一种碱性渣系的焊缝金属控Cr且具有抗FAC能力的低合金钢焊条

摘要

本发明涉及一种碱性渣系的焊缝金属控Cr低合金钢焊条，所述低合金钢焊条由焊芯和药皮组成，所述焊芯含有以下质量百分含量的成分：C：0~0.10%，Mn：1.00%~1.60%，Si：0~0.50%，Cr：0.15%~0.35%，Ni：0.60%~1.20%，Mo：0.15%~0.35%，Ti：0~0.007%，S：0~0.010%，P：0~0.015%。本发明的低合金钢焊条在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能，且焊缝有良好的强度、冲击韧性和抗FAC等性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，更具体的说，涉及一种用于核电管道WB36CN1钢配套的碱性 渣系的焊缝金属控Cr且具有抗FAC能力的低合金钢焊条。

背景技术

随着我国电力工业的高速发展，核电站因其高效、经济、清洁等优点成为电力发展的重 要部分。但核电建设用的钢材及焊接材料长期以来一直依赖进口，严重制约了我国核电工业 的发展。为此，岭澳二期核电站常规岛设计时，提出钢材国产化的课题。目前适用于核电常 规岛主蒸汽、主给水管的钢材已基本国产化（牌号为WB36CN1）。

由于WB36CN1钢主要使用于核电站350℃以下的给水管道、集箱等结构的焊接。比较核 电用钢管与火电用钢管的差异。可以了解到，核电用钢管在核电站运行过程中承受的压力和 温度比火电站低，但其管道内介质（饱和蒸汽或微过热蒸汽）的流速、流量比火电站大（约 1.5倍左右）。产生因输送蒸汽和水的流动速度较高而导致的“FAC”（流动加速的腐蚀），造 成管道内表面具有保护功能的氧化膜在大量的、高速流动的汽水冲刷下变薄或脱落，使钢基 体的耐蚀性变差。

为了提高核电用钢管抗“FAC”的能力，国内外这方面的专家通过研究，认为钢中加入一 定量的“Cr”可以提高抗“FAC”的能力。FAC可以分成两个连续的过程：氧化物/水界面可 溶性铁离子的产生过程和铁离子穿过扩散边界层的扩散过程。由于FAC的发生跟部件表面的 保护性氧化膜的溶解有关，当部件表面的氧化膜足够致密，以至于物质传输过程无法进行时， FAC也就不会发生，而相同情况下，氧化铬的致密度要大于氧化铁。

由于WB36CN1钢是在WB36钢的基础上加以控“Cr”而形成的新型钢种，控“Cr”的目的 是为了提高钢材抗汽水冲蚀能力，即抗“FAC”的能力。目前国内外还没有专门针对其成分和 性能研制的焊接材料。

因此，作为WB36CN1钢配套的焊条PP-J607CrNiMo在合金系统的选择上应尽可能与 WB36CN1钢化学成分相接近。所选择合金元素必须满足焊缝金相组织的需要及焊接冶金的特 点。同时在抗“FAC”能力方面与WB36CN1钢相匹配。即实行控“Cr”的要求。

本发明针对WB36CN1钢的化学成分、力学性能等技术要求进行试验、研究，研制一种与 WB36CN1钢性能达到良好匹配的低合金钢电焊条。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱性渣系的焊缝金属控Cr且具有抗FAC能力的低合金钢焊条， 该焊条在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能，且焊缝有良好的强度、冲击韧性和抗FAC等 性能。

