CN114346522B - 一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂及焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝、焊剂及其焊接工艺，采用低C、低P、S、高Mn、Ni含N、奥氏体316L不锈钢焊丝，焊剂采用交流专用埋弧焊剂。埋弧焊丝铁素体含量控制在1‑3FN，熔敷金属铁素体含量控制在0.5‑1FN。本发明焊丝搭配相应焊剂所产生熔敷金属具有FA凝固模式，有较高抵抗奥氏体不锈钢凝固开裂的能力，在高压氢环境下的机械性能优异且稳定，抗裂性、抗氢脆性能优异且‑269℃超低温韧性优异，能满足氢能储运高压和‑269℃超低温需求。

Description

一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂及焊接工艺

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种氢能用可使用交流电的埋弧焊丝焊剂及其焊接工艺。

背景技术

氢能源作为一种能量密度高又没有污染物排放的理想清洁能源，得到国际社会的广泛关注，近两年国内外氢能产业迅猛发展。近年来氢燃料电池汽车已经逐步成为我国汽车和能源领域发展的重要载体，成为优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。

氢能装备领域，包括氢气增压装置与加氢站成套设备、车载燃料供氢系统、液氢罐式集装箱、液氢储存容器等，含氢液化、储运、配送和终端供氢装备等，但是氢能配套设施的建设存在两大难点，一是在高压储氢容器中，氢分子能够分解成氢原子，对金属材料尤其是较为薄弱的焊接接头产生影响，造成材料的氢脆。另一方面氢气的液化温度为-253℃，故而相关液氢存储和运输相关配套设施的使用温度也在-253℃以下，对材料的低温性能要求很高。所以超低温韧性和抗氢性能是氢能建设焊接接头的主要技术指标。

加氢站及配套设施优选材料为奥氏体不锈钢S31608(即我们常说的 316L不锈钢)，与母材不同，奥氏体不锈钢板本身可耐极低温，但常规不锈钢焊接接头因经受焊接热循环、组织不均匀性等多方面因素的影响，还要考虑储罐、容器的抗裂性，应用于低温-196℃的奥氏体不锈钢焊材尚需焊材厂经反复探索开发才日渐成熟。而氢能用焊材尚属属起步阶段，鲜少有-253℃超低温以下焊材相关专利和期刊记载。迄今为止，仅有中国专利 CN112475532A，东方电气集团东方锅炉有限公司公开的“用于高压氢环境奥氏体不锈钢316L材料的焊接工艺”，该发明侧重于对氢能焊接工艺的探索，对配套焊条并未过多阐述，且工艺侧重于抵抗焊接热裂纹，并未进一步探索抗氢脆和超低温韧性。故而开发氢能配套用高效率焊材是限制氢能产业大规模推进的瓶颈所在，因此，完成液氢储运设备的研发及配套氢能埋弧焊材的开发，对于弥补氢能焊材产业空白、进一步推进氢能产业的发展、对国家氢能战略的实施有长远的意义和深远的影响。

现下奥氏体不锈钢S31608(316L)的焊接工艺，多采用传统316L焊材，铁素体含量一般在3-8FN，虽具有较好的耐蚀性和抗裂性，但因为氢在铁素体中的扩散速率远高于奥氏体，高比例的铁素体会为氢提供扩散通道，从而显著降低焊缝的抗氢脆性能，且低温冲击韧性明显受限，在-196℃低温下仅为20-30J，根本无法应用于氢能产业所要求的-253℃以下的超低温环境。此外，传统的316L焊材为节约成本，贵金属Ni控制在AWS标准(11.0-14.0％)下限约12％，且另一奥氏体形成元素N的含量也较低，从而使得焊缝的奥氏体组织不够稳定，无法溶解足够的H且容易产生马氏体相变，使焊缝具有很高的氢脆敏感性。

另外CN 112475532 A公开的关于“用于高压氢环境奥氏体不锈钢316L 材料的焊接工艺”中提到的焊条FN≤0.2％，几乎接近为0的铁素体，凝固为纯奥氏体组织，抵抗凝固开裂的能力较弱，抗裂性堪忧(这也符合前文提到的国内目前还没有成熟的与氢能相匹配的焊材)。该发明主要侧重以探究焊接工艺来对抗奥氏体焊缝凝固开裂，发明主要采用小线能量的措施来应对，但焊缝仍有一定产生凝固裂纹的风险，且该发明仅对“高压氢环境奥氏体不锈钢316L焊条工艺进行了探索”，并无埋弧焊材及焊接工艺的相关记载。

