本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种可交直两用高锰奥氏体超低温焊条。
背景技术：
：近年来由于世界各道对于液态天然气(lng)这种干净又高效的替代能源需求增加，对于其运输及储存的研究及开发也日益完善。包含铝合金、invar、304不锈钢、9ni钢，以被广泛的使用。由于相较于其他3种材料，9ni钢的成本相对较低且有较高的抗张强度。所以9ni钢目前更多被使用在-196℃低温储罐。但为更进一步节省成本，开发高锰钢/25％锰奥氏体低温用钢为一种可行的替代方案。由于碳跟锰钢材里都是奥氏体的稳定元素，且形成的奥氏体高锰钢在-196℃储存温度下，能有良好的冲击韧性及抗张强度。超低温用高锰钢是在钢中加入质量分数22％以上的mn替代传统低温钢中使用的镍，mn与c合理配比，再经过适当的固溶处理后制成，在低温下可实现良好的强韧性组合。超低温用高锰钢在lng存储温度下稳定，并可大幅降低成本，作为第二代lng储罐用新材料备受瞩目。镍基合金(ni-cr-mo)焊材虽然可以用在高锰钢/25％锰奥氏体低温用钢焊接，但其成本较高。开发适用于超低温用高锰钢的配套焊材，可有效减少lng项目的总建设成本。专利cn109623194a“一种用于超低温高锰钢手焊条焊接的低氢型焊条”中焊芯c含量0.30～0.75％，c含量较高，加工硬化程度大，不利于芯线加工，且碳当量较高，有明显的脆硬倾向，对接头性能不利；且mn、ni、cr、w含量分别为mn：20～26％，ni：6.5～8.5％、cr：3.0～5.5％、w：2.5～4.0％，致使焊芯和焊条产品相对于9％ni钢焊条并无明显经济优势。专利cn110170765a熔敷金属c含量0.32～0.36％依旧较高，且焊条药皮为酸性，众所周知，酸性药皮焊条由于氧含量较高在焊条机械性、抗裂性和全位置焊接性方面相对于碱性药皮焊条仍有一定差距。目前9％ni钢在lng低温储罐的建造已有一定的应用，9％ni钢储罐的建造均为交流(ac)焊接。而25％mn钢为奥氏体高锰钢，不存在磁化的问题，多采用直流dc+焊接。但对于既有的焊接设备和工艺条件，开发一种能与25％mn钢匹配的交直两用焊条，具有更广泛的应用前景且对于现场施工有更好的适应性和经济性。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提供了一种可交直两用高锰奥氏体超低温焊条，采用双层药皮设计搭配低成本高锰焊芯。本发明焊条具有优异的交直流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观；抗拉强度≥700mpa，延伸≥40％，-196℃冲击≥86j。本发明的技术方案是：一种可交直两用高锰奥氏体超低温焊条，由高锰焊芯和双层药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.50～0.70；(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯由如下组分组成：c：0.12～0.18％；si：≤0.25％；mn：16.0～20.0％；cr：1.5～2.5％；ni：2.5～3.5％；mo：0.8～1.5％；p：≤0.006％；s：≤0.006％；la：0.016～0.032％；ce：0.025～0.040％；ti：0.025～0.045％；fe：余量；(b)药皮为双层药皮，分为内层a药皮和外层b药皮；以药皮重量为基准，按重量百分比计，内层a药皮组分及纯度如下：钾冰晶石(k3alf6≥99％)：3～6％；石英砂(sio2≥98％)：3～8％；金红石(tio2≥95％)：5～15％；钛白粉(tio2≥99.5％)：0.5～2％；氧化锆(zro2≥99.5％)：5～14％；金属镍(ni≥99％)：0.8～3.5％；金属铬(cr≥98％)：0.5～1.8％钼粉(mo≥99％)：2～4％；金属钨(w≥99.5％)：1.75～4.25％；藻酸盐(纯)：0.5％～2.0％；外层b药皮组分及纯度：碳酸钙(caco3≥98％)：28～45％；萤石(caf2≥97％)：8～15％；氟化镧(laf3≥98％)：0.5～1.8％；氟化铈(cef3≥98.5％)：0.8～2.0％；碳酸钠(na2co3≥99.5％)：0.5～1.0％；金属锰(mn≥99％)：6～14％；低度硅铁(si约45％)：3～8％；钛铁(ti：35～42％)：2～5％；藻酸盐(纯)：0.5％～2.5％；合成云母：1～3％。