CN101342650A - 一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条，包括大理石 40～60份、萤石 18～20份、石英 5～7份、钛铁 11～13份、硅铁 3～7份、中碳锰铁 1.5～3份、钼铁 2.5～3.5份、高碳铬铁 4.5～7.5份、纯碱 0.5～1.5份混合均匀后加入钠水玻璃16～23份，在油压型焊条压涂机上对焊芯H08A压涂成型为半成品，经80℃低温烘干和400℃的高温烘干制成成品。焊接前在350～400℃条件下烘干1小时，焊接时直流反接，电流150～180A，电弧电压22～28V，焊接速度100～200mm/min，道间温度160～220℃。焊缝经热处理具有良好高温使用性，满足R_p0.2≥275MPa、R_m为450～685MPa要求。

Description

一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条及使用方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及到一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条及使用方法。

背景技术

15CrMo、15CrMoR、14Cr1Mo、14Cr1MoR、A387Gr11CL2、A387Gr12CL2、1Cr0.5Mo、1.25Cr0.5Mo等耐热钢广泛应用于锅炉管道、高压容器、石油精炼设备，其手工电弧焊时焊接材料选用GB/T 5118-1995《低合金钢焊条》中的E5515-B2、E5516-B2、E5518-B2焊条，ASME/AWS A5.5《手工电弧焊用低合金钢焊条标准》中的E8015-B2、E8016-B2、E8018-B2焊条，以及其他具有相同焊缝金属合金成分的焊条，以上焊条的焊缝金属合金成分见表1，其焊缝经退火热处理温度和力学性能要求见表2。

表1现有电焊条焊缝金属合金成分(％)

焊条型号	C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	Fe
									E5515-B2、E5516-B2	0.05～0.12	≤0.6	≤0.9	0.8～1.5	0.4～0.65	≤0.035	≤0.035	余量
E5518-B2	0.05～0.12	≤0.8	≤0.9	0.8～1.5	0.4～0.65	≤0.035	≤0.035	余量
									E8015-B2、E8016-B2	0.05～0.12	≤0.6	≤0.9	1.0～1.5	0.4～0.65	≤0.030	≤0.030	余量
E8018-B2	0.05～0.12	≤0.8	≤0.9	1.0～1.5	0.4～0.65	≤0.030	≤0.030	余

量

表2现有电焊条焊接耐热钢后退火热处理温度和力学性能要求

焊后退火热处理温度	Rp02，MPa	Rm，MPa
			690±15℃	≥275	450～685

采用现有焊接材料，焊后经过690±15℃的退火热处理时，焊缝金属强度可以满足表2的要求。

但是，对厚度较大钢板进行热成型时，为保证生产中厚板热成型过程的顺利进行和材料性能，焊接接头需要先后经受920±30℃的正火和680±30℃的退火热处理，以使得母材钢板满足R_p0.2≥275MPa，R_m为450～685MPa的要求。而此时，采用表1中所列合金成分的电焊条焊缝金属强度性能将不能满足其要求。

现有电焊条不能满足该要求的典型案例见表3、表4。

表3现有电焊条焊缝金属典型合金成分(％)

焊条型号	C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	Fe
									E5515-B2	0.06	0.19	0.55	1.01	0.50	0.005	0.01	余量

