CN110508968A

CN110508968A - 一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条

Info

Publication number: CN110508968A
Application number: CN201910839494.5A
Authority: CN
Inventors: 周峙宏; 陈国栋; 成双
Original assignee: KUNSHAN GINTUNE WELDING CO Ltd
Current assignee: KUNSHAN GINTUNE WELDING CO Ltd
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: CN110508968B

Abstract

本发明公开了一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，采用CaO‑CaF₂‑TiO₂‑Zr₂O₃渣系配方，熔敷金属主要成分为9％Cr‑3％W‑3％Co。本发明具有优异单面焊双面成形焊接工艺性能，焊接时，焊条药皮会熔化形成一层薄渣渗透到工件背面，均匀覆盖于背面焊缝表面对焊缝起到保护避免氧化的作用，且清渣容易。在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下，熔敷金属的抗拉强度≥720MPa，熔敷金属延伸率和常温冲击性能特别优异≥150J，特别适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组背面免充氩单面焊双面成型打底需求。

Description

一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种背面免充氩单面焊双面成型 650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条。

背景技术

随着近年来国民经济的快速发展所带来的对电力的大量需求，相关部门和企业迫切需要提高电站建设和运行的效率、降低成本同时兼顾环境保护。提高火电机组的蒸汽温度参数是提高机组热效率和实现节煤减排的最重要措施。

在这种条件下发展超超临界锅炉机组已成为电站建设的主导方向。而耐热材料是制约火电机组向更高参数发展的主要“瓶颈”问题，ZL 201210574445.1“650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法”是钢铁研究总院开发的新型马氏体耐热钢G115，在620～650℃温度段具有优异的组织稳定性和持久强度，其持久强度是P92钢的1.5倍，同时其抗高温蒸汽氧化腐蚀性能优于P92钢，优良的性能将被应用于超超临界锅炉高温高压部件等领域。故其相匹配焊接材料的研发显得尤为重要。尤其是焊材需要和母材具有相同的高温持久强度、抗高温蠕变性能、抗高温烟气侧腐蚀性能、抗高温汽水介质氧化性能等，对研发工作提出更高要求。

在电站建设和锅炉安装过程中，管道与管道之间的连接是通过焊接实现的，因此焊接的工艺性及焊后熔敷金属的力学性能及耐腐蚀性能至关重要。焊接的质量直接影响整体的焊缝的质量，以至电站的建设周期。自2016 以来，国内各大型焊材厂家都致力于G115配套焊材的研发，也已取得一定的成果。但目前管道与管道间的窄间隙的打底主要依靠氩弧焊接来实现，要确保焊缝抗高温烟气侧腐蚀性能，必须对管道内部进行充氩以确保背面焊缝质量，一方面对焊接工艺要求较高，而且成本较高，另一方面，实心氩弧焊丝的性能主要取决于焊丝的成分，就目前国内对于G115钢材的冶炼技术仍有较广阔的发展空间。

因此，发明一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，一方面解决背面冲氩简化工艺、节约成本的问题，另一方面通过药皮的微合金化，向焊缝过渡微量合金元素，达到更佳与G115 母材接头的性能，对于G115的工业推广应用具有十分重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种背面免充氩单面焊双面成型 650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，所述发明具有优异单面焊双面成型焊接性，焊条药皮会熔化形成一层薄渣渗透到工件背面，均匀覆盖于焊缝表面，对焊缝起到保护避免氧化的作用，且清渣容易；本发明主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，添加微量合金元素且熔敷金属化学成分和机械性能稳定，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm ≥720MPa，常温KV2≥150J，其焊接接头抗拉强度Rm≥720MPa，常温KV2 ≥150J，特别适合用于超超临界火电机组用G115马氏体耐热钢的焊接。

本发明的技术方案是：一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，药皮占焊条总重量的0.14～0.40；(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，焊芯组分如下：C：0.06～0.10％；Si：0.05～0.15％；Mn：0.30～1.20％； Cr：8.5～9.5％；W：2.5～3.3％；Co：2.5～3.5％；P：≤0.008％；Nb：0.02～0.08％； V：0.15～0.30％；Cu：0.6～1.2％；N：0.007～0.015％；B：0.008～0.025％；S：≤0.006％；Fe：余量；

