CN116249602A - 埋弧焊用焊剂 - Google Patents

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Abstract

提供焊接金属的埋弧焊用焊剂，焊接操作性优异，且能够稳定得到具有优异的力学性能。用于Cr‑Mo系钢板的埋弧焊的埋弧焊用焊剂，相对于焊剂总质量，含有：Mn：0.01质量％以上且5.00质量％以下、Al：0.50质量％以上且3.00质量％以下、N：大于0质量％且0.50质量％以下、MgO：5.0质量％以上且40.0质量％以下、F：5.0质量％以上且12.0质量％以下、Ca：9.5质量％以上且21.5质量％以下、Al2O3：11.0质量％以上且23.0质量％以下、Si以及Si化合物的SiO2换算值：7.0质量％以上且20.0质量％以下，CO2：3.0质量％以上且10.0质量％以下、C：1.00质量％以下、Ni：1.00质量％以下。

Description

埋弧焊用焊剂
技术领域
本发明涉及埋弧焊用焊剂。
背景技术
历来，在被设置于石油炼油厂内等、在高温高压下运转的反应器(以下，也称“反应器”)等领域中，使用有1.25％Cr-0.5％Mo钢或者2.25％Cr-1.0％Mo等高强度且高温特性优异的材料。另外，在反应器的制造中，一般使用基于组合了实芯焊丝和粘结焊剂的埋弧焊的多层堆焊。考虑到像这样的反应器在寒冷地带的操作和运转中止中的脆性破坏等，除了上述的高强度和高温特性之外，还要求在低温环境下的优异的韧性。
例如，在专利文献1中公开了一种焊接方法，目的在于提高焊接金属的低温韧性以及高温强度，使焊丝或者焊剂中含有Al以及N等而焊接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58-58982号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，如专利文献1中公开的那样，使焊丝中含有Al以及N时，有在制造焊丝时发生断线，增大制造成本的问题。
另一方面，若减少焊丝中的Al以及N含量，使用以专利文献1中记载的范围添加有Al以及N的焊剂，则焊接金属的成分的不均变大，不能充分地得到所要求的韧性和力学性能。特别是，目的在于提高操作效率在高电流下焊接时，也会发生焊接金属的性能不稳定的问题。因此，不仅要求高温特性以及低温韧性优异，关于优异的焊接操作性的要求也在变高。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，目的在于，提供用于Cr-Mo系钢板的埋弧焊，焊接操作性优异，且能够稳定得到具有优异的力学性能的焊接金属的埋弧焊用焊剂。
用于解决问题的手段
本发明者们经过多次锐意研究的结果发现：通过使埋弧焊用焊剂中含有比以往量多的Al，并且控制氧化物等其他成分的含量，能够实现操作效率的提高，且即使在高电流下焊接时也能够稳定得到具有优异的力学性能的焊接金属。
换言之，本发明的上述目的通过埋弧焊用焊剂的下记[1]的组成达成。
[1]一种埋弧焊用焊剂，其特征在于，是用于Cr-Mo系钢板的埋弧焊的埋弧焊用焊剂，相对于焊剂总质量，含有：
Mn：0.01质量％以上且5.00质量％以下、
Al：0.50质量％以上且3.00质量％以下、
N：大于0质量％且0.50质量％以下、
MgO：5.0质量％以上且40.0质量％以下、
F：5.0质量％以上且12.0质量％以下、
Ca：9.5质量％以上且21.5质量％以下、
Al2O3：11.0质量％以上且23.0质量％以下、
Si以及Si化合物的SiO2换算值：7.0质量％以上且20.0质量％以下、CO2：3.0质量％以上且10.0质量％以下、
C：1.00质量％以下、
Ni：1.00质量％以下。
另外，本发明涉及的埋弧焊用焊剂的优选实施方式为下记[2]或者[3]。
[2]根据[1]记载的埋弧焊用焊剂，其特征在于，还含有从Na、K以及Li中选择至少1种，相对于焊剂总质量，所述Na、K以及Li的含量的合计：0.01质量％以上且1.00质量％以下。
[3]根据[1]或[2]记载的埋弧焊用焊剂，其特征在于，相对于焊剂总质量，含有Fe：0.10质量％以上且5.00质量％以下。
发明效果
根据本发明的埋弧焊用焊剂，焊接操作性优异，且能够稳定得到具有优异的力学性能的焊接金属。
具体实施方式
以下，关于用于实施的本发明的方式进行详细地说明。还有，本发明并非限定于以下说明的实施方式。
