CN110605500A

CN110605500A - 一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条及其制备

Info

Publication number: CN110605500A
Application number: CN201910882564.5A
Authority: CN
Inventors: 苏东东; 公茂涛; 刘鑫; 张敏娟; 吴宝鑫; 林永祥
Original assignee: PowerChina SPEM Co Ltd
Current assignee: PowerChina SPEM Co Ltd
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2019-12-24

Abstract

本发明涉及一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条及其制备，焊条由焊芯以及裹覆在焊芯表面的药皮组成，所述药皮由粉料组分与粘结剂混合而成，所述粉料组分包括以焊芯重量百分比计算的以下成分：大理石10～16％，萤石7～13％，电解锰1～4％，金红石1～4％，石英1～4％，硅铁1～3％，镍粉≤1％，钼铁≤1％，铁粉9～14％，石墨≤0.2％，纯碱0.1～0.5％，所述粘结剂为粉料组分总重量的15‑25％。与现有技术相比，本发明制备的用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条具备工艺性能优良、力学性能与母材匹配等优点，填补了该材料国内市场空白。

Description

一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条及其制备

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条及其制备。

背景技术

钢制安全壳(CV)是AP1000、CAP1400等核电机组独有的、非能动安全系统中的重要设备，是AP1000型核电站反应堆厂房的内层屏蔽结构。整个钢制安全壳由中间的圆柱形筒体及上下两个椭圆型封头(分别称“底封头”、“上封头”)组成。AP1000核电站钢制安全壳最大直径为39.624米，总高度为65.633米，厚度为4.4厘米、体积约7万立方米，总重量约3600吨。钢制安全壳受力复杂、服役温差大、设计寿命长，要求安全壳用焊接材料不仅具有较高的强度，而且具有良好的冲击韧性。为了保证安全壳的使用安全，西屋公司选择了SA-738Gr.B钢板作为AP1000安全壳用母材，设计推荐的焊接材料是：E9018-G焊条，但设备制造厂焊材复验时发现该牌号焊条不满足设计要求。目前国内尚未有公开的用于核电安全壳电焊条。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条及其制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于提供了一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，由焊芯以及裹覆在焊芯表面的药皮组成，所述药皮由粉料组分与粘结剂混合而成，所述粉料组分包括以焊芯重量百分比计算的以下成分：大理石10～16％，萤石7～13％，电解锰1～4％，金红石1～4％，石英1～4％，硅铁1～3％，镍粉≤1％，钼铁≤1％，铁粉9～14％，石墨≤0.2％，纯碱0.1～0.5％，所述粘结剂为粉料组分总重量的15-25％。

进一步的，所述的粘结剂为水玻璃。

更进一步的，所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃。

进一步的，所述焊芯包括以下重量百分比的成分：C≤0.12％，Mn 0.10～0.80％，(As+P)(即表示As与P的总量)≤0.006％，S≤0.008％，Si≤0.10％，其余为Fe。

进一步的，大理石中，CaCO₃≥97wt％；萤石中，CaF₂≥95wt％；电解锰中，Mn≥99.7wt％；金红石中，TiO₂≥95wt％；石英中，SiO₂≥97wt％；硅铁中，Si含量为42～48wt％；镍粉中，Ni≥99wt％；钼铁中，Mo≥55wt％，C≤0.20wt％，Si≤2.0wt％；铁粉中，Fe≥98wt％，C≤0.06wt％，Mn≤0.5wt％；石墨中，C≥97wt％；纯碱中Na₂CO₃≥99wt％。

本发明的技术方案之二在于提供了一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条的制备方法，包括以下步骤：

(1)取粉料组分拌和均匀后，加入粘结剂混合，得到药皮；

(2)再取步骤(1)制得的药皮裹覆在焊芯表面，烘焙处理，即得到低合金钢焊条。

进一步的，烘焙处理过程为经过低温烘焙和高温烘焙两道工序处理。

更进一步的，低温烘焙的温度为80～120℃，时间为1-3h；

高温烘焙的温度为220-350℃，时间为0.5-1.5h。

本发明药皮中各组分的主要作用如下：

大理石：主要是用于造渣、造气，保护焊缝不被空气氧化和氮化；能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和界面张力。

