CN105436742B - 一种水电用800MPa低合金高强钢焊条及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电用800MPa低合金高强钢焊条及其制备方法，包括焊芯和包裹在焊芯表面的微合金化药皮，所述焊条熔敷金属化学成分按照重量百分比包含：C：≦0.06%；Si：0.20～0.45%；Mn：1.40～1.70%；Cr：0.20～0.40%；Ni：1.80～2.60%；Mo：0.25～0.45%；S：≦0.005%；P：≦0.008%；Ti≦0.020%；Re≦0.001%；余量为Fe。本发明的焊条可应用于抽水储能电站建设中800MPa高强钢厚板焊接，在‑60℃工况下，焊缝金属仍具有优良的综合力学性能，提高了高寒地区焊接接头安全可靠性。本发明的焊条制备方法工艺可行，生产制造易于实现。
Description
技术领域
本发明属于焊条研制技术领域，具体涉及一种水电用800MPa低合金高强钢焊条。
背景技术
随着冶炼及控轧技术的进步，低合金高强钢的强度级别已经能够达到1100MPa以上。但是，在大型水轮发电机组中，部件体积大，对于钢板的厚度和尺寸要求高，所以在三峡、溪洛渡等大型电站中，主要采用600MPa级低合金高强钢。随着单机容量的不断提升，以及抽水蓄能电站的快速发展，对更高强度级别的钢材应用提出需求。国内的呼和浩特、宝泉、十三陵等抽水蓄能机组的压力管道和二滩电站的蜗壳制造中都采用过800MPa级别的钢板。国外机组中，日本的抽水蓄能电站和其他电站从70年代起，就普遍采用了800MPa甚至1000MPa的高强钢，主要应用于压力管道和蜗壳。
目前，很多研究机构针对800MPa及以上级别的低合金高强钢的焊接进行了焊接试验研究，主要针对热影响区的软化和焊接冷裂纹问题进行了分析，并通过热膨胀模拟实验等方法进行了焊接组织演变规律模拟。这些焊接方法、热输入与组织变化规律等研究结果对于焊接试验过程准备和实验结果分析具有指导意义。
随着乌东德和白鹤滩水轮发电机组容量进一步增加，机组制造对材料厚度和性能的要求更高。若继续采用600MPa级材料制造，其钢板厚度需进一步提高，成型和焊接难度大幅提高，运输和安装也更加困难。随着国内抽水储能电站的蓬勃发展，800MPa高强钢因具有高强度，能承受较大压力等优点，在水轮机蜗壳、压力钢管、钢岔管及其它焊接结构件中受到青睐，得到越来越广泛的使用，并发挥着积极的作用。而焊接作为高强钢构件生产制造中的关键技术方法，直接制约甚至决定了抽水储能电站应用及服役寿命。作为高强钢焊接工艺的重要一环，800MPa高强钢焊条的选用将直接显著影响高强钢的可焊性能。对水电设备特别是水轮机蜗壳、压力钢管、钢岔管等其他承受重载重压的构件产生极其显著的影响，有时甚至是致命性的。
随着高强钢级别的提高，高强钢焊接性降低，焊接难度加大，焊后稳定性下降，塑韧性变差，裂纹敏感性提高，热影响区容易产生软化、脆化等一系列缺陷。因此对800MPa高强钢焊条的性能的要求进一步提高，如何设计研发并生产具有优良综合性能并与之匹配的优质高强钢焊条将是当务之急。微合金化技术作为一种具有较大发展前景的技术，在实际研究和生产过程中通过优化合金元素匹配、控制关键元素含量，合金元素的单因素或多因素精确控制等相关技术或手段，可在较大程度上细化晶粒、改善组织、优化性能。获得具有高强韧性、较低裂纹敏感性(特别是抑制氢致裂纹的产生)、有效的对焊接热影响区的软化和脆化进行防治，获得优质的焊后组织及性能。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的问题，提供一种强度高、韧性好、裂纹敏感性低的水电用800MPa低合金高强钢焊条及其制备方法。
本发明公开了一种水电用800MPa低合金高强钢焊条，包括焊芯和包裹在焊芯表面的微合金化药皮，所述焊条熔敷金属化学成分按照重量百分比包含：C：≦0.06％；Si：0.20～0.45％；Mn：1.40～1.70％；Cr：0.20～0.40％；Ni：1.80～2.60％；Mo：0.25～0.45％；S：≦0.005％；P：≦0.008％；Ti≦0.020％；Re≦0.001％；余量为Fe。