[1.埋弧焊用焊剂]
本实施方式的埋弧焊用焊剂(以下，也有仅称作“焊剂”的情况。)，是用于Cr-Mo系钢板的埋弧焊的埋弧焊用焊剂，分别含有规定量的Mn或者Mn化合物、Al、N、MgO、F、Ca、Al2O3、Si或者Si化合物、CO2、C及Ni。
以下，关于本实施方式的焊剂的成分的限定理由进行说明。
＜Mn：0.01质量％以上且5.00质量％以下＞
Mn是确保焊接金属的室温强度，特别是为了提高韧性而含有的成分。另外，Mn也有将焊接金属脱氧的效果。若焊剂中的Mn含量小于0.01质量％，则无法得到上述效果，焊接金属的组织粗大化而韧性下降。因此，焊剂中的Mn含量，相对于焊剂总质量为0.01质量％以上，优选为0.5质量％以上，更优选为1.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Mn含量大于5.00质量％，则发生焊接金属的蠕变断裂强度的劣化，进一步回火脆化特性也劣化。因此，焊剂中的Mn含量，相对于焊剂总质量为5.00质量％以下，优选为4.00质量％以下，更优选为3.00质量％以下。
还有，Mn以Mn单质、Mn合金或者Mn化合物等形式含于焊剂中。
＜Al：0.50质量％以上且3.00质量％以下＞
Al是通过提高焊接金属的淬火性，使组织微细化而提高焊接金属的韧性的成分。若焊剂中的Al含量小于0.50质量％，则无法得到上述效果。因此，焊剂中的Al含量，相对于焊剂总质量为0.50质量％以上，优选为0.6质量％以上，更优选为0.8质量％以上，进一步优选为1.0质量％以上，最优选为1.2质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Al含量大于3.00质量％，则组织粗大化而焊接金属的韧性下降。因此，焊剂中的Al含量，相对于焊剂总质量为3.00质量％以下，优选为2.5质量％以下，更优选为2.0质量％以下，进一步优选为1.8质量％以下，最优选为1.6质量％以下。
还有，Al是以Al单质或者Fe-Al等Al合金的形式含于焊剂中的酸溶性的Al的总量。另外，Al含量，不包含以下所示的Al2O3等化合物。
＜N：大于0质量％且0.50质量％以下＞
N是固溶强化元素，是能提高焊接金属的强度的成分。特别地，在本实施方式中，通过焊剂中含有适量的Al和N，在焊接金属中析出AlN，提高焊接金属的拉伸强度。焊剂中的N含量即使是微量也能得到上述效果。因此，焊剂中的N含量，相对于焊剂总质量大于0质量％，优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上，进一步优选为0.12质量％以上，最优选为0.15质量％以上。
另一方面，若焊剂中的N含量大于0.50质量％，则由于固溶强化导致焊接金属的屈服强度以及拉伸强度显著上升，其结果，焊接金属的韧性降低。因此，焊剂中的N含量，相对于焊剂总质量为0.50质量％以下，优选为0.30质量％以下，更优选为0.25质量％以下，进一步优选为0.22质量％以下，最优选为0.20质量％以下。
还有，N作为MnN、AlN以及CrN等氮化合物含于焊剂中。在本实施方式中，N规定为这些氮化物换算成N的总量。
＜MgO：5.0质量％以上且40.0质量％以下＞
MgO，熔点高，具有促进熔渣的凝固而调整焊道形状的效果。另外，也有控制焊接金属的氧量的作用。若焊剂中的MgO含量小于5质量％，则由于焊接中的脱氧效果变小而焊接金属中的氧化物增加，所以导致韧性下降。因此，焊剂中的MgO含量，相对于焊剂总质量为5.0质量％以上，优选为10.0质量％以上，更优选为20.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的MgO含量大于40.0质量％，则由于焊道形状变差，所以熔渣剥离性下降。因此，焊剂中的MgO含量，相对于焊剂总质量为40.0质量％以下，优选为38.0质量％以下，更优选为35.0质量％以下。
＜F：5.0质量％以上且12.0质量％以下＞
F，在焊剂中以CaF化合物等化合物的形态含有，有提高熔渣的电传导性和流动性的效果，是对熔融渣的高温粘性带来影响的一种成分。若焊剂中的F含量小于5.0质量％，则熔融渣立即凝固，阻碍气体排出，或发生熔渣咬粘。因此，焊剂中的F含量，相对于焊剂总质量为5.0质量％以上，优选为6.0质量％以上，更优选为7.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的F含量大于12.0质量％，则焊道的焊波变粗，焊道外观劣化。因此，焊剂中的F含量，相对于焊剂总质量为12.0质量％以下，优选为11.5质量％以下，更优选为11.0质量％以下。
