CN114147383B

CN114147383B - 一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条及其制备方法

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Publication number: CN114147383B
Application number: CN202111665915.0A
Authority: CN
Inventors: 寇伟祥; 宋美婧; 韩欢庆; 赵振博; 杜桂涛; 张明洋; 代颖; 李英魁; 高慧; 吴胜文
Original assignee: TIANJIN SAINTEAGLE WELDING CO Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: TIANJIN SAINTEAGLE WELDING CO Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114147383A

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条及其制备方法，所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条包括焊芯和粘附在其外壁的药皮，所述药皮主要由下述重量份比例的粉原料制得：金红石25‑30％，铁粉10‑15％，长石10‑15％，萤石10‑15％，铬粉5‑10％，镍粉5‑10％，大理石5‑10％，电解金属锰2‑5％，钼粉2‑5％，云母2‑5％，钛白粉2‑5％，冰晶石1‑4％，钛铁1‑4％，纯碱1‑2％。本发明提供一种用于超低温环境下的高韧性E316L‑16不锈钢焊条，具有一定的铁素体数和优良的低温冲击韧性。

Description

一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条及其制备方法。

背景技术

现有技术：

面心立方晶体结构的奥氏体不锈钢因具有良好的低温综合性能，已成为了公认的超低温结构材料之一，被广泛应用于绕管换热器、液化天然气等深冷低温储运容器及特殊低温服役环境的工况之中。但研究表明，焊缝金属因复杂的冶金过程，导致其综合性能远不及母材，特别是采用钛钙型焊条进行手工电弧焊焊后的焊缝低温冲击韧性(-196℃)，经常小于工程要求的冲击值(31J)。

但本申请发明人发现上述现有技术至少存在如下技术问题：

目前，国内大多数研发人员通常是采用牺牲铁素体含量的方法来解决低冲击韧性的问题。而过分降低铁素体含量，势必会提高焊缝产生热裂纹的风险。因此，开发一种铁素体数适中(3-8)，且具有良好低温冲击韧性的不锈钢焊条已迫在眉睫。

解决上述技术问题的难度和意义：

当前国内深冷低温压力容器的母材多采用316L奥氏体不锈钢。因此，提供一种用于超低温环境下的高韧性E316L-16焊条具有重要的现实意义。

发明内容

本申请目的在于为解决现有技术中的相关技术问题而提供一种用于超低温环境下的高韧性 E316L-16不锈钢焊条，具有一定的铁素体数和优良的低温冲击韧性。

本申请实施例为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条包括焊芯和粘附在其外壁的药皮，所述药皮主要由下述重量份比例的粉原料制得：金红石25-30％，铁粉10-15％，长石10-15％，萤石10-15％，铬粉5-10％，镍粉5-10％，大理石5-10％，电解金属锰2-5％，钼粉2-5％，云母2-5％，钛白粉2-5％，冰晶石1-4％，钛铁1-4％，纯碱1-2％。

本申请实施例还可以采用以下技术方案：

在上述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条中，进一步的，所述焊芯主要由H022Cr21Ni10钢丝制成，以焊芯的重量为基准，按重量分比例计，焊芯的组分包括：C≤0.03％、Si：0.10-0.30％、Mn：1.00-2.5％、P≤0.030％、S≤0.020％、Cr：19.5-22.0％、Ni：9.5-11.0％、Mo≤0.10％、Cu≤0.10％、Fe余量。

在上述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条中，进一步的，所述药皮还包括粘结剂，粘结剂占粉原料的20-30％；所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数3.0-3.2，浓度40-43°。

在上述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条中，进一步的，所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.4～0.5。

在上述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条中，进一步的，所述焊芯直径为φ2.5-5.0mm。

一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法，所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法用于制备上述任一项所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法包括如下步骤：

