CN115890063B

CN115890063B - P92钢埋弧焊用焊剂

Info

Publication number: CN115890063B
Application number: CN202211719910.6A
Authority: CN
Inventors: 缪兴平; 范阳阳; 楚成刚; 操能; 昌佳; 曾会强; 刘洪�
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2042-12-30
Also published as: CN115890063A

Abstract

本发明公开了一种用于p92钢埋弧焊的焊剂，该焊剂的配方成份组成以质量分数表示为:CaF₂：12.0‑22.0%，Ca₄Si₂O₇F₂：10.0‑20.0%，MgO:6.0‑18.0%，Al₂O₃:3.0‑8.0%，MgCO₃:17.0‑27.0%,CaCO₃:2.0‑15.0%,Al₂SiO₅:10.0‑20.0%，同时满足55≤（MgO+MgCO₃+CaCO₃+CaF₂）≤65，以及1.5≤(MgCO₃+MgO)/CaF₂≤2.5。该焊剂在用于p92钢的埋弧焊焊接时，具有良好的焊接脱渣性和焊缝成型，可有效抑制焊接裂纹和气孔，同时还可获得良好冲击韧性的焊缝金属。

Description

P92钢埋弧焊用焊剂

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种用于P92钢埋弧焊焊接的焊剂。

背景技术

P92钢是超超临界火力发电机组主蒸汽管道等高温高压部件中应用最为广泛，也是目前世界上已投产的许用蒸汽参数最高的铁素体耐热钢。长期以来，我国P92钢埋弧焊焊材均依赖于进口，这是因为P92钢的焊接要求高、难度大，对其焊接材料提出了极高的要求。埋弧焊是P92钢焊接的重要手段，其中埋弧焊焊剂的综合性能往往决定了焊接效率和最终的焊接质量，这就要求埋弧焊焊剂兼具良好的焊接工艺性能和焊接冶金性能。

埋弧焊焊剂是一种配合钢焊丝一起使用，从而达到相应冶金效果的多元混合物体系。埋弧焊焊剂通常需经高温烘焙而制成，按制造温度不同，通常又分为低温烧结焊剂(如400-600℃)，高温烧结焊剂(如600-1200℃)，熔炼焊剂(如1200℃以上)。

埋弧焊的焊缝表面成型与焊剂的堆积密度有密切关系，堆积密度小的焊剂，有利于焊接过程气体的逸出以及减少对高温熔渣的压力，从而有利于得到美观的焊缝表面成型。

专利文献1公开了一种埋弧焊焊剂，其组成为包括以质量分数表示的如下物质：CaF₂：10～60％、CaO：2～25％、MgO：10～50％、Al₂O₃：2～30％以及Si和SiO₂：按照SiO₂计为6～30％。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：CN200510071322。

发明内容

发明要解决的问题

在实际的工业生产应用中，专利文献1公开的一种埋弧焊焊剂，未能较好地平衡焊接脱渣性能和冶金性能，大大增加了焊接操作难度和焊接工作强度。

此外，国内使用的其他P92进口焊材，未能较好地平衡抗气孔、抗裂纹性能和焊接脱渣性能，实际应用中的难度也较大。

通常的烧结焊剂堆积密度较高，常在1.0-1.2 kg/m³。在焊接时，较高的焊剂堆积密度往往促使电弧不稳定、焊道表面压坑、焊道波纹发生起伏的问题出现。

鉴于以上提到的问题，本发明提供一种埋弧焊烧结焊剂，这种焊剂在用于P92钢的焊接时，具有良好的可操作性，一方面可获得良好的焊接工艺性能，包括良好的脱渣性和焊缝成型、有效抑制焊接裂纹和气孔，同时还可获得良好冲击韧性的焊缝金属。

解决问题的手段

发明人基于大量的、反复的试验论证和研究，发现把焊剂的配方组成成份以及烧结工艺限定在特定范围之内时，可以控制焊剂堆积密度≤1.0kg/m³，可较好地平衡焊剂的冶金性能和焊接工艺性能，从而解决上述问题，因此完成了本发明。

