专利名称：焊接金属及潜弧焊接方法
技术领域：
本发明涉及用于高强度Cr-Mo钢(Cr:2.00-3.25、Mo:0.90-1.20)的焊接，特别是对除了 Cr及Mo之外含有必要成分V进而根据需要含有Nb、T1、B及Ca等的高强度Cr-Mo钢的焊接有效的高强度Cr-Mo钢的焊接金属及潜弧焊接方法。
背景技术：
含有2.25 3质量％的Cr及I质量％的Mo的Cr-Mo钢的高温特性优异，因此一直以来作为在锅炉及化学反应容器等高温高压环境下使用的材料而被广泛使用。上述构造物大多为大型厚壁的设备，其焊接主要采用焊接效率高的潜弧焊接。另外，为了实现设备的高效率操作，焊接条件呈进一步高温高压化的趋势，因此在使用现有钢的情况下，焊接构造物变得更加厚壁，从而变得不实用了。因此，为了即使在高温高压条件下也能抑制构造物的厚壁化而添加了 V的高强度Cr-Mo钢或添加了 V及Nb等的高强度Cr-Mo钢被实用化。对于焊接材料也要求在室温及高温强度、韧性、蠕变强度、耐回火脆化特性(在高温环境下的使用过程中脆化少)、耐高温破裂性(凝固时的破裂少)、耐低温破裂性(难以产生因氢而导致的延迟破坏)、及耐SR破裂性(难以产生因析出时效而导致的晶界破裂)等方面比现有的焊接材料优异。因此，在专利文献I及2中提出有能够得到具有上述性能的焊接金属的潜弧焊接方法。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开平6-328292号公报专利文献2:日本特开平9-192881号公报发明的概要发明要解决的问题然而，即使利用上述的专利文献I及2所公开的潜弧焊接方法进行焊接，在满足近期以来提高更低温时的焊接金属的韧性的要求的点上也还未得到充分的特性。
发明内容
本发明鉴于上述问题点而提出，其目的在于提供一种韧性稳定优异且耐SR性优异的高强度Cr-Mo钢的焊接金属及得到该焊接金属的潜弧焊接方法。用于解决问题的手段本发明的第一焊接金属是通过潜弧焊接而焊接成的焊接金属，其特征在于，所述焊接金属含有:C:0.05 0.15 质量％，S1:0.10 0.25 质量％，Mn:0.50 1.30 质量％，Cr:2.00 3.25 质量％，
Mo:0.90 1.20 质量％，V:0.20 0.40 质量％，Nb:0.010 0.040 质量％，O:250 450ppm,且具有如下的组成:Al:0.040 质量％ 以下，P:0.010 质量％ 以下，S、Sn、Sb、As:总量在 0.010 质量％ 以下，B1、Pb:总量在 1.0ppm 以下，余量为Fe及不可避免的杂质，在微观组织中，粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。本发明的第二焊接金属是将如下组成的焊丝与含有以CO2换算为3.0 12.0质量％的碳酸盐的焊剂组合并通过潜弧焊接而焊接成的焊接金属，所述焊丝的组成为:C:0.09 0.19 质量％，S1:0.30 质量％ 以下，Mn:0.50 1.40 质量％，Cr: 2.00 3.80 质量 ％，Mo:0.90 1.20 质量％，V:0.25 0.45 质量％，Nb:0.010 0.040 质量％，余量:Fe及不可避免的杂质，其特征在于，所述焊接金属含有:C:0.05 0.15 质量％，S1:0.10 0.25 质量％，Mn:0.50 1.30 质量％，Cr:2.00 3.25 质量 ％，Mo:0.90 1.20 质量％，V:0.20 0.40 质量％，Nb:0.010 0.040 质量％，O:250 450ppm,且具有如下的组成:Al:0.040 质量％ 以下，P:0.010 质量％ 以下，S、Sn、Sb、As:总量在 0.010 质量％ 以下，B1、Pb:1.0ppm 以下,余量为Fe及不可避免的杂质，在微观组织中，粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。