本發(fā)明涉及焊接材料領(lǐng)域，具體涉及一種lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液化天然氣（lng）用量每年以10%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，天然氣將成為我國(guó)在煤和石油之后的第三大能源。儲(chǔ)存和運(yùn)輸lng所用低溫9ni鋼已成為鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的又一個(gè)焦點(diǎn)。從2008年開(kāi)始，在國(guó)家發(fā)改委等部門支持下，鞍鋼、南鋼及太鋼等國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)陸續(xù)成功研發(fā)出國(guó)產(chǎn)低溫9ni鋼，打破了9ni鋼長(zhǎng)期進(jìn)口現(xiàn)象，加速了我國(guó)lng工業(yè)的發(fā)展。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)lng進(jìn)口量將達(dá)到4400萬(wàn)噸，甚至更多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)lng技術(shù)發(fā)展較快，9ni鋼取代ni-cr不銹鋼已成為建造lng低溫儲(chǔ)罐的主要材料，已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化并且技術(shù)日益成熟，lng儲(chǔ)罐已實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)和建造，但與9ni鋼配套的焊材還需長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口，從設(shè)計(jì)院到承建方一致要求加快9ni鋼配套焊材的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度。9ni鋼配套焊材的國(guó)產(chǎn)化，不僅能降低lng工程造價(jià)，縮短采購(gòu)周期，提高施工效率，更重要的是推動(dòng)lng儲(chǔ)罐技術(shù)和整個(gè)行業(yè)的全面國(guó)產(chǎn)化。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展9ni鋼配套焊材研制研究，主要集中在enicrmo-6焊條的研制，但都存在不同程度的缺點(diǎn)，在實(shí)際工程上應(yīng)用很少。為了順應(yīng)國(guó)內(nèi)9ni鋼國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)和滿足lng儲(chǔ)罐市場(chǎng)對(duì)焊材迫切需求，同時(shí)打破國(guó)外技術(shù)和市場(chǎng)封鎖，研發(fā)出一種工藝性良好和低溫塑性、韌性兼?zhèn)涞膌ng結(jié)構(gòu)及船用焊條顯得非常必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條及其制備方法，制備的焊條焊縫成形良好，能較好地適應(yīng)lng結(jié)構(gòu)及船用建造現(xiàn)場(chǎng)的使用工況。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案為：lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條，該焊條包括鎳基焊芯及包覆在焊芯表面的藥皮，組成鎳基焊芯的化學(xué)成分及百分比含量為：c：≤0.10%，si：≤0.10%，mn：≤0.10%，cu：≤0.10%，mg：≤0.10%，s≤0.005%，fe：≤0.40%，ni+co：≥99.5%，各成分總量為100%。

優(yōu)選的，藥皮中原料的成分及其重量百分比含量依次為：caco3：18~20%，caf2：10~12%，tio2：4~6%，al2o3：4~6%，鋯英砂：1~2%，cmc：0.5~1%，k2co3：0.5~1%，cr：28~30%，mo：8~11%，mn：5~7%，硅鐵：4~6%，鉬鐵：3~5%，鈮鐵：2~3%，各成分總量為100%；其中，藥皮中還添加有粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的添加量為藥皮中原料總重量的20~25%。

其中，所述的粘結(jié)劑采用純鉀水玻璃，其化學(xué)成分為：k2o≥12，sio2≥25，s≤0.005，p≤0.005。

本發(fā)明中，caco3以大理石的形式，caf2以螢石的形式，tio2以金紅石形式加入，al2o3以α-al2o3的形式。

lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按照以下元素組分及百分比含量進(jìn)行配料：c：≤0.10%，si：≤0.10%，mn：≤0.10%，cu：≤0.10%，mg：≤0.10%，s≤0.005%，fe：≤0.40%，ni+co：≥99.5%，將所有組分熔煉后，進(jìn)行鍛造、軋制、拉拔、切絲，制得鎳基焊芯，備用；

