CN105710558B - 低温钢埋弧焊用药芯焊丝及焊剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温钢埋弧焊用药芯焊丝及焊剂，焊丝由外皮和芯部填充料组成，外皮为碳素钢；以重量百分比计的芯料包括8‑12%的镍，6‑16%氟化钙，0.5‑5.0%稀土氧化物；以重量百分比计的焊剂包括20‑35%MgO，10‑25%CaO，10‑25%CaF₂，0.5‑2.5%钛铁粉。本发明焊丝焊剂适用于镍含量6‑12%低温钢，尤其是9%Ni钢的埋弧焊接。

Description

低温钢埋弧焊用药芯焊丝及焊剂

技术领域

本发明涉及低温钢埋弧焊接用药芯焊丝和焊剂，特别涉及一种镍含量6-12％的低温钢埋弧焊用药芯焊丝和焊剂。

背景技术

近年来，液化天然气(LNG)为代表的清洁能源受到了广泛关注，其在能源消耗结构中的比例逐渐提高。LNG一般在-162℃条件下储存，用于储存的罐体通常采用9Ni钢制造。

为确保-196℃的低温冲击韧性，9Ni钢的焊接材料一般采用镍基材料。镍基材料的应用会带来以下几个问题：1)材料价格高，限制了该类焊材的应用，甚至影响到了9Ni钢的市场应用；2)镍基焊缝金属具有较高的热裂纹敏感性，不利于控制焊接质量。

与母材成分接近的铁基焊材能够满足强度和价格的要求，但如何确保焊缝金属的低温冲击韧性是个难题。专利US 2008/0057341 A1公开了一种埋弧焊用药芯焊丝及焊剂，焊丝含有8-13％Ni和2-15％的氟化物，而焊剂采用25-35％MgO,20-30％CaO,10-15％SiO2和10-30％Al2O3体系，其核心思想有：1)采用高碱度的焊剂把焊缝金属的氧含量控制在300ppm以内，提高韧性；2)降低焊丝中的S,P含量，芯料中不添加铁粉，同时添加2-15％氟化物，以降低热裂纹敏感性，降低氢含量，提高工艺性能和低温韧性。

该技术有个明显缺点，即需控制焊接热输入量，来确保焊缝金属的低温冲击韧性，即焊接道次密度≥2道次/cm2。这给工业生产实践带来了挑战，也就是说限制了埋弧焊的最大优势的发挥。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不受焊接热输入量控制的、适用于含有6-12％Ni的低温钢埋弧焊用药芯焊丝及焊剂；使用该焊丝焊剂制得的焊缝金属的-196℃冲击功≥60J。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

药芯焊丝由金属外皮和内部芯料卷制而成。

金属外皮为低碳碳素钢，以重量百分比计，包括：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

C含量要求是基于控制焊接热循环过程中碳氮化物析出控制，否则会影响焊缝金属的低温冲击韧性，控制在0.03％以内，可基本消除碳氮化物的析出，从而为焊缝金属低温冲击韧性控制带来便利。

S和P含量控制的主要目的是降低焊接熔池凝固偏析，从而提高抵抗热裂纹能力；另外也会大幅度降低焊缝金属中杂质元素含量，从而提高焊缝金属的低温韧性。

药芯焊丝金属外皮的碳素钢如能进一步控制Si≤0.1％，Mn≤0.60％，B0.002-0.02，则对于提高焊缝金属低温韧性更为有利。

Si元素对焊缝金属的低温冲击韧性不利，当铁基焊缝金属的Si含量超过0.20％以后，很难保证-196℃低温韧性；考虑到焊接过程中，焊剂过渡和母材稀释引入的Si含量增加，因此应控制药芯焊丝外皮中的Si含量≤0.1％。

Mn是焊缝金属中最易发生凝固偏析的元素，偏析区域容易生成韧性较差的奥氏体-马氏体组织，从而恶化低温韧性；另一方面也会增加热裂纹发生几率，造成焊接缺陷生成。

B的加入用于细化焊缝金属组织，同时提高强度和低温韧性；另一方面也会降低焊缝金属的自由氮含量，从而有利于稳定控制焊缝金属的低温韧性。当期含量超过0.02％时，钢种冶炼难度会显著增大，不利于工业大生产；当其含量少于0.002％时，考虑到芯料填充、焊接扩散和母材稀释，焊缝金属中的含量会低于0.0005％，其作用会大打折扣。

