CN111618479A - 一种5%Ni钢用焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5％Ni钢用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.35～0.65，采用不锈钢ER316L焊芯，所述焊芯由如下组分组成：C：≤0.02％；Si：≤0.40％；Mn：1.50～2.50％；Cr：17.5～20.5％；Ni：11.0～13.0％；Mo：2.0～3.0；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Fe：余量。本发明焊条具有优异的交流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观。其熔敷金属具有优异的‑120℃超低温韧性，抗拉强度≥630MPa，延伸≥35％，‑120℃冲击≥80J。

Description

一种5％Ni钢用焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种5％Ni钢用焊条。

背景技术

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75％以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。

我国乙烯生产区域主要集中在华东、东北、华北、华南地区。LEG储运已成为保障中国石油化工业及农业发展的关键工程。LEG储运需要建造大量的LEG储罐，主要分为船用罐和陆用罐。

由于LEG的易燃性和超低温性(乙烯液化温度-103.7℃)，要求材料具有较高的强度和良好的低温韧性。以前建设LEG储罐多用9％Ni钢作为内壁。但9％Ni钢大多为进口钢材，成本较高。随着近年来国内钢厂冶炼及轧制技术提高，目前已开发出牌号为07/08Ni5DR的5％Ni钢板，性能可满足LEG储罐建造技术要求，但与之匹配的焊材很少，主要依赖进口且焊接性欠佳。因此开发与5％Ni钢相配套的国产焊材，优化其交流焊接性能，已成为LEG储罐建造国产化的当务之急。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种5％Ni钢用焊条，采用高碱度低氢渣系，具有优异的交流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观，其熔敷金属抗拉强度≥630MPa，延伸≥35％，-120℃冲击≥80J。

本发明的技术方案是：一种5％Ni钢用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述焊芯采用ER316L不锈钢焊芯，所述药皮占焊条总重量系数的0.35～0.65；

(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述ER316L不锈钢焊芯的组分如下：C：≤0.02％；Si：≤0.40％；Mn：1.50～2.50％；Cr：17.5～20.5％；Ni：11.0～13.0％；Mo：2.0～3.0；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Fe：余量；

(b)药皮组成采用高碱度低氢渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：25～40％；萤石：12～18％；钾冰晶石：10～20％；锆英砂：2～5％；钛酸钾：1～3％；纯碱：0.5～1％；金红石：2～5％；钛白粉：1～3％；金属锰：2～4％；碳化铬：3～6％；金属镍：10～15％；钼铁：1～2％；金属钨：2.5～5％；铝镁合金：0.5～2％；藻酸盐：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ER316L不锈钢焊芯的组分如下：C：≤0.017％；Si：≤0.27％；Mn：1.69～2.12％；Cr：18.35～19.33％；Ni：11.52～11.95％；Mo：2.23～2.64；P：≤0.017％；S：≤0.013％；Fe：余量；

(b)按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：25～38％；萤石：12～18％；钾冰晶石：10～18％；锆英砂：2～5％；钛酸钾：1～3％；纯碱：0.5～1％；金红石：2.1～4.8％；钛白粉：1～3％；金属锰：2.0～3.7％；碳化铬：3.1～5.4％；金属镍：10～14.5％；钼铁：1.1～1.8％；金属钨：2.7～4.8％；铝镁合金：0.8～1.7％；藻酸盐：0.8％～2.1％。

其中，以重量百分比计，所述5％Ni钢焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.11～0.15％；Mn：3.0～5.0％；Si：0.25～0.60％；P：0.015～0.025％；S：0.005～0.012％；Ni：15.0～20.0％；Cr：18.0～23.0％；Mo：2.0～3.2％；W：1.2～2.0％。

本发明还提供所述5％Ni钢焊条的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述组成和重量百分比，将药皮各组分按比例混合均匀；

2)加入药皮总成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以12～15Mpa的压力将药粉均匀涂覆于焊芯上；所述粘结剂采用钾水玻璃，模数为2.75～3.30，浓度为37～42Be；

3)将上述焊条分别经低、高温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃*2h，高温烘焙温度为250～400℃*1h，制成所述5％Ni钢用焊条。