＜Ca：9.5质量％以上且21.5质量％以下＞
Ca，是作为CaO和氟化物而含有的，是提高熔渣的碱度而提高焊接金属的洁净度，并且对熔融渣的流动性带来影响的成分。若焊剂中的Ca含量小于9.5质量％，则焊接金属的洁净度变低，韧性下降。因此，焊剂中的Ca含量，相对于焊剂总质量为9.5质量％以上，优选为11.0质量％以上，更优选为15.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Ca含量大于21.5质量％，则熔融渣的流动性变得过大，焊道的外观以及焊道形状变差。因此，焊剂中的CaO含量，相对于焊剂总质量为21.5质量％以下，优选为21.0质量％以下，更优选为20.0质量％以下。
＜Al2O3：11.0质量％以上且23.0质量％以下＞
Al2O3，具有提高熔渣的流动性的效果，并且是有控制焊接金属的氧量的作用的成分。若焊剂中的Al2O3含量小于11.0质量％，则焊接焊道和母材的融合变差，容易产生熔渣卷入。因此，焊剂中的Al2O3含量，相对于焊剂总质量为11.0质量％以上，优选为13.0质量％以上，更优选为15.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Al2O3含量大于23.0质量％，则焊道的焊波变粗，焊道外观劣化。因此，焊剂中的Al2O3含量，相对于焊剂总质量为23.0质量％以下，优选为22.0质量％以下，更优选为20.0质量％以下。
还有，Al2O3含量是除去Al合金的Al化合物中包含的Al的Al2O3换算值。
＜Si以及Si化合物的SiO2换算值：7.0质量％以上且20.0质量％以下
＞
Si以及Si化合物，是具有提高熔融渣的流动性的效果的成分。若焊剂中的Si以及Si化合物的SiO2换算值小于7.0质量％，则焊接焊道和母材的融合变差，容易产生熔渣卷入。因此，焊剂中的SiO2换算值，相对于焊剂总质量为7.0质量％以上，优选为8.0质量％以上，更优选为9.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的SiO2换算值大于20.0质量％，则由于焊接金属中的氧量增加而在焊接金属中氧化物增加，所以导致韧性下降。因此，焊剂中的SiO2换算值，相对于焊剂总质量为20.0质量％以下，优选为18.0质量％以下，更优选为15.0质量％以下。
还有，Si以Si单质、Si合金或者Si化合物等形式含于焊剂中。在本实施方式中，SiO2换算值，规定为将全部的Si以及Si化合物中包含的Si的合计换算为SiO2的值。
＜CO2：3.0质量％以上且10.0质量％以下＞
CO2，是具有控制焊接金属中的扩散氢量的效果的成分。若焊剂中的CO2含量小于3.0质量％，则焊接金属中的扩散氢量增加，容易发生低温裂纹。因此，焊剂中的CO2含量，相对于焊剂总质量为3.0质量％以上，优选为4.0质量％以上，更优选为5.0质量％以上。
另一方面，若焊剂中的CO2含量大于10.0质量％，则焊接金属中的氧量增加而韧性下降。因此，焊剂中的CO2含量，相对于焊剂总质量为10.0质量％以下，优选为9.0质量％以下，更优选为8.0质量％以下。
还有，CO2以CaCO3等金属碳酸盐的形式含有于焊剂中。在本实施方式中，CO2规定为将全部的金属碳酸盐换算为CO2的值。
＜C：1.00质量％以下(包含0质量％)＞
C，是为了确保焊接金属的室温强度、蠕变断裂强度以及韧性而含于焊剂中的成分。C并非必须含于焊剂中，用其他的成分也能够实现提高焊接金属的室温强度、蠕变断裂强度以及韧性，但焊剂中的C含量，相对于焊剂总质量优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上。
另一方面，若焊剂中的C含量大于1.00质量％，则焊接金属的韧性下降。因此，焊剂中的C含量，相对于焊剂总质量为1.00质量％以下，优选为0.80质量％以下，更优选为0.50质量％以下。
还有，C能够以C单质或者合金、C化合物等形式含于焊剂中。
＜Ni：1.00质量％以下(包含0质量％)＞
