CN104551446A - 一种焊接三代核电设备中SA-508Gr．3Cl．1钢的埋弧焊剂及其制备方法 - Google Patents

一种焊接三代核电设备中SA-508Gr．3Cl．1钢的埋弧焊剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂及其制备方法，由以下成分组成：SiO28-15重量份；MgO？20-30重量份；CaF220-30重量份；Al2O320-30重量份；CaO？6-10重量份；MnO？2-4重量份；BaO0.3-1重量份；稀土氧化物1-2重量份；S？0.014-0.016重量份；P？0.013-0.015重量份；和水玻璃22-24重量份。与现有的相比，本发明具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能更加优良。

Description

一种焊接三代核电设备中SA-508Gr．3Cl．1钢的埋弧焊剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种核级焊接材料，特别涉及一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂及制备方法。
背景技术
在资源缺乏的条件下，核电等清洁能源将会得到大量应用，核电项目将是我国今后清洁能源发展的重点，开发用于三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢等材质的埋弧焊材将会有很大的发展空间，现在核电用产品中采用的焊接材料存在焊接材料成本高、焊接性能不好。
发明内容
本发明的目的之一就在于提供一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，该焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能更加优良。
技术方案是：一种用于三代核电设备专用的SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊焊剂，由以下成分组成：
SiO2 8-15重量份；
MgO 20-30重量份；
CaF2 20-30重量份；
Al2O3 20-30重量份；
CaO 6-10重量份；
MnO 2-4重量份；
BaO 0.3-1重量份；
稀土氧化物1-2重量份；
S 0.014-0.016重量份；
P 0.013-0.015重量份；和
水玻璃22-24重量份。
作为优选，所述稀土氧化物为CeO2。
作为优选，所述水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。
作为优选，所述埋弧焊剂碱度为2.22-2.32。
作为优选，所述SiO2 15重量份；
所述CaF2 20重量份；
所述MgO 30重量份；
所述Al2O3 20重量份；
所述CaO 8重量份；
所述MnO 4.0重量份；
所述BaO 1.0重量份；
所述CeO2 2.0重量份；
所述S 0.016重量份；
所述P 0.013重量份；
所述钠水玻璃24重量份。
作为优选，所述SiO2 8重量份；
所述CaF2 25重量份；
所述MgO 20重量份；
所述Al2O3 30重量份；
所述CaO 10重量份；
所述MnO 2.5重量份；
所述BaO 0.5重量份；
所述CeO2 1.0重量份；
所述S 0.015重量份；
所述P 0.015重量份；
所述钠水玻璃22重量份。
作为优选，所述SiO2 12重量份；
所述CaF2 30重量份；
所述MgO 22重量份；
所述Al2O3 22重量份；
所述CaO 6重量份；
所述MnO 2.0重量份；
所述BaO 0.3重量份；
所述CeO2 1.4重量份；
所述S 0.014重量份；
所述P 0.014重量份；
所述钠水玻璃23重量份。
作为优选，所述埋弧焊剂专用焊丝为CHW-S55HRF。
本发明的目的之二在于提供一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂的制备方法。
技术方案是：一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂的制备方法，包括以下步骤：
①将稀土氧化物通过40目筛网过筛； 
②将SiO2、CaF2、MgO、Al2O3、CaO、MnO、BaO、S、P和过筛后的稀土氧化物置于震动筛中，通过30目的筛网进行震动过筛，然后置于混合器内，搅拌混合均匀，搅拌时间在15分钟；
③加入水玻璃，搅拌混合均匀，混合造粒，再经天然气加热至300℃低温烘烤，电加热至900℃高温烧结，筛分。
发明原理： 