表4现有电焊条焊缝金属经正火退火后强度性能

正火、退火制度	Rp0.2，MPa	Rm，MPa
			920±30℃正火、680±30℃退火	265	400

针对上述问题，目前生产中解决的方法有两种：

第一种是采用含有2.25Cr1Mo的高合金高强度匹配焊材；

第二种方法是先焊接钢板，然后进行正火退火热处理，然后去除经正火退火的焊缝，重新焊接钢板并进行焊后退火处理。

采用第一种方法，由于增加了价格昂贵的Cr、Mo合金的使用量，焊材成本大幅度提高。

采用第二种方法，则需要经过两次焊接和一次热处理，不仅增加了焊材成本，也使得生产过程复杂。

以上两种方法均增加了产品的制造成本。

在现有技术的焊接材料中，涉及耐热钢焊条有以下两项公开专利：

1、CN1113726C，它所公开的耐热钢焊条，通过形成超低碳、超低氢成分的焊缝金属，可在10～20℃常温条件下不预热焊接珠光体耐热钢，而不形成裂纹，该焊条焊缝金属合金成分为碳≤0.05％、硅≤0.30％、锰0.5～1％、铬1～1.5％、钼0.4～0.65％、硫≤0.025％、磷≤0.025％。

2、CN1569386A，它所公开的耐热钢不预热焊接用焊条具有硬度低、超低氢、抗裂性、高韧性等特点，其焊缝金属合金成分为碳≤0.08％、硅≤0.50％、锰0.5～0.8％、铬0.8～1.2％、钼0.4～0.65％、硫≤0.035％、磷≤0.035％以及钒0.1～0.2％。

以上两种公开专利的焊条，均未表明其可经受正火退火热处理后，焊缝强度满足R_p02≥275MPa，R_m为450～685MPa的要求。需要采用如上所述的高合金高强度匹配焊材和复杂的生产工艺，增加了焊材成本和生产过程。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条及使用方法，该焊条成分设计合理，其焊缝经正火退火热处理后，具有良好的高温使用性能并兼顾其他机械性能，可以防止焊缝产生热裂纹，焊缝强度满足R_p0.2≥275MPa、R_m为450～685MPa的要求，而且还可能减少接头的内应力，进而防止焊缝热影响区产生冷裂纹，降低材料消耗和生产成本。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

所述的可耐正火退火处理的耐热钢焊条，该耐热钢焊条包括焊芯H08A或H08E和药皮，其药皮按重量份构成如下：

大理石40～60、萤石18～20、石英5～7、钛铁11～13、硅铁3～7、中碳锰铁1.5～3、钼铁2.5～3.5、高碳铬铁4.5～7.5、纯碱0.5～1.5，此外加入16～23重量份的钠水玻璃作粘结剂。

所述的可耐正火退火处理的耐热钢焊条，将大理石40～60份、萤石18～20份、石英5～7份、钛铁11～13份、硅铁3～7份、中碳锰铁1.5～3份、钼铁2.5～3.5份、高碳铬铁4.5～7.5份、纯碱0.5～1.5份混合均匀后，再加入作为粘结剂的钠水玻璃16～23份混合均匀，在油压型焊条压涂机上对焊芯H08A或H08E压涂成型为半成品耐热钢焊条，再经80℃低温烘干和400℃的高温烘干制成成品耐热钢焊条。

所述的可耐正火退火处理的耐热钢焊条使用方法是在焊接前将耐热钢焊条在350～400℃条件下进行1小时的烘干，焊接时采用直流反接，焊接电流控制在150～180A，电弧电压控制在22～28V，焊接速度控制在100～200mm/min，道间温度控制在160～220℃。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

1、本发明与现有技术相比，具有成分设计简单、合理，成本低的特点。

2、本发明在对15CrMo、15CrMoR、14Cr1Mo、14Cr1MoR等耐热钢焊接后，其焊缝经受正火退火处理后，能够满足R_p0.2≥275MPa，R_m为450～685MPa的强度要求。

3、本发明降低了材料消耗和生产成本。

具体实施方式

现以表5形式举出本发明药皮构成，焊芯H08A或H08E的直径为Φ4mm。

表5：药皮按重量份构成

	大理石	萤石	石英	钛铁	硅铁	中碳锰铁	钼铁	高碳铬铁	纯碱	钠水玻璃
											实施例1	40	20	6.5	11	3	3	2.5	4.5	1.5	23
实施例2	45	19.5	7	12	5	2.5	3	6	1.0	20
											实施例3	60	18	5	13	7	1.5	3.5	7.5	0.5	16

