一种可焊后热处理低合金钢焊条

摘要

一种可焊后热处理低合金钢焊条，焊芯选用H08E碳钢焊芯，药皮组分及按其重量份计配比为：大理石42~55份，萤石18~24份，金红石0.5~2份，石英3~9份，纯碱0.3~0.8份，CMC0.3~0.8份，石墨0.2~0.5份，硅铁3~9份，锰3~9份，合金9～18份，水玻璃：20～25份，合金粉组份及按其重量份计配比为：镍粉25~35份、钼铁5~15份、钛铁5~15份、铁粉90~110份，水玻璃采用模数M=3.4，钾钠比为1/2~3/4的钾‑钠水玻璃。本发明工艺性良好，在较宽的工艺规范下，电弧稳定，脱渣容易，焊道成型均匀、美观。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，尤其是涉及一种可焊后热处理低合金钢焊条。

背景技术

随着我国经济的发展，一些高端容器制造及应用市场日益兴起，器相关母材材料已基本实现了国产化，但由于焊接冶金学的相对滞后，一些高端容器制造用焊接材料任然依靠进口，具有价格高、供货周期长、质量控制难度大等现象，因此，高端特种焊接材料国产化是当前焊接材料焊接的一项重要任务，已被中国机械协会-焊接分会列入《中国制造2025》焊接技术发展路线中。

高端容器制造用焊接材料越来越受到重视，近年来高端制造项目蓬勃发展，目前，国内规划有多个大型储罐项目工程，NBT47014-2011中Fe-1-3钢以其优良的低温韧性和良好的焊接性被认为是制造低温压力容器的优良材料，如15MnNiNbDR等材料被广泛利用。

对于高端容器制造用焊接材料，国内相关研究起步较晚，目前积累了一些经验，但尚需进一步完善和提高。以本专利所研制的E8015-G为例，国内大西洋、京群、安泰科技等单位虽然虽然已经有了相关产品，但在高端容器制造行业应用较少，分析其原因主要是：1）在低温（-50℃）条件下，冲击韧性变的不稳定，有一定的离散性，2）经热处理后，机械性能较焊态降低较多，不能很好的满足容器设计要求。

本专利在传统的基础渣系基础上，通过创新渣系冶金学开发出一种工艺性较好，可以适用于全位置焊接、焊缝金属低温韧性好、可进行焊后热处理的容器用低合金钢焊条，且成本低于进口的同类焊条，具有较大的市场推广前景和良好的经济效益。

迄今为止，该类焊接材料研制的相关专利并不多，检索到的有以下几个：

（1）一种低合金钢焊条（申请号201410701861.2），该发明专利渣系，与本专利所描述的渣系相同，但渣系中主材料质量比例不一样。

（2）一种低合金钢焊条（申请号201410701555.9），该发明专利渣系，与本专利所描述的渣系不同。

（3）低合金钢焊条及其制造方法（申请号201510331062.5），该发明专利渣系，与本专利所描述的渣系不同。所采用焊芯不同。

（4）一种低合金钢焊条的制备方法（申请号201410724042.X），该发明专利渣系，与本专利所描述的渣系相同，但渣系中主材料质量比例不一样，采用的粘结剂也不同。

