CN112496597B - 抗氢钢高强度高韧性药皮、焊条以及焊条的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了抗氢钢高强度高韧性药皮、焊条以及焊条的制备方法，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石38~41%、萤石12~14%、金红石9~11%、硅微粉5.5~7.5%、金属锰4.5~6.5%、硅铁6.5~7.5%、还原铁粉10~12%、钼铁1.0~1.5%、镍粉0.2~0.5%、CMC 0.2~0.4%、海藻酸钠0.3~0.45%、纯碱0.5~0.8%、无定型石墨0.7~0.8%；公开了包含药皮的焊条，以及公开了焊条的制备方法，包括如下步骤：按比例称取药皮的各组分，并均匀混合，再加入粘接剂搅拌均匀得到共混物，送入压涂机内将共混物包裹于焊芯上，经烘焙处理得到焊条。本申请的焊条，配套用于焊接16MnR(HIC)，20(HIC)钢，Q245R(HIC)和Q345R(HIC)等新型抗氢钢，焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，焊缝浸润性适中。

Description

抗氢钢高强度高韧性药皮、焊条以及焊条的制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及抗氢钢高强度高韧性药皮、焊条以及焊条的制备方法。

背景技术

目前，我国对石油天然气等资源的需求正持续快速的增长，因而对于油气资源的运输、储存所需要的材料也提出了越来越高的要求，因此抗氢诱发裂纹用钢也被陆续开发出来。目前市场上较多的使用16MnR（HIC），20（HIC）钢，Q245R(HIC)和Q345R(HIC)等，这些抗氢钢的主要特点是在控制其含Mn量的同时，严格控制其S、P含量（P≤0.015%，S≤0.004%）；同时为了改善钢材的性能，还添加了部分微量合金元素，因而钢板的硬度≤200HB，因此也对该钢制造的压力容器的焊缝也作出了相应的要求：要求其焊缝的S≤0.010%，P≤0.020%，同时要求其焊接接头部位的硬度值经SR处理后≤200HB。这些新型抗氢钢种现已被广泛地使用在压力容器制造上。

因此，对于新钢材的出现，急需研究开发出一种与新钢材配套使用的焊材。

发明内容

因此，本发明的第一目的在于，提供一种抗氢钢高强度高韧性药皮。

本发明的第二目的在于，提供一种抗氢钢高强度高韧性焊条，该焊条配套用于焊接16MnR(HIC)，20(HIC)钢，Q245R(HIC)和Q345R(HIC)等新型抗氢钢，焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，焊缝浸润性适中。

本发明的第三目的在于，提供一种抗氢钢高强度高韧性焊条的制备方法。

具体内容如下：

第一，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性药皮，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石38~41%、萤石12~14%、金红石9~11%、硅微粉5.5~7.5%、金属锰4.5~6.5%、硅铁6.5~7.5%、还原铁粉10~12%、钼铁1.0~1.5%、镍粉0.2~0.5%、CMC 0.2~0.4%、海藻酸钠0.3~0.45%、纯碱0.5~0.8%、无定型石墨0.7~0.8%。

该发明中，药皮作为焊条组分包覆于焊芯的外表面。

（大理石38~41%）

CaCO₃是大理石的主要组成成分，焊条中使用的大理石在电弧热的作用下，分解成CaO和CO₂气体，从而起到造渣和造气的作用；CaO是碱性氧化物，能提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属表面的界面张力以及表面张力，改善脱渣性能，并具有较好的脱S能力；CO₂能够降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝氢含量。若CaCO₃的添加量过多会粗化熔滴，因而将大理石的加入量控制在38~41%。

（萤石12~14%）

CaF₂是萤石的主要成份，是一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在焊条中是一种造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用。CaF₂在焊接电弧作用下电离出F-，能降低电弧气氛中氢的分压，具有与碳酸盐相同的效果。CaF₂的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度，CaF₂熔点较低，能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用。合理的CaF₂含量能起到稳定电弧的作用，若CaF₂过高则电弧稳定性变差，熔渣变硬，因而将CaF₂的加入量控制在12~14%。

（金红石9~11%）

金红石是较纯的二氧化钛，TiO₂是酸性氧化物，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，改善脱渣性，因而将金红石的加入量控制在9~11%。

（硅微粉5.5~7.5%）

硅微粉（SiO₂）在药皮中的作用主要为提高药皮自身强度，保证焊条药皮不易在烘焙时开裂，但加入量过多会造成焊接时焊接工艺变差，熔池流动性变差，焊缝成型变窄，降低焊缝与母材的浸润性。因而将硅微粉的加入量控制在5.5~7.5%。

（还原铁粉10~12%）

还原铁粉（Fe）在药皮中加入后，可以防止过热和减少热效应区，能显著提高焊条的熔敷金属系数和提高焊接效率，并且能增加焊缝熔深、减少飞溅、提高脱渣性的好处。本发明将还原铁粉的加入量控制在10~12%。