埋弧焊不同于传统手焊条焊接，埋弧焊相比于手焊条具有大线能量和高效率等特点，能适应先进工业化生产对高效率的焊接需求，但对于超低温奥氏体不锈钢焊材而言，埋弧焊相比手焊条却具有更大的热裂敏感性，故而氢能配套埋弧焊丝焊剂及其焊接工艺相较手焊条具有更大的开发难度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种氢能用可使用交流电的埋弧焊丝焊剂及其焊接工艺，在焊接时不但具有优异的交流焊接工艺性能，而且相对于传统的316L焊丝具有更低的C和P、S含量，具有较高的Mn、 Ni、N含量，焊丝铁素体含量控制在1-3FN，且熔敷金属铁素体含量控制在0.5-1.0FN。在超低温高压氢环境具有优异的超低温韧性和抗裂、抗氢脆性能，能满足氢能储运、高压和-253℃以下超低温环境需求，其熔敷金属 -269℃低温冲击≥47J；适用于氢能装备及储运设备的焊接。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案是：一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂，1)按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝的化学成分及质量百分比如下：C：≤0.015％，Mn： 3.5-5.2％，Si：≤0.40％，P≤0.005％，S≤0.003％，P+S≤0.008％，Ni：14.0-17.0％， Cr：17.0-20.0％，Mo：2.5-4.0％，O≤0.035％，N：0.065-0.10％，余量为铁及其它不可避免杂质；

2)按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝在交流焊接时所用配套焊剂为中温烧结焊剂，所述焊剂的成分含量为：α型氧化铝：8-12％，β型氧化铝：5-8％，电熔镁砂：22-26％，硅灰石：3-8％，萤石：16-25％，石英：8-12％，高钾长石：5-8％(K含量15-18％)，铝矾土： 3-6％，膨润土：2-4％，铝镁合金：0.3-1.2％，锰硅合金：2-5％，氮化铬(N： 0.07-0.10)：3-5％；钇基稀土合金：1-2.5％；硅酸镁铝：0.25-0.80％。

其中，按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的埋弧焊丝和交流焊接用配套焊剂得到的焊缝金属化学成分为：C：0.005-0.030％，Mn： 3.2-5.5％，Si：0.20-0.50％，P≤0.008％，S≤0.003％，P+S≤0.010％，Ni： 14.5-17.0％，Cr：16.5-19.5％，Mo：2.5-4.5％，O：0.035-0.060％，N：0.08-0.10％，余量为铁及其它不可避免杂质。

其中，所述焊丝的铁素体含量在1-3FN；所述熔敷金属的铁素体含量在0.5-1FN。

其中，所述焊剂的制备方法包括以下步骤：

①将所述焊剂各组分按比例干混均匀；

②加入焊剂重量比例15-25％的粘结剂，充分均匀混合，而后造粒；

③以650-700℃烘干2-2.5h，然后过筛选出20-60目焊剂。

焊剂过粗则焊接冶金反应无法充分进行，可能会导致焊道成型不佳或是压坑缺陷，反之如果焊剂粒度过细则可能导致使用成本增加等问题。

所述粘结剂用模数为2.8-3.3、浓度为35-40Be的纯钾水玻璃为基础，其中加入0.5-2.0％烷基硅酸钠作为增粘剂，并以高速搅拌机分散30分钟制备得到。

本发明还提供所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂的焊接工艺，包括以下步骤：

1)焊接前对焊剂进行350-400℃×1h烘干，确保焊剂保持干燥；

2)采用同质埋弧焊丝做成背面免充氩焊条打底，单面焊双面成型，形成打底焊道，背面免充氩焊条正面焊接保护气体采用98％Ar+2％N₂，焊接参数为：背面免充氩焊条规格φ2.4mm，焊接极性DC-，焊接电流 80-100A，焊接电压12-14V，焊接速度80-100mm/min，热输入量控制在 5.8-10.5KJ/cm；

