CN108406167A

CN108406167A - 烧结焊剂及使用所述焊剂的奥氏体不锈钢埋弧焊接方法

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Publication number: CN108406167A
Application number: CN201810116889.8A
Authority: CN
Inventors: S·施塔克
Original assignee: O Lin Kang Welding Technology Co Ltd
Current assignee: O Lin Kang Welding Technology Co Ltd
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-17
Also published as: KR20180092872A; JP2018126789A; US20180221997A1; BR102018002606A2; CA2992679A1; EP3360641A1

Abstract

本发明涉及烧结焊接剂，该烧结焊接剂包含以焊剂的重量％表示的：25％至35％的MgO、20％至28％的CaF₂、15％至22％的Al₂O₃、12％至17％的SiO₂和0.2％至0.4％的碳(重量％)，所述碳使用该焊剂中包含的至少一种金属化合物引入。本发明还涉及一种用于使用所述焊剂对由奥氏体不锈钢制成的至少一个工件进行埋弧焊接的方法，并且涉及使用所述方法获得的焊接接头，该焊接接头包含17％至20％的Cr、5％至8.5％的Mn和14％至18％的Ni。

Description

烧结焊剂及使用所述焊剂的奥氏体不锈钢埋弧焊接方法

本发明涉及一种用于奥氏体不锈钢的埋弧焊接的焊接剂，并且还涉及一种使用这种焊剂的埋弧焊接方法，以及一种通过熔化所述焊剂和可消耗的焊接丝并焊接由奥氏体不锈钢制成的一个或多个工件而获得的焊接金属组合物(即焊接接头)。

奥氏体不锈钢表现出高度希望的特性组合，这使得它们可用于多种工业应用。这些钢具有促进和稳定铁中元素的铬和奥氏体的均衡分析并且在室温下具有奥氏体结构。奥氏体结构和高铬含量都有助于耐腐蚀性，并且相对均匀的奥氏体结构也为钢提供了良好的强度和韧度特性，主要是由于铬(Cr)、镍(Ni)和锰(Mn)的高含量，这使得它们作为建筑材料特别有吸引力。

具体地，具有至多9％的典型Ni含量和约19％的铬含量的奥氏体不锈钢尤其适于可以在低温温度下典型地低于-170℃(-270°F)使用的用于储存液化烃气(LNG)或液化空气组分像氧气或氮气的容器。

因为镍是一种昂贵的成分，所以降低奥氏体不锈钢中的镍含量但同时保持其用于低温目的的用途的可能性具有很高的利益。这种低镍奥氏体不锈钢的一个实例是201LN等级(ASTM A240国际标准)。

下表1中给出了这种低镍奥氏体不锈钢的冶金组成的典型含量范围，即构成这种钢的基底金属的组成。

表1：基底金属201LN(ASTM A240)的组成(按重量％)

这些低镍奥氏体不锈钢常规通过使用由电弧熔化的焊接剂和焊接丝进行埋弧焊接(以下称为“SA焊接”)的方法来焊接，由此供给填焊金属以便形成所希望的焊接接头。

待焊接的工件可以是片材、板材、锻件或管。

所面临的问题是，总体上，如果奥氏体钢是SA焊接的，则由于在这个方法中使用非常高的热量，所以焊接金属的晶体结构将是粗糙的，并且焊接金属的拉伸强度与用其他焊接方法获得的焊接金属相比将相对较低。

然而，建筑工业要求焊接金属的拉伸强度(也称为极限拉伸强度)高于基底金属的拉伸强度，并且具体地，在20℃时焊接金属的拉伸强度在655与740MPa之间。ASTM 201LN的最小拉伸强度限定为655MPa(95ksi)。拉伸强度对于压力容器的设计是重要的。对于给定的设计，壁厚度由最小拉伸强度来限定。出于经济原因，壁厚度选择尽可能低；因此板材材料和焊接金属必须满足标准的最小拉伸强度。此外，在焊接金属的最小韧度方面也有要求，典型地在-196℃下至少47J。如果这些水平要求不满足，则对这样焊接的结构的完整性是有害的。

