，對鋼板的低溫韌性要求非常高，進而要求采用的埋弧焊絲和焊劑匹配焊接的焊縫也要求具有高強、高韌的特性。低溫鋼用焊接材料在國內的應用也越來越廣泛，焊材的用量與日俱增。在某些重要大型構件連接時，一般會采用埋弧焊，因為埋弧焊不但效率較高，而且焊接質量好。但目前真正是國內焊接廠商生產的高強度低溫鋼用埋弧焊材是很有限的，很多這類焊材都是靠國外進口。目前在重要的高技術船舶及海工裝備制造中所使用的埋弧焊絲基本上都是國外知名品牌，國產焊絲因低溫韌性，尤其是斷裂韌性值不穩定而被拒之門外。以往對適用于管線鋼、建筑用鋼、橋梁用鋼和壓力容器用鋼的埋弧焊絲研究較多，包括專利公開號為CN1701904A的新型微合金化結構鋼用H06C系列埋弧焊絲、專利公開號為CN101342645A的高等級管線鋼用高強度高韌性高速焊埋弧焊絲、專利公開號為CN1200317A的低合金高強度高韌性埋弧焊絲、專利公開號為CN1919524A的低合金超高強度鋼用高韌性埋弧焊絲和專利公開號為CN1343544A的壓力容器焊接用高強度高韌性埋弧焊絲等等，它們的合金系基本上屬于Si-Mn-Mo-Ti-B和Si-Mn-Ni-Mo系，由于焊絲中Ni含量較低，一般小于1.5％，雖然通過Ti-B微合金化，可通過細化晶粒在一定程度改善韌性，但焊縫金屬低溫沖擊韌性大多只能滿足-40℃的要求，對于海工裝備焊接所需要的斷裂韌性指標，都沒有確切的數據，難以在極地超低溫環境船舶上應用。技術實現要素：本發明旨在解決上述現有技術的不足與問題，提供了一種極地船舶鋼用高強高韌埋弧焊絲，與極地船舶用40kg級超低溫鋼相匹配的高強高韌埋弧焊絲，該焊絲與堿性焊劑匹配時能夠獲得適應極地船舶極寒低溫鋼焊接接頭要求的焊縫，其抗拉強度大于510MPa，焊縫金屬-60℃沖擊功大于100J。為達到上述目的，本發明提供了一種極地船舶鋼用高強高韌埋弧焊絲，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：C0.02～0.13％；Si0.60～1.2％；Mn0.40～1.00％；Cr0.30～1.00％；Ni0.40～1.00％；P＜0.010％；S＜0.005％；Ti0.01～0.10％；Mo＜0.60％；Cu0.10～0.80％；Al0.01～0.06％；Nb0.003～0.06％，V0～0.08％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.024％；Si1.13％；Mn1.00％；Cr0.69％；Ni0.40％；P0.006％；S0.0039％；Ti0.013％；Mo0.54％；Cu0.12％；Al0.013％；Nb0.0058％，V0.010％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.038％；Si1.07％；Mn0.96％；Cr0.32％；Ni0.42％；P0.007％；S0.0045％；Ti0.021％；Mo0.38％；Cu0.34％；Al0.024％；Nb0.039％，V0.016％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.043％；Si0.88％；Mn0.89％；Cr0.55％；Ni0.56％；P0.007％；S0.0037％；Ti0.024％；Mo0.05％；Cu0.42％；Al0.029％；Nb0.012％，V0.023％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.062％；Si0.77％；Mn0.87％；Cr0.45％；Ni0.76％；P0.006％；S0.0010％；Ti0.049％；Mo0.10％；Cu0.56％；Al0.037％；Nb0.019％，V0.005％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.076％；Si0.65％；Mn0.74％；Cr0.32％；Ni0.82％；P0.006％；S0.0021％；Ti0.055％；Mo0.52％；Cu0.44％；Al0.045％；Nb0.042％，V0.053％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.089％；Si0.74％；Mn0.75％；Cr0.88％；Ni0.43％；P0.007％；S0.0026％；Ti0.076％；Mo0.42％；Cu0.29％；Al0.048％；Nb0.028％，V0.067％，其余為Fe和不可避免的雜質。優選地，該埋弧焊絲的化學成分按重量百分比計為：：C0.117％；Si0.61％；Mn0.55％；Cr0.46％；Ni0.92％；P0.006％；S0.0027％；Ti0.098％；Mo0.25％；Cu0.72％；Al0.055％；Nb0.057％，V0.075％，其余為Fe和不可避免的雜質。在本發明焊絲成分設計中：C元素含量對焊縫的強度和韌性具有較大的影響。當C含量較低時，焊縫強度較低，鐵素體比例增加，韌性較高。當C含量較高時，焊縫強度增加，珠光體比例增加，焊縫韌性下降。將C含量控制在0.02-0.13％，用來提高焊縫的韌性。Mn可以起脫氧作用，防止導致熱裂紋產生的碳化鐵夾雜物形成，促使鐵素體晶粒和碳化物細化，從而提高焊縫的強度和韌性。