CN103551760A - 一种核电碳钢焊接用碳钢焊条及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接材料技术领域,尤其涉及一种用于第三代核电技术焊接用碳钢焊条及制备方法,其特征在于:焊条包括焊芯、药皮和粘结剂,其中,药粉与焊条质量比为25-27:100,药粉与粘结剂质量比为100:15-20。本发明中的焊条焊接时电弧稳定,飞溅微小,脱渣好,平焊焊后渣壳可自动翘起,成型好,全位置操作性能好,焊接熔敷金属经过595-625℃,保温1h、16h、40h,三种热处理态力学性能满足技术指标,稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接材料技术领域,尤其涉及一种核电碳钢焊接用碳钢焊条及制备方法。
背景技术
第三代核电站的安全性和经济性都将明显优于第二代核电站。 由于安全是核电发展的前提,世界各国除了对正在运行的第二代机组进行延寿与补充性建一些二代加的机组外,接下来新一批的核电建设重点是采用更安全、更经济的先进第三代核电机组。国家能源 “十二五”规划明确提出:新建核电机组必须符合三代安全标准。随着国内三代核电机组的陆续开工,对三代核电机组用焊接材料的需求也与日俱增,核岛主设备重型支撑需用到大量碳钢焊条,对该焊条提出了最长保温40h热处理态的性能要求。但因热处理保温时间不同,熔敷金属力学性能容易发生显著变化,很难达到核电碳钢钢结构用焊条熔敷金属化学成分及力学性能要求,所以达到所要求性能指标的焊条是目前所需。
从国内焊接材料行业来看,由于受到国内的制造管理水平和技术水平的限制,目前国内仅有少数非核级焊接材料的生产上有一定水平,主要用于现场土建安装。关键设备的焊接材料几乎全部依赖进口,与世界先进水平还有很大差距,主要体现在微量元素的控制,获得良好的工艺性能,焊接材料性能、可靠性完整的质量评价体系。目前国内生产的碳钢焊条不能保证熔敷金属经过595-625℃,保温1h、16h、40h热处理后熔敷金属获得好的性能,三种热处理态的力学性能满足同一技术指标,具有强的稳定性。因此为了满足国家引进第三代核电技术的需要,急需研究能够满足第三代核电技术要求的碳钢焊条,突破核电设备用焊接材料国产化技术难题,加速核电设备自主化进程。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明的目的是发明一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,具有良好的焊接工艺性能和力学性能,经过595-625℃,保温1h、16h、40h热处理后熔敷金属获得好的性能,三种热处理态的力学性能满足技术指标,具有强的稳定性。
解决上述技术问题的本发明中的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,其特征在于:焊条包括焊芯、药皮和粘结剂,其中,药粉与焊条质量比为25-27:100,药粉与粘结剂质量比为100:15-20。
焊芯成分质量百分比为C 0.04-0.08%,Mn 0.3-0.6%,Si 0.01-0.04%,S:≤0.005%,P≤0.010%,余量为铁与微量杂质,以上焊芯中各成分的总重量为100%。
以药粉占焊条的质量百分比计,药粉中组份原料及质量百分比如下:
大理石11-13%、萤石 4-5%、金红石1.5-2.0%、硅微粉1.8-2.0%、金属锰 1.3-1.6%、硅铁2.1~2.3%、钼铁0.3-0.5% 、石墨 0.1-0.2%、铁粉 2.5-2.7%、纯碱 0.2-0.3%、海藻酸钠 0.2-0.3%。
粘结剂为:20℃条件下42-43Be’的钾钠比例1:1的水玻璃,模数为3.1M。
进一步优选,以药粉占焊条的质量百分比计,药粉中组份原料及质量百分比如下:
大理石11.5%、萤石 4.5%、金红石1.5%、硅微粉1.8%、金属锰 1.5%、硅铁2.2%、钼铁0.4% 、石墨 0.1%、铁粉 2.5%、纯碱 0.25%、海藻酸钠 0.25%。
本发明中一种核电碳钢焊接用碳钢焊条的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、将药皮各成分的粉料按比例混合均匀;
步骤二、加入药皮总成分质量15-20%的粘结剂搅拌混合均匀,进行搅拌,时间≥30min,送入焊条涂压机内按14-16MPa的压力将其裹覆于焊芯上;