本发明的第三焊接金属在上述第二焊接金属的基础上，其特征在于，是通过将焊接条件控制为焊接输入热量在20 50kJ/cm的范围内、每一层的层叠厚度(mm)在输入热量(kj/cm)的0.15倍以下的潜弧焊接而焊接成的。本发明的第一潜弧焊接方法的特征在于，所述潜弧焊接方法将如下组成的焊丝与含有以CO2换算为3.0 12.0质量％的碳酸盐的焊剂组合，将焊接条件控制为焊接输入热量在20 50kJ/cm的范围内、每一层的层叠厚度(_)在输入热量(kj/cm)的0.15倍以下而进行潜弧焊接，所述焊丝的组成为:C:0.09 0.19 质量％，S1:0.30 质量％ 以下，Mn:0.50 1.40 质量％，Cr:2.00 3.80 质量％，Mo:0.90 1.20 质量％，V:0.25 0.45 质量％，Nb:0.010 0.040 质量％，余量:Fe及不可避免的杂质。本发明的第二潜弧焊接方法在第一潜弧焊接方法的基础上，其特征在于，能得到如下的焊接金属，其含有:C:0.05 0.15 质量％，S1:0.10 0.25 质量％，Mn:0.50 1.30 质量％，Cr:2.00 3.25 质量％，Mo:0.90 1.20 质量％，V:0.20 0.40 质量％，Nb:0.010 0.040 质量％，O:250 450ppm，且具有如下的组成:Al:0.040 质量％ 以下，P:0.010 质量％ 以下，S、Sn、Sb、As:总量在 0.010 质量％ 以下，B1、Pb:总量在 1.0ppm 以下，余量为Fe及不可避免的杂质，在微观组织中，粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。发明效果根据本发明，在进行不锈钢焊接时，焊接金属的韧性稳定显示较高的值，并且耐SR性及焊接作业性也优异。
图1是示出坡口形状的图。图2是示出PWHT的方法的温度线图。图3是示出熔敷金属的冷却工序方法的图。图4(a)至(e)是示出圆筒型试验片的截取方法的图。
具体实施例方式以下，对本发明进行详细地说明。在高强度Cr-Mo钢被实用化的1990年代，_18°C下的冲击值(vE-18°C )在55J以上，是高强度Cr-Mo钢要求的普通的韧性特性。然而，近期要求-30°C下的冲击值(vE-30°C )在55J以上，并要求更低温时的冲击特性的提高。为了满足此类低温冲击特性的提高的要求，当意欲以调整焊接金属的组成的方法来改善焊接金属的低温韧性时，虽然能够平均地实现目标，但有时确认到韧性显示出极差的值的情况。在对焊接金属的韧性的评价中，从焊接后的试验片每个温度下连续地截取N=3 5个试验片而供试验使用，在其全部或多个情况下其中的I 2个试验片体现出异常恶劣的韧性值，因此随处可见不能满足要求规格的情况。比较调查了显示出良好的韧性值的试验片、与显示出不良值的试验片，其结果判明:虽然没有能确认化学成分的差异，但能够根据微观组织的粗细来整理出能够显示出良好的韧性的试验片与显示出不良韧性的试验片之间的差异。即，判明显示出不良韧性值的试验片必是原质部主体的微观组织，并认为该原质部的粗粒使韧性不稳定化。因此，虽然进行了通过将焊接金属作为细粒主体的再热部而使韧性稳定化的研究，但仅是调整焊接金属的成分则没有能实现。使用高强度Cr-Mo钢的构造物使用数十 数百mm的厚板，所以即使是潜弧焊接(SAW)也形成为多层焊接。因此，从施工层面进行研究的结果是，能够通过控制每一层的层叠厚度，在进行某一层的焊接时根据对其前一层进行再热的效果而制造再热部主体的焊接金属。另外，一般来说，认为对于微观组织的微细化减少焊接输入热量并增快冷却速度是有效的，但本申请的发明人等发现仅此而已是不充分的。