CN107442968B - 用于焊接镍基合金或Ni9%钢焊接的焊条及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条及其生产方法，其中焊条主要由焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：25～35％、萤石：5～20％、金红石：15～30％、冰晶粉：10～20％、长石：0.5～1.5％、钛酸钾：4～8％、金属铬：5～15％、金属锰：1～3％、钼粉：0.6～1.2％、钛铁：0.6～1.3％、铌铁：3.5～7.0％、CMC：0.5～1.0％、海藻酸钠：0.5～1.0％、纯碱：0.3～1.0％、钛白粉：2～10％。本发明不仅具有良好的焊接工艺性能，且具有良好的塑韧性。本发明为低氢钠型焊条，渣系为CaF2‑CaCO3‑TiO2型，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。

Description

用于焊接镍基合金或Ni9%钢焊接的焊条及其生产方法
技术领域
本发明涉及焊条技术领域，具体涉及一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条及其生产方法。
背景技术
随着全球经济的发展，人们对于能源的需求越来越大，在保护环境的同时，如何提高能源的利用率已经不再是空谈。绿色无污染的天然气正在逐步替代石油与煤炭成为主流能源，也是将来能源格局的发展趋势。而液化天然气的运输与储存则需要大量的低温储罐(LNG储罐)，LNG储罐的制造则离不开相应的低温深冷设备专用材料9Ni钢，而9Ni钢配套焊条开发也显得势在必行。并且因为该焊条在高温下对某些介质具有良好的耐腐蚀性，加之其固有的耐高温及抗氧化性也使其在石油、化工、航空、核能工业及稀有金属提炼方面也得到广泛应用。该焊条的应用范围广泛是其得到认可的主要原因，从高温540℃到超低温 -196℃的范围内，该焊条所表现出优良的塑韧性以及超强的耐腐蚀性均是其主要特点。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条及其生产方法。该镍基焊条配套用于焊接镍基合金特别是UNS N06625类合金与其他钢种的异种钢焊接以及低温条件下的Ni 9％钢焊接，焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，焊缝浸润性适中。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条，主要由焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：25～35％、萤石： 5～20％、金红石：15～30％、冰晶粉：10～20％、长石：0.5～1.5％、钛酸钾：4～ 8％、金属铬：5～15％、金属锰：1～3％、钼粉：0.6～1.2％、钛铁：0.6～1.3％、铌铁：3.5～7.0％、CMC：0.5～1.0％、海藻酸钠：0.5～1.0％、纯碱：0.3～1.0％、钛白粉：2～10％。
更进一步的技术方案是所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：25％、萤石：6％、金红石：30％、冰晶粉：10％、长石：0.6％、钛酸钾：5％、金属铬： 8％、金属锰：1.4％、钼粉：0.8％、钛铁：1.2％、铌铁：5％、CMC：0.6％、海藻酸钠：0.6％、纯碱：0.8％、钛白粉：5％。
更进一步的技术方案是所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：30％、萤石：17％、金红石：10％、冰晶粉：10％、长石：0.5％、钛酸钾：4％、金属铬： 14％、金属锰：3％、钼粉：1.2％、钛铁：1.0％、铌铁：4.0％、CMC：0.8％、海藻酸钠：0.5％、纯碱：1.0％、钛白粉：3％。
更进一步的技术方案是所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：31％、萤石：8％、金红石：17％、冰晶粉：15％、长石：1.4％、钛酸钾：6％、金属铬： 8％、金属锰：3％、钼粉：0.7％、钛铁：0.7％、铌铁：4.3％、CMC：0.6％、海藻酸钠：0.6％、纯碱：0.3％、钛白粉：3.4％。
本发明中所述CaCO3是大理石的主要组成成分，焊条中使用的大理石在电弧热的作用下，分解成CaO和CO2气体，起到造渣和造气的作用，CaO是碱性氧化物，能提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属表面的界面张力和表面张力，改善脱渣性能，并有较好的脱S能力，CO2能降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝氢含量。但是CaCO3太多会粗化熔滴，所以本发明中将大理石控制在25～35％。
CaF2是萤石的主要成份，是一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在焊条中是一种造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用，CaF2在焊接电弧作用下电离出F-，能降低电弧气氛中氢的分压，具有与碳酸盐相同的效果。CaF2的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度，CaF2熔点较低，能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用，合理的CaF2含量能起到稳定电弧的作用，如果CaF2过高则电弧稳定性变差，熔渣变硬。在本次发明中，试验证明CaF2在5～20％时有较好效果。
