CN110977249A - 焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，由以下成分制成：SiO₂ 3‑8重量份、MgO 1‑8重量份、Al₂O₃ 20‑40重量份、CaF₂ 40‑60重量份、0＜CeO≤1.0重量份、1≤Mo₂O₃≤3重量份、0＜S≤0.010重量份和0＜P≤0.020重量份。与现有的相比，本发明具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，抗裂性能良好，机械性能更加优良，本发明随着CeO、Mo₂O₃的加入，其焊缝成型美观、力学性能更稳定。本发明焊剂焊接一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢，得到抗裂性能较好的奥氏体组织且超低温性能优良。

Description

焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂及制备 方法

技术领域

本发明涉及焊接领域,特别涉及一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂及制备方法。

背景技术

奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体不锈钢无磁性且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，由于奥氏体不锈钢的抗裂性稍差，近年来，在超低温条件下，主要采用镍基焊材进行焊接，越来越多的设计部门和单位希望有一种材料能替代镍基材料且超低温条件下焊态和热处理态具有较高的冲击韧性。为此，经过研究，采用焊剂调整来控制熔敷金属化学成分，在控氮和不控氮成分下，确保焊缝金属为奥氏体组织。为了得到良好的机械性能，特别是良好的超低温冲击韧性(-196℃)，近几年，根据市场需求和成本的要求，相关焊材厂家都在进行奥氏体不锈钢焊材的开发、完善，特别是埋弧焊的研究，因为前期的奥氏体不锈钢的焊接主要采用国外及焊条焊材，埋弧焊处于空白阶段。

众所周知，全奥氏体不锈钢的焊接主要存在裂纹敏感性的问题，对焊接材料的工艺、力学性能是一个较大的难度，其焊接过程中十分容易产生裂纹，对焊接工艺性能要求较高，经过近年的发展，为了提高奥氏体不锈钢的抗裂性、耐腐蚀性及易切削性，在钢中加入了少量的钙、钼等元素，但如何保障在焊接后，焊接接头在超低温、高压等各种腐蚀介质条件下具有良好的冲击韧性和抗裂性能，是对焊接材料的考验。

在此需要说明的是，在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明构思背景的理解，因此，它可能包含不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的之一就在于提供一种超低温奥氏体不锈钢埋弧焊用的埋弧焊焊剂，该埋弧焊焊剂专门用于控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢的埋弧焊接，且在超低温条件下(-140℃、-196℃)焊缝金属具有良好的冲击韧性和抗裂性，可明显取代镍基焊材和近年高锰钢系列的焊接。

技术方案是：一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，由以下成分制成：

SiO₂3-8重量份、MgO 1-8重量份、Al₂O₃20-40重量份、CaF₂40-60重量份、0＜CeO≤1.0重量份、1≤Mo₂O₃≤3重量份、0＜S≤0.010重量份和0＜P ≤0.020重量份。

作为优选，所述SiO₂4-8重量份、MgO 2-6重量份、Al₂O₃25-35重量份、 CaF₂45-55重量份、CeO 0.3-0.6重量份、Mo₂O₃1.5-2.5重量份、S 0.006-0.010 重量份、P 0.010-0.015重量份。

作为优选，所述焊剂碱度为2.39-3.03。

上述焊剂改善焊缝成型及提高和稳定焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢。

本发明的目的之二在于提供一种一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂的制备方法。

技术方案是：一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将上述的焊剂加入到混合器内，搅拌混合均匀后，钠水玻璃混合调粉；

步骤二、烘培和高温烧结、筛分。

本发明的目的之三在于提供一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢的焊接方法。

技术方案是：一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢的焊接方法，该方法采用上述的焊剂配合焊丝。

本发明的目的之四在于提供一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢焊接头。

技术方案是：一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢焊接头，该焊接接头采用上述的焊剂配合焊丝焊接，该焊接头抗拉强度510-540Mpa，焊态条件下焊缝金属-196℃冲击功Akv在80-90J，550-580℃/1h热处理条件下焊缝金属 -196℃冲击功Akv在90-100J。

本发明中：

Mo₂O₃是低熔点物质，能改善焊缝成型，通过调整焊缝表面的界面张力，达到高温条件下焊缝成型及良好的脱渣性能，并能与磷的氧化物进行反应，起到降P的作用。由于本次发明中，SiO₂的含量较少，为了得到良好的焊缝成型，加入了Mo₂O₃原材料，而且Mo₂O₃原材料的加入也能稳定和提高焊缝金属拉伸性能。

