CN105290645A

CN105290645A - 一种用于高强钢焊接的焊条及其制备方法和应用

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Publication number: CN105290645A
Application number: CN201510727883.0A
Authority: CN
Inventors: 黄会强; 张亚平; 刘玉双; 杨恒闯; 田海成; 李磊; 韩海峰; 张伟; 李振
Original assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Tiemiao Welding Materials Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105290645B

Abstract

本发明提供了一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：34～48％，CaF₂：13～23％，TiO₂：4～9％，SiO₂：4～8％，Mn：2～7％，Si-Fe：4～10％，Ni：2～7％，Mo-Fe：0.5～2.5％，C：0.1～0.8％，Na₂CO₃：0.5～2％，CMC：0.5～2％，稀土金属或其氧化物：1～2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。该发明采用CaO-CaF₂-TiO₂-SiO₂型碱性渣系，有利于合金元素过渡和去除O、N、S、P等有害杂质，焊条焊接工艺性能及力学性能良好，满足460MPa级高强钢焊接的要求，熔敷金属屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，熔敷金属夏比冲击KV₂(-40℃)≥100J，且焊条熔敷金属扩散氢的含量达到了超低氢的水平。

Description

一种用于高强钢焊接的焊条及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于高强钢焊接的焊条及其制备方法和应用，可应用于海洋平台结构钢材的配套材料焊接。

背景技术

目前，在海洋结构中为了降低海洋平台重量和制造成本，必须最大限度的减少钢材使用和优化结构设计，因此，采用钢材的强度级别将会越来越高，材料厚度也不断增加，屈服强度超过460MPa的EQ47、EQ56、EQ70等钢种使用比例超过40％。

然而，高强度、大厚度材料的使用则对焊接技术提出了更大的挑战，要求选用的焊接材料不但具有良好焊接操作工艺性能，同时在大厚度、高强度的拘束度条件下，具有良好的抗裂性能、良好的强韧综合性能、良好的耐腐蚀性能和良好的抗疲劳裂纹扩展能力。

经过多年研制工作，我国已经开发出EQ46高强度海洋平台用钢并开始批量供货，完全可以替代同级别进口钢材。但是，在这种高强度海洋平台用钢的配套焊接材料方面进度缓慢，国内未能及时配套研制焊接材料，大多依赖进口焊材，导致制造成本增加和建造周期较长。因此，尽快开发出满足海洋工程建造用的高端焊接材料具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术中存在的问题，本发明提供了一种用于460MPa级高强钢焊接的焊条，该焊条的熔敷金属化学成分、熔敷金属力学性能和扩散氢含量均能能满足460MPa级高强钢的焊接要求。

本发明提供了一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：34～48％，CaF₂：13～23％，TiO₂：4～9％，SiO₂：4～8％，Mn：2～7％，Si-Fe：4～10％，Ni：2～7％，Mo-Fe：0.5～2.5％，C：0.1～0.8％，Na₂CO₃：0.5～2％，CMC：0.5～2％，稀土金属或其氧化物：1～2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

作为优选地，上述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：48％，CaF₂：23％，TiO₂：4％，SiO₂：6％，Mn：2％，Si-Fe：4％，Ni：2％，Mo-Fe：0.5％，C：0.1％，Na₂CO₃：1.5％，CMC：0.5％，稀土金属氧化物：2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

作为优选地，上述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：45％，CaF₂：18％，TiO₂：5％，SiO₂：7％，Mn：3％，Si-Fe：4％，Ni：5％，Mo-Fe：2.5％，C：0.5％，Na₂CO₃：0.5％，CMC：2％，稀土金属氧化物：1.5％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

作为优选地，上述药皮中CaCO₃与CaF₂的重量比为1.5～2.5。

作为优选地，上述焊芯采用H08T碳钢钢芯，其化学成分占焊芯重量百分比为C:0.071％，Si:0.11％，Mn:0.42％，S:0.004％，P:0.005％，其余为铁。

