本發明涉及焊接材料領域，具體涉及一種lng結構及船用9ni鋼焊接的鎳基焊條及其制備方法。
背景技術：
隨著我國經濟的迅速發展，液化天然氣（lng）用量每年以10%的速度增長，預計在不久的將來，天然氣將成為我國在煤和石油之后的第三大能源。儲存和運輸lng所用低溫9ni鋼已成為鋼鐵行業生產的又一個焦點。從2008年開始，在國家發改委等部門支持下，鞍鋼、南鋼及太鋼等國內鋼鐵企業陸續成功研發出國產低溫9ni鋼，打破了9ni鋼長期進口現象，加速了我國lng工業的發展。預計到2020年，中國lng進口量將達到4400萬噸，甚至更多。近年來，國內lng技術發展較快，9ni鋼取代ni-cr不銹鋼已成為建造lng低溫儲罐的主要材料，已基本實現了國產化并且技術日益成熟，lng儲罐已實現自主設計和建造，但與9ni鋼配套的焊材還需長期依賴國外進口，從設計院到承建方一致要求加快9ni鋼配套焊材的國產化進度。9ni鋼配套焊材的國產化，不僅能降低lng工程造價，縮短采購周期，提高施工效率，更重要的是推動lng儲罐技術和整個行業的全面國產化。
國內開展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，在實際工程上應用很少。為了順應國內9ni鋼國產化的趨勢和滿足lng儲罐市場對焊材迫切需求，同時打破國外技術和市場封鎖，研發出一種工藝性良好和低溫塑性、韌性兼備的lng結構及船用焊條顯得非常必要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種lng結構及船用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lng結構及船用建造現場的使用工況。
本發明為實現上述目的所采用的技術方案為：lng結構及船用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劑，粘結劑的添加量為藥皮中原料總重量的20~25%。
其中，所述的粘結劑采用純鉀水玻璃，其化學成分為：k2o≥12，sio2≥25，s≤0.005，p≤0.005。
本發明中，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結構及船用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，并按照計算結果稱取各物料；混合攪拌干混均勻后，先加入物料總重量的2.5%的水，預濕混2~3min后，再加入重量占物料總重量20~25%的粘結劑進行濕混，打團后送入壓涂機內將其裹覆于鎳基焊芯上，經過烘焙后即制成鎳基焊條。
本發明中，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，從而抑制立焊時的“淌渣”現象；al2o3熔點高、氧化性低，能夠改變焊條的熔點、粘度和流動性。
本發明中，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，減弱焊后產生冷裂紋的傾向。同時，本發明的堿性藥皮在使用時能夠發生化學反應，分解出co2氣體等在電弧區形成保護氣氛的氣體，保護了焊條端部和處于高溫的焊縫，防止焊縫產生氣孔。
本發明中，鋯英砂能夠降低熔渣整體熱膨脹系數，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、彈性以及流動性，便于焊條的壓制，使焊條表面光滑而不開裂；碳酸鉀能夠穩弧，改善壓涂性。
本發明中，金屬鉻、金屬鉬、金屬錳復配，能夠向焊縫金屬中過渡合金元素，保證必要的化學成分，參與脫氧，提高焊縫的強度；而合金粉硅鐵和鉬鐵、鈮鐵，合金的加入可以補償焊接過程有益元素的燒損，保證焊縫金屬的合理的化學成分、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，同時能夠細化晶粒。
本發明采用純鉀水玻璃作為粘結劑，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，因此，本發明采用模數3.0，波美度40~44°be′（20℃）的純鉀水玻璃。
有益效果：1、本發明采用了cao-caf2-sio2堿性渣系，配合金紅石、少量鋯英砂和有機物，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，焊接時電弧穩定，抗磁偏吹能力強，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，焊接過程中飛濺小，發塵量少；焊條能適應較寬焊接電流范圍，與合金焊芯技術路線相比，焊芯熔煉成本大幅降低，焊接過程中藥皮不發紅，套筒保護效果好，焊條利用率高，能較好地適應lng結構及船用建造現場的使用工況。焊縫金屬無氣孔和裂紋等其他缺陷，以達到使熔敷金屬在-196℃下具有較好的低溫沖擊韌性、較高的抗拉強度和屈服強度的效果。
2、本發明焊條工藝性良好，生產過程中可以順利壓涂，焊條藥皮強度和表面質量較好，焊條偏芯可控；熔敷金屬化學成分滿足標準，焊縫金屬無氣孔和裂紋，具有較好的常溫拉伸和低溫韌性，力學性能良好，可廣泛應用。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
lng結構及船用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%。
本發明的技術關鍵是合理調整渣系，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劑，粘結劑的添加量為藥皮中原料總重量的20~25%。主要原材料的化學成分見表1。
表1主要原材料的化學成分要求
以下為本發明中粉料不同重量百分比含量的三個實施例，三個實施例中，焊芯規格為ф3.2×350mm，除了藥皮粉料的重量百分比含量不同外，其余技術特征均相同。具體實施例如表2所示。
表2實施例中原材料的類型和成分對比表
實施例1
lng結構及船用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配比，計算實施例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，并按照計算結果稱取各物料；混合攪拌干混均勻后，先加入物料總重量的2.5%的水，預濕混2~3min后，再加入重量占物料總重量20~25%的粘結劑進行濕混，打團后送入壓涂機內將其裹覆于鎳基焊芯上，經過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間均為1.5h。
實施例2
lng結構及船用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成分同實施例1，藥皮粉料的重量百分比含量如表2所示；其余特征同實施例1。
實施例3
lng結構及船用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成分同實施例1和實施例2，藥皮粉料的重量百分比含量如表2所示；其余特征同實施例1。
對上述制得的三種類型焊條進行工藝性試驗，其中實施例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；實施例2焊道脫渣和覆蓋，焊縫成形，電弧穩定性最好，尤其是立焊的可操作性良好；實施例3中電弧不穩，焊接過程中飛濺較大，煙塵較多，向上立焊的可操作性差。鑒于lng結構及船用9ni鋼焊接的用焊條的實際使用工況，綜合對比，選取實施例2作一系列的性能試驗。
根據gb/t13814-2008和gb/t25774.1-2010的要求，采用碳鋼試板堆邊。焊接規范：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，焊前不需預熱，道間溫度≤100℃，焊接完成后無需進行熱處理。對實施例2進行熔敷試板焊接完成后，進行一系列的理化試驗。
如表3和表4、表5所示，分別列出了實施例2焊條熔敷金屬化學成分、常溫力學拉伸性能和-196℃低溫沖擊功和側向膨脹量的測試結果。根據awsa5.11和gb/t13814eni6620標準的要求，焊條熔敷金屬的化學成分、常溫拉伸和-196℃低溫沖擊功以及側向膨脹量均滿足各項指標。
表3實施例焊條和標準要求的熔敷金屬化學成分對比表（質量百分數，%）
表4實施例焊條和標準要求熔敷金屬拉伸性能對比表
表5實施例焊條和標準要求熔敷金屬-196℃低溫沖擊功和側向膨脹量對比表
本發明中焊條工藝性良好，力學性能穩定，制造成本低，附加值大，未來5年，國內9ni鋼的需求量在10萬噸以上，與之配套的焊材在2000噸以上甚至更多，市場前景較好，潛在效益巨大。成本低廉，工藝性優良，電弧穩定，電弧挺度好，飛濺小，鐵水流動性好，焊縫成形美觀，脫渣容易，熔敷金屬的化學成分，力學性能等各項指標均可很好的滿足標準要求。