步骤一：将药皮的粉原料按权利要求1所述的比例配置后，混合均匀，制成混合药粉；

步骤二：加入占混合药粉总重量20-30％的钾钠水玻璃，搅拌均匀后送入压涂机中，将其涂覆在焊芯表面，制成湿条；

步骤三：湿条经在室温下晾干20～24h后，送入热风炉中，分别进行80-100℃低温段、160-180℃中温段和250-300℃高温段，各温度段分别烘焙60～120min，后制得成品焊条。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：

1、本发明因采用了低S、P含量的H022Cr21Ni10钢丝作为焊条芯，并通过控制药皮重量系数在 0.4-0.5，因而可以更加灵活地调整药皮中金属粉原料的重量以及萤石与大理石的重量比例(1-3)，从而使熔敷金属获得合理的合金组分和较低的Si元素含量，致使本发明的E316L-16焊条同时兼备3-8的铁素体数和-196℃的冲击韧性≥35J两方面优点。

2、此外，本发明通过控制萤石和大理石的重量份比例为1-3，还可获得了良好的焊接工艺性能，即电弧稳定，飞溅小，焊缝成型美观，易脱渣等优点。

具体实施方式

一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，由焊条芯和药皮构成，药皮涂敷在焊芯外壁上。药皮由下述重量比例的粉原料，经混合均匀，后加入占粉原料总重量20-30％的钾钠水玻璃搅拌混合而成。

以焊芯的重量为基准，按重量分比例计，焊芯的组分组成如下：C≤0.03％、Si：0.10-0.30％、Mn： 1.00-2.5％、P≤0.030％、S≤0.020％、Cr：19.5-22.0％、Ni：9.5-11.0％、Mo≤0.10％、Cu≤0.10％、Fe余量。

以粉原料重量为基准，按重量分比例计，粉原料的组成如下：金红石25-30％，铁粉10-15％，长石 10-15％，萤石10-15％，铬粉5-10％，镍粉5-10％，大理石5-10％，电解金属锰2-5％，钼粉2-5％，云母 2-5％，钛白粉2-5％，冰晶石1-4％，钛铁1-4％，纯碱1-2％。

所述粉原料混合均匀后，加入占粉原料总重量的20-30％的粘结剂。

所述粘结剂为模数3.0-3.2，浓度40-43°的钾钠水玻璃。

所述药皮和焊条芯准备完成后，利用压涂机将药皮涂敷在焊条芯外壁上，后经低温和高温烘烤后，制成焊芯规格为φ2.5、3.2、4.0和5.0mm的焊条。

按重量分比例计，熔敷金属的组分如下：C：0.25-0.30％，Si≤0.7％，Mn:1.0-1.5％，S≤0.010％，P ≤0.030％，Cr：19.00-20.00％，Ni：13.0-14.0％，Mo：2.0-2.5％。

具体分析本发明中粉原料的组分在焊条中起的作用：

金红石是钛钙型焊条药皮的主要组分，主要成分是TiO₂。主要作用是造渣和稳弧。能够调节熔渣的熔点、粘度，改善焊缝成形，细化溶滴，对全位置焊接、焊缝成形、电弧稳定性起关键作用；过量会影响电弧稳定、药皮熔点偏高，易形成较大套筒，对再引弧不利。本发明的加入量为25-30％。

长石是一种含有硅、铝、钾的硅铝酸盐矿物，主要作用是造渣、稳弧。含有的Al₂O₃等熔点较高的物质，可增加焊条套筒的长度，形成渣壁过渡；过量会易形成较大套筒，对再引弧不利。本发明的加入量为10-15％。

大理石的主要成分为碳酸钙，在电弧热的作用下分解成CaO和CO₂气体。CaO是主要造渣剂之一，同时具有调节熔渣碱度，稳定电弧、细化熔滴，脱S的作用；CO₂对焊接区起气保护作用。但是大理石加入过量，不但会粗化熔滴，而且分解CO₂气体的过程急剧便会产生爆炸飞溅。本发明控制其加入量为大理石5-10％

