CN108637519A - 一种水电用1000MPa级钢配套焊条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水电用1000MPa级钢配套焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮裹敷于所述焊芯的表面；所述药皮组份以重量份数计为：大理石：25.0～33.0；萤石：28.0～38.0；金红石：3.0～8.0；钼铁：1.2～2.8；金属铬：1.3～2.4；硅微粉：3.0～7.0；硅铁：2.5～4.0；镍粉：5.5～7.6；纯碱：0.5～0.8；CMC：0.3～0.6；海藻酸钠：0.6～1.0；电解锰：5.0～6.3；还原铁粉：9.0％～11.0；钛铁：1.8～2.6；氧化稀土：0.8～1.6。制备该焊条的方法，包括以下步骤，(a)将药皮的原料按配比混合均匀，加入粘接剂，(b)在焊芯的表面制备药皮，再经低温烘焙、高温烘焙，制得焊条。采用本发明的焊条来焊接高强钢B950CF，焊缝金属的抗拉强度930～1130Mpa，屈服强度≥790Mpa，延伸率≥12％，‑40℃冲击功KV2≥47J。

Description

一种水电用1000MPa级钢配套焊条及其制备方法
技术领域
本发明属于焊条制备技术领域，具体涉及一种水电用1000MPa级钢配套焊条及其制备方法。
背景技术
我国常规能源资源以煤炭和水能为主,水能资源仅次于煤炭,占居着十分重要的地位。我国的水电建设事业已经取得了举世瞩目的成绩,但仍然还存在着许多难题有待于我们的水电技术人员攻关解决。其中，在大型水电机组的重要部件如水轮机、蜗壳、钢岔管等制造关键技术仍然存在诸多难题，尤其是与其配套的焊接材料。随着我国水电建设的大型化、大参数化发展，目前已开展700-1000MW级特大型水电机组，700-800MW级特大型蒸发冷却水电机组、100-200MW轴流式水轮发电机组、300MW级以上抽水蓄能机组等的研究及建设发展不断深入，其所用钢材主要为适用于大型水电站、抽水蓄能电站等水电工程用高强度、高塑韧性、超低焊接裂纹专用钢板(如CF60(62)、B610CF、CF80等)。
焊材是设备制造过程中不可缺少的材料，尤其是水电站设备中的高强度钢，所用的焊材，焊缝的强度直接影响到设备的整体性能。现有的大参数水电工程建设的配套高性能焊接材料，形成的焊缝还存在低强度、低韧性、易腐蚀、易磨损等缺点，在较苛刻的服役条件下，焊缝容易产生缺陷，影响设备的服役寿命。
发明内容
本发明的目的在于：解决上述现有技术中的不足，提供一种水电用1000MPa级钢配套焊条及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水电用1000MPa级钢配套焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮裹敷于所述焊芯的表面；所述药皮组份以重量份数计为：
大理石：25.0～33.0；萤石：28.0～38.0；金红石：3.0～8.0；钼铁：1.2～2.8；金属铬：1.3～2.4；硅微粉：3.0～7.0；硅铁：2.5～4.0；镍粉：5.5～7.6；纯碱：0.5～0.8；CMC：0.3～0.6；海藻酸钠：0.6～1.0；电解锰：5.0～6.3；还原铁粉：9.0％～11.0；钛铁：1.8～2.6；氧化稀土：0.8～1.6。
进一步的，所述焊芯的化学成分以质量分数计为：
C:≤0.10％；Mn:0.30-0.55％；Si:≤0.08％；S:≤0.015％；P:≤0.005％；
Cr:≤0.10％；Ni:≤0.30％；Al:≤0.03％；Cu:≤0.20％；As:≤0.02％；余量为Fe。
进一步的，所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：25.0，萤石：30.0，金红石：6.7，钼铁：1.8，金属铬：2.2，硅微粉：5.5，硅铁：3.3，镍粉：6.7，纯碱：0.5，CMC：0.6，海藻酸钠：0.8，电解锰：5.2，还原铁粉：9.0，钛铁：1.8，氧化稀土：0.9。
进一步的，所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：33.0，萤石：26.8，金红石：3.0，钼铁：2.2，金属铬：1.8，硅微粉：3.0，硅铁：4.0，镍粉：6.6，纯碱：0.7，CMC：0.6，海藻酸钠：0.6，电解锰：5.9，还原铁粉：9.0，钛铁：2.0，氧化稀土：0.8。
进一步的，所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：25.0，萤石：29.6，金红石：5.0，钼铁：1.7，金属铬：2.4，硅微粉：4.0，硅铁：4.0，镍粉：6.0，纯碱：0.5，CMC：0.6，海藻酸钠：1.0，电解锰：5.0，还原铁粉：11.0，钛铁：2.6，氧化稀土：1.6。
进一步的，所述药皮与焊芯的质量比为3:7。
制备上述水电用1000MPa级钢配套焊条的方法，包括以下步骤，
(a)将所述药皮的原料按配比混合均匀，再向混合物中加入粘接剂，混合均匀；
(b)将上述步骤(a)中制备的混合物和焊芯加入到压条机中，在焊芯的表面制备药皮，再经低温烘焙、高温烘焙，制得所述焊条。
进一步的，所述粘接剂与药皮原料的重量份数比为，0.2-0.23:1。