3)填充、盖面层采用Φ3.2mm规格埋弧焊丝，极性AC，电流 450-480A，电压34-35V，焊接速度400-450mm/min，热输入量20-25KJ/cm，多层多道慢速焊接；

4)道间温度控制在80-120℃。

具体的，本发明氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂应用时采用的焊接工艺和注意事项如下：

1)对S31608母材、工件、坡口进行焊前清理(打磨+氧-乙炔火焰烘烤)，彻底清除坡口附近的水、锈、油污等可能导致焊缝增H的因素；焊接前对焊剂进行350-400℃×1h烘干，确保焊剂保持干燥，无受潮；

2)采用同质埋弧焊丝以高碱度药皮渣系做成背面免充氩焊条打底，单面焊双面成型，形成抗裂性优异的窄而稍凸的打底焊道(避免埋弧焊热输入过大引发的凝固裂纹风险；埋弧焊打底若热输入量过小，则容易导致熔合不良及夹渣等缺陷)，背面免充氩焊条正面焊接保护气体采用 98％Ar+2％N2，焊接参数为：背面免充氩焊条规格φ2.4mm，焊接极性DC-，焊接电流80-100A，焊接电压12-14V，打底时以坡口两边加丝稍作停留焊接，以得到稍凸的氩弧打底焊道以抵抗凝固开裂风险，焊接速度 80-100mm/min，热输入量控制在5.8-10.5KJ/cm；

3)填充、盖面层采用φ3.2mm规格埋弧焊丝，极性AC，电流 450-480A，电压34-35V，焊接速度400-450mm/min，热输入量20-25KJ/cm；多层多道慢速焊接(以20mm板厚、单边坡口角度30°为例，自第三层开始分为一层两道焊接)，搭配焊剂使焊缝呈稍凸起的形状而避免产生平或内凹的焊缝，增强焊缝的抵抗凝固裂纹的能力；

5)控制道间温度在80-120℃；这是为了避免因温度过高、冷却过慢导致的晶粒粗大而恶化抗裂性和冲击韧性；

6)使用引弧板和收弧板，焊缝收弧应延伸至收弧板处，且回烧填满弧坑；以减小由收弧应力而导致的弧坑裂纹。

本发明所述多层多道慢速焊接，以20mm板厚、单边坡口角度30°为例，自第3层开始分为一层两道焊接，形成两边平滑而稍凸起的焊道，如图1所示。

本发明氢能用可使用交流电的埋弧焊丝为超高品质(低C、低P、S、高Mn、Ni含N)316L不锈钢焊丝，焊缝主要合金由芯线过渡。超低C含量会降低碳当量，使材料具有更好的焊接性；超低P、S设计是奥氏体不锈钢尤其是低铁素体高韧性奥氏体不锈钢抗裂性的基础保障。适量添加N含量，一方面能够弥补低碳造成的强度损失，关键其还是强奥氏体形成元素，能够通过对奥氏体不锈钢焊缝显微组织的调整显著提高耐腐蚀和抗氢侵击的能力，因为过高的N含量会造成焊丝拉拔困难及加工硬化的问题，故而 N含量应控制在一定范围。另一方面埋弧焊丝铁素体含量控制在1-3FN(特殊极低的FN含量对于炼钢来说困难较大，且单独冶炼成本较高)，而焊缝金属铁素体FN的含量可以通过焊剂配方来调节。但是埋弧焊与焊条焊两种焊接方式存在一定的差异，焊条对于全位置焊接的要求更高，药皮起着脱氧、过渡合金、保护熔池、调节焊接性等多重作用，而埋弧焊剂更主要的作用则偏向于保护熔池，另一方面由于埋弧焊接热输入量明显大于焊条焊接，所以埋弧焊剂过渡合金的量是有限的，多以芯线过渡为主，而焊剂起保护熔池和脱氧的作用。而超出标准限制的高Mn、Ni成分设计，搭配高N的合金体系，是-269℃超低温韧性和的抗裂性保障的关键核心，在即使是极低铁素体的条件下，搭配相应的焊接工艺得到的焊缝金属也具有优异的-269℃超低温韧性和良好的抗裂性。

