CN109926758B

CN109926758B - 一种铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN109926758B
Application number: CN201811303847.1A
Authority: CN
Inventors: 马长权; 杨华; 沈立; 季珺馨
Original assignee: Shanghai Jihaowang Shipbuilding Science & Technology Development Co ltd
Current assignee: Shanghai Jihaowang Shipbuilding Science & Technology Development Co ltd
Priority date: 2018-11-03
Filing date: 2018-11-03
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2038-11-03
Also published as: CN109926758A

Abstract

本发明公开的一种用于焊接化学品运输船的铁素体‑奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂(简称F‑A)，由焊料和钾钠水玻璃制备而成，其中焊料由Al₂O₃、CaF₂、BaF₂、MgO、SiO₂、TiO₂、K₂O、硅铁、锰铁、钼铁混合而成。本发明还公开了上述化学品运输船用F‑A双相不锈钢埋弧烧结焊剂的制备方法。本发明的组分配方焊缝金属力学性能良好，‑20℃低温冲击韧性高，尤其是铁素体与奥氏体比例能稳定保持在1:1左右，抗腐蚀性能优良；焊接电弧稳定、无烟尘，坡口内脱渣良好，焊缝成形美观，焊道过渡平滑整齐。

Description

一种铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧烧结焊剂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及化学品船体内壳建造高效埋弧焊接技术领域，尤其是双相钢与双相钢的埋弧自动焊工艺所使用的焊剂。特别涉及一种化学品船用铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂及其制备方法。

背景技术：

随着化学工业的发展，尤其是石油化学工业的兴起，所需的原料及其产品的运输量日益增加。化学品船，就是用于运载除石油、成品油及气体以外的各种有毒、易燃、易挥发或有腐蚀性化学物质的液货船。第一代散装化学品船是四十年代末期美国由普通油轮改装而成，无论从货仓结构还是内舱材质来说，都没有脱离普通油轮的影子；第二代化学品船出现在六十年代，是由成品油轮改造而成，采用分隔式的货舱，应用舱壁涂层工艺，使装运散装化学品的适应性进一步扩大。到了七十年代，液体化学品货运量和货种不断增加，对货舱结构材料提出了更高的要求，才开始专门设计、建造了化学品运输专用船，其中有1/3到1/2的中央液货舱采用了不锈钢建造，从而扩大了使用范围；第四代化学品船，出现在八十年代中期，其主要特点是：载货吨位大、货舱分隔较密、货舱70％采用了高强度不锈钢材料、设有先进的控制、加热、透气、检测、警报及惰性气体系统，具有更大的灵活性和更好的营运性能。

从化学品船的发展历程来看，化学品船的更新换代主要取决于货舱结构及内壁材质的优化。化学品船所盛物质多具有强烈的腐蚀性，当使用涂层工艺改善货舱内壁耐酸耐蚀性时，同一涂层只能适应某种或某几种液货，大大限制了化学品船的适应范围，因此现代先进的化学品船货舱内壁和管系多采用不锈钢。由于双相不锈钢兼具普通奥氏体不锈钢良好的耐蚀适应性和碳钢较高的强韧性，成为了化学品船货舱内壁的首选用材。双相不锈钢的高效焊接技术也因此成为了建造化学品船的关键技术。

目前，国内用于建造化学品船的双相不锈钢已基本国产化，其中山西太钢不锈钢股份有限公司生产的S32205是应用最广的铁素体-奥氏体双相钢不锈钢种；然而，对应该钢种的焊接材料还基本依赖进口，导致国内化学品船建造成本居高不下。尤其是，一种高效埋弧烧结焊剂，完全处于国外垄断，进口价格高达每吨数十万元。因此，双相不锈钢用高效埋弧烧结焊剂的国产化研制意义非凡。