（金属锰4.5~6.5%）

（硅铁6.5~7.5%）

Mn、Si作为脱氧剂加入，为避免在最高的焊后热处理温度下重新形成奥氏体。Si与Cr同时存在时，可以提高合金的高温抗氧化性能，但是Si过高不利于焊缝金属的韧性。因而将硅铁含量控制在6.5~7.5%，将金属锰的加入量控制在4.5~6.5%。

（钼铁1.0~1.5%）

钼铁的加入保证焊缝长时间热处理后的性能。热处理之后，抗拉强度会下降，长时间热处理这种现象更明显，加入合理量的钼铁后，可以减缓此类现象的出现，使性能更加稳定。因而将钼铁的添加量控制在1.0~1.5%。

（镍粉0.2~0.5%）

镍粉可以增加焊缝中镍的含量，保证了焊缝的低温冲击韧性，同时合理的镍含量可以起到强化韧性的作用，因而将镍粉的加入量控制在0.2~0.5%。

（CMC 0.2~0.4%）

（海藻酸钠0.3~0.45%）

（纯碱0.5~0.8%）

CMC、海藻酸钠及纯碱的加入主要使焊条在生产时，提高其药皮的滑性，从而提高压涂效率。但该类化工产品不易过量，容易造成药皮开裂，降低生产成活率。

（无定型石墨0.7~0.8%）

第二，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮。

第三，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性焊条的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取药皮的各组分，并均匀混合，再加入粘接剂搅拌均匀得到共混物，送入压涂机内将共混物包裹于焊芯上，经烘焙处理得到焊条。

本发明的有益效果表现在：

（1）本发明的焊条配套用于焊接16MnR(HIC)，20(HIC)钢，Q245R(HIC)和Q345R(HIC)等新型抗氢钢，焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，焊缝浸润性适中。

（2）本发明的焊条，相当于同等焊材，具有更优良的焊接工艺，更优良的抗拉强度和低温冲击韧性。

（3）本发明的焊条为低氢钠型焊条，渣系为CaF₂-CaCO₃-TiO₂型，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。焊接后焊缝无气孔、无夹渣、无裂纹、并且具有超低含量的扩散氢以及外观边缘无咬边，无未熔合等缺陷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

第一，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性药皮，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石38~41%、萤石12~14%、金红石9~11%、硅微粉5.5~7.5%、金属锰4.5~6.5%、硅铁6.5~7.5%、还原铁粉10~12%、钼铁1.0~1.5%、镍粉0.2~0.5%、CMC 0.2~0.4%、海藻酸钠0.3~0.45%、纯碱0.5~0.8%、无定型石墨0.7~0.8%。

进一步优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石41%、萤石13%、金红石10%、硅微粉7.5%、金属锰5.5%、硅铁7%、还原铁粉12%、钼铁1.2%、镍粉0.4%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.8%、无定型石墨0.8%。

进一步优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石40%、萤石14%、金红石11%、硅微粉7%、金属锰6.2%、硅铁6.5%、还原铁粉11%、钼铁1.5%、镍粉0.5%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.7%、无定型石墨0.8%。

进一步优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石39%、萤石13%、金红石11%、硅微粉7.5%、金属锰6.5%、硅铁7.5%、还原铁粉12%、钼铁1%、镍粉0.2%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.8%、无定型石墨0.7%。

进一步优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石41%、萤石14%、金红石9%、硅微粉6%、金属锰6.5%、硅铁7.5%、还原铁粉12%、钼铁1.5%、镍粉0.5%、CMC 0.3%、海藻酸钠0.3%、纯碱0.6%、无定型石墨0.8%。

第二，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮。

本发明中，焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.06%且不包含0%、Mn≤0.5%且不包含0%、Si≤0.1%且不包含0%、S≤0.005%且不包含0%、P≤0.010%且不包含0%、Cr0.01~0.03%、Ni0.01~0.03%、Mo≤0.01%且不包含0%、Cu≤0.02%且不包含0%、Sn≤0.005%且不包含0%、Al≤0.005%且不包含0%，余量为Fe及不可避免的杂质。

C是一种可以有效控制δ铁素体形成元素，在钢中加入C会使钢的强度提高，塑性降低。为保证焊接加工性，碳含量保持在一个较低的水平。本发明中将熔敷金属中C含量控制在≤0.10%。

不可避免的杂质，是熔炼时不可避免混入的杂质。

第三，本发明提供了一种抗氢钢高强度高韧性焊条的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取药皮的各组分，并均匀混合，再加入粘接剂搅拌均匀得到共混物，送入压涂机内将共混物包裹于焊芯上，经烘焙处理得到焊条。