本发明P92钢埋弧焊用焊剂的配方成份组成，以质量分数表示，其特征为：

CaF₂：12.0-22.0%，Ca₄Si₂O₇F₂：10.0-20.0%，MgO:6.0-18.0%，Al₂O₃:3.0-8.0%，MgCO₃:17.0-27.0%, CaCO₃:2.0-15.0%,Al₂SiO₅:10.0-20.0%，同时满足55≤（MgO+MgCO₃+CaCO₃+CaF₂）≤65，以及1.5≤(MgCO₃+MgO)/CaF₂≤2.5。

本发明P92钢埋弧焊用焊剂的特征还包括，为了获得特定的堆积密度≤1.0kg/m³的焊剂产品，焊剂的制造工艺为：在温度600℃-850℃范围之内高温烧结1-2小时。

发明的效果

根据本发明所获得的焊剂，在用于P92钢的埋弧焊焊接时，一方面可获得良好的焊接工艺性能，包括良好的脱渣性和焊缝成型，有效抑制焊接裂纹和气孔，与此同时，还可获得良好冲击韧性的焊缝金属。

具体实施方式

以下，将详述实施本发明的P92钢埋弧焊用焊剂的方式。

CaF₂：12.0-22.0%，Ca₄Si₂O₇F₂：10.0-20.0%，MgO:6.0-18.0%，Al₂O₃:3.0-8.0%，MgCO₃:17.0-27.0%,CaCO₃:2.0-15.0%,Al₂SiO₅:10.0-20.0%，同时满足55≤（MgO+MgCO₃+CaCO₃+CaF₂）≤65，以及1.5≤(MgCO₃+MgO)/CaF₂≤2.5。

本发明P92埋弧焊焊剂的特征还包括，焊剂的制造工艺为：在温度550℃-850℃范围之内高温烧结1-2小时，以相应获得特殊的堆积密度≤1.0kg/m³焊剂产品。

以下，将详述本发明的P92钢埋弧焊用焊剂的配方组成成份添加范围的理由。

CaF₂：12.0-22.0%

CaF₂具有显著的调整熔渣熔点、粘度和表面张力的作用，是影响熔渣物理性质和冶金性能的关键成份之一。如果CaF₂过少，导致熔渣粘稠度偏高，粘稠的熔渣难以铺展均匀导致焊缝成型丑陋，同时冶金反应产生的气体和脱氧、脱硫夹杂物也难以快速逸出而恶化冲击韧性以及增大焊接缺陷的发生率。从这些角度考虑，CaF₂的添加量以12.0%及以上为好，控制在13.0%以上更佳。此外，由于CaF₂中的F的电离电势较高，如果如果CaF₂添加过量，将导致阴极和阳极之间的等离子体难以稳定燃烧，焊接过程不能正常进行。同时，过高的CaF₂表现出过大的表面活性作用，使熔渣的表面张力偏小，熔渣极易起泡，从而在焊缝金属表面形成大的压坑，影响焊缝美观。因此，将CaF₂的添加量控制小于等于22.0%是必要的，更好的是控制在21.0%以下。

Ca₄Si₂O₇F₂:10.0-20.0%

Ca₄Si₂O₇F₂的适量添加，配合前述的CaF₂以及后述的CaCO₃使用，可以有效调节熔渣的物理性质，从而抑制焊接裂纹的产生。如果Ca₄Si₂O₇F₂添加量太少，则无法发挥上述作用，其添加量最少应为10.0%，更佳的是10.5%以上。如果Ca₄Si₂O₇F₂添加超过20.0%，将易使熔渣成型不规则，因此，Ca₄Si₂O₇F₂的添加量为10.0-20.%。

