CN116197573B

CN116197573B - 一种低碱度海洋工程根焊焊条

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Publication number: CN116197573B
Application number: CN202310459697.8A
Authority: CN
Inventors: 朱藤辉; 刘文利; 牛月军
Original assignee: Tianjin Yongchang Welding Wire Co Ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Current assignee: Tianjin Yongchang Welding Wire Co Ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2023-04-26
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2043-04-26
Also published as: CN116197573A

Abstract

本发明提供一种低碱度海洋工程根焊焊条，由药皮与焊芯组成，以重量百分比计，所述药皮包括大理石58%‑62%，萤石2%‑3%，氟化物5%‑8%，金红石10%‑15%，钛酸锂1%‑2%，钛白粉1%‑2%，硅微粉10%‑12%，铝粉1%‑2%，低碳锰铁4%‑8%，45%硅铁4%‑8%，CMC 1%‑1.5%。本发明的焊条兼具优秀的单面焊双面成型的根焊焊接工艺性能及优秀力学性能，抗拉强度≥550MPa，满足海洋环境‑40℃条件下低温冲击韧性KV₂≥50J的要求。本发明焊条具有良好的抗风性能，能够适用于海边及海上严苛的施工环境。

Description

一种低碱度海洋工程根焊焊条

技术领域

本发明属于焊条材料技术领域，尤其是涉及一种低碱度海洋工程根焊焊条。

背景技术

海洋是潜力巨大的资源宝库，我国海域辽阔，海洋油气资源丰富，开发潜力巨大。随着工业化的快速发展，我国对海洋资源的开发需求越来越强，海洋工程作为国家发展战略重要板块不言而喻。

由于海洋石油平台结构庞大而复杂，不断经受暴风、恶浪、潮流等外部载荷的侵袭，而且处在严寒、酷暑、海水腐蚀等恶劣的海洋环境中，海工产品要适应恶劣的自然环境及较长的使用年限，不能随时进行大修，因此，对建造的质量要求极其严格。海工管道焊接通常用根焊焊条打底，其他焊材填充盖面。对海工用管道根焊焊条的要求除了满足出色的单面焊双面成型工艺之外，其焊接接头还需满足海洋环境-40℃条件下低温冲击韧性KV₂≥50J的要求，技术难度大。同时，海工施工环境大气湿度大，对焊接接头扩散氢的含量有严苛的要求。

焊条一般可分为碱性焊条和酸性焊条。碱性焊条熔渣碱度一般在1.5以上，其熔敷金属中扩散氢含量低，具有良好的力学性能和抗裂性能，因此在海洋工程实际应用中常使用碱性焊条。但高碱性根焊焊条焊接工艺性性能均很差，焊接电弧、熔滴过渡不稳定，渣系浸润性差，从而影响焊接操作和焊后性能。酸性焊条熔渣碱度一般在0.5以下，其焊接工艺性能好，电弧稳定，但熔敷金属中扩散氢含量相对碱性焊条较高，低温冲击韧性极低，不能适应海洋工程管道焊接需求。

两者在焊接工艺性和焊缝力学性能方面无法达到平衡，因此有必要开发一种能够适应风大潮湿的海边及海上施工环境、能够同时满足焊接工艺性能和焊缝力学性能的海工用低碱度根焊低氢型焊条。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种低碱度海洋工程根焊焊条，有效的解决现有技术中高碱性根焊焊条焊接工艺性性能均很差，焊接电弧、熔滴过渡不稳定，渣系浸润性差；酸性焊条熔敷金属中扩散氢含量相对碱性焊条较高，低温冲击韧性极低，不能适应海洋工程管道焊接需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种低碱度海洋工程根焊焊条，由药皮与焊芯组成，以重量百分比计，所述药皮包括大理石58%-62%，萤石2%-3%，氟化物5%-8%，金红石10%-15%，钛酸锂1%-2%，钛白粉1%-2%，硅微粉10%-12%，铝粉1%-2%，低碳锰铁4%-8%，45%硅铁4%-8%，CMC 1%-1.5%。

进一步的，所述氟化物包括氟化钡、氟铝酸钾以及氟化稀土。

进一步的，所述氟化钡、氟铝酸钾以及氟化稀土在所述药皮中的占比分别为氟化钡0.5-1.5%、氟铝酸钾3-6%以及氟化稀土 0.5-1.5%。

进一步的，所述焊芯包括如下质量百分比的组分，C≤0.10%，Mn：0.40-0.60%，Si≤0.030%，S≤0.015%，P≤0.015%，Ni≤0.10%，Cr≤0.10%，Cu≤0.10%，余量为Fe。