萤石：可以降低液态金属的表面张力和熔渣的熔点，提高其流动性，使其焊缝成型美观，降低焊缝气孔敏感性，并能够降低熔敷金属的扩散氢含量。大理石和萤石的适当比例是关键，比例适当时电弧的稳定性、熔渣的覆盖及脱渣较好。

电解锰：主要向焊缝过渡锰元素，提高焊缝的强度；其次是起到脱硫脱氧的作用。

金红石：主要作用是稳弧、造渣，形成低熔点短渣，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成型，减少飞溅。

石英：主要是改善渣的流动性，提高焊条工艺性能。

硅铁：主要起到脱氧作用。

镍粉：主要起到提高焊缝金属冲击韧性的作用。

钼铁：主要是提高焊缝的室温和高温强度。

铁粉：主要起到改善焊条工艺性能的作用。

石墨：主要是改善焊条工艺性能。

纯碱：其主要作用是增滑，提高焊条的压涂性，加入量过多反而不利于焊条的压涂，故要控制其加入量。

水玻璃：主要作为粘结剂，此种水玻璃有利于电弧的稳定，同时适合此配方的压涂。

焊芯：采用H08E，控制杂质含量，其中S≤0.008wt％，(As+P)≤0.006wt％。较低的杂质含量有利于提高熔敷金属冲击韧性。

与现有技术相比，本发明制备的低合金焊条，同时具备工艺性能优良、力学性能与母材匹配，符合AWS A5.5 E9018-G的要求，可适用于AP1000、CAP1400等非能动安全系统核电机组中的钢制安全壳焊接。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例提供了一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其由焊条与药皮两种成分组成。

其中，焊芯重量百分比成分为：C：0.058％，Mn：0.42％，P：0.005％，S：0.006％，Si：0.02％，其余为Fe。

焊芯重量100Kg，药皮中各组分重量：含CaCO₃ 98.6％(均为重量含量，下同)的大理石13Kg，含CaF₂ 96.7％的萤石8Kg，含TiO₂ 96.9％的金红石2Kg，含Mn 99.9％的电解锰2Kg，含SiO₂ 97.8％的石英2Kg，含Si 43.5％的硅铁2.2Kg，含Mo 56.7％、C 0.029％、Si0.3％的钼铁0.6Kg，含Ni 99.7％的镍粉0.5Kg，含Fe 98.7％、C 0.015％、Mn 0.25％的铁粉11Kg，含C 97.8％的石墨0.08Kg，含Na₂CO₃ 99.2％的纯碱0.3Kg。

将上述组分混合均匀后，加入41.2波美度的钾钠水玻璃11Kg搅拌均匀，装入压涂机内以常规方法将其裹覆于焊芯表面，经低温90℃烘焙2小时，高温350℃烘焙1小时即可。

将所得焊条进行焊接试验，熔敷金属化学成分为：C：0.059％，Si：0.35％，Mn：1.66％，S：0.006％，P：0.011％，Cr：0.03％，Mo：0.32％，Ni：1.65％，其余为Fe。熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为695MPa、屈服强度R_p0.2548MPa、伸长率A₅为24％，断面收缩率ψ69％，-45℃冲击功K_V8：66J、61J、86J。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，药皮中各组分重量：大理石14Kg，萤石9Kg，金红石3Kg，电解锰2.2Kg，石英2.3Kg，硅铁2.2Kg，钼铁0.5Kg，镍粉0.6Kg，铁粉9.8Kg，石墨0.08Kg，纯碱0.3Kg。

将所得焊条进行焊接试验，熔敷金属化学成分为：C：0.061％，Si：0.36％，Mn：1.68％，S：0.006％，P：0.010％，Cr：0.03％，Mo：0.30％，Ni：1.56％，其余为Fe。熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为722MPa、屈服强度R_p0.2578MPa、伸长率A₅为24.5％，断面收缩率ψ68％，-45℃冲击功K_V8：77J、58J、60J。

实施例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，药皮中各组分重量：药皮中各组分重量：大理石13.5Kg，萤石10Kg，金红石3Kg，电解锰1.8Kg，石英2Kg，硅铁2.2Kg，钼铁0.5Kg，镍粉0.7Kg，铁粉10Kg，石墨0.08Kg，纯碱0.3Kg。其余和实施例一中相同。

