CN105643137A

CN105643137A - 9Ni钢气保焊用药芯焊丝及焊缝金属

Info

Publication number: CN105643137A
Application number: CN201410730435.1A
Authority: CN
Inventors: 潘登
Original assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-08

Abstract

本发明公开了一种9Ni钢气保焊用药芯焊丝及焊缝金属，焊丝由金属外皮及内部药粉组成，以重量百分比计，药粉包括：钼粉5-25%，铬铁5-20%，锰铁粉0.50-10.0%，钛铁粉1.0-10%，氟化钾1.0-10%，碳酸钠0.2-1.5%，氧化钾0.1-1.5%，余下为其它合金。采用Ar+CO2混合保护气体保护焊制得的焊接接头的焊缝金属成分包括：C≤0.05%，Si0.05-0.25%，Mn1.0-3.5%，P≤0.008%，S≤0.005%，Cr5-15%，Mo5-20%，Fe5-12%，Nb≤0.01%，余量为Ni，其抗拉强度≥700MPa，-196℃冲击韧性≥100J。

Description

9Ni钢气保焊用药芯焊丝及焊缝金属

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别是涉及一种低温9Ni钢用气体保护焊接用药芯焊丝及焊缝金属。

背景技术

随着传统化石能源资源的逐渐减少，以液化天然气（LNG）为代表的清洁能源受到了广泛关注，其在能源消耗结构中的比例逐渐提高，因此带动了LNG储存和运输装备的发展。LNG储罐一般在-162℃的低温条件下使用，用于储存的罐体通常采用9Ni钢制造。

目前罐体建造中，一般采用手工电弧焊、TIG和埋弧焊进行9Ni钢的建造焊接，手工焊条有美标AWS5.11NiCrFe-2,NiCrMo-6,NiCrFe-9和NiMo-8四个牌号，埋弧焊丝有AWSA5.14NiCrMo-3和NiMo-8两个牌号。

药芯焊丝气体保护焊可实现全位置焊接，且焊接效率高，因此在造船等领域逐渐取代了手工焊条电弧焊。但由于药芯焊丝气体保护焊接接头相比较于其它焊接方法得到的焊接接头含有较高的氧含量，会增加镍基系焊缝金属的高温裂纹敏感性，并降低低温韧性，从而影响焊接接头质量，限制了药芯焊丝气保焊在9Ni钢中的应用。

截至目前，鲜有9Ni钢用气保焊接用药芯焊丝应用的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于9Ni气体保护焊用的药芯焊丝及焊缝金属，使用该焊丝制得的焊缝金属的抗拉强度≥700MPa，-196℃≥100J，可实现全位置焊接，焊道成型良好，无缺陷。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

药芯焊丝由金属外皮和内部芯料卷制而成；金属外皮，以重量百分比计，包括：C≤0.03%，Ni20-80%，S≤0.01%，P≤0.01%，余量为其它合金及不可避免杂质；所述药粉包括：钼粉5-25%，铬铁5-20%，锰铁粉0.50-10.0%，钛铁粉1.0-10%，氟化钾1.0-10%，碳酸钠0.2-1.5%，氧化钾0.1-1.5%，其它氧化物和氟化物0.5-5.5%，其它合金5-25%。

镍基合金系焊缝金属在焊接后的冷却过程中常常发生由于元素偏析导致的高温裂纹。近年来的研究结果表明，裂纹敏感性与焊缝金属的脆性凝固温度区域（BTR）有关，且用其大小来预测高温裂纹敏感性，准确率较高。

BTR(K)=38.7+358.7*C+29.3*Si-0.3*Mn+212.7*P+330.8*S+2.6*Cr+1.0*Mo+14.5*Nb+2.9*Fe，其中元素含量采用重量百分比，BTR数值大说明裂纹敏感性大。

C，P和S的敏感性系数是最大的三个，因此药芯焊丝和焊缝金属中要严格控制其含量，以抑制焊接裂纹产生，提高焊接质量；

同时，在进行合金化设计来提高焊缝金属强度和低温韧性的同时，要避免采用Si和Nb的合金设计。

药芯焊丝内部芯粉配比及含量说明如下：

添加钼粉可有效提高焊缝金属的强度和低温韧性，机理是通过降低奥氏体相转变温度和细化转变组织。同时钼添加也有利于降低热裂纹敏感性，提高焊接接头质量，其优选比例是5-25%。