进一步的，所述焊条的熔渣碱度为1.0-1.5。

本发明的另一目的在于提供一种如上所述的低碱度海洋工程根焊焊条在海洋工程用管道根焊的应用。

采用上述技术方案，得出的焊条具有良好的焊接工艺性，在焊接时，电弧吹力大，可满足单面焊双面成型的根焊要求，电弧稳定，电弧正面及背面成型平整，易脱渣。

采用上述技术方案，得出的焊条具有良好的抗风性能，能够适用于海边及海上严苛的施工环境，且在满足出色的单面焊双面成型的根焊焊接工艺性能的同时，抗拉强度≥550MPa，满足海洋环境-40℃条件下低温冲击韧性KV₂≥50J的要求。

采用上述技术方案，得出的焊条扩散氢含量低，即使在潮湿环境下也可达到4ml/100g以下。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

除非另有定义，下文中所使用的的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的的专业术语只是为了描述具体实施例和对比例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。应当特殊说明的是对于同一种有机物结构可能有多种名称，只要其结构在本专利范围内都属于本专利的保护对象。

除非另有定义，以下实施例中和对比例中的原料、试剂等都可以从市场上够买所得或根据已报导的方法制备所得。

一种低碱度海洋工程根焊焊条，由药皮与焊芯组成，以重量百分比计，药皮包括大理石58%-62%，萤石2%-3%，氟化物5%-8%，金红石10%-15%，钛酸锂1%-2%，钛白粉1%-2%，硅微粉10%-12%，铝粉1%-2%，低碳锰铁4%-8%，45%硅铁4%-8%，CMC 1%-1.5%。

药皮的配方设计是决定焊条性能的主要因素，其中药皮的重要成分作用原理如下：

大理石起到造渣造气的作用。其调整熔渣的粘度形成更好的渣壳保护熔敷金属，提高焊缝冲击韧性；大理石在电弧高温下分解出气体，形成电弧吹力，在管道根焊时有助于熔渣和铁水穿透焊缝，形成单面焊双面成形；但含量过高会造成熔滴大颗粒过度，降低电弧稳定性，飞溅增大，使焊接工艺性变差。

萤石作为造渣剂，其主要成分CaF₂在高温时与氢结合形成氟化氢，从而降低了焊缝中的含氢量；同时，CaF₂可以改善熔渣的物化性能，改善熔渣粘度和凝固速度，但萤石过多会降低电弧稳定性。

其中，氟化物包括氟化钡、氟铝酸钾以及氟化稀土，其在药皮中的占比分别为氟化钡0.5-1.5%、氟铝酸钾3-6%以及氟化稀土 0.5-1.5%。

氟化钡和其它氟化物协同添加主要是调整渣的熔点以及降低扩散氢；适量氟化钡的添加改善了渣的流动性，在立焊时，渣能快速凝固，避免铁水下淌，可得到良好的焊缝成型。

氟铝酸钾代替萤石，与氢结合形成氟化氢，降低了焊缝中的含氢量，在电弧过程中电离的钾离子能稳定电弧，较萤石具有更好的焊接电弧稳定性，但是过多加入会造成药皮熔化过快，药皮套筒短，焊接粘条。

加入氟化稀土降低细化焊缝晶粒，有利于得到细晶铁素体组织，净化焊缝金属，提高焊缝冲击韧性，同时稀土还有降低扩散氢的作用，提高了焊缝低温冲击韧性。

金红石为造渣剂，可以使熔渣变成短渣，有利于焊条的全位置焊接，增加电弧稳定性，增加熔渣的流动性，改善熔渣的物理性能，有利于正面、背面焊缝脱渣。

钛白粉的添加有利于在熔渣反应过程中，焊缝在凝固过程中适量的TiO₂有利于促进形成针状铁素体形核，提高了焊缝低温冲击韧性。另外，钛白粉是很好的粘塑剂，提高焊条压涂性能。

