一种9Ni低温钢埋弧焊接用焊丝和焊剂及其应用

摘要

本发明公开了一种9Ni低温钢埋弧焊接用焊丝和焊剂及其应用，以重量百分比计焊丝化学成分组成为：C≤0.04%，Si≤0.10%，Mn≤0.10%，Mo 15～25%，W 2.0～6.0%，Al 0.10～0.50%，余量为Ni及不可避免杂质；以重量百分比计焊剂组成为：Ti2O3 5～20%，MgO 15～35%，CaF2 15～35%，Al2O3 15～25%，以及余量Na2O，碱度在2.2～4.2。采用上述焊丝和焊剂，可得到综合性能优良的埋弧焊缝金属，该焊缝金属屈服强度≥516MPa，抗拉强度≥725MPa，-196℃冲击功≥90J，-196℃时的CTOD位移值≥0.58mm。本发明埋弧焊丝和焊剂可为我国LNG低温储罐的焊接装配提供解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温钢用埋弧焊丝和焊剂，特别涉及一种9Ni低温钢用埋 弧焊丝和焊剂，属低温钢配套焊接材料领域。

背景技术

随着对液化天然气（LNG）需求的增加，9Ni钢作为其储罐用钢已被普遍接 受，且储罐结构不断向大型化方向发展。9Ni低温钢的焊接是LNG低温储罐建造 的关键点和难点之一。

埋弧焊接方法由于自动化程度高、焊接质量可控，以及焊接效率高等优点 广泛应用于LNG储罐的水平纵向焊缝焊接。目前广泛采用的埋弧焊丝牌号主要 为AWS A5.14ERNiCrMo-3，ERNiCrMo-4和ERNiCrMo-9等，其含镍量在65-75% 之间，另外为兼顾焊缝金属的强度和低温韧性，还会加入适量的Mo，Cr，Nb 或者W等。但是现有的埋弧焊丝和焊剂均针对水平焊缝设计，不能用于垂直焊 缝焊接，一方面焊缝成形不好，导致焊接接头质量不过关；另一方面焊缝金属 的强度和低温韧性也很难满足实际需求。因此，有必要开发一种能够同时满足 水平和垂直方向埋弧焊接的焊丝和焊剂组合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种可同时兼顾水平和垂 直方向埋弧焊接的9Ni低温钢用埋弧焊丝和焊剂；采用该组合可得到无缺陷的 埋弧焊接接头，制得的焊缝金属抗拉强度≥725MPa，屈服强度≥516MPa，-196℃ 冲击功≥90J，-196℃时的CTOD位移≥0.58mm。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种9Ni低温钢埋弧焊接用焊丝和焊剂，以重量百分比计焊丝的化学成分 组成为：C≤0.04%，Si≤0.10%，Mn≤0.10%，Mo15～25%，W2.0～6.0%，Al 0.10～0.50%，余量为Ni及不可避免杂质；以重量百分比计焊剂组成为：TiO₂5～20%，MgO15～35%，CaF₂15～35%，Al₂O₃15～25%，以及余量Na₂O，碱度在 2.2～4.2之间。

优选地，所述焊剂的碱度在2.2～3.6之间。

采用上述焊丝焊剂进行埋弧焊接时，其焊接接头的焊缝金属屈服强度 ≥516MPa，抗拉强度≥725MPa；-196℃冲击功≥90J，-196℃时的CTOD位移值 ≥0.58mm。

该9Ni低温钢埋弧焊接用焊丝和焊剂在用于9Ni低温钢埋弧焊接中时，采 用焊接电流180～420A，电压24～38V和焊接速度20～40cm/min。

本发明焊丝中的各元素的作用和含量限定的理由详述如下：

C：高的C含量对铁基材料的低温冲击韧性和焊接性能不利；此外依据Ni 基合金的热裂纹敏感性计算公式（即BTR数值）可知，降低C可有效降低焊缝 金属的热裂纹敏感性。综合考虑，本发明C含量控制为≤0.04%。

Si：会增加焊缝金属的热裂纹倾向、并对焊缝金属的低温冲击韧性造成不利 影响，因此控制其含量≤0.10%。

Mn：为提高焊缝金属的低温韧性，尤其是CTOD性能，因此控制焊丝中的 Mn含量≤0.10%。

Mo：是能够同时提高焊缝金属强度和低温冲击韧性的主要元素中的主要元 素之一，由于焊缝金属中的Si和Mn含量较低，因此从强度角度考虑，其含量 控制为15～25%。

W：是提高焊缝金属高温强度的有效元素，一方面可以提高焊接金属的强 度；另一方面也可以提高焊缝金属在熔融状态时的高温流动性，从而改善焊接 工艺性能。含量为2.0～6.0%。