由于三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢在核电应用中，在焊接后焊态条件下不易得到良好的低温冲击韧性和607℃/40h热处理态后抗拉强度下降很快的现象，容易在焊接过程中出现低温冲击韧性普遍偏低或不能满足技术要求的情况，而普通的其它如管线钢用、低合金钢用焊剂不能满足低温冲击韧性要求，为了解决这一问题，本发明采用了碱性渣系，并在焊剂中加入了提高低温冲击韧性的CeO2元素物质，CeO2的加入有利于细化奥氏体晶粒，增加针状铁素体含量，具有脱氢作用，降低焊缝金属中扩散氢的含量，能稳定焊缝金属拉伸性能和提高低温冲击韧性，特别是对提高低温冲击韧性有很好的作用,并能保证焊缝金属在607℃/40h热处理后拉伸性能变化较小。
CaF2具有降低熔敷金属的氧含量、提高抗气孔能力，并在此焊剂中具有重要的调整溶渣的作用，且对金属脱硫有良好影响。但是，随着CaF2在焊剂中的含量的增加，焊剂的综合工艺性能下降。
MgO是一种强碱性物质，也是一种优良的造渣材料，它对焊缝形状的控制非常重要。对于碱性渣系，MgO能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢。但MgO熔点较高，增大熔渣粘度，提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性使焊缝成形变差，焊道中央凸起，熔渣变硬，脱渣困难。
CaO在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用，CaO主要来源为含CaO或通过分解合成的天然硅灰石、萤石等，CaO能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能，而且CaO具有脱S、P杂质元素的效果。
Al2O3是两性氧化物，Al2O3具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂，通过大量的试验对比认为增加一定量的Al2O3会减少压坑及其倾向，但过高的Al2O3含量会使焊缝弧度更尖且不平滑，易产生气孔和麻点，渣壳变硬，Al2O3含量过低又使焊缝表面凹凸不平，出现压坑及咬边等缺陷，影响焊缝成形。
SiO2是一种酸性物质，降低焊剂碱度，焊剂中与CaF2搭配，能影响焊剂的抗气孔能力，焊剂中一般采用高SiO2与低CaF2配比，反之，低SiO2采用高CaF2，这样会使焊剂具有优良的抗气孔性能，SiO2参与造渣，调整渣的凝固点、表面张力及熔渣高温粘度，对焊缝成形的控制非常重要。在本次发明中，为了得到良好的工艺和机械性能，我们控制了SiO2的含量，因为过高的SiO2含量会造成焊丝烧损过度，过大地降低焊剂碱度，使焊缝回Si增加，低温冲击韧性下降。
MnO在焊接过程中与SiO2结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响，而且被还原的锰元素是焊缝中主 要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS起到了脱S的作用，减少焊缝产生热裂纹倾向，但是MnO过高，会导致焊缝成形变差。
BaO是一种碱性氧化物，具有弱氧化性，其中Ba元素的电离势为5.16，在焊剂的焊接中具有良好的稳弧性，在焊接电压波动时，电弧稳定性强，在焊剂中主要以氧化物形式存在，也有部分以Ba离子的形态存在，有利于脱氧，降低焊剂氢含量。
CeO2作为一种活性剂，对焊缝金属有净化作用，能改善焊缝组织和细化晶粒，改变夹杂物的形态、大小和分布，具有脱氧、脱氢、脱硫的作用，能降低焊缝金属有害元素的含量，提高焊缝金属低温冲击韧性，稀土氧化物的添加量有一个最佳值，加入量少或过量，添加的有效作用都会变差。
此外，为了满足和使焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们采用Si、Mn联合脱氧并渗[Mn]的脱氧剂，通过配方成分的合理设计使得本发明焊剂在成形和性能上得到很大提升，而且锰的加入可以提高强度和韧性，也是一种很好的脱硫剂，Ca的加入对脱硫、磷也有很好的作用，焊剂中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。
焊剂碱度是焊剂的的主要指标之一，焊剂碱度不同，对焊接工艺性能和力学性能影响较大，在一定范围条件下，碱度越高，更能得到优良的抗拉强度和低温冲击韧性，碱度越低，焊剂越倾向于酸性焊剂，焊剂还原性较弱，不利于得到良好的力学性能；在本次发明中，将焊剂碱度在2.22-2.32，从而使得焊剂得到了良好的各项性能。
有益效果： 
1.本发明合理采用各元素含量的比例，使得本发明焊剂具有良好的焊接工艺性，特别是在焊接过程中，焊缝成形美观、渣壳能自动翘起脱落，焊缝过渡平滑，能适用于不同条件下的焊接，在大小不同的热输入条件下，工艺和性能稳定，使得焊缝机械性能优良，通过稀土氧化物材料的加入，能保证焊缝金属低温冲击韧性(-30℃)达到三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢用的设计要求。
