一种超低温钢用镍基焊条及其制备方法

摘要

本发明属于焊接材料技术领域，具体为一种超低温钢用镍基焊条及其制备方法。焊条包括焊芯、药粉和粘结剂，其中，药粉与焊条质量比为25‑27：100，药粉与粘结剂质量比为100：25‑30。采用本发明制备得到的焊条焊接时电弧稳定，飞溅较小，脱渣好，成型美观，交直流两用，全位置操作性能好。主要用于有耐热、耐蚀要求的镍基合金焊接，也可用于一些难焊合金，异种钢焊接。

权利要求

1.一种超低温钢用镍基焊条，其特征在于该焊条包括焊芯、药粉和粘结剂，其中，药粉与焊条质量比为25-27：100，药粉与粘结剂质量比为100：25-30；其中，以药粉占焊条的质量百分比计，药粉中含有的原料及质量百分比如下：大理石7-10%、氟化钠0.4-0.55%、纯碱0.3-0.4%、铌铁0.5-0.7%、钼铁1.3-1.5%、金红石

2.5-2.8%、石英2.0-3.5%、萤石6-8%、金属铬1.2-1.4%、CMC 0.4-0.7%、碳酸钾0.8-1.8%；所述的焊芯成分以质量百分比计为：C 0.07-0.10，Mn 1.0-1.5，Si ≤0.10，S≤0.004，P≤

0.005，Cr15.0-17.0， Mo3.5-4.0，Cu ≤0.10，Fe 4.0-5.0，Nb2.0-2.5，W0.8-1.2，余量为镍与微量杂质，以上焊芯中各成分的总质量为100%。

2.根据权利要求1所述的一种超低温钢用镍基焊条，其特征在于：以药粉占焊条的质量百分比计，药粉中组份原料及质量百分比如下：大理石7.5%、氟化钠0.47%、纯碱 0.33%、铌铁0.6%、钼铁1.4%、金红石2.65%、石英2.8%、萤石7%、金属铬1.3%、CMC0.5%、碳酸钾1.4%。

3.根据权利要求1所述的一种超低温钢用镍基焊条，其特征在于：所述的粘结剂为20℃条件下41-43Be’、硅酸钾与硅酸钠质量比为3:1的水玻璃，模数为3.1M。

4.根据权利要求1所述的一种超低温钢用镍基焊条，其特征在于：其常温熔敷金属的抗拉强度≥650Mpa、屈服强度≥400Mpa、延伸率≥25%、-196℃冲击达到47J。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种超低温钢用镍基焊条的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：步骤一、将药皮各成分的粉料按比例混合均匀；

步骤二、加入药粉总成分质量25-30%的粘结剂搅拌混合均匀，送入焊条涂压机内按14-

16MPa的压力将其裹覆于焊芯上；

步骤三、再经低温80-90℃烘焙1.5-2小时、高温300℃烘焙1-2小时烘焙烘焙，即成。

6.根据权利要求5所述的一种超低温钢用镍基焊条的制备方法，其特征在于：步骤三为再经低温88℃烘焙2小时、高温300℃烘焙1.5小时烘焙，即成。

7.根据权利要求5所述的一种超低温钢用镍基焊条的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂搅拌混合均匀，其搅拌时间≥30min。

说明书

一种超低温钢用镍基焊条及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接材料领域，具体为一种超低温钢用镍基焊条及其制备方法。

