极低温钢用Ni基合金焊条①

2014-03-23何少卿刘昕王辉刘凤来编译

机械制造文摘(焊接分册) 2014年3期

何少卿，刘昕，王辉，刘凤来编译

(1.锦州市特种设备监督检验所，辽宁锦州121000;2.唐山鸿鹏焊业有限公司，河北唐山063020)

0 发明概述

极低温钢焊接用镍基合金焊条用于极低温钢建造的LNG、LEG等储罐的焊接。镍基合金焊缝金属具有容易产生凝固裂纹、液化裂纹等热裂纹(以下称微裂纹)的特征。为了改进镍基合金焊缝金属的抗裂性能，在特開昭53－37555号公报中报道了使用Ni－Cr系焊芯，在焊芯或药皮中添加Ta元素控制药皮中含水量，来改善焊缝金属微裂纹的焊条。

然而，由于近年来LNG和LEG需求的持续增加，随着储罐的大型化，使用40～50 mm的极厚板进行多层多道焊接施工建造储罐。在这样的多层多道焊接中，即使使用特開昭53－37555专利的改善抗微裂纹性能的焊条，在后道的热影响区也产生微裂纹，抗裂性能不充分。此外，现在追求高品质、长寿命的储罐，希望开发即使多层多道焊，也难以产生微裂纹，即使产生微裂纹时，微裂纹处也不产生龟裂，具有抵抗塑性龟裂扩展的特性，即研制了焊缝金属CTOD特性优良的焊条。

为了解决上述课题，对焊芯和药皮组成进行各种研究，焊条中不含有Si、Nb时，具有良好的抗微裂纹性能。但是，从焊缝金属力学性能的观点出发，为了确保焊缝金属抗拉强度，焊条中的Nb不应过低。作为添加Nb的方法，从药皮中添加比从焊芯中添加减少偏析，抗微裂纹效果更有效。为了具有良好的CTOD特性，认为焊条中Si、Nb含量控制到较低的程度为好。

根据上述的开发理念和见解，极低温钢焊接用镍基合金焊条的特点如下。

Ni－Cr基合金焊芯中含有55% ～75%Ni，10% ～18%Cr，0.5% ～2.5%Nb，余量为 Fe 和 Mn、Mo、Ti以及不可避免的杂质;药皮中含有20% ～45%金属碳酸盐，10% ～30%金属氟化物，由硅酸盐、硅酸盐化合物和粘结剂中换算成的 Si为1.0% ～2.5%，而且，焊条中 Si=焊芯中的Si+0.1(药皮中的Si)≤0.5%，焊条中Nb=焊芯中的 Nb+0.5(药皮中的 Nb):1.5% ～3.5%，焊条中Si+焊条中Nb≤3.15%。

1 发明的内容

Ni是构成焊缝金属的主要成分，形成奥氏体组织。为了确保极低温状态下焊缝金属的拉伸性能、塑性、韧性等基本特性，Ni含量必须大于55%，如果是75%更为充分。因此，Ni含量为55% ～75%。Cr是确保熔敷金属抗拉强度的主要元素，为了满足要求，必须大于10%，如果18%更好。因此，Cr含量为10% ～18%。

焊缝金属中含有一定量的Nb，不仅可以从药皮中，而且还可以从焊芯中添加，这是发明的基本条件。Nb是降低焊缝金属中氧含量，提高塑性和强度的有效成分，必须大于0.5%，超过2.5%时，在冷却过程中Nb容易与C、S形成低熔点化合物。形成的低熔点化合物在晶界偏析，成为裂纹源，抗微裂纹性能恶化，CTOD特性恶化。因此，Nb含量控制在0.5% ～2.5%范围。

药皮组成的控制。金属碳酸盐高温分解产生气体，隔断空气侵入电弧中，由于保证了电弧气氛是高碱性，防止降低焊缝金属塑性和产生缺陷，熔渣有合适的粘度和流动性，确保优良的焊接工艺性能。所以，金属碳酸盐必须大于20%，超过45%时，脱渣性能和焊道外观不好。因此，金属碳酸盐为20% ～45%。金属碳酸盐是指碳酸钙、碳酸钡、碳酸锂、碳酸锰、碳酸镁等。

金属氟化物与金属碳酸盐一样，高温分解产生气体，隔断空气侵入电弧中，有效地降低焊缝金属中的氧含量，提高塑性和韧性。此外还具有合适的熔渣粘度和流动性，确保了焊接工艺性能，有效改善脱渣性能。因此，金属氟化物必须大于15%。超过30%时，电弧不稳定，焊接工艺性能恶化。因此，金属氟化物15% ～30%。金属氟化物是指萤石、氟化铝、氟化镁、冰晶石、氟化钠、氟化锆、氟化锂、氟化钡和氟化钾等。

药皮中Si换算值的控制。控制由药皮中的石英、硅灰石等硅酸盐化合物及硅酸钠和硅酸钾粘结剂等中的SiO2换算成的Si是发明的基本条件之一。Si换算值对焊条脱渣性能有良好的影响。对于微裂纹，Si与焊缝金属中的C、Nb容易形成低熔点化合物，是产生微裂纹的原因。为了获得良好的脱渣性能，Si含量必须大于1.0%，超过2.5%时，抗微裂纹性能不好。因此，药皮中的Si换算含量为1.0% ～2.5%。

焊条中Si系数和Nb系数的控制。焊条的Si系数［焊芯中Si含量+0.1(药皮中的Si含量)］与产生微裂纹有很大的关系，如图1所示。Si系数大时容易产生微裂纹，系数大于0.5时，微裂纹增加，系数小时，有改善产生微裂纹的倾向。因此，焊条中Si系数控制在0.5以下。