在低输入热量的情况下，例如当在电流大、电压低的条件下进行焊接时，有时因熔深变深等、层厚增加，不受下一层的再热的影响而残留粗粒。另一方面，确认即使输入热量高，如果熔深浅、以保持恒定的层厚的方式焊接，则利用下一层的再热而充分地进行细粒化。另一方面，对细粒的定义和涉及韧性的分布量的影响也进行了研究。基于由ASTME112及JIS G0551等来测定结晶粒的测定方法而进行调查，发现将再热部或者细粒部的结晶粒面积定义在400μπι2以下，规定该再热部或者细粒部的面积是有效的。需要说明的是，根据本申请的发明人等的实验研究，在实际的施工中，难以100%地形成细粒。然而，本申请的发明人等发现，即使混入一定程度的粗粒，韧性也稳定。因此，将细粒的区域定义为结晶粒面积在400 μ m2以下的区域，对于其比率，确认了能够实现韧性的稳定及提高的范围。以下，对本发明的成分添加理由及组成限定理由和结晶粒的数值限定理由进行说明。(A)首先，对实芯焊丝的化学成分的限定理由进行说明。“C:0.09 0.19 质量％ ”C是为了确保焊接金属的室温及高温强度、蠕变强度及韧性而添加的，为了将焊接金属中的C含有量设为0.05-0.15质量％而需要限制实芯焊丝中的C含有量。因此，实芯焊丝中的C含有量设为0.09-0.19质量％。“Si:0.30 质量％ 以下”Si具有脱氧效果，具有对在本发明中实现重要作用的O量进行控制的作用。需要将焊接金属中的Si含有量设为0.10 0.25质量％，因此实芯焊丝中的Si含有量在0.30质量％以下。“Mn:0.50 1.40 质量％ ”Mn与Si相同地也具有脱氧效果，除了具有对在本发明中实现重要作用的O量进行控制的作用之外，还提高高温强度及韧性，因此需要将焊接金属中的Mn含有量设为
0.50 1.30质量％。因此，当考虑向焊接金属形成的成品率时，实芯焊丝中的Mn含有量设为0.50 1.40质量％。“Cr:2.00 3.80 质量％，Mo:0.90 1.20 质量 V，Cr及Mo是高强度2.25 % Cr-1 % Mo钢的基本成分，作为焊接金属的母材成分而需要从实芯焊丝添加规定量。即，当实芯焊丝中的Cr含有量不足2.00质量％或超过3.80质量％时、或当Mo含有量不足0.90质量％或超过1.20质量％时,本发明的效果虽被确认,但其结果是得到的焊接金属成分实际上处于在作为对象的高温环境下不能使用的母材成分范围内。因此，实芯焊丝中的Cr含有量设为2.00 3.80质量％，Mo含有量设为0.90
1.20质量％。“V:0.25 0.45 质量％，Nb:0.010 0.040 质量V具有提高焊接金属的室温及高温强度与蠕变强度的效果，为了将焊接金属中的V含有量设为0.20 0.40质量％而需要将实芯焊丝中的V含有量设为0.25 0.45质量％。Nb也具有与V相同的效果，为了将焊接金属中的Nb含有量设为0.010 0.040质量％而需要将实芯焊丝中的Nb含有量设为0.010 0.040质量％。(B)接着，对焊剂的化学成分的限定理由进行说明。“金属碳酸盐(换算为CO2的值):3 12质量V’由金属碳酸盐产生的CO2具有减少焊接金属的扩散性氢量且提高耐低温破裂性的效果和对O量进行调整的效果。因此，需要将金属碳酸盐换算为CO2的值设在3质量％以上，而当CO2换算值超过12质量％时，焊接金属中的O量超出本发明范围的上限值而导致韧性降低。因此，金属碳酸盐的量以换算为CO2的值计设为3 12质量％。需要说明的是，作为金属碳酸盐而有CaC03、BaCO3及MgCO3等，但如果换算为CO2的值进入到上述范围内，则都具有相同的效果。(C)接着，对焊接条件的限定理由进行说明。“焊接输入热量:20 50kJ/cm”本申请的发明人等发现，如果适当地选择焊接输入热量，则强度、回火特性、耐高温破裂性及耐低温破裂性良好地平衡，并得到上述特性良好的焊接金属。