CN112404794B - 一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。其技术方案是：所述手工电弧焊焊条由70～80wt％的高合金钢钢芯和20～30wt％的药皮组成；制备方法是在药皮的化学组分中加入水玻璃，搅拌，压涂到高合金钢钢芯表面即制得。高合金钢钢芯的组分及质量含量：C为0.03～0.05％，Si为0.2～0.4％，Cr为23～25％，Mn为8～10％，Ni为17～20％，N为0.25～0.45％，P≤0.006％，S≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。药皮的组分及质量含量：大理石为45～47％，萤石为20～23％，氟化锂为3～5％，石英砂为2～4％，金红石为10～12％，氮化锰为6～8％，其余为铁粉。本发明用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属无磁性、强度高、塑韧性好和耐海水腐蚀性有良。

Description

一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条
技术领域
本发明属于手工电弧焊焊条技术领域。特别涉及一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
背景技术
917无磁钢是我国60～70年代发展起来的Mn-Al成份系无磁钢，是舰艇建造主要用钢，其含碳量和合金成份较高，属于完全无磁性单相奥氏体组织的中碳钢。随着舰艇逐渐向大排水量、大吨位及深海发展，对船体结构用钢的强度、耐蚀性也提出新要求。917钢综合性能虽好，能满足各类舰艇设计及使用要求，但屈服强度实际值较低，在300～450MPa范围之内；属于中碳钢，耐海水腐蚀性能相对较差。
为了满足舰艇发展的要求，已成功研制出高强度、耐海水腐蚀性能好的新型低氮无磁舰艇钢，其化学成分体系为：0Cr22Ni15Mn6Mo3N(以下称低氮无磁舰艇钢)，所述钢种采用低氮含量(质量分数0.25～0.35)，通过采取固溶强化、析出强化及细晶强韧化机理，使所述钢种具有高强度、高塑韧性、无磁性及较好的耐海水腐蚀的特点。此外，氮的加入也使该类钢具有更加优良的耐腐蚀性能。该类低氮无磁舰艇钢定位于高Ni含量的超级奥氏体不锈钢，可满足舰艇船体结构高强度与高耐蚀的较高要求，然而能与该低氮无磁舰艇钢相匹配的焊接材料未见公开报道。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，用所述手工电弧焊焊条焊接时操作工艺性优良、电弧稳定、脱渣性好和能实现全位置焊接，所述手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属的强度高、塑韧性好、无磁性和耐海水腐蚀优良，能满足新一代舰艇的技术要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条(以下简称手工电弧焊焊条)由70～80wt％的高合金钢钢芯和20～30wt％的药皮组成。
所述高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.03～0.05wt％；Si为0.2～0.4wt％；Cr为23～25wt％；Mn为8～10wt％；Ni为17～20wt％；N为0.25～0.45wt％；P≤0.006wt％；S≤0.003wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高合金钢芯的制备方法是：按高合金钢芯的化学组分配料，冶炼，锻造，轧制，拉拔，制得钢芯。
所述药皮的化学组分及其含量是：大理石为45～47wt％；萤石为20～23wt％；氟化锂为3～5wt％；石英砂为2～4wt％；金红石为10～12wt％；氮化锰为6～8wt％；其余为铁粉。
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：按所述药皮的化学组分及其含量进行配料，混合，再外加所述药皮的化学组分10～15wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为2.6～3.2。
所述大理石的纯度≥99％，大理石的粒度≤0.3mm。
所述萤石的纯度≥99％，萤石的粒度≤0.3mm。
所述氟化锂的纯度≥99％，氟化锂的粒度为0.15～0.2mm。
所述石英砂的纯度≥99％，石英砂的粒度≤0.3mm。
所述金红石的纯度≥99％，金红石的粒度≤0.3mm。
所述氮化锰：氮含量为10wt％，锰含量为90％；氮化锰的粒度≤0.3mm。
所述铁粉的纯度≥99％，铁粉的粒度≤0.3mm。