Ni，是对提高焊接金属的韧性有效的元素，但也是使蠕变断裂强度显著下降的成分。Ni并非必须含有于焊剂中，用其他的成分也能够实现提高韧性，但焊剂中的Ni含量，相对于焊剂总质量优选为0.01质量％以上，更优选为0.02质量％以上，进一步优选为0.05质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Ni含量相对于焊剂总质量大于1.00质量％，则焊接金属的蠕变断裂强度下降。因此，焊剂中的Ni含量，相对于焊剂总质量为1.00质量％以下，优选为0.80质量％以下，更优选为0.50质量％以下。
还有，Ni能够以Ni单质或者Fe-Ni等Ni合金的形式含于焊剂中。
＜Na、K以及Li的含量的合计：0.01质量％以上且1.00质量％以下＞
Na、K以及Li等碱金属，由于是具有提高电弧稳定性的效果的成分，所以这些碱金属并非必须添加到焊剂中，在本实施方式中，在焊剂中，优选含有从Na、K以及Li中选择至少1种。
若焊剂中的Na、K以及Li的含量合计为0.01质量％以上，则能够得到上述效果。因此，在焊剂中，含有从Na、K以及Li中选择的至少1种时，焊剂中的Na、K以及Li的含量的合计，相对于焊剂总质量优选为0.01质量％以上，更优选为0.05质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Na、K以及Li的含量合计在1.00质量％以下，则能够防止熔渣融点降低，能够得到优异的焊道形状。因此，在焊剂中，含有从Na、K以及Li中选择的至少1种时，焊剂中的Na、K以及Li的含量的合计，相对于焊剂总质量优选为1.00质量％以下，更优选为0.5质量％以下。
还有，Na、K以及Li能够作为氟化物、复合氧化物在焊剂中添加，在本实施方式中，将包含Na、K以及Li的化合物分别以换算成Na、K以及Li的值进行规定。
＜Fe：0.10质量％以上且5.00质量％以下＞
Fe，是具有防止熔渣咬粘的效果的成分。Fe未必必须含有于焊剂中，含有时，若焊剂中的Fe含量为0.10质量％以上，则能够得到上述效果。因此，焊剂中的Fe含量，相对于焊剂总质量优选为0.10质量％以上，更优选为0.30质量％以上。
另一方面，若焊剂中的Fe含量为5.00质量％以下，则能够调整熔渣的凝固温度，能够防止焊道外观、焊道形状以及熔渣剥离劣化。因此，焊剂中的Fe含量优选为5.00质量％以下，更优选为3.00质量％以下。
还有，Fe规定为包含于Fe单质、Fe合金、Fe氧化物等全部的Fe的合计量。
本实施方式的焊剂，优选以合计包含85质量％以上的Mn、Al、N、MgO、F、Ca、Si以及Si化合物的SiO2换算值、CO2、C、以及Ni，更优选为90质量％以上，进一步优选为93质量％以上，特别优选为95质量％以上。
除上述成分以外，包含不可避免的杂质。另外，根据所要求的焊接金属的特性，例如，能够含有Sr化合物、Ba化合物的各种成分。
[2.埋弧焊用焊剂的制造方法]
制造本实施方式的焊剂时，例如，以成为前述的组成的方式配合原料粉末，与结合剂一起混炼后，进行造粒、烧成。此时，作为结合剂(粘合剂)，例如，可以使用硅酸钠等。另外，造粒法没有特别限定，但优选为使用滚动式造粒机和挤压式造粒机等方法。
造粒后的烧成，能够使用回转炉、固定式箱式炉和带式焙烧炉等进行。此时的烧成温度，从如前述的使结合剂变化为非水溶性的观点出发，优选为350℃以上，更优选为450℃以上。上限没有特别限定，但通常为1200℃以下。
实施例
以下，列举实施例对本实施方式更具体地说明，但本发明不是限定于这些实施例，在能够符合本发明宗旨的范围可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
[1.焊接焊丝的化学成分]
首先，在实施例中使用的焊接焊丝的化学组成如表1所示，焊剂的化学组成如表2所示。还有，如表1所示的焊丝记号W1为2.25％Cr-1.0％Mo钢用的焊接用焊丝，另外，焊丝记号W2为1.25％Cr-0.5％Mo钢用的焊接用焊丝。
表1
表1
Figure BDA0004101158010000091
表2
表2
Figure BDA0004101158010000092
※“-”表示制造时未添加，或在检测界限值以下。
[2.埋弧焊]
使用具有如上记表1所示的组成且直径为4.0mm的焊接焊丝、以及如表2所示的焊剂，对于由ASTM规格规定的A387-Gr22的焊接母材的坡口，实施埋弧焊，评价焊接操作性。使焊接母材的厚度为25mm、宽为120mm、长度为600mm。其他的焊接条件以及焊接后热处理条件如下所示。
(a)焊接条件
(焊接条件A)
