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.錦州市特種設備監督檢驗所，遼寧錦州121000;2.唐山鴻鵬焊業有限公司，河北 唐山063020)

0 發明概述

極低溫鋼焊接用鎳基合金焊條用于極低溫鋼建造的LNG、LEG等儲罐的焊接。鎳基合金焊縫金屬具有容易產生凝固裂紋、液化裂紋等熱裂紋(以下稱微裂紋)的特征。為了改進鎳基合金焊縫金屬的抗裂性能，在特開昭53－37555號公報中報道了使用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需求的持續增加，隨著儲罐的大型化，使用40～50 mm的極厚板進行多層多道焊接施工建造儲罐。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，在后道的熱影響區也產生微裂紋，抗裂性能不充分。此外，現在追求高品質、長壽命的儲罐，希望開發即使多層多道焊，也難以產生微裂紋，即使產生微裂紋時，微裂紋處也不產生龜裂，具有抵抗塑性龜裂擴展的特性，即研制了焊縫金屬CTOD特性優良的焊條。

為了解決上述課題，對焊芯和藥皮組成進行各種研究，焊條中不含有Si、Nb時，具有良好的抗微裂紋性能。但是，從焊縫金屬力學性能的觀點出發，為了確保焊縫金屬抗拉強度，焊條中的Nb不應過低。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，認為焊條中Si、Nb含量控制到較低的程度為好。

根據上述的開發理念和見解，極低溫鋼焊接用鎳基合金焊條的特點如下。

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;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 發明的內容

Ni是構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，這是發明的基本條件。Nb是降低焊縫金屬中氧含量，提高塑性和強度的有效成分，必須大于0.5%，超過2.5%時，在冷卻過程中Nb容易與C、S形成低熔點化合物。形成的低熔點化合物在晶界偏析，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生缺陷，熔渣有合適的粘度和流動性，確保優良的焊接工藝性能。所以，金屬碳酸鹽必須大于20%，超過45%時，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，電弧不穩定，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劑等中的SiO2換算成的Si是發明的基本條件之一。Si換算值對焊條脫渣性能有良好的影響。對于微裂紋，Si與焊縫金屬中的C、Nb容易形成低熔點化合物，是產生微裂紋的原因。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，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系數和Nb系數的控制。焊條的Si系數［焊芯中Si含量+0.1(藥皮中的Si含量)］與產生微裂紋有很大的關系，如圖1所示。Si系數大時容易產生微裂紋，系數大于0.5時，微裂紋增加，系數小時，有改善產生微裂紋的傾向。因此，焊條中Si系數控制在0.5以下。

圖1 焊條中Si系數與微裂紋的關系

焊條的Nb系數［焊芯中的Nb含量+0.5(藥皮中的Nb含量)］與產生微裂紋有很大的關系，如圖2所示。Nb系數大時容易產生微裂紋，系數大于3.5時，微裂紋增加，系數小時，產生微裂紋的傾向小。焊條中Nb系數對焊縫金屬的抗拉強度也有影響，如圖3所示。LNG和LEG儲罐焊接時，熔敷金屬抗拉強度要求大于660 N/mm2，為了滿足這個要求，Nb系數必須大于1.5，因此，焊條中Nb系數控制在1.5% ～3.5%范圍。

圖2 焊條中Nb系數與微裂紋的關系

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

圖3 焊條中Nb系數與熔敷金屬強度的關系

圖4 焊條中Si系數與Nb系數之和與CTOD特性的關系

焊芯中的Mo是有效提高強度的元素，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，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，韌性差，因此，Mn含量最好為0.9% ～2.7%。

為了得到優質的焊縫金屬，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作為造渣劑，不損害發明的特征。但是，合金劑配比量過多時，焊縫金屬的成分容易不均勻，所以，添加量控制在30%以內。

2 實施例

表1是焊芯化學成分。焊芯是經熔煉、鍛造、壓延和拉伸后，切成φ4.0 mm×350 mm規格而制成。表2是藥皮組成。試驗焊條使用表2所示的藥皮組成以25%～35%的藥皮重量系數涂覆到表1所示是焊芯上，經400～450℃烘干60 min制造。表3是焊條的試驗結果。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，使用液體滲透對表面進行探傷檢驗，檢查微裂紋。同時檢查電弧狀態、飛濺、脫渣性能、焊道形狀等焊接工藝性能。當電弧狀態、飛濺、脫渣性能、焊道形狀等全部良好時為焊接工藝性能良好，以外的為不良。

表1 焊芯化學成分(質量分數，%)

表2 藥皮組成(質量分數，%)

表3 試驗結果

圖5 實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，以120～130 A焊接電流(交流)4～7 cm/min的焊接條件，進行立對接焊后，截取試樣，按照BS5762—79的CTOD試驗標準進行－198℃試驗。CTOD值大于0.4 mm為良好，CTOD值小于0.4 mm的為不良。抗拉強度按照JIS Z3225熔敷金屬性能試驗標準進行檢測，抗拉強度應大于660 N/mm2要求，其結果見表3。

圖6 實施例中CTOD試驗用的坡口形狀

綜合評定，全部滿足要求時標記為○，如果有1個不滿足標記為×。標記1～8發明焊條獲得了優良的抗微裂紋性能、CTOD特性、熔敷金屬和焊接工藝性能。

比較例中的標記9焊條，由于焊條中Nb系數高，抗微裂紋性能差;由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，CTOD特性差。標記10焊條，由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，CTOD特性差。

標記11焊條，由于焊條中Si系數高，抗微裂紋性能差。標記12焊條，由于焊條中Si系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Nb系數低，抗拉強度低。標記13焊條，由于焊條中Nb系數低，抗拉強度低。標記14焊條，由于焊條中Si系數高，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。

標記15焊條，由于焊條中Si系數和Nb系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，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。標記16焊條，由于焊條中Nb系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，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。

標記17焊條，由于焊條中Si系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數與 Nb系數之和高，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。標記18焊條，由于焊條中Nb系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，CTOD特性差;還由于藥皮F11的Si換算值低，焊接工藝性能不好。

標記19焊條，由于藥皮中Si換算值高，焊條中Si系數高，抗微裂紋性能差;此外，由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，CTOD特性差。標記20焊條，由于焊芯W11的Nb系數高，焊條中Nb系數高，抗微裂紋性能差;還由于焊條中Si系數與Nb系數之和高，CTOD特性差。標記21焊條，由于焊芯W12的Nb系數低，焊條中Nb系數低，抗拉強度低。

3 發明的效果

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