(b)药皮组成采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：28～45％；氟化钙： 8～15％；氟化稀土：3～5％；石英粉：3～8％；金红石：5～15％；钛白粉：0～ 2％；锰铁：3.5～5.5％；硅铁：3～6％；钛铁：3～8％；锆砂：5～14％；铁粉： 3～6％；硼铁：0～3％；藻酸盐：0.5％～2.5％；

所述药皮组分混合均匀后加入总混合料成分重量15～25％的粘结剂，搅拌混合均匀后，将药粉均匀涂覆于焊芯上，经高低温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃，高温烘焙温度为200～300℃。

其中，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75～3.15，浓度为35～42Be。

其中，焊芯中B/N的含量比例控制在0.8～1.5之间。

其中，所述焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.06～0.10％；Si： 0.25～0.40％；Mn：0.60～1.40％；Cr：8.2～9.5％；W：2.5～3.3％；Co：2.5～3.3％； P：≤0.008％；Nb：0.02～0.06％；V：0.15～0.30％；Cu：0.6～1.2％；N： 0.007～0.025％；B：0.008～0.025％；S：≤0.006％；Ti：0.008～0.055；余量 Fe。

本发明在专利CN 108127291A的基础上，通过在焊芯涂覆焊药，解决了大构建背面充氩的需求，既简化了焊接工艺、节约了焊接成本，还通过药皮微合金元素的添加，大大提高了常温冲击韧性的富余量。

本发明在传统焊条的基础上，药皮重量系数由传统的0.3～0.6降低至0.14～0.40，以达到减少焊渣总量、改善氩弧手焊工艺性的目的。另外，本发明在传统低氢CaCO₃-CaF₂渣系的基础上改用新型 CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃渣系，通过提高TiO₂和Zr₂O₃在药皮中的含量，改善焊渣的流动性及覆盖性来弥补药皮重量系数减少而可能导致的单面焊双面成型背面渣量不足的问题。一方面具有与光焊丝相当优异的焊接作业性并具有优异的单面焊双面成型，另一方面具有优异的焊渣流动性，背面焊缝焊渣全覆盖确保背面焊缝不被氧化从而达到背面免充氩的效果。

本发明在专利CN 106425157A的基础上，优选将Si控制在更精准的范围内0.05～0.15％，并通过大量试验将微量元素O、N和Ti、B等搭配控制在更合理的范围，因而本发明相对于专利CN 106425157A中的蒸汽超超临界火电机组用钢的TIG焊焊丝，一方面大大节约了背面充氩的成本、简化了焊接操作，另一方面具有更加优异的熔敷金属冲击韧性和延伸率；

本发明还通过在药皮中添加特定组分的氟化稀土和锆砂，通过稀土元素和氧化锆在焊接熔池中的冶金反应，进一步净化提纯并微合金化焊缝金属，使得本发明的背面免充氩650℃超超临界火电机组用焊条具有优异的高温持久度和强度与韧性匹配；

具体分析本发明中药皮各组分及主要合金元素在焊条中各自发挥的作用如下：

C：C是影响焊接性最最要的元素，C含量越高，焊接性越差，但C 又是碳钢的主要强化元素，对提高耐热钢的抗蠕变性和高温时效性能有重要作用，因为本发明焊条化学成分主要通过芯线过渡，故本发明主要通过控制焊芯的化学成分将C含量控制在0.06～0.10％；

Cr：其在钢中的主要作用有：一、固溶强化；二、形成Cr₂O3的氧化膜，提高高温抗氧化和腐蚀性能；三、形成碳化物起析出强化的作用。提高Cr含量有利于提高高温抗腐蚀性能，但其过高会降低高温持久强度，故本发明中焊芯Cr含量控制在8.5～9.5％；

W：是典型的固溶强化元素，其强化效果比Mo更加明显。试验研究表明，其它元素不变，随着W含量增加，9％Cr钢在W为3％时，10000 小时持久强度达到最大峰值，W含量继续增加，会产生δ铁素体，会导致脆化等诸多问题，故本发明焊芯W含量控制在2.5～3.3％；

Co：是奥氏体形成元素，对于钢中含有较高的Cr-W固溶强化元素和 Nb-V沉淀强化元素，添加Co能显著抑制δ铁素体生成且对钢其它性能没有不利影响。在650℃条件下，钢中加入约3％的Co对于钢的持久强度最有利。因此本发明焊芯Co含量控制在2.5～3.5％；