本發明中Mn含量控制在較高的水平，主要用來提高焊縫強度，彌補低C造成的強度損失。將Mn含量控制在0.40～1.00％。加入適量Si、Al可以脫氧，阻止O與B結合，同時Al與N形成的AlN可以細化晶粒，提高焊縫的韌性。同時Si能溶于鐵素體提高鋼的硬度和強度。將Si含量控制在0.60～1.20％，Al含量控制在0.01～0.06％。Mo是較強的固溶強化元素，可以提高焊縫強度，另外Mo元素推遲奧氏體的轉變溫度，抑制先共析鐵素體和側板條鐵素體的形成，促進晶內針狀鐵素體的形成，提高焊縫低溫韌性,但Mo含量過高將在晶界聚集惡化鋼板韌性。將Mo含量控制在0～0.60％。Ti與奧氏體中的N反應生成TiN顆粒，TiN具有很低的溶解度，在焊縫中形成很細的彌散物，可以有效的阻止晶粒長大，同時成為針狀鐵素體的形核核心，大大提高焊縫的韌性。將Ti含量控制在0.01～0.10％。加入少量的Nb可以起到沉淀硬化的作用，進一步提高焊縫的強度。將Nb含量控制在0.003～0.06％。加入少量的V可以起到沉淀硬化的作用，進一步提高焊縫的強度。將V含量控制在0～0.06％。Cr有利于提高焊縫中針狀鐵素體含量，減少先共析鐵素體，并有細化鐵素體晶粒的作用，提高焊縫的強度和韌性。將Cr含量控制在0.30～1.00％。Ni是固溶于鐵素體的合金元素，在一定范圍內可以提高焊縫的強度和韌性。加入一定含量的Ni主要目的在于提高焊縫的低溫韌性，降低脆性轉變溫度。將Ni含量控制在0.40～1.00％。Cu可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性。將Cu含量控制在0.10～0.80％。S、P是焊縫中的主要有害元素，將會降低焊縫金屬的低溫韌性，同時也會降低焊縫的抗H2S應力腐蝕性能，盡量控制在一個較低的水平，其中S小于0.005％，P小于0.01％。本發明還提供了上述極地船舶鋼用高強高韌埋弧焊絲的使用方法，采用堿性燒結焊劑進行焊接，制得焊縫金屬。上述焊縫金屬的焊縫抗拉強度大于510MPa，-60℃下焊縫沖擊功大于100J。本發明不僅需要滿足高強度的要求，而且還需要獲得極好的滿足-60℃以下低溫韌性要求，因此在設計時采用超低C來提高焊縫的韌性，同時將Si的值控制在0.6～1.20％之間，在超低碳情況下，獲得良好的強度和韌性平衡。在此基礎上，利用Ni在低溫條件下的優良性能，0.40～1.00％的Ni、Cr0.30～1.00％和Cu0.10～0.80％可以顯著的降低焊縫韌脆轉變溫度，提高焊縫的低溫韌性和穩定性，使得焊縫金屬即使在-60℃下也具有非常高的沖擊值。另外通過Mo和Nb、Ti的固溶、沉淀、析出強化保證焊縫強度達到510MPa以上。本發明的有益效果：1.本發明焊絲與堿性燒結焊劑匹配，適用于極地船舶鋼的多絲內外埋弧焊接，焊前不需預熱，焊后不用熱處理，可以進行焊管制造的高速埋弧焊接，焊接速度可達1.0m/min～2.0m/min。2.本發明焊絲與堿性燒結焊劑匹配，對極地船舶鋼進行焊接，所得焊縫金屬具有很高的強度和低溫沖擊韌性，焊縫抗拉強度大于510MPa，焊縫沖擊功大于100J(-60℃)。具體實施方式以下通過具體實施例對本發明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明本發明，并不是對本發明保護范圍的限制。本發明實施例的埋弧焊絲制備方法是采用電爐進行冶煉，然后在1050℃進行軋制，埋弧焊絲的拉拔、鍍銅均為現有技術的加工方法，最終獲得尺寸為直徑4.0mm的鍍銅或不鍍銅埋弧焊絲。實施例1～7的埋弧焊絲化學成分如表1所示，其中余量為Fe和不可避免的雜質。表1埋弧焊絲化學成分(單位：重量百分比)CSiMnPSTiMoCrNiNbAlCuV10.0241.131.000.0060.00390.0130.540.690.400.00580.0130.120.01020.0381.070.960.0070.00450.0210.380.320.420.0390.0240.340.01630.0430.880.890.0070.00370.0240.050.550.560.0120.0290.420.02340.0620.770.870.0060.00100.0490.100.450.760.0190.0370.560.00550.0760.650.740.0060.00210.0550.520.320.820.0420.0450.440.05360.0890.740.750.0070.00260.0760.420.880.430.0280.0480.290.06770.1170.610.550.0060.00270.0980.250.460.920.0570.0550.720.075對本發明中的實施例進行焊接接頭試驗，與堿性燒結焊劑SJ101C匹配，對極地船舶鋼進行雙面單道埋弧焊接。焊接接頭性能如表2所示。表2焊接接頭拉伸及沖擊性能從表2可以看出，本發明的實施例1～7不僅焊縫抗拉強度都超過了510MPa，而且在-60℃時的沖擊功都超過了100J，遠遠高于船級社標準要求，符合設計要求。綜上所述，本發明實施例1-7的埋弧焊絲具備良好的基本力學性能，尤其是低溫韌性，滿足極地船舶鋼焊接工藝要求。盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。當前第1頁1 2 3