2.本发明采用碱性渣系，配合专用焊丝CHW-S55HRF，在三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢的焊接时，具有优良的焊缝性能，在607℃/40h长时间热处理及热输入18-30KJ/cm条件下下，很多其它碳钢及低合金钢焊材在焊接后焊态和热处理态性能差别较大，而该发明焊剂配合焊丝焊态焊缝金属室温抗拉强度和低温冲击韧性稳定性强，抗拉强度稳定在620-650Mpa，焊缝金属-30℃冲击功KV2稳定在120-140J；607℃/40h热处理态焊缝金属室温抗拉强度稳定在580-625Mpa，焊缝金属-30℃冲击功KV2稳定在150-170J，其余各项性能满足三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢用的设计要求。
3.本发明可与碳钢、低合金钢焊丝匹配，在焊接碳钢和低合金钢时，具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能良好。
4.本发明焊剂配合专用焊丝在低温条件下，熔敷金属具有优良的低温冲击韧性(-30℃)等目的，能保证在焊态条件下低温冲击韧性达到较高的水平，其焊接质量能够满足三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢用技术设计要求。
5.本发明焊剂配合专用焊丝焊接三代核电设备用SA-508Gr.3Cl.1钢时，通过不同条件的焊接工艺，能够使焊缝金属在焊态和607℃/40h长时间热处理条件下具有良好的、合理的拉伸强度、冲击值、抗裂性能、硬度等机械性能指标，并且焊缝内部无气孔、夹渣和裂纹，完全满足三代核电设备用 SA-508Gr.3Cl.1钢的标准要求。
名词解释
三代核电设备-在核电安全发展的前提下，三代核电设备是在第二代核电基础上采用了更安全、更经济的先进核电机组，引进的非能动AP1000和EPR核电项目都属于第三代核电设备。
SA-508Gr.3Cl.1钢-是制造核电站压力容器关键材料，蒸汽发生器的封头和筒身是由SA-508Gr.3Cl.1钢锻造而成的，化学成分及力学性能均匀并满足核电设备用的各项要求。
碱度-本发明中，碱度＝(CaO重量+MgO重量+BaO重量+CaF2重量+Na2O重量+K2O重量+0.5(MnO重量+FeO重量))÷(SiO2重量+0.5(Al2O3重量+TiO2重量+ZrO2重量)),此碱度公式为国际焊接学会推荐。
水玻璃-本发明中，水玻璃分子式为Na2SiO3·9H2O，而Na2SiO3分拆为1分子的Na2O和1分子的SiO2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将SiO2 8kg、CaF2 25kg、MgO 20kg、Al2O3 30kg、CaO 10kg、MnO 2.5kg、BaO 0.5kg、CeO2 1.0kg(置于震动筛前先通过40目筛网过筛)、S 0.015kg、P 0.015kg的纯粉料置于震动筛中，通过30目的筛网进行震动过筛，然后置于混合器内，搅拌混合均匀，搅拌时间在15分钟，然后加入22kg钠水玻璃混合造粒，再经天然气加热至300℃低温烘烤，电加热至900℃高温烧结，筛分， 本实施例中，碱度经计算为2.22。
实施例2
将SiO2 15kg、CaF2 20kg、MgO 30kg、Al2O3 20kg、CaO 8kg、MnO 4.0kg、BaO 1.0kg、CeO2 2.0kg(置于震动筛前先通过40目筛网过筛)、S 0.016kg、P 0.013kg的纯粉料置于震动筛中，通过30目的筛网进行震动过筛，然后置于混合器内，搅拌混合均匀，搅拌时间在15分钟，加入24kg钠水玻璃混合造粒，再经天然气加热至300℃低温烘烤，电加热至900℃高温烧结，筛分，本实施例中，碱度经计算为2.32。
实施例3
将SiO2 12kg、CaF2 30kg、MgO 22kg、Al2O3 22kg、CaO 6kg、MnO 2.0kg、BaO 0.3kg、CeO2 1.4kg(置于震动筛前先通过40目筛网过筛)、S 0.014kg、P 0.014kg的纯粉料置于震动筛中，通过30目的筛网进行震动过筛，然后置于混合器内，搅拌混合均匀，搅拌时间在15分钟，加入23kg钠水玻璃混合造粒，再经天然气加热至300℃低温烘烤，电加热至900℃高温烧结，筛分，本实施例中，碱度经计算为2.31。
实施例4
将实施例1制备出的焊剂配合专用焊丝CHW-S55HRF，采用25mm厚SA-508Gr.3Cl.1配套钢板进行埋弧焊接，工艺性能优良，在热输入22.4KJ/cm条件下，经检测焊缝的性能为：焊态条件下室温抗拉强度635Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃):124J、128J、140J；607℃/40h长时间热处理态焊缝金属室温抗拉强度600Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃)：150J、156J、165J。