N和B：N的主要作用，一、固溶强化，但常温下其溶解度很小，二、与Nb\V等形成细小弥散的第二相颗粒，能显著提高材料的高温持久强度，但对韧性和塑性有害；B能与N结合成BN，减低固溶N的含量，还可细化晶粒，但若B、N均处于较高水平，可能会形成粗大的BN，而严重弱化钢材的强韧性；研究发现N和B之间存在一个配比区间，在此区间内既能避免形成粗大BN，还能大幅提升钢的高温持久强度。故本发明焊条焊芯N 含量控制在0.007～0.015％，B含量控制在0.008～0.025％，且B/N控制在 0.8～1.5之间。

Nb和V：都是强的碳化物形成元素，并能形成稳定的碳化物NbC，与 V复合添加时，对提高钢的蠕变和持久强度效果更佳明显。但过高的Nb 会显著降低钢材的韧性，V对焊接性抗热裂性和韧性有不利影响，因此本发明控制焊芯的Nb含量在0.02～0.08％，V含量控制在0.15～0.30％。

Cu：固溶于基体能降低蠕变速率，提高热强性，当Cu含量＜0.5％时，强化效果较弱，当Cu含量过高时，会严重降低钢材的高温塑性，故本发明焊芯中控制Cu含量的范围在0.6～1.2％。

P、S等有害元素对耐热钢持久强度影响较大，应尽可能控制在较低的水平，本发明中焊芯和熔敷金属的P含量控制在≤0.008％，S含量控制在≤0.006％。

本发明中焊条药皮的作用主要是造气、造渣、保护背面焊缝不被氧化，脱氧和微合金化等。

焊条中碳酸盐的主要作用为造渣和造气，分解产生的CaO系碱性氧化物，能提高熔渣碱度，细化熔滴，并具有脱S、P的作用，提高焊缝金属的抗裂纹能力，当碳酸盐含量较低时，药皮的造气和造渣能力下降，对焊缝的保护作用降低，造成焊缝力学性能的下降；如果碳酸盐的含量过高，药皮造气量过大，电弧稳定性下降，飞溅增大，焊渣熔点升高，焊缝成型粗糙，故本发明中碳酸盐的含量控制在28～45％；

本发明中氟化物主要为CaF₂(还含有少量氟化稀土)，为碱性造渣剂，可调节渣的熔点，对降低焊缝气孔，改善熔渣的物理性能，改善焊缝成型、脱渣等起关键作用，由于本发明的焊条的焊缝金属的合金含量较高，液态金属的表面张力较大，流动性差，焊缝成形变差，焊缝中气体不易逸出，从氟化钙、氟化稀土等得到的氟化物可以降低液态金属的表面张力，提高其流动性，有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣覆盖性的效果，使得焊缝成型美观，降低焊缝形成气孔的缺陷。氟化物含量低，会使得焊缝成形不好，焊缝中易出气孔，氟化物含量过高，容易破坏电弧稳定性，使焊条工艺性变差，此外，由于熔融焊渣的黏性变得过低，导致在立下焊、立上焊及仰焊焊接时容易发生金属下淌，焊道外观及焊道形状变得不良，故本发明焊条中氟化物(氟化钙和氟化稀土)的含量为11～20％；

金红石的主要成分是TiO₂，属于酸性氧化物，氧化性比较弱，热脱渣性好，能使焊接电弧稳定，熔池平静，可细化过渡熔滴，使金属以细雾状过渡，方向焊接性好，美化焊缝成形，确保熔渣覆盖性，但过量使用会使药皮熔点偏高，形成较深套筒，也容易使机械性能下降，故本发明中其含量控制在5～15％；

钛白粉可增加焊条药皮塑性，改善焊条的涂装性，为造渣剂，但改进工艺性能不如金红石，其含量控制在0～2％；

钛铁主要起脱氧的作用，和锰铁一起搭配在碱性焊条中脱氧效果更佳，还有向焊缝过渡微量Ti合金的作用，本发明中焊条药铺中钛铁的含量控制在3～8％；

从硅微粉、硅酸钾钠水玻璃等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣覆盖性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。当硅氧化物的组分比例不足3％时，由于焊渣的黏性变低，导致全位置焊接时的焊渣覆盖性变差，焊道外观及焊道形状也变得不良。另一方面，硅氧化物的组分比例过高时，会使焊缝氧含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此焊药中的硅氧化物组分比例应控制在3～8％；

