CN110605501B - 一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于Ni‑Cr‑Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条及其制备，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15‑20％，冰晶石9～15％，萤石3～5％，金红石10～16％，电解锰1～3％，铌铁2～7％，金属铬1～4％，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，本发明制得的低毒镍基焊条具备焊接烟尘低毒、工艺性能优良、力学性能与母材接近。

Description

一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条及其制备

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条及其制备。

背景技术

节能和环保是目前世界各国普遍关注的问题，在火力发电站的设计过程中必须考虑降低燃料消耗和减少CO₂排放，这就需要提高电站锅炉的蒸汽温度和压力，进而对电站关键材料提出了更高的要求，尤其材料的高温强度，抗高温腐蚀和氧化能力等。在镍基合金中，UNS N06625合金属于固溶强化镍基合金，具有较好的高温强度及抗氧化、抗腐蚀性能，可作为新一代超超临界机组的候选材料。

全球液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。为保证能源供应多元化改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，LNG将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。w(Ni)9％钢亦被称为9Ni钢或Ni9钢，是w(Ni)8.5％～9.5％的超低温钢，与具有优良性能的不锈钢相比，有合金含量少、价格便宜的优点；与低温用铝合金相比，有许用应力大、热膨胀率小的优点。因此该钢广泛用于建造LNG储罐。

目前公开的用于Ni-Cr-Mo合金钢的电焊条，如中国专利CN102430876A公开的一种镍铬钼合金钢焊接用镍基电焊条，该焊条用于UNS N06625和9％Ni钢的焊接，其原材料采用大理石、萤石、碳酸钡、金红石、铌铁、金属铬粉、纯碱、电解锰、锆英砂及粘结剂等。此类焊条采用碳酸钡作为原料，虽然在一定程度上降低熔敷金属杂质含量，但是该材料属于钡盐，有很强的毒性，如若蓄积在骨骼上，引起骨髓白细胞组织增生，从而发生慢性中毒。而且碳酸钡会与胃液中的盐酸发生反应，变成可溶性的氯化钡，氯化钡属于可溶性钡盐，为有毒物质，若不及时抢救，将会很快中毒，严重时会死亡。该材料储存和使用过程中都存在危险因素，不利于安全生产及使用者健康。

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Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条及其制备。

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Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条，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15-20％，冰晶石9～15％，萤石3～5％，金红石10～16％，电解锰1～3％，铌铁2～7％，金属铬1～4％，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 0.01～0.08％，Mn 0.10～0.80％，P≤0.005％，S≤0.006％，Si≤0.10％，Ni 55.0～70.0％，Cr 19.0～23.0％，Mo7.50～10.5％，Ti≤0.20％，Cu≤0.10％，Al≤0.20％，Fe≤8％，Co≤0.03％，Nb 3.0～5.5％；O≤50ppm，N≤40ppm。其余为杂质。

进一步的，所述大理石中，CaCO₃≥97wt％；冰晶石中，Na₃AlF₆≥97wt％；萤石中，CaF₂≥95wt％；金红石中TiO₂≥95wt％；电解锰中，Mn≥99.7wt％；铌铁中，Nb≥50wt％、Si≤4wt％，Al≤2wt％；金属铬中，Cr≥99wt％；纯碱中，Na₂CO₃≥99wt％。

本发明的技术方案之二在于提供了用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条的制备方法，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，即得到低毒镍基焊条。

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。

本发明中所采用的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。

冰晶石：主要作用是造渣、调节熔渣的物理性能(比萤石降低渣的熔点作用更加明显)和改善焊条的工艺性能，还对降低熔敷金属扩散氢含量有益。冰晶石含量过高时会使电弧稳定性变差，出现黏渣现象；含量过低时，渣的流动性变得难以控制，渣的覆盖变差，因此要严格控制其加入量。

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。

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。

电解锰：主要向焊缝过渡锰元素，提高焊缝的强度和抗裂性能；其次是起到脱硫脱氧的作用。

铌铁：主要向熔敷金属中加入过渡Nb元素，以满足对Nb含量的要求。防止有害的碳化物析出，降低晶间腐蚀敏感性，减少焊接时的热裂纹倾向。

金属铬：主要向焊缝中过渡铬元素，以补充焊芯中烧损，从而满足熔敷金属成分的要求，改善耐蚀性。

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ERNiCrMo-3，控制杂质含量，S≤0.006wt％，P≤0.005wt％，O≤50ppm，N≤40ppm，从而保证熔敷金属力学性能。

与现有技术相比，本发明同时具备焊接烟尘低毒、工艺性能优良、力学性能与母材接近。主要用于Ni-Cr-Mo合金的焊接，特别是UNS N06625类合金与其他钢种以及Ni-Cr-Mo复合钢的焊接和堆焊，也可用于9％Ni钢(如ASTM A353、A553)的焊接。

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。

以下实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表示均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。

实施例1：

本实施例提供一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条，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(100Kg)重量百分比计算的以下成分：含CaCO₃ 98.6％的大理石16.0Kg，含Na₃AlF₆ 97.2％的冰晶石12Kg，含CaF₂ 96.7％的萤石4Kg，含TiO₂ 96.9％的金红石13Kg，含Mn 99.9％的电解锰2Kg，含Nb 51.45％、Si 2.13％、Al 1.96％的铌铁3Kg，含Cr 99.2％的金属铬2Kg，含Na₂CO₃ 99.2％的纯碱0.3Kg。

