CN106378546B

CN106378546B - 用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条及其制备方法

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Publication number: CN106378546B
Application number: CN201610827301.0A
Authority: CN
Inventors: 刘奇望; 明廷泽; 袁宁; 白昶; 谭小平; 郑亮亮; 张红涛; 吴海峰
Original assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc; DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Current assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc; DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Priority date: 2016-09-18
Filing date: 2016-09-18
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2036-09-18
Also published as: CN106378546A

Abstract

本发明公开了一种用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条及其制备方法，由高纯度低碳钢焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该高纯度低碳钢焊芯包括以下成分：C≤0.050wt％；Mn0.30‑0.60wt％；Si≤0.04wt％；Cr≤0.20wt％；Ni≤0.30wt％；Cu≤0.20wt％；S≤0.015wt％；P≤0.020wt％；余量为Fe及杂质。与现有的相比，本发明保护的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条焊接核电汽轮机动力装置高压汽缸，焊后的熔敷金属成分及性能优于ASME标准的要求。

Description

用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，特别涉及一种在ASME标准中E410-25焊条的基础上进行创新，满足CAP1400核电汽轮机动力装置高压汽缸的不锈钢电焊条，以及其生产方法。

背景技术

美国西屋公司研制成功的AP1000核电技术，是世界上公认的安全性最好、技术最先进的第三代核电技术。目前，我国企业已掌握了AP1000主管道制造核心技术，形成了稳定的制造工艺和质量保障措施。CAP1400型压水堆核电机组是在消化、吸收、全面掌握我国引进的第三代先进核电AP1000非能动技术的基础上，通过再创新开发出具有我国自主知识产权、功率更大的非能动大型先进压水堆核电机组。目前我国所建的示范电站位于山东威海市荣成石岛湾厂址，拟建设2台CAP1400型压水堆核电机组，设计寿命60年，单机容量140万千瓦。建成压水堆重大专项CAP1400示范工程核电站，是我国三代核电技术自主创新的标志，同时也是三代核电技术创新发展不可或缺的试验、验证平台。

近年来，我们国家核电产业发展迅速，核电项目所需焊材的国产化成为一种趋势。因此，发展CAP1400国产配套具有自主知识产权的不锈钢电焊条替代进口产品，摆脱核电站关键装备配套焊接材料对国外的依赖，实现国产化独立研究开发具有重大的战略意义。

发明内容

本发明的目的之一就在于提供一种用于CAP1400核级高压汽缸材料的配套不锈钢电焊条及其生产方法，其熔敷金属理化性能指标达到设计要求，替代核电建造进口产品，实现国产化独立研究开发。

技术方案是：一种用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，由高纯度低碳钢焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该高纯度低碳钢焊芯包括以下成分：

C≤0.050wt％；

Mn0.30-0.60wt％；

Si≤0.04wt％；

Cr≤0.20wt％；

Ni≤0.30wt％；

Cu≤0.20wt％；

S≤0.015wt％；

P≤0.020wt％；

余量为Fe及杂质。

作为优选，所述药皮重量为高纯度低碳钢焊芯重量的30-45％。

作为优选，所述药皮成分重量份为：

大理石：8.0-15.0；

萤石：3.0-8.0；

硅泥：0.5-2.0；

天然金红石：1.0-3.0；

电解锰：0.2-0.6；

喷雾硅铁：1.0-3.0；

钼铁：0.1-0.8；

钛铁：0.8-1.6；

镍粉：0.8-1.5；

金属铬：8.0-15.0；

纯碱：0.4-0.6。

作为优选，所述大理石中CaCO₃含量≥96％，萤石中CaF₂含量≥96％，硅泥中SiO₂≥90％，天然金红石中TiO₂≥95.5％，电解锰中Mn≥99.5％，喷雾硅铁中Si42-47％，钼铁中Mo55-60％，钛铁中Ti25-35％，镍粉中Ni≥99.5％，金属铬中Cr≥98％，纯碱中Na₂CO₃≥96％,NaCl≤0.7％。

作为优选，所述大理石为8.0kg，萤石为5.0kg，硅泥为2.0kg，天然金红石为3.0kg，电解锰为0.4kg，喷雾硅铁为1.0kg，钼铁为0.1kg，钛铁为1.2kg，镍粉为0.8kg，金属铬为15.0kg，纯碱为0.4kg。