锆砂的主要成分是Zr₂O3，有调整熔融焊渣的熔点并防止金属下淌的效果。且其线膨胀系数较大，对碱性焊条脱渣有明显的改善，当锆氧化物的组分比例不足0.5％时，熔融焊渣的熔点变低，在立上焊及仰焊焊接时变得容易金属下淌，焊道外观及焊道形状变得不良。另一方面，锆氧化物的组分比例超过高时，焊渣会变得致密而且坚固，在全位置焊接时的脱渣性变得不良。因此本发明中的锆氧化物组分比例控制在5～14％。

锰铁、钛铁、硼铁、硅铁及其它金属粉的主要作用在于脱氧和过渡合金，保证焊缝中合金元素成分，确保焊缝强度并通过合理的元素设计以达到最佳的强度和韧性匹配；

铁粉的加入可以加速药皮的熔化速度，提高熔敷效率，由于本配方采用的是特殊碱性渣系，故可同时提高电弧稳定性，但过多则会影响单面焊双面成型焊接性，其含量控制在3～6％；

氟化稀土，主要是净化和除杂，纯化焊缝金属，另一方面细化焊缝金属晶粒，优化焊缝性能，但成本较高，因而本发明中氟化稀土的含量控制在3～5％；

粘结剂采用钾钠水玻璃搭配藻酸盐，水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用。

以上为本发明的背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条的药皮成分组成限制理由。残余部分为铁及无法避免的杂质，药皮中的铁是从铁粉、铁合金粉而来。

本发明采用与母材同质焊芯，并进一步加严优化控制焊芯中各成分的范围，因而具有优异的与母材相匹配的性能；药皮采用 CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃碱性渣系，具有优异的单面焊双面成型焊接性，且背面焊渣覆盖良好、脱渣容易，并通过药皮的微合金化作用，实现熔敷金属更佳的强度与韧性匹配。

本发明的有益效果是：本发明背面免充氩单面焊双面成型焊条在打底焊接时电弧稳定，飞溅少，正反面焊缝成型好，背面焊渣覆盖良好，脱渣容易，焊条操作性能优异；本发明通过焊芯成分和药皮组分合理匹配，从而实现焊接性和机械性能的双重突破。焊接熔敷金属成分不但具有与母材相近的化学成分，而且具有与母材匹配优异的力学性能、冲击性能和抗裂性能。在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下，其熔敷金属的抗拉强度≥720MPa，熔敷金属延伸率≥22％且常温冲击性能特别优异≥150J，特别适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面冲氩的成本，又保证了优异的接头质量。

附图说明

图1是G115钢光焊丝焊接背面焊缝；

图2是G115钢免充氩焊条焊接背面焊缝脱渣前外观；

图3是G115钢光焊丝焊接背面焊缝，焊缝严重氧化；

图4是G115钢免充氩焊条焊接背面焊缝脱渣后外观。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明由焊芯和药皮组成，药皮涂覆在焊芯外，采用特殊冶炼母材同质焊芯，焊芯主要成分系9％Cr-3％W-3％Co，其焊芯组分(重量百分比％) 如下表：

表1：焊芯组分

表2：焊芯成分实施例(重量百分比％)

其药皮采用CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃碱性渣系，药皮占焊条全重量比例为 0.14～0.4，芯线直径为2.2mm、2.4mm、或2.6mm，为更好理解本发明，下面通过实施例1-5来进一步说明，其药皮组分实施例及比较例如下表：

表3：药皮组分实施例(重量百分比％)

续表3-1：药皮组分实施例(重量百分比％)

表4：药皮组分比较例(重量百分比％)

续表4-1：药皮组分比较例(重量百分比％)

各实施例对应其熔敷金属化学成分测试结果如下表：

表5：各实施例熔敷金属化学成分

本发明在传统低氢CaCO₃-CaF₂渣系的基础上改用新型 CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃渣系，通过提高TiO₂和Zr₂O₃在药皮中的含量，改善焊渣的流动性及覆盖性来弥补药皮重量系数减少而可能导致的单面焊双面成型背面渣量不足的问题。一方面具有与光焊丝相当优异的焊接作业性并具有优异的单面焊双面成型，另一方面具有优异的焊渣流动性，背面焊缝焊渣全覆盖，确保背面焊缝不被氧化从而达到背面免充氩的效果，与传统氩弧焊的焊道外观比较见附图。

