CN111112880A - 一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂、制备及焊接方法 - Google Patents

一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂、制备及焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂、制备及焊接方法，它涉及焊接材料技术领域。它解决了现有埋弧焊用焊剂在窄间隙焊接时存在润湿性差和不易脱渣的问题。焊剂：氟化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝、二氧化锰、电解锰、硅铁和铬铁。制备：称取原料；原料混匀后加纯钠水玻璃，制粒，低温烧结后高温烧结。焊接：采用直流反接埋弧焊接。本发明中焊剂，具有良好的焊接性，得到的熔敷金属纯净，焊缝力学性能优异；该焊剂适用于耐热钢12Cr2Mo1R加氢反应器等厚壁容器的深坡口窄间隙焊接，润湿性好，接头无缺陷。焊接工艺性优良，焊渣易脱落，焊道光亮，直线度好。本发明适用于压力容器行业的装备制造。

Description

一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂、制备及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域。
背景技术
当今社会发展对能源的需求越来越多，石油化工、煤化工、核电等正处于蓬勃发展之中。12Cr2Mo1R低合金耐热钢广泛应用于制造反应器、分离器、换热器及过热器等重要设备，埋弧焊具有清洁高效的特点而被业内广泛应用。
随着对内能源的迫切需求，承载设备正朝着大型化、厚壁化发展，传统埋弧焊材料在焊接大型设备的深坡口窄间隙焊接时，往往因润湿性差和脱渣性一般而导致缺陷甚至未焊透的情况。埋弧焊焊剂制备过程中，对于深坡口窄间隙焊接，不但要确保焊接过程中焊道圆润和易脱渣，焊剂还要求抗吸潮性强，确保焊缝低氢低氧高韧性。另外，通过焊剂合金元素过渡，补充焊接过程中的合金元素烧损，最终实现焊缝的强化和韧化，以满足在焊接钢的厚度大于150mm时，接头的室温强度、高温强度、-30℃低温冲击韧性优异。
因此，窄间隙埋弧焊剂设计时，必须对焊剂配方和制造工艺进行综合设计，在满足多项综合性能要求的前提下，具有良好的焊接工艺性和优异的机械性能，才能在加氢反应器等厚壁容器的埋弧焊过程中获得性能良好且无缺陷的焊接接头。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有埋弧焊用焊剂在窄间隙焊接时存在润湿性差和不易脱渣的问题，而提供一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂、制备及焊接方法。
一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，它按照重量份数组成为：7～30份氟化钙、13～30 份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。
一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，按以下步骤实现：
一、按照重量份数称取7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3 份铬铁作为原料；
二、将上述称取的原料混匀，然后加入纯钠水玻璃，搅匀，再制成10～60目的颗粒，置于250～400℃下烧结30～60min，再升温至700～850℃烧结50～100min，即完成耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备；
其中纯钠水玻璃的加入量为原料总质量的18％～22％。
采用上述一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的焊接方法，采用直流反接埋弧焊接，焊接工艺参数：焊接电流550～650A，焊接电压28～32V，焊接速度350～500mm/min，焊接线能量18.5～35.6KJ/cm，焊丝按重量百分比组成为C：0.05～0.17％、Si：0～0.30％、Mn：0.45～1.25％、S：0～0.005％、P：0～0.015％、Cr：2.20～3.00％、Mo：0.85～1.25％、Cu：0～0.3％、 As：0～0.010％、Sn：0～0.010％和Sb：0～0.010％。
本发明的优点：
