CN107745203A - 大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂及其生产方法 - Google Patents

大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂及其生产方法，所述埋弧焊焊剂按质量百分比计算包括：CaF2 9～23％，Al2O3 9～14％,SiO2 8～18％，MgO 18～34％,CaO 15～22％，MnO 1～5％，Fe2O3 0.5～3％，Na2O≤2.5％，K2O≤2.5％,TiO2≤2％；将上述成份按比例混合均匀后，再加入物料总量15～20％的粘结剂造粒，再经200～250℃低温烘烤，670～780℃高温烧结、筛分，即制得所述埋弧焊焊剂制品。本发明通过使用合理的焊接工艺和800MPa高强钢的化学成分的匹配，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，熔敷金属S、P含量低，具有合理的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能、硬度等机械性能指标，并且焊缝内部气孔、夹渣和裂纹，以及外观边缘过度和咬边等满足标准要求。

Description

大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂及其生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料焊接生产过程中配套用焊剂，具体涉及一种大型水电 用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂及其生产方法。
背景技术
近年来国际环境能源资源竞争博弈日趋激烈，能源的供应和消费格局发生 深刻变化。在国家低碳节能发展趋势的推动下，高强钢将大量替代500MPa级别 以下的钢材而得到广泛应用，在交通运输、海洋工程等领域的应用中显得愈发 重要。我国水电建设步伐进一步加快，特别是长江中上游大容量抽水蓄能电站 的兴建，水力发电将作为一种环保的清洁能源，在电力改革中占有越来愈多的 比重。
压力钢管多用于大、中型水电站，它们要承受较大的内水压力，且在不稳 定的水流下工作，易出事故，对焊缝的强度和塑韧性有较高的要求要求。埋弧 自动焊作为具有熔敷效率高、大熔深以及机械自动操作的优点的焊接方法，特 别适用于大型焊接结构的制造，然而，埋弧焊的焊接线能量大，容易导致焊缝 及热影响区的晶粒粗大，增加脆性而降低韧性，为800MPa压力管道用埋弧焊焊 材的研发造成一定的困难。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种大型水电用800MPa级高强钢用埋 弧焊焊剂。采用该焊剂配合专用焊丝既能对800MPa高强钢进行大线能量焊接， 又能满足焊后焊缝具有与所用高强钢本体相近的高强度、高韧性、良好的抗腐 蚀性、抗裂性等优良性能。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂，其特征在于：所述的埋弧 焊焊剂按质量百分比计算包括：CaF2 9～23％，Al2O3 9～14％,SiO2 8～18％，MgO 18～ 34％,CaO15～22％，MnO 1～5％，Fe2O3 0.5～3％，Na2O≤2.5％，K2O≤2.5％,TiO2≤2％。
其中，所述CaF2是一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在埋弧焊剂中 是一种造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用，即降低的扩散氢，增加焊剂的碱性， 提高韧性。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，交流可焊性变差。在本次发明中，试验证明CaF2在(11～ 23％)时有较好效果。
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，熔渣粘度急剧增大，使长渣变短渣，提高熔渣熔化温度和凝固温度， 抑制渣的流动性使焊缝成形变差，摊开性不好，焊道中央凸起，熔渣变硬，脱 渣困难，在本次发明中，为了保证焊缝性能，通过研究和调整，MgO加入量控制 在(18～34)％。
CaO是碱性氧化物，在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用，它能有效提高焊 剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能。本焊剂发明中加入量控制在(15～32)％。
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，所 以量控制在(9～20)％.
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 气孔能力和抗锈蚀性，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、 增大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， 结合800MPa及高强钢的特点，为了得到良好的工艺和机械性能，我们采用少量 的SiO2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，为此，确定SiO2含量在(8～18)％。
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，为此，确定MnO含量在(1～ 5)％。
Fe2O3在焊接过程中会分解出[0]，焊缝容易出现CO气孔，为此，Fe2O3含量 控制在(0.5～3)％。
Na2O和K2O是电力电位较低的碱金属氧化物，能提高焊剂碱度，适量的含量 能提高电弧稳定性，但应注意对气孔的影响，Na2O、K2O大于5％时，焊缝中[H] 含量有增加的趋势，同时电弧过长对操作不利，在焊剂中加入量都控制在≤ 2.5％。
TiO2是酸性氧化物，是一种活性脱氧剂，适量的TiO2是良好的稳弧剂，可以 防止焊缝表面生成氧化膜，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，提高焊丝 熔化速度，降低熔渣的表面张力，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好， 改善脱渣性，提高焊缝金属低温冲击韧性；过高的TiO2熔渣在焊缝表面产生外延 共生的矿物体造成垂直焊缝的沾渣。在加入时总量控制在2％以下。
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，我们选择了Si、Ca、Mn联合脱氧并渗[Mn]的脱氧剂，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。
