極低溫鋼用Ni基合金焊條①

何少卿，劉昕，王輝，劉鳳來 編譯

(1.錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧錦州121000;2.唐山鴻鵬焊業(yè)有限公司，河北 唐山063020)

0 發(fā)明概述

極低溫鋼焊接用鎳基合金焊條用于極低溫鋼建造的LNG、LEG等儲(chǔ)罐的焊接。鎳基合金焊縫金屬具有容易產(chǎn)生凝固裂紋、液化裂紋等熱裂紋(以下稱微裂紋)的特征。為了改進(jìn)鎳基合金焊縫金屬的抗裂性能，在特開昭53－37555號(hào)公報(bào)中報(bào)道了使用Ni－Cr系焊芯，在焊芯或藥皮中添加Ta元素控制藥皮中含水量，來改善焊縫金屬微裂紋的焊條。

然而，由于近年來LNG和LEG需求的持續(xù)增加，隨著儲(chǔ)罐的大型化，使用40～50 mm的極厚板進(jìn)行多層多道焊接施工建造儲(chǔ)罐。在這樣的多層多道焊接中，即使使用特開昭53－37555專利的改善抗微裂紋性能的焊條，在后道的熱影響區(qū)也產(chǎn)生微裂紋，抗裂性能不充分。此外，現(xiàn)在追求高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)罐，希望開發(fā)即使多層多道焊，也難以產(chǎn)生微裂紋，即使產(chǎn)生微裂紋時(shí)，微裂紋處也不產(chǎn)生龜裂，具有抵抗塑性龜裂擴(kuò)展的特性，即研制了焊縫金屬CTOD特性優(yōu)良的焊條。

為了解決上述課題，對(duì)焊芯和藥皮組成進(jìn)行各種研究，焊條中不含有Si、Nb時(shí)，具有良好的抗微裂紋性能。但是，從焊縫金屬力學(xué)性能的觀點(diǎn)出發(fā)，為了確保焊縫金屬抗拉強(qiáng)度，焊條中的Nb不應(yīng)過低。作為添加Nb的方法，從藥皮中添加比從焊芯中添加減少偏析，抗微裂紋效果更有效。為了具有良好的CTOD特性，認(rèn)為焊條中Si、Nb含量控制到較低的程度為好。

根據(jù)上述的開發(fā)理念和見解，極低溫鋼焊接用鎳基合金焊條的特點(diǎn)如下。

Ni－Cr基合金焊芯中含有55% ～75%Ni，10% ～18%Cr，0.5% ～2.5%Nb，余量為 Fe 和 Mn、Mo、Ti以及不可避免的雜質(zhì);藥皮中含有20% ～45%金屬碳酸鹽，10% ～30%金屬氟化物，由硅酸鹽、硅酸鹽化合物和粘結(jié)劑中換算成的 Si為1.0% ～2.5%，而且，焊條中 Si=焊芯中的Si+0.1(藥皮中的Si)≤0.5%，焊條中Nb=焊芯中的 Nb+0.5(藥皮中的 Nb):1.5% ～3.5%，焊條中Si+焊條中Nb≤3.15%。

1 發(fā)明的內(nèi)容

Ni是構(gòu)成焊縫金屬的主要成分，形成奧氏體組織。為了確保極低溫狀態(tài)下焊縫金屬的拉伸性能、塑性、韌性等基本特性，Ni含量必須大于55%，如果是75%更為充分。因此，Ni含量為55% ～75%。Cr是確保熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的主要元素，為了滿足要求，必須大于10%，如果18%更好。因此，Cr含量為10% ～18%。

焊縫金屬中含有一定量的Nb，不僅可以從藥皮中，而且還可以從焊芯中添加，這是發(fā)明的基本條件。Nb是降低焊縫金屬中氧含量，提高塑性和強(qiáng)度的有效成分，必須大于0.5%，超過2.5%時(shí)，在冷卻過程中Nb容易與C、S形成低熔點(diǎn)化合物。形成的低熔點(diǎn)化合物在晶界偏析，成為裂紋源，抗微裂紋性能惡化，CTOD特性惡化。因此，Nb含量控制在0.5% ～2.5%范圍。