双相钢高效埋弧焊接技术的难点在于：

双相钢中合金含量高，焊接熔池易产生较多中间相导致焊缝粘渣，脱渣困难；同时，较大的热输入量易使合金元素烧损，焊缝金属中铁素体与奥氏体的双相比例发生较大变化，焊接接头力学性能降低及抗腐蚀性能恶化，尤其是抗晶间腐蚀性能差；与碳钢相比，双相不锈钢具有较大热膨胀系数及更低的热传导率，在高效焊接过程中，输入的热量易聚集在焊缝周围，形成很陡的热梯度，使焊接变形加重，对于超标的焊接变形，由于害怕导致有害相的析出而无法采取碳钢常用的热矫形。

因此，研制出一种埋弧烧结焊剂，既能确保脱渣好、焊接变形小、焊缝美观等优良的焊接工艺性能，又能改善接头力学性能及抗腐蚀性能，是解决双相不锈钢高效埋弧焊接技术的关键。

发明内容

本发明所要解决的关键技术问题之一在于克服技术壁垒、打破国外垄断，提供一种铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，并匹配国产双相不锈钢埋弧焊丝，替代AVESTA公司805系列埋弧烧结焊剂，满足国内建造化学品船用双相不锈钢所有厚度(8mm～22mm)的埋弧焊接工艺要求,确保获得优良的焊接接头力学性能、稳定的双相组织及耐腐蚀性能；同时，焊接接头各项性能指标均满足船级社规范要求。

本发明所要解决的关键技术问题之二在于提供上述双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂的制备方法。

本发明所要解决的关键技术问题可以通过以下技术方案来实现：本发明的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，以氧化铝(Al₂O₃)和(CaF₂、BaF₂)作为主要成分，总含量高达70％以上；焊剂配方中较高的氧化铝含量，使得熔渣凝固时间较短，且利于焊缝金属性能与焊接工艺性之间取得最佳平衡；焊剂配方中氟含量较高，提供了良好的熔渣浸润性、脱渣性及焊缝表面外观，与单一的铝酸盐基型相比，此配方焊剂可以适应较大焊接参数范围，尤其是比较适应较大的焊接电压；同时此焊剂配方中加入少量合金粉，保护焊接熔池，减少合金元素烧损，稳定焊缝金属化学成分，确保奥氏体与铁素体两相组织比例的稳定性。

同时，本发明的铁素体奥氏体双相不锈钢用埋弧烧结焊剂，由焊料和焊料重量的20％钾钠水玻璃(钾钠比为1:1，模数2.8，波美度40～45)制备而成，其中所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 35～47％；CaF₂ 30～40％；BaF₂ 3～6％；MgO 5～12％；SiO₂ 2～5％；TiO₂ 1～3％；K₂O 0.5～1.5％；硅铁1～2％；锰铁1～2％；钼铁1～1.5％。

在本发明的一个优选实施例中，所述硅铁为Si％≥75％，S≤0.02％，P≤0.04％,余量为Fe粉。

在本发明的一个优选实施例中，所述锰铁为Mn％≥80％，S≤0.02％，P≤0.3％,余量为Fe粉。

在本发明的一个优选实施例中，所述钼铁为Mo％≥45％，S≤0.15％，P≤0.1％，余量为Fe粉。

在本发明的一个优选实施例中，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 47％；CaF₂ 35％；BaF₂ 5％；MgO 5％；SiO₂ 2％；TiO₂ 1％；K₂O 0.5％；硅铁2％；锰铁1％；钼铁1.5％。

在本发明的一个优选实施例中，所述焊料由以下质量百分比的原料制混合而成：

Al₂O₃ 35％；CaF₂ 40％；BaF₂ 6％；MgO 8％；SiO₂ 4％；TiO₂ 3％；K₂O 1％；硅铁1％；锰铁1％；钼铁1％。

Al₂O₃ 42％；CaF₂ 30％；BaF₂ 3％；MgO 12％；SiO₂ 5％；TiO₂ 2％；K₂O 1.5％；硅铁1.5％；锰铁2％；钼铁1％。

本发明的所述的铁素体奥氏体双相不锈钢用埋弧烧结焊剂的生产方法，包括如下步骤：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～48目，再于高温炉中进行750～780℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有密封防潮性能好、储存运输过程抗破坏强度高的铁桶中供焊接生产使用。