进一步的，在所述步骤(b)中，所述低温烘焙的温度为85～110℃，所述高温烘焙的温度为380℃。
进一步的，所述粘接剂为钾钠水玻璃，其模数比为1:1。
本发明的药皮的组份中，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(超过33.0％)会粗化熔滴，CaCO3太少，所产生CaO和CO2气体不够，不能很好的造渣、造气，影响焊缝性能，本发明中将大理石的控制在25.0～33.0％。
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。将CaF2的含量控制在28.0-38.0％之间，焊接性能较好。
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3.0～8.0％。
在焊接过程中，Cr易形成Cr2O3氧化膜，使得焊缝金属具有优良的抗常温、高温氧化性能，提高耐腐蚀性能；并且Cr还可以形成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。但是Cr在焊态时对韧性有害，热处理后韧性更低，为了得到良好的机械性能，本发明中将Cr加入量控制在1.3～2.4％，使焊缝金属具有抗氧化、耐腐蚀、韧性好等优点。
Ni的加入有利于提高焊缝的冲击韧性，Ni对强度的影响比Mn要小得多，Ni的有效强化比Mo或Cr也小得多，而且Ni对高Mn焊缝的韧性是有害的，本发明中将Ni控制在5.5～7.6％。
Mo主要为固溶强化，也参与形成析出强化，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Mo含量控制在1.2～2.8％。
Mn、Si作为脱氧剂加入。除了脱氧作用外，焊缝随着Mn的增加，焊缝强度提高，应变时效处理后的冲击吸收功越高，每增加0.1％Mn，焊缝屈服强度和抗拉强度约提高10MPa，含1.5％的Mn时,焊态和消除应力状态下焊缝的冲击韧性为最佳。Si的脱氧能力为Mn的3.8～4.0倍，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Si-Fe控制在2.5～4.0％，将电解锰控制在5.0～6.3％。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
采用本发明的焊条来焊接高强钢B950CF，焊缝金属具有合理的抗拉强度930～1130Mpa，屈服强度≥790Mpa，延伸率≥12％，-40℃冲击功KV2≥47J，等机械性能指标，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大型水电用1000MPa级钢对焊缝性能的要求。
具体实施方式
实施例1：药皮各组分及其质量分数如下：大理石：25.0％，萤石：30.0％，金红石：6.7％，钼铁：1.8％，金属铬：2.2％，硅微粉：5.5％，硅铁：3.3％，镍粉：6.7％，纯碱：0.5％，CMC：0.6％，海藻酸钠：0.8％，电解锰：5.2％，还原铁粉：9.0％，钛铁：1.8％，氧化稀土：0.9％。
焊芯选用硫磷砷铝等含量低的H08GX焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.10％；Mn:0.30-0.55％；Si:≤0.08％；S:≤0.015％；P:≤0.005％；Cr:≤0.10％；Ni:≤0.30％；Al:≤0.03％；Cu:≤0.20％；As:≤0.02％；余量为Fe。
将所述药皮各成分混合均匀后，再加入重量为药皮重量的23％的粘结剂搅拌均匀，制备出药皮用膏体，然后送入压条机内将其包于所述焊芯上，再经110℃低温烘培和380℃高温烘培后形成的本发明焊条制品。
按照上述工艺制备的焊条，电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，具有极低的S、P杂质含量，焊态及热处理态均具有优良的低温冲击韧性，扩散氢含量低，抗裂性优异，熔敷金属力学性能为：Rm＝982MPa,Rp0.2＝844MPa,A＝16％,(-40℃)KV2＝83J，强度、塑性适中。
实施例2
药皮各组分及其质量分数如下：大理石：33.0％，萤石：26.8％，金红石：3.0％，钼铁：2.2％，金属铬：1.8％，硅微粉：3.0％，硅铁：4.0％，镍粉：6.6％，纯碱：0.7％，CMC：0.6％，海藻酸钠：0.6％，电解锰：5.9％，还原铁粉：9.0％，钛铁：2.0％，氧化稀土：0.8％。
焊芯选用硫磷砷铝等含量低的H08GX焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.10％；Mn:0.30-0.55％；Si:≤0.08％；S:≤0.015％；P:≤0.005％；Cr:≤0.10％；Ni:≤0.30％；Al:≤0.03％；Cu:≤0.20％；As:≤0.02％；余量为Fe。
将所述药皮各成分混合均匀后，再加入重量为药皮重量的20％的粘结剂搅拌均匀，制备出药皮用膏体，然后送入压条机内将其包于所述焊芯上，再经85℃低温烘培和380℃高温烘培后形成的本发明焊条制品。
