本发明属于焊接技术领域，更具体地讲，涉及一种满足GB/T17853标准和ASME标准中E308要求的主要用于焊接S30815奥氏体不锈钢铸件和锻件(如锅炉燃烧器、连续浇注设备、轧钢机、热处理炉、水泥生产设备等)的气保护不锈钢药芯焊丝及其生产工艺。
背景技术：
锅炉整体的结构包括锅炉本体、辅助设备和安全装置两大部分，而燃烧器作为一种自动化程度较高的机电一体化设备是构成锅炉本体的主要部件之一。火力发电是我国主要的发电方式，电站锅炉作为火力电站的三大主机设备之一，伴随着我国火电行业的发展而发展。
长期以来，用于锅炉燃烧器的焊接材料主要采用不锈钢手工焊条和不锈钢实心焊丝。众所周知，焊条的熔敷效率低，不能进行自动化、半自动化焊接；实心焊丝焊道成型较差、稳定性一般且焊后氧化物较多，电流、电压适应范围小；上述两种焊材的诸多缺陷制约了锅炉燃烧器焊接作业往更高质量、更高效率道路上的发展。
因此，开发一种比焊条熔敷效率高、比实心焊丝成型更美观、焊接条件设定更容易且易于进行半自动及自动焊接的不锈钢药芯焊丝具有极高的实用性和战略价值。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种能够替代相应的不锈钢焊条和实心焊丝的用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝及其生产工艺。
本发明的一方面提供了用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝，所述药芯焊丝由超低碳不锈钢钢带和包裹于所述钢带内的药芯组成，其中，以质量百分比计，所述药芯的重量占所述药芯焊丝总重量的22～28wt％，所述超低碳不锈钢钢带包含以下成分：C≤0.02wt％、Mn 1.30～1.60wt％、Si≤0.40wt％、Cr 18.0～19.5wt％、Ni 8.0～10.5wt％；Cu≤0.20wt％、S≤0.01wt％、P≤0.025wt％、N≤0.050wt％、Co≤0.20wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质；
以重量份计，所述药芯包括以下组分：天然金红石5.0～8.5份、石英砂0.2～2.0份、锆英砂0.1～0.4份、钠长石0.2～1.0份、氟化钠0.2～1.0份、镁粉0.1～0.5份、氮化铬铁0.75～2.5份、喷雾硅铁2.0～4.0份、电解锰0.2～0.5份、金属铬3.5～7.0份和镍粉1.0～3.5份。
根据本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的一个实施例，以质量百分比计，所述天然金红石中的TiO2≥95.0wt％；石英砂中的SiO2≥99.0wt％；锆英砂中的ZrO2含量为57～63wt％且SiO2≤35wt％；钠长石中的Na2O≥8wt％、SiO2≥63wt％且Al2O3≥16wt％；氟化钠中的NaF≥98wt％；镁粉中的Mg≥98.5wt％；氮化铬铁中的Cr≥60wt％且N≥5wt％；喷雾硅铁中的Si含量为42～47wt％；电解锰中的Mn≥99.5wt％；金属铬中的Cr≥98wt％；镍粉中的Ni≥99.5wt％。
根据本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的一个实施例，以重量份计，所述药芯包括以下组分：
含TiO2 96.52wt％的天然金红石8.5份；
含SiO2 99.4wt％的石英砂0.4份；
含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.1份；
含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石0.2份；
含NaF 99.6wt％的氟化钠0.45份；
含Mg 99.3wt％的镁粉0.45份；
含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁2.3份；
含Si 45.6wt％的喷雾硅铁2.0份；
含Mn 99.7wt％的电解锰0.45份；
含Cr 98.9wt％的金属铬7.0份；
含Ni 99.7wt％的镍粉1.0份。
根据本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的一个实施例，以重量份计，所述药芯包括以下组分：
含TiO2 96.52wt％的天然金红石5.0份；
含SiO2 99.4wt％的石英砂2.0份；
含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.3份；
含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石0.8份；
含NaF 99.6wt％的氟化钠0.85份；
含Mg 99.3wt％的镁粉0.15份；
含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁0.75份；
含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.8份；
含Mn 99.7wt％的电解锰0.2份；