MgO是一种强碱性物质，对焊缝形状的控制非常重要，能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢。

Al₂O₃是两性氧化物，是熔渣粘度的调整剂，本次发明中，由于CaF₂含量较高，焊接过程中焊缝流动性和反应程度明显，为了保证焊缝表面的光洁性，调整并提高Al₂O₃含量。

SiO₂是一种酸性物质，能降低焊剂碱度，调整渣的凝固点、表面张力及熔渣高温粘度，对焊缝成形的控制也非常重要。在本次发明中，在增加Mo₂O₃含量后，适当降低了SiO₂的含量。

CaF₂能降低熔渣的粘度和熔点，在高温焊接条件下与焊缝金属的H含量结合为HF，降低焊缝金属H含量，提高焊缝金属的机械性能。CaF₂也能与SiO₂配比，提高焊剂的抗气孔能力。本发明各材料的比例，增加CaF₂在适宜的范围内。

CeO是稀土氧化物，能改善渣的性能，适量的稀土氧化物可与低熔点的有害元素P、Bi、As相作用，形成熔点较大的化合物并阻止夹杂物的偏析及长大，使夹杂物从条状、片状、块状的夹杂物形态转变成点状或小球状；不同稀土氧化物的加入也能在焊接中起到脱氧、降S、降P、吸氢除气的作用；CeO有使裂纹扩展的孕育期和断裂时间延长的作用；CeO的加入可使焊缝组织越来与均匀，具有与高温固溶处理的部分效果,提升焊缝组织的稳定性；CeO的加入能提高和稳定超低温条件下的冲击韧性和拉伸性能。

此外，为了满足和使焊缝的具有良好的抗裂性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们采用合金脱氧剂并与焊剂中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

有益效果：

1.本发明发明人通过合理采用上述焊剂各成分及含量的有机结合，在焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢时，使得本发明焊剂配合焊丝具有良好的焊接工艺性，焊缝成形美观、渣壳能自动翘起脱落，使得焊缝机械性能优良，抗裂性能良好，在加入CeO、Mo₂O₃情况下，能保证焊缝成型及焊缝金属在超低温条件下冲击韧性(-140℃)在100J以上，(-196℃)在80J以上，未加入CeO、 Mo₂O₃情况下，焊缝金属在超低温条件下冲击韧性(-140℃)在70-80J，(-196℃) 在55-70J。

2.本发明采用碱性渣系，配合专用焊丝，焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢，具有优良的焊缝性能，焊接接头抗拉强度510-540Mpa，焊态条件下焊缝金属-196℃冲击功Akv在80-96J，550-580℃/1h热处理条件下焊缝金属 -196℃冲击功Akv在85-107J，满足超低温条件下的适应环境。

3.本发明焊剂配合焊丝焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢时，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，在焊态和热处理条件下具有良好的、合理的拉伸强度、冲击值、抗裂性能，并且焊缝无气孔、夹渣和裂纹，完全满足在超低温条件下的标准要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

将SiO₂5kg、MgO 3kg、Al₂O₃25kg、CaF₂50kg、CeO 0.4kg、Mo₂O₃1.5kg、S 0.008kg、P0.015kg的粉料加入到混合器内，搅拌混合均匀后，搅拌20分钟以上，再加入18kg钠水玻璃混合调粉，经过烘培和高温烧结、筛分，即得碱度为3.03的焊剂。配合专用焊丝进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊态条件下焊接接头抗拉强度520Mpa，焊缝的夏比冲击功为 Akv(-196℃)＝85-90J；570℃/1h热处理条件下焊接接头抗拉强度525Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝88-97J，焊缝金属S＝0.008％，P＝0.011％, 焊缝金属无裂纹。

实施例2

将SiO₂8kg、MgO 6kg、Al₂O₃35kg、CaF₂55kg、CeO 0.3kg、Mo₂O₃2.5kg、 S 0.009kg、P0.016kg的粉料加入到混合器内，搅拌混合均匀后，搅拌20分钟以上，再加入20kg钠水玻璃混合调粉，经过烘培和高温烧结、筛分，即得碱度为2.39的焊剂。配合专用焊丝进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊态条件下焊接接头抗拉强度515Mpa，焊缝的夏比冲击功为 Akv(-196℃)＝80-92J；570℃/1h热处理条件下焊接接头抗拉强度521Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝85-93J，焊缝金属S＝0.0075％，P＝0.012％, 焊缝金属无裂纹；

