CN111590240B - 一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量系数的0.3～0.5；所述焊芯采用镍铬铁焊芯；所述药皮组成采用高碱度CaCO3‑MgCO3‑CaF2低氢渣系。本发明具有优良的全位置尤其是仰焊位置的焊接性，以及极低的仰焊拍片气孔率。本发明焊条具有优异的仰焊焊接性，电弧稳定、脱渣优异且焊缝成型优良；焊条具有极低的仰焊焊接气孔率，仰焊高清射线探伤TOFD拍片合格率可达99.5％以上。

Description

一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条。
背景技术
随着全球工业化、信息化进程的加快，世界各国对能源需求急剧增长，同时严重制约着经济可持续发展的能源短缺、燃煤污染等问题也日渐暴露。天然气作为优质清洁燃料和重要的化工原材料，已成为当今世界三大支柱能源之一。近10年来，天然气在社会发展中的地位和作用日益突出，全球天然气生产及消费都呈稳步增长态势，预计到2020年全球天然气贸易量的40％将是液化天然气LNG(Liquefied Natural gas)。LNG的发展带动了LNG产业的发展，LNG产业包括生产、运输、储存、接收及应用五个阶段。工作环境要求制造LNG储罐的材料具有较好的低温韧性以及在低温环境中具有较好的强度。
9Ni钢是1944年美国国际镍公司开发的W(Ni)-9％的中合金钢，它是一种低碳调质钢。这种钢材在极低温度下具有良好的韧性和高强度，使用温度最低可达-196℃，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数小、经济性好的优点，自1960年研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9Ni钢就成为用于制造大型LNG储罐的主要材料之一。9Ni钢的主要特点是高镍含量、高纯净度、较高强度、高的低温冲击韧性、焊接性好，其化学成分为：Ni：8.5～9.5％、C：0.0005～0.012％、Si：0.05～0.4％、Mn：0.30～0.80％、S≤0.005％、P≤0.008％、Mo：0.05～0.013％、V≤0.01％。9Ni钢的力学性能为：抗拉强度Rm：680～820MPa、屈服强度ReH≥570MPa、伸长率A≥20％、-196℃KV≥100J。
随着我国能源战略的调整，LNG产业在我国一直保持迅猛发展的势头，LNG产业的发展极大的提高了对9Ni钢以及9Ni钢焊接材料的需求，然而这一材料主要依赖进口，近年来国内各大型焊材企业对9％Ni钢用焊条的研发已经取得了一定突破和进展，但是9％Ni钢焊条的仰焊拍片气孔问题是限制国产9％Ni钢焊条国产化的重要瓶颈。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，具有优良的全位置尤其是仰焊位置的焊接工艺性能，且具有极低的拍片气孔率，仰焊高清射线探伤TOFD拍片合格率可达99.5％以上，应用于9％Ni钢大型储罐的焊接可充分发挥母材的优良性能，大幅提高低温储罐的安全使用性能及使用寿命。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量系数的0.3～0.5；所述焊芯采用镍铬铁焊芯；
(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯组分如下：
C：≤0.06％；
Si：≤0.50％；
Mn：2.0～5.0％；
P：≤0.012％；
S：≤0.008％；
Cr：15.0～18.0％；
Ni：≥70.0％；
Mo：≤0.6％；
Nb+Ta：1.5～3.0％；
Fe：≤5.0％；
(b)所述药皮组成采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：20～28％；碳酸镁：15～25％；氟化钙：10～15％；钾冰晶石：10～16％；碳酸钠：0～1％；金红石：3～8％；金属锰：2～4％；稀土硅铁：2～5％；钛铁：1～3％；铝粉：0.5～3.0％；钼粉：10～15％；钨粉：2.5～4.0％；锆粉：1～4％；藻酸盐：0.5％～2.5％。
其中，所述药皮组分为：
碳酸钙(CaCO3≥98％)：20～28％；
碳酸镁(MgCO3≥98％)：15～25％；
氟化钙(CaF2≥97％)：10～15％；
钾冰晶石(K3AlF6≥98.5％)：10～16％；
碳酸钠(Na2CO3≥99.5％)：0～1％；
金红石(TiO2≥95％)：3～8％；
金属锰(Mn≥99％)：2～4％；
稀土硅铁(RE≥30％，Si：28～32％)：2～5％；
钛铁(Ti：30～45％)：1～3％；
铝粉(Al≥99.8％)：0.5～3.0％；
钼粉(Mo≥99.5％)：10～15％；
钨粉(W≥99.5％)：2.5～4.0％；
锆粉(Zr≥99.5％)：1～4％；
藻酸盐(纯)：0.5％～2.5％。
优选的，(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯组分如下：C：0.034～0.043％；Si：0.16～0.24％；Mn：2.9～3.3％；P：0.009～0.012％；S：0.006～0.007％；Cr：17.2～17.7％；Ni：72.0～73.0％；Mo：0.2～0.3％；Nb+Ta：2.7～2.8％；Fe：2.9～3.8％；
(b)所述药皮组成采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：20～26％；碳酸镁：15～24％；氟化钙：10.6～14％；钾冰晶石：10～15.4％；碳酸钠：0.5～0.8％；金红石：3～7％；金属锰：2.3～3.6％；稀土硅铁：2.4～4.0％；钛铁：1.3～2.6％；铝粉：0.7～2.6％；钼粉：10.8～14.6％；钨粉：2.6～3.7％；锆粉：1.2～3.5％；藻酸盐：1.5％～2.0％。