图1 焊条中Si系数与微裂纹的关系

焊条的Nb系数［焊芯中的Nb含量+0.5(药皮中的Nb含量)］与产生微裂纹有很大的关系，如图2所示。Nb系数大时容易产生微裂纹，系数大于3.5时，微裂纹增加，系数小时，产生微裂纹的倾向小。焊条中Nb系数对焊缝金属的抗拉强度也有影响，如图3所示。LNG和LEG储罐焊接时，熔敷金属抗拉强度要求大于660 N/mm2，为了满足这个要求，Nb系数必须大于1.5，因此，焊条中Nb系数控制在1.5% ～3.5%范围。

图2 焊条中Nb系数与微裂纹的关系

控制焊条中Si系数与焊条中Nb系数之和小于一定值是发明基本条件之一。焊条中Si系数与焊条中Nb系数之和与抵抗塑性破坏特性(CTOD值)有关，如图4所示。焊条中Si系数与焊条中Nb系数之和超过3.15时，大幅度降低CTOD值。因此，焊条中Si系数与焊条中Nb系数之和控制在3.15以下。

图3 焊条中Nb系数与熔敷金属强度的关系

图4 焊条中Si系数与Nb系数之和与CTOD特性的关系

焊芯中的Mo是有效提高强度的元素，过多添加降低塑性。因此，Mo含量最好为1.0% ～4.5%。Ti有效降低焊缝金属中氧含量，提高塑性，提高抗气孔性能，过多添加时，抗裂性能恶化。因此，Ti含量最好为0.1% ～0.5%。Mn是有效提高提高塑性的元素，添加过多时，韧性差，因此，Mn含量最好为0.9% ～2.7%。

为了得到优质的焊缝金属，药皮中添加金属Al、Fe－Al等脱氧剂，为了得到具有某些特性的焊缝金属，添加适量金属铬、Fe－Cr、金属锰、Fe－Mn、金属钼、Fe－Mo、金属镍、金属钨等金属粉末，在药皮中添加氧化钛作为造渣剂，不损害发明的特征。但是，合金剂配比量过多时，焊缝金属的成分容易不均匀，所以，添加量控制在30%以内。

2 实施例

表1是焊芯化学成分。焊芯是经熔炼、锻造、压延和拉伸后，切成φ4.0 mm×350 mm规格而制成。表2是药皮组成。试验焊条使用表2所示的药皮组成以25%～35%的药皮重量系数涂覆到表1所示是焊芯上，经400～450℃烘干60 min制造。表3是焊条的试验结果。在图5所示的9%Ni钢试板上，以140 A焊接电流(交流)15～18 cm/min的焊接条件，在平焊位置每层焊接6～7道，堆焊10层，从堆焊金属的最后层表面磨削1 mm，使用液体渗透对表面进行探伤检验，检查微裂纹。同时检查电弧状态、飞溅、脱渣性能、焊道形状等焊接工艺性能。当电弧状态、飞溅、脱渣性能、焊道形状等全部良好时为焊接工艺性能良好，以外的为不良。

表1 焊芯化学成分(质量分数，%)

表2 药皮组成(质量分数，%)

表3 试验结果

图5 实施例中抗微裂纹性能的试板示意图

在图6所示的9%Ni钢坡口内，以120～130 A焊接电流(交流)4～7 cm/min的焊接条件，进行立对接焊后，截取试样，按照BS5762—79的CTOD试验标准进行－198℃试验。CTOD值大于0.4 mm为良好，CTOD值小于0.4 mm的为不良。抗拉强度按照JIS Z3225熔敷金属性能试验标准进行检测，抗拉强度应大于660 N/mm2要求，其结果见表3。

图6 实施例中CTOD试验用的坡口形状

综合评定，全部满足要求时标记为○，如果有1个不满足标记为×。标记1～8发明焊条获得了优良的抗微裂纹性能、CTOD特性、熔敷金属和焊接工艺性能。

比较例中的标记9焊条，由于焊条中Nb系数高，抗微裂纹性能差;由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差。标记10焊条，由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差。

标记11焊条，由于焊条中Si系数高，抗微裂纹性能差。标记12焊条，由于焊条中Si系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Nb系数低，抗拉强度低。标记13焊条，由于焊条中Nb系数低，抗拉强度低。标记14焊条，由于焊条中Si系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于F7药皮中的金属碳酸盐含量低，焊接工艺性能不好。

标记15焊条，由于焊条中Si系数和Nb系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差;还由于F8药皮中的金属碳酸盐含量高，焊接工艺性能不好。标记16焊条，由于焊条中Nb系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差;还由于F9药皮中的金属氟化物含量低，焊接工艺性能不好。

标记17焊条，由于焊条中Si系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Si系数与 Nb系数之和高，CTOD特性差;还由于F10药皮中的金属氟化物含量高，焊接工艺性能不好。标记18焊条，由于焊条中Nb系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差;还由于药皮F11的Si换算值低，焊接工艺性能不好。

标记19焊条，由于药皮中Si换算值高，焊条中Si系数高，抗微裂纹性能差;此外，由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差。标记20焊条，由于焊芯W11的Nb系数高，焊条中Nb系数高，抗微裂纹性能差;还由于焊条中Si系数与Nb系数之和高，CTOD特性差。标记21焊条，由于焊芯W12的Nb系数低，焊条中Nb系数低，抗拉强度低。