将表5组分混合均匀，在油压型焊条压涂机上对Φ4mm焊芯H08A或H08E压涂成型为半成品耐热钢焊条，压涂后焊条外径为Φ6.3mm，再经80℃低温烘干和400℃的高温烘干制成成品耐热钢焊条。焊接试板坡口尺寸、取样位置及试验方法等均按照国家标准GB/T 5118-1995《低合金钢焊条》的规定进行实施。

本发明的耐热钢焊条使用方法是在焊接前将耐热钢焊条在350～400℃条件下进行1小时的烘干，焊接时采用直流反接，焊接电流控制在150～180A，电弧电压控制在22～28V，焊接速度控制在100～200mm/min，道间温度控制在160～220℃。

本发明的耐热钢焊条在对耐热钢焊接后其焊缝经过920±30℃的正火和680±30℃退火后的合金成分见表6。

表6：

	C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	Fe
									实施例1	0.10	0.55	1.0	0.95	0.45	0.009	0.015	余量
实施例2	0.12	0.25	0.78	1.15	0.56	0.006	0.013	余量
									实施例3	0.17	0.28	0.58	1.35	0.63	0.005	0.016	余量

本发明的耐热钢焊条焊接后其焊缝强度性能见表7。

表7：

本发明的耐热钢焊条，其焊芯及药皮组成、粘结剂的限定理由分别叙述如下：

焊芯H08A或H08E：这两种材料为普通低合金钢焊芯，来源广泛，价格较低，可以通过焊芯过渡碳、锰合金。

大理石：大理石作为造渣剂和造气剂，焊接时形成熔渣，保护熔滴和熔池金属，改善焊缝成型，在电弧高温作用下分解，产生气体，保护电弧及熔池金属，防止周围空气中的氧和氮的侵入，此外，大理石还有较强的降氢和稳定电弧作用。药皮中大理石超过60份时，电弧吹力过大，熔渣较粘、飞溅增大和成型不良，当大理石含量低于40份时，药皮套筒太短，造气不足、电弧吹力不够、电弧不稳、飞溅增大和熔渣过稀。大理石的最佳范围在40份～60份之间。

萤石：萤石作为重要的降氢物质，当萤石低于18份时，焊条去氢不足，容易形成氢气孔，当萤石高于20份时，由于萤石含有对电弧稳定不利的氟，含量过高会造成电弧不稳。萤石的最佳范围在18～20份之间。

石英：石英对碱性熔渣有一定稀渣作用，当配比较小时，熔渣流动性不良，成型变差，当含量过高时，容易造成脱渣困难。石英的最佳范围在5～7份之间。

钛铁、硅铁：钛铁和硅铁是主要的脱氧剂，钛铁的脱氧产物二氧化钛具有较强的稀渣作用。钛铁还能改善焊条的电弧稳定性。硅铁除了脱氧以外，还向焊缝过渡硅，钛铁和硅铁含量过低，则焊缝脱氧不完全，含量过高，则过渡过多的钛和硅会降低焊缝金属韧性，钛铁和硅铁的最佳范围分别为11～13份和3～7份。

中碳锰铁：中碳锰铁主要是脱氧，并向焊缝过渡锰元素，过量的锰铁，会造成氧化锰过多，使熔渣碱度增大，导致流动性变差，焊缝成型不良，脱渣困难。中碳锰铁的最佳范围在1.5～3份。

钼铁：钼铁的作用是向焊缝金属过渡钼元素，提高耐热钢焊条的耐高温性能。钼铁的最佳含量在2.5～3.5份之间。

高碳铬铁：高碳铬铁除了向焊缝金属过渡铬合金以外，还向焊缝金属过渡碳元素，其含量过低，则焊缝铬含量不足，含量过高，则焊缝含碳量过高，会导致焊缝强度上升和韧性下降。高碳铬铁的最佳范围在4.5～7.5之间。

