1.本发明属于熔化极气体保护焊药芯焊丝技术领域。具体涉及一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。
背景技术：
2.液化天然气(lng)等贮存运输容器用钢通常在
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196℃进行超低温储存，现阶段的商业用lng贮罐的钢为9ni钢，由于9％镍含量的钢板价格昂贵，在对lng储运关键材料用钢要求高安全性的同时，降低建造成本，实现减ni化钢板的开发成为低温钢的一个重要发展方向，为此国内外相继开发出节镍型低温钢。近年来，为降低lng储罐用钢的生产成本以及对高价镍元素的依赖度，高锰钢(mn的含量为24～26wt％)因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受瞩目。相比目前常用镍合金、超低温高锰钢焊接性更优，且成本价格仅相当于镍合金钢的70～80％，超低温高锰钢已成为替代9ni钢的首选材料，具有较大的市场前景。
3.超低温高锰钢在制造lng等贮存运输容器时，熔化极气体保护焊是常用的连接方法之一，如《一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝》(202010762465.6)专利技术，提供了一种熔化极实心焊丝技术。然而，实心焊丝由于锰含量较高，熔池粘性大，液态金属铺展不开，熔合不好，导致焊缝金属成型差，不能用于全位置焊接。又如《一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝》(201910008171.1)专利技术，提供了一种熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝，在一定程度上改善了焊缝金属的成型性，然而。在纯co2或富co2保护气体下，焊缝金属的气孔敏感性较大，易生成气孔，不能保证焊缝金属的质量及其力学性能。
技术实现要素：
4.本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种可用于全位置焊接和焊接效率高的用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝；采用富ar混合气体保护时，在气
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渣联合保护下所形成的焊缝金属成型好、气孔敏感性低、低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于
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196℃工作温度的lng贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝由65～70wt％的钢带与30～35wt％的药芯粉组成。
6.所述钢带的化学组分是：c为0.10～0.20wt％；si为0.01～0.05wt％；mn为3～7wt％；p≤0.002wt％；s≤0.001wt％；余量为fe和不可避免的杂质。
7.所述药芯粉的化学组分是：金红石为28～34wt％；锆英砂为2～4wt％；钛酸钾为2～4wt％；电解锰为20～25wt％；镍粉为8～15wt％；高碳铬铁为8～12wt％；余量为铁粉。
8.所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝的制备方法是：将所述钢带轧制成u形管，再将所述药芯粉加入u形管中，然后合缝，拉丝减径，收线，表面处理，层绕，制得用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。
9.所述金红石的纯度≥99％，金红石的粒度≤0.3mm。
10.所述锆英砂的纯度≥99％，锆英砂的粒度≤0.3mm。
11.所述钛酸钾的纯度≥99％，钛酸钾的粒度≤0.3mm。
12.所述电解锰的纯度≥99％，电解锰的粒度≤0.3mm。
13.所述镍粉的纯度≥99％，镍粉的粒度≤0.3mm。
14.所述高碳铬铁的化学成分是：cr为84～86wt％，c为10～12wt％，余量为铁和不可避免的杂质；高碳铬铁的粒度≤0.30mm。
15.由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
16.本发明采用的药芯粉的成分体系中含有金红石和锆英砂，具有调节熔渣熔点和粘度的作用。当两者复合添加量较小时，调节作用不明显；当添加量较高时，反而恶化焊缝金属成型性。因而，本发明的药芯粉中金红石含量为28～34wt％、锆英砂含量为2～4wt％，在提高焊接效率的同时，一方面加强了液态金属的流动性，改善了焊缝金属的成型性，实现了全位置焊接；另一方面，在焊接过程中形成一层薄的保护渣，降低了焊缝金属的气孔敏感性，保证了焊缝金属的质量。
17.本发明采用的药芯粉中含有钛酸钾，主要起到稳定电弧的作用。本发明的药芯粉中钛酸钾含量为2～4wt％，保证了较好电弧稳定；进一步在进行全位置焊接时保证了焊缝金属的成型性，提高了焊接工艺性能。
18.本发明采用钢带与药粉共同过渡合金元素的方式，形成的焊缝金属中，其mn含量为24～26wt％，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系。在形成焊接接头时，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化，保证了焊缝金属的具有超低温的力学性能。