药芯焊丝中的芯部粉料包括：8-16％镍，6-16％氟化钙，0.3-5.0％钼铁。

镍是确保焊缝金属-196℃低温冲击韧性最重要的元素，由于其价格昂贵，因此在确保性能的前提下，添加量越少越好；考虑到焊接烧损、母材稀释等因素，其含量应在8％以上。综合考虑其他合金元素添加，其上限控制在16％。

氟化钙添加是用于去除焊缝金属中的氢，防止氢致裂纹，当其含量超过16％时，对电弧稳定性造成影响，不利于焊接接头质量控制；当其含量低于6％时，去除氢元素的效果有限，因此优选含量范围是6-16％。

钼铁主要用于合金化、调节焊缝金属的微观组织和力学性能，当其含量超过5.0％时，焊缝金属淬透性显著增强，从而生成全马氏体组织，损害低温冲击韧性；当其含量低于0.3％时，会导致焊缝金属的钼含量低于0.15％，其效果出不来，因此优选含量是0.3-5.0％。

药芯焊丝中的芯料若含有钛铁粉0.2-3.0％，稀土氧化物0.5-5.0和氧化钾0.1-1.5％，则会进一步提高焊缝金属的低温冲击韧性。

通过添加钛铁粉向焊缝金属中添加钛元素，当其含量超过3.0％时，会使得焊缝金属钛含量过大，焊接熔池粘度增加，恶化焊道成型性能；当其含量低于0.2％时，考虑到焊接过程中的烧损、稀释等因素，焊缝金属中实际含量过低，起不到作用。

添加稀土氧化物一方面是形成净化焊缝金属、改善凝固组织的晶间偏析，从而改善热裂纹敏感性；另一方面是细化焊缝金属中氧化物尺寸，并改善其分布，从而有利于低温冲击韧性提高。优选含量是0.5-5.0％。

添加氧化钾适用于改善电弧特性，从而提高焊接成型性能。优选含量是0.1-1.5％。

碳素钢外皮中的B，和芯部粉料中的钼和钛铁相结合，可显著细化焊缝金属中的针状铁素体组织，从而有效平衡其强度和低温冲击韧性。

为了提高焊丝成分均匀性，从而稳定控制焊接接头质量，有必要要求芯部粉料中的材料的颗粒度在200-400目之间，否则会造成焊丝的成分不均、从而造成接头质量的不稳定。

埋弧焊剂以重量百分比计，包括：21-35％CaF2,15-30％MgO,10-15％Ti2O3,5-20％Al2O3。

添加CaF2主要目的是基于碱性渣系选择，可有效降低焊缝金属的氧含量，从而有利于焊缝金属的低温冲击韧性控制。当其含量超过35％时，会恶化电弧稳定性，不利于焊接质量控制；当其含量小于21％时，对氧含量的控制效果较弱，因此优选含量为21-35％。

添加MgO用于与CaF2共同控制焊接熔池中的渣系冶金反应，一方面控制焊缝金属中的氧含量，另一方面控制渣皮结构，从而控制焊接成型性能。试验结果表明，添加15-30％能够得到较好的焊接成型性能，同时能够确保焊缝金属低温韧性。

添加Ti2O3主要是用于焊接熔池粘度和改善渣层结构，试验结果表明，添加10-15％时，效果最优。

添加Al2O3也是用于改善焊接熔池粘度和渣层结构，试验结果表明，添加5-20％时，效果最优。

焊剂中添加0.5-2.5％BaO,0.5-2.5％SrO,0.5-2.0％Li2O和0.5-3.0％ZrO2中的一种或以上时，会进一步优化焊接成型性能、改善低温冲击韧性。

添加BaO或SrO可改善氧化物的物理和化学特性，并能更好平衡电弧特性，从而改善焊接成型性能。添加Li2O也可以更进一步优化电弧特性，提高焊接成型性能，尤其是可以细化焊道表面波纹，增加平滑度。