纯碱：加入0.5～1.5份的纯碱，可以增加药皮滑性，改善压涂性能，但过多的纯碱，会使得药皮吸潮，飞溅增大。纯碱的合适范围在0.5～1.5份之间。

钠水玻璃：钠水玻璃是低合金钢焊条常见的粘结剂，当其含量低于16份时，药皮较硬，不易压涂，当含量超过23份时，药皮较软，焊条药皮强度较低。钠水玻璃的事宜范围是16～23份。

本发明的焊条焊缝金属成分中，各种元素的限定理由分别叙述如下：

碳的影响：碳是一种廉价的合金元素，碳含量上升，将使得焊缝组织细化，从而产生细晶强化，此外，根据亚共析钢的连续冷却转变曲线，碳含量的升高将使得连续冷却转变曲线右移，从而焊缝冷却时更多地生成强度较高的珠光体，减少强度较低的铁素体含量。但是，随着碳含量的增加，耐热钢的抗蠕变性能下降，且碳含量超过0.18％时，焊缝强度超过685MPa。试验表明，碳含量的范围在0.10～0.18％之间为宜。

硅的影响：硅能提高焊缝的抗氧化性能及室温强度，但是硅是促进石墨化的元素，随着硅含量的增加，焊缝的塑性和韧性降低，并使焊缝蠕变抗力下降。因此，需要严格控制硅的含量。试验表明，硅含量需要控制在≤0.60％的水平。

锰的影响：对于耐热钢焊接材料，提高锰含量，可以提高焊缝强度，可以净化焊缝金属，减少热裂倾向，同时由于锰硅比的提高，可以提高焊缝金属冲击韧性，但是，过高的锰含量也会降低韧性。试验表明，焊缝金属中锰含量适宜范围为0.5～1.2％。

铬的影响：铬能提高钢的耐蚀性、持久强度和蠕变能力，并阻止钢中石墨化过程，降低碳化物的球化速度，但铬引起热脆性，降低钢的焊接性。试验表明，铬含量的适宜范围在0.8～1.5％之间。

钼的影响：钢的抗蠕变性能随钼含量的增加而提高，加入少量的钼能够消除钢的热脆性，提高其耐蚀性，但是钼容易产生石墨化。试验表明，钼含量的适宜范围是0.40～0.65％。

硫、磷的影响：硫、磷是焊缝金属中的杂质，随着硫、磷含量的增加，焊缝金属的冲击韧性将下降。因此，需要严格控制焊缝金属中硅的含量。试验表明，硫、磷含量需要控制在≤0.035％的水平。

Claims (3)

1、一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条，该耐热钢焊条包括焊芯H08A或H08E和药皮，其特征在于：耐热钢焊条的药皮按重量份构成如下：

大理石40～60、萤石18～20、石英5～7、钛铁11～13、硅铁3～7、中碳锰铁1.5～3、钼铁2.5～3.5、高碳铬铁4.5～7.5、纯碱0.5～1.5，此外加入16～23重量份的钠水玻璃作粘结剂。

2、根据权利要求1所述的可耐正火退火处理的耐热钢焊条，其特征在于：将大理石40～60份、萤石18～20份、石英5～7份、钛铁11～13份、硅铁3～7份、中碳锰铁1.5～3份、钼铁2.5～3.5份、高碳铬铁4.5～7.5份、纯碱0.5～1.5份混合均匀后，再加入作为粘结剂的钠水玻璃16～23份混合均匀，在油压型焊条压涂机上对焊芯H08A或H08E压涂成型为半成品耐热钢焊条，再经80℃低温烘干和400℃的高温烘干制成成品耐热钢焊条。

3、一种可耐正火退火处理的耐热钢焊条使用方法，其特征在于：是在焊接前将耐热钢焊条在350～400℃条件下进行1小时的烘干，焊接时采用直流反接，焊接电流控制在150～180A，电弧电压控制在22～28V，焊接速度控制在100～200mm/min，道间温度控制在160～220℃。