CN103978322A - 专门用于lng船超低温钢焊接的高效镍基焊条 - Google Patents

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Abstract

一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，包括镍合金焊芯及裹覆于该焊芯表面的药皮，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn：0.5～1.5％，Mo：4～9％，Nb：1.5～2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr：12～18％，余量为Ni，各成分总量为100％；所述药皮粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石20～35％，金红石2～7％，萤石10～25％，金属铬5～13％，金属锰5～10％，钼铁6～11％，钨铁4～8％，钛铁3～8％，硅铁2～8％，铌铁5.3～9％，纯碱0.5～2％，各成分总量为100％。本发明焊接工艺性好，焊接时电弧稳定且飞溅小，焊后脱渣好，焊缝成形美观并可全位置焊接，其熔敷金属具有良好的力学性能，尤其是在-196℃时仍具有良好的综合力学性能，完全满足了9Ni钢LNG船储罐的焊接要求。

Description

专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条
技术领域
本发明涉及一种镍基焊接材料，特别是一种专门用于LNG船超低温钢(亦称9％Ni钢)焊接的高效镍基焊条。
背景技术
LNG(Liquefied Natural gas，液化天然气)船是用于运输液化天然气的专用船舶。由于LNG是被降温到-163℃液体状态的天然气，所以LNG船在运输过程中必须将它保持在-163℃，因而LNG船的工作环境要求制造LNG船的材料具有优异的低温性能。
9％Ni钢材由于其具有良好的极低温度下的优良韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196℃的特点，因此自1960年通过研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9％Ni钢就成为用于制造大型LNG贮罐的主要材料之一。如今9Ni钢已经广泛应用于低温深冷设备，但是目前国内与9Ni钢焊接相匹配的焊接材料较少，这极大的限制了我国9Ni钢焊接技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，以达到对9Ni钢进行焊接，且使其熔敷金属在-196℃下具有与母材相匹配的低温冲击韧性、较高的抗拉强度和屈服强度，从而使得9Ni在LNG船储罐上应用时能够充分发挥母材本身的优良性能，同时焊条在焊接时电弧稳定、焊缝成形美观、飞溅小、脱渣好以及能够进行全位置操作。
本发明的技术方案是：
一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于：所述焊芯为镍合金焊芯，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn：0.5～1.5％，Mo：4～9％，Nb：1.5～2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr：12～18％，余量为Ni，各成分总量为100％。
进一步地，所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石20～35％，金红石2～7％，萤石10～25％，金属铬5～13％，金属锰5～10％，钼铁6～11％，钨铁4～8％，钛铁3～8％，硅铁2～8％，铌铁5.3～9％，纯碱0.5～2％，各成分总量为100％；将各成分的粉料按照比例均匀混合，加入占所述药皮总质量25％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，再经过低温烘焙以及高温烘焙后，即成为所述镍基焊条。
进一步地，所述的药皮中各粉料的主要成分的质量百分比含量如下：大理石中CaCO3含量≥96％，萤石中CaF2含量≥96％，金红石中TiO2含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，钼铁中Mo含量为55～65％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％。
进一步地，所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为40°～45°之间。
进一步地，所述的低温烘焙的温度为100～150℃；高温烘焙的温度为300～350℃；低温烘培时间和高温烘焙时间均为1～1.5小时。
本发明的药皮原材料中各成分的主要作用如下：
大理石：属于造渣、造气材料；大理石能增大熔渣碱度，增加了冶金去硫能力，降低了硅的渗入，增大了该渣系气保护的比例，有利于渣的物化性质的改善，有利于脱渣和渣的保护效果。
钠水玻璃：水玻璃主要是作为粘结剂，由于含有Na所以还有稳弧作用；但是过多过浓会造成焊速慢、飞溅大，渣的粘度提高，影响机械性能，其次模数过高促使药皮快干性加强，使焊条药皮易偏心，用时经高温烘干后药皮强度亦会降低。
金红石：改善脱渣性，使电弧更加稳定；使焊缝成形美观、熔渣覆盖良好、减小飞溅。
钛铁：主要用来脱氧。
硅铁：脱氧，可以有效的去氧；焊接时放热，可以提高熔渣流动性，降低焊缝气孔敏感性。
纯碱：主要起润滑作用，使焊条易于加工成形；另外提高水玻璃的稳定性，阻止水玻璃水解反应的进行。
合金：渗入合金，补充焊接过程中合金元素的烧损；补充焊缝中该合金成分，改善焊缝凝固组织，提高焊缝的力学性能以及物理化学性能。
萤石：萤石能有效地去除氢，可以降低液态金属的表面张力，提高熔渣的流动性；但是在焊接过程中萤石分解会产生有害气体氟化氢、会造成电弧的不稳定，因此必须严格控制其用量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、具有焊接时电弧稳定、基本无飞溅、脱渣好、焊缝成形美观等优良焊接工艺性能的优点，可进行全位置焊接。
2、本发明焊后熔敷金属具有低碳性(含碳量保持在0.04％左右，在Fe-C状态图中处于很小的“脆性温度区间”)、高纯度(含S≤0.03％，P≤0.02％)以及低含氢量等特性，其含Ni量高达55％～66％，含碳量与9Ni钢相同，均为低碳型，即使考虑母材对焊缝金属的稀释作用，仍有足够高的奥氏体组织避免熔合线出现硬脆马氏体带，因此本发明焊后熔敷金属与9Ni钢在室温和高温下的线胀系数基本相近，从而提供了降低9Ni钢焊缝冷、热裂纹倾向的基本条件，避免了因不均匀的热胀冷缩造成的热应力；在严格控制扩散氢含量的条件下，本发明可基本避免9Ni钢的焊接冷、热裂纹倾向。
3、本发明焊后熔敷金属的组份及其重量百分比为：C：≤0.05％，Mn：2.0～4.0％，Si：≤0.5％，Cr：12.0～17.0％，Mo：5.0～9.0％，Nb：0.5～2.0％，W：1.0～2.0％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Ni：≥55％，见下列表2；化学成分完全符合镍及镍合金焊条的GB/T13814ENi6620标准和AWS A5.11ENiCrMo-6标准。
4、形成的焊缝具有良好的屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性等力学性能，尤其是在-196℃时仍具有良好的综合力学性能；见下列表3，本发明的熔敷金属的平均力学性能达到：屈服强度：432MPa，抗拉强度：671MPa，伸长率47％，-196℃时冲击值为115J，完全满足了9Ni钢LNG船储罐的焊接要求。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，其包括焊芯以及裹覆于该焊芯表面的药皮。所述焊芯使用镍合金焊芯，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn：0.5～1.5％，Mo：4～9％，Nb：1.5～2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr：12～18％，余量为Ni，各成分总量为100％。
所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石20～35％，金红石2～7％，萤石10～25％，金属铬5～13％，金属锰5～10％，钼铁6～11％，钨铁4～8％，钛铁3～8％，硅铁2～8％，铌铁5.3～9％，纯碱0.5～2％，各成分总量为100％；所述的各粉料的主要成分的质量百分比含量如下：大理石中CaCO3含量≥96％，萤石中CaF2含量≥96％，金红石中TiO2含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，钼铁中Mo含量为55～65％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％。
将各成分的粉料按照比例均匀混合，加入占所述药皮总质量25％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，再经过低温烘焙以及高温烘焙后成为所述镍基焊条。所述的低温烘焙的温度为100～150℃，时间为1～1.5小时；高温烘焙的温度为300～350℃，时间为1～1.5小时；所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为40°～45°之间。
以下为本发明中粉料不同重量百分比含量的三个实施例。
以下1#、2#和3#实施例中，焊芯直径为3.2mm，除了药皮粉料的重量百分比含量不同外，其余技术特征均相同。
表1实施例焊条的药皮粉料的成分配比(重量％)
表2实施例焊条的熔敷金属化学成分(重量％)
表3实施例焊条熔敷金属的力学性能

