CN109530881A - 焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法 - Google Patents

焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂，由以下成分制成：SiO23‑6重量份、MgO 30‑50重量份、Al2O330‑40重量份、CaF210‑20重量份、TiO23‑10重量份、0<Fe2O3≤3.0重量份、0<S≤0.020重量份和0<P≤0.015重量份。与现有的相比，本发明具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能更加优良，本发明焊丝焊剂焊接一种锰含量在13％以上的超低温高锰钢时可取代镍基母材及焊材并能满足‑196℃超低温要求。

Description

焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法
技术领域
本发明涉及一种焊接领域，特别涉及一种用于焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法。
背景技术
由于镍基材料成本、资源等问题，希望有一种材料能替代镍基材料且各项性能与镍基材料相当。为此，经过研究，采用高锰钢来替代镍基材料，由于高锰钢特殊的成分，除了具有良好的耐磨性外，还具有良好的力学性能，常常被用于采矿、挖掘、煤炭工业、铸造和钢铁行业等。如今常用的高锰钢的锰含量较低,这种钢机械加工困难，基本上都是以铸铁形式使用，在使用中受冷变形后，表层即产生显著硬化，用于耐磨性的条件下。但该类锰含量较低的高锰钢中的Mn含量偏低，普遍在13％以下，为了得到良好的机械性能，特别是良好的低温冲击韧性(-196℃)，近几年，在相关设计单位及钢厂的努力下，Mn含量在13以上的超低温高锰钢也已陆续完成开发并逐步推广应用，最近，Mn含量在20％以上的超低温高锰钢也初步完成产成品，正在试用阶段。开发的超低温高锰钢其成分、性能都到达一个良好的水平，由于此高锰钢正在试用阶段，对配套的焊接材料也是一个考验。
众所周知，锰含量越高，对焊接材料的工艺、力学性能是一个较大的难度，母材及焊接材料的Mn含量越高，其焊接过程中冶金反应的程度将更加明显，对焊接工艺性能要求较高，经过近年的发展，为了提高钢的蠕变强度、持久强度和组织的稳定性，在钢中加入了少量的铬、镍、钼、铜等元素，但如何保障在焊接后，焊接接头在超低温、高压等各种腐蚀介质条件下具有与母材同样地性能，是对焊接材料的考验，在现有的焊接材料中，虽然公开了一些埋弧焊剂，如CN107206549A(埋弧焊用焊剂)，但其公开的焊剂用于焊接本发明的高猛钢(如锰碳比20)，焊接后焊缝内部有气孔、夹渣和裂纹，焊缝金属低温冲击韧性(-196℃)低于90J，不能适用于窄间隙的焊接，接接头抗拉强度低，焊缝不规整。
发明内容
本发明的目的之一就在于提供一种超低温高锰钢埋弧焊用的埋弧焊焊剂和焊丝，该埋弧焊焊剂和焊丝组合专门用于-196℃超低温需求高锰钢的埋弧焊接。
技术方案是：一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂，由以下成分制成：
SiO2 3-6重量份、MgO 30-50重量份、Al2O3 30-40重量份、CaF2 10-20重量份、TiO23-10重量份、0<Fe2O3 ≤3.0重量份、0<S≤0.020重量份和0<P≤0.015重量份。
作为优选，所述SiO2 3-6重量份、MgO 30-40重量份、Al2O3 30-40重量份、CaF2 15-18重量份、TiO2 3-6重量份、Fe2O3 2-3重量份、S 0.014-0.015重量份、P 0.010-0.015重量份。
作为优选，所述SiO2 6重量份，MgO 30重量份，Al2O3 40重量份，CaF2 15重量份，TiO2 3重量份，Fe2O3 3重量份，S 0.015重量份，P 0.010重量份。
本发明的目的之二在于提供一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝。
技术方案是：一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝，由以下成分制成：碳0.1-0.6％、硅0.1-0.5％、锰13-30％、铬3-6％、镍5-15％、钼1-5％、铜0.1-1.0％、氮0.1-0.3％、铝≤0.20％、硫0.005-0.01％、磷0.005-0.01％，和余量为铁及必不可少的杂质。
作为优选，所述碳0.30％、硅0.4％、锰25％、铬3％、镍9％、钼4％、铜0.5％、氮0.15％、铝0.10％、硫0.005％、磷0.007％，和余量为铁及必不可少的杂质。
本发明的目的之三在于提供一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂的制备方法。
技术方案是：一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将上述的焊剂各组分按先SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2顺序置于混合器内，搅拌混合均匀后，加入粘结剂在混合器内进行第一次粗造粒；
