CN114669911A - 一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝及其制备、使用方法 - Google Patents

一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝及其制备、使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝及其制备、使用方法，涉及钢铁生产技术领域，包括62%～68%的钢带与32%～38%的药粉，钢带的化学组分：C：0.016%～0.031%，Si：0.51%～0.70%，Mn：0.29%～0.57%，Cr：3.15%～5.03%，Ni：10.15%～12.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；药粉的化学组分：金红石：18%～26%，锆英砂：3%～5%，钛酸钾：3%～5%，电解锰：2%～4%，镍粉：56.08%～60.41%，钼粉：10.40%～12.68%，钴粉：0.01%～0.02%，铝粉：0.02%～0.04%，高碳铬铁：22.62%～24.64%，余量为铁粉。相对于焊条具有更高的熔敷率和焊接效率，大幅缩短工期，经济效益明显。

Description

一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝及其制备、使用方法
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝及其制备、使用方法。
背景技术
天然气资源是重要战略资源，开采储运量极大。9%Ni钢因其优异的超低温性能，大规模应用在液化天然气储罐的建造。含Ni量9%的储罐用钢，又称为9Ni钢，按照GB 24510牌号为9Ni590A和9Ni590B，广泛用于储存和运输液化天然气，其服役环境为-196℃超低温。
在9Ni钢储罐制造时，主要是采用埋弧焊和焊条焊的方式，埋弧焊用于罐底焊接和侧板横焊，焊条用于侧板立焊和其他部位的仰焊。焊条因受焊条长度的限制，每次焊接的焊缝长度有限，在施焊过程中也会因为焊条的燃烧缩短而导致操作手法需要不断调整，对焊接操作人员的技术、体力要求较高，工作效率低下。
药芯气保焊丝具有成分易调整、焊接操作要求低、可长距离连续施焊的优点，相对于焊条操作要求低、工作效率更高，能替代焊条进行9Ni钢储罐的侧板立焊和其他部位的仰焊。目前，国内有京群，国外有神钢、林肯进行了相关焊材的研发，但仍无成熟的、可大规模应用的9Ni钢用药芯焊丝。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，包括62%～68%的钢带与32%～38%的药粉，
钢带的化学组分：C：0.016%～0.031%，Si：0.51%～0.70%，Mn：0.29%～0.57%，Cr：3.15%～5.03%，Ni：10.15%～12.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；
药粉的化学组分：金红石：18%～26%，锆英砂：3%～5%，钛酸钾：3%～5%，电解锰：2%～4%，镍粉：56.08%～60.41%，钼粉：10.40%～12.68%，钴粉：0.01%～0.02%，铝粉：0.02%～0.04%，高碳铬铁：22.62%～24.64%，余量为铁粉。。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，金红石、锆英砂、钛酸钾、电解锰、镍粉、钼粉、钴粉、铝粉的纯度≥99%，粒度≤0.3mm。
前所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，高碳铬铁的化学成分：Cr：84%～86%，C：10%～12%，余量为铁和不可避免的杂质，粒度≤0.3mm。
本发明的第二目的在于提供一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝制备方法，采用常规药芯焊丝制备方法，将钢带轧制成U形管，再将药粉加入U形管中，然后合缝、拉丝减径、收线、表面处理、层绕，制得直径为1.2mm的9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝。
本发明的第三目的在于提供一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝使用方法，采用100%CO2或80%Ar+20%CO2的混合气进行气体保护，气体流量为18～20L/min；焊接前不需要预热，焊接过程中保证层温处于50～80℃；焊接时，第1层焊接电流为135～145A，电压为20.6～20.8V，焊速为14～15cm/min；第2层焊接电流为145～155A，电压为22.8～23.9V，焊速为15～16cm/min；第3层焊接电流为160～170A，电压为23.5～23.8V，焊速为18～20cm/min；后续焊接与第3层焊接参数相同。