将所得焊条进行焊接试验，熔敷金属化学成分为：C：0.060％，Si：0.38％，Mn：1.56％，S：0.007％，P：0.011％，Cr：0.03％，Mo：0.31％，Ni：1.63％，其余为Fe。熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为685MPa、屈服强度R_p0.2541MPa、伸长率A₅为24.0％，断面收缩率ψ69％，-45℃冲击功K_V8：77J、64J、72J。

此发明焊条平焊、立焊焊缝成形良好，脱渣性好；熔敷金属抗拉强度均满足大于620MPa的标准要求，-45℃冲击功K_v8均满足大于54J的标准要求。

对比例1

相对于实施例1，绝大部分都相同，萤石量更改为14Kg，平焊过程中，熔渣略稀，不能很好地覆盖焊缝；立焊过程中，熔渣有下淌趋势，造成焊缝成形较差。故萤石量控制在7～13％是必要的。

对比例2

相对于实施例3，绝大部分都相同，钼铁量改为1.2Kg，熔敷金属-45℃冲击功K_V8平均值仅为40J。故钼铁量控制在小于1％是必要的。

实施例4

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，药皮中各组分重量：含CaCO₃98.6％(均为重量含量，下同)的大理石10Kg，含CaF₂ 96.7％的萤石7Kg，含TiO₂ 96.9％的金红石1Kg，含Mn 99.9％的电解锰1Kg，含SiO₂ 97.8％的石英1Kg，含Si 43.5％的硅铁1Kg，含Mo 56.7％、C 0.029％、Si 0.3％的钼铁1Kg，含Ni 99.7％的镍粉1Kg，含Fe 98.7％、C0.015％、Mn 0.25％的铁粉9Kg，含C 97.8％的石墨0.2Kg，含Na₂CO₃ 99.2％的纯碱0.1Kg。

实施例5

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，药皮中各组分重量：含CaCO₃98.6％(均为重量含量，下同)的大理石16Kg，含CaF₂ 96.7％的萤石13Kg，含TiO₂ 96.9％的金红石4Kg，含Mn 99.9％的电解锰4Kg，含SiO₂ 97.8％的石英4Kg，含Si 43.5％的硅铁3Kg，含Mo 56.7％、C 0.029％、Si 0.3％的钼铁0.6Kg，含Ni 99.7％的镍粉0.5Kg，含Fe 98.7％、C 0.015％、Mn 0.25％的铁粉14Kg，含C 97.8％的石墨0.08Kg，含Na₂CO₃ 99.2％的纯碱0.5Kg。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其特征在于，由焊芯以及裹覆在焊芯表面的药皮组成，所述药皮由粉料组分与粘结剂混合而成，所述粉料组分包括以焊芯重量百分比计算的以下成分：大理石10～16％，萤石7～13％，电解锰1～4％，金红石1～4％，石英1～4％，硅铁1～3％，镍粉≤1％，钼铁≤1％，铁粉9～14％，石墨≤0.2％，纯碱0.1～0.5％，所述粘结剂为粉料组分总重量的15-25％。

2.根据权利要求1所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其特征在于，所述的粘结剂为水玻璃。

3.根据权利要求2所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其特征在于，所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其特征在于，所述焊芯包括以下重量百分比的成分：C≤0.12％，Mn 0.10～0.80％，(As+P)≤0.006％，S≤0.008％，Si≤0.10％，其余为Fe。

5.根据权利要求1所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条，其特征在于，大理石中，CaCO₃≥97wt％；萤石中，CaF₂≥95wt％；电解锰中，Mn≥99.7wt％；金红石中，TiO₂≥95wt％；石英中，SiO₂≥97wt％；硅铁中，Si含量为42～48wt％；镍粉中，Ni≥99wt％；钼铁中，Mo≥55wt％，C≤0.20wt％，Si≤2.0wt％；铁粉中，Fe≥98wt％，C≤0.06wt％，Mn≤0.5wt％；石墨中，C≥97wt％；纯碱中Na₂CO₃≥99wt％。

6.如权利要求1-5任一所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取粉料组分拌和均匀后，加入粘结剂混合，得到药皮；

7.根据权利要求6所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条的制备方法，其特征在于，烘焙处理过程为经过低温烘焙和高温烘焙两道工序处理。

8.根据权利要求7所述的一种用于核电安全壳钢焊接的低合金钢焊条的制备方法，其特征在于，低温烘焙的温度为80～120℃，时间为1-3h；

高温烘焙的温度为220-350℃，时间为0.5-1.5h。