锂为低电离物质，钛酸锂在电弧作用下分解，使提高电弧稳定性稳定，有效解决了高大理石含量带来的电弧不稳定、熔滴大过渡不均匀难题。

硅微粉的加入形成了玻璃态熔渣，有利于实现单面焊双面成形工艺，硅微粉优化熔滴过渡方式，细化熔滴，增加电弧稳定性，进而提高焊条工艺性能。

铝粉的添加大大提高了吹力，稳定电弧，焊缝中过多Al会形成块状铁素体，性能急剧下降。

低碳锰铁作为脱氧剂脱氧，同时可与熔敷金属中的硫反应来降低硫的含量，提高焊缝抗拉强度和韧性。与其他锰合金相比，低碳锰铁焊接电弧更加稳定；但加入过高会因为淬透性增强而使焊缝韧性降低。

45％硅铁调节铁水流动性，在根焊过程中有利于铁水向焊缝背面浸润，形成良好的背面成形，同时与低碳锰铁联合脱氧；但加入过高会使焊缝韧性降低。

CMC是有机物，适量加入CMC可提高焊条的压涂性能，同时提高电弧吹力及电弧集中性，加入过多反而恶化压涂性能。

焊芯包括如下质量百分比的组分，C≤0.10%，Mn：0.40-0.60%，Si≤0.030%，S≤0.015%，P≤0.015%，Ni≤0.10%，Cr≤0.10%，Cu≤0.10%，余量为Fe。

根据熔渣碱度计算公式对熔渣的碱度进行计算，得出使用上述配方配制出的低碱度海洋工程根焊焊条的熔渣碱度为1.0-1.5，利用热导法对该焊条的熔敷金属的扩散氢含量进行测定，得出其扩散氢含量≤4ml/100g。

上述低碱度海洋工程根焊焊条的熔敷金属的抗拉强度≥550MPa，屈服强度≥460MPa，-40℃冲击功≥50J。

上述技术方案制备得到的焊条用于低碱度海洋工程根焊焊条的生产应用。

相对于现有技术，本发明提供的一种低碱度海洋工程根焊焊条具有以下优势：

（1）本发明的焊条具有良好的焊接工艺性，焊接时，电弧吹力大，可满足单面焊双面成型的根焊要求，电弧稳定，电弧正面及背面成型平整，易脱渣。

（2）本发明的焊条具有良好的抗风性能，能够适用于海边及海上严苛的施工环境。

（3）本发明的焊条扩散氢含量低，即使在潮湿环境下也可达到4ml/100g以下。

（4）本发明的焊条具有良好的力学性能，在满足出色的单面焊双面成型的根焊焊接工艺性能的同时，抗拉强度≥550MPa，满足海洋环境-40℃条件下低温冲击韧性KV₂≥50J的要求。

下面列举几个具体实施例：

实施例1

一种低碱度高强钢根焊焊条，由药皮和焊芯组成。以重量百分比计，取58%的大理石，2%的萤石，14%的金红石，1%的钛酸锂，1%的钛白粉，12%的硅微粉，2%的铝粉，5%的低碳锰铁，7%的45%硅铁，1.0%的CMC，0.6%的氟化钡，6%的氟铝酸钾和0.6%的氟化稀土作为药皮的原料，将药皮和焊芯按照焊条的公知制备方法制成本实施例的低碱度高强钢根焊焊条。

对上述焊条进行管道立向上根焊操作，焊接工艺性良好：电弧稳定，在有风条件下电弧吹力大且集中，套筒熔化均匀，焊后观察发现焊道正面和背面成型非常美观，实现了较好的单面焊双面成型。

对焊条熔渣进行碱度计算，得出其熔渣碱度=1.35。因此，本实施例焊条相比现有技术中的用于管道根焊的焊条碱度较低，属于低碱度焊条。

实施例2

一种低碱度高强钢根焊焊条，由药皮和焊芯组成。以重量百分比计，取62%的大理石，3%的萤石，10%的金红石，2%的钛酸锂，2%的钛白粉，10%的硅微粉，1%的铝粉，8%的低碳锰铁，5%的45%硅铁，1.5%的CMC，1.5%的氟化钡，3%的氟铝酸钾和1.5%的氟化稀土作为药皮的原料，将药皮和焊芯按照焊条的公知制备方法制成本实施例的低碱度高强钢根焊焊条。