前所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝使用方法，应用于罐体侧板立焊位置和其他位置的仰焊。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中药粉的金红石含量为18%～26%，锆英砂含量为3%～5%，能调节熔渣熔点和熔池液体黏度；焊接过程会形成一层较薄的保护渣，减少焊缝金属的气孔敏感性，保证了焊缝探伤质量；添加量低于设计值时，作用不明显，添加量高于上限时，会恶化焊缝金属成型性；
（2）本发明中药粉的钛酸钾含量为3%～5%，起到稳定电弧的作用，提高了焊接工艺性能；
（3）本发明中药粉的Co为0.01%～0.02%，Co能够起到细化晶粒的作用，提高焊缝金属的强度和韧性，但由于Co价格昂贵，少量添加能满足一定的需求，添加量过多会使成本大幅增加；
（4）本发明中药粉中的Al为0.02%～0.04%，Al能够与Ni、Mo、Fe结合生成Ni3Al、Mo3Al、Fe3Al强化焊缝保证屈服与抗拉强度，添加量过多时会导致脆性加大；
（5）本发明中采用钢带与药粉共同过渡合金元素的方式，形成的焊缝金属中，其Ni含量为66%～68%，Ni元素具有优异的低温冲击韧性，含量过高会造成成本增加，含量过低会影响焊缝的低温冲击性能，本发明钢带中Ni为10.15%～12.03%，药粉中Ni含量为56.08%～60.41%，经焊接烧损后，仍能保有一定量的Ni元素，保证了焊缝全奥氏体组织，获得良好的超低温韧性；在形成焊接接头时，避免了母材对焊缝稀释扩散，熔合线附近组织与性能变化造成低温韧性下降，保证了焊缝金属被母材稀释后成分仍能满足-196℃的低温冲击韧性需求；
（6）本发明中钢带的Ni为10.15%～12.03%，因药芯焊丝具有吸潮性，在钢带中添加一定量的Ni能够有效防止焊丝生锈，延长保存时间；
（7）本发明中钢带P≤0.002%和S≤0.001%，杂质元素P与S易使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，因此需通过净化钢水，将钢带的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量；
（8）本发明中焊接方法对于焊材的使用至关重要，采用100%CO2气体可以正常使用，采用80%Ar+20%CO2的混合气能够减少焊接时的飞溅，提高冲击韧性；焊接过程中保证层温处于50～80℃，防止金属元素过烧和冷却速度过慢导致的Al元素在熔池中过度上浮；
（9）本发明中焊接参数设置有效控制了与母材的熔合比，减少母材的热影响区宽度，确保接头性能。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，由62%的钢带与38%的药粉组成。
钢带的化学组分是：C为0.016%，Si为0.51%，Mn为0.57%，Cr为3.15%，Ni为10.15%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
药粉的化学组分是：金红石为18%，锆英砂为5%，钛酸钾为3%，电解锰为4%，镍粉为60.41%，钼粉为10.40%，钴粉为0.01%～0.02%，铝粉为0.02%～0.04%，高碳铬铁为24.64%，余量为铁粉。
金红石、锆英砂、钛酸钾、电解锰、镍粉、钼粉、钴粉、铝粉的纯度≥99%，粒度≤0.3mm。高碳铬铁的化学成分：Cr：84%～86%，C：10%～12%，余量为铁和不可避免的杂质，粒度≤0.3mm。
制备方法：采用常规药芯焊丝制备方法，将所述钢带轧制成U形管，再将所述药粉加入U形管中，然后合缝，拉丝减径，收线，表面处理，层绕，制得直径为1.2mm的9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝。
用于20mm厚罐体侧板立焊，采用100%CO2的混合气进行气体保护，气体流量为18～20L/min。焊接前不需要预热，焊接过程中保证层温处于50～80℃。焊接时，第1层焊接电流为135～145A，电压为20.6～20.8V，焊速为14～15cm/min；第2层焊接电流为145～155A，电压为22.8～23.9V，焊速为15～16cm/min；第3层焊接电流为160～170A，电压为23.5～23.8V，焊速为18～20cm/min；后续焊接与第3层焊接参数相同。
接头要求Rm≥690MPa，弯曲裂纹率≤20%，-196℃下AKv≥47J。对接头进行力学性能检测，抗拉强度为721MPa、726MPa，弯曲存在0.5mm裂纹，-196℃下各位置AKv为表1所示，
表1 实施例1接头冲击试验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
该药芯气保焊丝满足使用要求。
实施例2
本实施例提供的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，与实施例1的区别在于，由65%的钢带与35%的药粉组成。
钢带的化学组分是：C为0.025%，Si为0.63%，Mn为0.43%，Cr为4.67%，Ni为11.08%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
药粉的化学组分是：金红石为22%，锆英砂为4%，钛酸钾为4%，电解锰为3%，镍粉为58.22%，钼粉为11.34%，钴粉为0.01%～0.02%，铝粉为0.02%～0.04%，高碳铬铁为23.72%，余量为铁粉。