本发明的这种用于高强钢焊接的焊条可用于海洋平台用460MPa级高强钢的焊接。

本发明中，CaCO₃的作用是造气、造渣，同时还能去除S、P；CaCO₃比例较高时，由于CaCO₃分解出的CO₂气体可增加电弧吹力，改善了电弧稳定性，有利于熔滴过渡，焊条端部马蹄状不明显，焊条具有良好的立焊操作性。但CaCO₃含量高于48％时，熔渣的流动性变差，焊道窄而粗糙，焊缝凸度增加，成型不美观；CaCO₃含量低于34％时，分解出的CO₂气体较少，对熔滴保护不充分，焊缝金属容易卷入气体，使焊缝中H₂和N₂增加，易产生裂纹等缺陷，同时分解产物CaO较少，导致脱硫、脱磷不充分，易形成结晶裂纹，同时焊缝金属冲击韧性急剧下降。综上所述，药皮中加入34％～48％的CaCO₃。

CaF₂主要作用是造渣，同时去除焊缝中[H]，需要控制CaF₂的加入量。CaF₂含量高于23％时，易导致药皮熔点降低，套筒变短，电弧吹力减小，稳定性变差，熔渣板结，不利于脱渣，CaF₂为反电离物质，而且氟与电子亲和力很大，极易夺取电弧中的电子，使得电弧中电子数量减少，电弧稳定性变差，同时，立焊时焊条端部容易产生马蹄形，使立焊操作困难；CaF₂含量低于13％时，去氢作用减弱，焊缝中[H]含量增加，造成氢脆，使焊缝金属塑性下降、形成白点、产生冷裂纹等，因此，将CaF₂含量控制在13％～23％。

碱性焊条的焊接工艺性能主要取决于CaCO₃/CaF₂的比例，为使焊条具有良好的工艺性能，控制CaCO₃/CaF₂的比例为1.5～2.5。

TiO₂的作用是使熔渣具有适当的熔点和粘度，使焊缝金属与熔渣之间具有较大的线膨胀系数之差，从而改善脱渣性；还可使熔渣凝固速度加快，形成短渣，有利于全位置焊接；此外，金红石(TiO₂)还具有良好的稳弧性，可明显降低飞溅。TiO₂含量低于4％时，TiO₂的热脱渣性作用不明显。TiO₂含量高于9％时，焊缝易裂，机械性能严重下降，因此，TiO₂含量控制在4～9％范围为宜。

药皮中加入适量SiO₂，电弧燃烧时SiO₂和CaCO₃分解的CaO结合可生成偏硅酸钙，在熔渣凝固过程中，α偏硅酸钙转化为β偏硅酸钙，由于二者膨胀系数不同，渣质松脆，使脱渣性大大提高，特别有利于坡口内脱渣。但SiO₂含量超过8％时，会使熔渣粘度过大，阻碍熔渣与液态金属间的传质作用，影响冶金反应充分进行，阻碍熔池内气体逸出，易产生气孔，同时，飞溅较大，爆炸声显著。而SiO₂含量低于4％时，熔渣粘度又过小，又会使熔渣覆盖不均匀，失去应有的保护作用，粘度过小还直接影响焊条的全位置施焊性。

药皮中加入硅铁主要是作脱氧剂，硅铁的加入可使焊缝成型美观，波纹细致；Si-Fe含量为4～10％，当药皮中Si-Fe含量低于4％时，脱氧不充分，焊缝中氧含量增加，焊缝金属冲击韧性和延伸率均降低，当药皮中Si-Fe含量高于10％时，焊缝金属强度剧增，韧性下降，同时焊缝金属石墨化严重，氧化生成SiO₂使渣的粘度增加，气体不易逸出。

而Mn是过渡合金，参与脱S反应，以及通过固溶强化，增加针状铁素体含量，提高焊缝金属强度和韧性的作用。Mn含量高于7％时，焊缝金属延展性、韧性变差；Mn含量低于2％时，针状铁素体极少，形成粗大铁素体晶粒，不能组织裂纹传播，达不到强化效果；

Mo-Fe的作用是提高焊缝金属强度，在一定范围内可调高低温冲击韧性。当Mo-Fe含量大于2.5％时，对冲击韧性极为不利，Mo-Fe含量低于0.5％时，强化效果不明显。

Ni是焊缝金属中重要的合金元素，能提高焊缝金属的低温韧性，降低韧脆转变温度，Ni本身还具有良好的耐腐蚀性能。而当Ni含量低于3％时，对提高铁素体基体韧性作用不大，不能获得良好的低温韧性，Ni含量高于6％时，易产生应力腐蚀裂纹，为了获得优良的低温韧性，药皮中加入了3％～6％Ni。

药皮中加入Na₂CO₃、CMC可有效改善焊条的压涂性能。

药皮中加入稀土元素的作用是净化焊缝，减少焊缝中非金属夹杂物，同时增强药皮还原性，提高合金元素的过渡系数，然而，稀土元素价格昂贵，加入量较少，因此，将其加入量控制在1～2％。