步骤三、再经低温85-90℃烘焙1.5-2小时、高温380-420℃烘焙1-2小时烘焙烘焙,即成。
其常温熔敷金属的抗拉强度510-630Mpa、屈服强度≥400Mpa、延伸率≥22%、0℃冲击达到112J,-30℃冲击达到40J,熔敷金属扩散氢含量<4mL/100g。
本发明药芯中各成分的主要作用如下:
大理石:焊条中使用大理石,在电弧热的作用下分解成CaO和CO2是焊条制造中及常用的建渣造气材料,提高熔渣碱度,提高熔敷金属纯净度,降低夹杂物量,稳定电弧增大熔渣与金属界面张力和表面张力,改善脱渣。
萤石:调整熔渣的熔点个粘度,增加溶者的流动性,改善熔渣的物理性能对焊缝成型、脱渣等起关键作用,也是降低焊缝中扩散氢的主要材料,但因氟的存在,会造成电弧不稳定,并产生有毒气体,应该合理控制比列。
金红石:金红石的作用主要是稳弧、造渣,能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性,改善焊缝成形、减小飞溅。对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。
硅微粉:主要起造渣、造气的作用,加入适量的硅微粉,能提高电弧的稳定性。
金属锰:加入可起到脱硫、脱氧的作用,还可以向焊缝过渡锰元素,提高焊缝强度。
硅铁:硅是重要的脱氧剂同时也是焊缝金属重要的合金剂,硅可以降低焊缝金属的含氧量,提高焊缝金属的冲击韧性,但太高时则相反;采用硅锰联合脱氧其效果较好。
钼铁:钼能显著提高焊缝金属的强度,有细化晶粒的作用,适当的钼铁加入量可提高焊缝的强度、硬度及热稳定性;但过高则会影响焊缝金属韧性。
石墨:C是碳钢和低合金钢要严格控制的元素,能显著提高熔敷金属强度,加入过多影响焊缝金属韧性。
还原铁粉:碳钢钢材才主要成分,加入提高焊条的熔敷效率,提高焊接工艺性能。
纯碱、海藻酸钠:加入纯碱、海藻酸钠是为了改善焊条的压涂性能。
在药皮组分中加入大理石、萤石、金红石、硅微粉,并合理配比各种组分的比例,保证焊条获得良好的力学性能与焊接工艺性能,加入金属锰、硅铁、钼铁、石墨等组分使焊条获得合适的熔敷金属化学成分,获得良好的力学性能,加入纯碱、海藻酸钠保证焊条的生产工艺性能,提高焊条的压涂性能。通过对焊芯成分与大理石、萤石、金红石、硅微粉、金属锰、硅铁、钼铁、石墨等组分的比例保证焊条获得良好的工艺性能与力学性能,获得纯净度高的熔敷金属。
本发明即通过上述药皮成分的有机组配并与碳钢焊芯配合从而实现其发明目的。焊芯可以从市场上购买。
采用本发明焊条对核电碳钢结构进行焊接,经过595-625℃,保温1h、16h、40h热处理后熔敷金属获得良好的性能,其常温熔敷金属的抗拉强度510-630Mpa、屈服强度≥400Mpa、延伸率≥22%、0℃冲击达到112J,熔敷金属扩散氢含量小于4mL/100g;有效地提高了焊缝整体性能,以及焊接工艺性能良好,电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观,脱渣好,可以实现全位置焊接等特点。制备方法简单,操作方便。
本发明中的焊条适应用于第三代核电碳钢结构的焊接。
具体实施方案
以下实施例中原料和焊芯来自于市场购买而得;对核电碳钢结构进行焊接,经过595-625℃,保温1h、16h、40h热处理,检测熔敷金属的性能。
实施例1
本发明的一种核电碳钢结构焊接用碳钢焊条,因其用于核岛主设备的焊接,需严格控制熔敷金属的杂质元素的含量,采用满足如下成分要求的棒丝生产该焊条,采用碱性渣系保证熔敷金属获得良好的力学性能。
取药皮,以药粉占焊条的质量百分比计,药皮各组分及其质量份数如下:
大理石11%、萤石 4%、金红石1.5%、硅微粉2.0%、金属锰 1.3%、硅铁2.1%、钼铁0.3% 、石墨 0.1%、铁粉 2.5%、纯碱 0.3%、海藻酸钠 0.2%。
取焊芯质量69.64%,成分满足如下要求(wt%):C:0.04-0.08,Mn:0.30-0.60,Si:0.01-0.04,S:≤0.005,P≤0.010余量为铁与微量杂质,将上述药皮各组分混合均匀,加入占药粉总质量含量20%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃,波美浓度为41~43’Be,进行50min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温85℃烘焙2小时、高温380℃烘焙2小时烘焙烘焙,即成。
