CN110102933A - 一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂及其制备方法，属于焊接材料领域，所述熔炼焊剂按照重量份数计，包含的焊剂组分及其配比分别为：硅灰石45~47份，CaF215~17份，大理石25~27份，钾长石12~15份，ZrO25‑7份，MgO 5~7份，锰矿0.1~0.5份和BaO2.5~5份。制造过程为：配料‑熔炼‑粒化‑破碎筛分‑烘干‑包装，其中焊剂颗粒度10‑80目。本发明焊剂具有抗吸潮性好的特点，与符合ASMEⅡSFA‑5.14的ERNiCrMo‑4镍基光焊丝匹配使用，焊接工艺性、焊缝力学性能均良好，熔敷金属超低温韧性稳定、优良，抗热裂纹敏感性好。

Description

一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料领域，具体地，涉及一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，由于陆上石油资源的迅速锐减，海洋油气开发已成为我国能源开发的热点。
天然气作为一种清洁能源越来越受到重视，近年来LNG（液化天然气）项目蓬勃发展，目前，国内规划有多个LNG项目工程，9Ni钢以其优良的低温韧性和良好的焊接性被认为时制造低温压力容器的优良材料，LNG储罐的内罐材料无一例外的都采用了9Ni钢。
对于9Ni钢的焊接，国内相关研究起步较晚，目前积累了一些经验，但尚需进一步完善和提高。9Ni钢埋弧接用焊接材料以ERNiCrMo-4为主，目前处于全部依靠进口，国内哈焊所、京群、安泰科技等单位虽然开展了相关研究，但还没有成熟的产品。
迄今为止，适用于要求较高低温冲击韧性9Ni钢配套的埋弧焊剂相关的专利并不多，检索到的有以下几个：（1）一种9Ni钢用烧结焊剂及其制造方法（申请号201010292568.7），该发明专利渣系、配套焊丝、适用范围及熔敷金属性能，与本专利所描述的均不一样；（2）一种9Ni钢用烧结焊剂及其制造方法（申请号201610777221.9），该发明属烧结焊剂，其渣系与本专利所描述的不一样。最主要的，上述专利中以及现有市场上存在的焊剂都存在焊接镍基合金时易出现气孔、脱渣性不够理想的缺陷。
发明内容
为了解决野外施工工程中烧结焊剂在焊接镍基合金时易出现气孔、脱渣性不够理想的技术问题，本发明的目的一在于提供一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，目的二在于提供制备所述9Ni钢焊接用熔炼焊剂的方法。本发明在现有技术的基础上对原材料进行了改进，同时结合特定的制备方法制备，使得制备的9Ni钢焊接用熔炼焊剂抗吸潮性好，解决了烧结焊剂在焊接镍基合金时易产生气孔、脱渣性不理想的问题，更适合野外工程的焊接作业；其是一种工艺性较好、低温韧性优良、适用于9Ni钢储罐埋弧平焊、横焊的熔炼焊剂。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，按照重量份数计，包含的焊剂组分及其配比分别为：硅灰石：45~47份，CaF2：15~17份，大理石：25~27份，钾长石：12~15份，ZrO2：5-7份，MgO： 5~7份，锰矿：0.1~0.5份和BaO：2.5~5份。
作为对上述方案的进一步优化，所述CaF2以萤石的形式，ZrO2以二氧化锆的形式，MgO以轻烧镁砂的形式，BaO以碳酸钡的形式。
作为对上述方案的更进一步优化，所述碳酸钡的质量份数为3.2-6.5份。
作为对上述方案的进一步优化，所述硅灰石的粒度为8目，所述萤石的粒度为8目，所述大理石的粒度为8目，所述钾长石的粒度为40目，所述二氧化锆的粒度为10目，所述轻烧镁砂的粒度为8目，所述锰矿的粒度为40目，所述碳酸钡的粒度为40目。
本发明还提供上述9Ni钢焊接用熔炼焊剂的制备方法，包括以下步骤：（1）按照组分配比取各原料，备用；（2）将各原料放入熔炼炉中进行熔炼，熔炼电路电流不超过2700A；（3）水冷粒化；（4）粒化好后，在300-400℃条件下烘干；（5）机械破碎和筛分，使得粒度为10-80目，得成品熔炼焊剂；（6）包装、入库。