1、本发明中一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，为CaF2-MgO-MnO2-A12O3-SiO2氟碱型渣系，具有良好的焊接性，得到的熔敷金属纯净，焊缝力学性能优异；该焊剂适用于耐热钢12Cr2Mo1R加氢反应器等厚壁容器的深坡口窄间隙焊接，润湿性好，易脱渣，可以获得力学性能优异，且无缺陷的焊接接头。
2、本发明中焊剂，用于焊接石油炼化装备中常用的12Cr2Mo1R钢，在18.5-35.6KJ/cm 的焊接线能量参数范围，其焊接工艺性优良，焊渣易脱落，焊道光亮，直线度良好，焊缝成形美观，焊缝金属扩散氢含量低，经过690℃×8小时和690℃×32小时的热处理后，能够获得优良的室温强度、高温454℃强度、-30℃低温冲击韧性优异。
本发明适用于压力容器行业的装备制造；满足窄间隙坡口焊接，适用于板厚大于150mm。
附图说明
图1为实施例中试验母材12Cr2Mo1R钢板的示意图，其板材厚度为105mm，钝边厚度为7mm，根部倒角R8mm，单边坡口10°。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，它按照重量份数组成为：7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。
本实施方式中焊剂为CaF2-MgO-MnO2-A12O3-SiO2氟碱型渣系。
本实施方式中焊剂主渣系决定了焊接过程中焊缝成形；原材料品质、合金元素加入量以及制备工艺，决定了埋弧焊过程中的合金烧损、焊缝纯净度、扩散氢含量等，对焊剂成分说明如下：
氟化钙中的氟能够降低焊缝金属中的扩散氢，改善熔渣的粘度和流动性，氟化钙能够促进焊缝成型，改善焊剂的脱渣性；加入过多时，焊剂的电弧稳定性降低，焊缝不易成型；因此，焊剂中氟化钙控制在7～30份。
氧化镁具有造渣作用；氧化镁的加入，有利于焊接工艺性中的脱渣性和焊缝成形；同时，氧化镁能够提高焊剂的碱度，改善焊缝的冲击韧性；但是，氧化镁含量过高时，焊缝成形变得凸起，容易发生焊道边缘熔合不良，不利于焊剂在窄间隙中应用；因此，焊剂中氧化镁控制在13～30份。
二氧化硅的加入，可以降低焊剂熔点，调节熔渣的粘度，有利于窄间隙焊接；二氧化硅含量过高，将降低焊剂的碱度，对焊缝低温冲击韧性不利，抗回火脆化能力变差；因此，焊剂中二氧化硅控制在5～15份。
氧化钙的加入，能够提高焊剂的碱度，对焊缝冲击韧性益；氧化钙过高，焊剂的流动性变差；因此，焊剂中氧化钙控制在7～16份。
三氧化二铝的加入，能够调节熔渣粘度，改善焊剂工艺性；当三氧化二铝过高时，熔渣的流动性变差碱度降低，对焊剂工艺性和焊缝低温冲击韧性都不利；因此，焊剂中三氧化二铝控制在10～21份。
二氧化锰不仅可以降低熔渣熔点，改善熔渣流动性，还可以降低表面张力，有利于焊缝成形；可以向焊缝中过渡一定的锰元素，锰是奥氏体稳定元素，合理加入能为针状铁素体的形成创造良好条件，改善焊缝金属力学性能；因此，焊剂中二氧化锰控制在1～10份。
焊剂中电解锰不超过2％；硅铁不超过2％；铬铁不超过2％；上述合金不但具有脱氧作用，同时还可以调节熔敷金属的化学成分，够改善熔敷金属低温冲击韧性；铬铁能够增加熔敷金属中铬含量，改善熔敷金属高温力学性能；但是，过多加入合金，不但对熔敷金属的稳定性不利，对其冲击韧性也不利。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量份数组成为： 10～28份氟化钙、17～28份氧化镁、5～12份二氧化硅、7～12份氧化钙、13～21份三氧化二铝、1～7份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量份数组成为： 12～25份氟化钙、16～27份氧化镁、5～12份二氧化硅、7～13份氧化钙、10～19份三氧化二铝、1～5份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量份数组成为： 19份氟化钙、27份氧化镁、8份二氧化硅、7份氧化钙、15份三氧化二铝、8份二氧化锰、 2份电解锰、1份硅铁和2份铬铁。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，按以下步骤实现：
一、按照重量份数称取7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3 份铬铁作为原料；
二、将上述称取的原料混匀，然后加入纯钠水玻璃，搅匀，再制成10～60目的颗粒，置于250～400℃下烧结30～60min，再升温至700～850℃烧结50～100min，即完成耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备；