到目前为止，没有提出适当的解决方案来获得具有这些机械性能的焊接金属。

因此，待解决的一个问题是提供一种烧结焊接剂，使得当通过SA焊接方法焊接低镍奥氏体不锈钢时，可以获得具有所要求水平的拉伸强度和韧度的焊接接头。

根据第一方面，本发明涉及一种烧结焊接剂，该焊接剂包含以焊剂的重量％表示的：

-25％至35％的氧化镁(MgO)，

-22％至35％的氟化钙(CaF₂)，

-15％至22％的氧化铝(Al₂O₃)，

-11％至17％的二氧化硅(SiO₂)，

-至少一种含有碳的金属化合物，和

-0.2％至0.4％的碳，所述碳使用所述至少一种金属化合物引入。

根据情况，本发明的焊剂可包括以下特征中的一个或多个：

-所述金属化合物包含2％至12％的碳。

-焊剂包含1.6％至10％的所述金属化合物。

-所述金属化合物为铁合金。

-焊剂包含选自以下的至少一种金属化合物：铬铁、锰铁、铸铁、碳化硅粉末。

根据第二方面，本发明涉及一种用于由奥氏体不锈钢制成的至少一个工件的埋弧焊接的方法，其中将可消耗的焊丝和焊剂电弧熔化以在所述至少一个工件上获得焊接接头，其特征在于焊剂是根据本发明的烧结焊接剂。

优选地，可消耗的焊丝包含以焊丝的总重量％表示的：

-0.01％至0.05％的碳(C)，

-0.1％至1％的硅(Si)，

-5％至9％的锰(Mn)，

-19％至22％的铬(Cr)，

-15％至18％的镍(Ni)，

-2.5％至4.5％的钼(Mo)，

-0.1％至0.2％的氮(N)，并且

-其余为铁(Fe)。

工件可包含以工件的重量％表示的：

-16％至18％的Cr，

-6.4％至7.5％的Mn，和

-4.0％至5.0％的Ni。

工件可进一步包含以工件的重量％表示的：

-0.01％至0.03％的C，

-0.1％至0.75％的Si，

-0.01％至0.025％的N，并且

-其余为铁(Fe)。

根据第三方面，本发明涉及一种可通过根据本发明的焊接方法获得的焊接接头，其特征在于该焊接接头包含以接头的重量表示的：

-17％至20％的Cr，

-5％至8.5％的Mn，和

-14％至18％的Ni。

优选地，根据本发明的焊接接头进一步包含以工件的重量％表示的：

-0.09％至0.13％的C，

-0.3％至0.7％的Si，

-2％至4％的Mo，

-0.1％至0.25％的N，并且

-其余为铁(Fe)。

焊接接头可具有在20℃下在650与700MPa之间的拉伸强度和/或在-196℃下27J的最小韧度。

根据第四方面，本发明涉及一种由奥氏体不锈钢制成的工件，该工件包含16％至18％的Cr、4.0％至5.0％的Ni、6.4％至7.5％的Mn和铁，其特征在于该工件包括至少一个根据本发明的焊接接头。

术语“烧结焊剂”被理解为意指焊剂由主要由矿物质(例如氧化铝或氧化硅)和可能的呈粉末形式的金属化合物组成的粒子或小颗粒形成的，其中向这些粒子或小颗粒中加入基于含水无机硅酸盐(例如硅酸钠)的一种或多种粘合剂。包括像金属化合物的可能的粉末的所有物质形成焊剂的组合物。存在的所有化合物和物质彼此烧结并形成焊剂晶粒。最终的焊剂晶粒在形状上主要是圆形的，并具有主要包含在0.2与2.0mm之间的粒度。

应当注意，焊剂中存在的碳可以通过红外吸收来分析，而元素Mg、Al、Si、F可以通过XRF(X射线荧光)来分析。元素Mg、Al也可以通过ICP-AES来分析，F可以在蒸气提取后用离子敏感电极来分析。如众所周知，诸如Mg、Al和Si的元素以氧化物存在，它们通常被表示为诸如MgO、Al₂O₃、SiO₂的氧化物。如众所周知，F主要以CaF存在，它被表示为CaF。Ca也可以通过XRF或ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱测定法)和/或通过ICP-MS(电感耦合等离子体质谱法)来分析。可以化学计量地归因于F的所有Ca都表示为CaF₂。剩余的Ca表示为CaO。Si也可以通过重量分析法来分析。