本发明焊剂具有优异的交流焊接作业性，通过优选的原料组成和比例，使其在焊接时，铁水具有适宜的表面张力，与母材之间形成合适的40-70°之间的接触角(铁水与母材之间若接触角过大，则铁水易形成倾向于球状的凸起，在焊缝搭叠时易在根部和边界产生未熔合、夹渣等缺陷；若表面张力过小、接触角过小则铁水过稀，在焊接时会产生过于扁平甚至内凹的焊缝，这种焊缝成型对于奥氏体焊缝来说抵抗凝固裂纹的能力最弱)，能够与焊丝搭配在焊接时形成两边平滑但稍凸起的焊道(如图2)，具有最佳的焊缝成型和较高抵抗凝固裂纹的能力。此外本发明焊剂搭配本发明焊丝能够得到较为纯净的焊缝金属和较低的氧含量水平(0.035-0.060％)。

本发明的熔敷金属为低C、低P、S，以增强奥氏体组织抵抗裂纹的能力，通过高Mn、Ni、N等奥氏体形成元素的含量，适当控制熔敷金属Cr_eq/Ni_eq比值，将熔敷金属铁素体含量控制在0.5-1.0FN，进一步确保焊缝金属具有优异的-269℃超低温韧性，且高的N含量和低的铁素体含量也更加保障了奥氏体组织的稳定性和溶氢的能力，阻碍了氢的扩散和传播，对提高焊缝的抗氢脆能力大有裨益。

本发明焊丝搭配相应焊剂及焊接工艺所产生的熔敷金属具有FA凝固模式(即在凝固初始析出铁素体相，而在凝固后期转变为奥氏体，并在凝固终了前保留极少量的铁素体)，有较高的抵抗奥氏体不锈钢凝固开裂的能力。在凝固终了形成的极低铁素体含量的奥氏体组织，没有铁素体和马氏体为H原子的传播提供通道，因而焊缝有更高抵抗氢侵击以及氢裂的能力。且焊剂配方加入有钇基稀土合金，除脱氧外，还有净化焊缝和除杂的作用，对于纯奥氏体焊缝的超低温韧性和抗裂性更为有益。

以下对本发明成分限定的理由进行简单说明：

C在所有钢中都含有，但在碳钢和低合金钢中不同，除马氏体不锈钢外，一般的不锈钢都希望将C限定在0.1％以下，而对于超低温的奥氏体不锈钢来说，降低C含量是抑制晶间腐蚀和提高超低温韧性最有效的方法，因此本发明焊丝将C含量控制在0.015％以下。

Mn，在奥氏体不锈钢中Mn的质量分数一般在1-2％，Mn能够提高奥氏体不锈钢的抗裂性，其与杂质S含量结合的能力比铁-硫结合成低熔点共晶的能力强，从而有利于提高奥氏体不锈钢抵抗凝固裂纹的能力，而且 Mn还是奥氏体的形成元素，能够降低焊缝中铁素体的量，而且在低温时，还能够有效稳定奥氏体组织，阻止其向马氏体转变，较高比例的Mn还能够增加N在奥氏体中的溶解度。但Mn并不是越高越好，为使本发明焊丝的铁素体控制在1-3FN，结合铬镍当量设计，将埋弧焊丝Mn含量设计在 3.5-5.2％的范围内。

Si在奥氏体焊缝中是铁素体形成元素，而且焊丝冶炼时为了脱氧会加入一定含量的硅铁，因而所有的不锈钢中都含有一定量的Si，且较高的Si 含量能改善铁水的流动性而具有宽而平的焊缝成型。但是Si在冶金反应中会和铁形成很多铁的硅化物(FeSi、Fe₂Si、Fe₃Si、Fe₅Si₃等)，还可能和铬形成Cr₃Si等金属间化合物，会使奥氏体组织产生脆化倾向，还容易在凝固时偏析和镍产生低熔点共晶而导致凝固裂纹，故而本发明将埋弧焊丝Si 含量限制在0.4％以下。

如前所述，P、S作为低熔点物质，会通过偏析至晶界而导致热裂纹的产生，应尽可能控制在较低的水平。为了使后述焊缝金属中的P含量≤0.008％、S含量≤0.003％，本发明将埋弧焊丝P控制在0.005％以下，S控制在0.003％以下(以上成分设计的依据是S可以通过Mn脱除一部分，而 P的脱除就相对困难，加上焊剂原料中不可避免的P杂质，故而对焊丝的P含量设计要比熔敷金属P含量设计更为严苛)。