藥皮組成的控制。金屬碳酸鹽高溫分解產(chǎn)生氣體，隔斷空氣侵入電弧中，由于保證了電弧氣氛是高堿性，防止降低焊縫金屬塑性和產(chǎn)生缺陷，熔渣有合適的粘度和流動(dòng)性，確保優(yōu)良的焊接工藝性能。所以，金屬碳酸鹽必須大于20%，超過45%時(shí)，脫渣性能和焊道外觀不好。因此，金屬碳酸鹽為20% ～45%。金屬碳酸鹽是指碳酸鈣、碳酸鋇、碳酸鋰、碳酸錳、碳酸鎂等。

金屬氟化物與金屬碳酸鹽一樣，高溫分解產(chǎn)生氣體，隔斷空氣侵入電弧中，有效地降低焊縫金屬中的氧含量，提高塑性和韌性。此外還具有合適的熔渣粘度和流動(dòng)性，確保了焊接工藝性能，有效改善脫渣性能。因此，金屬氟化物必須大于15%。超過30%時(shí)，電弧不穩(wěn)定，焊接工藝性能惡化。因此，金屬氟化物15% ～30%。金屬氟化物是指螢石、氟化鋁、氟化鎂、冰晶石、氟化鈉、氟化鋯、氟化鋰、氟化鋇和氟化鉀等。

藥皮中Si換算值的控制。控制由藥皮中的石英、硅灰石等硅酸鹽化合物及硅酸鈉和硅酸鉀粘結(jié)劑等中的SiO2換算成的Si是發(fā)明的基本條件之一。Si換算值對(duì)焊條脫渣性能有良好的影響。對(duì)于微裂紋，Si與焊縫金屬中的C、Nb容易形成低熔點(diǎn)化合物，是產(chǎn)生微裂紋的原因。為了獲得良好的脫渣性能，Si含量必須大于1.0%，超過2.5%時(shí)，抗微裂紋性能不好。因此，藥皮中的Si換算含量為1.0% ～2.5%。

焊條中Si系數(shù)和Nb系數(shù)的控制。焊條的Si系數(shù)［焊芯中Si含量+0.1(藥皮中的Si含量)］與產(chǎn)生微裂紋有很大的關(guān)系，如圖1所示。Si系數(shù)大時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋，系數(shù)大于0.5時(shí)，微裂紋增加，系數(shù)小時(shí)，有改善產(chǎn)生微裂紋的傾向。因此，焊條中Si系數(shù)控制在0.5以下。

圖1 焊條中Si系數(shù)與微裂紋的關(guān)系

焊條的Nb系數(shù)［焊芯中的Nb含量+0.5(藥皮中的Nb含量)］與產(chǎn)生微裂紋有很大的關(guān)系，如圖2所示。Nb系數(shù)大時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋，系數(shù)大于3.5時(shí)，微裂紋增加，系數(shù)小時(shí)，產(chǎn)生微裂紋的傾向小。焊條中Nb系數(shù)對(duì)焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度也有影響，如圖3所示。LNG和LEG儲(chǔ)罐焊接時(shí)，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度要求大于660 N/mm2，為了滿足這個(gè)要求，Nb系數(shù)必須大于1.5，因此，焊條中Nb系數(shù)控制在1.5% ～3.5%范圍。

圖2 焊條中Nb系數(shù)與微裂紋的關(guān)系

控制焊條中Si系數(shù)與焊條中Nb系數(shù)之和小于一定值是發(fā)明基本條件之一。焊條中Si系數(shù)與焊條中Nb系數(shù)之和與抵抗塑性破壞特性(CTOD值)有關(guān)，如圖4所示。焊條中Si系數(shù)與焊條中Nb系數(shù)之和超過3.15時(shí)，大幅度降低CTOD值。因此，焊條中Si系數(shù)與焊條中Nb系數(shù)之和控制在3.15以下。

圖3 焊條中Nb系數(shù)與熔敷金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系

圖4 焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和與CTOD特性的關(guān)系

焊芯中的Mo是有效提高強(qiáng)度的元素，過多添加降低塑性。因此，Mo含量最好為1.0% ～4.5%。Ti有效降低焊縫金屬中氧含量，提高塑性，提高抗氣孔性能，過多添加時(shí)，抗裂性能惡化。因此，Ti含量最好為0.1% ～0.5%。Mn是有效提高提高塑性的元素，添加過多時(shí)，韌性差，因此，Mn含量最好為0.9% ～2.7%。