MgO:6.0-18.0%

MgO是焊剂中重要的碱性组分，也是影响焊接脱渣性能的关键成份，同时还是调节熔渣熔点等物理性质、保证电弧安定性的不可缺少的组分。当MgO添加量太少时，熔渣粘度太小，流动性过大，焊缝边缘弯曲不直，容易造成未熔合以及夹渣缺陷，同时电弧较为暴躁。为达到基本的成型和电弧安定性，其最少添加量为6.0%，以8.0%以上更佳。当MgO的添加量过多时，将使熔渣的熔点偏高，表面张力过大，熔渣难以良好地浸润母材，进而无法得到良好的焊缝成型，同时MgO过量还将显著增加焊缝表面的粘渣。所以，MgO的添加量应控制在18.0%以下，更佳的是16.0%以下。

CaCO₃：2.0-15.0%

CaCO₃是焊剂中重要的碱性组分，有益于促进脱氧反应而净化焊缝金属，提高冲击韧性。同时，在高温电弧的热作用下，CaCO₃分解出的CO₂气体以及CO₂进一步分解得到的CO气体，可以显著抑制焊接气孔和氢致裂纹的形成。当CaCO₃添加量过少时，难以发挥上述有益作用，添加量以2.0%以上为好，5.0%以上更佳。当CaCO₃添加量超过15.0%时，将导致焊接过程产气量过大，熔渣起泡性能大大增强，焊缝表面压坑大量形成，不利于焊缝成型美观，因此将CaCO₃添加量限制在2.0-15.0%。

MgCO₃：17.0-27.0%

MgCO₃的添加，结合后述精确控制的制造工艺，利用MgCO₃焙烧过程的母盐假晶现象，可显著降低焊剂堆积密度，低的焊剂堆积密度有利于减少焊缝表面压坑，有利于抑制焊缝波纹起伏凹凸从而改善焊缝成型均匀性。经过后述制造工艺，每一个成品焊剂颗粒中添加的MgCO₃矿物原料，将会受热分解释放CO₂并形成新的MgO结晶，但是与此同时，母盐MgCO₃颗粒的原始外形仍保持基本不变，颗粒内部由于CO₂的逸出而形成许多蜂窝孔洞，这些孔洞降低了每一颗焊剂的密度，从而降低了焊剂的整体堆积密度。当MgCO₃添加量不足时，一方面形成的孔洞不足，堆积密度降低有限，难以发挥其有益作用。另一方面MgCO₃添加量不足时，分解产生的MgO也偏少，导致熔渣碱度偏低，冶金性能下降，不利于得到高韧性的焊缝金属。因此，MgCO₃的添加量应为17.0%及以上，以19.0%及以上更佳。当MgCO₃添加过量时，由于产生的MgO过多而使熔渣过于粘稠，同时增加焊缝表面粘渣。所以，MgCO₃控制在27.0%以下为宜，25.0%以下更佳。

Al₂O₃:3.0-8.0%

Al₂O₃的添加，可有效结合高熔点的MgO、CaO等组份，使其形成熔点相对更低的铝酸盐，有助于维持埋弧焊阳极区熔池的稳定和促进夹杂物的吸收，从而得到稳定的焊缝成型和净化的焊缝金属。要达到以上作用，Al₂O₃添加量应在3.0%以上，3.5%以上更佳。当Al₂O₃添加量超过8.0%时，将促进Si向焊缝金属过渡，降低焊缝金属的冲击韧性。因此将Al₂O₃添加量限制在3.0-8.0%。

Al₂SiO₅:10.0-20.0%

Al₂SiO₅可以对熔渣的粘稠度进行细微地调节，促进形成良好的焊道成型。同时，此处的Al₂SiO₅是红柱石、蓝晶石、矽线石中的一种或多种，在焊接特殊热循环的作用下，红柱石、蓝晶石、矽线石将发生莫来石化转变，利用该晶型转变时发生的体积变化使得渣壳获得额外增大的凝固收缩率，从而使凝固的熔渣和焊缝金属能够实现轻易的分离，即获得良好的焊接脱渣性能。要实现以上有益作用，红柱石、蓝晶石、矽线石中的一种或多种的添加量总和应满足大于等于10.0%，11.0%以上更佳。如果红柱石、蓝晶石、矽线石中的一种或多种的添加量总和过大，将明显促进Si向焊缝金属过渡，从而难以获得高的焊缝金属的冲击韧性，从这个角度考虑，将Al₂SiO₅的添加量控制在20.0%以下是必要的。