Claims (5)

1.一种专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于：所述焊芯为镍合金焊芯，焊芯化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，Mn：0.5～1.5％，Mo：4～9％，Nb：1.5～2.5％，Si≤0.25％，Fe≤1.0％，Cr：12～18％，余量为Ni，各成分总量为100％。
2.根据权利要求1所述的专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，其特征在于：所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石20～35％，金红石2～7％，萤石10～25％，金属铬5～13％，金属锰5～10％，钼铁6～11％，钨铁4～8％，钛铁3～8％，硅铁2～8％，铌铁5.3～9％，纯碱0.5～2％，各成分总量为100％；将各成分的粉料按照比例均匀混合，加入占所述药皮总质量25％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，再经过低温烘焙以及高温烘焙后，即成为所述镍基焊条。
3.根据权利要求2所述的专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，其特征在于：所述的药皮中各粉料的主要成分的质量百分比含量如下：大理石中CaCO3含量≥96％，萤石中CaF2含量≥96％，金红石中TiO2含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，钼铁中Mo含量为55～65％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％。
4.根据权利要求2所述的专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，其特征在于：所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为40°～45°之间。
5.根据权利要求2所述的专门用于LNG船超低温钢焊接的高效镍基焊条，其特征在于：所述的低温烘焙的温度为100～150℃；高温烘焙的温度为300～350℃；低温烘培时间和高温烘焙时间均为1～1.5小时。
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