为了实现上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

一种碱性渣系的焊缝金属控Cr且具有抗FAC能力的低合金钢焊条，所述低合金钢焊条由 焊芯和药皮组成，其特征在于：所述焊芯含有以下质量百分含量的成分：

C：         0~0.10%，

Mn：        1.00%~1.60%，

Si：        0~0.50%，

Cr：        0.15%~0.35%，

Ni：        0.60%~1.20%，

Mo：        0.15%~0.35%，

Ti：        0~0.007%，

S：         0~0.010%，

P：         0~0.015%；

余量为Fe。

在本发明的一优选实施例中，所述药皮由以下质量百分含量的组分组成：

大理石：     20~40%，

萤石：       15~25%，

石英：       2~8%，

天然金红石： 2~6%，

铁粉：       20~30%，

金属锰：     4~6%，

硅铁：       4~6%，

铬铁：       0.5~1.5%，

钼铁：       1~2%，

镍：         1.5~3.5%。

在本发明的一更优选实施例中，所述药皮由以下质量百分含量的组分组成：

大理石：     25%，

萤石：       25%，

石英：       4%，

天然金红石： 4%，

铁粉：       30%，

金属锰：     4%，

硅铁：       3%，

铬铁：       2%，

钼铁：       1%，

镍：       2%。

在本发明的一优选实施例中，所述低合金钢焊条在核电管道WB36CN1钢的焊接中的应用。

本发明的低合金钢焊条的制备方法包括步骤：

（1）将所述药皮组分混合均匀；

（2）加入药皮组分质量18%~22%的纯钠水玻璃，搅拌均匀后压涂在上述焊芯上。

（3）将步骤（2）的混合物搅拌均匀后压涂在上述焊芯上，在焊条生产设备上进行焊条 制备。

本发明的焊芯设计依据如下：

成分C

C在γ-Fe中的最大溶解度为1.7%,在α-Fe中为0.035%。属于扩大γ区元素。起固溶强 化的作用。过多的C在焊缝金属中将以碳化物的形式存在。形成析出强化，在提高焊缝强度、 硬度的同时，也增加了焊缝金属的裂纹敏感性。所以必须采用低碳微合金化的机理，这样， 既可以满足焊缝金属的强度又可以降低焊缝金属的裂纹敏感性。拟将C含量控制在0.10%以 下。

成分Mn

Mn在γ-Fe中的最大溶解度为100%,在α-Fe中为3%。属于扩大γ区元素。Mn在低合金 钢焊缝金属中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在。在提高铁素体强度的同时还可改善 韧性。考虑到Mn/Si对焊缝金属冲击韧性的影响，在满足焊缝金属强度的前提下将Mn含量控 制在1.0~1.6%范围内。

成分Si

Si在γ-Fe中的最大溶解度为2%,在α-Fe中为18.5%。属于扩大α区元素。Si在低合金 钢焊缝中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在，提高铁素体的强度。过多的Si含量将形 成金属间化合物，降低焊缝金属的冲击韧性。考虑到Mn/Si对焊缝金属冲击韧性的影响，在 满足焊缝金属强度的前提下将Si含量控制在≤0.5%的范围内。

成分Cr

Cr在γ-Fe中的最大溶解度为12.8%,在α-Fe中为100%。属于扩大α区元素。Cr在低 合金钢焊缝中含量较低时，一般起固溶强化的作用。与C在一起时形成碳化物。数量较多时 降低焊缝金属的冲击韧性。适量的Cr在提高铁素体的强度同时还可改善焊缝金属的韧性。为 了与WB36CN1钢在性能方面达到良好匹配，提高抗“FAC”的能力。确定Cr含量与钢材的控 制范围一致，即0.15~0.35%范围内。

成分Ni

Ni在γ-Fe中的最大溶解度为100%,在α-Fe中为10%。属于扩大γ区元素。一般起固溶 强化作用。适量的Ni可以提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成，有利于改善焊缝金 属抗冷裂性能和提高低温冲击韧性。在满足焊缝金属强度的前提下将Ni含量控制在0.6~1.2% 的范围内。

成分Mo

Mo在γ-Fe中的最大溶解度为3%,在α-Fe中为37.5%。属于扩大α区元素。一般起析出 强化作用。与C共存时，形成Mo₂C，提高焊缝金属的高温强度。过量的Mo将损害焊缝金属的 韧性，在满足焊缝金属高温强度的前提下将Mo含量控制在0.15~0.35%的范围内。

