水电工程用高强钢焊条及其制备方法

摘要

本发明公开了一种水电工程用高强钢焊条及其制备方法，包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述药皮包括以下组分：大理石9.5‑10.5重量份、萤石4.25‑5重量份、金红石1.5‑2重量份、硅微粉1.5‑2重量份、金属锰1‑1.5重量份、硅铁0.8‑1.05重量份、钼铁0.6‑0.675重量份、石墨0.025‑0.05重量份、金属铬0.05‑0.50重量份、铁粉0.625‑0.675重量份、纯碱0.1‑0.15重量份、海藻酸钠0.1‑0.15重量份、CMC 0.1‑0.15重量份、硼铁0.05‑0.075重量份和镍粉1.7‑1.9重量份。本发明焊接时电弧稳定，飞溅小，脱渣好，成型好，全位置操作性能好，焊接熔敷金属立焊位置强度达到标准要求，‑40℃冲击韧性≥47J。

权利要求

1.一种水电工程用高强钢焊条，包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述焊芯成分质量百分比为C 0.04-0.08％，Mn 0.3-0.6％，Si 0.01-0.03％，S:≤0.005％，P≤0.008％，余量为铁与必不可少的杂质，所述药皮包括以下组分：大理石9.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.5重量份、硅微粉1.5重量份、金属锰1.125重量份、硅铁0.85重量份、钼铁0.6重量份、石墨0.025重量份、金属铬0.05重量份、铁粉

0.625重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.1重量份、CMC 0.1重量份、硼铁0.1重量份和镍粉

1.7重量份；或

大理石10.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.25重量份、硅微粉1.0重量份、金属锰

1.05重量份、硅铁0.75重量份、钼铁0.9重量份、石墨0.05重量份、金属铬0.50重量份、铁粉

0.70重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.2重量份、CMC 0.2重量份、硼铁0.05重量份和镍粉

1.75重量份；或

大理石10.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.25重量份、硅微粉1.0重量份、金属锰

1.05重量份、硅铁0.75重量份、钼铁0.75重量份、石墨0.05重量份、金属铬0.45重量份、铁粉

0.9重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.2重量份、CMC 0.2重量份、硼铁0.05重量份、镍粉

1.80重量份。

2.一种权利要求1所述的水电工程用高强钢焊条的制备方法，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20-24％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85-90℃烘焙4-6.5小时、高温350-400℃烘焙1-2小时烘焙，即成。

3.根据权利要求2所述的水电工程用高强钢焊条的制备方法，其特征在于：所述搅拌的搅拌时间≧30min。

4.一种焊接方法，该方法采用权利要求1所述的水电工程用高强钢焊条，该焊条与

930MPa水电工程钢配套使用。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：所述方法立向上焊接，焊接热输入30-

35KJ/cm。

6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法常温熔敷金属的抗拉强度≥930Mpa、屈服强度≥790Mpa、延伸率≥12％、-40℃冲击≥47J。

说明书

水电工程用高强钢焊条及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及属于焊接材料制备的技术领域，更具体地讲，涉及一种水电工程用高强钢焊条及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着我国水电事业的发展，高装载量、大输入量水电站的兴建越来越多。目前，长江中上游等干流及金沙江等流域已经或即将建设的大型水电站多达三十多个。为满足水电站的总体布置、降低工程的综合成本，新型焊接材料的研究将成为其中一个重要方向。

[0003] 近几年，80KG级高强钢焊材已经得到广泛应用，针对更高级别的高强钢焊材也将得到逐步推广，特别是在工程机械、矿山机械、水电工程等重大项目，其钢板具有高塑韧性、高焊接性、低焊接裂纹的特点。这就要求所用焊接材料强度满足其要求的同时必须具有高塑韧性、优良的焊接性、低焊接裂纹敏感性。另外，在水电工程各个项目中，焊接方式不仅限制于平焊，更多工件面临的是立焊、横焊甚至仰焊，这就对焊接材料的全位置焊接性能提出更高的要求。而随着实际工段上焊接大线能量的情况，对焊接材料理化性能也提出更为苛刻技术要求。目前，宝钢等大型企业已经对1000MPa以上高强钢的研究取得了一定进展，而伴随衍生的焊接材料还有待进一步开发。