添加铬铁粉主要用于提高焊缝金属强度，与钼的合理搭配是控制焊缝金属强度和低温冲击韧性的关键，其优选比例是5-20%，且其含量不得高于钼粉。

添加锰铁粉是进一步提高焊缝金属中的Mn含量，达到提高强度和韧性的目的。同时锰和镍是扩大奥氏体区元素，添加一定比例的锰有利于稳定焊缝金属的奥氏体组织，其优选比例是0.5-5.0%。

添加钛铁粉，是利用Ti元素在焊接熔池中发生冶金反应、形成高熔点的熔渣，从而提高其全位置焊接的焊接工艺性能；一方面来确保无气孔和夹渣，另一方面来提高焊道的表面质量，优选其含量是1.0-10.0%。

添加氟化钾主要用于产生氟离子，并与焊接过程中的氢离子发生反应，以降低焊缝金属的残余氢，优选其含量是1.0-10.0%。

添加氧化钾和碳酸钠主要用于控制电弧稳定性，优选含量分别是0.2-1.5%和0.1-1.5%。

采用上述焊丝制得的气保焊接的焊缝金属的元素及含量说明如下：

C，P，S和Nb都是杂质、或是母材金属稀释引入的，其含量分别是低于0.05%，0.008%，0.005%和0.01%。

Ti主要用于焊接熔池脱氧，对于控制熔滴形态、熔深和焊道表面质量有重要影响，当含量高于1.0%时，焊缝金属粘度较大，流行性降低，不利于焊接质量控制，成型性能降低；当其含量低于0.05时，焊缝金属的流动性较好，不利于仰焊和立向下焊。因此，优选其含量是0.05-1.0%。

Si主要用于和Ti对焊接熔池进行联合脱氧，对于改善焊缝金属流动性、熔滴过度行为和渣层结构有影响，当Si含量过高时不利于热裂纹敏感性控制，但是低于0.05%时则不利于焊道表面的脱渣，优选其含量为0.05-0.25%。

Mn主要用于强化焊缝金属，与Ni同属奥氏体区扩大元素，可部分取代Ni添加，由于其价格是Ni的1/6之一，因此从成本角度来说，添加Mn来取代Ni有优越性；但同时，Mn，Si和Ti共同决定了焊缝金属脱氧、熔滴过度行为和渣层结构，对焊接工艺性能有直接影响，因此优选其含量为0.8-3.5%。

Cr和Mo用于强化焊缝金属，属铁素体区扩大元素，两者和Ni对焊缝金属的凝固行为、相转变和偏析有重要影响；前两者不利于低温韧性和热裂纹敏感性，而后者价格昂贵，前两者的含量和比例决定了焊缝金属的强度、韧性和热裂纹敏感性，优选含量分别为8-3.5%和5-12%。

Fe是由母材焊接稀释引入的，优选含量为5-12%。

其它合金0.5-5.0%，用于进一步增加焊缝金属强度，增加焊接工艺性能。

本发明药芯焊丝的金属外皮经冶炼、连铸和轧制等工序制成；然后按比例要求配制药粉，并用金属皮将药粉包裹、卷制、拉拔成一定直径的焊丝；然后进行气保焊接试验、即可制得焊缝金属，可实现全位置焊接，且焊缝金属的强度和低温韧性优异。

与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：

1.给低温9Ni钢提供了一种可实现全位置气保焊接的药芯焊丝，焊接质量稳定可靠；

2.采用高合金含量的外部包皮、C，S和P的严格控制、钛铁合金粉料添加，通过缩小脆性转变温度区间和TiO₂系高熔点熔渣设计，实现了全位置焊接，且焊接质量良好、焊道表面质量好；

3.得益于Mo-Cr-Mn合金设计，使得焊缝金属的抗拉强度≥700MPa，-196℃冲击韧性≥90J，实现了焊材与母材钢板的等强度匹配。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

采用厚度0.8mm的金属外皮，其化学成分含有：C0.01%，Ni52%，S0.003%，P0.006%，余量为不可避免杂质。

所述药粉包括：钼粉24%，铬铁19%，锰铁粉5.5%，钛铁粉4.5%，氟化钾2.1%，碳酸钠1.1%，氧化钾0.8%，余下为Fe及其它合金。

经过填充、卷制、拉拔成直径1.2mm的焊丝。

试验母材为20mm厚的9Ni钢板，其屈服强度588MPa，抗拉强度726MPa，-196℃冲击功为122J。

采用上述焊丝和母材开展焊接裂纹敏感性评价试验，具体参数如下：

（1）焊接坡口为单边V型，角度为60°，钝边10mm，坡口间隙为2mm；

（2）无预热，平焊，干伸长20mm，保护气体为Ar+20%CO2混合气体；

（3）焊接电流分别为160，200，240，280，320和360A；焊接速度8，16，24，32，40，48和56cm/min。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷；同时从焊缝表面往下1mm，2mm位置处切片进行金相观察，未发现裂纹等缺陷。