Ni是奥氏体相形成元素，为使本发明氢能用埋弧焊丝获得近乎纯奥氏体焊缝的组织，并具有优异的-269℃低温冲击韧性，本发明焊丝设计Ni成分高于美标上限(14％)，然而过高的Ni则会导致不锈钢抗应力腐蚀能力的降低，故本发明埋弧焊丝Ni含量设计在14-17％。

Cr是不锈钢的主要耐蚀性元素，也是一种铁素体形成元素，还是一种很强的碳化物生成元素，也是金属间化合物形成的重要成分，Cr含量过低则不锈钢耐蚀性不足，Cr含量过高则铁素体含量过高、容易产生脆化相还会影响低温冲击韧性。故本发明埋弧焊丝Cr含量设计在17-20％。

Mo是改进不锈钢耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力最主要的元素，但较高的钼含量会造成加工困难性，而且钼也是铁素体形成元素，过高的Mo会导致过多的铁素体残留，从而影响奥氏体焊缝的超低温韧性。故本发明埋弧焊丝钼含量设计在2.5-4.0％。

较低的O含量是获得奥氏体焊缝超低温冲击韧性的重要保障，故本发明埋弧焊丝O含量设计在0.035％以下，熔敷金属O含量控制在 0.035-0.060％。

N在很多不锈钢中是以杂质存在的，但是在本发明中是特意添加的。 N是很强的固溶强化元素，还能够提高耐腐蚀的性能，同样N和C一样还是强奥氏体形成元素，能够稳定奥氏体组织，在奥氏体不锈钢中提高Mn 就能提高N的溶解度，但是过高的N容易产生Cr₂N析出还易造成强度过高，加工困难。故本发明埋弧焊丝N含量设计在0.065-0.10％，而为确保形成极低铁素体的奥氏体组织，熔敷金属N含量设计在0.08-0.10％。

本发明氢能用可使用交流电的埋弧焊剂组成及制备，主要思路在于以纯钾水玻璃、高钾和含钾、钠等原料(高钾长石、膨润土、铝矾土等)以及镁铝合金来增加交流电弧的稳定性，纯钾水玻璃粘结性不及钠水玻璃，以加入少量烷基硅酸钠，彻底分散于水玻璃使用来弥补。通过焊药的组合和配比设计，使其在焊接时使铁水具有适宜的表面张力并与母材之间形成合适的40-70°之间的接触角，既能保证焊道之间熔合良好，又能产生稍凸型的焊道，使焊缝具有良好抵抗凝固开裂的能力。合金作为合金剂和脱氧剂，一方面脱氧使焊缝金属氧含量控制在0.035-0.065％的范围，也向焊缝过渡部分合金并弥补部分合金元素的烧损以确保合适的Creq/Nieq比值，并最终形成熔敷金属铁素体0.5-1.0FN的奥氏体焊缝组织，确保本发明氢能用可使用交流电的埋弧焊丝焊剂搭配工艺所得焊缝具有优异的抗氢脆性能和优异的-269℃冲击(≥47J)。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明焊丝采用针对性冶炼的高品质低C、低P、S高Mn、Ni含N不锈钢焊丝，成分精准易控，杂质和有害元素极低，是氢能-269超低温冲击韧性和抗氢脆性能的基础保障；可以更好地配合交流埋弧焊剂使用，达到最佳焊接效果；

(2)焊剂采用交流专用埋弧焊剂，具有优异的交流焊接作业性，通过优选的原料组成和比例，使其在焊接时，铁水具有适宜的表面张力与母材之间形成合适的40-70°之间的接触角，能够与焊丝搭配在焊接时形成两边平滑而稍凸起的焊道(如图1)，具有最佳的焊缝成型和较高抵抗凝固裂纹的能力。此外本发明焊剂配方搭配本发明焊丝能够的到较为纯净的焊缝金属和较低的氧含量水平(0.035-0.060％)。

