本发明涉及电焊条及其制备方法，具体涉及一种用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条及其制备方法。
背景技术：
近年来，随着压力容器、水力发电等钢结构建造物不断地向轻量化、大型化的发展，特别是为了减轻地球CO2排放，遵循“节能减排”的环境原则。高强钢结构的设计使用得到了长足的发展。随着高强钢建造物设计强度及韧性储备提高，对焊接材料的要求不断地提出了新的技术指标要求。
目前，国内水利发电行业随着设计指标的不断更新，80kg级水电压力钢管已逐步替代了60kg级水电压力钢管。100kg压力钢管的应用已进入了实质性的设计阶段。随着水电压力钢管强度级别指标的不断提升，同时对焊缝金属的韧性储备也提出了更高的要求。特别是在焊接施工过程中由于操作现场空间狭窄，希望焊接过程中扩大焊接热输入(≤40KJ/cm),提高焊接生产率。因此，为了提高焊缝金属韧性储备，扩大施工过程中焊接热输入工艺窗口，对100kg压力钢管电焊条的设计开发提出了新的技术要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条及其制备方法，焊接热输入满足≤40KJ/cm焊接条件，在使用环境温度-60℃条件下，焊缝金属具有良好的力学性能和抗裂性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮组成，焊芯为H08E焊条，焊条药皮中包括的组分及质量百分比为：大理石35％～48％，菱镁石3％～7％，碳酸钡2％～6％，萤石16～26％，金红石2～5％，锆石英2～5.5％，电解锰3.2～6.8％，低硅硅铁7～12％，镍粉5.4％～9.6％，钼铁2.2％～4.5％.金属铬0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
按质量百分比，要求：
H08E钢：C≤0.060％,Mn 0.35％～0.60％,Si≤0.030％,S≤0.010％,P≤0.010％，余量为Fe；
大理石：CaCO3≥98.0％,S≤0.010％,P≤0.010％；
菱镁石：MgO≥41％，CaO≤6.0％，SiO2≤2.0％，FeO≤0.4％；
碳酸钡：BaCO3≥98.5％，SO4-2≤0.40％，水份≤0.30％；
萤石：CaF2≥95.0％，SiO2≤1.5％，CaCO3≤1.5％，S≤0.03％，P≤0.03％；
金红石：TiO2≥95.0％，S≤0.03％，P≤0.03％；
锆英砂：ZrO2≥60.0％，SiO2≤32.0％，Al2O3≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％；
电解锰：Mn≥99.7％,C≤0.04％,P≤0.005％,S≤0.02％,Si≤0.010％,Fe≤0.03％；
低硅硅铁：Si 42.0％～47.0％，P≤0.03％，S≤0.02％，Mn≤0.7％；
镍粉：Ni≥98.0％，C≤0.025％，S≤0.01％，P≤0.01％；
钼铁：Mo≥55.0％，Si≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，C≤0.20％，Cu≤0.5％；
金属铬：Cr≥99.0％，C≤0.02％,P≤0.01％,S≤0.02％,Si≤0.020％,Fe≤0.20％。
所述焊条药皮质量占焊条总质量的31.2％～33.4％。
上述用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条的制备方法，金红石、锆英石在压制焊条前经过850℃～950℃高温烘培处理，然后按配比将药皮的各药粉组分混合均匀，使用锂-钾-钠型水玻璃作为粘结剂，加入量为药皮总重量的18％-26％，进行搅拌，压制焊条，最后进行低温、中温、高温烘培，制成电焊条。
所述金红石、锆英石在压制焊条前经过850℃～950℃高温烘焙30分钟。
所述低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃。
所述锂-钾-钠型水玻璃，其浓度为39～410Be'，模数为2.9～3.3，比重为1.8～2.2，钾钠质量比为3∶1。
本发明的有益效果是：电焊条焊接热输入40KJ/mm以下焊接，焊条的扩散氢含量在3.5ml/100g以下(水银法)。在-60℃的低温条件下，能够得到抗裂性及冲击韧性优异的焊缝金属，适用于全位置焊接工艺操作。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，下述百分比均为质量百分比：