[0004] CN104096986A公开了一种核一级用低温冲击性能良好的高强钢铁粉低氢型低合金钢焊条及其制备方法，该焊条包括焊芯和药皮，该药皮由以下成分制成：大理石：250～350重量份；硅微粉：10～50重量份；萤石：200～250重量份；铁粉：250～400重量份；纯碱：
4.5～7.0重量份；CMC:5～10重量份；石墨：1～5重量份；锆英砂：15～30重量份；和锰合金、镍合金、钼合金混合物：9-12份。CN105234593A也公开了一种铬钼临氢钢用可全位置操作的低合金钢手工电焊条，由焊芯和包裹在该焊芯外表面上的药皮组成，该药皮由以下成分制成：碳酸盐22～30重量份、氟化物19～25重量份、硅铁9～12重量份、金属铬3～5重量份、电解锰1.5～2.0重量份、铁粉10～20重量份、钼铁2.5～3.0重量份、石墨0.5-0.6重量份、纯碱
0.5-1.0重量份、海藻酸钠1.0～1.5重量份、镁粉0.5-1.0重量份、二氧化锆1-2重量份和稀土0.5-1.0重量份。CN106271224A还公开了一种水电用790MPa级高强高韧性焊条及其制备方法，由低硫、磷焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该药皮包括碳酸盐40～42质量份、氟化物15～18质量份、金红石4.5～7.5质量份、二氧化硅10～12质量份、镍粉6～8质量份、钼铁2.3～2.7质量份、电解锰6～8质量份、铁粉8～10质量份、纯碱0.5-1.0质量份、海藻酸钠
1.5～2.0质量份、石墨0.10～0.15质量份。但将上述三个专利的用于930MPa级水电工程钢的焊接，存在以下缺陷：CN104096986A中公开焊条其抗拉强度Rm(MPa)：620-735，屈服强度Rp0.2(MPa)：≥540，不能达到水电工程用钢强度要求；CN105234593A中公开铬钼临氢钢焊条其抗拉强度、屈服强度、立焊大线能量冲击要求都不符合930MPa及水电工程用钢技术要求；CN106271224A公开高强高韧性焊条其强度级别较930MPa级水电工程用钢要求低，也不能达到其强度级别。

发明内容

[0005] 为了解决以上技术问题，本发明的目的是发明一种水电工程用低合金高强钢焊条，具有良好的焊接工艺性能和力学性能，立焊位置，焊接热输入达到30-35KJ/cm，熔敷金属获得好的性能，力学性能满足技术指标，具有强的稳定性。本发明焊条为930MPa级水电工程专用焊条。

[0006] 本发明公开一种水电工程用高强钢焊条。

[0007] 技术方案是：一种水电工程用高强钢焊条，包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述药皮包括以下组分：

[0008] 大理石9.5-10.5重量份、萤石4.25-5重量份、金红石1.5-2重量份、硅微粉1.5-2重量份、金属锰1-1.5重量份、硅铁0.8-1.05重量份、钼铁0.6-0.675重量份、石墨0.025-0.05重量份、金属铬0.05-0.50重量份、铁粉0.625-0.675重量份、纯碱0.1-0.15重量份、海藻酸钠0.1-0.15重量份、CMC 0.1-0.15重量份、硼铁0.05-0.075重量份和镍粉1.7-1.9重量份。

[0009] 作为优选，所述大理石9.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.5重量份、硅微粉1.5重量份、金属锰1.125重量份、硅铁0.85重量份、钼铁0.6重量份、石墨0.025重量份、金属铬0.05重量份、铁粉0.625重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.1重量份、CMC 0.1重量份、硼铁
0.1重量份和镍粉1.7重量份。

[0010] 作为优选，所述大理石10.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.25重量份、硅微粉1.0重量份、金属锰1.05重量份、硅铁0.75重量份、钼铁0.9重量份、石墨0.05重量份、金属铬
0.50重量份、铁粉0.70重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.2重量份、CMC 0.2重量份、硼铁
0.05重量份和镍粉1.75重量份。

[0011] 作为优选，所述大理石10.5重量份、萤石4.5重量份、金红石1.25重量份、硅微粉1.0重量份、金属锰1.05重量份、硅铁0.75重量份、钼铁0.75重量份、石墨0.05重量份、金属铬0.45重量份、铁粉0.9重量份、纯碱0.1重量份、海藻酸钠0.2重量份、CMC 0.2重量份、硼铁
0.05重量份、镍粉1.80重量份。