作为优选，所述大理石为15.0kg，萤石为3.0kg，硅泥为1.2kg，天然金红石为1.0kg，电解锰为0.2kg，喷雾硅铁为2.0kg，钼铁为0.8kg，钛铁为0.8kg，镍粉为1.5kg，金属铬为11.0kg，纯碱为0.5kg。

作为优选，所述大理石为11.5kg，萤石为8.0kg，硅泥为0.6kg，天然金红石为2.0kg，电解锰为0.6kg，喷雾硅铁为3.0kg，钼铁为0.5kg，钛铁为1.6kg，镍粉为1.1kg，金属铬为8.0kg，纯碱为0.6kg。

本发明的目的之二在于提供一种用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条的制备方法。

技术方案是：一种用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条的制备方法，包括以下步骤：

①将药皮粉料拌混合均匀；

②加入浓度为40°～45°的钾钠水玻璃6.5重量份混合均匀；

③送入压条机内将其包裹于焊芯上；

④100℃低温烘焙3小时、350℃高温烘焙1小时。

发明原理：

大理石：在电弧热的作用下分解成CaO和CO₂，是焊条制造中极常用的造渣、造气材料，能够提高熔渣的碱度，稳定电弧、细化熔滴，增大熔渣与金属界面张力，改善脱渣，并有较好的脱硫能力。

萤石：一定量的萤石可以降低液态金属的表面张力，提高熔渣的流动性，降低焊缝气孔敏感性，改善熔渣的物理性能，对焊缝成型、脱渣等起关键作用。

硅泥：即硅藻泥，主要作用是造渣、稳定电弧，增强药皮的塑形，，改善焊条压涂性，并提高电焊条再引弧性能。焊接时提高电弧电压，细化熔滴，提高焊条熔化速度。

天然金红石：主要作用是稳定电弧、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、减小焊接飞溅。

电解锰：加入可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡(渗入)锰元素、提高焊缝强度。

喷雾硅铁：在焊条中作脱氧剂，并有利于稳定电弧，细化熔滴，改善熔渣的物理性能。

钼铁：合金剂，向焊缝过渡(渗入)钼元素，提高焊缝金属的强度。

钛铁：在焊条中作脱氧剂，稳定电弧，改善焊缝韧性。

镍粉：合金剂，向焊缝过渡(渗入)镍元素，改善焊缝韧性。

金属铬：可以向焊缝过渡(渗入)铬元素，提高焊缝金属的强度和屈服点，抗腐蚀性能。

纯碱：在焊条压涂过程中作为润滑剂。

有益效果：

本发明保护的电焊条焊接熔敷金属化学成分分析、射线检测、拉伸试验、均满足核电的特殊要求，焊接熔敷金属在热处理状态下，常温条件下的抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_p0.2)、延伸率(A)、(+20℃)冲击功(Akv)优良，满足CAP1400核电汽轮机动力装置高压汽缸的焊接要求。焊接时药皮不易发红开裂，焊条剩余部分短，脱渣容易，具有较好的焊接工艺性。该种不锈钢焊条特别适用于焊接12％Cr马氏体不锈钢锻件和铸件，如工业炉部件、加氢裂解炉、蒸馏设备、汽轮机部件等，也可用于耐蚀、耐磨的表面堆焊。

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。

本发明中，高压气缸指工作压力大于等于8.3MPa的气缸。

实施例1

取焊芯成分为(wt％)：C：0.044％、Mn：0.46％、Si：0.017％、Cr：0.048％、Ni：0.015％、Cu：0.017％、S：0.0049％、P：0.011％、余量为Fe及杂质的高纯度低碳钢焊芯100kg。

取药皮，药皮中各成分重量如下：含CaCO₃ 98.30％的大理石8.0kg；含CaF₂97.20％的萤石5.0kg；含SiO₂ 94.5％硅泥2.0kg；含TiO₂ 96.6％的天然金红石3.0kg；含Mn99.75％的电解锰0.4kg；含Si45.8％的喷雾硅铁1.0kg；含Mo57.35％的钼铁0.1kg；含Ti28.5％的钛铁1.2kg；含Ni99.79％的镍粉0.8kg；含Cr99.14％的金属铬15.0kg；含Na₂CO₃97.2％，NaCl 0.53％的纯碱0.4kg。