所述低氮无磁舰艇钢的为0Cr22Ni15Mn6Mo3N钢板。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下积极效果：
本发明的高合金钢芯采用超低碳(0.03～0.05％)设计，保证了手工电弧焊焊条有优良的焊接性。因超低碳而损失的强度，用添加0.25～0.45％的氮元素来补偿。本发明中的P≤0.006wt％、S≤0.003wt％，使手工电弧焊焊条中的S、P杂质元素尽量控制到最低，提高了焊缝金属的纯净度，有利于焊缝金属力学性能的提高，尤其有利于低温冲击韧性的显著提高。
本发明的药皮采用CaO-CaF2-SiO2型碱性渣系。该碱性渣系有利于合金元素过渡和去除O、S、P等有害杂质，因此，制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属具有塑韧性高和抗裂性优良的力学性能，满足低氮无磁舰艇钢的高强度、高韧性的技术要求。
本发明的药皮中采用大理石能造气和造渣，同时还有去除S、P的能力，由于大理石分解析出的CO2气体可增加电弧吹力，改善了电弧稳定性，有利于熔滴过渡，提高立焊操作性，实现全位置焊接。但大理石加入量过少，导致气保护效果不足；大理石加入量过多，熔渣的流动性变差，焊道窄而粗糙，焊缝凸度增加。因此，本发明在药皮中加入45～47wt％的大理石，确保了该手工电弧焊焊条焊接时优良的操作工艺性能。
本发明的药皮中所采用的萤石主要作用是造渣，同时去除焊缝金属中的扩散氢。萤石加入量过少时，电弧吹力减小，稳定性变差，难以实现立焊操作；萤石加入量过多时、熔渣板结呈黄且亮，不利于坡口脱渣。因此，本发明在药皮中加入为20～23wt％的萤石，有利于脱渣和实现全位置焊接。
本发明中的氟化锂可以去氢。氟化锂的加入量过大，电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘；氟化锂的加入量过少，去氢能力不足，容易出现气孔压坑。因此，本发明在药皮中加入3～5wt％的氟化锂，能有效稳定电弧和提高去氢能力，提高了焊缝金属的低温韧性。
本发明中的石英砂可降低熔池中铁水的表面张力，增强铁水流动性。加入量少时，上述作用不明显；反之当加入量过大时，会降低熔渣熔点，熔渣流动性太强，焊缝成型变差。因此，本发明添加2～4wt％的石英砂，保证了手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属具有良好的成型性能。
本发明中的金红石用来调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性和焊缝成型。加入量少时电弧稳定性不佳，影响立焊工艺性能；若加入量大时，会使焊缝成形变差，熔池气体不易逸出而产生气孔。因此，本发明添加10～12wt％的金红石，进一步提高了焊缝金属的成型和操作工艺性。
本发明中的氮化锰是过渡氮的主要合金，氮在焊缝中的溶解度随着锰的增加而增大。氮的作用除代替贵重镍外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体钢强度，且并不显著损害钢塑韧性。氮提高强度作用比碳及其他合金元素强，同时，氮稳定奥氏体作用约为镍的20倍，也大于碳。此外，氮可以提高奥氏体不锈钢的局部耐腐蚀性能。氮化锰的加入量过低时，上述效果不明显；氮化锰的加入量过高时，易产生氮气孔而影响性能。因此，本发明加入6～8wt％氮化锰，保证焊缝金属中N的含量在0.19～0.35wt％，不仅提高焊缝金属的强度，稳定奥氏体相，且能有效降低磁性和提高耐腐蚀性能。
本发明制备的手工电弧焊焊条用于焊接低氮无磁舰艇钢，所形成的焊缝金属的力学性能检测结果为：抗拉强度≥620MPa，屈服强度≥410MPa，断后伸长率≥35.4％，-40℃冲击吸收能量大于67J，具有稳定的力学性能。所形成的焊缝金属的奥氏体相分数为100％，N含量≥0.15％，使焊缝金属无磁、具有优良的耐海水腐蚀性。本发明制备的手工电弧焊焊条焊接时，电弧稳定、脱渣性好、可实现全位置焊接，具有优良的操作工艺性能。
因此，本发明操作工艺性优良，焊接时电弧稳定、脱渣性好和能实现全位置焊接；所述制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属无磁性、强度高和塑韧性好和耐海水腐蚀性优良，能满足新一代舰艇的高强度、高塑韧性和优良耐海水腐蚀性的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。所述用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条(以下简称手工电弧焊焊条)由70～80wt％的高合金钢钢芯和20～30wt％的药皮组成。
