Lng結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊條的制作方法

　　【技術領域】

　　[0001] 本發明涉及一種鎳基焊接材料，特別是一種反比例配方新型高堿度渣系的LNG結 構及船用9鎳鋼（亦稱9% Ni鋼）焊接用ENiCrFe-9鎳基焊條。

　　【背景技術】

　　[0002] 隨著全球工業化、信息化進程的加快，世界各國對能源需求急劇增長，同時嚴重制 約著經濟可持續發展的能源短缺、燃煤污染等問題也日漸暴露。天然氣作為優質清潔燃料 和重要的化工原材料，已成為當今世界三大支柱能源之一。近10年來，天然氣在社會發展 中的地位和作用日益突出，全球天然氣生產及消費都呈穩步增長態勢，預計到2020年全球 天然氣貿易量的40%將是液化天然氣LNG(Liquefied Natural gas)。LNG的發展帶動了 LNG產業的發展，LNG產業包括生產、運輸、儲存、接收及應用五個階段。在LNG運輸中LNG 船是整個運輸環節的重要部分。由于LNG是將天然氣冷卻至-163°C，即LNG船是在-162°C 低溫下運輸液化氣的專用船舶，是一種"海上超級冷凍車"，即工作環境要求制造LNG船的 材料具有較好的低溫韌性以及在低溫環境中具有較好的強度。

　　[0003] 9Ni鋼是1944年美國國際鎳公司開發的W(Ni)-9%的中合金鋼，它是一種低碳調質 鋼。這種鋼材在極低溫度下具有良好的韌性和高強度，使用溫度最低可達_196°C，而且與奧 氏體不銹鋼和鋁合金相比具有熱脹系數小、經濟性好的優點，自I960年研宄證明不進行焊 后消除應力熱處理亦可安全使用以來，9Ni鋼就成為用于制造大型LNG儲罐的主要材料之 一。9Ni鋼的主要特點是高鎳含量、高純凈度、較高強度、高的低溫沖擊韌性、焊接性好，其化 學成分為：Ni :8. 5 ~9. 5%、C :0? 0005 ~0? 012%、Si :0? 05 ~0? 4%、Mn :0? 30 ~0? 80%、 S 彡 0? 005%、P 彡 0? 008%、M〇 :0? 05 ~0? 013%、V 彡 0? 01%。9Ni 鋼的力學性能為：抗拉 強度 Rm :680 ~820MPa、屈服強度 ReH 彡 570MPa、伸長率 A 彡 20%、-196°C KV 彡 100J。 [0004]隨著我國能源戰略的調整，LNG產業在我國一直保持迅猛發展的勢頭，LNG產業的 發展極大的提高了對9Ni鋼以及9Ni鋼焊接材料的需求，但是目前9Ni鋼焊接電焊條對品 種和性能還遠遠滿足不了 9Ni鋼焊接技術的發展。

　　【發明內容】

　　[0005] 本發明的目的在于，提供一種LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣 系鎳基焊條，與LNG結構及船用9Ni鋼焊接要求相匹配，以達到使熔敷金屬在-196°C下具有 與母材相匹配的低溫沖擊韌性、較高的抗拉強度和屈服強度的效果，使得9Ni鋼在LNG船上 應用時能夠充分發揮母材本身的優良性能，同時焊條在焊接時具有良好的工藝性能。

　　[0006] 本發明的技術方案是：

　　[0007] -種LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊條，包括焊芯 及裹覆于焊芯表面的藥皮，其特征在于：所述焊芯的化學成分及其重量百分比含量為： C彡0? 02%，S彡0? 01%，P彡0? 01%，Ni彡99. 0%，其余元素含量彡0? 50%，各成分總量 為 100%〇

