CN109434323B - 一种低合金钢水下湿法焊接用焊条 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，焊芯采用选用H08A钢丝；药皮粉体由以下重量百分比的组分构成：金红石40～52％，大理石6～14％，云母8～14％，赤铁矿7～15％，萤石2～8％，硅钙锰复合脱氧剂3～8％，锰铁4～14％，钒铁0.1～4％；采用钾钠水玻璃作为粘结剂，其添加量为药皮粉体重量的22～28％；焊条经压涂成型、室内晾晒及烘箱烘干后，浸渍涂覆石蜡作为防水层。本发明公开的焊条焊接过程中电弧稳定，焊缝成型美观，脱渣容易，焊缝金属中无夹渣。该焊条水下湿法焊接熔敷金属在‑40℃冲击韧性ak≥40J/cm²，且焊接接头在室温下经180°弯曲不开裂，显示出高韧性的显著优点，可用于机械性能要求较高场合的低合金钢结构的水下湿法焊接。

Description

一种低合金钢水下湿法焊接用焊条

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，特别涉及一种低合金钢水下湿法焊接用焊条。

背景技术

水下焊接技术是海洋工程结构物建设和维护中不可缺少的一项关键性支撑技术；以海洋采油平台建设为代表的海洋工程对高质量的水下焊接技术提出了迫切的技术需求。与水下干法焊接及局部干法焊接技术相比，水下湿法焊接技术具有设备简单、操作灵活和适应性强的特点，在实际工程应用中具有显著的优势。然而在水下湿法焊接过程中，焊接电弧燃烧和熔池凝固过程都是在水中进行，存在焊接电弧稳定性差、焊缝熔敷金属扩散氢含量高、焊缝易生成淬硬组织等不利因素，使得水下湿法焊接接头的组织和机械性能较差，极大地危害海洋结构物的服役安全。如何通过设计水下焊接材料组分来获取高性能的焊接接头，成为了水下湿法焊接技术的研究热点和难点。

目前，国内外商品化的水下湿法焊接用焊条材料品种很少，国外产品为英国产Hydroweld FS水下焊条和美国产Broco水下焊条，国内产品为TS202和TS208水下焊条。与提高焊接接头强度相比，改善焊缝金属的韧性对于水下湿法焊接更为重要，其技术难度也更大。从文献报道和专利检索情况来看，国内尚无针对低合金钢水下湿法焊接用高韧性焊条产品。仅有涉水环境下焊接用的焊条和药皮，“涉水环境下焊接”指工件潮湿或处于下雨环境等表面带水焊接工况，而“湿法水下焊接”指工件完全处入水面以下、焊接电弧在水下燃烧的焊接工况，焊接冶金环境和焊缝冷却速度与前者截然不同。湿法水下焊接具有熔池氢含量高、焊缝冷却速度快的显著特点，因此要严格控制焊条药皮中的造气剂和合金剂成分和含量，才能在保证湿法水下焊接电弧燃烧稳定的基础上，抑制焊缝中气孔和淬硬组织的生成。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，以达到具有良好的焊接工艺性，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，在保障焊接接头抗拉强度的同时，焊缝金属具有较高的韧性，焊缝金属在-40℃环境下冲击韧性不低于40J/cm²，能满足海洋钢结构的水下焊接需求的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，焊芯采用选用H08A钢丝；药皮粉体由以下重量百分比的组分构成：金红石40～52％，大理石6～14％，云母8～14％，赤铁矿7～15％，萤石2～8％，硅钙锰复合脱氧剂3～8％，锰铁4～14％，钒铁0.1～4％；采用钾钠水玻璃作为粘结剂，其添加量为药皮粉体重量的22～28％；焊条经压涂成型、室内晾晒及烘箱烘干后，浸渍涂覆石蜡作为防水层。

上述方案中，所述金红石粉体满足以下条件：TiO₂≥93％，S≤0.02％，P≤0.02％，粉体颗粒度100％过80目。添加金红石主要用作稳弧剂和造渣剂。经过试验证明，其添加量在40～52％为宜，此时焊条焊接电弧稳定，且焊后脱渣性好。金红石粉体添加量过少时，熔渣松散，对焊缝保护欠佳；金红石粉体添加量过多时，熔池金属铺展不好，焊缝成型差，且造成焊缝机械性能恶化。

上述方案中，所述大理石粉体满足以下条件：CaCO₃≥96％，粉体颗粒度100％过120目。添加大理石主要用作造气剂和造渣剂。经过试验证明，其添加量在6～14％为宜，此时焊条焊接时电弧气泡稳定，焊缝成型美观。大理石粉体添加量过少时，焊条造气能力不足，电弧稳定性差；大理石粉体添加量过多时，焊缝中气孔数量增加，且焊缝成型和熔渣脱渣性都变差。