本发明一种用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的药皮组成，焊芯为H08E焊条，焊条药皮中包括的组分及质量百分比为：大理石35％～48％，菱镁石3％～7％，碳酸钡2％～6％，萤石16～26％，金红石2～5％，锆石英2～5.5％，电解锰3.2～6.8％，低硅硅铁7～12％，镍粉5.4％～9.6％，钼铁2.2％～4.5％.金属铬0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
按质量百分比，要求：
H08E钢：C≤0.060％,Mn 0.35％～0.60％,Si≤0.030％,S≤0.010％,P≤0.010％，余量为Fe；
大理石：CaCO3≥98.0％,S≤0.010％,P≤0.010％；
菱镁石：MgO≥41％，CaO≤6.0％，SiO2≤2.0％，FeO≤0.4％；
碳酸钡：BaCO3≥98.5％，SO4-2≤0.40％，水份≤0.30％；
萤石：CaF2≥95.0％，SiO2≤1.5％，CaCO3≤1.5％，S≤0.03％，P≤0.03％；
金红石：TiO2≥95.0％，S≤0.03％，P≤0.03％；
锆英砂：ZrO2≥60.0％，SiO2≤32.0％，Al2O3≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％；
电解锰：Mn≥99.7％,C≤0.04％,P≤0.005％,S≤0.02％,Si≤0.010％,Fe≤0.03％；
低硅硅铁：Si 42.0％～47.0％，P≤0.03％，S≤0.02％，Mn≤0.7％；
镍粉：Ni≥98.0％，C≤0.025％，S≤0.01％，P≤0.01％；
钼铁：Mo≥55.0％，Si≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，C≤0.20％，Cu≤0.5％；
金属铬：Cr≥99.0％，C≤0.02％,P≤0.01％,S≤0.02％,Si≤0.020％,Fe≤0.20％。
所述焊条药皮质量占焊条总质量的31.2％～33.4％。
上述用于焊接100kg级水电压力钢管的超低氢高强钢电焊条的制备方法，金红石、锆英石在压制焊条前经过850℃～950℃高温烘培处理，然后按配比将药皮的各药粉组分混合均匀，使用锂-钾-钠型水玻璃作为粘结剂，加入量为药皮总重量的18％-26％，进行搅拌，压制焊条，最后进行低温、中温、高温烘培，制成电焊条。
所述金红石、锆英石在压制焊条前经过850℃～950℃高温烘焙30分钟。
所述低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃。
所述锂-钾-钠型水玻璃，其浓度为39～410Be'，模数为2.9～3.3，比重为1.8～2.2，钾钠质量比为3∶1。
所述的钢芯为H08E焊条用焊芯，其中C≤0.060％以下。
所述的低氢型焊条药皮占焊条总质量的31.2～33.4％。药皮组分为CaO-CaF2-SiO2-TiO2渣系，采用Mn-Si-Ni-Mo-Cr合金系统。
本发明为使焊缝金属扩散氢含量≤3.5ml/100g(水银法)，提高了药皮组分中碳酸盐的质量分数。碳酸盐在电弧气氛中分解生成CO2将熔池与空气隔离，阻止了空气中H2、O2、N等有害气体对焊缝金属的侵蚀，降低了电弧气氛中各有害气体成分的气体分压。另外，对硅酸盐等酸性氧化物在压制焊条前进行高温预处理，碳酸盐总量限定在43～62％之间，保障了焊缝金属扩散氢含量在3.5ml/100g以下(水银法)。
采用Mn-Si-Ni-Mo-Cr合金系统，提高了焊缝金属中Ni、Mo的质量百分比，并在药皮组分中添加了0.4～0.8％的稀土氧化物，控制焊芯中的含C量，促进焊缝金属形成细小的下贝氏体及低C马氏体，降低焊缝金属中夹杂物形态，使其呈细小球状，弥散分布，对焊缝金属起到了净化作用。通过以上措施的实施，在焊接线能量40KJ/cm以下焊接条件下，仍可以得到满意的焊缝金属力学性能。
以下对本发明中药皮组分作用做详细说明：
⑴本发明焊条的药皮组分采用CaO-CaF2-SiO2-TiO2渣系，药皮中含有大量分解温度不同的碳酸盐。其中包括了大理石、菱镁石、碳酸钡等。碳酸盐在电弧高温条件下分解生成CO2，阻止了空气中H2、O2、N等有害气体对焊缝金属的侵蚀，降低了电弧气氛中H2、O2、N等有害气体成分的气体分压。同时由于CO2的存在提高了焊条立焊操作过程中的电弧挺度，改善了全位置焊接的操作性能。高温反应过程中生成的CaO、MgO、BaO等碱性氧化物对焊缝金属脱硫起到了积极的作用。
⑵药皮组分中的萤石降低了熔渣的熔点，提高了熔渣流动性。萤石在电弧高温环境下分解出F-有效地降低了焊缝金属含氢量，使焊缝金属实现了低氢化。萤石含量超出本发明中的上限，造成熔渣流动性过强，不利于立焊位置的操作性，并使电弧稳定性下降。
⑶药皮组分中的硅酸盐、钛酸盐对焊缝金属成型、降低飞溅、改善熔渣脱渣性起到了良好的调解作用。其含量在本发明限定的下限以下，则电弧稳定性下降，脱渣性得不到良好的改善。超出上限部分熔渣易出现玻璃渣倾向，并且焊缝金属中的非金属夹杂物增加，降低了焊缝金属的低温韧性。