将上述粉料拌混合均匀后，加入浓度为40°～45°的钾钠水玻璃6.5kg混合均匀，然后送入压条机内将其包裹于焊芯上，再经100℃低温烘焙3小时、350℃高温烘焙1小时，即得核级高压汽缸的不锈钢电焊条1。

将所得的核级高压汽缸的不锈钢电焊条1根据ASME标准进行焊接实验(母材采用制造核电汽轮机动力装置高压汽缸的不锈钢材料，牌号为GX8CrNi12)，电弧稳定、飞溅小，脱渣性良好，焊缝成型美观，焊道高度适中，全位置焊接性能优良；其熔敷金属成分：C：0.046％、Mn：0.65％、Si：0.34％、Cr：13.65％、Ni：1.48％、Mo：0.28％、Cu：0.020％、S：0.0065％、P：0.011％，余量为不可避免的杂质。

熔敷金属热处理(730℃～760℃)×1h，其常温下的力学性能：Rm＝765Mpa、R_p0.2＝668Mpa、A5＝18.5％、Z＝60.5％、Akv(+20℃)平均值80.2J、焊缝中部硬度(HV10)平均值230。

熔敷金属热处理680℃×10h，其常温下的力学性能：Rm＝724Mpa、R_p0.2＝634Mpa、A5＝19.5％、Z＝55.0％、Akv(+20℃)平均值79.6J、焊缝中部硬度(HV10)平均值225。

实施例2

本实施例除药皮中各成分重量不同外，其余与实施例1均相同。

本实施例中药皮中各成分重量如下：含CaCO₃98.30％的大理石15.0kg；含CaF₂97.20％的萤石3.0kg；含SiO₂94.5％硅泥1.2kg；含TiO₂96.6％的天然金红石1.0kg；含Mn99.75％的电解锰0.2kg；含Si45.8％的喷雾硅铁2.0kg；含Mo57.35％的钼铁0.8kg；含Ti28.5％的钛铁0.8kg；含Ni99.79％的镍粉1.5kg；含Cr99.14％的金属铬11.0kg；含Na₂CO₃97.2％，NaCl0.53％的纯碱0.5kg。

将所得的核级高压汽缸的不锈钢电焊条2进行焊接实验，其熔敷金属成分：C：0.048％、Mn：0.50％、Si：0.45％、Cr：13.23％、Ni：1.90％、Mo：0.46％、Cu：0.011％、S：0.0070％、P：0.014％，余量为不可避免的杂质。

熔敷金属热处理(730℃～760℃)×1h，其常温下的力学性能：Rm＝758Mpa、Rp0.2＝659Mpa、A5＝19.2％、Z＝61.0％、Akv(+20℃)平均值78.5J、焊缝中部硬度(HV10)平均值232。

熔敷金属热处理680℃×10h，其常温下的力学性能：Rm＝720Mpa、R_p0.2＝621Mpa、A5＝20.0％、Z＝56.5％、Akv(+20℃)平均值78.5J、焊缝中部硬度(HV10)平均值221。

实施例3

本实施例中药皮中各成分重量如下：含CaCO₃98.30％的大理石11.5kg；含CaF₂97.20％的萤石8.0kg；含SiO₂94.5％硅泥0.6kg；含TiO₂96.6％的天然金红石2.0kg；含Mn99.75％的电解锰0.6kg；含Si45.8％的喷雾硅铁3.0kg；含Mo57.35％的钼铁0.5kg；含Ti28.5％的钛铁1.6kg；含Ni99.79％的镍粉1.1kg；含Cr99.14％的金属铬8.0kg；含Na₂CO₃97.2％，NaCl0.53％的纯碱0.6kg。

将所得的核级高压汽缸的不锈钢电焊条3进行焊接实验，其熔敷金属成分：C：0.043％、Mn：0.73％、Si：0.40％、Cr：12.75％、Ni：1.68％、Mo：0.37％、Cu：0.015％、S：0.0073％、P：0.020％，余量为不可避免的杂质。

熔敷金属热处理(730℃～760℃)×1h，其常温下的力学性能：Rm＝754Mpa、Rp0.2＝664Mpa、A5＝20.0％、Z＝62.5％、Akv(+20℃)平均值83J、焊缝中部硬度(HV10)平均值235。

熔敷金属热处理680℃×10h，其常温下的力学性能：Rm＝718Mpa、Rp0.2＝625Mpa、A5＝21.0％、Z＝54.5％、Akv(+20℃)平均值80J、焊缝中部硬度(HV10)平均值228。