步驟二、按照以下組分及百分比含量為目標(biāo)配比：caco3：18~20%，caf2：10~12%，tio2：4~6%，al2o3：4~6%，zrsio4：1~2%，cmc：0.5~1%，k2co3：0.5~1%，cr：28~30%，mo：8~11%，mn：5~7%，硅鐵：4~6%，鉬鐵：3~5%，鈮鐵：2~3%，計(jì)算所要加入的大理石、螢石、金紅石、α-al2o3、鋯英砂、羧甲基纖維素、碳酸鉀、金屬鉻粉、金屬鉬粉、金屬錳、硅鐵、鉬鐵、鈮鐵的量，并按照計(jì)算結(jié)果稱取各物料；混合攪拌干混均勻后，先加入物料總重量的2.5%的水，預(yù)濕混2~3min后，再加入重量占物料總重量20~25%的粘結(jié)劑進(jìn)行濕混，打團(tuán)后送入壓涂機(jī)內(nèi)將其裹覆于鎳基焊芯上，經(jīng)過(guò)烘焙后即制成鎳基焊條。

本發(fā)明中，螢石、金紅石和α-al2o3作為造渣劑，螢石能夠在焊接冶金反應(yīng)中生成hf，降低焊縫中的含氫量；caf2能夠降低熔渣表面張力，讓熔渣變稀，粘度降低，提高渣的流動(dòng)性。此外，螢石還具有脫硫的作用；金紅石能夠改善渣系的堿度，tio2能使渣系由短變長(zhǎng)，從而抑制立焊時(shí)的“淌渣”現(xiàn)象；al2o3熔點(diǎn)高、氧化性低，能夠改變焊條的熔點(diǎn)、粘度和流動(dòng)性。

本發(fā)明中，大理石既做為造渣劑又做為造氣劑，cao能提高渣系的堿度，增加了冶金去硫能力，降低了硅的滲入，有利于渣的理化性質(zhì)的改善；生成co2可以降低氫分壓，大幅降低焊縫金屬中的含氫量，減弱焊后產(chǎn)生冷裂紋的傾向。同時(shí)，本發(fā)明的堿性藥皮在使用時(shí)能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出co2氣體等在電弧區(qū)形成保護(hù)氣氛的氣體，保護(hù)了焊條端部和處于高溫的焊縫，防止焊縫產(chǎn)生氣孔。

本發(fā)明中，鋯英砂能夠降低熔渣整體熱膨脹系數(shù)，改善脫渣性；cmc是主要的成形劑，使焊條藥皮具有一定的塑性、彈性以及流動(dòng)性，便于焊條的壓制，使焊條表面光滑而不開(kāi)裂；碳酸鉀能夠穩(wěn)弧，改善壓涂性。

本發(fā)明中，金屬鉻、金屬鉬、金屬錳復(fù)配，能夠向焊縫金屬中過(guò)渡合金元素，保證必要的化學(xué)成分，參與脫氧，提高焊縫的強(qiáng)度；而合金粉硅鐵和鉬鐵、鈮鐵，合金的加入可以補(bǔ)償焊接過(guò)程有益元素的燒損，保證焊縫金屬的合理的化學(xué)成分、抗高溫氧化及耐腐蝕性能。其中，元素鉬不易氧化，可后續(xù)加入到廢鋼熔化的鋼液中，減少氧化燒損；硅鐵可作為脫氧劑，同時(shí)能夠細(xì)化晶粒。

本發(fā)明采用純鉀水玻璃作為粘結(jié)劑，由于含有k⁺所以還有穩(wěn)弧作用，但是過(guò)多過(guò)濃會(huì)造成焊速慢、飛濺大，渣的粘度提高，影響機(jī)械性能，其次模數(shù)過(guò)高促使藥皮快干性加強(qiáng)，使焊條藥皮易偏心，用時(shí)經(jīng)高溫烘干后藥皮強(qiáng)度亦會(huì)降低，因此，本發(fā)明采用模數(shù)3.0，波美度40~44°be′（20℃）的純鉀水玻璃。