添加ZrO2则是用于在焊接熔池中形成高熔点的复合氧化物，从而在随后的凝固冷却过程中有效促进晶内针状铁素体形核，从而有利于焊缝金属的低温冲击韧性提高。

为提高焊接质量和效率，埋弧焊剂的颗粒度在10-40目之间。

本发明药芯焊丝的碳素钢外皮经冶炼、连铸和轧制等工序制成；然后按比例要求配制药粉，并用金属皮将药粉包裹、卷制、拉拔成一定直径的药芯焊丝。焊剂经选矿、配粉、烧结、压制等工序制成。

利用上述焊丝和焊剂，对镍含量6-12％的钢板进行埋弧焊接、或者异种焊接，尤其是对于9Ni钢板的焊接，或者是9Ni钢板与其它材料的焊接，可制得焊缝质量完好的焊接接头。以重量百分比计的焊接接头焊缝金属或者熔敷金属的化学成分包括：C≤0.05％，Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.008％，S≤0.005％，Ni 5-13％，Mo 0.1-0.50％，Ti 0.015-0.05％，B 0.0005-0.005％,余量为Fe。

焊缝金属或熔敷金属的-196℃冲击韧性≥60J。

与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：

1.给镍含量6-12％低温钢，尤其是9Ni钢提供了一种高效的埋弧焊丝和焊剂，不用担心焊接热输入量和焊接道次限制；

2.采用稀土氧化物添加和MoTiB合金设计实现了在较高氧含量条件下，仍可保持焊缝金属的-196℃冲击韧性；

3.CaF2-MgO-TiO2系高熔点熔渣设计，较好平衡了电弧物理特性、渣系冶金反应和渣层结构改善，兼顾了焊缝金属低温冲击韧性和焊道成型性能。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

药芯焊材的外皮采用厚度0.6mm的碳素钢，其化学成分含有：C 0.02％，S0.003％，P 0.007％，余量为Fe和不可避免杂质；芯部药粉包括：13％镍，10％氟化钙，1.6％钼铁，其粒度在250目。利用卷制、添粉、压制、拉拔等一系列过程制成直径为3.2mm的药芯焊丝。

选用粒度为20目的烧结焊剂，其含有30％CaF2,24％MgO,12％Ti2O3和,18％Al2O3，及其它。

试验母材为20mm厚9％Ni钢，屈服强度为560MPa，抗拉强度为722MPa，-196℃冲击功为156J。

采用药芯焊丝埋弧焊接，其工艺参数如下：

(1)焊接坡口为Y型，角度为25°，钝边为4mm，间隙为1.5mm。

(2)焊接电流为340A，电压为28V，焊接热输入量为35kJ/cm。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊接接头焊缝金属的抗拉强度为736MPa，-196℃冲击功为86J。

实施例2：

药芯焊材的外皮采用厚度0.8mm的碳素钢，其化学成分含有：C 0.02％，S0.003％，P 0.007％，Si 0.08％，Mn 0.40％，B 0.008％，余量为Fe和不可避免杂质；

芯部药粉包括：13％镍，10％氟化钙，1.6％钼铁，钛铁粉0.80％，稀土氧化物1.5％，氧化钾0.6％，其粒度在300目。

利用卷制、添粉、压制、拉拔等一系列过程制成直径为4.0mm的药芯焊丝。

选用粒度为40目的烧结焊剂，其含有26％CaF2,28％MgO,10％Ti2O3和16％Al2O3，及其它。

试验母材为30mm厚9％Ni钢，屈服强度为594MPa，抗拉强度为718MPa，-196℃冲击功为124J。

采用药芯焊丝埋弧焊接，其工艺参数如下：

(1)焊接坡口为单V型，角度为25°，钝边为4mm，间隙为1.5mm；

(2)焊接电流为380A，电压为29V，焊接热输入量为42kJ/cm。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊缝金属的化学成分包括：C 0.03％，Si 0.10％，Mn 0.32％，P 0.005％，S 0.002％，Ni 8.2％，Mo 0.2％，Ti 0.08％，B 0.006％,余量为Fe。

焊接接头焊缝金属的抗拉强度为736MPa，-196℃冲击功为86J。

实施例3：

药芯焊材的外皮采用厚度0.7mm碳素钢，其化学成分含有：C 0.03％，S 0.002％，P0.005％，Si 0.06％，Mn 0.012％，余量为Fe和不可避免杂质；