其中纯钠水玻璃的加入量为原料总质量的18％～22％。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤一中按照重量份数称取25份氟化钙、22份氧化镁、8份二氧化硅、7氧化钙、19份三氧化二铝、8份二氧化锰、2份电解锰、1份硅铁和2份铬铁作为原料。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤二中纯钠水玻璃的浓度为38～40波美度。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤二中制成40目的颗粒，置于300℃下烧结40min，再升温至800℃烧结60min。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：本实施方式采用上述一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的焊接方法，采用直流反接埋弧焊接，焊接工艺参数：焊接电流550～650A，焊接电压28～32V，焊接速度350～500mm/min，焊接线能量18.5～35.6KJ/cm，焊丝按重量百分比组成为C： 0.05～0.17％、Si：0～0.30％、Mn：0.45～1.25％、S：0～0.005％、P：0～0.015％、Cr：2.20～3.00％、 Mo：0.85～1.25％、Cu：0～0.3％、As：0～0.010％、Sn：0～0.010％和Sb：0～0.010％。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是，所述焊接电流600A，焊接电压30V，焊接速度450mm/min，焊接线能量18.5～35.6KJ/cm。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，按以下步骤实现：
一、按照重量份数称取7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3 份铬铁作为原料；
二、将上述称取的原料混匀，然后加入纯钠水玻璃，搅匀，再制成50目的颗粒，置于350℃下烧结40min，再升温至800℃烧结60min，即完成耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备；
其中纯钠水玻璃的加入量为原料总质量的20％；纯钠水玻璃的浓度为40波美度。
采用上述方法制备的焊剂，成分如1表所示。
表1焊剂成分表
氟化钙 氧化镁 二氧化硅 氧化钙 三氧化二铝 二氧化锰 电解锰 硅铁 铬铁
焊剂1 19 27 8 7 15 8 2 1 2
焊剂2 19 27 8 7 15 8 1.5 1 2
焊剂3 25 22 8 7 19 8 2 1 2
焊剂4 25 22 8 7 19 8 1.5 1 2
焊剂性能试验：
选用的窄间隙埋弧焊接用焊丝成分及焊后熔敷金属成分见表2；焊丝规格为4.0mm，焊接规范参考表3所示。对1-4号焊剂进行熔模拟窄间隙力学性能测试。
表2焊丝及熔敷金属化学成分
C Si Mn S P Cr Mo Cu Sn As Sb
焊丝 0.12 0.16 0.70 0.002 0.006 2.32 1.05 0.03 0.001 0.002 0.001
焊剂1 0.07 0.18 0.83 0.005 0.008 2.20 1.00 0.05 0.001 0.002 0.002
焊剂2 0.07 0.19 0.76 0.005 0.008 2.16 1.01 0.06 0.001 0.001 0.002
焊剂3 0.07 0.18 0.80 0.005 0.008 2.23 0.98 0.05 0.002 0.002 0.003
焊剂4 0.07 0.22 0.75 0.005 0.008 2.18 1.02 0.05 0.001 0.003 0.001
注：X系数＝(10P+5Sb+4Sn+As)×102，满足X系数不大于10ppm的要求。
表3焊接参数
焊接电流I/(A) 焊接电压U/(V) 焊接速度v/(mm/min) 电源类型
550～650 28～32 350～500 直流反接
试验母材12Cr2Mo1R钢板，化学成分如表4所示。采用表3中的焊接参数，利用上述焊丝和焊剂，熔敷金属性能检测选择母材尺寸400mm×300mm×30mm，单侧坡口22.5°，根部间隙16mm。接头性能按照如图1所示的坡口进行，板材厚度为105mm，钝边厚度为7mm，根部倒角R8mm，单边坡口10°。
表4板材化学成分
C Si Mn P S Cr Mo
钢板 0.19 0.17 0.79 0.005 0.003 2.26 1.03
分别按照GB/T2652-2008、GB/T2652-2008、GB/T228.2-2015、GB/T2650-2008的要求进行熔敷金属和焊接接头室温拉伸、454℃高温拉伸试验以及-30℃夏比V型缺口冲击试验，最小焊后热处理：690℃×8h，最大焊后热处理：690℃×32h。熔敷金属对应的性能如表5和表6所示，焊接接头性能如表7所示。