作为优选，所述焊条熔敷金属化学成分按照重量百分比包含：C：0.056％；Si：0.35％；Mn：1.50％；Cr：0.32％；Ni：2.30％；Mo：0.38％；S：0.004％；P：0.005％；Ti：0.012％；Re：0.0008％；余量为Fe。
作为优选，所述焊芯按照重量百分比包含：C：≦0.05％；Si：≦0.10％；Mn：0.40～0.60％；Cr：≦0.10％；Ni：≦0.05％；Mo：≦0.05％；S：≦0.006％；P：≦0.006％；As≦0.008％；Al≦0.010％；Ti≦0.030％；余量为Fe。
作为优选，所述焊条直径为：3.2mm、4.0mm或5.0mm。
药皮采用微合金化合理设计，控制关键元素含量，实施合金元素的单因素或多因素精确控制。本发明所述微合金化元素主要为Cr、Ni、Mo、Ti、Re。微合金化的合理设计采用前期成分设计软件预处理与后期具体现场试验相结合的方法。所述的微合金化焊条，采用相图计算软件对其进行前期成分优化、组织及性能预测。所述药粉采用高温烧结预处理，粘结剂采用新型的锂-钠-钾型水玻璃，在较大程度上降低了扩散氢的含量。扩散氢可降低至3.0ml/100g。焊芯采用炉外精炼加真空脱气的方法冶炼制备，氧、氮、氢均在50ppm以下。
本发明的焊条微合金化成分中，对各种组分添加理由如下：
Re：Re的引入能够引起第二项粒子产生及分布的变化，能细化晶粒、改善夹杂物形貌及尺寸，进而引起机械性能提高和微观组织的优化，特别是低温冲击性能的升高，但是相关研究表明，Re的引入对低温冲击性能的影响是先增加后降低，有一个最佳范围。所以Re的加入要在合适的范围内，本发明将其限定在0.001％以下。
Cr：适量Cr元素加入具有提高耐腐蚀性能作用，同时更易形成均匀、细小的硬质相提高耐磨性能，同时对焊接热影响区的软化、脆化产生重要影响。本发明中将其限定在0.20～0.40％。
Ni：Ni是奥氏体形成元素，在一定范围内随着Ni含量的增加，焊缝的低温冲击韧性将提高，在该合金系统中镍超过3.0％后，低温冲击韧性提高不明显，本发明中将其限定在1.80～2.60％。
Mo：Mo是强化元素，适量Mo的加入可以防止高温奥氏体的长大、控制奥氏体的再结晶温度、增加铁素体的形核核心，同时少量Mo的加入可以使铁素体的形成推迟到更低的温度,有利于形成针状铁素体和下贝氏体。但含量过高对焊缝的低温冲击韧性不利。本发明中将其限定在0.25～0.45％。
Ti：钛是强化铁素体的元素，钛对钢力学性能的影响取决于它在钢中的存在状态，因而也取决于钢的化学成分，特别是钛、碳含量的比率。钛虽可在一定程度上提高钢的强度，但对钢的韧性，特别是低温冲击韧性，不一定有所改善，因为固溶于铁素体中的钛的脆化作用，会抵消因晶粒细化对冲击韧性所起的有利作用。金属中若以碳化钛微粒状态存在时，由于它细化钢的晶粒，并于奥氏体分解转变时成为新相有效的晶核，尺寸及数量适宜的TiO2夹杂物，可作为新相晶核，得到晶粒度较为理想的金属组织，从而改善其性能。本发明中将其限定在0.020％以下。
本发明还公开了一种水电用800MPa低合金高强钢焊条的制备方法，包括如下步骤：(1)高温预混合粉的制备：将金红石、硅微粉、TiO2、MgO、Al2O3按一定比例配置混合均匀，搅拌均匀后加入适量浓度为35～37°Bé的锂-钠-钾型水玻璃混合均匀后，在室温环境中放置24小时凉干，然后放入高温烧结炉中烧结，烧结温度为850～1000℃，烧结时间为2小时，经破碎机破碎得到60～160目的粉状颗粒；
(2)按重量百分比秤取：大理石30％～40％；萤石20％～25％；高温预处理混合粉15～25％；还原剂9.0～12.0％；合金剂8.0～10.0％；稀土氟化物粉0.80％～2.0％；