当焊接输入热量不足20kJ/cm时，淬火硬化性变得过大，虽然强度提高，但韧性及耐SR破裂性降低。另一方面，当焊接输入热量超过50kJ/cm时，焊接金属中的氧量变高，并且淬火性降低，因此组织粗大化，强度、韧性及耐回火脆化特性降低。“每一层的层叠厚度(mm)在输入热量(kj/cm)的0.15倍以下”本申请的发明人等发现，在对调整为后述的组成范围的焊接金属进行焊接的时亥IJ，能够通过对每一层的层叠厚度进行控制而使原质部的粗粒因再热显著减少，从而得到韧性稳定的细粒主体的微观组织。当使用将焊接输入热量的单位设为kj/cm而计算出的数值，将该数值放大了 0.15倍的计算值作为最大层厚(mm)时，在超过单位焊接输入热量的最大层厚的情况下，在下一层的再热效果变得不充分，组织不能充分地细粒化，韧性不稳定。优选地，设为层叠厚度(_)彡输入热量(kj/cm) X0.12的范围。只要是在该范围内，则冲击试验片N = 3 5中显示异常的低值的试验片几乎不存在。(D)接着，对焊接金属的组成及组织的限定理由进行说明。“C:0.05 0.15 质量—般来说，若焊接金属中的O量多，则高温强度、蠕变强度及韧性显著降低。特别是，当焊接金属中的O量在0.025质量％以上时尤为显著，而根据本申请的发明人的研究，知晓当将焊接金属中的C量设为0.05 0.15质量％时，上述特性被明显改善。然而，当焊接金属中的C量不足0.05质量％时，强度及韧性不够充分，并且当焊接金属中的C量超过
0.15质量％时，强度变得过高而韧性降低。因此，焊接金属中的C量设为0.05 0.15质量％。“S1:0.10 0.25 质量Si具有脱氧效果，并具有对O量进行控制的作用，因此在焊接金属中需要含有
0.10质量％以上。然而，当Si含有量超过0.25质量％时，成为耐回火脆化特性及耐SR破裂性降低且强度变得过高而韧性降低的原因。因此，焊接金属中的Si量设为0.10 0.25
质量％。“Mn:0.50 1.30 质量Mn也与C相同地具有改善高温强度及韧性的效果。另外，Mn也具有脱氧效果，也具有对O量进行控制的作用。然而，当Mn含有量不足0.50%时，强度及韧性不够充分，并且当Mn含有量超过1.30质量％时，蠕变强度及耐回火脆化特性降低。因此，焊接金属中的Mn量设为0.50 1.30质量％。“Cr:2.00 3.25 质量％，Mo:0.90 1.20 质量 V，Cr及Mo是高强度(2.25 3质量％) Cr-1质量％ Mo钢的基本成分。当焊接金属中的Cr量不足2.00质量％或超过3.25质量％时、或当Mo量不足0.90质量％或超过1.20质量％时，虽然本发明的效果都被确认，但实际上处于在作为对象的高温环境下不能使用的母材成分范围内。因此，焊接金属中的Cr量设为2.00 3.25质量％，Mo量设为0.90
1.20质量％。“V:0.20 0.40 质量V是提高Cr活量而降低C活量的元素之一，具有渗碳体的析出抑制效果。然而，当V量超过0.40质量％时，MC碳化物大量地析出，从而降低韧性。另外，当V量低于0.20%时，蠕变强度降低。因此，焊接金属中的V量设为0.20 0.40质量％。“Nb:0.010 0.040 质量Nb具有与单独添加V的情况相比而进一步提高室温及高温强度、以及蠕变强度的效果。然而，当Nb量不足0.010质量％时，该效果不够充分，当Nb量超过0.040质量％时，也成为强度变得过高而韧性降低的原因。因此，焊接金属中的Nb量设为0.010 0.040质量％。“Al:0.040 质量％ 以下”
Al具有降低韧性的作用，当焊接金属中的Al量超过0.040质量％时，韧性显著降低。因此，焊接金属中的Al量的上限值设为0.040质量％。“P:0.010 质量％ 以下”
