一种对珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条

摘要

本发明是一种对珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条，采用在焊条的钢芯和药皮中同时加入与珠光体耐热铸钢相同的以铬钼合金为主的合金元素，钢芯中还含有硅、锰、磷、硫、及微量的钛、镍，在药皮中复合添加有金红石、镍、硼、药皮中CaO与CaF2的比值为0.3～0.7∶1。可以在不预热不热处理的情况下用于对铬钼耐热铸钢件的裂纹进行补焊修复，具有超低氢，高强度，高抗裂性，高韧性的特点和良好的焊接综合工艺性能，并适应全位置焊接。

说明书

本发明涉及电焊条，具体说本发明涉及对珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条。

国内外用于电站，冶金及化工等部门的钢制压力容器及设备，都是采用各种耐热材料制成。如用ZG20CrMoV制造的电站大型铸件汽缸及其主汽门阀体等，这些部件在服役期内常出现裂纹等缺陷，目前通常采用两种焊接工艺进行补焊，第1种是以珠光体型焊接材料进行热焊，焊前进行250℃以上的预热，焊后进行700℃以上高温回火，缺点是补焊工艺复杂，施工条件恶劣，工期长，焊件变形大，而且施工现场往往不允许进行有效的预热和焊后热处理。第2种是以奥氏体型焊接材料在装置原地对铸件不需预热而焊后进行热处理的冷焊，虽简化了工艺，但补焊部位是属异种材料接头，存在奥氏体-铁素体过渡区，容易产生早期开裂，此外补焊区不能进行超声波探伤和表面磁力探伤，而且补焊材料昂贵。

中国专利局公开的专利号90110255.5耐热钢不预热焊接用的焊条及其焊接工艺，虽简化了工艺，但其抗裂性能仍不理想。

本发明的目的是提供一种对珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条，焊缝具有高强度高抗裂性，焊条具有良好的综合工艺性，并适应全位置焊接。

本发明主要从以下几方面来实现发明目的：

众所周知，焊按接头中含氢量的多少对抗裂性能影响很大，它是造成冷裂纹的重要因素之一，所以制造低氢甚至超低氢焊条，使溶敷金属的氢含量尽量低，可达到减少热影响区脆性区的扩散氢浓度。为了得到低氢溶敷金属，保护合金过渡及工艺性能，本发明是以碳酸钙和氟化钙为主的碱性低氢型药皮，在药皮中复合添加有金红石、镍和硼。在设计药皮配方时考虑诸多成份的复杂影响，比如引弧性能，稳定性能，熔渣覆盖性能以及脱液性，飞溅性，焊缝成型等问题，通过采用正交试验设计法和统计分析，确定药皮的基本组成和含量水平为CaO∶CaF₂＝0.3～0.7∶1的焊条时，电弧柔和，飞溅极小，具有满意的综合工艺性能。

为了提高焊接接头的塑性和韧性，钢芯以Cr，Mo合金为主，严格控制碳、硫、磷等元素的含量。除含有硅、锰、磷、硫外，同时复合添加微量Ti和Ni，以保证接头的热强性及韧性。又由于Ti，N可形成TiN，及TiO，能提供大量的形核质点，易于形成均匀的针状铁素体，从而对裂纹扩展起阻碍作用。此外，由于焊缝金属奥氏体存在时间较长，温度较低，也可利于焊接热影响区中的扩散氢进入韧性焊缝，缓解热影响区粗晶区的氢脆倾向。

焊缝的合金化方式是采用在钢芯和药皮中同时加入合金元素，通过用电弧炉冶炼制造钢芯严格控制碳，硫，磷等元素含量，得到珠光体型耐热铸钢焊条，实现同质焊接。

本发明是通过以下方式实现的：

一种对珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条，由低碳钢芯和含大理石、莹石、硅铁、锰铁、钛铁、钼铁、钒、铬、钛白粉及纯碱的药皮构成；按普通碱性低氢焊条制造方法制造；焊条的钢芯、药皮中同时含有与珠光体耐热铸钢相同的以铬钼合金为主的合金元素，钢芯中还含有硅、锰、磷、硫、及微量的钛、镍，在药皮中复合添加有金红石、镍、硼，药皮中CaO与CaF₂的比值为0.3～0.7∶1。

钢芯的合金成份按重量百分比计算为碳≤0.1；钼0.3～0.8；铬0.6～1.3；硅0.10～0.37；锰0.5～1.1；磷≤0.03；硫≤0.02及微量的钛、镍其余为铁组成，药皮成份按重量份数比计算为：大理石30～46份；莹石20～46份；硅铁3～5份；锰铁5～7份；钛铁2～4份；金红石7～11份；钼铁0.3～1份；铬0.5～1.5份；镍0.3～0.6份；硼0.1～0.4份；钒0～0.2份；钛白粉1.8～3份；纯碱0.8～2份。