有益效果：1、本發(fā)明采用了cao-caf2-sio2堿性渣系，配合金紅石、少量鋯英砂和有機(jī)物，金屬粉、部分合金粉及純鉀水玻璃制成焊條，具有良好的焊接工藝性，焊接時(shí)電弧穩(wěn)定，抗磁偏吹能力強(qiáng)，操作方便；焊縫成型好，焊道平整，覆蓋全面，脫渣容易；熔池清晰度良好，焊接過(guò)程中飛濺小，發(fā)塵量少；焊條能適應(yīng)較寬焊接電流范圍，與合金焊芯技術(shù)路線相比，焊芯熔煉成本大幅降低，焊接過(guò)程中藥皮不發(fā)紅，套筒保護(hù)效果好，焊條利用率高，能較好地適應(yīng)lng結(jié)構(gòu)及船用建造現(xiàn)場(chǎng)的使用工況。焊縫金屬無(wú)氣孔和裂紋等其他缺陷，以達(dá)到使熔敷金屬在-196℃下具有較好的低溫沖擊韌性、較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的效果。

2、本發(fā)明焊條工藝性良好，生產(chǎn)過(guò)程中可以順利壓涂，焊條藥皮強(qiáng)度和表面質(zhì)量較好，焊條偏芯可控；熔敷金屬化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)，焊縫金屬無(wú)氣孔和裂紋，具有較好的常溫拉伸和低溫韌性，力學(xué)性能良好，可廣泛應(yīng)用。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條，該焊條包括鎳基焊芯及包覆在焊芯表面的藥皮，組成鎳基焊芯的化學(xué)成分及百分比含量為：c：≤0.10%，si：≤0.10%，mn：≤0.10%，cu：≤0.10%，mg：≤0.10%，s≤0.005%，fe：≤0.40%，ni+co：≥99.5%，各成分總量為100%。

本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是合理調(diào)整渣系，正確控制焊條中各種藥粉的比例，各組分按重量配比如下：caco3：18~20%，caf2：10~12%，tio2：4~6%，al2o3：4~6%，鋯英砂：1~2%，cmc：0.5~1%，碳酸鉀：0.5~1%，金屬鉻粉：28~30%，金屬鉬粉：8~11%，金屬錳：5~7%，硅鐵：4~6%，鉬鐵：3~5%，鈮鐵：2~3%，各組分總量為100%。其中caco3以大理石的形式，caf2以螢石的形式，tio2以金紅石形式加入，al2o3以α-氧化鋁的形式，水玻璃以純鉀水玻璃的形式加入，其中，藥皮中還添加有粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的添加量為藥皮中原料總重量的20~25%。主要原材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1主要原材料的化學(xué)成分要求

以下為本發(fā)明中粉料不同重量百分比含量的三個(gè)實(shí)施例，三個(gè)實(shí)施例中，焊芯規(guī)格為ф3.2×350mm，除了藥皮粉料的重量百分比含量不同外，其余技術(shù)特征均相同。具體實(shí)施例如表2所示。

表2實(shí)施例中原材料的類型和成分對(duì)比表

實(shí)施例1

lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按照以下組分及百分比含量進(jìn)行配料：c：≤0.10%，si：≤0.10%，mn：≤0.10%，cu：≤0.10%，mg：≤0.10%，s≤0.005%，fe：≤0.40%，ni+co：≥99.5%，將所有組分熔煉后，進(jìn)行鍛造、軋制、拉拔、切絲，制得鎳基焊芯，備用；

