CN108311809A - 一种焊条药皮、具有低裂纹敏感性的焊条及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种焊条药皮、具有低裂纹敏感性的焊条及其制备与应用。所述的焊条药皮，包含如下按质量百分比计的组分：大理石8～12％，白云石3～5％，金红石32～38％，脱水钾长石6～8％，脱水云母3～5％，萤石2～4％，氟铝酸钾1～2％，金属铬11～13％，钛铁2～4％，稀土硅铁1～2％，金属锰4～6％，锆英砂2～4％，氟化稀土1～3％，硅灰石2～4％，纯碱1～2％，CMC 1～2％，钛酸钾1～2％，氧化铋0.5～1％，氧化铁红0.5～1％。本发明还提供了一种具有低裂纹敏感性的焊条，该焊条焊接飞溅小、铺展和熔合性好、电弧稳定、脱渣容易、成形美观、裂纹敏感性低，力学性能优良。

Description

一种焊条药皮、具有低裂纹敏感性的焊条及其制备与应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种焊条药皮、具有低裂纹敏感性的焊条及其制备与应用。

背景技术

E316L焊条(名义成分18.5％Cr，12Ni％，2.5Mo％)主要应用于造纸、石油化工、煤化工等领域结构件的焊接和耐蚀层的堆焊。目前，该焊条存在主要的技术问题是：该焊条凝固组织主要是奥氏体，热裂纹敏感性较大，焊接过程中只能采用较低的道间温度和较小的热输入进行焊接，大大制约了工程建造的进度。该焊条只能采用较低的道间温度和较小的热输入进行焊接主要原因如下：(1)由于采用H03Cr19Ni12Mo2合金钢焊芯，电阻较大，如果焊接热输入较大，焊接到后半段时焊芯发红严重，导致飞溅增大，电弧不稳，甚至药皮开裂而无法焊接；(2)该焊条热裂纹敏感性较大，其熔敷金属结晶时液相线和固相线的区间较大，在结晶后期低熔点相容易在一次结晶粒边界形成低熔点的液态薄膜，冷却时收缩形成微裂纹，微裂纹在冷却过程中扩展至焊缝表面形成宏观裂纹。

目前检索到的相关专利有：(1)一种超级奥氏体不锈钢焊条(公开号：CN103921018A)。该专利提出的焊条合金成分为20％Cr，25％Ni，4.5％Mo和1.5％Cu，主要应用于国内904L钢的焊接。(2)不锈钢焊条及制造方法(公开号：CN 201510330273.7)。该专利提出的焊条主要合金成分Cr 13～15％，Ni 5～6％。(3)一种能大电流焊接的E309L不锈钢加长焊条(公开号：CN 105215580A)。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种焊条药皮。

本发明的另一目的在于提供一种具有低裂纹敏感性的焊条，该焊条包含上述焊条药皮，该焊条工艺性能优良，适合大规范焊接，裂纹敏感性低，且具有优良的力学性能和耐腐蚀性能。

本发明的再一目的在于提供上述具有低裂纹敏感性的焊条的制备方法。

本发明的第四个目的在于提供上述焊条药皮和具有低裂纹敏感性的焊条的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种焊条药皮，包含如下按质量百分比计的组分：

上述组分的总百分比为100％；

所述的大理石的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaCO₃≥98.0wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；

所述的白云石的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaCO₃≥50.0wt％，MgCO₃≥40.0wt％，S≤0.040wt％，P≤0.040wt％；

所述的金红石的粒度优选为60目，其化学成分优选为TiO₂≥95.0wt％，S≤0.02wt％，P≤0.02wt％；

所述的脱水钾长石的粒度优选为80目，其化学成分优选为SiO₂：63～73wt％，Al₂O₃：15～24wt％，K₂O+Na₂O≥12wt％，K₂O≥8wt％，S≤0.04wt％，P≤0.04wt％；

所述的脱水云母的粒度优选为80目，其化学成分优选为SiO₂：45～55wt％，Al₂O₃：25～35wt％，K₂O+Na₂O≥7.0wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；

所述的萤石的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaF₂≥95.0wt％，SiO₂≤1.00wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％；