以重量百分比计，所述仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条的熔敷金属的组分为：C：≤0.08％；Si：≤0.08％；Mn：2～4％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：12.0～16.0％；Ni：60～72％；Mo：5～8％；Nb+Ta：0.8～2％；W：1～2％；余量Fe。
本发明还提供所述的仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将药皮各组分按比例混合均匀；
2)加入药皮总重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以12～15Mpa的压力将药皮的粉末均匀涂覆于焊芯上；所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75～3.15，浓度为35～42Be；
3)将上述焊芯和药皮经低、高温烘焙而成所述仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，低温烘焙条件为60～100℃*2h，高温烘焙条件为300～400℃*1h。
本发明中药皮主要组分在焊条中各自发挥的作用如下：
焊条中碳酸盐的主要作用为造渣和造气，分解产生的CaO、MgO是碱性氧化物，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，还有调节熔渣熔点、粘度、表面和界面张力的作用。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，本发明中碳酸盐的含量控制在35～53％；
本发明中氟化物主要为CaF2和冰晶石，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、冰晶石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。而且钾冰晶石分解产生的K+还能显著改善9％Ni钢用ENiCrMo-6焊条的电弧稳定性，本发明焊条中氟化物的总量为20～31％；
金红石的主要成分是TiO2，其主要作用是稳弧、造渣、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、减小飞溅；且热脱渣性好，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，改善美化焊缝成形，确保熔渣覆盖性，但过量使用容易使机械性能下降，故本发明中其含量控制在3～8％；
从稀土硅铁和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。为避免焊缝O含量过高，而导致的焊缝力学性能下降，本发明除粘结剂水玻璃外，不单独添加硅氧化物或含硅酸盐的矿物；
金属锰、稀土硅铁、钛铁、铝粉、钼粉、钨粉、锆粉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韧性和耐蚀性匹配，独特的Mn-Si-A1-Ti-Zr-RE联合脱氧体系是本发明一个重要的特征，根据金属元素的活性，本发明的合金体系确保从熔池冶金上充分对熔池脱氧、除氢、净化和除杂，从而实现焊缝的极低气孔率和优异焊缝金属性能的完美结合；
粘结剂采用钾钠水玻璃搭配藻酸盐，本发明采用钾钠混合水玻璃水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态，尤其是对于交流焊接电弧的稳定性有重要作用。
本发明在传统ENiCrMo-6焊条采用纯镍芯线的基础上，创新改用镍铬铁焊芯，一方面减少了从药皮过渡合金的需求量，即大大减少了焊条的药皮重量系数及被覆，焊渣量明显少于纯镍焊芯制作ENiCrMo-6焊条，降低了焊渣对熔池的干扰，大大优化了仰焊焊接操作性，另一方面焊条被覆的减小，还明显改善了仰焊位置尤其是窄间隙对熔池的气体保护，可以使电弧紧贴熔池、并通过焊接手势加强对熔池的搅拌、也更有利于熔池冶金反应更加充分进行，加速气体的逸出，能明显降低仰焊焊缝的气孔率。
本发明药皮渣系采用高碱度低氢渣系，在电弧吹力方面，采用较强电弧吹力，一方面有利于仰焊位置的全熔透避免未熔透夹渣等焊接缺陷，另一方面能加强电弧对熔池的冲击和搅拌，加速熔池气体的排出。
本发明还通过在药皮的优化设计，采用独特的Mn-Si-Al-Ti-Zr-RE联合脱氧合金体系，从熔池冶金上充分对熔池脱氧、除氢、净化和除杂，从而实现焊缝的极低气孔率和优异焊缝金属性能的完美结合。
在药皮组成方面，为避免焊药本身含结晶水等杂质所可能导致的气孔问题，严格控制所用原料的纯净度，并避免采用长石、云母、膨润土、纤维素等含水矿物和纤维，从源头控制气孔率。
本发明的有益效果是：所述仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条具有优良的全位置尤其是仰焊位置的焊接性，以及极低的仰焊拍片气孔率；熔敷金属的机械性能优异且稳定，其抗拉强度≥720MPa，且低温冲击韧性优良，-196℃冲击功平均值≥80J，以及优异的接头弯曲性能，能与9％Ni钢母材(06Ni9DR/X7Ni9等)性能相匹配，特别适用于9％Ni钢仰焊位置的焊接需求，仰焊高清射线探伤TOFD拍片合格率可达99.5％以上。
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。
一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，药皮占焊条总重量系数的0.3～0.5；所述焊芯采用镍铬铁焊芯；其焊芯组分(重量百分比％)见表1：
表1：焊芯组分
Figure BDA0002558555890000071
Figure BDA0002558555890000081
表2：实施例1～5中的焊芯成分(重量百分比％)
Figure BDA0002558555890000082
药皮采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，药皮占焊条全重量比例为0.3～0.5，芯线直径为2.6mm、3.2mm，各实施例的药皮组分见表3：
