低溫鋼埋弧焊用藥芯焊絲及焊劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫鋼埋弧焊接用藥芯焊絲和焊劑，特別涉及一種鎳含量6-12%的低溫鋼埋弧焊用藥芯焊絲和焊劑。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，液化天然氣(LNG)為代表的清潔能源受到了廣泛關(guān)注，其在能源消耗結(jié)構(gòu)中的比例逐漸提高。LNG—般在-162°C條件下儲存，用于儲存的罐體通常采用9Ni鋼制造。
[0003]為確保-196°C的低溫沖擊韌性，9Ni鋼的焊接材料一般采用鎳基材料。鎳基材料的應(yīng)用會帶來以下幾個問題:1)材料價格高，限制了該類焊材的應(yīng)用，甚至影響到了 9Ni鋼的市場應(yīng)用；2)鎳基焊縫金屬具有較高的熱裂紋敏感性，不利于控制焊接質(zhì)量。
[0004]與母材成分接近的鐵基焊材能夠滿足強(qiáng)度和價格的要求，但如何確保焊縫金屬的低溫沖擊韌性是個難題。專利US 2008/0057341 Al公開了一種埋弧焊用藥芯焊絲及焊劑，焊絲含有 8-13%Ni 和 2-15% 的氟化物，而焊劑采用 25_35%Mg0，20_30%Ca0，10_15%Si0jP10-30%A1203體系，其核心思想有:I)采用高堿度的焊劑把焊縫金屬的氧含量控制在300ppm以內(nèi)，達(dá)到提高韌性的效果；2)降低焊絲中的S，P含量，芯料中不添加鐵粉，同時添加2-15%氟化物，以降低熱裂紋敏感性，降低氫含量，提高工藝性能和低溫韌性。
[0005]該技術(shù)有個明顯缺點，即需控制焊接熱輸入量，來確保焊縫金屬的低溫沖擊韌性，即焊接道次密度> 2道次/cm2。這給工業(yè)生產(chǎn)實踐帶來了挑戰(zhàn)，也就是說限制了埋弧焊的最大優(yōu)勢地發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種不受焊接熱輸入量控制的、適用于含有6-12%Ni的低溫鋼埋弧焊用藥芯焊絲及焊劑；使用該焊絲焊劑制得的焊縫金屬的-196°C沖擊功彡60J。
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
藥芯焊絲由金屬外皮和內(nèi)部芯料卷制而成。
[0008]金屬外皮為低碳碳素鋼，以重量百分比計，包括:C彡0.03%, S彡0.01%,P=^0.01%，余量為其它合金及不可避免雜質(zhì)。
[0009]C含量要求是基于控制焊接熱循環(huán)過程中碳氮化物的析出控制，否則會影響焊縫金屬的低溫沖擊韌性，將C含量控制在0.03%以內(nèi)，可基本消除碳氮化物的析出，從而為焊縫金屬低溫沖擊韌性的控制帶來便利。
[0010]S和P含量控制的主要目的是降低焊接熔池凝固偏析，從而提高抵抗熱裂紋能力；另外也會大幅度降低焊縫金屬中雜質(zhì)元素含量，從而提高焊縫金屬的低溫韌性。
[0011]藥芯焊絲金屬外皮的碳素鋼如能進(jìn)一步控制Si彡0.1%，Mn彡0.60%，B0.002-0.02，則對于提高焊縫金屬低溫韌性更為有利。
[0012]Si元素對焊縫金屬的低溫沖擊韌性不利，當(dāng)鐵基焊縫金屬的Si含量超過0.20%以后，很難保證_196°C低溫韌性；考慮到焊接過程中，焊劑過渡和母材稀釋引入的Si含量增力口，因此應(yīng)控制藥芯焊絲外皮中的Si含量< 0.1%。
[0013]Mn是焊縫金屬中最易發(fā)生凝固偏析的元素，偏析區(qū)域容易生成韌性較差的奧氏體-馬氏體組織，從而惡化低溫韌性；另一方面也會增加熱裂紋發(fā)生幾率，造成焊接缺陷生成。
[0014]B的加入用于細(xì)化焊縫金屬組織，同時提高強(qiáng)度和低溫韌性；另一方面也會降低焊縫金屬的自由氮含量，從而有利于穩(wěn)定控制焊縫金屬的低溫韌性。當(dāng)其含量超過0.02%時，鋼種冶煉難度會顯著增大，不利于工業(yè)大生產(chǎn)；當(dāng)其含量少于0.002%時，考慮到芯料填充、焊接擴(kuò)散和母材稀釋，焊縫金屬中B的含量會低于0.0005%，其作用會大打折扣。