另外，上述组成中，MgO、CaCO₃、MgCO₃、CaF₂的总量(MgO+CaCO₃+MgCO₃+CaF₂)应满足55%≤(MgO+CaCO₃+MgCO₃+CaF₂)≤65%。当此总量≥55%时，可以使焊接气孔敏感性大大降低，在≥55.5%时更佳。另一方面，为了不劣化焊接脱渣性能，应控制(MgO+CaCO₃+MgCO₃+CaF₂)≤65%。

同时，为了保证焊接电弧稳定燃烧，有利于获得均匀的焊道成型，上述组成中CaF₂、MgO、MgCO₃还需满足(MgO+MgCO₃)/CaF₂的比值≥1.50，在≥1.55时更佳，同时满足(MgO+MgCO₃)/CaF2的比值≤2.5，在≤2.45时更佳。

另外，实施本发明的P92钢埋弧焊用焊剂除了满足上述成份组成之外，还必需采用烧结温度550-850℃、烧结时长1-2小时的制造工艺，这是发挥前述MgCO₃降低焊剂堆积密度必不可少的工艺步骤，同时，这样的烧结工艺可降低成品焊剂的水分残留，从而降低焊接气孔风险。为了达到MgCO₃充分分解的效果，所以烧结温度至少控制在600℃以上，当在650℃以上时更佳。然而烧结温度并非越高越好，温度超过850℃时，CaCO₃的分解将导致其失去抑制焊接气孔的作用，更佳的是控制在750℃及以下。从平衡MgCO₃充分分解和提高生产效率的角度考虑，烧结时间控制在1-2小时最佳。通常的烧结焊剂堆积密度在1.0-1.2kg/m³,P92钢埋弧焊用焊剂的堆积密度可以控制在1.0 kg/m³以下。

除上述成份以外，焊剂中还含有不可避免的由粘结剂(如硅酸钠、硅酸钾)带来的Na₂O、K₂O，以及其它S、P、As、Sn、Sb等成分，应使有害杂质S+P+As+Sn+Sb的含量之和最好控制在0.1%以下。

制造方法

将实施本发明的P92钢埋弧焊用焊剂的制造方法，举例如下，将上述各个组分原材料粉剂用任何适宜的方式混合均匀后，加入水玻璃粘结剂混合，再经过造粒、筛选、烧结而成。粘结剂可以是硅酸钠、硅酸钾等。烧结设备可以是回转窑、隧道窑等的任意一种。烧结温度600℃-850℃，以650℃-750℃烧结1-2小时为佳。

如上所述，本发明的P92钢埋弧焊用焊剂的配方成份的含量被限定在一特定范围之内，各不同组分之间满足特定的条件，且采用了特定的与添加组分及其添加目的密不可分的烧结工艺制造而成。因此，才使得其在用于P92钢的埋弧焊焊接时，具备了均匀美观的焊缝成型，良好的焊接脱渣性能、抗裂性能、抗气孔性能，以及良好的焊缝金属冲击韧性。

实施例

以下，举出实施例来更具体地说明本发明的实施方式，但是，本发明不限于以下这些实施例，任何基于本发明的核心宗旨所进行的变更实施，都是本发明的技术范围。

实施例1-8以及比较例1-18

实施例1-8和比较例1-18的成份组成分别列于表1、表2。选择如表3所示的具有典型p92钢成分特征的钢焊丝，采用如表4所示的焊接条件进行焊接。

表1

表2

表3

表4

评价方法

对各实施例和比较例的焊剂堆积密度，焊接时的电弧稳定性、焊缝外观成型、脱渣性能、抗气孔性能、抗裂纹性能和焊缝金属冲击韧性进行评价，结果如表5和表6所示。

焊剂堆积密度

参考GB/T23771无机化工产品堆积密度的测定，对各例焊剂的堆积密度进行测定和记录。

焊接电弧稳定性评价

通过在给定的焊接参数范围下焊接，观察是否能够成功引燃电弧以及焊接过程中的电弧波动情况。将可顺利引燃电弧且电压波动小的用√标注，不能顺利引燃电弧或电弧波动大的用×标注。