优选地，所述的云母粉体为电焊条用合成云母粉，粉体颗粒度100％过120目。添加云母粉体主要用于稳弧剂和造渣剂，且能提高焊条药皮压涂时的塑性。经过试验证明，其添加量在8～14％为宜，此时焊条药皮成型性好，焊接过程电弧稳定。云母粉体添加量过少时，焊条药皮成型性欠佳；云母粉体添加量过多时，造成药皮酥松，焊条易破头损伤。

上述方案中，所述赤铁矿粉体满足以下条件：Fe₂O₃≥90％，粉体颗粒度100％过80目。添加赤铁矿粉体主要用作造渣剂。添加赤铁矿能增大熔渣的碱度系数，对降低焊缝熔敷金属扩散氢含量有一定作用。经过试验证明，其添加量在7～15％为宜。赤铁矿粉体添加量过少时，降氢作用不明显；赤铁矿粉体添加量过多时，熔渣稀释，且焊接飞溅量增大，不利于焊条的全位置焊接性能。

上述方案中，所述萤石粉体满足以下条件：CaF₂≥96％，粉体颗粒度100％过80目。添加萤石主要用于降低焊缝熔敷金属扩散氢含量。经过试验证明，其添加量在2～8％为宜。萤石粉体添加量过少时，焊缝熔敷金属降氢效果不明显；萤石粉体添加量过多时，焊接过程中电弧稳定性降低，焊条可焊性变差，且焊接发尘量显著增加。

上述方案中，所述硅钙锰复合脱氧剂满足以下条件：Si≥16％，Ca≥14％，Mn≥22％，粉体颗粒度100％过60目。添加硅钙锰复合脱氧剂能有效降低焊缝熔敷金属氧含量，同时兼具增锰的作用。经过试验证明，其添加量在3～8％为宜，此时焊缝金属力学性能最佳。硅钙锰复合脱氧剂添加量过少或过多时，焊缝金属的韧性都不佳。

上述方案中，所述锰铁为低碳锰铁，且满足以下条件：Mn≥84％，C≤0.2％，S≤0.02％，P≤0.1％，粉体颗粒度100％过60目。添加锰铁主要用作脱氧剂和合金剂，能降低焊缝熔敷金属氧含量、调节焊缝金属合金成分、改善焊缝金属力学性能。经过试验证明，其添加量在4～14％为宜，此时焊缝金属力学性能最佳。锰铁添加量过少时，焊缝金属强度较低；锰铁添加量过多时，焊缝金属冲击韧性值显著降低。

上述方案中，所述钒铁满足以下条件：V≥65％，C≤0.4％,S≤0.06％，P≤0.04％，粉体颗粒度100％过60目。添加钒铁能促进焊缝金属中针状铁素体组织的生成，改善焊缝金属力学性能。经过试验证明，其添加量在0.1～3％为宜，此时焊缝金属力学性能最佳。钒铁添加量过少时，焊缝金属力学性能基本不变化；钒铁添加量过多时，焊缝金属冲击韧性值显著降低。

在涉水环境下焊接时，熔池冷却速度慢，熔池中气泡有足够时间上浮逸出，因此造气剂大理石含量高；而在水下湿法焊接过程中，为避免熔池中气泡在上浮逸出时因为焊缝金属凝固过快而保留在焊缝，因此需要避免造气剂添加过量，因此本发明中造气剂大理石(碳酸钙)含量为6-14％。本专利中药皮中添加了赤铁矿粉体，有助于增大熔渣碱度系数，起到降低焊缝扩散氢含量的作用。此外，与涉水环境焊接过程相比，湿法水下焊接过程中焊缝金属的冷却速度快很多，焊缝金属凝固过程中的组织演变也不同，因此焊条药皮的合金剂设计也不同。另外，在本发明中不添加硅铁，添加硅铁后会导致焊缝金属冲击韧性降低。

通过上述技术方案，本发明提供的低合金钢水下湿法焊接用焊条具有以下技术特点：

1)湿法焊接过程中，焊条引弧和再引弧性能良好，电弧燃烧稳定，焊接飞溅小；

2)湿法焊接焊缝成型美观，脱渣容易，焊缝金属中无夹渣缺陷；

3)湿法焊接焊缝金属抗拉强度σb≥480MPa；

4)湿法焊接焊缝金属在-40℃时的冲击韧性ak≥40J/cm²；

5)对抗拉强度不超过550MPa级低合金钢进行焊接时，焊接接头经180°弯曲不开裂。

附图说明

图1为实施例一焊接接头弯曲试验图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一：

选用直径为4.0mm的H08A钢丝作为焊条芯，采用液压式焊条压涂机制备水下湿法焊条。药皮粉体由46％的金红石、10％的大理石、14％的云母、13％的赤铁矿、4％的萤石、6％的硅钙锰复合脱氧剂、5％的锰铁和2％的钒铁组成，钾钠水玻璃添加量为固体粉体重量的23％。