[0015]藥芯焊絲中的芯部粉料包括:8-16%鎳，6-16%氟化鈣，0.3-5.0%鑰鐵。
[0016]鎳是確保焊縫金屬_196°C低溫沖擊韌性最重要的元素，由于其價格昂貴，因此在確保性能的前提下，添加量越少越好；考慮到焊接燒損、母材稀釋等因素，其含量應(yīng)在8%以上。綜合考慮其他合金元素添加，其上限控制在16%。
[0017]氟化鈣添加是用于去除焊縫金屬中的氫，防止氫致裂紋，當(dāng)其含量超過16%時，對電弧穩(wěn)定性造成影響，不利于焊接接頭質(zhì)量控制；當(dāng)其含量低于6%時，去除氫元素的效果有限，因此優(yōu)選含量范圍是6-16%。
[0018]鑰鐵主要用于合金化、調(diào)節(jié)焊縫金屬的微觀組織和力學(xué)性能，當(dāng)其含量超過5.0%時，焊縫金屬淬透性顯著增強(qiáng)，從而生成全馬氏體組織，損害低溫沖擊韌性；當(dāng)其含量低于0.3%時，會導(dǎo)致焊縫金屬的鑰含量低于0.15%，其效果不明顯，因此優(yōu)選含量是0.3-5.0%。
[0019]藥芯焊絲中的芯料若含有鈦鐵粉0.2-3.0%，稀土氧化物0.5-5.0%和氧化鉀
0.1-1.5%，則會進(jìn)一步提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性。
[0020]通過添加鈦鐵粉向焊縫金屬中添加鈦元素，當(dāng)其含量超過3.0%時，會使得焊縫金屬中鈦含量過大，焊接熔池粘度增加，惡化焊道成型性能；當(dāng)其含量低于0.2%時，考慮到焊接過程中的燒損、稀釋等因素，焊縫金屬中實際含量過低，起不到作用。
[0021 ] 添加稀土氧化物的目的，一方面是形成凈化焊縫金屬、改善凝固組織的晶間偏析，從而改善熱裂紋敏感性；另一方面是細(xì)化焊縫金屬中氧化物尺寸，并改善其分布，從而有利于低溫沖擊韌性提高。優(yōu)選含量是0.5-5.0%。
[0022]添加氧化鉀適用于改善電弧特性，從而提高焊接成型性能。優(yōu)選含量是0.1-1.5%。
[0023]碳素鋼外皮中的B和芯部粉料中的鑰及鈦鐵相結(jié)合，可顯著細(xì)化焊縫金屬中的針狀鐵素體組織，從而有效平衡其強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。
[0024]為了提高焊絲成分的均勻性進(jìn)而穩(wěn)定控制焊接接頭質(zhì)量，則有必要要求芯部粉料中，占比重量百分比80%以上的材料的顆粒度在200-400目之間，否則會造成焊絲的成分不均，從而造成接頭質(zhì)量的不穩(wěn)定。
[0025]埋弧焊劑，以重量百分比計，包括:21-35%CaF2,15_30%Mg0，10_15%Ti203，5_20%A1203o
[0026]添加CaF2主要目的是基于堿性渣系選擇，可有效降低焊縫金屬的氧含量，從而有利于控制焊縫金屬的低溫沖擊韌性。當(dāng)其含量超過35%時，會惡化電弧穩(wěn)定性，不利于焊接質(zhì)量控制；當(dāng)其含量小于21%時，對氧含量的控制效果較弱，因此優(yōu)選含量為21-35%。
[0027]添加MgO用于與CaF2共同控制焊接熔池中的渣系冶金反應(yīng)，一方面控制焊縫金屬中的氧含量；另一方面控制渣皮結(jié)構(gòu)，從而控制焊接成型性能。試驗結(jié)果表明，添加15-30%能夠得到較好的焊接成型性能，同時能夠確保焊縫金屬低溫韌性。
[0028]添加Ti2O3主要是用于改善焊接熔池粘度和渣層結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明，添加10-15%時，效果最優(yōu)。