如图1～图4，是对G115钢的光焊丝和免充氩焊条比较，图1是G115 钢光焊丝氩弧焊背面，因无焊渣和气体保护和承托，背面焊缝成型不良、余高过高且严重氧化；图2是G115钢免充氩焊条焊接背面焊缝，焊渣覆盖均匀、完整；图3，可见G115钢光焊丝背面焊缝成型不良、余高过高且氧化严重；图4，G115钢免充氩焊条焊接背面焊缝，脱渣后背面焊缝成型良好，且焊缝光亮无氧化。图1～图4说明本发明免充氩单面焊双面成型焊条具有优异的焊接性，单面焊双面成型良好，且相比于G115钢用光焊丝在背面不充氩的条件下，因焊渣的保护和承托作用使得背面焊缝未被氧化，确保了良好了背面成型及机械性能和耐蚀性能。

各实施例和比较例对应其熔敷金属机械性能、低温冲击及抗裂性测试结果如下表：

表6：各实施例和比较例性能测试结果

由上述实验可见，本发明焊条各实施例具有优异的单面焊双面成型焊接性，且通过药皮微量合金元素的调整，熔敷金属机械性能优异且稳定，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下，其熔敷金属的抗拉强度≥ 720MPa，熔敷金属延伸率和常温冲击性能特别优异≥150J，焊缝具有优异的机械性能和抗裂性。相对的，比较例6的熔敷金属Si含量过高，焊接工艺性优异，但焊缝金属冲击韧性明显恶化；比较例7的熔敷金属Si含量过低，打底焊接工艺性不佳，铁水流动性差，背面不成形；比较例8碳酸盐比例过高，焊接工艺性明显恶化，咬边严重且飞溅大，焊缝成型不佳；比较例9 碳酸盐含量过低，焊接工艺性也不佳，熔池不清晰且熔敷金属C含量较低，焊缝金属抗拉强度也相对较低；比较例10药皮中钛铁含量较低，熔敷金属 Ti含量低，焊缝强度和冲击韧性均偏低；比较例11药皮中钛铁含量过高，焊缝强度明显较高且延伸和冲击韧性明显恶化；比较例12药皮中锆砂含量较低，焊缝脱渣性较差，焊渣剥离不佳；比较例13药皮中硼铁添加过多，熔敷金属B含量较高，焊缝冲击韧性明显恶化，且焊缝金属有明显裂纹。

本发明背面免充氩650℃超超临界马氏体耐热钢焊条具有优异单面焊双面成形焊接工艺性能，且焊接时，焊条药皮会熔化形成一层薄渣渗透到工件背面，均匀覆盖于背面焊缝表面对焊缝起到保护避免氧化的作用，且清渣容易。在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下，其熔敷金属的抗拉强度≥720MPa，熔敷金属延伸率和常温冲击性能特别优异≥150J，特别适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，其特征在于，药皮占焊条总重量的0.14～0.40；

(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，焊芯组分如下：C：0.06～0.10％；Si：0.05～0.15％；Mn：0.30～1.20％；Cr：8.5～9.5％；W：2.5～3.3％；Co：2.5～3.5％；P：≤0.008％；Nb：0.02～0.08％；V：0.15～0.30％；Cu：0.6～1.2％；N：0.007～0.015％；B：0.008～0.025％；S：≤0.006％；Fe：余量；

(b)药皮组成采用碱性CaO-CaF2-TiO2-Zr2O3渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：28～45％；氟化钙：8～15％；氟化稀土：3～5％；石英粉：3～8％；金红石：5～15％；钛白粉：0～2％；锰铁：3.5～5.5％；硅铁：3～6％；钛铁：3～8％；锆砂：5～14％；铁粉：3～6％；硼铁：0～3％；藻酸盐：0.5％～2.5％；

2.根据权利要求1所述的背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75～3.15，浓度为35～42Be。

3.根据权利要求1所述的背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，其特征在于，焊芯中B/N的含量比例控制在0.8～1.5之间。

4.根据权利要求1～3任一所述的背面免充氩单面焊双面成型650℃超超临界火电机组用马氏体耐热钢焊条，其特征在于，以重量百分比计，所述焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.06～0.10％；Si：0.25～0.40％；Mn：0.60～1.40％；Cr：8.2～9.5％；W：2.5～3.3％；Co：2.5～3.3％；P：≤0.008％；Nb：0.02～0.06％；V：0.15～0.30％；Cu：0.6～1.2％；N：0.007～0.025％；B：0.008～0.025％；S：≤0.006％；Ti：0.008～0.055；余量Fe。