本发明创新采用ER316L不锈钢焊芯(其既不与5％Ni钢为同质焊芯，也不与熔敷金属同质，更不同于9％Ni钢用昂贵的纯镍或镍基合金焊芯，而是一种最为经济实用又能与焊药搭配达成与5％Ni钢性能相匹配的新型焊芯)，熔敷金属合金元素由芯线和药皮共同过渡，一方面相比于9％Ni钢焊条用纯镍或镍基合金焊芯，具有明显的经济效益，另一方面相比于纯药皮过渡焊条，具有优异的全位置焊接操作。

本发明采用高碱度低氢渣系，一方面确保了优异的焊缝质量(较高的强韧性)，另一方面以冰晶石部分替代萤石，在确保除H(氢)的同时，利用其中的K+来降低F-对电弧稳定性的破坏，提高交流焊接电弧稳定性。

本发明采用钾水玻璃，从配方和水玻璃两方面确保良好的交流电弧稳定性，并通过多次试验采用模数较高、浓度适中的钾水玻璃，使得本发明焊条同样具有良好的涂装性。

本发明中焊条药皮的作用主要是造气、造渣、脱氧和向焊缝过渡合金等，具体分析本发明中药皮主要组分在焊条中各自发挥的作用如下：

焊条中碳酸钙的主要作用为造渣和造气，分解产生的CaO系碱性氧化物，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、表面和截面张力的作用。本发明中碳酸钙的含量控制在25～40％；

本发明中氟化物主要为萤石(CaF₂)和钾冰晶石，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、钾冰晶石等得到的氟化物可以降低液态金属的表面张力，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。本发明焊条中氟化物的含量为22～38％；

钛酸钾的主要作用是改善焊条焊接工艺性，对改善焊条的压涂性能和稳定焊接电弧有益。钛酸钾含量超过3％，焊条吸潮性增加，飞溅增大，本发明中药皮碳酸钾的含量限制在1～3％，

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，但过量使用会使药皮熔点偏高，形成较深套筒，也容易使机械性能下降，故本发明中其含量控制在2～5％；

从锆英砂、硅酸钾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。但硅氧化物的组分比例过高时，会使焊缝氧含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此焊药中的硅氧化物组分比例应尽量控制在较低的水平。

氧化锆(ZrO₂)，有调整熔融焊渣的熔点并防止金属下淌的效果。且其线膨胀系数较大，对碱性焊条脱渣有明显的改善，但锆氧化物的组分比例超过高时，焊渣会变得致密而且坚固，在全位置焊接时的脱渣性变得不良。因此本发明中的锆英砂组分比例控制在2～5％。

碳化铬、钼铁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匹配。

粘结剂采用钾水玻璃与焊药中的藻酸盐搭配，水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用，藻酸盐有较强的粘结力和塑性，与水玻璃结合能明显改善焊条涂装性，但因藻酸盐成本昂贵，本发明中藻酸盐的用量控制在0.5～2.5％。

以上为本发明的5％Ni钢用焊条的药皮成分组成原理。其余部分为铁及无法避免的杂质、药皮中的铁、铁合金粉而来。合金元素由焊芯ER316L芯线和药皮共同过渡。本发明具有优良的交流全位置焊接性，且具有良好的超低温韧性，其熔敷金属的抗拉强度≥630MPa，-120℃冲击功平均值≥80J，与5％Ni钢母材性能相匹配。

本发明5％Ni钢用焊条，在交流焊接时电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观，焊条操作性能优异；本发明通过焊芯成分和药皮组分合理匹配，从而实现焊接性和机械性的完美结合。焊接熔敷金属成分不但具有优异的力学性能和超低温性能。其熔敷金属的抗拉强度≥630MPa，并具有良好的低温冲击韧性，熔敷金属-120℃冲击功平均值≥80J，能很好地与5％Ni钢母材性能相匹配，填补了多年以来国产5％Ni钢用焊材的空白。

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5％Ni钢用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.35～0.65，以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯由如下组分组成：C：≤0.02％；Si：≤0.40％；Mn：1.50～2.50％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：17.5～20.5％；Ni：11.0～13.0％；Mo：2.0～3.0％；Fe：余量；