作为对上述方案的更进一步优化，所述烘干后的焊剂含水量不超过0.1%。
有益效果：
1、本发明开发出一种与符合ASMEⅡSFA-5.14的ERNiCrMo-4镍基光焊丝匹配，抗吸潮性好，工艺性较好，低温韧性优良，适用于9Ni钢储罐埋弧平焊、横焊的熔炼焊剂。所述熔炼焊剂在原材料的选择和规格上进行了改进，选用一定规格的硅灰石、萤石、大理石、钾长石、二氧化锆、轻烧镁砂、锰矿和碳酸钡作为原材料，成品焊剂成型前进行机械粉碎和筛分，主张将10-80目之间的焊剂颗粒作为成品焊剂，颗粒粒径过大将会使焊接过程不稳定，粒径过小则对工况条件下的焊接过程有不利影响。上述在现有技术上所作的改进，使得制备的熔炼焊剂与烧结焊剂相比，具有抗吸潮性好，解决了烧结焊剂在焊接镍基合金时易产生气孔、脱渣性不理想的问题，更适合野外工程的焊接作业，且成本较低，具有较大的市场推广前景和良好的经济效益。
2、焊剂工艺性良好，在较宽的工艺规范下，电弧稳定，脱渣容易，焊道成型美观。
3、焊剂生产适应性良好，焊剂颗粒度均匀。
4、与ERNiCrMo-4镍基光焊丝配合，熔敷金属成分稳定，屈服强度、抗拉强度、延伸率和-196℃夏比冲击功等性能均较优，可满足超低温服役9Ni钢的焊接。
5、与ERNiCrMo-4镍基光焊丝配合，熔敷金属抗热裂纹敏感性优。
6、可适用与直流、交流两种电极性模式的施焊，焊缝成型良好。
7、适用于埋弧平焊、横焊位置焊接，横焊位置焊接焊道间融合良好，焊缝成型良好。
本专利所述焊剂还具有以下特点：
（1）在原材料选择方面，尽量选用P、S等杂质元素含量较低的原材料，以减少S、P质向熔敷金属中的过渡，提高熔敷金属的纯净度，有利有提高其低温韧性。
（2）采用碱性氧化物CaF2-MgO-CaO-SiO2为主要原材料的碱性焊剂。该渣系的特点是碱度高，能有效降低焊缝金属非金属夹杂物的含量，降低焊缝金属氧含量，提高其低温韧性。
（3）焊剂原材料中含有一定量的二氧化锆。主要起到可以改善脱渣性的作用。
（4）与烧结焊剂相比，具有抗吸潮性好，解决了烧结焊剂在焊接镍基合金时易产生气孔、脱渣性不理想的问题，更适合野外工程的焊接作业。
焊剂中组分的设计依据如下：
硅灰石在熔炼过程中高温分解，分解产物主要为SiO2和CaO，二者的主要作用如下：
SiO2是一种酸性物质，主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，对焊缝的成型非常重要。本发明研究结果表明SiO2加入量过多时，焊缝金属增硅较严重，焊缝金属强度增加，导致焊缝金属低温韧性下降，但SiO2过低时会导致焊缝成型不良。
CaO是一种强碱性氧化物、为熔渣主要组成部分。可调节熔渣碱度，并且能有效提高焊剂抗大电流能力，改善熔渣表面张力和界面张力。本发明研究结果表明过多的CaO会降低熔渣的流动性，使焊缝铺展性变差；过低的CaO导致焊剂碱度下降，会降低焊缝金属的低温韧性。
CaF2是碱性氧化物，在焊剂中属于造渣剂和稀释剂。熔融状态的CaF2流动性较好，可以降低熔渣的粘度、熔点和表面张力，提高熔渣的流动性。另外，CaF2对降低焊缝金属的扩散氢作用也比较明显。
大理石高温分解产物主要为CO2和CaO，其中CO2以气体形式溢出的过程有一定的搅拌作用，促进熔炼产品的均匀性。
钾长石含有一定低电离能的钾、钠元素，主要起到稳定焊接电弧的作用。
ZrO2是一种酸性氧化物，具有负的线膨胀系数。在冷却过程中体积变化，对渣壳顺利剥离有正面作用，并且ZrO2可以调节渣池粘度，改善焊道成型，同时可以向焊缝金属中过渡一定量的Zr，提高熔敷金属的低温韧性。
MgO是一种强碱性氧化物，在碱性渣系中，它可以提高焊缝金属的冲击韧性。本发明研究结果表明MgO的含量不能超过33份，过多的MgO会增加熔渣的粘度，提高熔渣的凝固温度，降低熔渣的流动性，严重影响焊缝的成型性。但MgO含量不能低于23份，过低的MgO一方面会造成焊剂熔点过低，导致焊缝成型不良，一方面会造成熔渣碱度过低，导致焊缝金属的低温韧性下降。