焊接电流：525A
焊接电压：28V
焊接速度：40cm/分钟左右
极性：DCEP(直流电极正极：Direct Current Electrode Positive)
焊接姿势：下向姿势
焊丝突出长度：30mm
预热层间温度：190-220℃
(焊接条件B：串联焊接)
先行极的焊接电流：580A
先行极的焊接电压：30V
先行极的焊接速度：60cm/分钟
先行极的极性：DCEP
后行极的焊接电流：600A
后行极的焊接电压：32V
后行极的焊接速度：60cm/分钟
后行极的极性：AC(交流电流：Alternative Current)
(b)焊接后热处理(PWHT：Post Weld Heat Treatment)条件
PWHT条件A：在690℃下1小时
PWHT条件B：在685℃下8小时
PWHT条件C：在670℃下6小时
还有，评价焊接操作性、电弧稳定性、抗麻点性、焊道形状、熔渣剥离性、焊道融合以及焊道整齐，全部项目评价结果为良好的为○(良好)，任一个评价结果为差的为×(不良)。
其后，对于得到的焊接金属，通过依据JIS Z2241：2011，实施金属材料拉伸试验，测定0.2％屈服强度以及拉伸强度。还有，0.2％屈服强度的测定值为310MPa以上判断为良好，拉伸强度的测定值为515MPa以上判断为良好。
另外，通过依据JIS Z2242：2018，实施金属材料的摆锤冲击试验，评价低温韧性。低温韧性的评价，实施2次在-30℃的摆锤冲击试验，得到的2次摆锤冲击值的平均值为80J/cm2以上、各测定的最低值为60J/cm2以上的为◎(优良)，2次的平均值为54J/cm2以上、各测定的最低值为47J/cm2以上且小于60J/cm2的为○(良好)，2次平均值小于54J/cm2、或者各测定的最低值小于47J/cm2的为×(不良)。
还有，关于比较例No.27～30，未实施拉伸试验以及摆锤冲击试验。
使用的焊接焊丝、焊剂、焊接条件以及焊接后热处理条件、以及各试验的评价结果如下记表3所示。
表3
表3
Figure BDA0004101158010000111
作为上记表2的发明例使用F1～F12的焊剂时，如表3的发明例No.1～22所示，即使在高电流下的焊接也能维持优异的焊接操作性，并且能够得到力学性能优异的焊接金属。
另一方面，作为比较例使用F13～F16的焊剂时，由于Al含量在本发明的范围之外，所以如比较例No.23～26、31～34所示，相对于本发明例力学性能下降。
另外，作为比较例使用F17～F20的焊剂时，由于焊剂中的各成分的含量之中，大部分都在本发明范围之外，所以如比较例No.27～30所示，焊接操作性差。因此，未实施焊接后热处理。
以上，关于各种实施方式进行了说明，但本发明不是限定于这些示例。如果是本领域技术人员，显然能够在专利要求的范围所述的范畴内，想到各种变更例或修改例，关于这些当然也应理解为属于本发明的技术范围。另外，在不脱离本发明的宗旨的范围内，在上记实施方式中的各构成要素可以任意地组合。
还有，本申请基于2020年12月23日申请的日本专利申请(特愿2020-213838)，其内容作为参照被援引于本申请中。

Claims (3)

1.一种埋弧焊用焊剂，其特征在于，是被用于Cr-Mo系钢板的埋弧焊的埋弧焊用焊剂，其中，相对于焊剂总质量，含有：
Mn：0.01质量％以上且5.00质量％以下、
Al：0.50质量％以上且3.00质量％以下、
N：大于0质量％且0.50质量％以下、
MgO：5.0质量％以上且40.0质量％以下、
F：5.0质量％以上且12.0质量％以下、
Ca：9.5质量％以上且21.5质量％以下、
Al 2O3：11.0质量％以上且23.0质量％以下、
Si以及Si化合物的SiO2换算值：7.0质量％以上且20.0质量％以下、
CO2：3.0质量％以上且10.0质量％以下，并且，
C：1.00质量％以下、
Ni：1.00质量％以下。
2.根据权利要求1所述的埋弧焊用焊剂，其特征在于，还含有从Na、K以及Li中选择的至少1种，相对于焊剂总质量，所述Na、K以及Li的含量的合计为0.01质量％以上且1.00质量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的埋弧焊用焊剂，其特征在于，相对于焊剂总质量，还含有Fe：0.10质量％以上且5.00质量％以下。
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