P是向晶界偏析并降低晶界强度的元素。当焊接金属中的P量超过0.010质量％时，晶界强度降低且产生SR破裂的可能性变高。另外，因P向晶界偏析而使耐回火脆化特性降低。因此，焊接金属中的P量设在0.010质量％以下。“S、Sn、Sb、As:总量在 0.010 质量％ 以下”作为焊接金属中不可避免地混入的元素，除了 P、A1及O之外，还具有S、Sn、Sb、As等。当上述元素的含有量高时，成为产生SR破裂及回火脆化的原因。因此，S、Sn、Sb、As量设在0.010质量％以下。“B1、Pb:1.0ppm 以下”作为焊接金属中不可避免地混入的元素还具有B1、Pb等，即使含有极微量的上述元素也会使耐SR破裂性显著恶化。因此，焊接金属中的B1、Pb量设在1.0ppm以下。“O:250 450ppm”O在焊接金属中形成金属氧化物,成为结晶粒的核,但当O量不足250ppm时,金属氧化物的生成量少，因此结晶粒的数量少且粒生长成粗粒，因此韧性降低。另一方面，当O量超过450ppm时，作为非金属夹杂物的氧化物过多，因此韧性降低。因此，焊接金属中的O量设为250 450ppm。焊接金属中的O量优选为300 400ppm。“在微观组织中，粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上”当微观组织中的定义为细粒的粒面积在400 μ HI2以下的结晶粒为低于70 %的比率时，判明在N = 6中的至少I 2个冲击试验中_30°C时的冲击值(vE-30°C )示出低于54J的低值。因此，形成粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上的微观组织。优选地，通过将粒面积在400 μ m2以下的结晶粒设在结晶粒整体的90%以上，韧性为较高的值且稳定。在本发明的焊接金属的组成范围内，通过将焊接金属中的O量调整为250 450ppm，能够确保细粒的比率在70%以上，-30°C的低温冲击值(VE_30°C )的各个值可靠地超过46J。另外，通过将O量调整为300 400ppm且根据焊接条件而对层厚进行调整，能够将细粒的比率设在90%以上，冲击能量(vE-30°C)的各个值超过55J，从而能够得到较高的稳定的值。实施例接着，通过与脱离本发明的范围的比较例进行比较而对本发明的实施例进行说明。如图1所示，将下述表I所示的母材，通过在被焊接材料I之间设置坡口角度为10°、根部间隙为25_的坡口形状，来作为试验板。在该坡口的下部设置衬底材料2。组合下述表2所示的组成的实芯焊丝和下述表3所示的组成的焊剂并在下述表4所示的焊接条件下进行焊接。在焊接之后，实施图2所示的2水准的PWHT，并对实施回火脆化特性的评价试验的试验片实施图3所示的冷却工序。熔敷金属的机械试验以下述表5所示的要领进行实施。表I
权利要求
1.一种焊接金属，该焊接金属是通过潜弧焊接而焊接成的，其特征在于， 所述焊接金属含有: C:0.05 0.15 质量％， Si:0.10 0.25 质量％， Mn:0.50 L 30 质量％， Cr:2.00 3.25 质量％， Mo:0.90 L 20 质量％， V:0.20 0.40 质量％， Nb:0.010 0.040 质量％， O:250 450ppm, 且具有如下的组成: Al:0.040质量％以下， P:0.010质量％以下， S、Sn、Sb、As:总量在0.010质量％以下， B1、Pb:总量在1.0ppm以下， 余量为Fe及不可避免的 杂质， 在微观组织中,粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。