背景技术

[0002] 伴随着国内外9Ni钢的广泛运用，以及LNG储罐工程的迅猛增加，超低温钢用焊接材料的需求量也迅速增大，致使LNG超低温储罐工程造价不断提高。因而，实现LNG超低温储罐内罐材料的国产化具有重大的、深远的战略意义。而超低温概念在世界范围内没有统一标准,但目前通常将各种液化石油气、液氮、液氧等生产、存储容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备称为低温装备，制造这些装备的钢称为低温钢。而当设计的使用温度低于-70℃后,就必须选用国外的低温钢材料。这些材料中，尤其是镍含量为9％的钢(美国ASTM标准为SA353,以下简称9Ni钢)的使用温度最低,可以低于-196℃以下。但是，目前我国还没有这种超低温钢用焊接材料投入市场，也没有相关文献对此种焊接材料进行研究描述，国外也多用ENiCrMo-4或ENiCrMo-6焊条使用于超低温环境下的储罐设备。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对以上技术问题，提供一种满足AWS A5.11ENiCrFe-9要求的超低温钢用镍基焊条，采用该焊条焊接的9Ni钢及LNG储罐在超低温下仍然具有良好的工艺性能及机械性能，也可用于一些难焊合金，异种钢的焊接。

[0004] 本发明的另外一个目的是提供具有以上性能的一种超低温钢用镍基焊条的制备方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

[0006] 一种超低温钢用镍基焊条，该焊条包括焊芯、药粉和粘结剂，其中，药粉与焊条质量比为25-27：100，药粉与粘结剂质量比为100：25-30。

[0007] 焊芯成分质量百分比为以药粉占焊条的质量百分比计，药粉中各原料及质量百分比如下：

[0008] 大理石7-10％、氟化钠0.4-0.55％、纯碱0.3-0.4％、铌铁0.5-0.7％、钼铁1.3-1.5％、金红石2.5-2.8％、石英2.0-3.5％、萤石6-8％、金属铬1.2-1.4％、CMC 0.4-0.7％、碳酸钾0.8-1.8％。粘结剂为20℃条件下41-43Be’的硅酸钾与硅酸钠的质量比为3:1的水玻璃，模数为3.1M。

[0009] 作为优选，以药粉占焊条的质量百分比计，药粉中组份原料及质量百分比如下：

[0010] 大理石7.5％、氟化钠0.47％、纯碱0.33％、铌铁0.6％、钼铁1.4％、金红石2.65％、石英2.8％、萤石7％、金属铬1.3％、CMC0.5％、碳酸钾1.4％。

[0011] 一种超低温钢用镍基焊条的制备方法，包括以下步骤：

[0012] 步骤一、将药皮各成分的粉料按比例混合均匀；

[0013] 步骤二、加入药粉总成分质量25-30％的粘结剂搅拌混合均匀(进行不小于30min的搅拌)，送入焊条涂压机内按14-16MPa的压力将其裹覆于焊芯上；

[0014] 步骤三、再经低温80-90℃烘焙1.5-2小时、高温300℃烘焙1-2小时烘焙烘焙，即成。

[0015] 采用本发明制备得到的焊条，其常温熔敷金属的抗拉强度≥650Mpa、屈服强度≥400Mpa、延伸率≥25％、-196℃冲击达到47J。

[0016] 本发明药粉中各成分的主要作用如下：

[0017] 大理石：焊条中使用大理石，在电弧热的作用下分解成CaO和CO2是焊条制造中及常用的建渣造气材料，提高熔渣碱度，提高熔敷金属纯净度，降低夹杂物量，稳定电弧增大熔渣与金属界面张力和表面张力，改善脱渣。

[0018] 萤石：调整熔渣的熔点和粘度，增加溶渣的流动性，改善熔渣的物理性能对焊缝成型、脱渣等起关键作用，也是降低焊缝中扩散氢的主要材料，但因氟的存在，会造成电弧不稳定，并产生有毒气体，应该合理控制比例。