本发明中，粘接剂的添加量占药皮总重的16~21%，粘接剂包括纯钠水玻璃、纯钾水玻璃、或钾钠混合水玻璃中的至少一种。

本发明中，烘焙处理的工艺参数为，先经80~100℃低温烘培，再经350~380℃高温烘培。

<实施例>

实施例1

一种抗氢钢高强度高韧性焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，药皮的各组分见表1。

焊芯的化学组分按重量百分比计，C≤0.06%且不包含0%、Mn≤0.5%且不包含0%、Si≤0.1%且不包含0%、S≤0.005%且不包含0%、P≤0.010%且不包含0%、Cr0.01~0.03%、Ni0.01~0.03%、Mo≤0.01%且不包含0%、Cu≤0.02%且不包含0%、Sn≤0.005%且不包含0%、Al≤0.005%且不包含0%，余量为Fe及不可避免的杂质。

取焊芯及药皮，将药皮的各组分均匀混合后，加入占药皮总重20%的40~ 43°Be＂钾钠水混合玻璃，制备出药皮用膏体，与焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中。焊条金属的力学性能见表2。

表1 各样品药皮的组分配比表（质量，%）

（实验例用E表示）

药皮 组分	E1	E2	E3	E4
					大理石	41	40	39	41
萤石	13	14	13	14
					金红石	10	11	11	9
硅微粉	7.5	7	7.5	6
					金属锰	5.5	6.2	6.5	6.5
硅铁	7	6.5	7.5	7.5
					还原铁粉	12	11	12	12
钼铁	1.2	1.5	1	1.5
					镍粉	0.4	0.5	0.2	0.5
CMC	0.4	0.4	0.4	0.3
					海藻酸钠	0.4	0.4	0.4	0.3
纯碱	0.8	0.7	0.8	0.6
					无定型石墨	0.8	0.8	0.7	0.8

表2 焊条熔敷金属的力学性能（实施例用E表示）

样品

状态

抗拉强度Rm(MPa)

屈服强度ReL(MPa)

伸长率（%）

-30℃冲击功KV2(J)

-40℃冲击功KV2(J)

-50℃冲击功KV2(J)

-60℃冲击功KV2(J)

E1

620℃×2h

560

423

31

200~220

180~190

140~150

100~110

E2

620℃×16h

530

401

32

190~210

160~180

130~145

85~95

E3

620℃×2h

570

432

30

180~200

150~170

115~125

90~105

E4

620℃×16h

540

410

32

190~210

160~180

130~145

100~110

同时实施例1至4中的熔敷金属，其强度和塑性符合标准要求。

综上所述，本发明的焊条为低氢钠型焊条，渣系为CaF₂-CaCO₃-TiO₂型，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。焊条的熔敷金属力学性能符合GB/T 5117 E5015P及NB/T 47018 E5015P标准所要求的性能。其中，焊条的抗拉强度为≥490MPa，屈服强度≥345MPa，延伸率≥22％，-30℃冲击功(KV2)平均值为200J，-40℃冲击功(KV2)平均值约为171J，-50℃冲击功(KV2)平均值为135J，-60℃冲击功(KV2)平均值为约100J。且焊接后焊缝无气孔、无夹渣、无裂纹、并且具有超低含量的扩散氢以及外观边缘无咬边，无未熔合等缺陷。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗氢钢高强度高韧性药皮，其特征在于，该药皮选择下述任意一种组合；

所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石41%、萤石13%、金红石10%、硅微粉7.5%、金属锰5.5%、硅铁7%、还原铁粉12%、钼铁1.2%、镍粉0.4%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.8%、无定型石墨0.8%；

所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石40%、萤石14%、金红石11%、硅微粉7%、金属锰6.2%、硅铁6.5%、还原铁粉11%、钼铁1.5%、镍粉0.5%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.7%、无定型石墨0.8%；

所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石39%、萤石13%、金红石11%、硅微粉7.5%、金属锰6.5%、硅铁7.5%、还原铁粉12%、钼铁1%、镍粉0.2%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.8%、无定型石墨0.7%；

所述药皮的各组分按重量百分比计，包括大理石41%、萤石14%、金红石9%、硅微粉6%、金属锰6.5%、硅铁7.5%、还原铁粉12%、钼铁1.5%、镍粉0.5%、CMC 0.3%、海藻酸钠0.3%、纯碱0.6%、无定型石墨0.8%。

2.一种抗氢钢高强度高韧性焊条，其特征在于，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的权利要求1所述的抗氢钢高强度高韧性药皮。

3.根据权利要求2所述的抗氢钢高强度高韧性焊条，其特征在于，所述焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.06%且不包含0%、Mn≤0.5%且不包含0%、Si≤0.1%且不包含0%、S≤0.005%且不包含0%、P≤0.010%且不包含0%、Cr0.01~0.03%、Ni0.01~0.03%、Mo≤0.01%且不包含0%、Cu≤0.02%且不包含0%、Sn≤0.005%且不包含0%、Al≤0.005%且不包含0%，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.一种如权利要求2所述的抗氢钢高强度高韧性焊条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按比例称取药皮的各组分，并均匀混合，再加入粘接剂搅拌均匀得到共混物，送入压涂机内将共混物包裹于焊芯上，经烘焙处理得到焊条。