2.一种焊接金属，该焊接金属是将焊丝与含有以CO2换算为3.0 12.0质量％的碳酸盐的焊剂组合并通过潜弧焊接而焊接成的，所述焊丝的组成为: C:0.09 0.19 质量％， S1:0.30质量％以下， Mn:0.50 L 40 质量％， Cr:2.00 3.80 质量％， Mo:0.90 L 20 质量％， V:0.25 0.45 质量％， Nb:0.010 0.040 质量％， 余量:Fe及不可避免的杂质， 所述焊接金属的特征在于，含有: C:0.05 0.15 质量％， Si:0.10 0.25 质量％， Mn:0.50 L 30 质量％， Cr:2.00 3.25 质量％， Mo:0.90 L 20 质量％， V:0.20 0.40 质量％， Nb:0.010 0.040 质量％，O:250 450ppm， 且具有如下的组成: Al:0.040质量％以下， P:0.010质量％以下，S、Sn、Sb、As:总量在0.0lO质量％以下，B1、Pb:1.0ppm 以下， 余量为Fe及不可避免的杂质， 在微观组织中,粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。
3.根据权利要求2所述的焊接金属，其特征在于， 所述焊接金属是通过将焊接条件控制为焊接输入热量在20 50kJ/cm的范围内、每一层的层叠厚度(_)在输入热量(kj/cm)的0.15倍以下的潜弧焊接而焊接成的。
4.一种潜弧焊接方法，其特征在于， 所述潜弧焊接方法将焊丝与含有以CO2换算为3.0 12.0质量％的碳酸盐的焊剂组合，将焊接条件控制为焊接输入热量在20 50kJ/cm的范围内、每一层的层叠厚度(mm)在输入热量(kj/cm)的0.15倍以下而进行潜弧焊接， 所述焊丝的组成为: C:0.09 0.19 质量％， S1:0.30质量％以下， Mn:0.50 L 40 质量％， Cr:2.00 3.80 质量％，Mo:0.90 L 20 质量％， V:0.25 0.45 质量％， Nb:0.010 0.040 质量％， 余量:Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的潜弧焊接方法，其特征在于， 所述潜弧焊接方法能够得到如下的焊接金属，其含有: C:0.05 0.15 质量％， Si:0.10 0.25 质量％， Mn:0.50 L 30 质量％， Cr:2.00 3.25 质量％， Mo:0.90 L 20 质量％， V:0.20 0.40 质量％， Nb:0.010 0.040 质量％，O:250 450ppm， 且具有如下的组成: Al:0.040质量％以下， P:0.010质量％以下， S、Sn、Sb、As:总量在0.010质量％以下， B1、Pb:总量在1.0ppm以下， 余量为Fe及不可避免的杂质， 在微观组织中,粒面积在400 μ m2以下的结晶粒占结晶粒整体的70%以上。
全文摘要
本发明提供一种焊接金属及潜弧焊接方法，通过潜弧焊接而被焊接的、韧性稳定优异且耐SR性优异的焊接金属含有C0.05～0.15质量％、Si0.10～0.25质量％、Mn0.50～1.30质量％、Cr2.00～3.25质量％、Mo0.90～1.20质量％、V0.20～0.40质量％、Nb0.010～0.040质量％、O250～450ppm，且具有如下的组成Al0.040质量％以下，P0.010质量％以下，S、Sn、Sb、As总量在0.010质量％以下，Bi、Pb总量在1.0ppm以下，余量为Fe及不可避免的杂质，在微观组织中，粒面积在400μm2以下的结晶粒占结晶粒整体的70％以上。
文档编号B23K35/30GK103153529SQ20118004582
公开日2013年6月12日 申请日期2011年11月21日 优先权日2010年11月24日
发明者大津穰, 山下贤, 小池芳也人, 谷口元一, 高内英亮, 陈亮, 坂田干宏 申请人:株式会社神户制钢所