芯部药粉包括：9％镍，8％氟化钙，0.4％钼铁，稀土氧化物2.8％，氧化钾0.6％，其粒度在250目。

利用卷制、添粉、压制、拉拔等一系列过程制成直径为3.2mm的药芯焊丝。

选用粒度为30目的烧结焊剂，其含有22％CaF2,23％MgO,15％Ti2O3，20％Al2O3，0.6％BaO,0.8％ZrO2。

焊接试验为24mm的9％Ni和7％Ni钢的异种对接焊接。

采用药芯焊丝埋弧焊接，其工艺参数如下：

(1)焊接坡口为X型，角度为30°，钝边为2mm，间隙为1.0mm；

(2)焊接电流为480A，电压为33V，焊接热输入量为48kJ/cm。

焊后放置48小时，对焊接接头进行超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊接接头焊缝金属-196℃冲击功为78J。

实施例4：

药芯焊材的外皮采用厚度0.7mm碳素钢，其化学成分含有：C 0.01％，S 0.003％，P0.004％，Si 0.09％，B 0.03％，余量为Fe和不可避免杂质；

芯部药粉包括：16％镍，15％氟化钙，3.6％钼铁，钛铁粉2.6％，稀土氧化物2.8％，其粒度在350目。

利用卷制、添粉、压制、拉拔等一系列过程制成直径为4.0mm的药芯焊丝。

选用粒度为20目的烧结焊剂，其含有32％CaF2,16％MgO,11％Ti2O3，5％Al2O3，1.6％Li2O,2.8％ZrO2。

焊接试验为16mm的9％Ni钢对接焊接。

采用药芯焊丝埋弧焊接，其工艺参数如下：

(1)焊接坡口为X型，角度为20°，钝边为1mm，间隙为0.8mm；

(2)焊接电流为560A，电压为34V，焊接热输入量为55kJ/cm。

焊后放置48小时，对焊接接头进行超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊缝金属的化学成分包括：C 0.02％，Si 0.12％，Mn 0.35％，P 0.006％，S 0.003％，Ni 9.6％，Mo 0.42％，Ti 0.03％，B 0.003％,余量为Fe。

焊接接头焊缝金属-196℃冲击功为98J。

通过以上实施例可知，采用本发明药芯焊丝、焊剂制得的焊缝金属-196℃冲击韧性≥60J，可满足于7-12％Ni低温钢，尤其是9Ni钢的埋弧焊接，克服了焊接热输入量限制、焊缝金属氧含量限制带来的低温韧性不稳定的技术难题。

Claims (4)

1.一种低温钢埋弧焊焊接接头，该焊接接头采用药芯焊丝和焊剂制得，其特征在于：

药芯焊丝包括金属外皮及内部药芯粉，以重量百分比计，金属外皮为碳素钢，成分包括：C≤0.03％，Si≤0.1％，Mn≤0.60％，B 0.002-0.02%，S≤0.01％，P≤0.01％，余量为Fe及不可避免杂质；内部药芯粉包括：8-16％的镍，6-16％氟化钙，0.3-5.0％钼铁，钛铁粉0.2-3.0％，稀土氧化物0.5-5.0%，氧化钾0.1-1.5％；

焊剂以重量百分比计，包括：21-35％CaF2,15-30％MgO,10-15％Ti2O3,5-20％Al2O3，还包括下述材料中的一种或以上：0.5-2.5％BaO,0.5-2.5％SrO,0.5-2.0％Li2O,0.5-3.0％ZrO2；

焊接接头的焊缝金属或者熔敷金属的化学成分以重量百分比计，包括：C≤0.05％，Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.008％，S≤0.005％，Ni 5-13％，Mo 0.1-0.50％，Ti 0.015-0.05％，B 0.0005-0.005％,余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种低温钢埋弧焊焊接接头，其特征在于：药芯焊丝的药芯粉中的材料的颗粒度在200-400目之间。

3.如权利要求1所述的一种低温钢埋弧焊焊接接头，其特征在于：焊剂的颗粒度在10-40目之间。

4.如权利要求1所述的一种低温钢埋弧焊焊接接头，其特征在于：焊接接头的焊缝金属或熔敷金属的-196℃冲击韧性≥60J。