进一步的技术方案是提供一种大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂 的生产方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：将权利要求1所述的埋弧 焊焊剂各成份按比例混合均匀后，再加入物料总量15～20％的粘结剂造粒，再经 200～250℃低温烘烤，670～780℃高温烧结、筛分，即制得所述埋弧焊焊剂制 品。
更进一步的技术方案是：所述的粘结剂为：钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水 玻璃中的一种。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：利用本发明的上述成 分的焊剂配合专用焊丝焊接800MPa高强钢压力钢管时，通过使用合理的焊接工 艺和800MPa高强钢的化学成分的匹配，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到 最佳，熔敷金属S、P含量低，具有合理的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂 性能、硬度等机械性能指标，并且焊缝内部气孔、夹渣和裂纹，以及外观边缘 过度和咬边等满足标准要求。
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。
试验试板为20mm厚的Q345，采用同强度级别并用于相同大型水电发电项目 的低合金高强钢焊条XY-J80SD堆边。该焊剂配合专用焊丝，其焊丝成份(按重 量百分比计)为：C0.082％、Mn 1.70％、Si 0.29％、S 0.002％、P 0.006％、 Cr 0.41％、Ni 2.75％、Mo0.54％、Cu 0.09％、Ti 0.031％、Al 0.015％， 余量为Fe的焊丝组合。
实施例1
本实施例将SiO2 18kg,MgO 24kg,Al2O3 16kg,CaF2 16kg,CaO 21kg,MnO 1.0 kg，Fe2O3 2.0kg，Na2O 2.0kg,K2O 1.0kg，TiO2 1.0kg的工业纯粉料置于混合 器内、搅拌混合均匀后，加入23kg钠水玻璃混合造粒，再经200℃低温烘烤、 725℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为2.8的焊剂,该焊剂配合专用焊丝，对 20mm厚的试验试板进行双丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝 的性能为：焊接接头抗拉强度(810～826)Mpa，焊缝的硬度为(217～241)HV10， 焊缝的夏比冲击功为KV2(-40℃)：(123～157)J；热影响区的夏比冲击功为KV2 (-40℃)：(129～164)J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为 壁厚的4倍)。
实施例2
本实施例将SiO2 15kg,MgO 34kg,Al2O3 12kg,CaF2 13kg,CaO 17kg,MnO 3.0 kg，Fe2O3 1.0kg，Na2O 1.0kg,K2O 2.3kg，TiO2 1.7kg的工业纯粉料置于混合 器内、搅拌混合均匀后，加入28kg钠水玻璃混合造粒，再经200℃低温烘烤、 725℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为3.0的焊剂,该焊剂配合专用焊丝，对 20mm厚的试验试板进行三丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝 的性能为：焊接接头抗拉强度(25～842)8Mpa，焊缝的硬度为(224～259)HV10， 焊缝的夏比冲击功为KV2(-40℃)：(139～176)J；热影响区的夏比冲击功为KV2 (-40℃)：(143～181)J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为 壁厚的4倍)。
实施例3
本实施例将SiO2 11kg,MgO 32kg,Al2O3 9kg,CaF2 23kg,CaO 15kg,MnO 5.0 kg，Fe2O3 1.5kg，Na2O 1.5kg,K2O 1.5kg，TiO2 0.5kg的工业纯粉料置于混合 器内、搅拌混合均匀后，加入25kg钠水玻璃混合造粒，再经200℃低温烘烤、 725℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为2.9的焊剂，该焊剂配合专用焊丝，对 20mm厚的试验试板进行三丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝 的性能为：焊接接头抗拉强度(801～827)Mpa，焊缝的硬度为(240～270)HV10， 焊缝的夏比冲击功为KV2(-40℃)：(137～165)J；热影响区的夏比冲击功为KV2 (-40℃)：(151～183)J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为 壁厚的4倍)。
上述各项实验其性能均满足800MPa高强钢对焊缝的技术要求。
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 (3)

1.一种大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂，其特征在于：所述的埋弧焊焊剂按质量百分比计算包括：CaF2 9～23％，Al2O3 9～14％,SiO2 8～18％，MgO 18～34％,CaO 15～22％，MnO 1～5％，Fe2O3 0.5～3％，Na2O≤2.5％，K2O≤2.5％,TiO2≤2％。
2.一种大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂的生产方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：将权利要求1所述的埋弧焊焊剂各成份按比例混合均匀后，再加入物料总量15～20％的粘结剂造粒，再经200～250℃低温烘烤，670～780℃高温烧结、筛分，即制得所述埋弧焊焊剂制品。
3.根据权利要求2所述的大型水电用800MPa级高强钢用埋弧焊焊剂的生产方法，其特征在于所述的粘结剂为：钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃中的一种。
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