步驟二、按照表2中組分及百分比含量為目標(biāo)配比，計(jì)算實(shí)施例1所要加入的大理石、螢石、金紅石、α-al2o3、鋯英砂、羧甲基纖維素、碳酸鉀、金屬鉻粉、金屬鉬粉、金屬錳、硅鐵、鉬鐵、鈮鐵的量，并按照計(jì)算結(jié)果稱取各物料；混合攪拌干混均勻后，先加入物料總重量的2.5%的水，預(yù)濕混2~3min后，再加入重量占物料總重量20~25%的粘結(jié)劑進(jìn)行濕混，打團(tuán)后送入壓涂機(jī)內(nèi)將其裹覆于鎳基焊芯上，經(jīng)過(guò)低溫烘焙以及高溫烘焙后即成，低溫烘焙的溫度在150℃，高溫烘焙的溫度為300℃，低溫烘焙和高溫烘焙的時(shí)間均為1.5h。

實(shí)施例2

lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條的制備方法，步驟一中焊芯的制備和化學(xué)成分同實(shí)施例1，藥皮粉料的重量百分比含量如表2所示；其余特征同實(shí)施例1。

實(shí)施例3

lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條的制備方法，步驟一中焊芯的制備和化學(xué)成分同實(shí)施例1和實(shí)施例2，藥皮粉料的重量百分比含量如表2所示；其余特征同實(shí)施例1。

對(duì)上述制得的三種類型焊條進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，其中實(shí)施例1焊條起弧稍難，焊道覆蓋不全，表面輕微粘渣，熔池的清晰度不夠，向上立焊的可操作性差；實(shí)施例2焊道脫渣和覆蓋，焊縫成形，電弧穩(wěn)定性最好，尤其是立焊的可操作性良好；實(shí)施例3中電弧不穩(wěn)，焊接過(guò)程中飛濺較大，煙塵較多，向上立焊的可操作性差。鑒于lng結(jié)構(gòu)及船用9ni鋼焊接的用焊條的實(shí)際使用工況，綜合對(duì)比，選取實(shí)施例2作一系列的性能試驗(yàn)。

根據(jù)gb/t13814-2008和gb/t25774.1-2010的要求，采用碳鋼試板堆邊。焊接規(guī)范：交流焊接，前兩層單層單道，后幾層每層兩道，焊接電流70~130a，電壓25~30v，焊接速度為5~10cm/min，焊前不需預(yù)熱，道間溫度≤100℃，焊接完成后無(wú)需進(jìn)行熱處理。對(duì)實(shí)施例2進(jìn)行熔敷試板焊接完成后，進(jìn)行一系列的理化試驗(yàn)。

如表3和表4、表5所示，分別列出了實(shí)施例2焊條熔敷金屬化學(xué)成分、常溫力學(xué)拉伸性能和-196℃低溫沖擊功和側(cè)向膨脹量的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)awsa5.11和gb/t13814eni6620標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊條熔敷金屬的化學(xué)成分、常溫拉伸和-196℃低溫沖擊功以及側(cè)向膨脹量均滿足各項(xiàng)指標(biāo)。

表3實(shí)施例焊條和標(biāo)準(zhǔn)要求的熔敷金屬化學(xué)成分對(duì)比表（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

表4實(shí)施例焊條和標(biāo)準(zhǔn)要求熔敷金屬拉伸性能對(duì)比表

表5實(shí)施例焊條和標(biāo)準(zhǔn)要求熔敷金屬-196℃低溫沖擊功和側(cè)向膨脹量對(duì)比表

本發(fā)明中焊條工藝性良好，力學(xué)性能穩(wěn)定，制造成本低，附加值大，未來(lái)5年，國(guó)內(nèi)9ni鋼的需求量在10萬(wàn)噸以上，與之配套的焊材在2000噸以上甚至更多，市場(chǎng)前景較好，潛在效益巨大。成本低廉，工藝性優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，電弧挺度好，飛濺小，鐵水流動(dòng)性好，焊縫成形美觀，脫渣容易，熔敷金屬的化學(xué)成分，力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)均可很好的滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。