所述高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.03～0.05wt％；Si为0.2～0.4wt％；Cr为23～25wt％；Mn为8～10wt％；Ni为17～20wt％；N为0.25～0.45wt％；P≤0.006wt％；S≤0.003wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高合金钢芯的制备方法是：按高合金钢钢芯的化学组分及其含量进行配料，冶炼，锻造，轧制，拉拔，制得高合金钢钢芯。
所述药皮的化学组分及其含量是：大理石为45～47wt％；萤石为20～23wt％；氟化锂为3～5wt％；石英砂为2～4wt％；金红石为10～12wt％；氮化锰为6～8wt％；其余为铁粉。
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：先按所述药皮的化学组分及其含量进行配料，混合，再外加所述药皮的化学组分10～15wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为2.6～3.2。
所述大理石的纯度≥99％，大理石的粒度≤0.3mm。
所述萤石的纯度≥99％，萤石的粒度≤0.3mm。
所述氟化锂的纯度≥99％，氟化锂的粒度为0.15～0.2mm。
所述石英砂的纯度≥99％，石英砂的粒度≤0.3mm。
所述金红石的纯度≥99％，金红石的粒度≤0.3mm。
所述氮化锰：氮含量为10wt％，锰含量为90％；氮化锰的粒度≤0.3mm。
所述铁粉的纯度≥99％，铁粉的粒度≤0.3mm。
本具体实施方式中：所述低氮无磁舰艇钢为0Cr22Ni15Mn6Mo3N钢板，厚度为20mm，长度为500mm；焊接坡口为V型，单面角度为45°。
所述手工电弧焊焊条的直径为Φ3.2mm。
所述焊接的工艺参数为：焊接电流为110A～120A，电弧电压为22～24V，焊接速度为9～12cm/min。
对本具体实施方式制备的手工电弧焊焊条进行焊缝金属理化性能试验，以及低氮无磁舰艇钢板坡口、尺寸、取样方法与位置均按照CB/T1124《舰船用高强度船体结构钢焊接材料的鉴定、出厂和进货检验规则》国家标准进行。
具体实施例中不再赘述。
实施例1
一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。本实施例所述手工电弧焊焊条除下述外，其余同具体实施方式。
所述手工电弧焊焊条由70wt％的高合金钢钢芯和30wt％的药皮组成。
所述高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.03wt％；Si为0.2wt％；Cr为23wt％；Mn为9wt％；Ni为17wt％；N为0.25wt％；P为0.006wt％；S为0.003wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药皮的化学组分及其含量是：大理石为45wt％；萤石为20wt％；氟化锂为3wt％；石英砂为2wt％；金红石为10wt％；氮化锰为6wt％；铁粉为14wt％。
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：先按所述药皮的化学组分及其含量进行配料，混合，再外加所述药皮的化学组分10wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为2.6。
本实施例制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属的力学性能经检测：抗拉强度为620MPa；屈服强度为410MPa；断后伸长率为35.4％；-40℃冲击吸收能量为75J、70J、77J。奥氏体相分数为100％；N含量为0.15wt％。
实施例2
一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。本实施例所述手工电弧焊焊条除下述外，其余同具体实施方式。
所述手工电弧焊焊条由75wt％的高合金钢钢芯和25wt％的药皮组成。
所述高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.04wt％；Si为0.3wt％；Cr为25wt％；Mn为8wt％；Ni为19wt％；N为0.35wt％；P为0.004wt％；S为0.002wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药皮的化学组分及其含量是：大理石为46wt％；萤石为21wt％；氟化锂为4wt％；石英砂为3wt％；金红石为11wt％；氮化锰为7wt％；铁粉为8wt％。