　　[0008] 作為進一步改進，所述的藥皮中粉料的成分及其重量百分比含量為：大理石5~ 10%、螢石20~30%、碳酸鍶5~11%、金屬鉻24~30%、金屬錳4~10%、鉬8~13%、 鎢鐵1~5%、鈮鐵3~8%、有機物0. 5~1. 5%、純堿0. 5~1. 5%、硅鐵2~4%、鈦鐵 1~3%，各成分總量為100%;將各成分的粉料按照比例均勻混合，再加入占所述藥皮中粉 料的質量16%~35%的水玻璃均勻混合，然后送入壓涂機內按照常規方法將其裹覆于所 述焊芯上，最后經過低溫烘焙以及高溫烘焙后即成為所述新型渣系鎳基電焊條。

　　[0009] 作為進一步改進，所述的螢石在所述藥皮中的重量百分比與所述大理石和碳酸鍶 在所述藥皮中的重量百分比的總和之比在5/4~15/7之間，即螢石在藥皮中的重量百分比 /大理石和碳酸鍶在藥皮中的重量百分比的總和=5/4~15/7。

　　[0010] 作為進一步改進，所述的藥皮中各粉料的主要成分的質量百分比含量如下：大理 石中CaC0 3含量多96%，螢石中CaF2含量多96%，鈮鐵中Nb含量為50~65%，鎢鐵中W 含量為70~80%，金屬鉻中Cr含量多99%，金屬錳中Mn含量多99%，金屬鉬中含Mo量 彡99 %，鈦鐵中Ti含量為25~35 %，硅鐵中Si含量為40~45 %，碳酸鍶中SrC03含量 彡 98%，純堿中 Na2C03> 98%。

　　[0011] 作為進一步改進，所述的水玻璃為鈉水玻璃、鉀水玻璃或者鉀鈉水玻璃，其波美濃 度為41°~43°之間。

　　[0012] 作為進一步改進，所述的低溫烘焙的溫度為100~150°C ;高溫烘焙的溫度為 300 ~350。。。

　　[0013] 本發明的藥皮原材料中各成分的主要作用如下：

　　[0014] 大理石：屬于造渣、造氣材料，大理石能增大熔渣堿度，增加了冶金去硫能力，降低 了硅的滲入，增大了該渣系氣保護的比例，有利于渣的物化性質的改善，有利于脫渣和渣的 保護效果。

　　[0015] 鉀水玻璃：水玻璃只要是作為粘結劑，由于含有K所以還有穩弧作用，但是過多過 濃會造成焊速慢、飛濺大，渣的粘度提高，影響機械性能，其次，模數過高促使藥皮快干性加 強，使焊條藥皮易偏心，用時經高溫烘干后藥皮強度亦會降低。

　　[0016] 有機物：少量有機物可以改善壓涂性能，但是有機物過多易使焊縫產生氣孔。

　　[0017] 純堿：主要起潤滑作用，使焊條易于加工成形。另外，提高水玻璃的穩定性，阻止 水玻璃水解反應的進行。

　　[0018] 各種合金：滲入合金，補充焊接過程中合金元素的燒損，補充焊縫中該合金成分， 改善焊縫凝固組織，提高焊縫的力學性能。

　　[0019] 螢石：螢石能有效的去除H，可以降低液態金屬的表面張力，提高熔渣的流動性， 但是在焊接過程中螢石分解會產生有害氣體氟化氫、會造成電弧的不穩定，因此必須嚴格 控制其用量

　　[0020] 鈦鐵：可以有效的脫氧，其Ti與氧生成的Ti02還有利于脫渣。

　　[0021] 硅鐵：可以有效的脫氧，但是必須控制硅鐵的含量，否則易造成熔敷金屬滲硅嚴 重。

　　[0022] 碳酸鍶：造氣造渣，增加熔渣的活性，可以使渣均勻覆蓋在焊縫表面，同時，相同質 量的碳酸鍶與碳酸鈣相比，碳酸鋇可以較少的生成二氧化碳。但碳酸鍶價格較高，所以為控 制成本必須控制用量。