根据第二方面，本发明涉及一种用于由奥氏体不锈钢制成的至少一个工件的埋弧(SA)焊接的方法，其中通过电弧熔化可消耗的焊丝和焊剂以在所述至少一个工件上获得焊接接头，其特征在于该焊剂是根据本发明的。

根据情况，本发明的焊接方法可包括以下特征中的一个或多个：参见权利要求7至9。

具体地，根据本发明的方法可使用可消耗的焊丝，该焊丝包含以焊丝的总重量％表示的：

-最大(即至多)0.03％的碳(C)，优选地在0.01％与0.03％之间的C，

-最大1.0％的碳(C)，优选地在0.1％与1.0％之间的Si，

-5％至9％的锰(Mn)，

-19％至22％的铬(Cr)，

-15％至18％的镍(Ni)，

-2.5％至4.5％的钼(Mo)，

-0.1％至0.2％的氮(N)，

-最大0.5％的铜(Cu)，优选地在0.03％与0.5％之间的Cu

-最大0.03％的磷(P)，优选地在0.005％与0.03％之间的P，

-最大0.02％的硫(S)，优选地在5ppm与0.02％之间的S，

并且

-其余为铁(Fe)。

所有元素都可以通过OES(光发射光谱测定法)来分析；C和S可以通过红外吸收来分析，N可以通过热导率测量术(热导率)来分析。Si也可以通过重量分析来分析；Mn、Cr、Ni、Mo也可以通过ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱测定法)进行分析。

根据第三方面，本发明涉及一种焊接接头，即熔敷的焊接金属，具体地是可通过实施根据本发明的所述SA焊接方法获得的焊接接头，其特征在于该接头包含以接头的重量表示的：参见权利要求10。

根据情况，本发明的焊接接头可包括以下特征中的一个或多个：参见权利要求11至13。

熔敷金属的化学分析在接头的轴线上进行。

碳可通过红外吸收来分析，氮通过热导率测量术来分析，锰、铬、钼和镍通过OES(光发射光谱测定法)来分析，并且其他元素通过ICP-AES和/或ICP-MS来分析。硅可以重量分析法来分析。

根据第四方面，本发明涉及一种由奥氏体不锈钢制成的工件，所述工件包含16％至18％的Cr、4.0％至5.0％的Ni、6.4％至7.5％的Mn和铁，其特征在于该工件包括至少一个根据本发明的焊接接头。

优选地，工件是管、板材或锻件。

借助于以下关于焊剂中存在的各种元素(都按重量％)的影响的解释，将会更好地理解本发明。

氧化镁(MgO)

MgO增加焊渣的粘度，并且允许获得均匀的焊道。此外，它控制在焊接金属中的氧含量。焊剂中的MgO含量低于25％增加焊接金属的氧含量和韧度。另一方面，MgO含量高于35％导致不稳定的弧、不均匀的焊道和不良的焊渣清除。

氟化钙(CaF₂)

CaF₂允许获得均匀的焊道并控制可能在焊接金属中扩散的氢和氧的量。当CaF₂含量低于20％时，由于焊接金属中氧含量较高，韧度降低。另一方面，当CaF₂含量高于28％时，弧不稳定，焊道的形式不好，并且焊渣清除较差。

氧化铝(Al₂O₃)

Al₂O₃改进了焊渣流动性和焊道均匀性。Al₂O₃含量低于15％对这些改进的影响不大，而Al₂O₃含量高于22％(由于焊接金属中氧含量较高)会降低韧度。

二氧化硅(SiO₂)

SiO₂改进了焊渣流动性和焊道均匀性。SiO₂含量低于12％对这些改进影响不大。但是当SiO₂含量低于17％时，由于焊接金属中氧含量较高，韧度特性降级。

碳(C)

将碳加入焊剂中以确保焊接金属的高拉伸特性。根据本发明，使用至少一种含碳金属化合物将碳引入焊剂中。因此，在SA焊接方法过程中，碳被转移到焊接金属中，以便增加焊接金属的拉伸强度。