另外，本发明还提供了一种制备上述焊条的方法，包括如下步骤：

1)按照所述量称取药皮的各组分混合均匀；

2)将步骤1)所得的混合组分采用K:Na为2:1的水玻璃作为粘结剂粘合；

3)将步骤2)所得的粘合物由油压机涂覆于焊芯上，在自然环境晾晒至药皮干硬后，再放入烘干炉中加热至120℃保温两小时，继续加热至250℃保温两小时，再加热至360℃～380℃烘干两个小时。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种用于高强钢焊接的焊条采用CaO-CaF₂-TiO₂-SiO₂型碱性渣系，有利于合金元素过渡和去除O、N、S、P等有害杂质，焊条焊接工艺性能及力学性能良好，满足460MPa级高强钢焊接的要求，熔敷金属屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，熔敷金属夏比冲击KV₂(-40℃)≥100J，且焊条熔敷金属扩散氢的含量达到了超低氢的水平。

(2)本发明提供的这种用于高强钢焊接的焊条直径小，焊接工艺性能优良，适合全位置焊接。

(3)本发明提供的这种用于高强钢焊接的焊条不但具有良好焊接操作工艺性能，同时在大厚度、高拘束度条件下，具有良好的抗裂性能、良好的强韧综合性能和良好的耐腐蚀性能。

具体实施方式

实施例1：

本实施例具体提供一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：大理石(CaCO₃)：34％，萤石(CaF₂)：14％，金红石(TiO₂)：9％，硅微粉(SiO₂)：8％，电解锰(Mn)：7％，硅铁(Si-Fe)：10％，镍粉(Ni)：4.5％，钼铁(Mo-Fe)：2.5％，石墨(C)：0.5％，纯碱(Na₂CO₃)：1.0％，微晶纤维素(CMC)：1.0％，稀土金属(Re)：1.0％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

其中，焊芯为S、P含量较低的H08T碳钢钢芯，其化学成分占焊芯重量百分比为C:0.071％，Si:0.11％，Mn:0.42％，S:0.004％，P:0.005％，其余为铁。

按照下述步骤制备焊条：

1)按照上述量称取药皮的各组分混合均匀；

采用本实施例焊条的熔敷金属的化学成分如表1所示，焊条的熔敷金属化学成分的实际测量值均在保证值范围内。该焊条的熔敷金属力学性能如表2所示，焊条的熔敷金属力学性能的实际测量值均在保证值范围内。

采用本实施例焊条的对接接头力学性能如表3所示，焊条的对接接头力学性能的实际测量值均在保证值范围内。

采用本实施例焊条的熔敷金属扩散氢含量(水银法)如表4所示，经过多次实际检测，该焊条的熔敷金属扩散氢含量的实际值在保证值范围内。

本实施例焊条的CTOD(裂纹尖端张开位移)试验数据如表5所示，焊条的CTOD特征值大于0.15mm，指标满足设计要求。焊条斜Y试验数据如表6所示。

实施例2：

本实施例具体提供一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：大理石(CaCO₃)：42％，萤石(CaF₂)：18％，金红石(TiO₂)：7％，硅微粉(SiO₂)：4％，电解锰(Mn)：5％，硅铁(Si-Fe)：6％，镍粉(Ni)：7％，钼铁(Mo-Fe)：1.3％，石墨(C)：0.3％，纯碱(Na₂CO₃)：2％，微晶纤维素(CMC)：0.5％，稀土金属氧化物(ReO)：1.5％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

按照下述步骤制备焊条：

1)按照上述量称取药皮的各组分混合均匀；

实施例3：

本实施例具体提供一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：大理石(CaCO₃)：48％，萤石(CaF₂)：23％，金红石(TiO₂)：4％，硅微粉(SiO₂)：6％，电解锰(Mn)：2％，硅铁(Si-Fe)：4％，镍粉(Ni)：2％，钼铁(Mo-Fe)：0.5％，石墨(C)：0.1％，纯碱(Na₂CO₃)：1.5％，微晶纤维素(CMC)：0.5％，稀土金属氧化物(ReO)：2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