实施例2
取药皮,以药粉占焊条的质量百分比计,药皮各组分及其质量份数如下:
大理石11.5%、萤石 4.5%、金红石1.8%、硅微粉1.8%、金属锰 1.5%、硅铁2.2%、钼铁0.4% 、石墨 0.2%、铁粉 2.6%、纯碱 0.2%、海藻酸钠 0.3%。
粘结剂占药粉总质量含量16%。
焊芯占总焊条的68.68%。
再经低温90℃烘焙1.5小时、高温420℃烘焙1小时烘焙烘焙,即成。
其它内容如实施例1。
实施例3
取药皮,以药粉占焊条的质量百分比计,药皮各组分及其质量份数如下:
大理石12%、萤石 4%、金红石2.0%、硅微粉1.8%、金属锰 1.6%、硅铁2.1%、钼铁0.5% 、石墨 0.1%、铁粉 2.5%、纯碱 0.2%、海藻酸钠 0.2%。
粘结剂占药粉总质量含量17%。
焊芯占总焊条的68.41%.
再经低温88℃烘焙2小时、高温400℃烘焙1.5小时烘焙烘焙,即成。
其它内容如实施例1。
实施例4
本发明的一种核电碳钢结构焊接用碳钢焊条,因其用于核岛主设备的焊接,需严格控制熔敷金属的杂质元素的含量,采用满足如下成分要求的棒丝生产该焊条,采用碱性渣系保证熔敷金属获得良好的力学性能。
取药皮,药皮各组分及其质量份数如下:大理石:115g、萤石:45g、金红石:15g、硅微粉:18g、金属锰:15g、硅铁:22g、钼铁:4g,还原铁粉:25g,石墨:2g,纯碱:2.5g,海藻酸钠:2.5g。
取焊芯质量681g,成分满足如下要求(wt%):C:0.04-0.08,Mn:0.30-0.60,Si:0.01-0.04,S:≤0.005,P≤0.010余量为铁与微量杂质,将上述药皮各组分混合均匀,加入占药粉总质量含量20%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃,波美浓度为41~43’Be,40min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温88℃烘焙2小时、高温400℃烘焙1.5小时烘焙烘焙,即成。
将实施例4中的焊条进行熔敷金属力学性能试验其试验结果如下:
表1 实例4中熔敷金属化学成分
C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | V | Cu |
0.085 | 1.30 | 0.57 | 0.005 | 0.010 | 0.030 | 0.015 | 0.16 | 0.008 | 0.035 |
表2 实例4中熔敷金属力学性能
室温抗拉强度Rm(Mpa) | 室温屈服强度Rp0.2(Mpa) | 室温伸长率A(%) | 0℃冲击吸收能量KV2(J) | -30℃冲击吸收能量KV2(J) | 焊后热处理规范 |
614 | 504 | 24 | 167 168 170 | 132 96 113 | 595-625℃×1h |
563 | 457 | 25 | 172 185 185 | 130 127 144 | 595-625℃×16h |
531 | 431 | 26 | 190 185 193 | 174 164 144 | 595-625℃×40h |
扩散氢含量:2.8L/100g
实施例5
取药皮,药皮各组分及其质量份数如下:大理石:110g、萤石:50g、金红石:15g、硅微粉:18g、金属锰:15g、硅铁:21g、钼铁:5g,还原铁粉:25g,石墨:1g,纯碱:2.5g,海藻酸钠:2.5g。
取焊芯质量683g,焊芯成分满足如下要求(wt%):C:0.04-0.08,Mn:0.30-0.60,Si:0.01-0.04,S:≤0.005,P≤0.010余量为铁与微量杂质,将上述药皮各组分混合均匀,加入占药皮总质量含量15%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃,波美浓度为41~43’Be,50min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温88℃烘焙2小时、高温400℃烘焙1.5小时烘焙烘焙,即成。
将实施例5中的焊条进行熔敷金属力学性能试验其试验结果如下:
表3 实例5中熔敷金属化学成分