对焊条熔渣进行碱度计算，得出其熔渣碱度=1.21。因此，本实施例焊条相比现有技术中的用于管道根焊的焊条碱度较低，属于低碱度焊条。

实施例3

一种低碱度高强钢根焊焊条，由药皮和焊芯组成。以重量百分比计，取61%的大理石，3%的萤石，13%的金红石，1.5%的钛酸锂，1%的钛白粉，10%的硅微粉，1%的铝粉，6%的低碳锰铁，6%的45%硅铁，1.5%的CMC，1.5%的氟化钡，4%的氟铝酸钾和0.8%的氟化稀土作为药皮的原料，将药皮和焊芯按照焊条的公知制备方法制成本实施例的低碱度高强钢根焊焊条。

对焊条熔渣进行碱度计算，得出其熔渣碱度=1.20。因此，本实施例焊条相比现有技术中的用于管道根焊的焊条碱度较低，属于低碱度焊条。

对比例1

一种高碱度根焊焊条，由药皮和焊芯组成。以重量百分比计，取47%的大理石，13%的萤石，2%的石英，5%的中碳锰铁，4%的45%硅铁，2%的钛铁，5%的重烧镁砂，2%的金云母，2%的纯碱。将药皮和焊芯按照焊条的公知制备方法制成碱性药皮焊条。对焊条熔渣进行碱度计算，得出其熔渣碱度=2.05。

对上述焊条进行管道立向上根焊操作，焊接电弧散不稳定不集中，不能抗风焊接，熔滴大过渡不均匀。套筒熔化均匀性欠佳，背面焊道不能完全成型，根焊效果差。

对比例2

一种高碱度根焊焊条，由药皮和焊芯组成。以重量百分比计，取54%的大理石，9%的萤石，8%的石英，5%的金红石，5%的钛铁，6%的中碳锰铁，6%的45%硅铁，5%的菱苦土，2%的碳酸钠。将药皮和焊芯按照焊条的公知制备方法制成碱性药皮焊条。对焊条熔渣进行碱度计算，得出其熔渣碱度=1.82。

对上述焊条进行管道立向上根焊操作，焊接电弧散不稳定，不能抗风焊接，熔滴大过渡不均匀。套筒熔化尚可，焊道背面成型不整齐不美观，根焊效果较差，较对比例1稍好。

表1 实施例、对比例焊条熔敷金属的力学性能

表2 实施例、对比例焊条熔敷金属的扩散氢含量

如表1和表2所示，采用本技术方案制备得出的焊条为低碱度焊条，且其抗拉强度、屈服强度、冲击吸收能以及在模拟的海洋环境温度和湿度的情况下均能够满足在海洋工程中进行使用。

应当说明的是，以上内容仅是对本发明的实施例，本领域技术人员根据本发明的主要思想和有关内容进行适当的修改和变更所产生的内容也应该属于本发明权利要求的保护范围。而且本发明中涉及的专业术语和其他材料仅是为了明确阐述本发明的优势和效果，不应作为本发明创新性的限制。以上实施例是针对本发明实际应用效果的一部分说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡是本领域人员在本发明的基础上所做出的的改进和替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种低碱度海洋工程根焊焊条，由药皮与焊芯组成，其特征在于：以重量百分比计，所述药皮包括大理石58%-62%，萤石2%-3%，氟化物5%-8%，金红石10%-15%，钛酸锂1%-2%，钛白粉1%-2%，硅微粉10%-12%，铝粉1%-2%，低碳锰铁4%-8%，45%硅铁4%-8%，CMC 1%-1.5%；所述焊条的熔渣碱度为1.0-1.5。

2.根据权利要求1所述的一种低碱度海洋工程根焊焊条，其特征在于：所述氟化物包括氟化钡、氟铝酸钾以及氟化稀土。

3. 根据权利要求2所述的一种低碱度海洋工程根焊焊条，其特征在于：所述氟化钡、氟铝酸钾以及氟化稀土在所述药皮中的占比分别为氟化钡0.5-1.5%、氟铝酸钾3-6%以及氟化稀土 0.5-1.5%。

4.根据权利要求1所述的一种低碱度海洋工程根焊焊条，其特征在于：所述焊芯包括如下质量百分比的组分，C≤0.10%，Mn：0.40-0.60%，Si≤0.030%，S≤0.015%，P≤0.015%，Ni≤0.10%，Cr≤0.10%，Cu≤0.10%，余量为Fe。

5.一种如权利要求1所述的低碱度海洋工程根焊焊条在海洋工程用管道根焊的应用。