CN1191912C - 含有气体保护的耐热钢用焊剂的复合焊条 - Google Patents

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Abstract

提供含有气体保护的耐热钢用焊剂的复合焊条。本发明的耐热钢用含有气体保护的焊剂的复合焊条，其特征在于相对于焊条，各组分的含量重量%为，由C：0.01～0.15%，Mn：0.5～1.5%，Si：0.3～1.0%，Cr：1.0～5.0%，Mo：0.4～1.5%，Ti：0.01～0.1%，Fe：10～20%，N：0.004～0.02%构成的金属粉末；从K2O、Na2O、Li2CO3、TiO2中选择两种以上成分的电弧稳定剂，其总量为0.05～0.2%；F：0.05～0.30%，以及其它不可避免的杂质等组成的焊剂被充填，并且相对于上述充填焊剂的总重量，控制上述金属粉末的总含量为95～98%。本发明的焊条可防止焊接时破裂发生和焊接缺陷，可提高焊接作业性，而且得到低温冲击韧性良好的焊接金属。

Description

含有气体保护的耐热钢用焊剂的复合焊条
技术领域
本发明涉及耐热钢用钢材焊接的含有气体保护焊剂的复合焊条。更详细地说，本发明涉及不仅得到低温冲击韧性良好的焊接金属，而且涉及良好焊接作业性的、可多层焊接的用于耐热钢材焊接的含有气体保护的耐热钢用焊剂的复合焊条。
背景技术
以往的含有金红石系焊剂的焊条，因含有Cr，Mo，Al，C，Si，S，P，B，Nb等金属，引起硬化和焊接时夹渣形成造成的大量裂纹。具体来说，以往的金红石系焊剂的焊条，为夹渣的形成，添加了大量的夹渣形成剂，该夹渣形成剂部分地转移到焊接金属中而导致焊接时裂纹。
因此，为去除夹渣形成剂，采用取消预热和焊接加热的施工方法，但没有解决根本问题。
而且，以往的金红石系焊剂的焊条，因为只用于高温环境，不要求其低温冲击韧性，而现在，结构物的庞大和高温高压环境产生的回火脆化焊接金属使其低温韧性下降，这些问题严重限制了其使用。
因此，为改善金红石系焊剂的焊条的缺点，即低温冲击韧性特性，提高焊接效率和最大生产能力，迫切需要开发含焊剂的复合焊条。
发明内容
为此，本发明为解决上述以往技术的问题而提出，即提供不仅防止焊接时裂纹的发生，而且得到焊接作业性和生产性良好，低温冲击韧性良好的焊接金属，由此提供用于耐热钢材焊接的含有气体保护焊剂的复合焊条。
为达到上述目的，本发明提供耐热钢用含有气体保护焊剂的复合焊条，其特征在于相对于焊条，各组分含量重量％为，由C：0.01～0.15％，Mn：0.5～1.5％，Si：0.3～1.0％，Cr：1.0～5.0％，Mo：0.4～1.5％，Ti：0.01～0.1％，Fe：10～20％，N：0.004～0.02％构成的金属粉末；从K2O、Na2O、Li2CO3和TiO2中选择两种以上成分的电弧稳定剂，其合计含量为0.05～0.2％；F：0.05～0.30％，以及其它不可避免的杂质等组成的焊剂被充填，并且相对于上述充填焊剂的总重量，控制上述金属粉末的含量合计为95～98％。
首先，本发明的含有耐热钢用焊剂的复合焊条，其特征在于为抑制焊接时裂纹的发生并确保完整的金属焊接，最好适当控制充填在金属外皮内的焊剂成分中的金属粉末，由此可防止焊接金属的扩散性氢气量的增加。
而且，本发明的特征在于，为在-20℃确保40J以上的冲击韧性，控制形成氮化物的氮含量。
下面首先说明构成本发明焊条的焊剂组成成分，即金属粉末。
C是焊接后热处理时形成碳化物，提供强度和拉伸性的元素。但当其含量低于0.01％时，拉伸强度降低，高温下很难维持机械性质，冲击韧性剧减；而当其含量超过0.15％时，拉伸强度剧增，有发生裂纹的可能，拉伸率也下降。因此，本发明优选控制C含量为0.01～0.15％。
Mn在本发明中优选控制其含量为0.5～1.5％。当其含量低于0.5％时。因脱氧不足产生冲击韧性的降低，或很难确保所需的强度，而当其含量超过1.5％时，可能有因热处理的裂纹。
Si在本发明中优选控制其含量为0.3～1.0％。当其含量低于0.3％时，因脱氧不足产生缺陷且强度下降，很难确保高温强度。另外，当其含量超过1.0％时，产生回火脆化，冲击韧性降低，焊接时发生裂纹。
Cr是在高温下稳定性良好，蠕变强度高，热处理时与C结合，形成碳化物，提高强度，而且提高耐氧化性的有效元素，优选控制其含量为1.0～5.0％。当其含量低于1.0％时，得不到所期望的效果；当其含量超过5.0％时，发生焊接裂纹。
Mo是具有类似于上述Cr的特性，高温稳定性良好，特别是少量可提高高温蠕变强度，提高拉伸强度的有效元素。并且，热处理时与C结合，形成碳化物，提高强度。本发明中优选控制其含量为0.4～1.5％。当其含量低于0.4％时，得不到所期望的效果；当其含量超过1.5％时，发生焊接裂纹和冲击韧性降低。
Ti是作为脱氧剂使用，提高冲击韧性和强度的有效元素。当其添加量低于0.01％时，得不到所期望效果；当其添加量超过0.1％时，不仅焊接电弧不稳定而增大溅射发生量，而且夹渣量剧增。为此，本发明中优选控制Ti含量为0.01～0.1％。