本发明的有益效果是：本发明焊剂匹配国产双相钢焊丝,用于铁素体-奥氏体双相不锈钢的埋弧焊接，可以完全替代进口同类产品，满足建造化学品船用铁素体奥氏体双相不锈钢所有板厚的埋弧焊接工艺的要求，达到各船级社规范对焊接接头的理化评定标准，大大降低了国产双相不锈钢化学品船对进口焊材的依耐及建造成本。

本发明焊剂中含有高含量的氧化铝及氟化物(Al₂O₃+CaF₂+BaF₂＞70％)，较高含量的氧化铝具有能最佳平衡焊缝金属性能和可焊性的特点：如液态熔渣含氧量适中，利于获得良好的焊缝金属韧性；液态熔渣粘度高、凝固温差范围窄，利于获得良好的焊缝外观、高焊接速度和非常好的脱渣性；由于氟化物(CaF₂、BaF₂)的大量加入，液态熔池中产生大量的可挥发性气体(四氟化硅SiF₄↑、氟化氢HF↑)，有利于液态熔池的充分搅拌，使焊缝金属成分均匀，同时还能带走大量的热能，降低焊缝组织粗大的风险；此外，四氟化硅气体的挥发，有利于焊缝金属中Si含量维持在较低水平，应用于多种埋弧焊接工艺而无增硅现象；氟化氢气体的挥发，有利于降低焊缝金属中扩散氢[H/H+/H-]含量，改善焊缝金属机械性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的焊接接头型式示意图。

图2为本发明实施例2的焊接接头型式示意图。

图3为本发明实施例3的焊接接头型式示意图。

图4为本发明实施例2的表面焊缝效果示意图。

图5为本发明实施例2的坡口内焊缝效果示意图。

具体实施方式

各实施例的焊剂，由焊料和焊料重量的20％钾钠水玻璃(钾钠比为1:1，模数2.8，波美度40～45)制备而成，其中所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成，具体制备方法如下：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入钾钠水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～48目，再于高温炉中进行750～780℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有密封防潮性能好、储存运输过程中抗破坏强度高的铁桶中供焊接生产使用。

各实施例的焊料和衬垫焊料重量配比如表1所示：

表1

采用本发明实施例1至3所得的埋弧烧结焊剂，匹配国产双相不锈钢埋弧焊丝进行焊接试验，详细试验情况如下：

实施例1至3中的硅铁为Si％≥75％，S≤0.02％，P≤0.04％,余量为Fe粉，锰铁为Mn％≥80％，S≤0.02％，P≤0.3％,余量为Fe粉，钼铁为Mo％≥45％，S≤0.15％，P≤0.1％，余量为Fe粉。

试验用埋弧焊接设备如表2所示：

表2

设备名称	焊机型号	数量	生产厂家
				埋弧焊接设备	MZ-1250(DC)	1台	上海施威焊接产业有限公司

焊丝成分

国产双相不锈钢埋弧焊丝规格及成分如表3所示：

表3

试验用钢板

试验用双相不锈钢板的等级及规格如表4所示：

表4

焊接试验规范

焊接试验规范如表5所示：

表5

机械性能试验结果

焊接接头力学性能测试结果如表6所示：表6

焊缝中心化学成分检测

焊缝中心化学成分检测结果如表7所示：

表7

试验编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
									实施例1	0.014	0.63	1.43	0.021	0.007	22.05	7.93	2.92
实施例2	0.015	0.65	1.37	0.020	0.004	22.34	7.99	3.0
									实施例3	0.017	0.67	1.35	0.021	0.006	22.12	7.20	3.0