所用焊芯包括以下重量百分比的成分：C：0.024％，Mn：0.21％，P：0.004％，S：0.006％，Si：0.09％，Ni：64.8％，Cr：21.59％，Mo：8.70％，Ti：0.15％，Cu：0.036％，Al：0.13％，Fe：0.67％，Co：0.03％，Nb：3.71％，其余为杂质。

在焊条的具体制备过程中，将粉料组分拌和均匀后，加入41.2波美度的钠水玻璃10.4Kg搅拌均匀，再装入压涂机内将其裹覆在焊芯表面，经低温90℃烘焙2小时，高温330℃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：0.022％，Si：0.38％，Mn：0.76％，S：0.009％，P：0.008％，Cr：20.82％，Fe：2.13％，Mo：8.83％，Cu：0.026％，Ni：63.3％，Co：0.017％，Nb：3.43％，其余为不可避免的杂质。熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为779MPa、伸长率A₅为34％。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都一样，除了本实施例中，焊芯重量100Kg，药皮中各组分重量：大理石17Kg，冰晶石13Kg，萤石4Kg，金红石12Kg，电解锰2.2Kg，铌铁3.2Kg，金属铬1.8Kg，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：0.023％，Si：0.38％，Mn：0.86％，S：0.009％，P：0.008％，Cr：20.72％，Fe：1.63％，Mo：9.02％，Cu：0.024％，Ni：63.6％，Co：0.019％，Nb：3.47％，其余为不可避免的杂质。

熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为783MPa、伸长率A₅为33％。

实施例3

与实施例1相比，绝大部分都一样，除了本实施例中，焊芯重量100Kg，药皮中各组分重量：大理石17.5Kg，冰晶石13.5Kg，萤石4.2Kg，金红石12.5Kg，电解锰2.4Kg，铌铁3Kg，金属铬2Kg，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：0.028％，Si：0.32％，Mn：0.88％，S：0.008％，P：0.007％，Cr：20.68％，Fe：1.63％，Mo：8.72％，Cu：0.02％，Ni：62.6％，Co：0.016％，Nb：3.42％，其余为不可避免的杂质。熔敷金属力学性能：抗拉强度Rm为795MPa、伸长率A₅为32.8％。

本发明药皮用原材料未采用具有毒性的碳酸钡，降低了焊接烟尘的毒性；焊接过程中焊缝成形良好，脱渣性好；熔敷金属抗拉强度均满足大于760MPa的标准要求，与母材性能接近。

对比例1

相对于实施例1，绝大部分都相同，萤石量改为6Kg。其焊接过程中熔渣不能很好地覆盖焊缝，电弧不稳定，飞溅增大，焊缝成形差。故萤石量控制3～5％是必要的。

对比例2

相对于实施例2，绝大部分都相同，不加金属铬。其熔敷金属抗拉强度仅有730MPa，不满足大于760MPa的要求。故金属铬加入量控制在1～4％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，焊芯重量100Kg，药皮中各组分重量：大理石15Kg，冰晶石9Kg，萤石3Kg，金红石10Kg，电解锰3Kg，铌铁2Kg，金属铬1Kg，纯碱0.5Kg。

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，焊芯重量100Kg，药皮中各组分重量：大理石20Kg，冰晶石15Kg，萤石5Kg，金红石16Kg，电解锰1Kg，铌铁7Kg，金属铬4Kg，纯碱0.1Kg。

实施例6

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，粘结剂为粉料组分总重量的15％。

实施例7

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，粘结剂为粉料组分总重量的25％。

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 (4)

1.一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条，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，所述粉料组分由以焊芯重量百分比计算的以下成分组成：大理石15-20%，冰晶石9~15%，萤石3~5%，金红石10~16%，电解锰1~3%，铌铁2~7%，金属铬1~4%，纯碱0.1~0.5%，所述粘结剂为粉料组分总重量的15-25%；

所述焊芯包括以下重量百分比的成分：C 0.01~0.08%，Mn 0.10~0.80%，P≤0.005%，S≤0.006%，Si≤0.10%，Ni 55.0~70.0%，Cr 19.0~23.0%，Mo 7.50~10.5%，Ti≤0.20%，Cu≤0.10%，Al≤0.20%，Fe≤8%，Co≤0.03%，Nb 3.0~5.5%；O≤50ppm，N≤40ppm，其余为杂质；

所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃；

所述大理石中，CaCO₃≥97wt%；冰晶石中，Na₃AlF₆≥97wt%；萤石中，CaF₂≥95wt%；金红石中TiO₂≥95wt%；电解锰中，Mn≥99.7wt%；铌铁中，Nb≥50wt%、Si≤4wt%，Al≤2wt%；金属铬中，Cr≥99wt%；纯碱中，Na₂CO₃≥99wt%。

2.如权利要求1所述的用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条的制备方法，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；

（2）再取步骤（1）制得的药皮裹覆在焊芯表面，烘焙处理，即得到低毒镍基焊条。

3.根据权利要求2所述的一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条的制备方法，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。

4.根据权利要求3所述的一种用于Ni-Cr-Mo合金钢焊接的低毒镍基焊条的制备方法，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。