金红石是较纯的二氧化钛，TiO2是酸性氧化物，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，改善脱渣性，在加入时总量控制在15～30％。
Cr一方面使钢中含Cr量较高，易形成Cr2O3氧化膜，使得材料具有优良的抗常温、高温氧化性能，提高耐腐蚀性能；另一方面可以形成M23C6型碳化物，在基体内起到较好的碳化物强化效果，起固溶强化作用。本发明中将加入金属Cr的量控制在5～15％。
Mo主要为固溶强化，也参与形成析出强化，能显著提高钢的蠕变极限和持久强度极限，Mo还能使再结晶温度显著升高，并使得在变形后的回复温度显著提高；并且在450℃～650℃的温度范围，能有效地抑制渗碳体的聚集，并促进弥散的特殊碳化物析出，但加入Mo过多，会加大钢的脆断。本发明中将熔敷金属Mo含量控制在8.0～10.0％，而焊条药皮中Mo粉的加入量控制在0.6～1.2％。
Nb是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物NbC,这种碳化物极为稳定，。但是随着Nb含量的增加会导致延伸率的降低，这是由于NbFe2的体积比增加而造成，过高的Nb含量显著降低焊缝金属的韧性。本发明中将Nb-Fe控制在3.5～ 7.0％。
钛白粉的主要成分是TiO2，属于化工产品。在焊条中的作用是增强焊条药皮的塑形、黏性，有利于焊条压涂生产。但过多的加入会使焊条在焊接过程中出现尾部药皮发红，抗大电流能力差的现象。本发明将钛白粉加入量控制在2～ 10％。
长石属于硅铝酸盐矿物。在焊条药皮中主要作用是造渣，由于含有K、Na 等游离物质，可以提高电弧稳定性，但实验证明长石也会影响焊条的焊接工艺，如脱渣，成型，飞溅等方面。本发明将长石加入量控制在0.5～1.5％。
Mn、Si作为脱氧剂加入，为避免在最高的焊后热处理温度下重新形成奥氏体。Si与Cr同时存在时，可以提高合金的高温抗氧化性能，但是Si过高不利于焊缝金属的韧性。本发明中将熔敷金属中Si含量控制在≤0.80％，将金属锰加入量控制在1.0～3.0％。
C是一种可以有效控制δ铁素体形成元素，在钢中加入C会使钢的强度提高，塑性降低。为保证焊接加工性，碳含量保持在一个较低的水平。本发明中将熔敷金属中C含量控制在≤0.10％。
此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，本发明选择了Si、Mn联合脱氧，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的加入对脱磷也有很好的作用，焊条中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。
更进一步的技术方案是所述的焊芯化学成分按质量百分比计算包括：C:≤0.03％、Mn:≤0.5％、Si:≤0.2％、S:≤0.010％、P:≤0.020％、Cr:20～23％、Ni: ≥60％、Mo:8.0～10.0％、Nb+Ta:4.0～4.5％、Co:≤0.1％、Cu:≤0.30％、Fe:≤ 1.0％、余量为Al。
更进一步的技术方案是所述的焊芯为ERNiCrMo-3焊芯。
更进一步的技术方案是提供一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条生产方法，其特征在于所述的生产方法包括以下步骤：将权利要求1至4任一项权利要求中所述的药皮各成分：大理石、萤石、金红石、冰晶粉、长石、钛酸钾、金属铬、金属锰、钼粉、钛铁、铌铁、CMC、海藻酸钠、纯碱、钛白粉混合均匀后，再加入重量为药皮重量的20～25％的粘结剂搅拌均匀，然后送入压涂机内将其包裹所述焊芯上，再经80～100℃低温烘培和280～300℃高温烘培。
更进一步的技术方案是所述的粘结剂为纯钠水玻璃、纯钾水玻璃或钾钠混合水玻璃。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：国外引进的相应镍基合金焊条，施焊时不同程度存在电弧稳定性差，电弧吹力小，焊接飞溅大，焊道窄，焊缝成形较差，脱渣性能不好等弊病。本发明焊条解决了以上难点，不仅具有良好的焊接工艺性能，且具有良好的塑韧性。
本发明为低氢钠型焊条，渣系为CaF2-CaCO3-TiO2型，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。其熔敷金属力学性能符合GB/T 13814ENi6625、AWS A5.11 ENiCrMo-3、ISO 14172-ENi 6625标准所要求的性能。抗拉强度为770～810MPa，屈服强度500～580MPa，延伸率35～ 45％，-196℃冲击功(KV2)平均值为60J。且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足标准要求。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例1
取药皮，药皮各组分及其质量分数如下：大理石：25％；萤石：6％；金红石： 30％；冰晶粉：10％；长石：0.6％；钛酸钾：5％；金属铬：8％；金属锰：1.4％；钼粉：0.8％；钛铁：1.2％；铌铁：5％；CMC：0.6％；海藻酸钠：0.6％；纯碱：0.8％；钛白粉：5％。
取焊芯，焊芯选用硫磷砷铝等含量低的ERNiCrMo-3焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.03％；Mn:≤0.5％；Si:≤0.20％；S:≤0.010％；P:≤0.020％；Cr: 20.0～23.0％；Ni:≥60％；Mo:8.0～10.0％；Nb+Ta:4.0～4.5％；Cu:≤0.30％； Fe≤1.0；Co≤0.10；余量为Al。