本发明的积极效果是：

①与90110255.5专利相比，配方中没有采用有机物羧甲基纤维素，脱氢效果较突出，用甘油法测定，熔敷金属扩散氢含量≤0.12m1/100g。具有超低氢，高强度，高韧性，高抗裂性的特点。

②由于在钢芯和药皮中同时含有与珠光体耐热铸钢相同的以铬钼合金为主的合金元素，所得焊缝组织是以细小均匀的针状铁素体为主，加少量粒状贝氏体的韧性组织，熔敷金属的力学性能与母材相当，具有良好的匹配，可以在不预热不热处理的情况下用于对铬钼耐热铸钢例如电站汽缸的补焊修复。

③由于控制CaO与CaF₂的比值在0.3～0.7∶1之间，焊条具有良好的综合工艺性，电弧柔和，飞溅极小，并适应全位置焊接。

④用本发明的焊条修复汽缸、阀门、汽门等比用同质材料热焊法缩短工期2～3倍，降低成本50％，比异质焊材冷焊法降低成本30％左右。并且补焊部位与母材同质，便于进行探伤检查，保证检修质量，提高运行安全性。

本发明提供7个实施例，其中实施例二～实施七的配方列在表一中。

下面通过具体实施例作进一步详细说明：

实施例一：

对用ZG20CrMoV钢制造汽轮机的缸体及阀体出现的裂纹，用珠光体耐热铸钢不预热不热处理补焊用的同质焊条进行补焊，该焊条的钢芯和药皮中同时含有与珠光体耐热铸钢相同的以铬钼合金为主的合金元素，钢芯中还含有硅、锰、磷、硫、及微量的钛、镍，在药皮中复合添加有金红石、镍、硼。钢芯选用低碳钢，药皮中还有大理石、莹石、硅铁、锰铁、钛铁、钼铁、钒、铬、铁白粉及纯碱，药皮中CaO与CaF₂的比值为0.3～0.7∶1。制作焊条，按普通碱性低氢焊条制造方法制造，用钾钠水玻璃作粘合剂，将混合均匀的焊药涂敷在钢芯表面四周，制得药皮外径尺寸分别为φ4、φ5、φ6mm的焊条。

实施例二～实施例七，按表一中实施例№2～№7的6种钢芯和药皮的成份配比，分别称取钢芯和药皮的各成份；

a.制造钢芯：将两种配比的钢芯成份，分别用电弧炉按常规方法冶炼，制造出φ2.5，φ3.2，φ4mm的钢芯，备用；

b.制造药皮：将三种配比的药皮成份，用常规方法分别混合均匀，备用；

c.制造焊条：用普通碱性低氢焊条制造方法制造，按表一中№2～№7钢芯与药皮的6种配比，以钾钠水玻璃作粘合剂，将混合均匀的焊药涂敷在钢芯表面四周，制得6种配比的焊条，各种焊条药皮外径尺寸为φ4，φ5，φ6mm。

采用本发明的焊条，在室温25℃，相对湿度77％的条件下，对ZG20CrMoV耐热钢进行焊接试验，试件上开有斗状“缺陷”槽，测试结果如下：

1.对上述试件进行宏观检查及内部超声波检查均无缺陷。

2.熔敷金属的化学成份为(按重量百分比计算)：碳0.03～0.06，硅0.2～0.4，锰1.2～1.5，铬0.7～0.9，钼0.4～0.6，镍0.4～0.6，钛0.02～0.04，硼0.007～0.01，硫≤0.008，磷≤0.008。

3.在热模拟试验机上进行溶敷金属相变点测定，结果为Ar3＝640℃，Ar1＝440℃，说明熔敷金属在冷却过程中没有产生高温转变，相变开始时以按近于中温，焊缝高温奥氏体具有足够的稳定性，有利于降低影响区脆性区的扩散氢浓度和防止氢冷裂纹的产生。

4.对熔敷金属扩散氢测定[H]＝0.12ml/100g(甘油法)。

5.熔敷金属机械性能：

      热影响区硬度达到321～362(HV)；

      焊缝力学特性：σb≥500MPa，

                    σs＝343MPa.

ψ＝27％，

σ₅＝10～13％

6.用实施例一～实施例七的焊条进行厚板补焊抗裂性试验，考虑实际补焊接头的受拘束程度受母材厚度，尺寸变化的影响，我们选择汽缸以此寻找出汽缸补焊时最大的拘束条件，并通过拘束应力的实测试验，设计出模拟试样，然后用本发明的焊条在模拟试样上试焊，考核在最苛刻情况下的抗裂能力，通过试验近似得出50mm为极限拘束的临界板厚。用中4mm焊条以90～100A的电流对母材为ZG20CrMoV轮廓尺寸400mm×400mm×60mm，其上开出8～10mm深的V型槽，槽长60mm，以正常的焊接速度，焊前不预热，焊后空冷，放置48小时后进行焊缝和近缝区的表面超声探伤，未发现裂纹型缺陷。

表一：实施例二～实施例七钢芯和药皮的成份配比