所述的氟铝酸钾的粒度优选为60目，其化学成分优选为F：48～53wt％，Al：15～20wt％，K：25～33wt％，S≤0.05wt％，P≤0.05wt％；

所述的金属铬粒度优选为40目，其化学成分优选为Cr：≥99.0wt％，S≤0.02wt％，P≤0.01wt％；

所述的钛铁的粒度优选为40目，其化学成分优选为Ti：25～35wt％，C≤0.10wt％，S≤0.03wt％，P≤0.05wt％，Al≤8.0wt％，Si≤4.5wt％；

所述的稀土硅铁的粒度优选为40目，其化学成分优选为RE：30～34wt％，Si≥40.0wt％，Ce/RE≥46wt％；

所述的金属锰的粒度优选为80目，其化学成分优选为Mn≥97.0wt％，C≤0.05wt％，S≤0.02wt％，P≤0.03wt％；

所述的锆英砂的粒度优选为80目，其化学成分优选为SiO₂≥60.0wt％，SiO₂≥34.0wt％，S≤0.050wt％，P≤0.022wt％；

所述的氟化稀土的粒度优选为60目，其化学成分优选为REO≥83.0wt％，CeO₂/REO≥45wt％，F≥26.0wt％；

所述的硅灰石的粒度优选为60目，其化学成分优选为CaO≥42wt％，K₂O≥5.5wt％，SiO₂≥40.0wt％，S≤0.040wt％，P≤0.040wt％；

所述的纯碱的粒度优选为60目，其化学成分优选为Na₂CO₃≥98.0wt％；

所述的CMC的粒度优选为80目，其技术指标优选为粘度(2wt％水溶液)800～1200Pa.s/20℃，干燥失重小于7.0wt％；

所述的钛酸钾的粒度优选为80目，其化学成分优选为TiO₂≥60.0wt％，K₂O≥28wt％，S≤0.05wt％，P≤0.05wt％；

所述的氧化铋的粒度优选为160目，其化学成分优选为Bi₂O₃≥98.0wt％；

所述的氧化铁红的粒度优选为160目，其化学成分优选为Fe₂O₃≥95wt％，S≤0.050wt％，P≤0.050wt％；

所述的焊条药皮还包含粘结剂；

所述的粘结剂优选为水玻璃，其用量为焊条药皮其他组分总质量的17～20％；

所述的水玻璃优选为钾：钠＝1:1、模数2.3～2.6的混合水玻璃；

所述的水玻璃进一步优选为钾：钠＝1:1，Na₂O≥5.5wt％，K₂O≥5.5wt％，SiO₂≥24.0wt％，S≤0.010wt％，P≤0.010wt％，模数：2.3～2.6，波美度：41.0～43.0°Be的混合水玻璃；

一种具有低裂纹敏感性的焊条，包含上述焊条药皮；

所述的焊条药皮占焊条总重的40～45wt％；

所述的具有低裂纹敏感性的焊条，还包含焊芯；

所述的焊芯优选为S、P低的H03Cr19Ni12No2焊丝；

所述的具有低裂纹敏感性的焊条的制备方法，包含如下步骤：

按上述焊条药皮的各组分混合均匀，然后与焊芯压涂，得到具有低裂纹敏感性的焊条；

所述的压涂优选在油压式焊条压涂机上进行压涂；

所述的焊条药皮和具有低裂纹敏感性的焊条在造纸、石油化工、煤化工等领域中的应用；

所述的焊条药皮和具有低裂纹敏感性的焊条优选在造纸、石油化工、煤化工等领域结构件的焊接和耐蚀层的堆焊中的应用；

本发明提供的焊条药皮中含有造渣、造气的大理石、萤石、金红石、脱水云母、脱水钾长石、硅灰石；脱氧的金属锰、钛铁、稀土硅铁、氟化稀土；过渡合金元素的金属铬；粘结剂采用钾：钠＝1:1、模数2.3～2.6的混合水玻璃；以及改善压涂性的纯碱和CMC。