萤石的主要成分为CaF₂，造渣剂之一。一定量的萤石可以降低液态金属的表面张力，提高熔渣的流动性，降低焊缝气孔敏感性，对焊缝成形，脱渣等起关键作用，此外，还具有调节熔渣碱度、脱硫、脱氢的作用；但焊接过程中过量的萤石分解，产生的氟化氢会造成电弧不稳。因此需严格控制其含量，并保持萤石/大理石＝1-3。

云母可有效地增加药皮弹性和塑形，改善焊条压涂性能和透气性。同时还有造渣和稳弧的作用。过量会使药皮疏松，易造成破头和擦伤。本发明的加入量为2-5％。

钛白粉可以增加药皮塑形，改善压涂性能，改善工艺性能不如金红石。本发明的加入量为2-5％。

冰晶石的主要成分是氟铝酸钠，和萤石一样，是强稀释剂之一。本发明的加入量为1-4％

纯碱可改善焊条的压涂性能，同时具有稳弧作用，但是加入量过多，则导致药皮容易吸潮。本发明的加入量1-2％。

电解金属锰可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡Mn元素、提高焊缝强度。本发明的加入量2-5％

钛铁主要起脱氧剂的作用，与电解锰一起加入时，脱氧效果更佳。本发明的加入量1-4％

铁粉起到净化熔池的作用，同时又能细化晶粒，提高熔敷效率，提高焊缝冲击韧性，但不宜过多，因为过量的加入铁粉会使其它的元素稀释。本发明的加入量10-15％

铬粉、镍粉和钼粉的主要作用是向焊缝过渡合金元素，保证焊缝合金成分，确保焊缝的机械性能和铁素体含量。其加入量分别是5-10％、5-10％、钼粉2-5％。

上述即为本发明用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条药皮成分组成的限制理由。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明的焊条由焊条芯和药皮组成，焊条芯采用低S、P的H022Cr21Ni10焊条芯，直径为2.5、3.2、 4.0、5.0mm，其组分见表1(重量百分比％)：

表1H022Cr21 Ni10焊条芯组分

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

≤0.03

0.10-0.20

1.0-2.0

≤0.020

≤0.010

19.5-20.5

9.5-10.5

≤0.10

比较例5焊条芯采用低S、P的H022Cr19Ni12Mo2焊条芯，其组分见表2(重量百分比％)：

表2H022Cr19Ni12Mo2焊条芯组分

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

≤0.03

0.10-0.20

1.0-2.0

≤0.020

≤0.010

18.0-20.0

11.0-14.0

2.0-3.0

≤0.10

药皮采用钛钙型渣系，按比例取各种粉原料，将粉原料混合均匀后，加入占粉原料总重量20-30％的钾钠水玻璃，搅拌均匀后，送入压涂机中，将药皮年粘附在焊条芯表面，再经晾干、低温及高温烘烤后，制成成品焊条。为更好的理解本发明，通过实施例1-4和比较例1-5来进一步说明，其药皮组分实施例及比例如下表：

表3粉原料组分实施例

续表3-1粉原料组分实施例

各实施例和比较例对应的熔敷金属化学成分测试结果如下表：

表4各实施例和比较例对应其熔敷金属化学成分

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu
										实施例1	0.028	0.65	1.39	0.027	0.0018	19.50	13.56	2.17	0.034
实施例2	0.026	0.59	1.30	0.023	0.0019	19.21	13.79	2.27	0.025
										实施例3	0.029	0.63	1.31	0.026	0.0022	19.13	13.53	2.32	0.043
实施例4	0.028	0.65	1.25	0.027	0.0020	19.15	13.47	2.35	0.034
										比较例1	0.025	0.58	1.29	0.019	0.0016	19.33	13.81	2.31	0.026
比较例2	0.027	0.72	1.33	0.027	0.0023	19.23	13.75	2.21	0.028
										比较例3	0.025	0.63	0.90	0.028	0.0022	17.90	13.02	2.03	0.025
比较例4	0.032	0.64	1.35	0.029	0.0024	19.90	13.77	2.66	0.028
										比较例5	0.029	0.65	1.27	0.037	0.0024	18.12	14.33	2.97	0.030