為了得到優(yōu)質(zhì)的焊縫金屬，藥皮中添加金屬Al、Fe－Al等脫氧劑，為了得到具有某些特性的焊縫金屬，添加適量金屬鉻、Fe－Cr、金屬錳、Fe－Mn、金屬鉬、Fe－Mo、金屬鎳、金屬鎢等金屬粉末，在藥皮中添加氧化鈦?zhàn)鳛樵煸鼊?，不損害發(fā)明的特征。但是，合金劑配比量過多時(shí)，焊縫金屬的成分容易不均勻，所以，添加量控制在30%以內(nèi)。

2 實(shí)施例

表1是焊芯化學(xué)成分。焊芯是經(jīng)熔煉、鍛造、壓延和拉伸后，切成φ4.0 mm×350 mm規(guī)格而制成。表2是藥皮組成。試驗(yàn)焊條使用表2所示的藥皮組成以25%～35%的藥皮重量系數(shù)涂覆到表1所示是焊芯上，經(jīng)400～450℃烘干60 min制造。表3是焊條的試驗(yàn)結(jié)果。在圖5所示的9%Ni鋼試板上，以140 A焊接電流(交流)15～18 cm/min的焊接條件，在平焊位置每層焊接6～7道，堆焊10層，從堆焊金屬的最后層表面磨削1 mm，使用液體滲透對(duì)表面進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，檢查微裂紋。同時(shí)檢查電弧狀態(tài)、飛濺、脫渣性能、焊道形狀等焊接工藝性能。當(dāng)電弧狀態(tài)、飛濺、脫渣性能、焊道形狀等全部良好時(shí)為焊接工藝性能良好，以外的為不良。

表1 焊芯化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 藥皮組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 實(shí)施例中抗微裂紋性能的試板示意圖

在圖6所示的9%Ni鋼坡口內(nèi)，以120～130 A焊接電流(交流)4～7 cm/min的焊接條件，進(jìn)行立對(duì)接焊后，截取試樣，按照BS5762—79的CTOD試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行－198℃試驗(yàn)。CTOD值大于0.4 mm為良好，CTOD值小于0.4 mm的為不良?？估瓘?qiáng)度按照J(rèn)IS Z3225熔敷金屬性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于660 N/mm2要求，其結(jié)果見表3。

圖6 實(shí)施例中CTOD試驗(yàn)用的坡口形狀

綜合評(píng)定，全部滿足要求時(shí)標(biāo)記為○，如果有1個(gè)不滿足標(biāo)記為×。標(biāo)記1～8發(fā)明焊條獲得了優(yōu)良的抗微裂紋性能、CTOD特性、熔敷金屬和焊接工藝性能。

比較例中的標(biāo)記9焊條，由于焊條中Nb系數(shù)高，抗微裂紋性能差;由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差。標(biāo)記10焊條，由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差。

標(biāo)記11焊條，由于焊條中Si系數(shù)高，抗微裂紋性能差。標(biāo)記12焊條，由于焊條中Si系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Nb系數(shù)低，抗拉強(qiáng)度低。標(biāo)記13焊條，由于焊條中Nb系數(shù)低，抗拉強(qiáng)度低。標(biāo)記14焊條，由于焊條中Si系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于F7藥皮中的金屬碳酸鹽含量低，焊接工藝性能不好。

標(biāo)記15焊條，由于焊條中Si系數(shù)和Nb系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差;還由于F8藥皮中的金屬碳酸鹽含量高，焊接工藝性能不好。標(biāo)記16焊條，由于焊條中Nb系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差;還由于F9藥皮中的金屬氟化物含量低，焊接工藝性能不好。

標(biāo)記17焊條，由于焊條中Si系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數(shù)與 Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差;還由于F10藥皮中的金屬氟化物含量高，焊接工藝性能不好。標(biāo)記18焊條，由于焊條中Nb系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差;還由于藥皮F11的Si換算值低，焊接工藝性能不好。

標(biāo)記19焊條，由于藥皮中Si換算值高，焊條中Si系數(shù)高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差。標(biāo)記20焊條，由于焊芯W(wǎng)11的Nb系數(shù)高，焊條中Nb系數(shù)高，抗微裂紋性能差;還由于焊條中Si系數(shù)與Nb系數(shù)之和高，CTOD特性差。標(biāo)記21焊條，由于焊芯W(wǎng)12的Nb系數(shù)低，焊條中Nb系數(shù)低，抗拉強(qiáng)度低。

3 發(fā)明的效果

如上的詳細(xì)敘述，提供了不損害焊接工藝性能，多層多道焊接時(shí)具有優(yōu)良的抗微裂紋，而且抵抗塑性破壞特性優(yōu)良的極低溫鋼用鎳基合金焊條。實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。