成分Ti

Ti在γ-Fe中的最大溶解度为0.75%,在α-Fe中为6%。属于扩大α区元素。一般起析出 强化作用。其形成碳化物、氮化物的倾向极强。综合国内外的研究成果，Ti对焊缝金属冲击 韧性有利影响是：①与焊缝金属中的N结合，减少了固溶氮的有害作用；②生成TiN作为结 晶核心，促进焊缝成为细晶粒组织；③起脱氧作用，减少了焊缝中的含氧量。Ti对焊缝金属 冲击韧性的不利影响是：①Ti强化铁素体基体，提高硬度；②Ti较多时可在晶界上析出TiC 和TiN；③Ti使γ→α相变温度上升，如含Ti量较多，Mn、Mo含量不足时，易形成粗大的 铁素体或网状组织，还可能出现马氏体组织。权衡利弊，确定在PP—J607CrNiMo焊条中不加 入Ti。将焊缝金属中的Ti含量控制在≤0.007%的范围内。

成分S

S是焊缝金属中的有害杂质，以FeS形式存在时最为有害。因为它与铁在液态时可无限 互溶，而溶于固态铁却很少（溶解度仅为0.015~0.02%）,因此在凝固时FeS析出,以低熔点 共晶薄膜的形式分布于晶界,形成结晶裂纹。同时降低焊缝金属的冲击韧性。所以焊缝金属中 的S含量越少越好。根据焊条用原、辅材料的实际情况，确定将S含量控制在≤0.010%的范 围内。

成分P

P在绝大多数低合金钢焊缝金属中是有害杂质。以Fe₂P、Fe₃P的形式存在，它们与Fe、 Ni形成低熔点共晶分布于晶界，由于它们本身硬而脆，在降低焊缝金属冲击韧性的同时使焊 缝金属脆性转变温度也升高。所以焊缝金属中的P含量越少越好。根据焊条用原、辅材料的 实际情况，确定将P含量控制在≤0.015%的范围内。

成分Nb

Nb在γ-Fe中的最大溶解度为2.2%,在α-Fe中为1.8%。属于扩大α区元素。一般起析 出强化作用，且强化效果显著。但是Nb对低合金钢焊缝金属的韧性产生不利的影响。Nb的 析出沉淀硬化将导致Mn-Si系焊缝金属韧性的大幅度下降。因此在PP-J607CrNiMo焊条中不 加入Nb。而以其它合金元素替代来满足焊缝金属的强度。

本发明的药皮，采用的是碱度较高的低氢型，这是因为该类型药皮的合金元素过渡系数 较大，熔池清晰；焊缝具有良好的强度、韧性和抗裂性能，扩散氢含量低，去杂质能力强。 利用控Cr技术，能使焊缝金属具有很好的抗FAC性能，整体上能很好地满足核电管道焊接中 的要求。本焊条药皮中各组分的主要作用简述如下：

大理石

大理石（CaCO₃）作为CaO-SiO₂-CaF₂渣系主要的造渣剂和造气剂 对焊接冶金反应影响较大。分解产生的CO₂属于氧化性气体，可排除电弧区内的空气，阻止氮 气侵入液态金属中，并降低电弧气氛中的氢分压，有利于焊缝金属降氢。分解产生的CaO属 于碱性氧化物。能提高熔渣的碱度，增强熔渣的脱S、脱P能力。但同也增加熔渣的表面张 力和熔渣与熔化金属之间的界面张力，粗化熔滴。在CaO-SO₂-CaF₂渣系中，随着大理石的含 量增加，气相中CO₂的分压也增加，气相中较高的氧化势，不利于合金元素的过渡。过多的 CaO则提高了熔渣的凝固温度，增加熔渣的粘度。使焊接工艺性能变坏。经过试验并综合有 利和不利因素，确定大理石的加入量在20~40%范围内。