（5）一种低温钢焊接用低合金钢焊条（申请号201310322476.2），该发明专利渣系，与本专利所描述的渣系相同，配方中其他主材料不同，采用的粘结剂也不同。

发明内容

本发明的目的是为解决现有焊条焊接后热处理性能差，稳弧效果差的问题，提供一种可焊后热处理低合金钢焊条，该焊条符合ASMEⅡSFA-5.5 E8015-G，且同时符合NBT47018.2 E5515-E的焊条，具有全位置焊接工艺性良好、焊缝力学性能均匀、稳定，熔敷金属低温（-50℃）韧性稳定、优良，熔敷金属经焊后热处理，性能良好。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种可焊后热处理低合金钢焊条，焊芯选用H08E碳钢焊芯，药皮组分及按其重量份计配比为：大理石42~55份，萤石18~24份，金红石0.5~2份，石英3~9份，纯碱0.3~0.8份，CMC0.3~0.8份，石墨0.2~0.5份，硅铁3~9份，锰3~9份，合金9～18份，水玻璃：20～25份，合金粉组份及按其重量份计配比为：镍粉25~35份、钼铁5~15份、钛铁5~15份、铁粉90~110份，水玻璃采用模数M=3.4，钾钠比为1/2~3/4的钾-钠水玻璃，优选采用钾钠比为2/3。

CMC以纤维素粉料的形式，石墨以无定型石墨的形式，硅铁以雾化硅铁的形式，Mn以金属锰的形式，合金以合金粉末的形式，焊条制备过程如下：（1）按照上述配比范围将粉料配粉；（2）将粉料干混均匀；（3）加入水玻璃湿混；（4）将粉料在压涂机上均匀的压涂在焊芯上；（5）350-380℃烘干；（6）包装、入库。焊条主要原材料要求见表1。

表1主要原材料的化学成分要求

原材料名称规格化学成分（ wt% ）钾-钠水玻璃M=3.4SiO₂≥30%、K₂O≥3.8%、Na₂O≥6.5%，S≤0.>大理石120（目）CaCO₃≥98.0，S≤0.010，P≤0.010萤石120（目）CaF₂≥95.0，SiO₂≤1.00，S≤0.010，P≤0.010金红石≤120 （目）Al₂O₃≥99，>石英80（目）SiO₂≥97.0，>纯碱40（目）NaCO₃≥98.0%CMC80（目）粘度：800-1200，代替度≥0.65无定型石墨200（目）固体碳≥88，水分2.0%,S≤0.2雾化硅铁80（目）Si43.0-47.0，C≤0.20，S≤0.02，P≤0.04金属锰80（目）Mn≥97.0，S≤0.02，P≤0.03，Fe≤2.0合金粉80（目）纯度≥99.0，C≤0.050，S≤0.005，P≤0.005H08E焊芯/ZrO₂≥60.0，SiO₂≥34，>

本发明主张将焊条成品规格为：3.2mm，4.0mm两种规格。

本专利所述焊条具有以下特点：

（1）在原材料选择方面，尽量选用P、S等杂质元素含量较低的原材料（包括粉料和水玻璃），以减少S、P质向熔敷金属中的过渡，提高熔敷金属的纯净度，有利有提高其低温韧性。

（2）采用CaCO₃->2渣系。该渣系的特点是碱度适宜，能有效降低焊缝金属非金属夹杂物的含量，降低焊缝金属氧含量，提高其低温韧性。

（3）焊条药皮中含有一定量的合金粉。合金粉起到细化晶粒，提高、稳定焊缝金属低温韧性的作用。

（4）焊条药皮中含有较高的CaF₂，可起到良好的脱氢效果。

（5）焊条药皮中加入一定量的大理石，可提高电弧气氛的氧化性，降低电弧气氛的氢分压，从而降低扩散氢。

（6）焊条药皮中含有一定量的石英。石英可以改善焊接工艺性。

（7）粘结剂采用钾-钠水玻璃，可以有效改善电弧的稳定性、水玻璃的模数为3.4，可以有效避免压涂时，药皮开裂问题。

焊条药皮中组分的设计依据如下：

CaCO₃是一种碱性氧化物，为熔渣主要组成部分。可提高电弧气氛的氧化性，降低电弧气氛的氢分压，从而降低扩散氢。本发明研究结果表明CaCO₃的含量过多、或过少都会使焊条工艺性恶化。