按照下述步骤制备焊条：

1)按照上述量称取药皮的各组分混合均匀；

实施例4：

本实施例具体提供一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：大理石(CaCO₃)：48％，萤石(CaF₂)：13％，金红石(TiO₂)：6％，硅微粉(SiO₂)：5％，电解锰(Mn)：4％，硅铁(Si-Fe)：8％，镍粉(Ni)：3.5％，钼铁(Mo-Fe)：1％，石墨(C)：0.8％，纯碱(Na₂CO₃)：0.8％，微晶纤维素(CMC)：1.5％，稀土金属氧化物(ReO)：2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

按照下述步骤制备焊条：

1)按照上述量称取药皮的各组分混合均匀；

实施例5：

本实施例具体提供一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，所述药皮由如下重量百分比的组分组成：大理石(CaCO₃)：45％，萤石(CaF₂)：18％，金红石(TiO₂)：5％，硅微粉(SiO₂)：7％，电解锰(Mn)：3％，硅铁(Si-Fe)：4％，镍粉(Ni)：5％，钼铁(Mo-Fe)：2.5％，石墨(C)：0.5％，纯碱(Na₂CO₃)：0.5％，微晶纤维素(CMC)：2％，稀土金属氧化物(ReO)：1.5％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

按照下述步骤制备焊条：

1)按照上述量称取药皮的各组分混合均匀；

表1:本发明各实施例焊条的熔敷金属的化学成分

表2：本发明各实施例焊条的熔敷金属力学性能

表3：本发明各实施例焊条的对接接头力学性能

表4：本发明各实施例焊条的熔敷金属扩散氢含量

表5:本发明各实施例焊条的CTOD试验数据

	厚度/mm	宽度/mm	δm/mm	缺口位置
					实验例1	15.96	31.92	0.560	焊缝中心
实验例2	15.86	31.86	0.565	焊缝中心
					实验例3	15.86	32.00	0.513	焊缝中心
实验例4	15.92	32.15	0.557	焊缝中心
					实验例5	15.89	31.09	0.504	焊缝中心

表6:本发明各实施例焊条斜Y试验数据

综上所述，本发明提供的这种用于高强钢焊接的焊条的熔敷金属的化学成分、力学性能、扩氢含量，以及对接接头力学性能，CTOD试验数据，斜Y试验数据均在保证值范围内，适用于460MPa级高强钢焊接工艺。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于高强钢焊接的焊条，包括焊芯和药皮，其特征在于：所述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：34～48％，CaF₂：13～23％，TiO₂：4～9％，SiO₂：4～8％，Mn：2～7％，Si-Fe：4～10％，Ni：2～7％，Mo-Fe：0.5～2.5％，C：0.1～0.8％，Na₂CO₃：0.5～2％，CMC：0.5～2％，稀土金属或其氧化物：1～2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的用于高强钢焊接的焊条，其特征在于：所述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：48％，CaF₂：23％，TiO₂：4％，SiO₂：6％，Mn：2％，Si-Fe：4％，Ni：2％，Mo-Fe：0.5％，C：0.1％，Na₂CO₃：1.5％，CMC：0.5％，稀土金属氧化物：2％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的用于高强钢焊接的焊条，其特征在于：所述药皮由如下重量百分比的组分组成：CaCO₃：45％，CaF₂：18％，TiO₂：5％，SiO₂：7％，Mn：3％，Si-Fe：4％，Ni：5％，Mo-Fe：2.5％，C：0.5％，Na₂CO₃：0.5％，CMC：2％，稀土金属氧化物：1.5％，余量为铁粉及不可避免的杂质。

4.如权利要求1或2或3所述的用于高强钢焊接的焊条，其特征在于：所述药皮中CaCO₃与CaF₂的重量比为1.5～2.5。

5.如权利要求1或2或3所述的用于高强钢焊接的焊条，其特征在于：所述焊芯采用H08T碳钢钢芯，其化学成分占焊芯重量百分比为C:0.071％，Si:0.11％，Mn:0.42％，S:0.004％，P:0.005％，其余为铁。

6.如权利要求1～5任一项所述的用于高强钢焊接的焊条的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照所述量称取药皮的各组分混合均匀；

3)将步骤2)所得的粘合物由油压机涂覆于焊芯上，在自然环境晾晒至药皮干硬后，再放入烘干炉中加热至120℃保温两小时，继续加热至250℃保温两小时，再加热至360℃～380℃烘干两个小时即可。

7.如权利要求1～5任一项所述的用于高强钢焊接的焊条的用途，其特征在于：所述焊条用于海洋平台用460MPa级高强钢的焊接。