萤石

萤石(CaF₂)在CaO-SiO₂-CaF₂渣系中主要用于造渣和改善熔渣的物化性能.它可降低碱性 熔渣的熔点、粘度和表张力，增加熔渣的流动性。有利于降低焊缝金属的气体杂质，适量的 CaF₂可以改善熔渣对液体金属的保护效果，因而亦可减少液体金属的吸氢量。但在CaCO₃含量 一定时，CaF₂加入量过多时，将影响焊接电弧的稳定性，使焊接过程中的熔滴直径增大，飞 溅增加。短路时间增长，焊条药皮熔化性能变坏，熔渣对焊缝金属的覆盖性能变差。因此根 据CaCO₃/CaF₂的最佳比值，同时考虑CaF₂对焊接工艺性能影响因素，确定萤石的加入量在 15~25%的范围内。

石英

石英（SiO₂）在CaO-SiO₂-CaF₂渣系中主要起造渣作用。它可用于调整熔渣的物化性能， 降低熔渣的表面张力，改善焊缝金属表面成形，提高电弧电压，细化熔滴，提高焊条熔化系 数。但加入量过多时，降低熔渣的碱度，使焊接冶金性能变坏，不利于获得力学性能优良的 焊缝金属。经过试验并综合有利和不利因素，确定石英的加入量在2~8%范围内。

天然金红石

天然金红石（TiO₂）具有稳弧和造渣作用，可调整熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动 性。适量的TiO₂有利于全位置焊接，改善焊缝成形，减少飞溅和咬边，并在很大程度上改善 脱渣性。在CaO-SiO₂-CaF₂渣系中，TiO₂的物理性能类似于CaO。过多的TiO₂将提高熔渣的熔 点，缩小熔渣的凝固温度区间。阻碍熔渣与液态金属之间的流动作用，影响冶金反应的充分 进行，使熔池内部气体逸出阻力增大，易形成气孔、夹杂等缺陷。经过试验并综合有利和不 利因素，确定天然金红石的加入量在2~6%范围内。

铁粉

在CaO-SiO₂-CaF₂渣系的焊条配方中加入适量的铁粉（FHT40.30Ⅰ），具有降低熔池温度， 增加结晶速度，有利于获得细晶粒焊缝组织。同时也能提高焊条的熔敷效率，并改善焊接工 艺性能。试验结果表明，铁粉的加入量可以在较宽的范围内变化而对焊条的焊接工艺性能无 明显影响。但铁粉的质量，尤其是颗粒度、松装比和含氧量对焊条的焊接工艺性能及焊缝金 属的力学性能影响甚大。选择不当甚至产生焊缝气孔。因此必须进行合理选择和使用。铁粉 的加入量控制在20~30%范围内。

金属锰

试验表明配方中使用中碳锰铁比使用金属锰（Mn）对改善焊接工艺性能有好处，但是因为 中碳锰铁含P量太高（0.2%左右）。不能满足对P含量的控制。而金属锰含P量低（0.05%左 右）有利于焊缝金属中P的控制。故而配方中选用金属锰而不用中碳锰铁。

Mn在CaO-SiO₂-CaF₂渣系的焊条配方中主要起脱氧和合金化作用。Mn脱氧后的生成物为 MnO，属于碱性氧化物，它提高熔渣的碱度，同时起造渣的作用。经过试验，金属锰的加入量 在4~6%时能满足表1中Mn含量的控制要求。

硅铁

在PP—J607CrNiMo低合金钢焊条配方中不加钛铁（Fe-Ti），是因为钛铁在进行脱氧的同 时会向焊缝金属中渗Ti，不利于焊缝金属中的Ti含量的控制。而在配方中选择加入硅铁 （Fe-Si），则能有效控制焊缝金属中的Ti含量。

硅铁在CaO-SiO₂-CaF₂渣系的焊条配方中主要起脱氧和合金化作用。Si脱氧后的生成物为 SiO₂，属于酸性氧化物，它降低熔渣的碱度及熔渣中FeO的活度，同时起造渣作用。经过试 验，硅铁的加入量在4~6%时能满足表1中Si含量的控制要求。