　　[0023] 與現有的鎳基電焊條相比，本發明具有以下優點：

　　[0024] 具有優良的焊接工藝性能，可進行全位置焊接；具有良好的屈服強度、抗拉強度以 及沖擊韌性，尤其是在-196°C時仍具有良好的綜合力學性能。

　　[0025] 本發明所述新型渣系鎳基焊條的熔敷金屬力學性能達到

　　：屈服強度：468MPa，抗 拉強度：711MPa，伸長率43%，-196°C時沖擊值為85J，完全滿足9Ni鋼LNG船儲罐的焊接 要求；本發明焊后形成熔敷金屬的組份及重量百分比為：C :彡0. 05%，Mn :1. 2~4. 0%， Si :彡0? 5 %，Cr :12. 0~15. 0 %，Mo :2. 0~4. 0 %，Nb :0? 5~2. 0 %，K 1. 2 %，P : 彡0.015%，S :彡0.015%，Ni :彡60%，完全符合鎳及鎳合金焊條的GB/T 13814 ENi6620 標準和AWS A5. 11 ENiCrFe-9標準。

　　【具體實施方式】

　　[0026] 下面對本發明的實施例作詳細說明，以下實施例以本發明技術方案為前提給出了 詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

　　[0027] 本發明提供了一種LNG結構及船用9鎳鋼焊接用新型渣系鎳基焊條，其包括焊芯 以及裹覆于該焊芯表面的藥皮。所述焊芯使用純鎳焊芯，這是因為純鎳焊芯來源廣，易于 加工，價格便宜；所述焊芯的化學成分及其重量百分比含量為：c < 0. 02%，S < 0. 01%， P < 0. 01%，Ni彡99. 0%，其余元素含量< 0. 50%，各成分總量為100%。

　　[0028] 所述的藥皮中粉料的成分及其重量百分比含量為：大理石5~10%、螢石20~ 30%、碳酸鍶5~11 %、金屬鉻24~30%、金屬錳4~10%、鉬8~13%、鎢鐵1~5%、鈮 鐵3~8%、有機物0. 5~1. 5%、純堿0. 5~1. 5%、硅鐵2~4%、鈦鐵1~3%，各成分總 量為100%。

　　[0029] 所述的藥皮中各粉料的主要成分的質量百分比含量達到如下要求：大理石中 CaC0 3含量彡96 %，螢石中CaF 2含量彡96 %，鈮鐵中Nb含量為50~65 %，鎢鐵中W含量為 70~80%，金屬鉻中Cr含量彡99%，金屬錳中Mn含量彡99%，金屬鉬中含Mo量彡99%， 鈦鐵中Ti含量為25~35 %，硅鐵中Si含量為40~45 %，碳酸鍶中SrC03含量彡98 %，純 堿中 Na2C03> 98%。

　　[0030] 所述的螢石在所述藥皮中的重量百分比與所述大理石和碳酸鍶在所述藥皮中的 重量百分比的總和之比在5/4~15/7之間，即螢石在藥皮中的重量百分比/大理石和碳酸 鍶在藥皮中的重量百分比的總和=5/4~15/7。

　　[0031] 將各成分的粉料按照比例均勻混合，再加入占所述藥皮中粉料的質量16%~ 35%的水玻璃均勻混合，然后送入壓涂機內按照常規方法將其裹覆于所述焊芯上，最后 經過低溫烘焙以及高溫烘焙后即成為所述新型渣系鎳基電焊條；所述的水玻璃為鈉水玻 璃、鉀水玻璃或者鉀鈉水玻璃，其波美濃度為41°~43°之間；所述的低溫烘焙的溫度為 100~150°C ;高溫烘焙的溫度為300~350°C。

　　[0032] 以下為本發明中粉料不同重量百分比含量的三個實施例。

　　[0033] 以下1#、2#和3#實施例中，焊芯直徑為3. 2mm，除了藥皮粉料的重量百分比含量不 同外，其余技術特征均相同。

　　[0034]表1三實施例焊條藥皮粉料的成分配比（重量％ )