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：先按所述药皮的化学组分及其含量进行配料，混合，再外加所述药皮的化学组分13wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为3。
本实施例制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属的力学性能经检测：抗拉强度为648MPa；屈服强度为430MPa；断后伸长率为36.9％；-40℃冲击吸收能量为75J、78J、87J。奥氏体相分数为100％；N含量为0.25wt％。
实施例3
一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。本实施例所述手工电弧焊焊条除下述外，其余同具体实施方式。
所述用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条由80wt％的高合金钢钢芯和20wt％的药皮组成。
所述高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.05wt％；Si为0.4wt％；Cr为24wt％；Mn为10wt％；Ni为20wt％；N为0.45wt％；P为0.006wt％；S为0.002wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述药皮的化学组分及其含量是：大理石为47wt％；萤石为23wt％；氟化锂为5wt％；石英砂为4wt％；金红石为12wt％；氮化锰为8wt％；铁粉为1wt％。
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：先按所述药皮的化学组分及其含量进行配料，混合，再外加所述药皮的化学组分15wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条。
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为3.2。
本实施例制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属的力学性能经检测：抗拉强度为678MPa；屈服强度为472MPa；断后伸长率为35.3％；-40℃冲击吸收能量为67J、68J、69J。奥氏体相分数为100％；N含量为0.39wt％。
本具体实施方式具有如下积极效果：
本具体实施方式的高合金钢芯采用超低碳(0.03～0.05％)设计，保证了手工电弧焊焊条有优良的焊接性。因超低碳而损失的强度，用添加0.25～0.45％的氮元素来补偿。本具体实施方式中的P≤0.006wt％、S≤0.003wt％，使手工电弧焊焊条中的S、P杂质元素尽量控制到最低，提高了焊缝金属的纯净度，有利于焊缝金属力学性能的提高，尤其有利于低温冲击韧性的显著提高。
本具体实施方式的药皮采用CaO-CaF2-SiO2型碱性渣系。该碱性渣系有利于合金元素过渡和去除O、S、P等有害杂质，因此，制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属具有塑韧性高和抗裂性优良的力学性能，满足低氮无磁舰艇钢的高强度、高韧性的技术要求。
本具体实施方式的药皮中采用大理石能造气和造渣，同时还有去除S、P的能力，由于大理石分解析出的CO2气体可增加电弧吹力，改善了电弧稳定性，有利于熔滴过渡，提高立焊操作性，实现全位置焊接。但大理石加入量过少，导致气保护效果不足；大理石加入量过多，熔渣的流动性变差，焊道窄而粗糙，焊缝凸度增加。因此，本具体实施方式在药皮中加入45～47wt％的大理石，确保了该手工电弧焊焊条焊接时优良的操作工艺性能。
本具体实施方式的药皮中所采用的萤石主要作用是造渣，同时去除焊缝金属中的扩散氢。萤石加入量过少时，电弧吹力减小，稳定性变差，难以实现立焊操作；萤石加入量过多时、熔渣板结呈黄且亮，不利于坡口脱渣。因此，本具体实施方式在药皮中加入为20～23wt％的萤石，有利于脱渣和实现全位置焊接。
本具体实施方式中的氟化锂可以去氢。氟化锂的加入量过大，电弧稳定性不好，增加焊接飞溅和烟尘；氟化锂的加入量过少，去氢能力不足，容易出现气孔压坑。因此，本具体实施方式在药皮中加入3～5wt％的氟化锂，能有效稳定电弧和提高去氢能力，提高了焊缝金属的低温韧性。
本具体实施方式中的石英砂可降低熔池中铁水的表面张力，增强铁水流动性。加入量少时，上述作用不明显；反之当加入量过大时，会降低熔渣熔点，熔渣流动性太强，焊缝成型变差。因此，本具体实施方式添加2～4wt％的石英砂，保证了手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属具有良好的成型性能。
