CN109759745B

CN109759745B - 一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条

Info

Publication number: CN109759745B
Application number: CN201910065134.4A
Authority: CN
Inventors: 王志银; 付红亮; 姚立春
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109759745A

Abstract

本发明公开了一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，属于焊接材料领域，该焊条由焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮两部分组成，所述药皮包含如下重量百分比的组分：25%‑40%的钛白粉、15%‑30%的正长石、11%‑15%的氟石粉、8%‑9%的云石、0.1%‑0.4%的氧化铋、1.3%‑2.5%的稳弧剂、6.3%‑8.5%的脱氧剂、4%‑10%的造渣剂和4.6%‑15.3%的合金剂。焊接不锈钢压力容器时可采用该焊条配合180A电流进行焊接，而且焊接过程中药皮不发红，药皮不开裂，焊缝成型良好。

Description

一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体的说是一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条。

背景技术

不锈钢压力容器广泛应用于石化、核电、火电、化工等领域，一般都需要承受高温高压。在不锈钢压力容器接头、法兰以及形状不规则的位置或者压力容器存在缺陷返修补焊时，一般会采用与母材匹配的不锈钢焊条进行焊接。采用不锈钢焊条进行压力容器焊接时，增大焊接电流能提高焊接速度，焊工为尽快完成任务，有时使用的焊接电流会超出焊条所允许的电流，但当焊接电流过大时，焊条温度急剧升高，容易出现药皮发红，焊条尾部开裂等问题，从而使焊条的焊接工艺性能严重恶化，焊条尾部不能使用而直接废弃，造成焊材的浪费。

现有技术中为解决焊条能够承受大电流焊接的问题，授权公告号为CN104400245B的专利中采用将焊条的焊芯由传统的不锈钢变为碳钢盘条，药皮成分随碳钢焊芯作相应的调整。但是当修复压力不锈钢容器缺陷时，通常会选用与母材一致地焊接材料进行焊接，选用碳钢焊芯材料修复时由于与母材不一致，往往会出现裂纹或开裂情况。因此，有必要寻找一种适用于不锈钢压力容器大电流焊接的焊接材料。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种可采用180A的大电流进行焊接，且焊接过程中药皮不发红，药皮不开裂，焊缝成型良好的不锈钢压力容器用焊条。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，由焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮两部分组成，所述药皮包含如下重量百分比的组分：25％-40％的钛白粉、15％-30％的正长石、11％-15％的氟石粉、8％-9％的云石、0.1％-0.4％的氧化铋、1.3％-2.5％的稳弧剂、6.3％-8.5％的脱氧剂、4％-10％的造渣剂和4.6％-15.3％的合金剂。

优选地，所述药皮包含如下重量百分比的组分：36％的钛白粉、17％的正长石、12％的氟石粉、9％的云石、0.3％的氧化铋、2％的稳弧剂、8.5％的脱氧剂、5％的造渣剂和10.2％的合金剂。

优选地，所述稳弧剂由77％-80％的脱水云母和20％-23％的纯碱混组成；其中，脱水云母的化学成分为：Na₂O+K₂O≥7％，SiO₂45-55％，Al₂O₃25-35％，S≤0.03％，P≤0.04％；纯碱的化学成分为：Na₂CO₃≥98.0％。

优选地，所述脱氧剂由47％-47.6％的微碳铬铁、47％-47.6％的金属锰和4.7％-6％的氟化稀土混合而成；其中，微碳铬铁的化学成分为：Cr60-70％，S≤0.03％，P≤0.03％；金属锰的化学成分为：Mn≥99.8％，S≤0.04％，P≤0.04％；氟化稀土的化学成分为：ReO≥45％，F≥26％。

优选地，所述氟化稀土为氟化铈。

优选地，所述造渣剂由20％-25％的锆砂、30％-50％的磁铁矿和25％-50％的锰矿组成；锆砂的化学成分为：ZrO₂≥60％，SiO₂≥32％，S≤0.05％，P≤0.22％；磁铁矿的化学成分为：SiO₂45-55％，Al₂O₃25-35％，K₂O+Na₂O≥7.0％，S≤0.010％，P≤0.010％；锰矿的化学成分为：∑Mn≥45％，S≤0.10％，P≤0.10％。