⑷C是提高焊缝金属强度的重要元素，在本发明中发现在高强钢焊接过程中，应严格控制焊缝金属中的含C量，焊缝金属中C超过0.08以上焊缝金属强度提高，低温冲击韧性下降趋势，低温裂纹敏感性显著提高。
⑸Mn、Si含量提高了焊缝金属中的强度及脱氧性，同时可有效改善焊缝金属低温韧性，当药皮组分中含Si量低于下限时，焊缝金属脱氧不足，造成焊缝金属中非金属夹杂物数量增加，不利于低温韧性的改善，并容易产生气孔；另外当药皮组分中Mn含量超过上限时，出现焊缝金属强度过剩，同时出现低温韧性下降趋势。
⑹Ni、Mo是为了提高焊缝金属低温韧性和保障焊缝金属屈服强度而添加的，当Ni、Mo含量低于6.5％下线时，焊缝金属低温韧性得不到充分的改善，且屈服强度低于标准要求，Ni、Mo超过上限限定，则焊缝金属强度增加，低温韧性恶化，并且焊缝金属中含Ni量过高增加了热裂纹的危险。
(7)Cr元素与Ni元素一同加入时能提高淬透性，同时，Cr元素能提高焊缝热强性。Cr元素可以提高焊缝中针状铁素体的含量，降低先共析铁素体含量，细化铁素体晶粒，从而提高强度和韧性。Cr虽然有较强的固溶强化作用，但是会使钢的脆性转变温度提高，降低焊接性。因此，本发明中Cr含量控制在0.3-0.9％。
作为优选，所述药皮成分重量组成为：
焊条药皮中包括的组分及质量百分比为大理石35％～48％，菱镁石3％～7％，碳酸钡2％～6％，萤石16％～26％，金红石2％～5％，锆石英2％～5.5％，电解锰3.2％～6.8％，低硅硅铁7％～12％，镍粉5.4％～9.6％，钼铁2.2％～4.5％，金属铬0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
技术方案是：取本发明药粉各组分混合均匀，使用钾钠混合水玻璃作为粘结剂，加入量为药皮总重量的18％-26％，搅拌均匀后，采用焊条行业生产专用设备，按规定的焊条外径均匀涂在焊芯上，经磨削出夹持端和引弧端后，使用焊条烘干炉分低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃三个阶段进行烘干，即得到本发明低温钢用高强钢焊条。
预处理：金红石、锆英石在经过850℃～950℃高温烘焙30分钟。
实施例1
将上述药粉搅拌混合均匀后，加入39～410Be'模数为3.0的3∶1钾钠水玻璃进行搅拌，混合均匀后置于压涂机内使其包于焊芯上，使用焊条烘干炉分低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃三个阶段进行烘干。所得焊条表皮光滑，偏心稳定，药皮强度好，对所得焊条进行焊接，成形美观，飞溅小，电弧稳定。
实施例1焊条熔敷金属在焊态常温下的力学性能：Rm＝932,Rel＝830,A＝17.0,-60℃冲击功KV2别为：76J、78J、76J，射线探伤合格。
实施例2
将上述药粉搅拌混合均匀后，加入39～410Be'模数为3.0的3∶1钾钠水玻璃进行搅拌，混合均匀后置于压涂机内使其包于焊芯上，使用焊条烘干炉分低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃三个阶段进行烘干。所得焊条表皮光滑，偏心稳定，药皮强度好，对所得焊条进行焊接，成形美观，飞溅小，电弧稳定。
实施例2焊条熔敷金属在焊态常温下的力学性能：Rm＝936,Rel＝828,A＝17.5,-60℃冲击功KV2别为：82J、80J、82J，射线探伤合格。
实施例3
将上述药粉搅拌混合均匀后，加入39～410Be'模数为3.0的3∶1钾钠水玻璃进行搅拌，混合均匀后置于压涂机内使其包于焊芯上，使用焊条烘干炉分低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃三个阶段进行烘干。所得焊条表皮光滑，偏心稳定，药皮强度好，对所得焊条进行焊接，成形美观，飞溅小，电弧稳定。
实施例3焊条熔敷金属在焊态常温下的力学性能：Rm＝940,Rel＝832,A＝19.5,-60℃冲击功KV2别为：90J、88J、92J，射线探伤合格。
实施例4
将上述药粉搅拌混合均匀后，加入39～410Be'模数为3.0的3∶1钾钠水玻璃进行搅拌，混合均匀后置于压涂机内使其包于焊芯上，使用焊条烘干炉分低温50-90℃、中温90-150℃、高温350-400℃三个阶段进行烘干。所得焊条表皮光滑，偏心稳定，药皮强度好，对所得焊条进行焊接，成形美观，飞溅小，电弧稳定。
实施例4焊条熔敷金属在焊态常温下的力学性能：Rm＝960,Rel＝859,A＝16.5,-60℃冲击功KV2别为：70J、70J、72J，射线探伤合格。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。