以金属形式引入碳是有利的，因为它在焊剂焙烧过程期间不分解。至少一种金属化合物以所需要的量和可预测的方式将碳转移到焊接池中。相比之下，不是金属形式的化合物，例如石墨(C)，在焙烧过程期间将分解，并且因此将不以可预测的方式和必需的量转移碳。

在接头(即熔敷金属)中C含量过高导致马氏体类型的硬质结构和/或硬化结构的过量的碳化物析出，从而导致较差的韧度。相反，C含量过低会导致拉伸机械性能不足。因此，在焊剂中，必须考虑在0.2％与0.4％之间的C的量。

优选地，至少一种金属化合物为铁合金，该铁合金有利地选自由锰铁、铬铁、铸铁粉末、碳化硅粉末形成的组。使用铁合金是特别有利的，因为它在焊剂焙烧过程期间不分解。含碳铁合金以可预测的方式将碳转移到焊接池中。相比之下，石墨(C)在焙烧过程期间将分解，并且因此将不以可预测的方式转移碳。碳酸盐像碳酸钙(CaCO₃)也含有碳，但是在焊接方法期间它们分解成金属氧化物像CaO以及CO和CO₂的混合物。这两种组分都呈气态形式，并且不会将碳以必需的量转移到焊接池中。

在本发明的领域中，铁合金是指具有大于1％的碳和一种或多种元素像铁、锰、铬或硅的合金。碳低于2％的铁合金将要求焊剂内的铁合金的量高于10％。然而，如果将高于20％的量的铁合金加入焊剂中，焊剂本身的焊接性能将变得非常差。

有利地，铁合金是增碳铁合金(法语中为“ferroalliage carburé”)，具有高碳含量，也就是说4％至12％的碳，优选至少5％的碳，并且优选低于10％的碳(按重量％)。合金内的碳含量越高，需要加入的组分越少。合金加入越少，焊接性能越好。另一方面，如果合金的碳含量超过12％，石墨将在合金内析出。而且，因为我们只使用研磨到非常精细的粉末的合金，所以我们可以看到混合物内的石墨。然而，应当避免石墨，因为它可在焙烧过程期间氧化。焊接方法将因此变得不可预测。

铁合金可以是增碳锰铁合金(法语中为“ferromangaèese carburé”)，也称为高碳锰铁合金。优选地，锰铁合金包含75％至80％的Mn和5％至9％的C，更优选在6％至8％之间的C(按重量％)。

铁合金还可以是增碳铬铁合金(法语中为“ferrochrome carburé”)，含有64％至90％的Cr和4％至12％的C，更优选6％至9％之间的C(按重量％)。

根据本发明的另一个实施例，至少一种含碳金属化合物可以是铸铁粉末。优选地，铸铁粉末含有2％至4％的碳(按重量％)。铸铁提供不加入铬或锰的优点。

根据本发明的另一个实施例，至少一种金属化合物可以是碳化硅。

优选地，根据本发明的AS焊接方法通过熔化如上所述的焊剂和具有以下组成(按重量％)的焊丝来进行：

-0.01％至0.05％的碳(C)，

-0.1％至1％的硅(Si)，

-5％至9％的锰(Mn)，

-19％至22％的铬(Cr)，

-15％至18％的镍(Ni)，

-2.5％至4.5％的钼(Mo)，

-0.1％至0.2％的氮(N)，并且

-其余为铁(Fe)。

下面将解释焊丝中存在的各种元素的影响(所有含量均表示为相对于焊丝总重量的％)。碳(C)

引入碳以改进焊接金属的强度。

铬(Cr)和钼(Mo)

元素Cr和Mn是高强度奥氏体不锈钢的主要合金元素。元素Cr和Mn与钢中的碳结合以形成赋予钢强度的碳化物，并且因此也赋予焊接金属强度。焊接金属中过量的Cr或Mo导致焊接金属的韧度特性退步。因此，必须采取措施以确保在接头中存在位于16％与22％之间的Cr的量以及最大4.5重量％的Mo的量。

硅(Si)

硅作为焊接金属中的脱氧剂。因此它必须以足够的量存在以便控制氧(O)含量。如果Si含量过高，则韧度特性退化。因此，必须将接头中的Si的量限制在从0.3％至1％的范围内。

镍(Ni)