优选地，所述合金剂由10.8％-13％的金属镍、43％-52％的金属铬、43％-32％的氧化铬绿和2％-3％的钼铁组成；其中，金属镍的化学成分为：Ni99.4％，S≤0.010％，P≤0.010％；金属铬的化学成分为：Cr≥99.0％，C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％；氧化铬绿的化学成分为：Cr₂O₃≥95.0％，S≤0.04％，P≤0.04％；钼铁的化学成分为：Mo≥55.0％，S≤0.10％，P≤0.08％，C≤015％。

优选地，钛白粉的化学成分为：TiO₂≥95.0％，S≤0.010％，P≤0.010％；正长石的化学成分为：Na₂O+K₂O≥12％，SiO263-73％，Al₂O₃15-24％，S≤0.04％，P≤0.04wt％；云石的化学成分为：CaCO₃≥98.0％，S≤0.010％，P≤0.010％；氟石粉的化学成分为：CaF₂≥95.0％，SiO₂≤1.00％，S≤0.010％，P≤0.010％；氧化铋的化学成分为：Bi₂O₃>99.9％。

优选地，所述焊芯采用ER308L焊丝，ER308L焊丝的化学成分为：C≤0.03％，Mn1.0-2.5％，Si0.3-0.65％，S≤0.03％，P≤0.03％，Cr 19.5-22.0％，Ni 9.0-11.0％。

优选地，焊条是在由药皮各组分按比例组成的混合物中加入粘结剂混合均匀后，和焊芯一起置于焊条压涂机上压涂而成的；其中，所述粘结剂以药皮总重为100％计，其加入量为药皮总重量的15-20％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，钾钠水玻璃的模数为2.4，波美度为46-48°Be′，化学成分为：Na₂O+K₂O≥12％，SiO₂≥25％，S≤0.005％，P≤0.005％。

本发明一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条中药皮配方的设计原理如下：

钛白粉是TiO₂的主要来源，是保证酸性焊条良好工艺性能必不可少的组分，提高其含量可以提高焊条的电弧稳定性、脱渣性能，且易于获得短渣，提高焊条全位置焊接适应性。

正长石的作用是稳弧、造渣。适量的正长石有利于脱渣，当正长石含量过多时，焊条端部容易出现局部熔蚀现象，并呈圆珠状四处飞溅，焊条发红严重，熔渣粘度显著下降，促使焊缝成形变坏以及脱渣困难等。本发明选择的配比有效地考虑了这一因素。

云石的主要作用是造渣和造气，其次还能稳弧和脱硫。

氟石粉的主要成分为CaF₂，为强稀释剂，使焊缝中气体易于逸出，能脱硫，减少氢白点倾向，能造渣。

氧化铋的作用是提高焊缝金属的脱渣性。

稳弧剂的作用是改善焊条的引弧功能，并提高电弧燃烧稳定性，并使电弧易于引燃。其中，脱水云母有利于焊条的压涂生产，可增加药皮的透气性，能阻止药皮开裂及发红，还能防止焊条烘干时开裂，但脱水云母过多则容易造成断弧，并易引起飞溅。纯碱具有稳弧作用，改善焊接工艺性，且能促进熔滴过渡，降低药皮温升开裂倾向。

脱氧剂的作用是对熔渣和焊缝金属脱氧。其中，微碳铬铁能保证焊缝熔敷金属的纯净度。金属锰在作为脱氧剂的同时，也能向熔敷金属中过渡锰元素，金属锰氧化时放出大量热能，提高熔池温度，有利于冶金反应。氟化稀土能够去氢，消除氢气孔。

造渣剂的作用是能形成具有一定物理、化学性能的熔渣，产生良好的机械保护作用和冶金处理作用。其中，锆砂能调整熔渣的物理化学性能，改善焊缝金属的脱渣性，提高熔化熔点，锆砂中的二氧化锆在焊接过程中发生化学变化，引起熔渣热膨胀系数的改变，也有利于焊缝金属的脱渣。磁铁矿能够改善焊接工艺。锰矿不仅能改善焊接工艺，还能减少锰的烧损，改善整个熔渣界面张力，锰矿的用量范围比较窄，锰矿含量过多会使锰氧化热量突然迸发，气体迅速膨胀而造成巨大飞溅，并由于脱氧性过强而引起焊缝表面麻点严重和焊缝产生气孔，锰矿含量过少时会因熔池热量不够而至流动性差，对焊接操作及冶金反应不利，引起熔池焊缝脱氧不足和焊缝缺陷。