按照上述工艺制备的焊条，电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，具有极低的S、P杂质含量，焊态及热处理态均具有优良的低温冲击韧性，扩散氢含量低，抗裂性优异，熔敷金属力学性能为：Rm＝1008MPa,Rp0.2＝868MPa,A＝15％,(-40℃)KV2＝71J，强度、塑性适中。
实施例3
药皮各组分及其质量分数如下：大理石：25.0％，萤石：29.6％，金红石：5.0％，钼铁：1.7％，金属铬：2.4％，硅微粉：4.0％，硅铁：4.0％，镍粉：6.0％，纯碱：0.5％，CMC：0.6％，海藻酸钠：1.0％，电解锰：5.0％，还原铁粉：11.0％，钛铁：2.6％，氧化稀土：1.6％。
焊芯选用硫磷砷铝等含量低的H08GX焊芯，化学成分质量百分比为：C:≤0.10％；Mn:0.30-0.55％；Si:≤0.08％；S:≤0.015％；P:≤0.005％；Cr:≤0.10％；Ni:≤0.30％；Al:≤0.03％；Cu:≤0.20％；As:≤0.02％；余量为Fe。
将所述药皮各成分混合均匀后，再加入重量为药皮重量的20～23％的粘结剂搅拌均匀，制备出药皮用膏体，然后送入压条机内将其包于所述焊芯上，再经100℃低温烘培和380℃高温烘培后形成的本发明焊条制品。
按照上述工艺制备的焊条，电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，具有极低的S、P杂质含量，焊态及热处理态均具有优良的低温冲击韧性，扩散氢含量低，抗裂性优异，熔敷金属力学性能为：Rm＝957MPa,Rp0.2＝823MPa,A＝16％,(-40℃)KV2＝89J，强度、塑性适中。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：包括焊芯和药皮，所述药皮裹敷于所述焊芯的表面；所述药皮组份以重量份数计为：
大理石：25.0～33.0；萤石：28.0～38.0；金红石：3.0～8.0；钼铁：1.2～2.8；金属铬：1.3～2.4；硅微粉：3.0～7.0；硅铁：2.5～4.0；镍粉：5.5～7.6；纯碱：0.5～0.8；CMC：0.3～0.6；海藻酸钠：0.6～1.0；电解锰：5.0～6.3；还原铁粉：9.0％～11.0；钛铁：1.8～2.6；氧化稀土：0.8～1.6。
2.根据权利要求1所述的水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：所述焊芯的化学成分以质量分数计为：
C:≤0.10％；Mn:0.30-0.55％；Si:≤0.08％；S:≤0.015％；P:≤0.005％；
Cr:≤0.10％；Ni:≤0.30％；Al:≤0.03％；Cu:≤0.20％；As:≤0.02％；余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：25.0，萤石：30.0，金红石：6.7，钼铁：1.8，金属铬：2.2，硅微粉：5.5，硅铁：3.3，镍粉：6.7，纯碱：0.5，CMC：0.6，海藻酸钠：0.8，电解锰：5.2，还原铁粉：9.0，钛铁：1.8，氧化稀土：0.9。
4.根据权利要求2所述的水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：33.0，萤石：26.8，金红石：3.0，钼铁：2.2，金属铬：1.8，硅微粉：3.0，硅铁：4.0，镍粉：6.6，纯碱：0.7，CMC：0.6，海藻酸钠：0.6，电解锰：5.9，还原铁粉：9.0，钛铁：2.0，氧化稀土：0.8。
5.根据权利要求2所述的水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：所述药皮组份以重量份数计为；
大理石：25.0，萤石：29.6，金红石：5.0，钼铁：1.7，金属铬：2.4，硅微粉：4.0，硅铁：4.0，镍粉：6.0，纯碱：0.5，CMC：0.6，海藻酸钠：1.0，电解锰：5.0，还原铁粉：11.0，钛铁：2.6，氧化稀土：1.6。
6.根据权利要求1所述的水电用1000MPa级钢配套焊条，其特征在于：所述药皮与焊芯的质量比为3:7。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的水电用1000MPa级钢配套焊条的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
(a)将所述药皮的各组份按配比混合均匀，再向混合物中加入粘接剂，混合均匀；
(b)将上述步骤(a)中制备的混合物和焊芯加入到压条机中，在焊芯的表面制备药皮，再经低温烘焙、高温烘焙，制得所述焊条。
8.根据权利要求7所述的水电用1000MPa级钢配套焊条的制备方法，其特征在于：在所述步骤(a)中，所述粘接剂与所述混合物的重量份数比为0.2-0.23:1。
9.根据权利要求7所述的水电用1000MPa级钢配套焊条的制备方法，其特征在于：在所述步骤(b)中，所述低温烘焙的温度为85～110℃，所述高温烘焙的温度为380℃。
10.根据权利要求7所述的水电用1000MPa级钢配套焊条的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为钾钠水玻璃，其模数比为1:1。
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