19.本发明中的锰元素与碳元素同为奥氏体形成元素，两种元素共同作用，使焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，且一直保持到室温，形成全奥氏体组织的焊缝金属。焊缝中碳元素含量过低时，焊缝屈服强度不够；而碳元素含量过高时，又会在焊缝中产生粗大的碳化物影响韧性。含锰量过低时，不足以形成单一奥氏体组织；含锰量过高时，会降低拉伸强度。同时，本发明中，钢带含c为0.10～0.20wt％、含mn为3～7wt％，药芯中含高碳铬铁为8～12wt％、含电解锰20～25wt％，保证奥氏体组织，获得良好的超低温强韧性。镍元素是奥氏体形成元素，含量过高会造成成本增加；含量过低会影响焊缝的奥氏体稳定性。因而，本发明药芯粉中ni含量为8～15wt％，在保证较低的元素成本的前提条件下，保证了全奥氏体组织，获得良好的超低温韧性。
20.本发明中杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：p≤0.002wt％和s≤0.001wt％。通过净化钢水，将焊丝的p和s含量降到最低，避免因p、s偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
21.本发明钢带中含有si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中si含量过低，起不到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。因而，本发明钢带中si含量为0.01～0.05wt％，既保证了焊缝金属的强度，又很好地调节了液态金属的粘稠度，提高了全位置焊接时的焊缝金属的成型性。
22.本发明所制备的用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝，用于超低温高
锰钢的熔化极气体保护焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，
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196℃时冲击功a
kv
为70～110j；亦保证了足够的强度：屈服强度为400～480mpa，抗拉强度为600～720mpa，延伸率a为38～41％，实现了
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196℃工作温度时的超低温高锰钢的强度的要求和超低温韧性的要求。
23.因此，本发明技术在焊接过程中能形成一层薄的保护渣，采用富ar混合气体保护时，在气
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渣联合保护下，所形成的焊缝金属的成型良好、气孔敏感性较低，可用于全位置焊接，焊接效率高；所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足对所焊接的适用于
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196℃工作温度的lng贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。
25.一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。本具体实施方式所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝由65～wt70％的钢带与30～35wt％的药芯粉组成。
26.所述钢带的化学组分是：c为0.10～0.20wt％；si为0.01～0.05wt％；mn为3～7wt％；p≤0.002wt％；s≤0.001wt％；余量为fe和不可避免的杂质。
27.所述药芯粉的化学组分是：金红石为28～34wt％；锆英砂为2～4wt％；钛酸钾为2～4wt％；电解锰为20～25wt％；镍粉为8～15wt％；高碳铬铁为8～12wt％；余量为铁粉。
28.所述金红石的纯度≥99％。
29.所述锆英砂的纯度≥99％。
30.所述钛酸钾的纯度≥99％。
31.所述电解锰的纯度≥99％。
32.所述镍粉的纯度≥99％。
33.所述高碳铬铁的化学成分是：cr为84～86wt％，c为10～12wt％，余量为铁和不可避免的杂质。
34.本具体实施方式所述超低温高锰钢的化学组分是：c为0.40～0.50wt％，si为0.10～0.20wt％，mn为20～28wt％，n为0.01～0.08wt％，p为≤0.005wt％，s为≤0.003wt％。所述25mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为≥400mpa，抗拉强度为≥660mpa，延伸率a≥40％；
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196℃时冲击功a
kv
≥54j。
35.下述技术参数或技术特征在本具体实施方式的各实施例中相同：
36.所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝的制备方法是：将所述钢带轧制成u形管，再将所述药芯粉加入u形管中，然后合缝，拉丝减径，收线，表面处理，层绕，制得用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。
37.所述金红石的粒度≤0.3mm；
38.所述锆英砂的粒度≤0.3mm；
39.所述钛酸钾的粒度≤0.3mm；
40.所述电解锰的粒度≤0.3mm；
41.所述镍粉的粒度≤0.3mm；
42.所述高碳铬铁的粒度≤0.30mm。