合金剂的作用是向焊缝金属中掺入必要的合金成分，以补偿已经烧损或蒸发的合金元素和补加特殊性能要求的合金元素。其中，金属镍粉是向熔敷金属中过渡镍元素，金属铬粉是向熔敷金属中过渡铬元素，氧化铬绿能够减少铬的烧损，钼铁是向熔敷金属中过渡钼元素。

有益效果：

如上所述，本发明的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，具有以下有益效果：

1：本发明中大电流焊接不锈钢压力容器用焊条的熔敷金属化学成分包括碳、硅、锰、铬、镍等元素，可进行180A的大电流的焊接，大大提高了焊接效率，同时在粘结剂的材料中选择粘结性更强的钾钠水玻璃，从而使药皮不容易从焊芯表面脱落下来，本发明制备的焊条可用于全位置焊接，且在大电流焊接过程中，焊条尾部不发红，药皮不开裂，节省了焊条的用量，焊条熔化速度均匀，飞溅小，焊缝成型美观。

2：本发明通过对稳弧剂的材料设置为脱水云母和纯碱，使焊条的稳弧性能更好，通过对造渣剂的材料设置为锆砂、磁铁矿和锰矿，从而起到保护作用，通过对脱氧剂的材料设置为微碳铬铁、金属锰和氟化稀土，使药皮的氧化性降低，从而使焊条的焊接效果更好。采用本发明的组分制备的焊条具有良好的焊接工艺性，焊接时电弧稳定，操作方便，焊缝成型好，脱渣容易。

3：采用本发明的组分制备的大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，采用该焊条焊接后试板进行热处理后的熔覆力学性能、侧弯试验及晶间腐蚀试验检验结果均合格。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，下面结合实施例和附表对本发明实施方案进行描述，但应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求范围的限制。

下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品。下面实施例中选用的原料为同一批次购买的，用以说明本发明制备的焊条的技术效果和优点。

在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比。

实施例1

药皮的组分为：36％的钛白粉，19％的正长石，13％的氟石粉，8％的云石，0.2％的氧化铋，1.5％的稳弧剂，7％的脱氧剂、5％的造渣剂和10.3％的合金剂。其中，稳弧剂包括占稳弧剂总重的77％的脱水云母和23％的纯碱。脱氧剂包括占脱氧剂总重的42％的微碳铬铁，50％的金属锰和8％的氟化稀土。造渣剂包括占造渣剂总重的20％的锆砂，40％的磁铁矿和40％的锰矿。合金剂包括占合金剂总重的9.7％的金属镍，58％的金属铬，29％的氧化铬绿和3.3％的钼铁。

按上述配比将药皮各组分混合搅拌均匀，加入药皮总重15％的钾钠水玻璃进行混合搅拌后和低碳的450mm长的ER308L焊丝一起在焊条压涂机上进行压涂，即制备出大电流焊接不锈钢压力容器用焊条。

实施例2

药皮的组分为：33％的钛白粉，16％的正长石，14％的氟石粉，9％的云石，0.3％的氧化铋，2％的稳弧剂，8.5％的脱氧剂、6％的造渣剂和11.2％的合金剂。其中，稳弧剂包括占稳弧剂总重的75％的脱水云母和25％的纯碱。脱氧剂包括占脱氧剂总重的47％的微碳铬铁，47％的金属锰和6％的氟化稀土。造渣剂包括占造渣剂总重的16％的锆砂，33％的磁铁矿和51％的锰矿。合金剂包括占合金剂总重的9％的金属镍，62.5％的金属铬，26％的氧化铬绿和2.5％的钼铁。

按上述配比将药皮各组分混合搅拌均匀，加入药皮总重20％的钾钠水玻璃进行混合搅拌后和低碳的450mm长的ER308L焊丝一起在焊条压涂机上进行压涂，即得到大电流焊接不锈钢压力容器用焊条。