表3：药皮组分实施例(重量百分比％)
Figure BDA0002558555890000083
Figure BDA0002558555890000091
各实施例对应其熔敷金属化学成分测试结果见表4。
表4：各实施例熔敷金属化学成分(％)
Figure BDA0002558555890000092
各实施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5：各实施例性能测试
Figure BDA0002558555890000093
Figure BDA0002558555890000101
由上述实验可见，本发明焊条实施例具有优良的全位置尤其是仰焊位置的焊接性，以及极低的仰焊拍片气孔率；本发明满足AWS A5.11ENiCrMo-6，具有较高的强度，熔敷金属的机械性能优异且稳定，其抗拉强度≥720MPa，且低温冲击韧性优良，-196℃冲击功平均值≥80J，以及优异的接头弯曲性能，特别适用于9％Ni钢仰焊位置的焊接需求，仰焊高清射线探伤TOFD拍片合格率可达99.5％以上，在解决9％Ni钢仰焊气孔问题、与母材性能匹配的同时，还具有良好的仰焊焊接工艺性能，应用于9％Ni钢大型储罐的焊接可充分发挥母材的优良性能，大幅提高低温储罐的安全使用性能及使用寿命，具有很强的实践意义和社会价值。
有别于传统的ENiCrMo-6焊条采用纯镍焊芯，本发明焊芯采用镍铬铁焊芯，药皮组成采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，合金元素由焊芯和药皮共同过渡，具有优良的全位置尤其是仰焊位置的焊接工艺性能，特别适用于9％Ni钢仰焊位置的焊接需求，仰焊高清射线探伤TOFD拍片合格率可达99.5％以上，在解决9％Ni钢仰焊气孔问题、与母材性能匹配的同时，还具有良好的仰焊焊接工艺性能，应用于9％Ni钢大型储罐的焊接可充分发挥母材的优良性能，大幅提高低温储罐的安全使用性能及使用寿命。
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 (4)

1.一种仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，其特征在于，所述药皮占焊条总重量系数的0.3～0.5；所述焊芯采用镍铬铁焊芯；
(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯组分如下：C：≤0.06％；Si：≤0.50％；Mn：2.0～5.0％；P：≤0.012％；S：≤0.008％；Cr：15.0～18.0％；Ni：≥70.0％；Mo：≤0.6％；Nb+Ta：1.5～3.0％；Fe：≤5.0％；
(b)所述药皮组成采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：20～28％；碳酸镁：15～25％；氟化钙：10～15％；钾冰晶石：10～16％；碳酸钠：0～1％；金红石：3～8％；金属锰：2～4％；稀土硅铁：2～5％；钛铁：1～3％；铝粉：0.5～3.0％；钼粉：10～15％；钨粉：2.5～4.0％；锆粉：1～4％；藻酸盐：0.5％～2.5％。
2.根据权利要求1所述的仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，其特征在于，(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯组分如下：C：0.034～0.043％；Si：0.16～0.24％；Mn：2.9～3.3％；P：0.009～0.012％；S：0.006～0.007％；Cr：17.2～17.7％；Ni：72.0～73.0％；MO：0.2～0.3％；Nb+Ta：2.7～2.8％；Fe：2.9～3.8％；
(b)所述药皮组成采用高碱度CaCO3-MgCO3-CaF2低氢渣系，以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：20～26％；碳酸镁：15～24％；氟化钙：10.6～14％；钾冰晶石：10～15.4％；碳酸钠：0.5～0.8％；金红石：3～7％；金属锰：2.3～3.6％；稀土硅铁：2.4～4.0％；钛铁：1.3～2.6％；铝粉：0.7～2.6％；钼粉：10.8～14.6％；钨粉：2.6～3.7％；锆粉：1.2～3.5％；藻酸盐：1.5％～2.0％。
3.根据权利要求1或2所述的仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，其特征在于，以重量百分比计，所述仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条的熔敷金属的组分为：C：≤0.08％；Si：≤0.08％；Mn：2～4％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：12.0～16.0％；Ni：60～72％；Mo：5～8％；Nb+Ta：0.8～2％；W：1～2％；余量Fe。
4.一种如权利要求1或2中所述的仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将药皮各组分按比例混合均匀；
2)加入药皮总重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以12～15Mpa的压力将药皮的粉末均匀涂覆于焊芯上；所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75～3.15，浓度为35～42Be；
3)将上述焊芯和药皮经低、高温烘焙而成所述仰焊专用9％Ni钢配套镍基焊条，低温烘焙条件为60～100℃*2h，高温烘焙条件为300～400℃*1h。
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