步骤二、转移到调粉设备中进行第二次细造粒，后经100℃预烘干、200℃低温烘培和800℃高温烧结，筛分。
作为优选，所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃，高温烧结采用气加热，在温度达到805℃时气加热停止，在温度降到795℃时自动加热，高温烧结产生的预热将用于预烘培及低温烘培，节约能源。
本发明的目的之四在于提供一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝的制备方法。
技术方案是：一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝的制备方法，包括以下步骤：
装料，进行真空感应炉冶炼，精锻锻造开坯并轧制成材，再退火处理并进行粗拉和精拉工序，拉拔到所需要求后进行镀铜工序，合格后进行卷绕并包装。
作为优选，所述原料为低S、P精钢材、金属Cr、金属Mn合金料，优选精炼期温度控制1600～1650℃，真空度≤1Pa,保持时间大于40分钟(包括搅拌时间)。优选开锻温度≥1000℃，优选终锻温度≥900℃。优选轧制高线出口温度按1000-1050℃控制，吐丝温度按≥950℃控制，随时监控退火温度(700-800℃)，拉拔采用钠系伸线粉，其线径偏差±0.05mm，椭圆度≤0.03mm；焊丝铜膜厚度控制在0.2-0.6μm。
本发明的目的之五在于提供一种超低温高锰钢的焊接方法。
技术方案是：一种超低温高锰钢的焊接方法，该方法采用上述的焊剂和焊丝，所述高锰钢锰碳比大于13，该焊接方法进行-196℃超低温冲击韧性。
本发明中：
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。
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，本次发明中，由于Mn含量较高，焊接过程和熔池冶金剧烈，为了保证焊缝表面的光洁性及流动性，量控制在适宜范围内。
SiO2是一种酸性物质，能降低焊剂碱度，由于焊剂中高碱度物质比重较大，增加熔池流动性，调整渣的凝固点、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，结合高锰钢的特点，为了得到良好的工艺和机械性能，我们采用少量的SiO2含量。
CaF2能降低熔渣的粘度和熔点，在高温焊接条件下与焊缝金属的H含量结合为HF，降低焊缝金属H含量，提高焊缝金属的机械性能。CaF2也能与SiO2配比，提高焊剂的抗气孔能力。本发明根据MgO等材料的比例，控制CaF2在适宜的范围内。
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，在本发明中，Ti以微小颗粒氧化物(TiO)的形式弥散分布焊缝中，可促进焊缝金属细化晶粒，提高超低温冲击韧性。
焊丝采用真空感应炉冶炼，全熔后升温沸腾脱氧氮保持20分钟，真空度≤1Pa，锻造采用变频锻造。
此外，为了满足和使焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们采用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的加入对脱硫、磷也有很好的作用。另外，为了得到良好的超低温冲击韧性，通过Ti来细化晶粒，与钢中的合金元素发生作用，可改善组织和提高韧性。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。
有益效果：
1.本发明发明人通过合理采用各元素含量的比例，在焊接不同锰含量的超低温高锰钢条件下，使得本发明焊剂和焊丝具有良好的焊接工艺性，焊缝成形美观、渣壳能自动翘起脱落，并且能适用于窄间隙的焊接，使得焊缝机械性能优良，能保证焊缝金属低温冲击韧性(-196℃)在90J以上。
2.本发明采用碱性渣系，配合专用焊丝，焊接超低温高锰钢，具有优良的焊缝性能，焊接接头抗拉强度650-950Mpa，焊缝金属-196℃冲击功Akv≥90J，能适用于不同高锰钢的埋弧焊接，满足超低温条件下的适应环境。
3.本发明可与不同锰含量的超低温高锰钢焊接，具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能良好。
4.本发明焊剂和焊丝配合焊接超低温高锰钢时，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，在焊态条件下具有良好的、合理的拉伸强度、冲击值、抗裂性能、硬度等机械性能指标，并且焊缝内部无气孔、夹渣和裂纹，完全满足超低温高锰钢在超低温条件下的标准要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明中，如无特别说明，％指重量百分比。
实施例1
将SiO2 5kg、MgO 35kg、Al2O3 35kg、CaF2 15kg、TiO2 5kg、Fe2O3 3kg、S 0.015kg、P0.010kg的粉料自动加入到混合器内(加入顺序为SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2，搅拌混合均匀后，加入已混合均匀的Fe2O3、S、P混合物继续搅拌)，搅拌15分钟以上，再加入20kg钠水玻璃混合调粉，调粉完成后自动放入小车上并匀速输送到给料机上，给料机再匀速加料到造粒机混合造粒，再经100℃预烘干、200℃低温烘培和800℃高温烧结、筛分，即得碱度为2.0的焊剂。