实施例3

药皮的组分为：32％的钛白粉，17％的正长石，14％的氟石粉，8％的云石，0.3％的氧化铋，2％的稳弧剂，8％的脱氧剂、7％的造渣剂和11.7％的合金剂。其中，稳弧剂包括占稳弧剂总重的75％的脱水云母和25％的纯碱。脱氧剂包括占脱氧剂总重的37.5％的微碳铬铁，56.25％的金属锰和6.25％的氟化稀土。造渣剂包括占造渣剂总重的14％的锆砂，28％的磁铁矿和58％的锰矿。合金剂包括占合金剂总重的8.5％的金属镍，70％的金属铬，21％的氧化铬绿和0.5％的钼铁。

按上述配比将药皮各组分混合搅拌均匀，加入药皮总重15％的钾钠水玻璃进行混合搅拌后和低碳的450mm长的ER308L焊丝一起在焊条压涂机上进行压涂。

实施例4

药皮的组分为：36％的钛白粉，17％的正长石，12％的氟石粉，9％的云石，0.3％的氧化铋，2％的稳弧剂，8.5％的脱氧剂、5％的造渣剂和10.2％的合金剂。其中，稳弧剂包括占稳弧剂总重的75％的脱水云母和25％的纯碱。脱氧剂包括占脱氧剂总重的47％的微碳铬铁，47％的金属锰和6％的氟化稀土。造渣剂包括占造渣剂总重的20％的锆砂，40％的磁铁矿和40％的锰矿。合金剂包括占合金剂总重的9.8％的金属镍，58％的金属铬，29％的氧化铬绿和3.2％的钼铁。

按上述配比将药皮各组分混合搅拌均匀，加入药皮总重20％的钾钠水玻璃进行混合搅拌后和低碳的450mm长的ER308L焊丝一起在焊条压涂机上进行压涂。

实施例5

药皮的组分为：35％的钛白粉，18％的正长石，12％的氟石粉，9％的云石，0.3％的氧化铋，2％的稳弧剂，8.5％的脱氧剂、5％的造渣剂和10.2％的合金剂。其中，稳弧剂包括占稳弧剂总重的75％的脱水云母和25％的纯碱。脱氧剂包括占脱氧剂总重的47％的微碳铬铁，47％的金属锰和6％的氟化稀土。造渣剂包括占造渣剂总重的20％的锆砂，40％的磁铁矿和40％的锰矿。合金剂包括占合金剂总重的9.8％的金属镍，58％的金属铬，29％的氧化铬绿和3.2％的钼铁。

具体实验论证

(1)本发明的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，属于酸性焊条，其是由焊芯和焊条药皮两部分组成，实施例1-5中焊条药皮和焊芯的化学成分要求如表1和表2所示。

表1实施例1-5中焊条药皮各组分的粒度及化学成分要求

实施例1-5制备的焊条的焊芯采用低碳的长度为450mm的ER308L焊丝，ER308L焊丝的化学成分如表2所示。

表2实施例1-5中焊芯的化学成分要求

化学成分(％)

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

要求值

≤0.03

1.0-2.5

0.3-0.65

≤0.03

19.5-22.0

9.0-11.0

(2)将实施例1-5制备的焊条分别进行试板焊接，试板坡口、尺寸、取样方法与位置均按照中国国家标准GB/T983-2012《不锈钢焊条》进行，焊接规范(以Φ4.0mm焊条为例)：直流反接，焊接电流170～180A，150℃的预热和道间温度，焊接完成后再在热处理炉内按照690℃×22h的制度进行热处理。需要说明的是，不锈钢压力容器一般进行焊接后为消除焊接应力，防止裂纹出现，会进行热处理。因此，为使测试的实施例1-5制备的焊条的性能的结果更接近实际，本发明直接针对热处理后的试板进行熔敷金属化学成分和力学性能测试，检测结果分别如表3和表4所示。

表3实施例1-5制备的焊条的熔敷金属化学成分(％)

	C	Si	Mn	Cr	Ni	S	P	Mo	Cu
										实施例1	0.03	0.67	1.04	19.50	10.55	0.018	0.026	0.042	0.015
实施例2	0.031	0.68	1.06	19.85	10.50	0.017	0.025	0.0477	0.02
										实施例3	0.031	0.67	1.25	19.99	10.60	0.017	0.026	0.042	0.017
实施例4	0.034	0.71	1.00	19.97	10.51	0.012	0.02	0.042	0.021
										实施例5	0.029	0.67	1.12	19.87	10.61	0.010	0.021	0.045	0.017