本发明主要通过调节大理石、白云石、脱水钾长石以及脱水云母的比例，保证焊接时形成较长套筒，减少熔滴的短路过渡频率，从而降低大规范焊接时药皮发红开裂的趋势。

本发明主要以焊芯方式过渡合金元素。焊芯采用S、P低的H03Cr19Ni12No2焊丝。

本发明采用以下途径降低不锈钢焊条的热裂纹敏感性：

(1)严格控制熔敷金属中S、P等杂质含量。S、P易在熔敷金属中生成低熔点相，并在粗大的奥氏体边界偏析并形成液态薄膜，凝固时在收缩应力的作用下极易产生热裂纹，因此应该严格限制。S应控制在0.015wt％以下，P控制在0.020wt％以下。

(2)药皮中添加一定的稀土元素，可降低熔敷金属中S、P等杂质含量，提高熔敷金属的纯净度，从而降低热裂纹的敏感性。

(3)控制熔敷金属的成分，使其凝固组织具有3～5wt％的铁素体(FN)，可减少S、P等低熔点元素在奥氏体边界的偏析，从而极大提高其抗裂性。

(4)控制Si熔敷金属含量。熔敷金属中的硅主要来源于硅铝酸盐，一定数量的硅铝酸盐可以降低焊接过程中短路过渡的频率，从而降低大规范焊接时药皮发红的趋势。但过多的硅铝酸盐会造成熔敷金属的硅含量增加。熔敷金属中Si含量增加会造成低熔点物质的偏析，增加热裂纹的敏感性。熔敷金属的硅含量应控制在0.65wt％以下，相对应的药皮中的硅铝酸盐含量应控制在15wt％以下。

本发明提供的焊条药皮中各成分的主要作用如下：

大理石：主要作用是造渣、造气、稳弧、降氢，提高熔渣碱度，增大熔渣表面张力和界面张力。大理石加入量大于12wt％时，电弧稳弧性较差，飞溅增大；加入量小于8wt％时，焊缝内易产生气孔。

白云石：主要作用和大理石相似。适宜的加入量为3～5wt％。

金红石：主要作用是造渣，改善熔渣流动性，还能起到稳弧作用。加入量过少，容易导致覆盖不全；加入量过多，电弧稳定性变差，影响力学性能，本发明加入量32～38wt％。

脱水钾长石：主要作用是造渣，细化熔滴，调整熔渣的黏度和增加渣的活泼性。加入量小于6wt％，导致电弧稳，飞溅增大；加入量大于8wt％，易出现气孔缺陷。

脱水云母：主要作用改善压涂性，同时还能稳定电弧，增加药皮的透气性。脱水母加入量小于3wt％时，电弧稳定性较差，压涂性变差；加入量大于5wt％时，易出现气孔。

萤石：主要作用是造渣、去氢。适量的添加可调整熔渣的熔点和黏度，增加其流动性，以达到活化熔池、改善脱渣和除氢的目的。萤石加入量低于2wt％时，铁水较黏，熔敷金属易出现气孔；加入量大于4wt％时，电弧稳定性变差。

氟铝酸钾；主要作用造渣，调节熔渣的粘度和表面张力，并降级气孔的敏感性。适宜的加入量为1～2wt％。

金属铬：主要作向熔敷金属中过渡铬。

钛铁：主要作用作用是脱氧。同时在焊接时具有防止晶粒粗大，细化晶粒的作用。钛铁的加入量大于4wt％时，熔敷金属Ti含量高，影响力学性能；加入量低于2wt％时，对焊缝金属的晶粒细化作用不明显，焊缝金属的力学性能变差。

稀土硅铁：起到脱氧作用，能加速焊条熔化，脱氧产物参与造渣，提高熔渣的流动性，同时也向焊缝中过渡Si元素。稀土元素能够和S等低熔点物质结合，减少熔敷金属凝固时低熔点物质偏析，降低热裂纹倾向。