将该焊剂配合焊丝(焊丝组份成分为：碳0.15wt％、硅0.3wt％、锰17wt％、铬4wt％、镍6wt％、钼3wt％、铜0.3wt％、氮0.12wt％、铝0.05wt％、硫0.005wt％、磷0.007wt％，余量为铁和必不可少的杂质)，采用20mm板厚A1106-Mn25钢种进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度715Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝90-110J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的三倍)。
实施例2
将SiO2 3kg、MgO 40kg、Al2O3 30kg、CaF2 18kg、TiO2 6kg、Fe2O3 2kg、S 0.014kg、P0.010kg的粉料自动加入到混合器内(加入顺序为SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2，搅拌混合均匀后，加入已混合均匀的Fe2O3、S、P混合物继续搅拌)，搅拌15分钟以上，再加入20kg钠水玻璃混合造粒，再经100℃预烘干、200℃低温烘培和800℃高温烧结、筛分，即得碱度为2.7的焊剂。
将该焊剂配合焊丝(焊丝组份成分为：碳0.30wt％、硅0.4wt％、锰25wt％、铬3wt％、镍9wt％、钼4wt％、铜0.5wt％、氮0.15wt％、铝0.10wt％、硫0.005wt％、磷0.007wt％，余量为铁和必不可少的杂质)，采用20mm板厚A1106-Mn25钢种进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度760Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝90-95J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的三倍)。
实施例3
将SiO2 6kg、MgO 30kg、Al2O3 40kg、CaF2 15kg、TiO2 3kg、Fe2O3 3kg、S 0.015kg、P0.010kg的粉料按比重要求自动加入到混合器内(加入顺序为SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2，搅拌混合均匀后，加入已混合均匀的Fe2O3、S、P混合物继续搅拌)，搅拌15分钟以上，再加入20kg钠水玻璃混合造粒，再经100℃预烘干、200℃低温烘培和800℃高温烧结、筛分，即得碱度为1.7的焊剂。
将该焊剂配合焊丝(焊丝组份成分为：碳0.50wt％、硅0.33wt％、锰21wt％、铬6wt％、镍10wt％、钼5wt％、铜0.8wt％、氮0.20wt％、铝0.01wt％、硫0.005wt％、磷0.007wt％，余量为铁和必不可少的杂质)，采用20mm板厚A1106-Mn25钢种进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度800Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝90-100J，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的三倍)。
实施例1-3其实验性能均满足超低温高锰钢对焊缝的技术要求，特别是-196℃超低温冲击韧性的要求。
上述实施例中，造粒分为一次造粒和二次造粒。高温烧结采用气加热，在温度达到805℃时气加热停止，在温度降到795℃时自动加热，高温烧结产生的预热将用于预烘培及低温烘培，节约能源。
上述实施例中，焊丝是经过以下步骤制备的：
装料，进行真空感应炉冶炼，精锻锻造开坯并轧制成材，再退火处理并进行粗拉和精拉工序，拉拔到所需要求后进行镀铜工序，合格后进行卷绕并包装。制备过程中，优选原料为低S、P精钢材、金属Cr、金属Mn合金料，优选精炼期温度控制1600～1650℃，真空度≤1Pa,保持时间大于40分钟(包括搅拌时间)。优选开锻温度≥1000℃，优选终锻温度≥900℃。优选轧制高线出口温度按1000-1050℃控制，吐丝温度按≥950℃控制，随时监控退火温度(700-800℃)，拉拔采用钠系伸线粉，其线径偏差±0.05mm，椭圆度≤0.03mm；焊丝铜膜厚度控制在0.2-0.6μm。
本发明中，当加入顺序为：SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2，此加料顺序更能得到均匀的粉料，以实施例1为例：该加料顺序得到的焊剂进行上、中、下不同位置成分检测，检测数据百分比为：上部分SiO2 4.8％、Al2O3 34.8％、CaF2 14.85％、MgO 35.01％、TiO24.69％；中部分SiO2 4.9％、Al2O3 34.92％、CaF2 14.96％、MgO 34.88％、TiO24.85％；下部分SiO24.97％、Al2O3 34.95％、CaF2 14.90％、MgO 34.93％、TiO24.97％。不同位置分析的成分相当，粉料均匀性较好。