C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | V | Cu |
0.075 | 1.29 | 0.43 | 0.005 | 0.010 | 0.030 | 0.015 | 0.23 | 0.008 | 0.035 |
表4 实例5中熔敷金属力学性能
室温抗拉强度Rm(Mpa) | 室温屈服强度Rp0.2(Mpa) | 室温伸长率A(%) | 0℃冲击吸收能量KV2(J) | -30℃冲击吸收能量KV2(J) | 焊后热处理规范 |
594 | 495 | 25 | 196 192 188 | 125 101 119 | 595-625℃×1h |
545 | 449 | 25 | 172 174 174 | 152 134 100 | 595-625℃×16h |
527 | 434 | 25.5 | 198 196 200 | 136 167 1124 | 595-625℃×40h |
扩散氢含量:3.8L/100g
实施例6
取药皮,药皮各组分及其质量份数如下:大理石:120g、萤石:40g、金红石:18g、硅微粉:18g、金属锰:15g、硅铁:21g、钼铁:5g,还原铁粉:25g,石墨:1g,纯碱:2.0g,海藻酸钠:2.0g。
取焊芯质量691g,焊芯成分满足如下要求(wt%):C:0.04-0.08,Mn:0.30-0.60,Si:0.01-0.04,S:≤0.005,P≤0.010余量为铁与微量杂质,将上述药皮各组分混合均匀,加入占药皮总质量含量18%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃,波美浓度为41~43’Be,进行30min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温88℃烘焙2小时、高温400℃烘焙1.5小时烘焙烘焙,即成。
将实施例6中的焊条进行熔敷金属力学性能试验其试验结果如下:
表5 实例6中熔敷金属化学成分
C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | V | Cu |
0.075 | 1.33 | 0.57 | 0.005 | 0.010 | 0.030 | 0.015 | 0.24 | 0.008 | 0.035 |
表6 实例6中熔敷金属力学性能
室温抗拉强度Rm(Mpa) | 室温屈服强度Rp0.2(Mpa) | 室温伸长率A(%) | 0℃冲击吸收能量KV2(J) | -30℃冲击吸收能量KV2(J) | 焊后热处理规范 |
595 | 499 | 28.5 | 166 161 171 | 100 95 112 | 595-625℃×1h |
574 | 494 | 27 | 164 192 180 | 130 129 114 | 595-625℃×16h |
541 | 442 | 28 | 184 193 179 | 125 167 154 | 595-625℃×40h |
扩散氢含量:3.1L/100g
从上述实施例4-6可以产出,实施例4、5、6采用C、Mn、Si、Mo强化熔敷金属抗拉强度,实施4采用的方式为采用较多的C、Si,少量的Mo元素提高熔敷金属强度。但碳含量加入较多,熔敷金属冲击吸收能量略低于实施例5、6,实施例5采用较少的C、Si,大量的Mo元素提高熔敷金属强度,实施例6在实施例5的基础上提高大理石的加入量,提高焊条熔渣碱度,获得纯净度高的焊缝金属。从以上实施例4-6中可以看出,本发明中的焊条性能稳定,保温1h、16h、40h热处理后熔敷金属获得好的性能,三种热处理态有好的力学性能。实施例6中效果最佳。
实施例7(对比实验)
取药皮,药皮各组分及其质量份数如下:大理石:110g、萤石:50g、硅微粉:18g、金属锰:12g、硅铁:18g、还原铁粉:25g,石墨:1g,纯碱:2.0g,海藻酸钠:2.0g。
取焊芯重量682g,焊芯成分满足如下要求(wt%):C:0.04-0.08,Mn:0.30-0.60,Si:0.01-0.04,S:≤0.005,P≤0.010余量为铁与微量杂质,将上述药皮各组分混合均匀,加入占药皮总重量含量20%的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃,波美浓度为41~43’Be,进行40min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温88℃烘焙1小时、高温380℃烘焙1.5小时烘焙烘焙,即成。