(3)加入适量的波美浓度控制在37～39°Bé的锂-钠-钾型水玻璃，在立式顺流搅拌机中充分搅拌，搅拌速度为25～35n/min，时间为6～20min；
(4)然后用碾压式拌粉设备进行碾压，碾轮转速为20～30n/min，碾压时间为8～10min；
(5)将碾压后的药粉经过打团后和焊芯一起放在焊条涂压机中制备成焊条，对成型的焊条按照工艺曲线要求先后进行低温和高温焙烧，低温焙烧温度为45～130℃，时间为6～8h，高温焙烧温度为380～400℃，时间为1～2h；冷却后包装得到成品。
作为优选，所述锂-钠-钾型水玻璃的各组分含量为：Li2O：1.5～2.5％，K2O：10～12％，Na2O：14～16％，SiO2：22～25％，余量为H2O。
作为优选，所述还原剂为锰铁和硅铁。
作为优选，所述合金剂为铬粉、镍粉、钼粉和钛合金粉的混合物。
本发明带来的有益效果是：
1、本发明通过微合金技术，控制微合金含量，制得的焊条具有优良的可焊性能，在WSD690水电工程用钢δ＝60～110mm厚板焊接时，预热温度可降至80℃，焊接过程中飞溅少、熔敷速率快、引弧特性好。焊后组织具有优良的力学性能：Rm：760～900(MPa)，Rp0.2：≧690(MPa)，A：≧17％。-60℃冲击功：Kv2≧70(J)。
2、本发明的焊条可以有效抑制热影响区的软化、脆化、焊接冷裂纹(特别是例如氢致裂纹这种延迟裂纹)及因特殊工况而产生的易腐蚀问题，显著降低扩散氢的含量，扩散氢(热导法)：≦3.0ml/100g。
3、本发明的焊条可应用于抽水储能电站建设中800MPa高强钢厚板焊接，在-60℃工况下，焊缝金属仍具有优良的综合力学性能。提高了高寒地区焊接接头安全可靠性。
4、本发明的焊条制备方法工艺可行，生产制造易于实现。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1
(1)按重量百分比秤取大理石35％；萤石23％；高温预处理混合粉(金红石、硅微粉、TiO2、MgO、Al2O3等矿物和化工原料按一定比例配置混合均匀)22％；还原剂(锰铁和硅铁)10.0％；合金剂(铬粉、镍粉、钼粉和钛合金粉的混合物)9.20％；稀土氟化物粉0.80％；(2)预处理混合粉烧结温度为900℃，时间为2小时，将上述(1)中各组分粉末粒度控制为40～180目，置于搅拌机中搅拌均匀；(3)加入混合均匀且静置1小时的锂-钾-钠型水玻璃，波美浓度为37°Bé。继续搅拌，搅拌速度为25n/min，时间为20min，然后用碾压式拌粉设备进行碾压，碾轮转速为20n/min，碾压时间为8min；(4)在打团机中将药粉制备成粉团；(5)将药皮粉团和焊芯一起放在焊条涂压机中制备成焊条，焊芯按照重量百分比包含：C：0.045％；Si：0.010％；Mn：0.45％；Cr：0.01％；Ni：0.012％；Mo：0.008％；S：0.0035％；P：0.0056％；As：0.008％；Al：0.008％；Ti：0.001；余量为Fe。对成型的焊条先后进行低温和高温焙烧，低温焙烧温度为45℃，时间为8h，高温焙烧温度为400℃，时间为1h；(6)冷却后包装制得成品，焊条直径为：4.0mm，外径为：6.40mm。
使用成分配比为上述实施例1的焊条，采用水电站用WSD690钢板，板厚δ＝80mm，不对称×型坡口，设定预热温度为80℃，根部采用3.2mm焊条小电流打底焊接，填充盖面采用4.0mm焊条焊接，电流：DC+；I＝140～180(A)；电压U＝24～26(V)。焊接过程中皆可得到飞溅少、熔敷速率快、引弧特性好、焊缝成型美观，焊缝金属性能优良，扩散氢含量低，RT、UT探伤没有发现焊接冷裂纹及其它焊接缺欠，其焊后组织力学性能及扩散氢含量相关数值如下表：
实施例2