镍的加入具有促进奥氏体结构的作用。出于这个原因，镍水平必须包括在位于15％与18％之间。

钼(Mo)

Mo对焊接金属的强度有很强的影响，并且因此对于确保适当的强度水平是非常重要的因素。另一方面，Mo的量过大可能导致高易碎性。因此，Mo的量必须在2％与4％之间。

氮(N)

氮具有促进奥氏体结构并同时赋予强度的作用。过量的氮导致焊接金属多孔性，该多孔性将是大多数建筑规范所不能接受的。N含量优选低于0.25％，并且典型地被包括在0.14％与0.2％之间。

说明性实例

下面给出的测试的目的是说明当使用根据本发明的焊剂在由奥氏体不锈钢制成的工件上进行SA焊接方法时，可以获得具有根据本发明的冶金组合物的焊接接头，特别是满足建筑工业的拉伸强度要求以及良好的韧度特性的接头。

通过在23℃的温度下进行的拉伸测试和极限拉伸强度测量来评价接头样品的拉伸强度。极限拉伸强度通过材料在延伸或牵扯时在断裂前可耐受的最大应力来测量。还使用沙尔皮V形缺口测试来测量样品的韧度，该测试是确定了材料在破裂期间所吸收的能量的标准化高应变率测试。这个测试在-196℃的温度下进行。

在由焊接接头中心的熔敷金属机械加工的样品上进行拉伸和韧度测试。

其上熔敷焊接金属的低镍奥氏体钢工件由201LN等级(ASTM A240)制成，并具有下表2中给出的组成。

表2：测试的基底金属的组成(按重量％)

C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	N	Fe
								0.026	7.2	0.38	16.2	4.7	0.23	0.12	其余

用于SA焊接的焊剂(焊剂1、焊剂2、焊剂3)具有下表3给出的组成。使用增碳铬铁合金和增碳锰铁合金作为含碳金属化合物在焊剂中引入碳。焊剂1含有2％的量的铬铁合金和2％的量的增碳锰铁合金。焊剂2含有2.5％的量的铬铁合金和2％的量的增碳锰铁合金。这种增碳铬铁化合物包含64％至70％的Cr和9％至10％的C。增碳锰铁化合物包含75％至80％的锰和6％至7.7％的碳。

表3：测试的焊剂的组成(按重量％)

表4：测试的焊丝的组成(按重量％)

化学元素	焊丝1	焊丝2	焊丝3	焊丝4	焊丝5	焊丝6
							C	0.026	0.025	0.021	0.042	0.013	0.05
Mn	7.4	6.8	1.8	1.4	1.51	5.8
							Si	0.46	0.35	0.42	0.55	0.51	0.45
Cr	19.8	23.5	18.5	18.9	22.9	17.6
							Ni	16.1	22.1	11.5	9.4	8.6	7.5
Mo	3.1	3.0	2.7	0.05	3.0	0.02
							Nb	0.017	0.014	0.012	0.40	0.020	0.01
N	0.22	0.28	0.05	0.04	0.14	0.01

通过应用以下SA焊接参数获得没有任何稀释的熔敷金属的样品：

-用具有3.2mm的直径的焊丝进行的SA焊接，该焊丝的组成在表4中，与表3的焊剂1、2、3相关联，

-预热到25℃与100℃之间

-8至12次焊接次数，

-在约100℃的焊接次数之间的基底金属的温度，

-对于55cm/min的焊接速度，约1.5kJ/mm的焊接能量，

-在30V时460A的DC+电流，-在7与17s之间的焊接金属从800℃至500℃的冷却时间。

在熔敷金属中，即在所得到的焊接接头中纵向机械加工圆柱形拉伸样品。样品的总长度为97mm，计量部分的直径为10mm并且计量部分的长度为50mm。

每个拉伸测试在23℃下进行。牵引速度为15MPa/s。

下表5中给出了测试样品的组成(每种元素按重量％)以及拉伸强度(Rm，以MPa表示)和韧度测量(Kv，以焦耳表示，在-196℃下)结果。

表5：测试焊接接头的组成和实验结果

可以看出，只有对应于1号和2号焊接的测试在拉伸强度和韧度特性方面给出了令人满意的结果。这是因为为了提高强度，在焊接金属中加入了适量的碳。C含量过高会损害韧度结果。这些焊接提供了强度与韧性之间的最佳折衷。