金属锰：起到脱硫脱氧作用，同时也向焊缝中过渡Mn元素，提高焊缝强度，降低裂纹的敏感性。根据熔敷金属成分要求，加入量4～6wt％。

锆英砂：主要作用是改善脱渣性能。适宜的加入量为2～4wt％。

氟化稀土：稀土能够和S等低熔点物质结合，减少熔敷金属凝固时低熔点物质偏析，降低热裂纹倾向。氟可以降低熔敷金属中的氢含量，降低气孔敏感性。

硅灰石：主要作用是造渣和改善压涂性。加入量为2～4wt％。

纯碱：主要作用是增加药皮的滑润性，同时也有一定稳弧的作用。纯碱加入量大于2wt％时，焊条容易吸潮；加入量低于1wt％时，改善压涂性的作用不明显。

CMC：主要改善压涂性能。适宜加入量为1～2wt％。

钛酸钾：主要作用是稳定电弧。加入量超过2％，增大焊条气孔的敏感性。

氧化铋：主要作用是改善脱渣性能，加入量超过1％会降低熔敷金属的塑性。适宜加入量为0.5～1wt％。

氧化铁红：主要调整熔渣的粘度和表面张力，提高铺展性，适宜的加入量为0.5～1wt％。

钾钠水玻璃：主要作用是粘结粉体。水玻璃加入量大于20wt％时，压涂压力偏小，药皮的密实度和强度变差；加入量少于17wt％时，压涂压力偏高，药皮发毛，偏心不易控制。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本专提供的焊条电弧稳定，铺展性和熔合性较好，焊缝成形美观，脱渣性较好，裂纹敏感性低。

(2)本专提供的焊条生产工艺性能优良，焊条表面光滑，偏心稳定，成品率高。

(3)本专提供的焊条熔敷金属学性能稳定，强度合适(室温抗拉：550～620MPa)，延伸率大于40％。耐腐蚀性能良好。

(4)本专提供的焊条热裂纹敏感性极低，可采用大的热输入、高的道间温度焊接，且焊接工艺性优良，成本较低，具有较大的市场推广前景和较好的经济效益。

附图说明

图1是焊接热裂纹实验装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种焊条药皮，包含如下按质量百分比计的组分：

一种具有低裂纹敏感性的焊条的制备方法，包含如下步骤：

(1)将上述焊条药皮各组分按配比混合搅拌均匀，然后加入上述焊条药皮各组分总重18wt％、模数2.3～2.6、钾：钠＝1:1的混合水玻璃进行搅拌，混合均匀，得到焊条药皮；

(2)将步骤(1)制得的焊条药皮与焊芯(H03Cr19Ni12No2焊丝)在油压式焊条压涂机上进行压涂，得到具有低裂纹敏感性的焊条，其中，焊条药皮占焊条总重的42wt％。

实施例2

一种焊条药皮，包含如下按质量百分比计的组分：

一种具有低裂纹敏感性的焊条的制备方法，包含如下步骤：

(1)将上述焊条药皮各组分按配比混合搅拌均匀，然后加入上述焊条药皮各组分总重18.5wt％、模数2.3～2.6、钾：钠＝1:1的混合水玻璃进行搅拌，混合均匀，得到焊条药皮；

(2)将步骤(1)制得的焊条药皮与焊芯(H03Cr19Ni12No2焊丝)在油压式焊条压涂机上进行压涂，得到具有低裂纹敏感性的焊条，其中，焊条药皮占焊条总重的40wt％。

实施例3

一种焊条药皮，包含如下按质量百分比计的组分：

一种具有低裂纹敏感性的焊条的制备方法，包含如下步骤：

(1)将上述焊条药皮各组分按配比混合搅拌均匀，然后加入上述焊条药皮各组分总重19wt％、模数2.3～2.6、钾：钠＝1:1混合水玻璃进行搅拌，混合均匀，得到焊条药皮；

(2)将步骤(1)制得的焊条药皮与焊芯(H03Cr19Ni12No2焊丝)在油压式焊条压涂机上进行压涂，得到具有低裂纹敏感性的焊条，其中，焊条药皮占焊条总重的45wt％。

效果实施例

(1)实施例1～3中焊条药皮的组分的化学成分要求如表1所示。

表1实施例1～3制得的焊条药皮的组分的化学成分要求

(2)将实施例1～3制得的焊条进行试板焊接，然后进行熔敷金属化学成分分析、力学性能测试。焊接规范(以Φ4.0mm规格焊条为例)：直流反接，焊接电流为150A，道间温度150℃以下。对焊接的试板进行力学性能和化学成分测试，结果见表2和表3。

表2实施例1～3制得的焊条的熔敷金属化学成分(wt％)