各实施例和比较例对应的熔敷金属机械性能、铁素体测试结果如下表：

表5各实施例和比较例对应的熔敷金属机械性能、铁素体

其中铁素体的测试采用磁性法，测量焊缝上距引弧和收弧20mm范围内的10个点，取平均值。其中-196℃的低温冲击吸收功是三个试块冲击吸收功的平均值。

使用各实施例和各比较例焊条进行焊接的工艺记录见表5。

表5焊接工艺记录

	电弧稳定性	飞溅	脱渣性	气孔	焊缝成形
						实施例1	稳定	少而小	优	0	优
实施例2	稳定	少而小	优	0	优
						实施例3	稳定	少而小	优	0	优
实施例4	稳定	少而小	优	0	优
						比较例1	不稳定	多而大	优	0	优
比较例2	稳定	多而小	差	若干气孔	粗糙
						比较例3	不稳定	少而大	优	0	优
比较例4	不稳定	少而大	优	0	优
						比较例5	稳定	少而小	优	0	优

由以上试验结果可以看出，本发明焊条各实施例具有良好的机械性能和优异的焊接工艺性，值得注意的是，在其熔敷金属铁素体数为3.9-4.6的情况下，其-196℃低温冲击韧性仍可以保持在35J以上。反观，比较例1萤石量的增多，导致焊条的工艺性恶化，飞溅增多增大；比较例2颠倒了萤石和大理石重量分比例，使得氟化物含量过低，稀渣作用减少，焊缝出现了若干气孔，此外-196℃的低温冲击韧性也低于31J，这可能是由于焊缝Si含量增多的结果。比较例3减少了焊条的重量系数，不仅恶化了焊接工艺性，而且还降低了熔敷金属中合金元素的含量(Cr、Ni、Mo)，使得焊缝铁素体数偏低，弯曲试件开裂的结果；比较例4增大了药皮重量系数，除了工艺性变差外，而且还增加了熔敷金属中的合金元素含量(Cr、Ni、Mo)，使得熔敷金属中铁素体含数增加到7.0，-196℃低温冲击韧性远低于31J；比较例5将焊条芯更换为H022Cr19Ni12Mo2后，熔敷金属中的Ni含量超标，Mo含量接近上限，导致熔敷金属铁素体偏低，弯曲试片出现了微裂纹。

综上所述，本发明提供一种用于超低温环境下的高韧性E316L-16不锈钢焊条，具有一定的铁素体数和优良的低温冲击韧性。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条包括焊芯和粘附在其外壁的药皮，所述药皮主要由下述重量份比例的粉原料制得：金红石25-30％，铁粉10-15％，长石10-15％，萤石10-15％，铬粉5-10％，镍粉5-10％，大理石5-10％，电解金属锰2-5％，钼粉2-5％，云母2-5％，钛白粉2-5％，冰晶石1-4％，钛铁1-4％，纯碱1-2％，萤石/大理石在1-3之间，电解金属锰和钛铁联合脱氧。

2.根据权利要求1所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述焊芯主要由H022Cr21Ni10钢丝制成，以焊芯的重量为基准，按重量分比例计，焊芯的组分包括：C≤0.03％、Si：0.10-0.30％、Mn：1.00-2.5％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr：19.5-22.0％、Ni：9.5-11.0％、Mo≤0.10％、Cu≤0.10％、Fe余量。

3.根据权利要求1所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述药皮还包括粘结剂，粘结剂占粉原料的20-30％；所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数3.0-3.2，浓度40-43°。

4.根据权利要求1所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.4～0.5。

5.根据权利要求1所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述焊芯直径为φ2.5-5.0mm。

6.一种用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法，所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法用于制备权利要求1-5任一项所述的用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条，其特征在于：所述用于超低温环境下的高韧性不锈钢焊条的制备方法包括如下步骤：