实施例5
将实施例2制备出的焊剂配合专用焊丝CHW-S55HRF，采用25mm厚SA-508Gr.3Cl.1配套钢板进行埋弧焊接，工艺性能优良，在热输入20.16KJ/cm条件下，经检测焊缝的性能为：焊态条件下室温抗拉强度645Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃)：127J、130J、135J；607℃/40h长时间热处理态焊缝金属室温抗拉强度615Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃)：159J、168J、161J。
实施例6
将实施例3制备出的焊剂配合专用焊丝CHW-S55HRF，采用25mm厚SA-508Gr.3Cl.1配套钢板进行埋弧焊接，工艺性能优良，在热输入29.76KJ/cm条件下，经检测焊缝的性能为：焊态条件下室温抗拉强度630Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃)：134J、138J、129J；607℃/40h长时间热处理态焊缝金属室温抗拉强度590Mpa，焊缝金属冲击功KV2(-30℃)：155J、160J、168J。

Claims (9)

1.一种焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，由以下成分组成：
SiO2 8-15重量份；
MgO 20-30重量份；
CaF2 20-30重量份；
Al2O3 20-30重量份；
CaO 6-10重量份；
MnO 2-4重量份；
BaO 0.3-1重量份；
稀土氧化物 1-2重量份；
S 0.014-0.016重量份；
P 0.013-0.015重量份；和
水玻璃 22-24重量份。
2.根据权利要求1所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：所述稀土氧化物为CeO2。
3.根据权利要求2所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：所述水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。
4.根据权利要求1、2或3任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：
所述埋弧焊剂碱度为2.22-2.32。
5.根据权利要求2、3或4任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：
所述SiO2 15重量份；
所述CaF2 20重量份；
所述MgO 30重量份；
所述Al2O3 20重量份；
所述CaO 8重量份；
所述MnO 4.0重量份；
所述BaO 1.0重量份；
所述CeO2 2.0重量份；
所述S 0.016重量份；
所述P 0.013重量份；
所述钠水玻璃24重量份。
6.根据权利要求2、3或4任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：
所述SiO2 8重量份；
所述CaF2 25重量份；
所述MgO 20重量份；
所述Al2O3 30重量份；
所述CaO 10重量份；
所述MnO 2.5重量份；
所述BaO 0.5重量份；
所述CeO2 1.0重量份；
所述S 0.015重量份；
所述P 0.015重量份；
所述钠水玻璃22重量份。
7.根据权利要求2、3或4任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：
所述SiO2 12重量份；
所述CaF2 30重量份；
所述MgO 22重量份；
所述Al2O3 22重量份；
所述CaO 6重量份；
所述MnO 2.0重量份；
所述BaO 0.3重量份；
所述CeO2 1.4重量份；
所述S 0.014重量份；
所述P 0.014重量份；
所述钠水玻璃23重量份。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂，其特征在于：所述埋弧焊剂专用焊丝为CHW-S55HRF。
9.一种权利要求1至8任一权利要求所述的焊接三代核电设备中SA-508Gr.3Cl.1钢的埋弧焊剂的制备方法，包括以下步骤：
①将稀土氧化物通过40目筛网过筛；
②将SiO2、CaF2、MgO、Al2O3、CaO、MnO、BaO、S、P和过筛后的稀土氧化物置于震动筛中，通过30目的筛网进行震动过筛，然后置于混合器内，搅拌混合均匀，搅拌时间在15分钟；
③加入水玻璃，搅拌混合均匀，混合造粒，再经天然气加热至300℃低温烘烤，电加热至900℃高温烧结，筛分。
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