	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	P	S
									实施例1	0.028	1.45	0.55	18.2	12.1	2.56	0.012	0.012
实施例2	0.026	1.42	0.56	18.8	11.8	2.49	0.014	0.010
									实施例3	0.027	1.56	0.62	19.2	12.0	2.52	0.013	0.012

表3实施例1～3制得的焊条的熔敷金属力学性能

	Rm/MPa	A/％
			要求值	≥490	≥25
实施例1	552	48％
			实施例2	575	47％
实施例3	586	46％

(3)对实施例1～3制得的焊条采用HRL-1型热裂纹试验机测试焊缝金属的热裂纹敏感性，实验装置如图1所示(王勇、赵为民、吴开源。奥氏体不锈钢焊缝热裂纹敏感性研究[J].石油大学学报(自然科学版)，1998(22)，80-81)。采用两块316L钢板组成“T”型接头并安装于实验机上，实验时，水平板以速度ω绕oz轴旋转，并同时引弧向“o”方向施焊。任意时刻焊缝内裂纹尖端到旋转中心的距离记为R，裂纹尖端处的变形速率记为v(mm/s)，则v＝Rω。焊接过程中R减小到某值RL时，由变形速率产生的应变小于焊缝金属的塑性，裂纹就会停止扩展，此时的RL称为的临界变形速率vc＝RLω。可用vc作为评价热裂纹的直观指标，其值越大焊缝金属的抗裂性能越好。本发明采用的焊接规范参数如下：定位载荷为1500N，角速度ω为0.00178rad/min，焊接电流为150A，焊接速度为2mm/min，结果如表4所示。

表4实施例1～3制得的焊条临界裂纹变形速率v_c(mm/s)

实施例1	实施例2	实施例3	市售焊条1	市售焊条2
					0.82	0.79	0.86	0.45	0.52

实施例1～3制得的焊条的临界裂纹变形速率远大于市售不锈钢焊条，说明其裂纹敏感性远低于市售同类型不锈钢焊条。

对实施例1～3制得的焊条熔敷金属按照GB/T 4334E法进行晶间腐蚀倾向测试，均没观察到晶间腐蚀现象。

本发明所提出的焊条焊接工艺性良好，焊缝金属成分和力学性能符合GB/T983-2012E316L、AWS A5.4E316L和NB/T47018.2-2017等相关标准的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊条药皮，其特征在于包含如下按质量百分比计的组分：

2.根据权利要求1所述的焊条药皮，其特征在于：

所述的钛铁的粒度为40目，其化学成分为Ti：25～35wt％，C≤0.10wt％，S≤0.03wt％，P≤0.05wt％，Al≤8.0wt％，Si≤4.5wt％。

3.根据权利要求1所述的焊条药皮，其特征在于：

所述的稀土硅铁的粒度为40目，其化学成分为RE：30～34wt％，Si≥40.0wt％，Ce/RE≥46wt％。

4.根据权利要求1所述的焊条药皮，其特征在于：

所述的氟化稀土的粒度为60目，其化学成分为REO≥83.0wt％，CeO₂/REO≥45wt％，F≥26.0wt％。

5.根据权利要求1所述的焊条药皮，其特征在于：

所述的钛酸钾的粒度为80目，其化学成分为TiO₂≥60.0wt％，K₂O≥28wt％，S≤0.05wt％，P≤0.05wt％。

6.根据权利要求1～5任一项所述的焊条药皮，其特征在于：

所述的焊条药皮还包含粘结剂；

所述的粘结剂为水玻璃，其用量为焊条药皮其他组分总质量的17～20％。

7.一种具有低裂纹敏感性的焊条，其特征在于包含权利要求1～6任一项所述的焊条药皮。

8.根据权利要求7所述的具有低裂纹敏感性的焊条，其特征在于：

所述的具有低裂纹敏感性的焊条，还包含焊芯。

9.根据权利要求7所述的具有低裂纹敏感性的焊条，其特征在于：

所述的焊条药皮占焊条总重的40～45wt％。

10.权利要求1～6任一项所述的焊条药皮和权利要求7～9任一项所述的具有低裂纹敏感性的焊条在造纸、石油化工和煤化工领域中的应用。