本發(fā)明涉及焊接材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種9Ni鋼焊接用燒結(jié)焊劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，由于陸上石油資源的迅速銳減，海洋油氣開發(fā)已成為我國能源開發(fā)的熱點。天然氣作為一種清潔能源越來越受到重視，近年來LNG（液化天然氣）項目蓬勃發(fā)展，目前，國內(nèi)規(guī)劃有多個LNG項目工程，9Ni鋼以其優(yōu)良的低溫韌性和良好的焊接性被認(rèn)為時制造低溫壓力容器的優(yōu)良材料，LNG儲罐的內(nèi)罐材料無一例外的都采用了9Ni鋼。
對于9Ni鋼的焊接，國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，目前積累了一些經(jīng)驗，但尚需進一步完善和提高。9Ni鋼埋弧焊接用焊接材料以ERNiCrMo-4為主，目前處于全部依靠進口，國內(nèi)哈焊所、京群、安泰科技等單位雖然開展了相關(guān)研究，但還沒有成熟的產(chǎn)品。而目前，適用于要求較高低溫沖擊韌性9Ni鋼配套的埋弧焊劑的相關(guān)專利并不多，申請?zhí)?01010292568.7公開了一種9Ni鋼用燒結(jié)焊劑及其制造方法，該專利渣系、配套焊絲、適用范圍及熔敷金屬性能，與本專利均不一樣。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種與符合ASMEⅡSFA-5.14的ERNiCrMo-4鎳基光焊絲匹配，焊接工藝性較好，焊縫力學(xué)性能均良好，熔敷金屬超低溫韌性穩(wěn)定、優(yōu)良，抗熱裂紋敏感性好，適用于9Ni鋼埋弧平焊、橫焊的燒結(jié)焊劑。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種9Ni鋼焊接用燒結(jié)焊劑，按重量份數(shù)計，其組成為：CaF2：20~28份、MgO：23~33份、Al2O3：15~18份、CaO：8~12份、SiO2：4~10份、BaO：0.5~2份、TiO：0.5~2份、ZrO2：0.5~2份、合金：0.5~2.5份、水玻璃：15~20份；所述合金為硅鐵合金、錳硅合金或兩者的組合。
具體實施中，本發(fā)明所述焊劑各組分的加入方式如下： MgO以鎂砂的形式，CaF2以螢石的形式，Al2O3以α-氧化鋁的形式，SiO2以硅灰石的形式，CaO以硅灰石和大理石的形式，ZrO2以鋯英砂的形式，BaO以硫酸鋇的形式，TiO以金紅石的形式，合金以合金粉末的形式，水玻璃以鉀-鈉水玻璃的形式。本發(fā)明上述的一種9Ni鋼焊接用燒結(jié)焊劑，按重量份數(shù)計，其組成為：鎂砂23~33份、螢石20~28份、α-氧化鋁15~18份、硅灰石14~20份、大理石0.5~3份、鋯英砂1~3份、硫酸鋇0.3~1份、金紅石0.1~0.3份、合金0.1~0.5份、鉀-鈉水玻璃15~20份；所述合金為硅鐵合金、錳硅合金或兩者的組合。
上述水玻璃為模數(shù)為2.9、鉀：鈉為3:1的鉀-鈉水玻璃。
本發(fā)明的一種9Ni鋼焊接用燒結(jié)焊劑的制備方法為：按所述重量配比取各原料，將除水玻璃外的各粉料干混均勻，然后加入水玻璃濕混，造粒后，經(jīng)300~400℃低溫烘干，再經(jīng)660~750℃高溫?zé)Y(jié)，即得焊劑成品。
本發(fā)明主張將10-50目之間的焊劑顆粒作為成品焊劑，顆粒粒徑過大將會使焊接過程不穩(wěn)定，粒徑過小則對工況條件下的焊接過程有不利影響。
本專利所述焊劑具有以下特點：
（1）在原材料選擇方面，盡量選用P、S等雜質(zhì)元素含量較低的原材料（包括粉料和水玻璃），以減少S、P質(zhì)向熔敷金屬中的過渡，提高熔敷金屬的純凈度，有利有提高其低溫韌性。
（2）采用氟堿性CaF2-MgO- Al2O3-CaO-SiO2渣系。該渣系的特點是堿度高，能有效降低焊縫金屬非金屬夾雜物的含量，降低焊縫金屬氧含量，提高其低溫韌性。
（3）焊劑中含有一定量的鋯英砂。鋯英砂一方面可以改善脫渣性，一方面可以向焊縫金屬中過渡一定量的Zr，起到細化晶粒，提高焊縫金屬低溫韌性的作用。
（4）焊劑中含有較高的CaF2，氟化物和SiO2相互作用，可起到良好的脫氫效果。
（5）焊劑中加入一定量的大理石、硫酸鋇，可以提高電弧氣氛的氧化性，降低電弧氣氛的氫分壓，從而降低擴散氫。
焊劑中組分的設(shè)計依據(jù)如下：