焊道外观成型

通过目视观察，评价焊缝波纹成型的均匀性和焊道表面的压坑情况，将波纹均匀且无压坑的用√标注，波纹不均匀或（和）有压坑的用×标注。

焊接脱渣性能

参考GB/T25776焊接材料焊接工艺性能评价方法，对脱渣性能进行评价，将无粘渣的用√标注，严重粘渣的用×标注，轻微粘渣的用△标注。

抗气孔和抗裂纹性能

基于熔敷金属试板的焊接，焊接过程中以目视观察的方法观察记录是否有焊接裂纹和气孔产生，试板焊接完成后，按照GB/T11345对焊缝金属进行无损检测，将无缺陷的用√标注，有气孔但射线检测评级为I级的用△标注，有裂纹或气孔较多射线检测评级不满足I级的用×标注。

焊缝金属室温冲击韧性

基于熔敷金属试板的焊接和热处理，按照GB/T2650进行焊缝金属室温冲击试验，记录冲击吸收能量的平均值，并将冲击值小于27J的用×标注，冲击值在27-47J之间的用△标注，冲击值≥47J的用√标注。

表5

表6

综上所述，采用本实施例的焊剂，在所述焊接规范下焊接，其电弧稳定性、焊缝外观成型、脱渣性能、抗气孔性能、抗裂纹性能和焊缝金属冲击韧性各个方面均获得良好的结果。

另一方面，结合实施例和比较例的综合结果可知，CaF₂的添加过少不利于焊道成型和抑制气孔等缺陷并且劣化焊缝冲击韧性，添加量过多则明显恶化电弧稳定性和焊道成型的均匀性。Ca₄Si₂O₇F₂ 添加过多导致焊道成型不规则，过少又无法抑制焊接裂纹的产生。MgO过量添加时明显增加焊道粘渣，使脱渣困难，促进夹渣缺陷的形成，同时焊道成型不佳，过少时电弧稳定性不足、劣化冲击韧性、促进气孔形成。Al₂O₃添加过量时，冲击韧性明显下降，过少时焊道成型不规则。MgCO₃过量添加时，同样显著恶化脱渣性能、劣化冲击韧性，过少时则焊剂的堆密度偏大而导致焊道出现压坑、电弧稳定性下降。CaCO₃添加不足时，气孔抑制能力下降、冲击韧性劣化，过量时恶化焊道成型和电弧稳定性。Al₂SiO₅添加过量时显著恶化冲击韧性、促进裂纹形成，过少时脱渣性能较差，焊道粘渣增多。MgO+MgCO₃+CaCO₃+CaF₂合量过多时，焊道成型、电弧稳定性、脱渣性均恶化，过少时焊道成型、冲击韧性则出现恶化。(MgCO₃+MgO)/CaF₂值不足1.5时，恶化电弧稳定性、焊道外观成型，(MgCO₃+MgO)/CaF₂值超过2.5时恶化冲击韧性、抗气孔性能。

Claims

1.P92钢埋弧焊用焊剂，其组成成份按质量分数计，为：

CaF₂：12.0-22.0％，

Ca₄Si₂O₇F₂：10.0-20.0％，

MgO:6.0-18.0％，

Al₂O₃:3.0-8.0％，

MgCO₃:17.0-27.0％,

CaCO₃:2.0-15.0％,

Al₂SiO₅:10.0-20.0％，

同时满足55％≤(MgO+MgCO₃+CaCO₃+CaF₂)≤65％，

以及1.5≤(MgCO₃+MgO)/CaF₂≤2.5，

上述成份组成的P92钢埋弧焊用焊剂，需配合600℃-850℃、高温烧结1-2小时的烧结工艺，以相应获得堆积密度≤1.0kg/m³的焊剂产品。