表5熔敷金属力学性能结果(690℃×8h)
Figure BDA0002351834250000061
表6熔敷金属力学性能结果(690℃×32h)
Figure BDA0002351834250000062
表7接头力学性能
Figure BDA0002351834250000063
Figure BDA0002351834250000071

Claims (10)

1.一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，其特征在于它按照重量份数组成为：7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。
2.根据权利要求1所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，其特征在于它按照重量份数组成为：10～28份氟化钙、17～28份氧化镁、5～12份二氧化硅、7～12份氧化钙、13～21份三氧化二铝、1～7份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。
3.根据权利要求1所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，其特征在于它按照重量份数组成为：12～25份氟化钙、16～27份氧化镁、5～12份二氧化硅、7～13份氧化钙、10～19份三氧化二铝、1～5份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁。
4.根据权利要求1所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂，其特征在于它按照重量份数组成为：19份氟化钙、27份氧化镁、8份二氧化硅、7份氧化钙、15份三氧化二铝、8份二氧化锰、2份电解锰、1份硅铁和2份铬铁。
5.制备如权利要求1所述一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的方法，按以下步骤实现：
一、按照重量份数称取7～30份氟化钙、13～30份氧化镁、5～15份二氧化硅、7～16份氧化钙、10～21份三氧化二铝、1～10份二氧化锰、0.1～2份电解锰、0.1～2份硅铁和0.1～3份铬铁作为原料；
二、将上述称取的原料混匀，然后加入纯钠水玻璃，搅匀，再制成10～60目的颗粒，置于250～400℃下烧结30～60min，再升温至700～850℃烧结50～100min，即完成耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备；
其中纯钠水玻璃的加入量为原料总质量的18％～22％。
6.根据权利要求5所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，其特征在于步骤一中按照重量份数称取25份氟化钙、22份氧化镁、8份二氧化硅、7氧化钙、19份三氧化二铝、8份二氧化锰、2份电解锰、1份硅铁和2份铬铁作为原料。
7.根据权利要求5所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，其特征在于步骤二中纯钠水玻璃的浓度为38～40波美度。
8.根据权利要求5所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的制备方法，其特征在于步骤二中制成40目的颗粒，置于300℃下烧结40min，再升温至800℃烧结60min。
9.如权利要求1所述一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的焊接方法，其特征在于采用直流反接埋弧焊接，焊接工艺参数：焊接电流550～650A，焊接电压28～32V，焊接速度350～500mm/min，焊接线能量18.5～35.6KJ/cm，焊丝按重量百分比组成为C：0.05～0.17％、Si：0～0.30％、Mn：0.45～1.25％、S：0～0.005％、P：0～0.015％、Cr：2.20～3.00％、Mo：0.85～1.25％、Cu：0～0.3％、As：0～0.010％、Sn：0～0.010％和Sb：0～0.010％。
10.根据权利要求9所述的一种耐热钢窄间隙埋弧焊用焊剂的焊接方法，其特征在于所述焊接电流600A，焊接电压30V，焊接速度450mm/min，焊接线能量18.5～35.6KJ/cm。
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