　　[0036] 表2三實施例電焊條的熔敷金屬化學成分（重量％ )

　　[0038] 表3三實施例電焊條的熔敷金屬力學性能

　　【主權項】

　　1. 一種LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊條，包括焊芯 及裹覆于焊芯表面的藥皮，其特征在于：所述焊芯的化學成分及其重量百分比含量為： C彡0? 02%，S彡0? 01%，P彡0? 01%，Ni彡99. 0%，其余元素含量彡0? 50%，各成分總量 為 100%〇2. 根據權利要求1所述的LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊 條，其特征在于：所述的藥皮中粉料的成分及其重量百分比含量為：大理石5~10%、螢石 20~30%、碳酸鍶5~11%、金屬鉻24~30%、金屬錳4~10%、鉬8~13%、鎢鐵1~ 5%、鈮鐵3~8%、有機物0. 5~1. 5%、純堿0. 5~1. 5%、硅鐵2~4%、鈦鐵1~3%， 各成分總量為100% ;將各成分的粉料按照比例均勻混合，再加入占所述藥皮中粉料的質量 16%~35%的水玻璃均勻混合，然后送入壓涂機內按照常規方法將其裹覆于所述焊芯上， 最后經過低溫烘焙以及高溫烘焙后即成為所述新型渣系鎳基電焊條。3. 根據權利要求2所述的LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊 條，其特征在于：所述的螢石在所述藥皮中的重量百分比與所述大理石和碳酸鍶在所述藥 皮中的重量百分比的總和之比在5/4~15/7之間，即螢石在藥皮中的重量百分比/大理石 和碳酸鍶在藥皮中的重量百分比的總和=5/4~15/7。4. 根據權利要求2或3所述的LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳 基焊條，其特征在于：所述的藥皮中各粉料的主要成分的質量百分比含量如下：大理石中 CaCO3含量彡96 %，螢石中CaF2含量彡96 %，鈮鐵中Nb含量為50~65 %，鎢鐵中W含量為 70~80%，金屬鉻中Cr含量彡99%，金屬錳中Mn含量彡99%，金屬鉬中含Mo量彡99%， 鈦鐵中Ti含量為25~35 %，硅鐵中Si含量為40~45 %，碳酸鍶中SrCO3含量彡98 %，純 堿中Na2CO3S98%。5. 根據權利要求2或3所述的LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳 基焊條，其特征在于：所述的水玻璃為鈉水玻璃、鉀水玻璃或者鉀鈉水玻璃，其波美濃度為 41°~43°之間。6. 根據權利要求2或3所述的LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系 鎳基焊條，其特征在于：所述的低溫烘焙的溫度為100~150°C;高溫烘焙的溫度為300~ 350。。。

　　【專利摘要】一種LNG結構及船用9鎳鋼焊接用反比例配方高堿度渣系鎳基焊條，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的藥皮，焊芯的化學成分及其重量百分比含量為：C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni≥99.0％，其余元素含量≤0.50％，各成分總量為100％；藥皮中粉料的成分及其重量百分比含量為：大理石5～10％、螢石20～30％、碳酸鍶5～11％、金屬鉻24～30％、金屬錳4～10％、鉬8～13％、鎢鐵1～5％、鈮鐵3～8％、有機物0.5～1.5％、純堿0.5～1.5％、硅鐵2～4％、鈦鐵1～3％，各成分總量為100％；將各成分的粉料按照比例與占藥皮總質量16％～35％的水玻璃均勻混合，送入壓涂機內將其裹覆于焊芯上，經過低溫烘焙以及高溫烘焙后即成。本發明在-196℃時仍具有良好的綜合力學性能，并且具有優良的焊接工藝性能，可進行全位置焊接。

　　【IPC分類】B23K35/40, B23K35/30

　　【公開號】CN104907729

　　【申請號】CN201510270437

　　【發明人】何國, 王皇

　　【申請人】上海交通大學

　　【公開日】2015年9月16日

　　【申請日】2015年5月25日