Al：是扩大铁素体区的有效元素，加入少量可改善焊缝金属在凝固过程中 的组织演变、细化微观组织，从而提高焊缝金属的强度。其含量为0.10～0.50%；

本发明焊剂中的各元素的作用和含量限定的理由详述如下：

TiO₂的加入是考虑到在焊接过程中，会向焊缝金属中过渡部分Ti，从而加 强脱氧、并增强焊缝金属的强度，其含量以5～20%为宜；

MgO和CaF₂主要是用于焊缝金属的强脱氧；其含量分别控制在15～35%和 15～35%区间，主要是用于确保焊缝中的氧含量处于较低水平（比如≤0.02%）, 从而确保焊缝的低温韧性；

Al₂O₃的加入是基于脱氧反应的平衡，达到平衡焊剂碱度的目的，以改善 焊接工艺性能和焊缝成形。依据焊剂碱度公式：BI=[CaF₂+CaO+MgO+BaO+ SrO+Na₂O+K₂O+Li₂O+0.5(MnO+FeO)]/SiO2+0.5(Al₂O₃+Ti₂O₃+ZrO₂) 计算本焊剂的碱度。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、提供了一种埋弧焊丝和焊剂组合，利用其制得的焊接接头综合性能优良， 其焊缝金属的屈服强度≥516MPa，抗拉强度≥725MPa，-196℃冲击功≥90J，-196℃ 时的CTOD位移值≥0.58mm，且全焊缝的延伸率≥44%；

2、焊接过程稳定、焊缝成形好、易脱渣；此外由于是搭配高碱度焊剂，还 可以用于垂直方向的埋弧焊焊接，克服了常规焊丝焊剂只能用于水平对接焊接 的缺点。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

焊接试板采用25mm厚度9Ni钢板，其化学成分（重量百分比）包括：0.05C， 0.34Si，0.55Mn，0.0035P，0.0025S，9.24Ni，余量为Fe及杂质。采用X型60° 坡口，坡口间隙为2mm，钝边为4mm。

实施例1：选用焊丝焊剂组合S1#，焊丝成分为C0.02%，Si0.05%，Mn0.08%， Mo22%，W2.5%，Al0.12%，余量为Ni及不可避免杂质；焊剂组成：Ti₂O₃15%， MgO27%，CaF₂28%，Al₂O₃16%，以及余量Na₂O，碱度为4.0；选用焊接电流 180A，焊接电压27V，焊接速度23cm/min，层间温度≤100℃，进行垂直方向埋 弧焊接；

实施例2：选用焊丝焊剂组合S2#，焊丝成分为；C0.03%，Si0.08%，Mn0.05%， Mo18%，W3%，Al0.14%，余量为Ni及不可避免杂质；焊剂组成：Ti₂O₃12%， MgO24%，CaF₂22%，Al₂O₃20%，余量为Na₂O，碱度为3.1；选用焊接电流 280A，焊接电压34V，焊接速度34cm/min，层间温度≤100℃，进行水平方向埋 弧焊接；

实施例3：选用焊丝焊剂组合S3#，焊丝成分为；C0.015%，Si0.07%，Mn 0.06%，Mo16%，W5.5%，Al0.18%，余量为Ni及不可避免杂质；焊剂组成： Ti₂O₃15%，MgO18%，CaF₂22%，Al₂O₃24%，余量为Na₂O，碱度为2.5；选 用焊接电流420A，焊接电压37V，焊接速度40cm/min，层间温度≤100℃，进 行水平方向埋弧焊接；

焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现缺陷。对上述焊接接 头的焊缝金属拉伸性能和低温韧性进行测试，其结果分别见表1和2。

表1实施例焊缝金属的拉伸性能

焊丝焊剂组合 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/% 断面收缩率/% S1# 516 725 40 52 S2# 522 728 38 48 S3# 524 734 38 49

表2实施例焊缝金属的冲击性能

通过上述实施例可知，采用本发明技术可得到无缺陷的9Ni低温钢的埋弧焊 接接头，且焊缝金属的屈服强度≥516MPa，抗拉强度≥725MPa，-196℃冲击吸收 功≥90J，-196℃时的CTOD位移值≥0.58mm。本发明埋弧焊丝和焊剂可应用9Ni 钢低温钢储罐的水平和垂直埋弧焊接，解决了目前无垂直埋弧焊接材料的难题。