[0029]添加Al2O3也是用于改善焊接熔池粘度和渣層結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明，添加5-20%時，效果最優(yōu)。
[0030]焊劑中添加0.5-2.5%Ba0,0.5-2.5%Sr0,0.5-2.0%Li20 和 0.5-3.0%Ζγ02Φ 的一種或以上時，會進(jìn)一步優(yōu)化焊接成型性能、改善低溫沖擊韌性。
[0031 ] 添加BaO或SrO可改善氧化物的物理和化學(xué)特性，并能更好地平衡電弧特性，從而改善焊接成型性能。添加Li2O也可以更進(jìn)一步優(yōu)化電弧特性，提高焊接成型性能，尤其是可以細(xì)化焊道表面波紋，增加平滑度。
[0032]添加ZrOJU是用于在焊接熔池中形成高熔點的復(fù)合氧化物，從而在隨后的凝固冷卻過程中有效地促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形核，從而有利于焊縫金屬的低溫沖擊韌性的提高。
[0033]為提高焊接質(zhì)量和效率，埋弧焊劑的顆粒度在10-40目之間。
[0034]本發(fā)明藥芯焊絲的碳素鋼外皮經(jīng)冶煉、連鑄和軋制等工序制成；然后按比例要求配制藥粉，并用金屬皮將藥粉包裹、卷制、拉拔成一定直徑的藥芯焊絲。焊劑經(jīng)選礦、配粉、燒結(jié)、壓制等工序制成。
[0035]利用上述焊絲和焊劑，對鎳含量6-12%的鋼板進(jìn)行埋弧焊接、或者異種焊接，尤其是對于9Ni鋼板的焊接，或者是9Ni鋼板與其它材料的焊接，可制得焊縫質(zhì)量完好的焊接接頭。以重量百分比計的焊縫金屬或者熔敷金屬的化學(xué)成分包括:C ^ 0.05%, Si ^ 0.20%,Mn ( 0.50%, P 彡 0.008%, S^0.005%, Ni 5-13%, Mo 0.1-0.50%, Ti 0.015-0.05%, B0.0005-0.005%,余量為 Fe。
[0036]焊縫金屬或熔敷金屬的_196°C沖擊韌性彡60J。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明焊絲的有益效果至少在于:
1.給鎳含量6-12%低溫鋼，尤其是9Ni鋼提供了一種高效的埋弧焊絲和焊劑，不用擔(dān)心焊接熱輸入量和焊接道次的限制；
2.采用添加稀土氧化物和Mo-T1-B合金的設(shè)計，實現(xiàn)了在較高氧含量條件下，仍可保持焊縫金屬的-196 °C沖擊韌性；
3.CaF2-MgO-T12系高熔點熔渣設(shè)計，較好平衡了電弧物理特性、渣系冶金反應(yīng)和渣層結(jié)構(gòu)改善，兼顧了焊縫金屬低溫沖擊韌性和焊道成型性能。
【具體實施方式】
[0038]以下結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0039]實施例1:
藥芯焊材的外皮采用厚度0.6mm的碳素鋼，其化學(xué)成分含有:C 0.02%, S 0.003%, P0.007%，余量為不可避免雜質(zhì)；芯部藥粉包括:13%鎳，10%氟化鈣，1.6%鑰鐵，其粒度在250目。利用卷制、添粉、壓制、拉拔等一系列過程制成直徑為3.2mm的藥芯焊絲。
[0040]選用粒度為20目的燒結(jié)焊劑，其含有30%CaF2，24%Mg0,12%Ti203和18%A1 203,及其它。
[0041]試驗?zāi)覆臑?0mm厚的9%Ni鋼，屈服強(qiáng)度為560MPa，抗拉強(qiáng)度為722MPa，_196°C沖擊功為156J。
[0042]采用藥芯焊絲埋弧焊接，其工藝參數(shù)如下:
(1)焊接坡口為Y型，角度為25°，鈍邊為4mm，間隙為1.5mm;
(2)焊接電流為340A，電壓為28V，焊接熱輸入量為35kJ/cm。