[0019] 石英：主要作用是造渣，可降低熔渣碱度，并向焊缝渗硅，因而可提高电弧电压，细化熔滴。

[0020] 金红石：造渣、稳弧，调整熔渣的熔点、粘度、表面张力及流动性，改善焊缝成型，减少飞溅。

[0021] 钼铁：钼能显著提高焊缝金属的强度，有细化晶粒的作用，适当的钼铁加入量可提高焊缝的强度、硬度及热稳定性；但过高则会影响焊缝金属韧性。

[0022] 铌铁：加入铌铁能提高强度塑性以及耐蚀性，但铌与硅易生产Nb4Si,是一种低熔点化合物，因此应适当控制硅的含量。

[0023] 碳酸钾：主要起稳弧作用，但往往会使药皮吸潮而泛黄，固需要合理使用。

[0024] 纯碱、CMC：加入纯碱和CMC是为了改善焊条的压涂性能。

[0025] 在药粉组分中加入大理石、氟化物、石英、金红石，并合理配比各种组分的比例，保证焊条获得良好的力学性能与焊接工艺性能，加入金属铬、铌铁、钼铁、等组分使焊条获得合适的熔敷金属化学成分，获得良好的力学性能，加入纯碱、CMC保证焊条的生产工艺性能，提高焊条的压涂性能。通过对焊芯成分与大理石、氟化物、石英、金红石、金属铬、铌铁、钼铁等组分的比例保证焊条获得良好的工艺性能与力学性能，获得纯净度高的熔敷金属。

[0026] 本发明即通过上述药粉成分的有机组配并与碳钢焊芯配合从而实现其发明目的。焊芯可以从市场上购买。

[0027] 而本专利研究的该焊条是铬镍耐热合金焊条。焊缝具有优良的塑性、韧性和抗裂性能。焊缝金属在室温和超低温下均具有较高的强度和很强的耐蚀能力，还可焊接有耐热、耐蚀要求的镍基合金，也可用于一些难焊合金、异种钢的焊接及堆焊。我公司及武汉一冶钢结构有限责任公司联合研制了该焊条，解决了该类焊条主要依靠进口，且进口价格高周期长等不足，满足了市场需求。

[0028] 本发明的积极效果为：

[0029] (一)、有效地提高了焊缝整体性能，以及焊接工艺性能良好，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观，脱渣好，可以实现全位置焊接等特点。制备方法简单，操作方便；

[0030] (二)、该焊条可交直流使用，尤其是交流空载低压60V能保证电弧流畅，保证了各种使用条件下的适用性。由于镍基焊条的熔敷金属熔点较低、导热性能差、熔融状态下流动性差等，导致本研究焊条存在液态金属和熔渣的铺展性差、焊缝成形差等问题。为了保证焊缝金属流动性好，成型美观，因此需要加入大量稀渣的物质，稀渣物质如萤石等又会影响电弧稳弧性，故需要加入大量稳弧且具有稀渣作用的物质，如氟化钠、碳酸钾等，既保证了成型的美观，又保证了电弧的稳定性。

[0031] (三)、本发明的焊条在交流环境下施焊，既可以减少磁偏吹，又能因为所需线能量比直流更小，从而确保获得更好的机械性能。而且本发明的焊条含Fe高，含Mo、Nb低，通过W、Cr的强化作用保证其在超低温环境下的机械性能，比起国外习惯使用的ENiCrMo-3和ENiCrMo-6来说，该发明的焊条相对成本较低。

具体实施方式

[0032] 以下结合具体实例，对本发明进行详细解释说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。

[0033] 以下实施例中原料和焊芯来自于市场购买而得；对超低温钢进行焊接，在常温下检测熔敷金属的性能。

[0034] 实施例1

[0035] 取药粉，以药粉占焊条的质量百分比计，药粉各组分及其质量份数如下：

[0036] 大理石8％、氟化钠0.5％、纯碱0.33％、铌铁0.6％、钼铁1.4％、金红石2.8％、石英2.2％、萤石7％、金属铬1.3％、CMC0.5％、碳酸钾1.4％。