实施例2：

采用厚度0.8mm的金属外皮，其化学成分含有：C0.01%，Ni60%，S0.003%，P0.006%，Cr18%，余量为不可避免杂质。

所述药粉包括：钼粉20%，铬铁8%，锰铁粉6.5%，钛铁粉6%，氟化钾2.4%，碳酸钠0.9%，氧化钾0.9%，二氧化钛3.5%，余下为其它合金。

经过填充、卷制、拉拔成直径1.2mm的焊丝。

试验母材为30mm厚的9Ni钢板，其屈服强度585MPa，抗拉强度726MPa，延伸率21%，-196℃冲击功为128J。

采用气体保护焊接工艺，焊接坡口为双边V型，角度为40°，无预热，层间温度≤200℃，立向上焊，多道多层焊；焊接电流170A，焊接速度7.8cm/min，保护气体为Ar+20%CO₂混合气体。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊缝金属的抗拉强度为736MPa，-196℃冲击功为106J。

实施例3：

采用厚度0.6mm的金属外皮，其化学成分含有：C0.015%，Ni55%，S0.004%，P0.007%，Cr6%，Mn1.6%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述药粉包括：钼粉23%，铬铁10%，锰铁粉3.5%，钛铁粉9.0%，氟化钾3.8%，碳酸钠0.6%，氧化钾1.2%，二氧化钛3.2%，余下为其它合金。

经过填充、卷制、拉拔成直径1.2mm的焊丝。

试验母材为38mm厚的9Ni钢板，其屈服强度576MPa,抗拉强度718MPa，-196℃冲击功为138J。

采用气体保护焊接工艺，焊接坡口为双边V型，角度为45°，无预热，层间温度≤200℃，立向下焊，多道多层焊；焊接电流165A，焊接速度7.2cm/min，保护气体为Ar+20%CO2混合气体。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊缝金属的抗拉强度为726MPa，-196℃冲击功为112J。

实施例4：

采用厚度0.8mm的金属外皮，其化学成分含有：C0.015%，Ni35%，S0.004%，P0.006%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述药粉包括：钼粉19%，铬铁16%，锰铁粉8%，钛铁粉9.0%，氟化钾7.2%，碳酸钠0.6%，氧化钾1.5%，其它氧化物和氟化物4.5%，余下为铁粉及其它合金。

经过填充、卷制、拉拔成直径1.2mm的焊丝。

试验母材为24mm厚的9Ni钢板，其屈服强度592MPa，抗拉强度754MPa，-196℃冲击功为126J。

采用气体保护焊接工艺，焊接坡口为双边V型，角度为45°，无预热，层间温度≤200℃，平焊，多道多层焊；焊接电流260A，焊接速度12.6cm/min，保护气体为Ar+20%CO2混合气体。

焊后放置48小时，然后超声探伤，未发现缺陷。

经检验：焊缝金属的抗拉强度为736MPa，-196℃冲击功为116J。

通过以上实施例可知，采用本发明药芯焊丝、利用气体保护焊接制得的焊缝金属，抗拉强度≥700MPa，-196℃冲击韧性≥100J，可满足于低温LNG储罐用9Ni钢的焊接制造，克服了高温裂纹敏感性和低温韧性不足的技术难题。

Claims

1.一种9Ni钢气保焊用药芯焊丝，包括金属外皮及内部药粉，其特征在于：以重量百分比计，金属外皮成分包括：C≤0.03%，Ni20-60%，S≤0.01%，P≤0.01%，余量为其它合金及不可避免杂质；内部药粉包括：钼粉5-25%，铬铁5-20%，锰铁粉0.50-10.0%，钛铁粉1.0-10%，氟化钾1.0-10%，碳酸钠0.2-1.5%，氧化钾0.1-1.5%，余下为其它合金。

2.一种9Ni钢气保焊用药芯焊丝的焊缝金属，其特征在于：以重量百分比计，焊缝金属的化学成分包括：C≤0.05%，Si0.05-0.25%，Mn0.8-3.5%，P≤0.008%，S≤0.005%，Cr5-15%，Mo5-12%，Fe5-12%，Nb≤0.01%，其它合金0.5-5.0%，余量为Ni。

3.根据权利要求2所述的药芯焊丝的气保焊的焊缝金属，其特征在于：抗拉强度≥700MPa，-196℃冲击韧性≥100J。