还可注意到，焊剂2在强度方面给出了比焊剂1更好的结果，但韧度接近其最大值。在3号焊接中，由于C低于0.09％的事实，所以拉伸强度过低；与1号和2号焊接相比，更高的铬和镍含量无助于发现正确的强度水平。

4号焊接与3号焊接相似：C水平相似，但Cr较少和11.5％的Ni，并且因此Fe较多。然而，强度水平甚至更低，这清楚地表明，一定的铬和镍是优选的。

5号焊接中通过焊丝加入了0.4％的铌(Nb)，但强度仍然很低，这也是因为C超出了推荐的范围。

6号焊接改变了铬与镍之间的平衡：铬水平较高，而镍水平相对较低；获得了高强度但韧度不足。

关于铬、镍和碳，7号焊接具有与5号焊接类似的组成，但是Mn含量经由焊丝增加到5.6％。这种焊丝不加入铌(Nb)。金属韧度仍然太低，并且韧度也不够。

Claims

1.一种烧结焊接剂，该焊接剂包含以重量％表示的：

-25％至35％的氧化镁(MgO)，

-22％至35％的氟化钙(CaF₂)，

-15％至22％的氧化铝(Al₂O₃)，

-11％至17％的二氧化硅(SiO₂)，

-至少一种含有碳的金属化合物，和

2.如权利要求1所述的焊剂，其特征在于所述金属化合物包含2％至12％的碳。

3.如权利要求1和2中任一项所述的焊剂，其特征在于该焊剂包含1.6％至10％的所述金属化合物。

4.如权利要求1至3中任一项所述的焊剂，其特征在于所述金属化合物为铁合金。

5.如权利要求1至3中任一项所述的焊剂，其特征在于该焊剂包含选自以下的至少一种金属化合物：铬铁、锰铁、铸铁、碳化硅粉末。

6.一种用于由奥氏体不锈钢制成的至少一个工件的埋弧焊接的方法，其中可消耗的焊丝和焊剂由电弧熔化以在所述至少一个工件上获得焊接接头，其特征在于该焊剂是如权利要求1至5中的一项所述的烧结焊接剂。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该可消耗的焊丝包含以焊丝的总重量％表示的：

-0.01％至0.05％的碳(C)，

-0.1％至1％的硅(Si)，

-5％至9％的锰(Mn)，

-19％至22％的铬(Cr)，

-15％至18％的镍(Ni)，

-2.5％至4.5％的钼(Mo)，

-0.1％至0.2％的氮(N)，并且

-其余为铁(Fe)。

8.如权利要求6和7中任一项所述的焊接方法，其特征在于该工件包含以工件的重量％表示的：

-16％至18％的Cr，

-6.4％至7.5％的Mn，和

-4.0％至5.0％的Ni。

9.如权利要求8所述的焊接方法，其特征在于该工件进一步包含以工件的重量％表示的：

-0.01％至0.03％的C，

-0.1％至0.75％的Si，

-0.01％至0.025％的N，和

-其余为铁(Fe)。

10.一种焊接接头，该焊接接头通过如权利要求6至8中任一项所述的焊接方法获得，其特征在于该焊接接头包含以接头的重量表示的：

-17％至20％的Cr，

-5％至8.5％的Mn，和

-14％至18％的Ni。

11.如权利要求10所述的焊接接头，其特征在于该焊接接头进一步包含以工件的重量％表示的：

-0.09％至0.13％的C，

-0.3％至0.7％的Si，

-2％至4％的Mo，

-0.1％至0.25％的N，并且

-其余为铁(Fe)。

12.如权利要求10和11中任一项所述的焊接接头，其特征在于该焊接接头在20℃下具有在650与700MPa之间的拉伸强度。

13.如权利要求10至12中任一项所述的焊接接头，其特征在于该焊接接头在-196℃下具有27J的最小韧度。

14.一种由奥氏体不锈钢制成的工件，该工件包含16％至18％的Cr、4.0％至5.0％的Ni、6.4％至7.5％的Mn和铁，其特征在于该工件包括至少一个如权利要求10至13中的一项所述的焊接接头。