[0012] 作为优选，所述焊芯成分质量百分比为C 0.04-0.08％，Mn 0.3-0.6％，Si0.01-0.03％，S:≤0.005％，P≤0.008％，余量为铁与必不可少的杂质。

[0013] 本发明公开了一种水电工程用高强钢焊条的制备方法。

[0014] 技术方案是：一种上述的水电工程用高强钢焊条的制备方法，包括以下步骤：

[0015] 步骤一、将药皮各成分的粉料按比例混合均匀；

[0016] 步骤二、加入药粉总成分质量20-24％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；

[0017] 步骤三、再经低温85-90℃烘焙4-6.5小时、高温350-400℃烘焙1-2小时烘焙，即成。

[0018] 作为优选，所述搅拌的搅拌时间≧30min。

[0019] 本发明公开了一种焊接方法。

[0020] 技术方案是：一种焊接方法，该方法采用上述的水电工程用高强钢焊条，该焊条与930MPa水电工程钢配套使用。

[0021] 作为优选，所述方法立向上焊接，焊接热输入30-35KJ/cm。

[0022] 作为优选，所述焊接方法常温熔敷金属的抗拉强度≥930Mpa、屈服强度≥790Mpa、延伸率≥12％、-40℃冲击≥47J。

[0023] 本发明药皮与焊条质量比为25-27：100，药粉与粘结剂质量比为100：20-24。

[0024] 发明原理及有益效果：

[0025] 本发明中，各成分作用如下：

[0026] 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。

[0027] 萤石：调整熔渣的熔点和粘度，增加溶者的流动性，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，应该合理控制比列。

[0028] 金红石：金红石的作用主要是稳弧、造渣，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。

[0029] 硅微粉：主要起造渣、造气的作用，加入适量的硅微粉，能提高电弧的稳定性。

[0030] 金属锰：加入可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡锰元素，提高焊缝强度。

[0031] 硅铁：硅是重要的脱氧剂同时也是焊缝金属重要的合金剂，硅可以降低焊缝金属的含氧量，提高焊缝金属的冲击韧性，但太高时则相反；采用硅锰联合脱氧其效果较好。

[0032] 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。

[0033] 石墨：C是碳钢和低合金钢要严格控制的元素，能显著提高熔敷金属强度，加入过多影响焊缝金属韧性。

[0034] 还原铁粉：碳钢钢材才主要成分，加入提高焊条的熔敷效率，提高焊接工艺性能。

[0035] 纯碱、海藻酸钠：加入纯碱、海藻酸钠是为了改善焊条的压涂性能。

[0036] 在药皮组分中加入大理石、萤石、金红石、硅微粉，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，加入金属锰、硅铁、钼铁、石墨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、海藻酸钠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、萤石、金红石、硅微粉、金属锰、硅铁、钼铁、石墨等组分的比例保证焊条获得良好的

[0037] 工艺性能与力学性能，获得纯净度高的熔敷金属。

[0038] 本发明即通过上述药皮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。

[0039] 本发明采用微合金化达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，从微观和宏观上对焊接冶金渣系进行变形温度和变形量的优化，利用错位强化来使熔敷金属强韧性达到较优水平。

[0040] 采用本发明焊条对水电工程高强度结构钢进行焊接，立向上焊接，焊接热输入30-35KJ/cm，其常温熔敷金属的抗拉强度≥930Mpa、屈服强度≥790Mpa、延伸率≥12％、-40℃冲击≥47J；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。制备方法简单，操作方便。

[0041] 术语解释

[0042] 水电工程用低合金高强钢-新型国产800MPa级别极其以上级别的低合金高强钢，在国内水电工程建设中逐步取代进口材料。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

[0044] 实施例1

[0045] 本发明的一种水电工程用低合金高强钢焊条，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。

[0046] 取药皮，以药粉占焊条的质量百分比计，药皮各组分及其质量份数如下：

[0047] 大理石9.5kg、萤石4.5kg、金红石1.5kg、硅微粉1.5kg、金属锰1.125kg、硅铁0.85kg、钼铁0.6kg、石墨0.025kg、金属铬0.05kg、铁粉0.625kg、纯碱0.1kg、海藻酸钠
0.1kg、CMC 0.1kg、硼铁0.1kg、镍粉1.7kg。