(1)按重量百分比秤取大理石32％；萤石21％；高温预处理混合粉(金红石、硅微粉、TiO2、MgO、Al2O3等矿物和化工原料按一定比例配置混合均匀)24％；还原剂(锰铁和硅铁)11.0％；合金剂(铬粉、镍粉、钼粉和钛合金粉的混合物)10.0％；稀土氟化物粉2.0％；(2)预处理混合粉烧结温度为900℃，时间为2小时，将(1)中各组分粉末粒度控制为40～180目，置于搅拌机中搅拌均匀；(3)加入混合均匀且静置1小时的锂-钾-钠型水玻璃，波美浓度控制在39°Bé的。继续搅拌，搅拌速度为25n/min，时间为20min，然后用碾压式拌粉设备进行碾压，碾轮转速为20n/min，碾压时间为8min；(4)在打团机中将药粉制备成粉团；(5)将药皮粉团和焊芯一起放在焊条涂压机中制备成焊条，焊芯按照重量百分比包含：C：0.045％；Si：0.010％；Mn：0.45％；Cr：0.01％；Ni：0.012％；Mo：0.008％；S：0.0035％；P：0.0056％；As：0.008％；Al：0.008％；Ti：0.001；余量为Fe。对成型的焊条先后进行低温和高温焙烧，低温焙烧温度为130℃，时间为8h，高温焙烧温度为380℃，时间为1h；(6)冷却后包装制得成品，焊条直径为：5.0mm，外径为：7.60mm。
使用成分配比为上述实施例2的焊条，采用水电站用WSD690钢板，板厚δ＝110mm，不对称×型坡口，设定预热温度为80℃，根部采用3.2mm焊条小电流打底焊接，填充盖面采用5.0mm焊条焊接，电流：DC+；I＝170～220(A)；电压U＝24～26(V)。焊接过程中皆可得到飞溅少、熔敷速率快、引弧特性好、焊缝成型美观，焊缝金属性能优良，扩散氢含量低，RT、UT探伤没有发现焊接冷裂纹及其它焊接缺欠，其焊后组织力学性能及扩散氢含量相关数值如下表：
实施例3
(1)按重量百分比秤取大理石40％；萤石24％；高温预处理混合粉(金红石、硅微粉、TiO2、MgO、Al2O3等矿物和化工原料按一定比例配置混合均匀)17.2％；还原剂(锰铁和硅铁)9.0％；合金剂(铬粉、镍粉、钼粉和钛合金粉的混合物)8.6％；稀土氟化物粉1.20％；(2)预处理混合粉烧结温度为900℃，时间为2小时，将(1)中各组分粉末粒度控制为40～180目，置于搅拌机中搅拌均匀；(3)加入混合均匀且静置1小时的锂-钾-钠型水玻璃。继续搅拌，搅拌速度为25n/min，时间为20min，然后用碾压式拌粉设备进行碾压，碾轮转速为20n/min，碾压时间为8min；(4)在打团机制得药皮粉团；(5)将药皮粉团和焊芯一起放在焊条涂压机中制备成焊条，焊芯按照重量百分比包含：C：0.045％；Si：0.010％；Mn：0.45％；Cr：0.01％；Ni：0.012％；Mo：0.008％；S：0.0035％；P：0.0056％；As：0.008％；Al：0.008％；Ti：0.001；余量为Fe。对成型的焊条先后进行低温和高温焙烧，低温焙烧温度为45～130℃，时间为8h，高温焙烧温度为400℃，时间为1h；(6)冷却后包装制得成品，焊条直径为：3.2mm，外径为：5.20mm。
使用成分配比为上述实施例3的焊条，采用水电站用WSD690钢板，板厚δ＝68mm，不对称×型坡口，设定预热温度为80℃，焊接电流：DC+；I＝100～140(A)；电压U＝24～26(V)。焊接过程中皆可得到飞溅少、熔敷速率快、引弧特性好、焊缝成型美观，焊缝金属性能优良，扩散氢含量低，RT、UT探伤没有发现焊接冷裂纹及其它焊接缺欠，其焊后组织力学性能及扩散氢含量相关数值如下表：
实施例4
(1)按照以上实施例1、2、3分别制备3.2mm、4.0mm、5.0mm焊条；
(2)使用成分配比为上述实施例1、2、3的焊条，采用水电站用WSD690钢板，板厚δ＝110mm，不对称×型坡口，设定预热温度为80℃，根部采用3.2mm焊条打底焊接，电流DC+＝90～100(A)；填充采用4.0mm焊条，DC+＝160～170(A)；盖面焊接采用5.0mm焊条，DC+＝190～210(A)。焊接过程中皆可得到飞溅少、熔敷速率快、引弧特性好、焊缝成型美观，焊缝金属性能优良，扩散氢含量低，RT、UT探伤没有发现焊接冷裂纹及其它焊接缺欠，其焊后组织力学性能及扩散氢含量相关数值如下表：