[0043]焊后放置48小時，然后超聲探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0044]經(jīng)檢驗:焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度為736MPa，_196°C沖擊功為86J。
[0045]實施例2:
藥芯焊材的外皮采用厚度0.8mm的碳素鋼，其化學(xué)成分含有:C 0.02%, S 0.003%, P0.007%, Si 0.08%, Mn 0.40%, B 0.008%，余量為不可避免雜質(zhì)；
芯部藥粉包括:13%鎳，10%氟化I丐，1.6%鑰鐵，鈦鐵粉0.80%,稀土氧化物1.5%，氧化鉀
0.6%，其粒度在300目。
[0046]利用卷制、添粉、壓制、拉拔等一系列過程制成直徑為4.0mm的藥芯焊絲。
[0047]選用粒度為40目的燒結(jié)焊劑，其含有26%CaF2，28%Mg0,10%Ti203和16%A1 203,及其它。
[0048]試驗?zāi)覆臑?0mm厚9%Ni鋼，屈服強(qiáng)度為594MPa，抗拉強(qiáng)度為718MPa，_196°C沖擊功為124J。
[0049]采用藥芯焊絲埋弧焊接，其工藝參數(shù)如下:
(1)焊接坡口為單V型，角度為25°，鈍邊為4mm，間隙為1.5mm;
(2)焊接電流為380A，電壓為29V，焊接熱輸入量為42kJ/cm。
[0050]焊后放置48小時，然后超聲探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0051]經(jīng)檢驗:焊縫金屬的化學(xué)成分包括:C 0.03%, Si 0.10%, Mn 0.32%, P 0.005%, S0.002%, Ni 8.2%, Mo 0.2%, Ti 0.08%, B 0.006%，余量為 Fe。
[0052]焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度為736MPa，_196°C沖擊功為86J。
[0053]實施例3:
藥芯焊材的外皮采用厚度0.7mm碳素鋼，其化學(xué)成分含有:C 0.03%, S 0.002%, P
0.005%, Si 0.06%, Mn 0.012%，余量為不可避免雜質(zhì)；
芯部藥粉包括:9%鎳，8%氟化鈣，0.4%鑰鐵，稀土氧化物2.8%，氧化鉀0.6%，其粒度在250 目。
[0054]利用卷制、添粉、壓制、拉拔等一系列過程制成直徑為3.2mm的藥芯焊絲。
[0055]選用粒度為30目的燒結(jié)焊劑，其含有22%CaF2，23%Mg0,15%Ti203，20%A1203,
0.6%Ba0，0.8%Zr02。
[0056]焊接試驗為24mm的9%Ni和7%Ni鋼的異種對接焊接。
[0057]采用藥芯焊絲埋弧焊接，其工藝參數(shù)如下:
(1)焊接坡口為X型，角度為30°，鈍邊為2mm，間隙為LOmm;
(2)焊接電流為480A，電壓為33V，焊接熱輸入量為48kJ/cm。
[0058]焊后放置48小時，對焊接接頭進(jìn)行超聲探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0059]經(jīng)檢驗:焊縫金屬_196°C沖擊功為78J。
[0060]實施例4: 藥芯焊材的外皮采用厚度0.7mm碳素鋼，其化學(xué)成分含有:C 0.01%, S 0.003%, P
0.004%, Si 0.09%, B 0.03%，余量為不可避免雜質(zhì)；
芯部藥粉包括:16%鎳，15%氟化鈣，3.6%鑰鐵，鈦鐵粉2.6%，稀土氧化物2.8%，其粒度在350目。
[0061]利用卷制、添粉、壓制、拉拔等一系列過程制成直徑為4.0mm的藥芯焊絲。
[0062]選用粒度為20目的燒結(jié)焊劑，其含有32%CaF2，16%Mg0, ll%Ti203，5%A1203，
1.6%Li20, 2.8%Zr02o
[0063]焊接試驗為16mm的9%N鋼對接焊接。