[0037] 取焊芯质量69.64％，成分满足如下要求(wt％)：焊芯成分质量百分比为C 0.07-0.10％，Mn 1.0-1.5，Si≤0.10，S:≤0.004，P≤0.005Cr15.0-17.0，Mo3.5-4.0，Cu≤0.10，Fe 4.0-5.0，Nb2.0-2.5，W0.8-1.2，余量为镍与微量杂质，以上焊芯中各成分的总重量为
100％。

[0038] 制备方法为：将上述药粉各组分混合均匀，加入占药粉总质量含量25％的20℃条件下41-43Be’的硅酸钾与硅酸钠的质量比为3:1的水玻璃，模数为3.1M，进行50min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温80-90℃烘焙1.5-2小时、高温300℃烘焙1-2小时烘焙烘焙，即成.

[0039] 实施例2

[0040] 取药粉，以药粉占焊条的质量百分比计，药粉各组分及其质量份数如下：

[0041] 大理石9％、氟化钠0.4％、纯碱0.33％、铌铁0.6％、钼铁1.5％、金红石2.7％、石英2％、萤石7％、金属铬1.2％、CMC0.5％、碳酸钾1.4％。

[0042] 粘结剂占药粉总质量含量28％。

[0043] 焊芯占总焊条的73.42％。

[0044] 再经低温80-90℃烘焙1.5-2小时、高温300℃烘焙1-2小时烘焙烘焙，即成.[0045] 其它操作步骤如实施例1。

[0046] 实施例3：

[0047] 本发明的一种特殊超低温钢用镍基焊条，需严格控制熔敷金属的杂质元素的含量，采用满足如下成分要求的棒丝生产该焊条，采用碱性渣系保证熔敷金属获得良好的力学性能。

[0048] 取药粉，药粉各组分及其质量份数如下：大理石7.5％、氟化钠0.47％、纯碱0.33％、铌铁0.6％、钼铁1.4％、金红石2.65％、石英2.8％、、萤石7％、金属铬1.3％、CMC0.5％、碳酸钾1.4％。

[0049] 取焊芯质量372.1g，成分满足如下要求(wt％)：焊芯成分质量百分比为C 0.07-0.10％，Mn 1.0-1.5，Si≤0.10，S:≤0.004，P≤0.005Cr15.0-17.0，Mo3.5-4.0，Cu≤0.10，Fe 4.0-5.0，Nb2.0-2.5，W0.8-1.2，余量为镍与微量杂质，以上焊芯中各成分的总重量为
100％。

[0050] 将上述药粉各组分混合均匀，加入占药粉总质量含量29％的20℃条件下的硅酸钾与硅酸钠质量比为3:1的水玻璃，波美浓度为41-43’Be，40min的搅拌。用常规工艺在油压式焊条生产设备上将其包于焊芯上。再经低温80-90℃烘焙1.5-2小时、高温300℃烘焙1-2小时烘焙烘焙，即成。

[0051] 将实施例3中的焊条进行熔敷金属力学性能试验其试验结果如下：

[0052] 表1实施例3熔敷金属化学成分

[0053]

[0054] 表2实施例3中熔敷金属力学性能

[0055]

[0056] 将实施例3中的焊条用于9Ni钢板对接焊，平焊位置对接板力学性能试验结果如下：

[0057] 表3采用实施例3中焊条的9Ni钢对接板力学性能(平焊)

[0058]

[0059]

[0060] 将实施例3中的焊条用于9Ni钢板对接焊，横焊位置对接板力学性能试验结果如下：

[0061] 表4采用实施例3中焊条的9Ni钢对接板力学性能(横焊)

[0062]

[0063] 由以上可知，实施例1-3中制备得到的焊条，经实验后得知该焊条工艺性能良好：交直流施焊电弧均稳定、飞溅较小、脱渣良好、成型美观、全位置操作性能好。立横和横焊中，用于9Ni钢对接焊，焊接接头力学性能良好，强度和低温韧性均实现了与母材的良好匹配。其性能满足AWS A5.11ENiCrFe-9相关标准技术要求。