实施例3

将SiO₂4kg、MgO 2kg、Al₂O₃30kg、CaF₂45kg、CeO 0.6kg、Mo₂O₃2.0kg、 S 0.006kg、P0.015kg的粉料加入到混合器内，搅拌混合均匀后，搅拌20分钟以上，再加入20kg钠水玻璃混合调粉，经过烘培和高温烧结、筛分，即得碱度为3.45的焊剂。配合专用焊丝进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊态条件下焊接接头抗拉强度530Mpa，焊缝的夏比冲击功为 Akv(-196℃)＝88-96J；570℃/1h热处理条件下焊接接头抗拉强度533Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝90-107J，焊缝金属S＝0.0077％，P＝0.011％焊缝金属无裂纹；

对比实施例1

将SiO₂5kg、MgO 3kg、Al₂O₃25kg、CaF₂50kg、S 0.008kg、P 0.015kg 的粉料自动加入到混合器内，搅拌混合均匀后，搅拌20分钟以上，再加入20kg 钠水玻璃混合调粉，经过烘培和高温烧结、筛分，即得碱度为3.03的焊剂。配合实施例1-3的专用焊丝进行埋弧焊焊接，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊态条件下焊接接头抗拉强度505Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv (-196℃)＝55-68J；570℃/1h热处理条件下焊接接头抗拉强度509Mpa，焊缝的夏比冲击功为Akv(-196℃)＝60-70J，焊缝金属S＝0.010％，P＝0.018％, 焊缝金属无裂纹；

实施例1-3实验性能均采用CeO、Mo₂O₃原材料，其性能满足焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢对焊缝的技术要求，特别是-196℃超低温冲击韧性的要求；对比实施例1实验性能采用未加入CeO、Mo₂O₃原材料，其焊缝金属S、 P含量增加、拉伸性能降低，特别是P含量增加较多，且-196℃超低温冲击韧性值下降约30J。

本发明具有良好的焊接工艺性，脱渣优良、成形美观，抗裂性能良好，机械性能更加优良，本发明焊剂配合焊丝焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢，能满足超低温性能要求。

Claims (7)

1.一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，由以下成分制成：

SiO₂ 3-8重量份、MgO 1-8重量份、Al₂O₃ 20-40重量份、CaF₂ 40-60重量份、0＜CeO≤1.0重量份、1≤Mo₂O₃≤3重量份、0＜S≤0.010重量份和0＜P≤0.020重量份。

2.根据权利要求1所述的焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，其特征在于：所述SiO₂ 4-8重量份、MgO 2-6重量份、Al₂O₃ 25-35重量份、CaF₂ 45-55重量份、CeO0.3-0.6重量份、Mo₂O₃ 1.5-2.5重量份、S 0.006-0.010重量份、P 0.010-0.015重量份。

3.根据权利要求2所述的焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，其特征在于：

所述SiO₂ 5重量份、MgO 3重量份、Al₂O₃ 25重量份、CaF₂ 50重量份、CeO 0.4重量份、Mo₂O₃ 1.5重量份、S 0.008重量份和P 0.015重量份；或

所述SiO₂ 8重量份、MgO 6重量份、Al₂O₃ 35重量份、CaF₂ 55重量份、CeO 0.3重量份、Mo₂O₃ 2.5重量份、S 0.009重量份和P 0.016重量份；或

所述SiO₂ 4重量份、MgO 2重量份、Al₂O₃ 30重量份、CaF₂ 45重量份、CeO 0.6重量份、Mo₂O₃ 2.0重量份、S 0.006重量份、P 0.015重量份。

4.根据权利要求1-3任一所述的焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂，其特征在于：所述焊剂碱度为2.39-3.03。

5.一种焊接控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢埋弧焊焊剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将权利要求1-4任一所述的焊剂加入到混合器内，搅拌混合均匀后，钠水玻璃混合调粉；

步骤二、烘培和高温烧结、筛分。

6.一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢的焊接方法，该方法采用权利要求1-4任一所述的焊剂。

7.一种控氮和不控氮超低温奥氏体不锈钢焊接头，该焊剂头采用权利要求1-4任一所述的焊剂焊接，该焊接头抗拉强度510-540Mpa，焊态条件下焊缝金属-196℃冲击功Akv在80-90J，550-580℃/1h热处理条件下焊缝金属-196℃冲击功Akv在90-100J。