(3)本发明的熔敷金属设计为低C、低P、S，以增强奥氏体组织抵抗裂纹的能力，并通过高Mn、Ni、N等奥氏体形成元素的含量，适当控制熔敷金属Cr_eq/Ni_eq比值，将熔敷金属铁素体铁素体含量设计并控制在0.5-1.0FN。熔敷金属具有FA凝固模式，有较高抵抗奥氏体不锈钢凝固开裂的能力，同时确保焊缝金属具有优异的-269℃超低温韧性。同时高的N含量和低的铁素体含量也更加保障了奥氏体组织的稳定性和溶氢的能力，阻碍了氢的扩散和传播，使焊缝的抗氢脆能力大大提高。

(4)本发明焊丝搭配交流用埋弧焊剂，匹配本发明的应用焊接工艺(背面免充氩焊条氩弧打底以增加底道抗裂性，埋弧焊填、盖用交流以中等偏小热输入、多层多道焊接以获得凸型焊道，道温控制在80-120℃，采用引弧和收弧板)可以获得抗裂性优异的焊道；

(5)本发明焊丝搭配交流用埋弧焊剂，匹配本发明焊接工艺获得的焊缝金属既有极低的铁素体含量，具有优异的-269℃超低温韧性(-269℃冲击≥47J)、抗裂性和抗氢脆性能。

本发明埋弧焊丝搭配特定交流用埋弧焊剂焊接，电弧稳定，焊缝脱渣优异、外形美观，具有十分优异的交流焊接工艺性能。通过熔敷金属成分、铁素体、焊剂配方和焊接工艺的合理设计，本发明埋弧焊所得熔敷金属的机械性能优异且稳定，尤其是抗氢脆性能和超低温冲击韧性优异，-269℃冲击≥47J。且杂质含量和铁素体含量极低，搭配相应焊接工艺，在-269℃超低温韧性优良的前提下也具有良好的抗裂性和抗氢脆性能，能满足氢能储罐及储运设备等的焊接要求。

附图说明

图1是以20mm板厚、单边坡口角度30°为例的多层多道慢速焊接示意，显示自第3层开始分为一层两道焊接，形成两边平滑而稍凸起的焊道。

图2是焊接时形成两边平滑但稍凸起的焊道示意，焊道1为背面免充氩焊条打底焊道，焊缝窄而凸，单面焊双面成型，焊道2为埋弧焊丝+焊剂所得焊道，焊道两边平滑、中间稍凸，有较强抵抗凝固开裂的能力。

具体实施方式

为更好理解本发明，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。

本发明氢能用可使用交流电的埋弧焊丝焊剂，以交流专用焊剂搭配专门开发冶炼高品质不锈钢埋弧焊丝，以特定焊接工艺使用。

本发明氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝，化学成分及质量百分比如下：

C：≤0.015％；

Mn：3.5-5.2％；

Si：≤0.40％；

P：≤0.005％；

S：≤0.003％；

P+S：≤0.008％；

Ni：14.0-17.0％；

Cr：17.0-20.0％；

Mo：2.5-4.0％；

O：≤0.035％；

N：0.065-0.10％；

Fe：余量；

本发明的埋弧焊丝搭配中温烧结交流埋弧焊剂，所述焊剂的成分含有：

α型氧化铝：8-12％，

β型氧化铝：5-8％，

电熔镁砂：22-26％，

硅灰石：3-8％，

萤石：16-25％，

石英：8-12％，

高钾长石(K⁺含量15-18％)：5-8％，

铝矾土：3-6％，

膨润土：2-4％，

铝镁合金：0.3-1.2％，

锰硅合金：2-5％，

氮化铬(N：0.07-0.10)：3-5％，

钇基稀土合金：1-2.5％，

硅酸镁铝：0.25-0.80％。

本发明的低C、低P、S，高Mn、Ni含N奥氏体不锈钢埋弧焊丝，实施例中具体含量见表1。

表1实施例的焊丝成分(重量百分比％)

本发明的交流氢能专用埋弧焊剂，实施例中具体含量见表2。

表2氢能用可使用交流电的焊剂组成实施例(重量百分比％)

实施例焊缝金属化学成分见表3。

表3焊缝金属成分实施例(重量百分比％)