内层a药皮以合金和酸性氧化物为主(占总药皮重量的25％)，主要起过渡合金和改善熔滴过渡形态的作用，外层b药皮为造气、造渣和脱氧剂(占药皮重量的75％)，主要起脱氧、除氢、造气、造渣、对熔池进行气渣联合保护和保障焊缝性能的作用。以重量百分比计，本发明所述焊条的熔敷金属的组分包括：c：0.16～0.25％；mn：18.0～22.0％；si：0.30～0.50％；p：0.015～0.025％；s：0.005～0.012％；ni：2.5～4.5％；cr：1.8～2.3％；mo：2.0～3.2％；w：1.2～2.0％；la：0.004～0.008；ce：0.005～0.009；ti：0.008～0.025％。所述焊条的粘结剂采用钾水玻璃，模数为2.75～3.30，浓度为37～42be。本发明中焊条药皮的作用主要是造气、造渣、稳弧、脱氧和向焊缝过渡合金等，具体分析本发明中药皮主要组分在焊条中各自发挥的作用如下：焊条中碳酸盐(本发明中主要为碳酸钙)的主要作用为造渣和造气，其分解产生的cao、na2o等系碱性氧化物，能提高熔渣碱度，细化熔滴，并具有脱s、p的作用，提高焊缝金属的抗裂能力，还有调节熔渣熔点、粘度、表面和界面张力的作用。本发明中碳酸钙的含量控制在28～45％；少量的碳酸钠主要起润滑和改善涂装的作用，因其吸湿性较强，用量也严格限制在0.5～1.0％之间；本发明中氟化物主要为萤石(caf2)、冰晶石以及氟化稀土，可调节渣的熔点，对降低焊缝气孔，改善熔渣的物理性能，改善焊缝成型、脱渣等起关键作用，由于本发明的焊条的焊缝金属的合金含量较高，液态金属的表面张力较大，流动性差，焊缝成形变差，焊缝中气体不易逸出，从氟化钙、冰晶石等电离分解产生的f-可以降低液态金属的表面张力，有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣覆盖性的效果，使得焊缝成型美观，降低焊缝形成气孔的缺陷。本发明焊条中氟化物的含量为12.3～24.8％；氟化稀土，本发明中为氟化镧和氟化铈，除含f-外，还含有稀土元素la和ce，一方面脱氧、除氢，另一方面利用稀土元素的微合金化来进一步净化、提纯及强化焊缝金属，改善焊缝的组织及性能，因价格及其昂贵，用量也较少，本发明中氟化稀土的用量在1.3～3.8％；金红石和钛白粉的主要成分是tio2，其主要作用是稳弧、造渣、能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成型、减小飞溅；且热脱渣性好，能使焊接电弧稳定，熔池平静，可细化过渡熔滴，使金属以细雾状过渡，方向焊接性好，改善美化焊缝成形，确保熔渣覆盖性，但过量使用会使药皮熔点偏高，形成较深套筒，也容易使机械性能下降，故本发明中金红石含量控制在5～15％；钛白粉主要起改善涂装的功能，因其价格昂贵，本发明中其用量控制在0.5～2％；从石英砂、和硅酸钾水玻璃等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣覆盖性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。但硅氧化物的组分比例过高时，会使焊缝氧含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此药皮中的硅氧化物组分比例在不影响焊接性的前提下应尽量控制在适量的水平，本发明中石英砂含量控制在3～8％；氧化锆(zro2)，有调整熔融焊渣的熔点并防止金属下淌的效果。且其线膨胀系数较大，对碱性焊条脱渣有明显的改善，但锆氧化物的组分比例超过高时，焊渣会变得致密而且坚固，在全位置焊接时的脱渣性变得不良。因此本发明中的氧化锆组分比例控制在5～14％。铁合金(本发明中指硅铁和钛铁等含铁的合金)及其它金属粉的主要作用在于脱氧和过渡合金，保证焊缝中合金元素成分，确保焊缝强度并通过合理的元素设计以达到最佳的强韧性匹配；粘结剂采用钾水玻璃搭配藻酸盐，水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用。藻酸盐具有很强的粘结力，但因造价高、成本昂贵，一般在保证涂装性的前提下控制在较低的水平，本发明中藻酸盐的用量控制在2.5％以下。以上为本发明的可交直两用高锰奥氏体超低温焊条的药皮成分组成限制理由。