表7 实例7中熔敷化学成分
C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | V | Cu |
0.075 | 1.18 | 0.32 | 0.010 | 0.015 | 0.030 | 0.015 | 0.004 | 0.008 | 0.035 |
表8 实施7中熔敷金属力学性能
室温抗拉强度Rm(Mpa) | 室温屈服强度Rp0.2(Mpa) | 室温伸长率A(%) | 0℃冲击吸收能量KV2(J) | -30℃冲击吸收能量KV2(J) | 焊后热处理规范 |
551 | 472 | 30 | 200 231 213 | 132 121 103 | 595-625℃×1h |
520 | 456 | 28 | 213 221 199 | 148 137 141 | 595-625℃×16h |
470 | 410 | 30 | 221 209 198 | 165 167 182 | 595-625℃×40h |
从表上可以看出,对比实验中焊接不稳定,保温1h、16h、40h热处理后熔敷金属获得好的性能,三种热处理态的力学性不能满足技术指标。
本发明通过延长低温烘焙时间,提高高温烘焙温度,降低焊条药皮的含水量,降低熔敷金属扩散氢含量。
Claims (7)
1.一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,其特征在于:焊条包括焊芯、药皮和粘结剂,其中,药粉与焊条质量比为25-27:100,药粉与粘结剂质量比为100:15-20;其中,以药粉占焊条的质量百分比计,药粉中组份原料及质量百分比如下:
大理石11-13%、萤石 4-5%、金红石1.5-2.0%、硅微粉1.8-2.0%、金属锰 1.3-1.6%、硅铁2.1~2.3%、钼铁0.3-0.5% 、石墨 0.1-0.2%、铁粉 2.5-2.7%、纯碱 0.2-0.3%、海藻酸钠 0.2-0.3%。
2.根据权利要求1所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,其特征在于:以药粉占焊条的质量百分比计,药粉中组份原料及质量百分比如下:
大理石11.5%、萤石 4.5%、金红石1.5%、硅微粉1.8%、金属锰 1.5%、硅铁2.2%、钼铁0.4% 、石墨 0.1%、铁粉 2.5%、纯碱 0.25%、海藻酸钠 0.25%。
3. 根据权利要求1所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条的制备方法,其特征在于:粘结剂为20℃条件下41-43Be’的钾钠比例1:1的水玻璃,模数为3.1M。
4.根据权利要求1所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,其特征在于:焊芯成分质量百分比为C 0.04-0.08%,Mn 0.3-0.6%,Si 0.01-0.04%,S:≤0.005%,P≤0.010%,余量为铁与微量杂质,以上焊芯中各成分的总重量为100%。
5.根据权利要求1所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条,其特征在于:其常温熔敷金属的抗拉强度510-630Mpa、屈服强度≥400Mpa、延伸率≥22%、0℃冲击达到112J,-30℃冲击达到40J,熔敷金属扩散氢含量<4mL/100g。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、将药皮各成分的粉料按比例混合均匀;
步骤二、加入药粉总成分质量15-20%的粘结剂搅拌混合均匀(进行不小于30min的搅拌),送入焊条涂压机内按14-16MPa的压力将其裹覆于焊芯上;
步骤三、再经低温85-90℃烘焙1.5-2小时、高温380-420℃烘焙1-2小时烘焙烘焙,即成。
7.根据权利要求6中6所述的一种核电碳钢焊接用碳钢焊条的制备方法,其特征在于:步骤三为再经低温88℃烘焙2小时、高温400℃烘焙1.5小时烘焙,即成。
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