43.所述熔化极气体保护焊药芯焊丝，直径为φ1.2mm；采用熔化极气体保护焊焊接方法，焊接20mm厚的超低温高锰钢；所述超低温高锰钢的试板坡口型式为x型，单侧坡口角度为30
°
。
44.本具体实施方式焊接时：采用富ar混合气体保护，富ar混合气体的配比为80vol％的氩气+20vol％的co2，富ar混合气体的流量为16～18l/min；焊接电流为230～240a，电弧电压为28～30v，焊接速度为24～26cm/min，焊接线能量为16～18kj/cm。
45.实施例中不再赘述。
46.实施例1
47.一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。本具体实施方式所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝由65wt％的钢带与35wt％的药芯粉组成。
48.所述钢带的化学组分是：c为0.20wt％；si为0.05wt％；mn为7wt％；p为0.002wt％；s为0.001wt％；余量为fe和不可避免的杂质。
49.所述药芯粉的化学组分是：金红石为34wt％；锆英砂为4wt％；钛酸钾为4wt％；电解锰为25wt％；镍粉为15wt％；高碳铬铁为12wt％；余量为铁粉。
50.所述金红石的纯度为99.4％。
51.所述锆英砂的纯度为99.5％。
52.所述钛酸钾的纯度为99.5％。
53.所述电解锰的纯度为99.5％。
54.所述镍粉的纯度为99.4％。
55.所述高碳铬铁的化学成分是：cr为84wt％，c为12wt％，余量为铁和不可避免的杂质。
56.所述超低温高锰钢的化学组分是：c为0.45wt％，si为0.10wt％，mn为28wt％，n为0.05wt％，p为0.004wt％，s为0.003wt％。所述25mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为475mpa，抗拉强度为710mpa，延伸率a为41％；
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196℃时冲击功a
kv
为75j。
57.对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为480mpa，抗拉强度为720mpa，伸长率a＝38％，
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196℃时冲击功平均值a
kv
＝72j。
58.实施例2
59.一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。本具体实施方式所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝由70wt％的钢带与30wt％的药芯粉组成。
60.所述钢带的化学组分是：c为0.16wt％；si为0.03wt％；mn为4wt％；p为0.002wt％；s为0.001wt％；余量为fe和不可避免的杂质。
61.所述药芯粉的化学组分是：金红石为32wt％；锆英砂为3wt％；钛酸钾为3wt％；电解锰为23wt％；镍粉为11wt％；高碳铬铁为10wt％；余量为铁粉。
62.所述金红石的纯度为99.2％。
63.所述锆英砂的纯度为99.2％。
64.所述钛酸钾的纯度为99.3％。
65.所述电解锰的纯度为99.4％。
66.所述镍粉的纯度为99.2％。
67.所述高碳铬铁的化学成分是：cr为85wt％，c为11wt％，余量为铁和不可避免的杂质。
68.所述超低温高锰钢的化学组分是：c为0.50wt％，si为0.20wt％，mn为26wt％，n为0.08wt％，p为0.004wt％，s为0.002wt％。所述25mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为450mpa，抗拉强度为675mpa，延伸率a为40％；
‑
196℃时冲击功a
kv
为102j。
69.对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为460mpa，抗拉强度为675mpa，伸长率a＝40％，
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196℃时冲击功平均值a
kv
＝90j。
70.实施例3
71.一种用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝。本具体实施方式所述用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝由68wt％的钢带与32wt％的药芯粉组成。
72.所述钢带的化学组分是：c为0.10wt％；si为0.01wt％；mn为3wt％；p为0.002wt％；s为0.001wt％；余量为fe和不可避免的杂质。
73.所述药芯粉的化学组分是：金红石为28wt％；锆英砂为2wt％；钛酸钾为2wt％；电解锰为20wt％；镍粉为8wt％；高碳铬铁为8wt％；余量为铁粉。
74.所述金红石的纯度为99.0％。
75.所述锆英砂的纯度为99.0％。
76.所述钛酸钾的纯度为99.1％。
77.所述电解锰的纯度为99.0％。
78.所述镍粉的纯度为99.0％。
79.所述高碳铬铁的化学成分是：cr为86wt％，c为10wt％，余量为铁和不可避免的杂质。
80.所述超低温高锰钢的化学组分是：c为0.40wt％，si为0.15wt％，mn为20wt％，n为0.01wt％，p为0.003wt％，s为0.002wt％。所述25mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为445mpa，抗拉强度为610mpa，延伸率a为42％；