但是，当加入顺序为TiO2--MgO--CaF2--Al2O3--SiO2，加入顺序与本发明加料顺序相反，此顺序为比重最大的TiO2先加入，按比重大小顺序依次为MgO--CaF2--Al2O3--SiO2，该加料顺序会导致比重较重的材料在搅拌中容易沉在底部，比重较轻的材料集中在上部，以实施例1为例：该加料顺序得到的焊剂进行上、中、下不同位置成分检测，检测数据百分比为：上部分SiO2 7.8％、Al2O3 35.8％、CaF2 15.7％、MgO 33.65％、TiO22.8％；中部分SiO26.3％、Al2O3 35.0％、CaF2 14.96％、MgO 34.90％、TiO24.65％；下部分SiO2 2.63％、Al2O333.45％、CaF2 14.08％、MgO 36.63％、TiO27.95％。不同位置分析的成分差别较大，均匀性不好。
本发明具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，机械性能更加优良，本发明焊丝焊剂焊接一种锰含量在13％以上的超低温高锰钢时可取代镍基母材及焊材并能满足-196℃超低温要求。

Claims (10)

1.一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂，由以下成分制成：
SiO2 3-6重量份、MgO 30-50重量份、Al2O3 30-40重量份、CaF2 10-20重量份、TiO2 3-10重量份、0<Fe2O3≤3.0重量份、0<S≤0.020重量份和0<P≤0.015重量份。
2.根据权利要求1所述的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂，其特征在于：所述SiO2 3-6重量份、MgO 30-40重量份、Al2O3 30-40重量份、CaF2 15-18重量份、TiO2 3-6重量份、Fe2O32-3重量份、S 0.014-0.015重量份、P 0.010-0.015重量份。
3.根据权利要求2所述的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂，其特征在于：所述SiO2 6重量份，MgO 30重量份，Al2O3 40重量份，CaF2 15重量份，TiO2 3重量份，Fe2O3 3重量份，S0.015重量份，P 0.010重量份。
4.一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝，由以下成分制成：碳0.1-0.6％、硅0.1-0.5％、锰13-30％、铬3-6％、镍5-15％、钼1-5％、铜0.1-1.0％、氮0.1-0.3％、铝≤0.20％、硫0.005-0.01％、磷0.005-0.01％，和余量为铁及必不可少的杂质。
5.根据权利要求4所述的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述碳0.30％、硅0.4％、锰25％、铬3％、镍9％、钼4％、铜0.5％、氮0.15％、铝0.10％、硫0.005％、磷0.007％，和余量为铁及必不可少的杂质。
6.一种焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将权利要求1-3任一所述的焊剂各组分按先SiO2--Al2O3--CaF2--MgO--TiO2顺序置于混合器内，搅拌混合均匀后，加入粘结剂在混合器内进行第一次粗造粒；
步骤二、转移到调粉设备中进行第二次细造粒，后经100℃预烘干、200℃低温烘培和800℃高温烧结，筛分。
7.根据权利要求6所述的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃，高温烧结采用气加热，在温度达到805℃时气加热停止，在温度降到795℃时自动加热，高温烧结产生的预热将用于预烘培及低温烘培，节约能源。
8.一种权利要求4-5任一所述的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝的制备方法，包括以下步骤：
装料，进行真空感应炉冶炼，精锻锻造开坯并轧制成材，再退火处理并进行粗拉和精拉工序，拉拔到所需要求后进行镀铜工序，合格后进行卷绕并包装。
9.根据权利要求9所述的的焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊丝的制备方法，其特征在于：所述原料为低S、P精钢材、金属Cr、金属Mn合金料，优选精炼期温度控制1600～1650℃，真空度≤1Pa,保持时间大于40分钟(包括搅拌时间)。优选开锻温度≥1000℃，优选终锻温度≥900℃。优选轧制高线出口温度按1000-1050℃控制，吐丝温度按≥950℃控制，随时监控退火温度(700-800℃)，拉拔采用钠系伸线粉，其线径偏差±0.05mm，椭圆度≤0.03mm；焊丝铜膜厚度控制在0.2-0.6μm。
10.一种超低温高锰钢的焊接方法，该方法采用权利要求1-3任一所述的焊剂和权利要求4-5任一所述的焊丝，所述高锰钢锰含量大于13，该焊接方法进行-196℃超低温冲击韧性。
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