焊缝接头组织分析及腐蚀试验结果

焊缝接头组织分析及腐蚀试验结果如表8所示：

表8

工艺性能试验结果

按照表5的焊接规范，对本发明实施例2施焊15mm钢板的焊接工艺性能进行对比试验。焊缝外观质量对比如表9所示：

表9

试验结果分析

据表6知，本发明运用于双相不锈钢S32205的埋弧焊接，无论是8mm薄板不开坡口的双道焊，还是“Y型”或“X型”的坡口焊，均能获得良好的机械性能，满足船级社对该类双相不锈钢焊材的评定要求。重点考核的-20℃低温冲击吸收功及延伸率均能稳定在一个比较合适的范围，且具有较大的富余量。由表9知，最难操作的深坡口内的焊接，也能获得良好的脱渣性能及焊缝成型。由表3、4、7知焊缝金属主要合金元素Cr、Ni、Mo均与母材相当，尤其是Ni含量，由于匹配了较母材含Ni量更高的焊丝，使得焊缝含Ni量有增无减，确保了表8所示焊缝金属中铁素体与奥氏体含量的均衡、稳定；同时，经过多层多道焊之后，焊缝金属Si含量也没有明显变化。

以上试验结果表明：本发明焊剂中含有百分比大于70％的氧化铝及氟化物，不仅能获得优良的焊接工艺性能、焊接接头力学性能，还能获得稳定的焊缝金属化学成分及两相组织，使得焊接接头具有较强的抗腐蚀性能。由于氟化物的大量加入，焊接过程产生大量的可挥发性四氟化硅、氟化氢等气体，使焊缝金属成分均匀，焊缝组织致密，扩散氢含量低，进一步确保了焊缝金属优良的机械性能与抗腐蚀性能

本发明能应用于国内外各造船厂的双相钢化学品船的建造，适用于包括S3 2205等级在内的所有铁素体奥氏体双相不锈钢板的埋弧对接焊工艺，钢板厚度范围由焊接工艺方案而定，不受焊接材料的影响。

Claims

1.铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，由焊料和焊料重量的20%钾钠水玻璃制备而成，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 35～47%；CaF₂ 30～40%；BaF₂ 3～6%；MgO 5～12%；SiO₂ 2～5%；TiO₂ 1～3%；K₂O0.5～1.5%；硅铁 1～2%；锰铁 1～2%；钼铁 1～1.5%；

其中，Al₂O₃的质量、CaF₂的质量、BaF₂的质量之和在焊料中的占比＞70%。

2.如权利要求1所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其中所述钾钠水玻璃钾钠比为1:1，模数2.8，波美度40～45。

3.如权利要求1所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述硅铁为Si%≥75%，S≤0.02%，P≤0.04%,余量为Fe粉。

4.如权利要求1所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述锰铁为Mn%≥80%，S≤0.02%，P≤0.3%,余量为Fe粉。

5.如权利要求1所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述钼铁为Mo%≥45%，S≤0.15%，P≤0.1%，余量为Fe粉。

6.如权利要求1至5任一项权利要求所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 47%；CaF₂ 35%；BaF₂ 5%；MgO 5%；SiO₂ 2%；TiO₂ 1%；K₂O 0.5%；硅铁 2%；锰铁 1%；钼铁 1.5%。

7.如权利要求1至5任一项权利要求所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 35%；CaF₂ 40%；BaF₂ 6%；MgO 8%；SiO₂ 4%；TiO₂ 3%；K₂O 1%；硅铁 1%；锰铁 1%；钼铁 1%。

8.如权利要求1至5任一项权利要求所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 42%；CaF₂ 30%；BaF₂ 3%；MgO 12%；SiO₂ 5%；TiO₂ 2%；K₂O 1.5%；硅铁 1.5%；锰铁2%；钼铁 1%。

9.权利要求1至5任一项权利要求所述的铁素体-奥氏体双相不锈钢用埋弧焊烧结焊剂的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入钾钠水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200～300℃低温烘干，干燥后的焊剂过筛至12～48目，再于高温炉中进行750～780℃高温烧结，最后经分筛、冷却，装入具有防潮功能的铁桶中供焊接生产使用。