Fe是增加焊接效率和提高电弧稳定性的成分，本发明中优选控制其含量为10～20％。因为，当其含量低于10％时，不仅焊接效率降低，而且产生夹渣量增加和剥离性恶劣，从而影响焊道外观，而当其含量超过20％时，Fe以外的金属粉末和电弧稳定剂的量相对减少，引起电弧不稳定的不良焊接作业，发生焊接金属的缺陷可能性增加，而且拉伸强度急剧减小。
另外，上述组成体系中，通过控制焊接金属的氧含量在1000ppm以下，从而提高耐热钢焊接材料的冲击韧性，确保-20℃的低温韧性。
因此，本发明的特征在于，为在-20℃确保40J以上的冲击韧性，以控制氮含量形成氮化物，之后，提高热处理时焊接金属的冲击韧性。
具体来讲，因为氮在热处理时引起回火脆化，适当控制其量非常重要。即，适当的氮量在焊接后热处理时，与Cr，Ti等结合，形成氮化物，微细化组织，提高冲击韧性。
本发明中优选控制氮含量为0.004～0.02％。因为，当其含量低于0.004％时，不形成适当量的氮化物，无法确保良好的冲击韧性；而当其含量超过0.02％时，产生焊接金属的裂纹，并且产生由氮引起的气孔缺陷，产生拉伸强度的剧增和拉伸率的剧减。
另外，本发明中，要求相对于焊剂重量，控制上述金属粉末总含量在95～98％。因为，当其总含量低于95％时，过度形成夹渣，焊道外观粗糙；而当其总含量超过98％时，因溅射发生过度，不仅焊道外观粗糙，而且产生缺陷的可能性非常大。
组成本发明焊条的焊剂也含有K2O、Na2O、Li2CO3、TiO2等电弧稳定剂。最好是从K2O、Na2O、Li2CO3、TiO2组成的电弧稳定剂中选择两种以上的成分，总量限制在0.05～0.2％范围内。因为，当其总量低于0.05％时，电弧稳定性低，溅射发生量过度；而当其总量超过0.2％时，夹渣发生量过多，引起不良的剥离，焊道外观粗糙。
本发明的焊条还含有F。
氟(F)是保护焊接金属不受来自大气的氮和氧的影响，提高焊接金属的耐缺陷性的元素。但当其含量低于0.05％时，得不到上述效果；而当其含量超过0.03％时，电弧不稳定，夹渣发生量过多，引起不良剥离，焊道外观粗糙。
另外，含有所有上述组分的本发明的焊剂，优选其含量相对焊条总重量为15～25％。因为当其量低于15％时，达不到本发明的目的；而当其量超过25％时，形成过多的夹渣，焊接焊道粗糙。
附图说明：
图1是本发明的实施例中使用的焊接母材形状的概略图。
具体实施方式
实施例
分别准备如下面表1组成的焊剂，充填在如下面表2组成的钢外皮上，分别得到直径1.2mm的含有耐热钢焊接用焊剂的焊条。
另外，用上述含焊剂的焊条，以同图1形状，在约150℃预热的焊接母材(ASTM A387 Gr.11)上焊接，其具体焊接条件如下面表3。然后，得到的焊接金属，以160℃/小时的速度加热，在620℃保持约60分钟后，以60℃/小时的冷却速度，冷却至300℃，之后实施空冷。
为评价由此得到的焊接金属的机械性质，分别采取焊接金属的试验片，对其实施拉伸试验和查拜式冲击试验，其结果如下面表4。
另外，对其焊接时电弧性、焊道外观、溅射性和夹渣剥离性等焊接作业性，用肉眼比较，其结果分良好(◎)、优秀(○)、普通(△)和不良(×)，如下面表4。
从上述拉伸实验得到的结果，观察断面，测定缺陷发生程度，其结果同样分良好(◎)、优秀(○)、普通(△)和不良(×)，如下面表4。
[表1]
区分                                 焊剂的组成(重量％)   M*(％)
金属粉末成分   电弧稳定剂 F  其余部分
  C   Si   Mn   Cr   Mo   Ti   N   Fe
实施例   1   0.05   0.5   1.2   1.1   0.54   0.02   0.006   13.05   0.08 0.22  0.234   96.7
  2   0.04   0.6   1.4   1.2   0.40   0.03   0.004   12.73   0.10 0.09  0.406   96.3
  3   0.10   0.6   0.7   1.4   0.40   0.08   0.010   13.12   0.15 0.15  0.290   96.1
4 0.14 0.8 1.1 1.3 0.51 0.01 0.020 12.58 0.05 0.10 0.390 96.8
  5   0.02   1.0   1.3   1.1   0.52   0.05   0.015   12.58   0.08 0.05  0.285   97.3
  6   0.01   0.8   0.5   1.0   0.53   0.04   0.008   13.36   0.20 0.28  0.272   95.3
  7   0.015   0.9   1.3   1.4   0.58   0.01   0.009   12.24   0.18 0.07  0.296   96.7
  8   0.08   0.4   0.8   1.5   0.45   0.05   0.018   12.93   0.07 0.30  0.402   95.2
比较例   1   0.11   0.8   1.5   1.3   0.44   0.10   0.015   12.97   0.08 0.01  0.175   97.9