铬铁

经过试验，铬铁（Fe-Cr）的加入量在0.5~1.5%时能满足表1中Cr含量的控制要求。 钼铁

经过试验，钼铁（Fe-Mo）的加入量在1~2%时能满足表1中Mo含量的控制要求。

镍

经过试验，镍(Ni)的加入量在1.5~3.5%时能满足表1中Ni含量的控制要求。

本发明的技术方案原理在于：焊条药皮配方的设计合理与否关系到焊条是否具有优良的 焊接工艺性能、稳定的焊接冶金过程、满意的焊缝金属力学性能，焊缝金属除了具有良好的 抗“FAC”能力外，还必须具备良好的塑性、韧性、抗裂性以及良好的低温冲击韧性，同时焊 条必须具备良好的全位置焊接工艺性能。为了满足焊缝金属力学性能及焊接工艺性能的要求， 对各种焊接熔渣进行分析、筛选，确定CaO—SiO₂—CaF₂渣系为本发明的基本渣系，它是与 WB36CN1钢相匹配的低合金高强度钢焊条。

通过采用上述技术方案，本发明的焊接工艺性能优良，焊接过程中电弧稳定、基本无飞 溅、脱渣性良好、熔池清晰，焊缝成型美观，焊条操作性能良好；具有优异的熔敷金属强度、 冲击韧性和抗FAC等性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

药皮的组分及其质量百分含量如下：大理石：35%、萤石：15%、石英4%、天然金红石4%、 铁粉：30%、金属锰：4%、硅铁：4%、铬铁：1%、钼铁：1%、镍：2%。

将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到40目以下，干粉搅拌均匀后加入 占固体组分质量含量20%的纯钠水玻璃，再搅拌均匀后，通过常规焊条生产设备将其压涂在 上述焊芯上制备出焊条。生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条的熔敷金属化 学成分检测得：C:0.058%、Mn：1.61%、Si：0.32%、Cr：0.25%、Ni：0.98%、Mo：0.29%、S:0.006%、 P:0.010%、Ti≤0.007%。

常温力学性能R_m：715MPa，R_e1：575MPa；-50℃平均KV₂：74J。

实施例2

药皮各组分的质量分数如下：大理石：30%、萤石：20%、石英4%、天然金红石4%、铁粉： 30%、金属锰：4%、硅铁：4%、铬铁：1%、钼铁：1%、镍：2%。

焊条的制备方法与实施例1相同，生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条 的熔敷金属化学成分检测得C：0.052%、Mn：1.51%、Si：0.31%、Cr：0.26%、Ni：1.04%、 Mo：0.29%、S：0.005%、P：0.010%、Ti≤0.007%。

常温力学性能R_m：680MPa，R_e1：570MPa；-50℃平均KV₂：80J。

实施例3

药皮各组分的质量分数如下：大理石：25%、萤石：25%、石英4%、天然金红石4%、铁粉： 30%、金属锰：4%、硅铁：3%、铬铁：2%、钼铁：1%、镍：2%。

焊条的制备方法与实施例1相同，生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条 的熔敷金属化学成分检测得C：0.057%、Mn：1.54%、Si：0.39%、Cr：0.28%、Ni：0.96%、 Mo：0.30%、S:0.008%、P:0.010%、Ti≤0.007%。

常温力学性能R_m：720MPa，R_e1：575MPa；-50℃平均KV₂：66J。

国外某进口同类焊条熔敷金属化学成分：C：0.056%、Mn：1.48%、Si：0.31%、Cr：0.04%、 Ni：0.76%、Mo：0.38%、S:0.007%、P:0.008%、Ti≤0.007%。

常温力学性能R_m：635MPa，R_e1：525MPa；-50℃平均KV₂：73J。

实施例2所得焊条焊接时电弧稳定、基本无飞溅、脱渣性能好，焊条操作性能优异；焊 缝成型美观，焊道高度适中。与国外某同类焊条相比，力学性能较高，具有流动性更优的特 性，并且具有更好的抗FAC性能。