CaF₂是碱性氧化物，为熔渣主要组成部分，属于造渣剂和稀释剂。熔融状态的CaF₂流动性较好，可以能降低熔渣的粘度、熔点和表面张力，提高熔渣的流动性。另外，CaF₂对降低焊缝金属的扩散氢作用也比较明显。本发明实验结果表明，CaF₂的含量不能低于18份，过低的含量容易造成铺展较差，并焊缝金属表面产生较多压坑。另外，本发明的实验结果表明，CaF₂的含量不能超过24份，过高的CaF₂的含量将会使熔渣粘度过低，造成焊道成型不良。

SiO₂是一种酸性物质，主要作用是造渣，调整液态渣池的黏度和流动性，对焊缝的成型非常重要。本发明研究结果表明SiO₂加入量大于9份时，焊缝金属增硅较严重，焊缝金属非金属夹杂物增多，导致焊缝金属低温韧性下降，但SiO₂的加入量不能小于3份，否则将导致焊缝成型不良。

TiO对焊缝成型的铺展性改善起到良好的作用。

NaCO3为一种碱性氧化物、CMC为羟甲基纤维素以及石墨可以有效的改善焊条的压涂性。

Si-Fe及金属锰为脱氧剂。

合金：主要为镍粉、钼铁、钛铁、还原铁粉等，主要起到改善熔敷金属低温冲击韧性、改善焊后热处理机械性能及提高熔敷金属熔敷效率的作用。

水玻璃：主要作用是粘结剂。水玻璃加入量小于所要求的最低量时，焊条压涂性变差；加入量过多时，会向配方中引入较多的SiO₂，对焊条工艺性产生不利影响，单独采用钠水玻璃稳弧效果极差，单独采用钾水玻璃成型困难，而本申请中水玻璃采用钾-钠水玻璃可以起到良好的稳弧作用又不影响成型。

本发明的有益效果是：（1）工艺性良好，在较宽的工艺规范下，电弧稳定，脱渣容易，焊道成型均匀、美观。

（2）焊条生产适应性良好，熔敷金属成分均匀，机械性能稳定，，屈服强度大于440MPa，抗拉强度大于540～660MPa，延伸率大于22%，-50℃（焊态及热处理态）夏比冲击功大于100J（侧向膨胀量大于0.38），可很好的满足容器实际工程应用焊接。

（3）可适用与直流、交流焊接，焊缝成型良好。

（4）适用于全位置焊接，焊接焊道间融合良好，焊缝成型良好。

具体实施方式

具体实施方式如下：

根据本发明设计组分含量，配制了3种粉料，按照本发明所述的制备工艺制备实验焊条，具体配比见表1，需注意的是本发明并不局限于这些实施例。

表1实施例成分配比 （份数 ）

编号实施例1实施例2实施例3大理石434750萤石192223金红石0.510.8石英3.557纯碱0.50.50.5CMC0.50.50.5石墨0.30.30.3雾化硅铁446金属锰4.543合金5712水玻璃202224

将上述组分制成的焊条进行检测，在焊接试验前将焊条经过350~380℃烘焙1.5小时，然后进行熔敷金属试件焊接，以Φ4.0mm焊条为例，焊接工艺参数为：焊接位置为平焊，焊接电源直流反接，焊接电流170~220A，焊接电压24~30V，道间温度100~150℃，测试结果如表2～表3所示。

表2实施例熔敷金属化学成分 wt%

实施例CSiMnSPVCrNiMo实施例10.0510.1841.35<0.00500.0053<0.00500.0590.8830.199实施例20.0660.2481.39<0.00500.0029<0.00500.0580.9570.216实施例30.0650.2491.41<0.00500.0039<0.00500.0560.9800.220

表3实施例熔敷金属力学性能

实施例R_p0.2/MPaRm/MPaA/%A_kv/J(-50℃)焊态A_kv/J(-50℃)热处理态实施例152360324.0152、170、182145、133、167实施例254762024.5121、119、131140、117、134实施例358665023.5112、163、120110、125、109

本发明所提出的焊条工艺性能优良，扩散氢低，可满足低温条件下服役的低合金钢容器焊接。

本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。