[0048] 将上述药皮各组分混合均匀，加入占药粉总质量含量21.6％的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃，波美浓度为41.3-41.7°Be，进行10-15min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85℃烘焙3.5-4小时、高温380℃烘焙1.5小时烘焙，即成。

[0049] 本实施例所得焊条(直流反接焊接)进行焊接试验，电弧稳定、飞溅

[0050] 小、熔池清晰、规则，脱渣性能好，焊缝成形美观。

[0051] 采用立向上焊接，焊接热输入30-35KJ/cm

[0052] 熔敷金属化学成分如下：

[0053] C：0.093wt％、Mn：1.54wt％、Si：0.30wt％、S：0.0023wt％、P：0.0045wt％、Cr：0.13wt％、Ni：2.74wt％、Mo：0.75wt％、V：0.0098wt％、Cu：0.019wt％、Nb:0.0053wt％、Ti:
0.026wt％、Sn:0.007wt％、As:0.0056wt％、Al:0.0086wt％，余量为Fe和必不可少的杂质元素。

[0054] 熔敷金属力学性能如下：

[0055] 表1焊条熔敷金属力学性能

[0056]

[0057] 实施例2

[0058] 取药皮，以药粉占焊条的质量百分比计，药皮各组分及其质量份数如下：

[0059] 大理石10.5kg、萤石4.5kg、金红石1.25kg、硅微粉1.0kg、金属锰1.05kg、硅铁0.75kg、钼铁0.9kg、石墨0.05kg、金属铬0.50kg、铁粉0.70kg、纯碱0.1kg、海藻酸钠0.2kg、CMC 0.2kg、硼铁0.05kg、镍粉1.75kg。

[0060] 将上述药皮各组分混合均匀，加入占药粉总质量含量21.6％的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃，波美浓度为41.3-41.7°Be，进行10-15min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85℃烘焙3.5-4小时、高温380℃烘焙1.5小时烘焙烘焙，即成。

[0061] 本实施例所得焊条(直流反接焊接)进行焊接试验，电弧稳定、飞溅小、熔池清晰、规则，脱渣性能好，焊缝成形美观。

[0062] 采用立向上焊接，焊接热输入30-35KJ/cm。

[0063] 熔敷金属化学成分如下：

[0064] C：0.089wt％、Mn：1.48wt％、Si：0.27wt％、S：0.0023wt％、P：0.0045wt％、Cr：0.82wt％、Ni：2.78wt％、Mo：0.80wt％、V：0.0089wt％、Cu：0.021wt％、Nb:0.0047wt％、Ti:
0.023wt％、Sn:0.0068wt％、As:0.0062wt％、Al:0.0082wt％，余量为Fe和杂质元素。

[0065] 熔敷金属力学性能如下：

[0066] 表2焊条熔敷金属力学性能

[0067]

[0068] 实施例3

[0069] 取药皮，以药粉占焊条的质量百分比计，药皮各组分及其质量份数如下：

[0070] 大理石10.5kg、萤石4.5kg、金红石1.25kg、硅微粉1.0kg、金属锰1.05kg、硅铁0.75kg、钼铁0.75kg、石墨0.05kg、金属铬0.45kg、铁粉0.9kg、纯碱0.1kg、海藻酸钠0.2kg、CMC 0.2kg、硼铁0.05kg、镍粉1.80kg。

[0071] 将上述药皮各组分混合均匀，加入占药粉总质量含量21.6％的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃，波美浓度为41.3-41.7°Be，进行10-15min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85℃烘焙3.5-4小时、高温380℃烘焙1.5小时烘焙烘，即成。

[0072] 本实施例所得焊条(直流反接焊接)进行焊接试验，电弧稳定、飞溅小、熔池清晰、规则，脱渣性能好，焊缝成形美观。

[0073] 采用立向上焊接，焊接热输入30-35KJ/cm。

[0074] 熔敷金属化学成分如下：

[0075] C：0.095wt％、Mn：1.52wt％、Si：0.33wt％、S：0.0031wt％、P：0.0052wt％、Cr：0.62wt％、Ni：2.81wt％、Mo：0.72wt％、V：0.0086wt％、Cu：0.019wt％、Nb:0.0042wt％、Ti:
0.022wt％、Sn:0.0072wt％、As:0.0058wt％、Al:0.0078wt％，余量为Fe和杂质元素。

[0076] 熔敷金属力学性能如下：

[0077] 表3焊条熔敷金属力学性能

[0078]

[0079] 总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。