以药皮重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分及纯度如下：

碳酸钙(CaCO₃≥98％)：25～40％；

萤石(CaF₂≥97％)：12～18％；

钾冰晶石(K₃AlF₆≥99％)：10～20％；

锆英砂(ZrO₂≥60％)：2～5％；

钛酸钾(TiO₂≥60％K₂O≥28)：1～3％；

碳酸钠(≥99.5％)：0.5～1％；

金红石(TiO₂≥95％)：2～5％；

钛白粉(TiO₂≥99.5％)：1～3；

金属锰(Mn≥99％)：2～4％；

碳化铬(纯)：3～6％；

金属镍(Ni≥99％)：10～15％；

钼铁(Mo：65～70％)：1～2％；

金属钨(W≥99.5％)：2.5～5％；

铝镁合金(Al+Mg≥99.5％)：0.5～2％；

藻酸盐(纯)：0.5％～2.5％。

以重量百分比计，本发明焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.11～0.15％；Mn：3.0～5.0％；Si：0.25～0.60％；P：0.015～0.025％；S：0.005～0.012％；Ni：15.0～20.0％；Cr：18.0～23.0％；Mo：2.0～3.2％；W：1.2～2.0％。

实施例1～5

本发明由焊芯和药皮组成，药皮涂覆在焊芯外，采用ER316L焊芯，其焊芯组分(重量百分比％)如下表：

表1：焊芯组分重量百分比％)

药皮采用高碱度低氢渣系，药皮占焊条全重量比例为0.35～0.65，芯线直径为2.6mm，3.2mm，4.0mm。实施例1～5的药皮组分如下表：

表2：药皮组分及含量(重量百分比％)

续表2：药皮组分及含量(重量百分比％)

表3：各实施案例熔敷金属化学成分

各实施案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4：

表4：各实施例性能测试结果

由上述实验可见，本发明焊条实施例采用ER316L焊芯搭配高碱度低氢渣系和钾水玻璃，合金元素由芯ER316L芯线和药皮共同过渡，具有优异的交流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观。其熔敷金属性能能与5％Ni钢母材性能相匹配，兼具有高抗拉前度并具有优异的-120℃超低温韧性，抗拉强度≥630MPa，延伸≥35％，-120℃冲击≥80J。

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5％Ni钢用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，其特征在于，所述焊芯采用ER316L不锈钢焊芯，所述药皮占焊条总重量系数的0.35～0.65；

(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述ER316L不锈钢焊芯的组分如下：C：≤0.02％；Si：≤0.40％；Mn：1.50～2.50％；Cr：17.5～20.5％；Ni：11.0～13.0％；Mo：2.0～3.0；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Fe：余量；

(b)药皮组成采用高碱度低氢渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：25～40％；萤石：12～18％；钾冰晶石：10～20％；锆英砂：2～5％；钛酸钾：1～3％；纯碱：0.5～1％；金红石：2～5％；钛白粉：1～3％；金属锰：2～4％；碳化铬：3～6％；金属镍：10～15％；钼铁：1～2％；金属钨：2.5～5％；铝镁合金：0.5～2％；藻酸盐：0.5％～2.5％。

2.根据权利要求1所述的5％Ni钢焊条，其特征在于，(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述ER316L不锈钢焊芯的组分如下：C：≤0.017％；Si：≤0.27％；Mn：1.69～2.12％；Cr：18.35～19.33％；Ni：11.52～11.95％；Mo：2.23～2.64；P：≤0.017％；S：≤0.013％；Fe：余量；

(b)按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：25～38％；萤石：12～18％；钾冰晶石：10～18％；锆英砂：2～5％；钛酸钾：1～3％；纯碱：0.5～1％；金红石：2.1～4.8％；钛白粉：1～3％；金属锰：2.0～3.7％；碳化铬：3.1～5.4％；金属镍：10～14.5％；钼铁：1.1～1.8％；金属钨：2.7～4.8％；铝镁合金：0.8～1.7％；藻酸盐：0.8％～2.1％。

3.根据权利要求1所述的5％Ni钢焊条，其特征在于以重量百分比计，所述5％Ni钢焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.11～0.15％；Mn：3.0～5.0％；Si：0.25～0.60％；P：0.015～0.025％；S：0.005～0.012％；Ni：15.0～20.0％；Cr：18.0～23.0％；Mo：2.0～3.2％；W：1.2～2.0％，

4.一种如权利要求1所述的5％Ni钢用焊条的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)按照权利要求1的组成和重量百分比，将药皮各组分混合均匀；

2)加入药皮总成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以12～15Mpa的压力将药粉均匀涂覆于焊芯上，制成焊条；所述粘结剂采用钾水玻璃，模数为2.75～3.30，浓度为37～42Be；

3)将上述焊条分别经低、高温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃*2h，高温烘焙温度为250～400℃*1h，制成所述5％Ni钢用焊条。