锰矿主要是MnO可以确保焊接过程中Mn的浓度，确保熔敷金属中金属锰的成分符合要求。
碳酸钡高温熔炼过程分解为CO2和BaO，BaO有利于改善焊接过程渣壳的脱落。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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：
根据本发明设计组分含量，配制了3种粉料，按照本发明所述的制备工艺制备实验焊剂，具体配比见表1，需注意的是本发明并不局限于这些实施例。
表1实施例成分配比（wt% ）
将上述组分制成的焊剂进行检测，在焊接试验前将焊剂经过250℃~300℃烘焙2小时，然后分别匹配ERNiCrMo-4埋弧焊丝，以Φ2.4mm焊丝为例，焊接工艺参数为：焊接电源直流反接，焊接电流320~350A，焊接电压28~30V，道间温度100~150℃，测试结果如表2～表3所示。
表2实施例焊剂匹配ERNiCrMo-4焊丝熔敷金属化学成分（wt%）
表3实施例焊剂匹配ERNiCrMo-4焊丝熔敷金属力学性能
实施例 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/% Akv /J(-196℃)
实施例1 460 713 51.5 100、106、105
实施例2 453 712 48.8 103、102、98
实施例3 467 704 49.5 126、113、102
将上述3份实施例焊剂各100克放置在相对湿度为80%，温度为25℃环境下，吸潮12小时后，进行150℃烘干失重试验，试验结果如表4。
表4 焊剂吸潮性测试
有表2-4可知，本发明所提出的焊剂工艺性能优良，扩散氢低，抗吸潮性好，适合野外焊接工程的作业解决了野外施工情况下，烧结焊剂焊接镍基合金时易出现气孔现象的技术问题。焊剂与实心焊丝ERNiCrMo-4配合，可满足低温深冷条件下服役的9Ni钢平焊及横焊位置的焊接。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，其特征在于：按照重量份数计，包含的焊剂组分及其配比分别为：硅灰石：45~47份，CaF2：15~17份，大理石：25~27份，钾长石：12~15份，ZrO2：5-7份，MgO： 5~7份，锰矿：0.1~0.5份和BaO：2.5~5份。
2.根据权利要求1所述的一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，其特征在于：所述CaF2以萤石的形式，ZrO2以二氧化锆的形式，MgO以轻烧镁砂的形式，BaO以碳酸钡的形式。
3.根据权利要求2所述的一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，其特征在于：所述碳酸钡的质量份数为3.2-6.5份。
4.根据权利要求2所述的一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂，其特征在于：所述硅灰石的粒度为8目，所述萤石的粒度为8目，所述大理石的粒度为8目，所述钾长石的粒度为40目，所述二氧化锆的粒度为10目，所述轻烧镁砂的粒度为8目，所述锰矿的粒度为40目，所述碳酸钡的粒度为40目。
5.根据权利要求1-4任意一种所述的一种9Ni钢焊接用熔炼焊剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）按照组分配比取各原料，备用；（2）将各原料放入熔炼炉中进行熔炼，熔炼电路电流不超过2700A；（3）水冷粒化；（4）粒化好后，在300-400℃条件下烘干；（5）机械破碎和筛分，使得粒度为10-80目，得成品熔炼焊剂；（6）包装、入库。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述烘干后的焊剂含水量不超过0.1%。
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