由实施例1-3根据ASME标准检测的结果可以看出，本发明采用高纯度低碳钢焊芯与本发明药皮相配合焊接不锈钢钢材，焊后的熔敷金属成分及性能优于ASME标准的要求。

对比实施例1

本实施例除焊条(焊芯和药皮)不同外，其余条件与实施例1均相同。

本实施例焊芯成分(wt％)如下表一：

表一

C

Mn

Si

Cr

Ni

Cu

S

P

≤0.060

0.3～0.7

13.0～15.0

≤0.60

≤0.4

≤0.03

药皮中各成分重量为：大理石：10.0-18.0；萤石：5.0-9.0；硅泥：1.0-2.5；天然金红石：0.5-2.0；低碳锰铁：0.4-1.0；喷雾硅铁：0.5-2.5；钛铁：1.0-2.0；铁粉：7.5-11.0；纯碱：0.4-0.6。

熔敷金属化学成分(质量分数)如下表二：

表二

C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	Cu	S	P
									0.061	0.57	0.48	12.26	0.31	0.011	0.031	0.007	0.023

熔敷金属力学性能如下表三：

表三

从上述表二和表三可以看出，本实施例的焊条根本不能用于制造核电汽轮机动力装置高压汽缸的不锈钢材料的焊接。

本发明焊条也可用于焊接12％Cr马氏体不锈钢锻件和铸件，如工业炉部件、加氢裂解炉和蒸馏设备。

Claims

1.一种用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，由高纯度低碳钢焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该高纯度低碳钢焊芯包括以下成分：

C≤0.050wt％；

Mn0.30-0.60wt％；

Si≤0.04wt％；

Cr≤0.20wt％；

Ni≤0.30wt％；

Cu≤0.20wt％；

S≤0.015t％；

P≤0.020wt％；

余量为Fe及杂质；

所述药皮成分重量份为：

大理石：8.0-15.0；

萤石：3.0-8.0；

硅泥：0.5-2.0；

天然金红石：1.0-3.0；

电解锰：0.2-0.6；

喷雾硅铁：1.0-3.0；

钼铁：0.1-0.8；

钛铁：0.8-1.6；

镍粉：0.8-1.5；

金属铬：8.0-15.0；

纯碱：0.4-0.6。

2.根据权利要求1所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，其特征在于：所述药皮重量为高纯度低碳钢焊芯重量的30-45％。

3.根据权利要求1或2所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，其特征在于：所述大理石中CaCO₃含量≥96％，萤石中CaF₂含量≥96％，硅泥中SiO₂≥90％，天然金红石中TiO₂≥95.5％，电解锰中Mn≥99.5％，喷雾硅铁中Si42-47％，钼铁中Mo55-60％，钛铁中Ti25-35％，镍粉中Ni≥99.5％，金属铬中Cr≥98％，纯碱中Na₂CO₃≥96％、NaCl≤0.7％。

4.根据权利要求1或2所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，其特征在于：所述大理石为8.0kg，萤石为5.0kg，硅泥为2.0kg，天然金红石为3.0kg，电解锰为0.4kg，喷雾硅铁为1.0kg，钼铁为0.1kg，钛铁为1.2kg，镍粉为0.8kg，金属铬为15.0kg，纯碱为0.4kg。

5.根据权利要求1或2任一所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，其特征在于：所述大理石为15.0kg，萤石为3.0kg，硅泥为1.2kg，天然金红石为1.0kg，电解锰为0.2kg，喷雾硅铁为2.0kg，钼铁为0.8kg，钛铁为0.8kg，镍粉为1.5kg，金属铬为11.0kg，纯碱为0.5kg。

6.根据权利要求1或2所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条，其特征在于：所述大理石为11.5kg，萤石为8.0kg，硅泥为0.6kg，天然金红石为2.0kg，电解锰为0.6kg，喷雾硅铁为3.0kg，钼铁为0.5kg，钛铁为1.6kg，镍粉为1.1kg，金属铬为8.0kg，纯碱为0.6kg。

7.一种权利要求1至6任一权利要求所述的用于核级高压汽缸的不锈钢电焊条的制备方法，包括以下步骤：

①将药皮粉料拌混合均匀；

②加入浓度为40°～45°的钾钠水玻璃6.5重量份混合均匀；

③送入压条机内将其包裹于焊芯上；

④100℃低温烘焙3小时、350℃高温烘焙1小时。