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196℃时冲击功a
kv
为125j。
81.对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为420mpa，抗拉强度为620mpa，伸长率a＝41％，
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196℃时冲击功平均值a
kv
＝110j。
82.本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
83.本具体实施方式采用的药芯粉的成分体系中含有金红石和锆英砂，具有调节熔渣熔点和粘度的作用。当两者复合添加量较小时，调节作用不明显；当添加量较高时，反而恶化焊缝金属成型性。因而，本具体实施方式的药芯粉中金红石含量为28～34wt％、锆英砂含量为2～4wt％，在提高焊接效率的同时，一方面加强了液态金属的流动性，改善了焊缝金属的成型性，实现了全位置焊接；另一方面，在焊接过程中形成一层薄的保护渣，降低了焊缝金属的气孔敏感性，保证了焊缝金属的质量。
84.本具体实施方式采用的药芯粉中含有钛酸钾，主要起到稳定电弧的作用。本具体实施方式的药芯粉中钛酸钾含量为2～4wt％，保证了较好电弧稳定；进一步在进行全位置焊接时保证了焊缝金属的成型性，提高了焊接工艺性能。
85.本具体实施方式采用钢带与药粉共同过渡合金元素的方式，形成的焊缝金属中，其mn含量为24～26wt％，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系。在形成焊接接头时，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化，保证了焊缝金属的具有超低温的力学性能。
86.本具体实施方式中的锰元素与碳元素同为奥氏体形成元素，两种元素共同作用，使焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，且一直保持到室温，形成全奥氏体组织的焊缝金属。焊缝中碳元素含量过低时，焊缝屈服强度不够；而碳元素含量过高时，又会在焊缝中产生粗大的碳化物影响韧性。含锰量过低时，不足以形成单一奥氏体组织；含锰量过高时，会降低拉伸强度。同时，本具体实施方式中，钢带含c为0.10～0.20wt％、含mn为3～7wt％，药芯中含高碳铬铁为8～12wt％、含电解锰20～25wt％，保证奥氏体组织，获得良好的超低温强韧性。镍元素是奥氏体形成元素，含量过高会造成成本增加；含量过低会影响焊缝的奥氏体稳定性。因而，本具体实施方式药芯粉中ni含量为8～15wt％，在保证较低的元素成本的前提条件下，保证了全奥氏体组织，获得良好的超低温韧性。
87.本具体实施方式中杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量：p≤0.002wt％和s≤0.001wt％。通过净化钢水，将焊丝的p和s含量降到最低，避免因p、s偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
88.本具体实施方式钢带中含有si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中si含量过低，起不到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。因而，本具体实施方式钢带中si含量为0.01～0.05wt％，既保证了焊缝金属的强度，又很好地调节了液态金属的粘稠度，提高了全位置焊接时的焊缝金属的成型性。
89.本具体实施方式所制备的用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊药芯焊丝，用于超低温高锰钢的熔化极气体保护焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，
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196℃时冲击功a
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为70～110j；亦保证了足够的强度：屈服强度为400～480mpa，抗拉强度为600～720mpa，延伸率a为38～41％，实现了
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196℃工作温度时的超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
90.因此，本具体实施方式技术在焊接过程中能形成一层薄的保护渣，采用富ar气体保护时，在气
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渣联合保护下，所形成的焊缝金属的成型良好、气孔敏感性较低，可用于全位置焊接，焊接效率高；所形成的焊缝金属具有超低温高韧性的特点，强度与超低温高锰钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能，能满足对所焊接的适用于
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196℃工作温度的lng贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。