  2   0.15   0.9   0.6   1.2   0.45   0.09   0.014   12.90   0.15 0.41  0.136   95.4
  3   0.07   1.0   1.2   1.0   0.45   0.04   0.005   12.86   0.03 0.10  0.245   97.6
4 0.05 0.8 1.1 1.4 0.46 0.02 0.010 12.51 0.24 0.15 0.260 96.1
  5   0.04   0.7   0.8   1.2   0.48   0.06   0.001   13.30   0.09 0.07  0.259   97.2
  6   0.08   0.8   0.6   1.1   0.46   0.05   0.025   13.14   0.12 0.08  0.545   95.3
  7   0.03   0.3   0.7   1.3   0.45   0.03   0.015   12.58   0.17 0.27  1.155   90.4
  8   0.13   0.4   1.5   1.4   0.46   0.09   0.014   12.87   0.06 0.06  0.016   98.7
*上述表中电弧稳定剂是从K2O、Na2O、Li2CO3、TiO2形成的组中选择两种以上成分的合计含量，M*是相对于焊剂的总重量的金属粉末的重量％。
[表2]
    C     Si     Mn   P   S
    0.01-0.08     0.01-0.05     0.1-1.0   0.02以下   0.02以下
[表3]
焊接电流/电压     使用气体   气体流量    焊接速度
270～290安/28～31伏特 Ar(80％)+CO2(20％) 20～25升/分钟 25～40厘米/分钟
[表4]
区分               焊接作业性 耐缺陷性    机械的性质
电弧性    焊道外观 溅射性   夹渣剥离性      拉伸强度(N/mm2) 冲击强度(-20℃，J)
实施例   1   ○     ◎     ○     ○     ○ 598   55
  2   ◎     ○     ○     ○     ○ 610   44
  3   ◎     ○     ○     ○     ◎ 659   64
  4   ○     ○     ◎     ◎     ◎ 632   41
  5   ○     ○     ○     ◎     ○ 645   58
  6   ○     ○     ○     ○     ◎ 591   60
  7   ◎     ◎     ○     ○     ○ 608   63
  8   ◎     ◎     ○     ○     ◎ 587   48
比较例   1   ○     ○     ○     ○     × 592   58
  2   ×     △     ×     ×     ◎ 604   60
  3   ×     ○     ×     ○     ○ 612   50
  4   ◎     △     ○     ×     ○ 603   64
  5   ◎     ○     ○     ◎     ○ 584   34
  6   ◎     ○     ○     ◎     × 652   30
  7   ○     ×     ○     △     ○ 646   58
  8   △     ×     ×     ○     × 630   60
从上述表1和表4中可看出，按照本发明实施例(1～8)最适当地控制焊剂组成和焊剂中金属粉末的总含量时，得到具有良好机械性质的焊接金属，而且焊接作业性和耐缺陷性也良好。
与此相反，F含量不在本发明范围的比较例(1～2)，其耐缺陷性和焊接作业性不好，而电弧稳定剂含量不在本发明范围的比较例(3～4)，其焊接作业性不好。
另外，氮含量不在本发明范围的比较例(5～6)，其所有冲击强度不好，在40J以下，而焊剂中金属粉末总含量不在本发明范围的比较例(7～8)，其焊接作业性不好。
同上所述，本发明提供以最适当地控制其组成和金属粉末含量的焊剂充填的含有耐热钢用焊剂的复合焊条，由此可防止焊接时裂纹发生和焊接缺陷，而且可提高焊接作业性，得到低温冲击韧性良好的焊接金属。

Claims (1)

1.含有气体保护耐热钢用焊剂的复合焊条，其特征在于相对于焊条，各组分的含量重量％为，由C：0.01～0.15％，Mn：0.5～1.5％，Si：0.3～1.0％，Cr：1.0～5.0％，Mo：0.4～1.5％，Ti：0.01～0.1％，Fe：10～20％，N：0.004～0.02％构成的金属粉末；从K2O、Na2O、Li2CO3和TiO2中选择两种以上成分的电弧稳定剂，其合计含量为0.05～0.2％；F：0.05～0.30％，以及其它不可避免的杂质等组成的焊剂被充填，并且相对于上述充填焊剂的总重量，控制上述金属粉末的含量合计为95～98％。
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