表4实施例1-5制备的焊条的熔覆金属力学性能

	Rp<sub>0.2</sub>/MPa	Rm/MPa	延伸率A/％	焊接电流/A
					实施例1	465	551	38	180
实施例2	470	570	42	180
					实施例3	468	560	40	180
实施例4	472	575	44	180
					实施例5	473	565	42	180

(3)对实施例1-5制备的焊条根据中国国家标准《GBT2653-2008焊接接头弯曲试验方法》、《GBT4334-2008金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行熔敷金属侧弯以及晶间腐蚀试验，试验结果均合格，满足标准要求。

综上所述，本发明提供的这种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条焊接工艺性能优异，焊接过程中电弧稳定、飞溅小、脱渣性能好，可进行全位置焊接；而且其焊缝金属力学性能优异，熔敷金属侧弯及晶间腐蚀满足要求，适用于大电流焊接压力容器。由表4所示焊条的熔敷金属力学性能可知，实施例4制备的焊条的熔敷金属力学性能最优，实施例4制备的焊条的熔敷金属化学成分(如表3所示)中，C、Si、Cr的含量相对较高，而Mn、Ni的含量相对较低。因此，若想在权利要求限定的药皮各组分的范围内合理提高焊条的熔敷金属力学性能，可以通过改变药皮的组分而适当的增大或减少相应元素的比例。

以上对本发明所提供的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，由焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮两部分组成，其特征在于：所述药皮包含如下重量百分比的组分：36%的钛白粉、17%的正长石、12%的氟石粉、9%的云石、0.3%的氧化铋、2%的稳弧剂、8.5%的脱氧剂、5%的造渣剂和10.2%的合金剂；

所述稳弧剂包含占稳弧剂总重75%的脱水云母和占稳弧剂总重25%的纯碱；

所述脱氧剂包含占脱氧剂总重47%的微碳铬铁、占脱氧剂总重47%的金属锰和占脱氧剂总重6%的氟化稀土；

所述造渣剂包含占造渣剂总重20%的锆砂、占造渣剂总重40%的磁铁矿和占造渣剂总重40%的锰矿；

所述合金剂包含占合金剂总重9.8%的金属镍、占合金剂总重58%的金属铬、占合金剂总重29%的氧化铬绿和占合金剂总重3.2%的钼铁。

2. 根据权利要求1所述的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，其特征在于：钛白粉的化学成分以重量百分比计为：TiO₂≥95.0%，S≤0.010%，P≤0.010%；正长石的化学成分以重量百分比计为：Na₂O+K₂O≥12%，SiO₂ 63-73%，Al₂O₃ 15-24%，S≤0.04%，P≤0.04 wt%；云石的化学成分以重量百分比计为：CaCO₃≥98.0%，S≤0.010%，P≤0.010%；氟石粉的化学成分以重量百分比计为：CaF₂≥95.0%，SiO₂≤1.00%，S≤0.010%，P≤0.010%；氧化铋的化学成分以重量百分比计为：Bi₂O₃ >99.9%。

3. 根据权利要求1所述的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，其特征在于：所述焊芯采用ER308L焊丝，ER308L焊丝的化学成分以重量百分比计为：C≤0.03%，Mn 1.0-2.5%，Si 0.3-0.65%，S≤0.03%，P≤0.03%，Cr 19.5-22.0%，Ni 9.0-11.0%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种大电流焊接不锈钢压力容器用焊条，其特征在于：焊条是在由药皮各组分按比例组成的混合物中加入粘结剂混合均匀后，和焊芯一起置于焊条压涂机上压涂而成的；其中，所述粘结剂以药皮总重为100%计，其加入量为药皮总重量的15-20%，所述粘结剂为钾钠水玻璃，钾钠水玻璃的模数为2.4，波美度为46-48°Be´，化学成分以重量百分比计为：Na₂O+K₂O≥12%，SiO₂≥25%，S≤0.005%，P≤0.005%。