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种水电用800MPa低合金高强钢焊条，包括焊芯和包裹在焊芯表面的微合金化药皮，其特征在于所述焊条熔敷金属化学成分按照重量百分比包含：C：≦0.06%；Si：0.20～0.45%；Mn：1.40～1.70%；Cr：0.20～0.40%； Ni：1.80～2.60%；Mo：0.25～0.45%；S：≦0.005%；P：≦0.008%；Ti≦0.020%；Re≦0.001%；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条，其特征在于所述焊条熔敷金属化学成分按照重量百分比包含：C：0.056%；Si：0.35%；Mn：1.50%；Cr：0.32%；Ni：2.30%；Mo：0.38%；S：0.004%；P：0.005%；Ti：0.012%；Re：0.0008%；余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条，其特征在于所述焊芯按照重量百分比包含：C：≦0.05%；Si：≦0.10%；Mn：0.40～0.60%； Cr：≦0.10%；Ni：≦0.05%；Mo：≦0.05%；S：≦0.006%；P：≦0.006%；As≦0.008%；Al≦0.010%；Ti≦0.030%；余量为Fe。
4.根据权利要求1或2所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条，其特征在于所述焊条直径为：3.2mm、4.0mm或5.0mm。
5.一种水电用800MPa低合金高强钢焊条的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）高温预混合粉的制备：将金红石、硅微粉、TiO2、MgO、Al2O3等矿物和化工原料按一定比例配置混合均匀，搅拌均匀后加入适量浓度为35~37ºBé的锂-钠-钾型水玻璃混合均匀后，在室温环境中放置24小时凉干，然后放入高温烧结炉中烧结，烧结温度为850~1000℃，烧结时间为2小时，经破碎机破碎得到60~160目的粉状颗粒；
（2）按重量百分比秤取：大理石30%~40%；萤石20%~25%；高温预处理混合粉15~25%；还原剂9.0~12.0%；合金剂8.0~10.0%；稀土氟化物粉0.80%~2.0%；
（3）加入适量的波美浓度控制在37~39ºBé的锂-钠-钾型水玻璃，在立式顺流搅拌机中充分搅拌，搅拌速度为 25~35n/min，时间为6~20min；
（4）然后用碾压式拌粉设备进行碾压，碾轮转速为 20~30n/min，碾压时间为 8~10min；
（5）将碾压后的药粉经过打团后和焊芯一起放在焊条涂压机中制备成焊条，对成型的焊条按照工艺曲线要求先后进行低温和高温焙烧，低温焙烧温度为45~130℃，时间为6~8h，高温焙烧温度为380~400℃，时间为1~2h，冷却后包装得到成品。
6.根据权利要求5所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条的制备方法，其特征在于所述锂-钠-钾型水玻璃的各组分含量为：Li2O：1.5~2.5%，K2O：10~12%，Na2O：14~16%，SiO2：22~25%，余量为H2O。
7.根据权利要求5所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条的制备方法，其特征在于所述还原剂为锰铁和硅铁。
8.根据权利要求5所述的水电用800MPa低合金高强钢焊条的制备方法，其特征在于所述合金剂为铬粉、镍粉、钼粉、钛合金粉的混合物。
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