本具体实施方式中的金红石用来调节熔渣熔点和粘度，改善电弧稳定性和焊缝成型。加入量少时电弧稳定性不佳，影响立焊工艺性能；若加入量大时，会使焊缝成形变差，熔池气体不易逸出而产生气孔。因此，本具体实施方式添加10～12wt％的金红石，进一步提高了焊缝金属的成型和操作工艺性。
本具体实施方式中的氮化锰是过渡氮的主要合金，氮在焊缝中的溶解度随着锰的增加而增大。氮的作用除代替贵重镍外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体钢强度，且并不显著损害钢塑韧性。氮提高强度作用比碳及其他合金元素强，同时，氮稳定奥氏体作用约为镍的20倍，也大于碳。此外，氮可以提高奥氏体不锈钢的局部耐腐蚀性能。氮化锰的加入量过低时，上述效果不明显；氮化锰的加入量过高时，易产生氮气孔而影响性能。因此，本具体实施方式加入6～8wt％氮化锰，保证焊缝金属中N的含量在0.19～0.35wt％，不仅提高焊缝金属的强度，稳定奥氏体相，且能有效降低磁性和提高耐腐蚀性能。
本具体实施方式制备的手工电弧焊焊条用于焊接低氮无磁舰艇钢，所形成的焊缝金属的力学性能检测结果为：抗拉强度≥620MPa，屈服强度≥410MPa，断后伸长率≥35.4％，-40℃冲击吸收能量大于67J，具有稳定的力学性能。所形成的焊缝金属的奥氏体相分数为100％，N含量≥0.15％，使焊缝金属无磁、具有优良的耐海水腐蚀性。本具体实施方式制备的手工电弧焊焊条焊接时，电弧稳定、脱渣性好、可实现全位置焊接，具有优良的操作工艺性能。
因此，本具体实施方式操作工艺性优良，焊接时电弧稳定、脱渣性好和能实现全位置焊接；所述制备的手工电弧焊焊条用于低氮无磁舰艇钢焊接所形成的焊缝金属无磁性、强度高和塑韧性好和耐海水腐蚀性优良，能满足新一代舰艇的高强度、高塑韧性和优良耐海水腐蚀性的技术要求。

Claims (8)

1.一种用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述手工电弧焊焊条由70～80wt％的高合金钢钢芯和20～30wt％的药皮组成；
高合金钢钢芯的化学组分及其含量是：C为0.03～0.05wt％，Si为0.2～0.4wt％，Cr为23～25wt％，Mn为8～10wt％，Ni为17～20wt％，N为0.25～0.45wt％，P≤0.006wt％，S≤0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；
药皮的化学组分及其含量是：大理石为45～47wt％，萤石为20～23wt％，氟化锂为3～5wt％，石英砂为2～4wt％，金红石为10～12wt％，氮化锰为6～8wt％，其余为铁粉；
所述手工电弧焊焊条的制备方法是：按所述药皮的化学组分配料，混合，再外加所述药皮的化学组分10～15wt％的水玻璃，搅拌均匀，得到药皮；然后将所述药皮压涂到所述高合金钢钢芯的表面，制得用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条；
所述水玻璃为粘结剂，所述水玻璃中K∶Na的质量比为2∶1；水玻璃的模数为2.6～3.2；
所述低氮无磁舰艇钢为0Cr22Ni15Mn6Mo3N钢。
2.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述大理石的纯度≥99％，大理石的粒度≤0.3mm。
3.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述萤石的纯度≥99％，萤石的粒度≤0.3mm。
4.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述氟化锂的纯度≥99％，氟化锂的粒度为0.15～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述石英砂的纯度≥99％，石英砂的粒度≤0.3mm。
6.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述金红石的纯度≥99％，金红石的粒度≤0.3mm。
7.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述氮化锰：氮含量为10wt％，锰含量为90wt％；氮化锰的粒度≤0.3mm。
8.根据权利要求1所述的用于低氮无磁舰艇钢焊接的手工电弧焊焊条，其特征在于所述铁粉的纯度≥99％，铁粉的粒度≤0.3mm。
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