MgO是一種強堿性氧化物，為熔渣主要組成部分。在堿性渣系中，它可以提高焊縫金屬的沖擊韌性。本發(fā)明研究結(jié)果表明MgO的含量不能超過33份，過多的MgO會增加熔渣的粘度，提高熔渣的凝固溫度，降低熔渣的流動性，嚴(yán)重影響焊縫的成型性。但MgO含量不能低于23份，過低的MgO一方面會造成焊劑熔點過低，導(dǎo)致焊縫成型不良，一方面會造成熔渣堿度過低，導(dǎo)致焊縫金屬的低溫韌性下降。
CaF2是堿性氧化物，為熔渣主要組成部分，在焊劑中屬于造渣劑和稀釋劑。熔融狀態(tài)的CaF2流動性較好，可以降低熔渣的粘度、熔點和表面張力，提高熔渣的流動性。另外，CaF2對降低焊縫金屬的擴散氫作用也比較明顯。本發(fā)明實驗結(jié)果表明，CaF2的含量不能低于20份，過低的含量容易造成鋪展較差，并焊縫金屬表面產(chǎn)生較多壓坑。另外，本發(fā)明的實驗結(jié)果表明，CaF2的含量不能超過28份，過高的CaF2的含量將會使熔渣粘度過低，造成焊道成型不良。
CaO是一種強堿性氧化物，為熔渣主要組成部分。可調(diào)節(jié)熔渣堿度，并且能有效提高焊劑抗大電流能力，改善熔渣表面張力和界面張力。本發(fā)明研究結(jié)果表明CaO的含量不能超過12份，過多的CaO會降低熔渣的流動性，使焊縫鋪展性變差；但CaO不能低于8份，過低的CaO導(dǎo)致焊劑堿度下降，會降低焊縫金屬的低溫韌性。
Al2O3是一種兩性氧化物，為焊劑的主要組成部分。在焊劑中是一種重要的玻璃體造渣材料，Al2O3是熔渣粘度的調(diào)節(jié)劑，能調(diào)整熔渣的流動性，具有增大熔渣表面張力的作用。本發(fā)明研究結(jié)果表明Al2O3的含量不能超過18份，過多的Al2O3會使焊縫中產(chǎn)生氣孔和麻點，但Al2O3不能低于15份，過低的Al2O3可使焊縫表明凹凸不平，影響焊縫成型。
SiO2是一種酸性物質(zhì)，主要作用是造渣，調(diào)整液態(tài)渣池的黏度和流動性，對焊縫的成型非常重要。本發(fā)明研究結(jié)果表明SiO2加入量大于10份時，焊縫金屬增硅較嚴(yán)重，焊縫金屬非金屬夾雜物增多，導(dǎo)致焊縫金屬低溫韌性下降，但SiO2的加入量不能小于4份，否則將導(dǎo)致焊縫成型不良。
ZrO2是一種酸性氧化物，具有負(fù)的線膨脹系數(shù)。在冷卻過程中體積變化，對渣殼順利剝離有正面作用，并且ZrO2可以調(diào)節(jié)渣池粘度，改善焊道成型，同時可以向焊縫金屬中過渡一定量的Zr，提高熔敷金屬的低溫韌性。
合金：主要為硅鐵、錳硅合金等，主要起到脫氧的作用。
水玻璃：主要作用是粘結(jié)粉體。水玻璃加入量小于所要求的最低量時，焊劑造粒過程中成粒效果變差；加入量過多時，會向配方中引入較多的SiO2，對焊劑工藝性產(chǎn)生不利影響。
有益效果：
本專利通過創(chuàng)新渣系開發(fā)出一種與對應(yīng)的埋弧焊絲配合，工藝性較好，適用于埋弧橫焊，低溫韌性好、抗熱裂紋敏感性好的燒結(jié)焊劑，且成本較低，具有較大的市場推廣前景和良好的經(jīng)濟效益。本發(fā)明技術(shù)方案實施后，所制造的焊劑有以下特點：
（1）焊劑工藝性良好，在較寬的工藝規(guī)范下，電弧穩(wěn)定，脫渣容易，焊道成型美觀。
（2）焊劑生產(chǎn)適應(yīng)性良好，焊劑顆粒度均勻。
（3）與實心焊絲ERNiCrMo-4配合，熔敷金屬成分穩(wěn)定，屈服強度大于430MPa，抗拉強度大于430MPa，延伸率大于35%，-196℃夏比沖擊功大于100J（側(cè)向膨脹量大于0.38），可滿足超低溫服役9Ni鋼的焊接。
（4）與實心焊絲ERNiCrMo-4配合，熔敷金屬抗熱裂紋敏感性優(yōu)。
（5）可適用與直流、交流焊接，焊縫成型良好。
（6）適用于埋弧平焊、橫焊位置焊接，橫焊位置焊接焊道間融合良好，焊縫成型良好。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計組分含量，給出了三個具體實施例，按照本發(fā)明所述的制備工藝制備實驗焊劑，三個實施例的具體成分配比見表1，需注意的是本發(fā)明并不局限于這些實施例。
本發(fā)明焊劑的主要原材料的化學(xué)成分要求如下表2：
將上述三個實施例制成的焊劑進行檢測。在焊接試驗前將焊劑經(jīng)過320~350℃烘焙1小時，然后分別匹配ERNiCrMo-4埋弧焊絲，以Φ2.4mm焊絲為例，焊接工藝參數(shù)為：焊接電源直流反接，焊接電流320~350A，焊接電壓28~30V，道間溫度100~150℃，測試結(jié)果如表3和表4所示。
本發(fā)明所提出的焊劑工藝性能優(yōu)良、擴散氫低，與實心焊絲ERNiCrMo-4配合，可滿足低溫深冷條件下服役的9Ni鋼平焊及橫焊位置的焊接。