残余部分为铁及无法避免的杂质，药皮中的铁、铁合金而来。本发明采用低成本高锰焊芯(焊芯合金元素含量相对较低，熔敷金属合金成分由焊芯和药皮共同过渡，部分合金元素由药皮过渡)，从芯线冶炼上尽可能降低成本；合金元素由专门冶炼高锰焊芯和药皮共同过渡；本发明采用双层药皮设计，内层以金属粉和酸性氧化物为主，主要起过渡合金和改善熔滴过渡形态(即改善焊接工艺性)的作用；外层为高碱度造气、造渣和脱氧剂，主要起脱氧、除氢、造气、造渣、对熔池进行气渣联合保护和保障焊缝性能的作用。熔敷金属合金元素由高锰焊芯和双层药皮共同过渡，一方面相比于9％ni钢焊条用纯镍或镍基合金焊芯，具有明显的经济效益，另一方面相比于纯药皮过渡焊条，具有优异的交直流全位置焊接操作。本发明还在外层药皮加入钛铁和稀土元素la、ce，一方面脱氧、除氢，另一方面利用元素的微合金化来进一步净化、提纯及强化焊缝金属，改善焊缝的组织及性能；本发明采用钾水玻璃，从向焊条药皮中添加稳弧剂和水玻璃两方面确保良好的交流电弧稳定性，并通过多次试验采用模数较高、浓度适中的钾水玻璃，使得本发明焊条同样具有良好的涂装性。本发明的有益效果是：本发明的可交直两用高锰奥氏体超低温焊条，具有优异的交直流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观。本发明通过焊芯成分和双层药皮组分合理匹配，从而实现交直流焊接性和机械性的完美结合。焊接熔敷金属成分不但具有优异的机械性能，抗拉强度≥700mpa，延伸≥40％；且焊缝金属具有良好的低温冲击韧性，熔敷金属-196℃冲击功平均值≥86j，能很好地与25mn钢母材性能相匹配，对于lng储罐的建造是继9％ni钢储罐应用后的又一重大突破，具有更显著的经济效益和实践意义。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明由焊芯和双层药皮组成，药皮涂覆在焊芯外，采用高锰合金焊芯，其焊芯组分(重量百分比％)如下表：表1：焊芯组分csimnpscr0.12～0.18％≤0.25％16.0～20.0％≤0.006％≤0.006％1.5～2.5％nimolacetife2.5～3.5％0.8～1.5％0.016～0.0320.025～0.0400.025～0.045余量表2：焊芯成分实施例(重量百分比％)注：余量为铁。药皮采用双层药皮，内层a药皮以合金和酸性氧化物为主(占总药皮重量的25％)，主要起过渡合金和改善熔滴过渡形态的作用，外层b药皮为造气、造渣和脱氧剂(占药皮重量的75％)，主要起脱氧、除氢、造气、造渣、对熔池进行气渣联合保护和保障焊缝性能的作用。药皮占焊条全重量比例为0.50～0.70，芯线直径为2.6mm，3.2mm，4.0mm为更好理解本发明，下面通过实施例1-5来进一步说明，其药皮组分实施例如下表：表3：药皮组分实施例(重量百分比％)续表3：药皮组分实施例(重量百分比％)本发明的焊条以如下步骤制备：1)将内、外层药皮各组分按比例混合均匀；2)以两台湿混机同时湿混，分别加入药粉总成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以内、外双层隔离压饼模型对湿混均匀的药粉进行压饼(此粉饼为均匀的双层结构)，再以油压式涂装机以7～15mpa的压力将双层粉饼均匀涂覆于焊芯上；3)粘结剂采用钾水玻璃，模数为2.75～3.30，浓度为37～42be；4)经高低温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃*2h，高温烘焙温度为350～450℃*1h。表4：各实施案例熔敷金属化学成分各实施例对应其熔敷金属机械性能及低温冲击测试结果如下表：表5：各实施例其他性能由上述实施例可见，本发明的熔敷金属具有良好的机械性能及超低温韧性，其熔敷金属的抗拉强度≥700mpa，-196℃冲击功平均值≥86j，与25mn奥氏体钢母材性能相匹配。本发明焊条采用高锰焊芯搭配双层药皮及钾水玻璃，合金元素由焊芯和药皮共同过渡，具有优异的交直流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观。本发明焊条具有优异的交直流全位置焊接工艺性能，电弧稳定、基本无飞溅、操作性优异、脱渣优良且焊缝成型美观。以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。当前第1页12