其中，金红石粉体满足以下条件：TiO₂≥93％，S≤0.02％，P≤0.02％，粉体颗粒度100％过80目；

大理石粉体满足以下条件：CaCO₃≥96％，粉体颗粒度100％过120目；

赤铁矿粉体满足以下条件：Fe₂O₃≥90％，粉体颗粒度100％过80目；

萤石粉体满足以下条件：CaF₂≥96％，粉体颗粒度100％过80目；

硅钙锰复合脱氧剂满足以下条件：Si≥16％，Ca≥14％，Mn≥22％，粉体颗粒度100％过60目；

锰铁为低碳锰铁，且满足以下条件：Mn≥84％，C≤0.2％，S≤0.02％，P≤0.1％，粉体颗粒度100％过60目；

钒铁满足以下条件：V≥65％，C≤0.4％,S≤0.06％，P≤0.04％，粉体颗粒度100％过60目。

焊条经涂压、阴干和高温烘干后，在焊条表面浸渍石蜡作为防水层。

采用该焊条在3m深水池中对EH40低合金船用钢进行平板坡口对接焊，焊缝熔敷金属的化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。

表1实施例一熔敷金属化学成分(％)

C	Mn	Si	S	P
					0.142	0.417	0.291	0.017	0.014

表2实施例一熔敷金属力学性能

抗拉强度σb(MPa)	延伸率δ50(％)	-40℃冲击韧性ak(J/cm<sup>2</sup>)
			505	18.7	42.3

焊接接头弯曲试验结果如图1所示，结果显示出本发明低合金钢水下湿法焊条焊接接头具有优异的韧性。

实施例二：

选用直径为3.2mm的H08A钢丝作为焊条芯，采用液压式焊条压涂机制备水下湿法焊条。药皮粉体由52％的金红石、8％的大理石、10％的云母、10％的赤铁矿、6％的萤石、6％的硅钙锰复合脱氧剂、6％的锰铁和2％的钒铁组成，钾钠水玻璃添加量为固体粉体重量的26％。

其中，金红石粉体满足以下条件：TiO₂≥93％，S≤0.02％，P≤0.02％，粉体颗粒度100％过80目；

大理石粉体满足以下条件：CaCO₃≥96％，粉体颗粒度100％过120目；

赤铁矿粉体满足以下条件：Fe₂O₃≥90％，粉体颗粒度100％过80目；

萤石粉体满足以下条件：CaF₂≥96％，粉体颗粒度100％过80目；

硅钙锰复合脱氧剂满足以下条件：Si≥16％，Ca≥14％，Mn≥22％，粉体颗粒度100％过60目；

锰铁为低碳锰铁，且满足以下条件：Mn≥84％，C≤0.2％，S≤0.02％，P≤0.1％，粉体颗粒度100％过60目；

钒铁满足以下条件：V≥65％，C≤0.4％,S≤0.06％，P≤0.04％，粉体颗粒度100％过60目。

焊条经涂压、阴干和高温烘干后，在焊条表面浸渍石蜡作为防水层。

采用该焊条在3m深水池中对EH40低合金船用钢进行平板坡口对接焊，焊缝熔敷金属的化学成分和力学性能分别如表3和表4所示。

表3实施例二熔敷金属化学成分(％)

C	Mn	Si	S	P
					0.137	0.459	0.287	0.019	0.015

表4实施例二熔敷金属力学性能

抗拉强度σb(MPa)	延伸率δ50(％)	-40℃冲击韧性ak(J/cm<sup>2</sup>)
			514	17.9	46.4

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，焊芯采用选用H08A钢丝；药皮粉体由以下重量百分比的组分构成：金红石40～52％，大理石6～14％，云母8～14％，赤铁矿7～15％，萤石2～8％，硅钙锰复合脱氧剂3～8％，锰铁4～14％，钒铁0.1～4％；采用钾钠水玻璃作为粘结剂，其添加量为药皮粉体重量的22～28％；焊条经压涂成型、室内晾晒及烘箱烘干后，浸渍涂覆石蜡作为防水层。

2.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述金红石粉体满足以下条件：TiO₂≥93％，S≤0.02％，P≤0.02％，粉体颗粒度100％过80目。

3.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述大理石粉体满足以下条件：CaCO₃≥96％，粉体颗粒度100％过120目。

4.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述赤铁矿粉体满足以下条件：Fe₂O₃≥90％，粉体颗粒度100％过80目。

5.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述萤石粉体满足以下条件：CaF₂≥96％，粉体颗粒度100％过80目。

6.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述硅钙锰复合脱氧剂满足以下条件：Si≥16％，Ca≥14％，Mn≥22％，粉体颗粒度100％过60目。

7.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述锰铁为低碳锰铁，且满足以下条件：Mn≥84％，C≤0.2％，S≤0.02％，P≤0.1％，粉体颗粒度100％过60目。

8.根据权利要求1所述的一种低合金钢水下湿法焊接用焊条，其特征在于，所述钒铁满足以下条件：V≥65％，C≤0.4％,S≤0.06％，P≤0.04％，粉体颗粒度100％过60目。

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