将药皮原材料各组分混合均匀后，加入占固体组分质量含量20～25％的38～ 42°Be＂钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。
按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm＝777MPa，ReL＝502MPa，A＝42％,(-196℃) KV2＝57～63J，强度、塑性符合标准要求。
实施例2
取药皮，药皮各组分及其质量分数如下：大理石：30％；萤石：17％；金红石：10％；冰晶粉：10％；长石：0.5％；钛酸钾：4％；金属铬：14％；金属锰：3％；钼粉：1.2％；钛铁：1.0％；铌铁：4.0％；CMC：0.8％；海藻酸钠：0.5％；纯碱： 1.0％；钛白粉：3％。
取焊芯，焊芯选用硫磷砷铝等含量低的ERNiCrMo-3焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.03％；Mn:≤0.5％；Si:≤0.20％；S:≤0.010％；P:≤0.020％；Cr: 20.0～23.0％；Ni:≥60％；Mo:8.0～10.0％；Nb+Ta:4.0～4.5％；Cu:≤0.30％； Fe≤1.0；Co≤0.10；余量为Al。
将药皮原材料各组分混合均匀后，加入占固体组分质量含量20～25％的38～ 42°Be＂钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与上述选择的焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。
按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm＝792MPa，ReL＝531MPa，A＝38％,(-196℃) KV2＝48～65J，强度、塑性符合标准要求。
实施例3
大理石：31％；萤石：8％；金红石：17％；冰晶粉：15％；长石：1.4％；钛酸钾：6％；金属铬：8％；金属锰：3％；钼粉：0.7％；钛铁：0.7％；铌铁：4.3％；CMC：0.6％；海藻酸钠：0.6％；纯碱：0.3％；钛白粉：3.4％。
取焊芯，焊芯选用硫磷砷铝等含量低的ERNiCrMo-3焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.03％；Mn:≤0.5％；Si:≤0.20％；S:≤0.010％；P:≤0.020％；Cr: 20.0～23.0％；Ni:≥60％；Mo:8.0～10.0％；Nb+Ta:4.0～4.5％；Cu:≤0.30％； Fe≤1.0；Co≤0.10；余量为Al。
将药皮原材料各组分混合均匀后，加入占固体组分质量含量20～25％的38～ 42°Be＂钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与上述选择的焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。
按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm＝804MPa，ReL＝553MPa，A＝36％,(-196℃) KV2＝55～62J，强度、塑性符合标准要求。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (4)

1.一种用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条，主要由焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，其特征在于：所述的药皮按质量百分比计算由以下组分组成：大理石：25～35％、萤石：5～8％、金红石：15～30％、冰晶粉：10～15％、长石：0.5～1.5％、钛酸钾：4～8％、金属铬：5～15％、金属锰：1～3％、钼粉：0.6～1.2％、钛铁：0.6～1.3％、铌铁：3.5～7.0％、CMC：0.5～1.0％、海藻酸钠：0.5～1.0％、纯碱：0.3～1.0％、钛白粉：2～10％；所述的焊芯化学成分按质量百分比计算包括：C:≤0.03％、Mn:≤0.5％、Si:≤0.2％、S:
≤0.010％、P:≤0.020％、Cr:20～23％、Ni:≥60％、Mo:8.0～10.0％、Nb+Ta:4.0～4.5％、Co:≤0.1％、Cu:≤0.30％、Fe:≤1.0％、余量为Al；熔敷金属中Si含量控制在≤0.80％。
2.根据权利要求1所述的用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条，其特征在于所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：25％、萤石：6％、金红石：30％、冰晶粉：10％、长石：0.6％、钛酸钾：5％、金属铬：8％、金属锰：1.4％、钼粉：0.8％、钛铁：1.2％、铌铁：5％、CMC：0.6％、海藻酸钠：0.6％、纯碱：0.8％、钛白粉：5％。
3.根据权利要求1所述的用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条，其特征在于所述的药皮按质量百分比计算包括：大理石：31％、萤石：8％、金红石：17％、冰晶粉：15％、长石：1.4％、钛酸钾：6％、金属铬：8％、金属锰：3％、钼粉：0.7％、钛铁：0.7％、铌铁：4.3％、CMC：0.6％、海藻酸钠：0.6％、纯碱：0.3％、钛白粉：3.4％。
4.根据权利要求1所述的用于焊接镍基合金或Ni9％钢焊接的焊条，其特征在于所述的焊芯为ERNiCrMo-3焊芯。
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