实施例焊缝金属机械性能、低温冲击、铁素体及抗裂性见表4。

表4：各实施例熔敷金属性能测试结果

由上述实施例可见，本发明的交流氢能埋弧焊丝搭配焊剂具有优异的交流焊接性，搭配本发明所述焊接工艺，在超低温高压氢环境具有优异的超低温韧性和抗裂、抗氢脆性能。其焊丝采用超高品质(低C、低P、S、高Mn、Ni含N)奥氏体不锈钢芯线，然后通过搭配氢能用可使用交流电的埋弧焊剂能够更加精准控制熔敷金属合金成分，及由成分所决定的铁素体含量。其熔敷金属相比传统316L焊材具有低C、低P、S、高N特性，且熔敷金属O含量控制较低，铁素体约0.5-1.0FN之间，熔敷金属的机械性能优异且稳定，抗裂性、抗氢脆和-269℃超低温韧性优异，其熔敷金属 -269℃低温冲击≥47J，能满足氢能储运高压和-269℃超低温需求。

以上所述的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 (5)

1.一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂，其特征在于，

1）按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝的化学成分及质量百分比如下：C：≤0.015%，Mn：3.5-5.2%，Si：≤0.40%，P≤0.005%，S≤0.003%，P+S≤0.008%，Ni：14.0-17.0%，Cr：17.0-20.0%，Mo：2.5-4.0%，O≤0.035%，N：0.065-0.10%，余量为铁及其它不可避免杂质；

2）按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝在交流焊接时所用配套焊剂为中温烧结焊剂，所述焊剂的成分含量为：α型氧化铝：8-12%，β型氧化铝：5-8%，镁砂：22-26%，硅灰石：3-8%，萤石：16-25%，石英：8-12%，高钾长石：5-8%，铝矾土：3-6%，膨润土：2-4%，铝镁合金：0.3-1.2%，锰硅合金：2-5%，氮化铬：3-5%；钇基稀土合金：1-2.5%；硅酸镁铝：0.25-0.80%；

按重量百分比计，所述氢能用可使用交流电的埋弧焊丝和交流焊接用配套焊剂得到的熔敷金属化学成分为：C：0.005-0.030%，Mn：3.2-5.5%，Si：0.20-0.50%，P≤0.008%，S≤0.003%，P+S≤0.010%，Ni：14.5-17.0%，Cr：16.5-19.5%，Mo：2.5-4.5%，O：0.035-0.060%，N：0.08-0.10%，余量为铁及其它不可避免杂质；

所述焊丝的铁素体含量在1-3FN；所述熔敷金属的铁素体含量在0.5-1FN。

2.根据权利要求1所述的氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂，其特征在于，所述焊剂的制备方法包括以下步骤：

①将所述焊剂各组分按比例干混均匀；

②加入焊剂重量比例15-25%的粘结剂，充分均匀混合，而后造粒；

③以650-700℃烘干2-2.5h，然后过筛选出20-60目的焊剂。

3.根据权利要求2所述的氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂，其特征在于，所述粘结剂用模数为2.8-3.3、浓度为35-40Be的纯钾水玻璃为基础，其中加入0.5-2.0%烷基硅酸钠作为增粘剂，并以高速搅拌机分散30分钟制备得到。

4.一种氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂的焊接工艺，其特征在于，如权利要求1所述氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂应用时采用以下焊接工艺：

焊接前对焊剂进行350-400℃×1h烘干，确保焊剂保持干燥；

2） 采用同质埋弧焊丝做成背面免充氩焊条打底，单面焊双面成型，形成打底焊道，背面免充氩焊条正面焊接保护气体采用98%Ar+2%N₂，焊接参数为：背面免充氩焊条规格φ2.4mm，焊接极性DC-，焊接电流80-100A，焊接电压12-14V，焊接速度80-100mm/min，热输入量控制在5.8-10.5KJ/cm；

3） 填充、盖面层采用Φ3.2mm规格埋弧焊丝，极性AC，电流450-480A，电压34-35V，焊接速度400-450mm/min，热输入量20-25KJ/cm，多层多道慢速焊接；

4） 道间温度控制在80-120℃。

5.根据权利要求4所述的氢能用可使用交流电的不锈钢埋弧焊丝焊剂的焊接工艺，其特征在于，多层多道慢速焊接在20mm板厚、单边坡口角度30°中时，埋弧焊自第三层开始分为一层两道焊接。

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