[0064]采用藥芯焊絲埋弧焊接，其工藝參數(shù)如下:
(1)焊接坡口為X型，角度為20°，鈍邊為1mm，間隙為0.8mm;
(2)焊接電流為560A，電壓為34V，焊接熱輸入量為55kJ/cm。
[0065]焊后放置48小時，對焊接接頭進(jìn)行超聲探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。
[0066]經(jīng)檢驗:焊縫金屬的化學(xué)成分包括:C 0.02%, Si 0.12%, Mn 0.35%, P 0.006%, S0.003%, Ni 9.6%，Mo 0.42%, Ti 0.03%, B 0.003%，余量為 Fe。
[0067]焊縫金屬_196°C沖擊功為98J。
[0068]通過以上實施例可知，采用本發(fā)明藥芯焊絲、焊劑制得的焊縫金屬_196°C沖擊韌性> 60J，可滿足于7-12%Ni低溫鋼，尤其是9Ni鋼的埋弧焊接，克服了焊接熱輸入量限制、焊縫金屬氧含量限制帶來的低溫韌性不穩(wěn)定的技術(shù)難題。
【主權(quán)項】
1.一種低溫鋼埋弧焊用藥芯焊絲，包括金屬外皮及內(nèi)部藥芯粉，其特征在于:以重量百分比計，金屬外皮為碳素鋼，成分包括:c ( 0.03%, S^0.01%, P ^ 0.01%，余量為其它合金及不可避免雜質(zhì)；內(nèi)部藥芯粉包括:8-16%的鎳，6-16%氟化鈣，0.3-5.0%鑰鐵。2.如權(quán)利要求1所述的藥芯焊絲，其特征在于:金屬外皮碳素鋼含有的Si( 0.1%，Mn ( 0.60%, B 0.002-0.02%。3.如權(quán)利要求1所述的藥芯焊絲，其特征在于:內(nèi)部芯料中還含有鈦鐵粉0.2-3.0%，稀土氧化物 0.5-5.0%，氧化鉀 0.1-1.5%ο4.如權(quán)利要求1所述的藥芯焊絲，其特征在于:芯料中重量百分比80%以上的材料的顆粒度在200-400目之間。5.一種低溫鋼埋弧焊用焊劑，其特征在于:以重量百分比計的焊劑包括:21-35%CaF2，15-30%Mg0,10-15%Ti203, 5_20%A1203。6.如權(quán)利要求5所述的低溫鋼埋弧焊用焊劑，其特征在于:以重量百分比計的焊劑，還可能包括下屬材料中一種或以上:0.5-2.5%BaO, 0.5-2.5%SrO, 0.5-2.0%Li20,0.5_3.0%Zr02。7.如權(quán)利要求5所述的低溫鋼埋弧焊用焊劑，其特征還在于:焊劑的顆粒度在10-40目之間。8.由權(quán)利要求1所述的埋弧藥芯焊絲和權(quán)利要求5所述的埋弧焊劑制得的焊接接頭，其特征在于:以重量百分比計的焊縫金屬或者熔敷金屬的化學(xué)成分包括:C ( 0.05%,Si ( 0.20%, Mn ( 0.50%, P 彡 0.008%, S^0.005%, Ni 5-13%, Mo 0.1-0.50%, Ti0.015-0.05%, B 0.0005-0.005%，余量為 Fe。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的埋弧焊接接頭，其特征在于:焊接接頭的焊縫金屬或熔敷金屬的-196°C沖擊韌性彡60J。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低溫鋼埋弧焊用藥芯焊絲及焊劑，焊絲由外皮和芯部填充料組成，外皮為碳素鋼；以重量百分比計的芯料包括8-12%的鎳，6-16%氟化鈣，0.5-5.0%稀土氧化物；以重量百分比計的焊劑包括20-35%MgO，10-25%CaO，10-25%CaF2，0.5-2.5%鈦鐵粉。本發(fā)明焊絲焊劑適用于鎳含量6-12%低溫鋼，尤其是9%Ni鋼的埋弧焊接。
【IPC分類】B23K9/18, B23K35/30, B23K35/362
【公開號】CN105710558
【申請?zhí)枴緾N201410730460
【發(fā)明人】潘登
【申請人】海寧瑞奧金屬科技有限公司