用于18mm厚罐体侧板立焊，采用80%Ar+20%CO2的混合气进行气体保护，气体流量为18～20L/min。焊接前不需要预热，焊接过程中保证层温处于50～80℃。焊接时，第1层焊接电流为135～145A，电压为20.6～20.8V，焊速为14～15cm/min；第2层焊接电流为145～155A，电压为22.8～23.9V，焊速为15～16cm/min；第3层焊接电流为160～170A，电压为23.5～23.8V，焊速为18～20cm/min；后续焊接与第3层焊接参数相同。
接头要求Rm≥690MPa，弯曲裂纹率≤20%，-196℃下AKv≥47J。对接头进行力学性能检测，抗拉强度为701MPa、712MPa，弯曲无裂纹，-196℃下各位置AKv为表2所示，
表2 实施例二接头冲击试验结果
Figure 172070DEST_PATH_IMAGE002
该药芯气保焊丝满足使用要求。
实施例2
本实施例提供的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，与实施例1的区别在于，由68%的钢带与32%的药粉组成。
钢带的化学组分是：C为0.031%，Si为0.70%，Mn为0.29%，Cr为5.03%，Ni为12.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。
药粉的化学组分是：金红石为26%，锆英砂为3%，钛酸钾为5%，电解锰为2%，镍粉为56.08%，钼粉为10.40%，钴粉为0.01%～0.02%，铝粉为0.02%～0.04%，高碳铬铁为22.62%，余量为铁粉。
用于27.5mm厚罐体侧板立焊，采用80%Ar+20%CO2的混合气进行气体保护，气体流量为18～20L/min。焊接前不需要预热，焊接过程中保证层温处于50～80℃。焊接时，第1层焊接电流为135～145A，电压为20.6～20.8V，焊速为14～15cm/min；第2层焊接电流为145～155A，电压为22.8～23.9V，焊速为15～16cm/min；第3层焊接电流为160～170A，电压为23.5～23.8V，焊速为18～20cm/min；后续焊接与第3层焊接参数相同。
接头要求Rm≥690MPa，弯曲裂纹率≤20%，-196℃下AKv≥47J。对接头进行力学性能检测，抗拉强度为707MPa、695MPa，弯曲无裂纹，-196℃下各位置AKv为表3所示，
表3 实施例三接头冲击试验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE003
该药芯气保焊丝满足使用要求。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，其特征在于：包括62%～68%的钢带与32%～38%的药粉，
钢带的化学组分：C：0.016%～0.031%，Si：0.51%～0.70%，Mn：0.29%～0.57%，Cr：3.15%～5.03%，Ni：10.15%～12.03%，P≤0.002%，S≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；
药粉的化学组分：金红石：18%～26%，锆英砂：3%～5%，钛酸钾：3%～5%，电解锰：2%～4%，镍粉：56.08%～60.41%，钼粉：10.40%～12.68%，钴粉：0.01%～0.02%，铝粉：0.02%～0.04%，高碳铬铁：22.62%～24.64%，余量为铁粉。
2.根据权利要求1所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，其特征在于：所述金红石、锆英砂、钛酸钾、电解锰、镍粉、钼粉、钴粉、铝粉的纯度≥99%，粒度≤0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝，其特征在于：所述高碳铬铁的化学成分：Cr：84%～86%，C：10%～12%，余量为铁和不可避免的杂质，粒度≤0.3mm。
4.一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝制备方法，其特征在于：应用于权利要求1-3任意一项，采用常规药芯焊丝制备方法，将钢带轧制成U形管，再将药粉加入U形管中，然后合缝、拉丝减径、收线、表面处理、层绕，制得直径为1.2mm的9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝。
5.一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝使用方法，其特征在于：应用于权利要求1-4任意一项，采用100%CO2或80%Ar+20%CO2的混合气进行气体保护，气体流量为18～20L/min；焊接前不需要预热，焊接过程中保证层温处于50～80℃；焊接时，第1层焊接电流为135～145A，电压为20.6～20.8V，焊速为14～15cm/min；第2层焊接电流为145～155A，电压为22.8～23.9V，焊速为15～16cm/min；第3层焊接电流为160～170A，电压为23.5～23.8V，焊速为18～20cm/min；后续焊接与第3层焊接参数相同。
6.根据权利要求5所述的一种9%Ni储罐钢用药芯气保焊丝使用方法，其特征在于：应用于罐体侧板立焊位置和其他位置的仰焊。
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