含Cr 98.9wt％的金属铬5.5份；
含Ni 99.7wt％的镍粉3.5份。
根据本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的一个实施例，以重量份计，所述药芯包括以下组分：
含TiO2 96.52wt％的天然金红石6.5份；
含SiO2 99.4wt％的石英砂1.5份；
含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.4份；
含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石1.0份；
含NaF 99.6wt％的氟化钠0.6份；
含Mg 99.3wt％的镁粉0.2份；
含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁1.5份；
含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.0份；
含Mn 99.7wt％的电解锰0.3份；
含Cr 98.9wt％的金属铬6.0份；
含Ni 99.7wt％的镍粉3.0份。
根据本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的一个实施例，以质量百分比计，所述药芯焊丝的焊接熔敷金属包含以下成分：C 0.010～0.070wt％、Mn 0.30～0.80wt％、Si 1.40～2.00wt％、S≤0.020wt％、P≤0.030wt％、Cr 20.00～22.00wt％、Ni 9.00～11.00wt％、Mo≤0.75wt％、N 0.08～0.18wt％、Re 0.01～0.05wt％、V≤0.08％、Cu≤0.05％、Al≤0.05％以及余量的Fe和不可避免的杂质；所述焊接熔敷金属在常温下的X射线探伤等级为I级，抗拉强度Rm≥664Mpa、延伸率A≥36％，纵向正弯合格。
本发明的另一方面提供了上述用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的生产工艺，采用精密成型工艺将所述药芯包裹在所述超低碳不锈钢钢带中，再通过精拉减径、表面处理和密排层绕制成所述药芯焊丝。
根据所述用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的生产工艺的一个实施例，将所述药芯的各组分在200～250℃条件下保温2～4小时并在搅拌均匀后采用精密成型工艺将所述药芯包裹在所述超低碳不锈钢钢带中，通过纯CRD精确拉拔减径至规定的焊丝直径，再进行在线退火消除加工硬化和将焊丝表面油污碳化后予以清洁处理，最后在焊丝表面均匀涂覆一层润滑剂后经过密排层绕制成所述药芯焊丝。
本发明研发的用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝能够焊接S30815奥氏体不锈钢铸件和锻件(如锅炉燃烧器、连续浇注设备、轧钢机、热处理炉、水泥生产设备等)，其焊缝有较高的抗蠕变型能力和蠕变断裂强度，在大多数气体介质中具有很好的抗高温腐蚀能力和耐衡刷腐蚀能力，高温时具有较高的屈服强度、抗拉强度以及足够的可切削性能，熔敷效率高、比实心焊丝成型更美观、焊接条件设定更容易且易于进行半自动及自动焊接。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面先对本发明的用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝进行详细说明。
根据本发明的示例性实施例，所述用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝由超低碳不锈钢钢带和包裹于所述钢带内的药芯组成，其中，以质量百分比计，药芯的重量占药芯焊丝总重量的22～28wt％。具体地，超低碳不锈钢钢带包含以下成分：C≤0.02wt％、Mn 1.30～1.60wt％、Si≤0.40wt％、Cr 18.0～19.5wt％、Ni 8.0～10.5wt％；Cu≤0.20wt％、S≤0.01wt％、P≤0.025wt％、N≤0.050wt％、Co≤0.20wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
并且，以重量份计，药芯包括以下组分：天然金红石5.0～8.5份、石英砂0.2～2.0份、锆英砂0.1～0.4份、钠长石0.2～1.0份、氟化钠0.2～1.0份、镁粉0.1～0.5份、氮化铬铁0.75～2.5份、喷雾硅铁2.0～4.0份、电解锰0.2～0.5份、金属铬3.5～7.0份和镍粉1.0～3.5份。上述组分与配比的药芯能够与超低碳不锈钢钢带配合形成满足S30815奥氏体不锈钢铸件和锻件(如锅炉燃烧器、连续浇注设备、轧钢机、热处理炉、水泥生产设备等)焊接要求的不锈钢药芯焊丝。该焊丝填补了用于焊接S30815钢的药芯焊丝品类的空白，并且可完美替代该类型的手工电焊条和实心焊丝用于S30815钢的全位置焊接。
具体地，药芯中金红石粉的作用主要是稳定电弧并造渣，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。在本发明中加入的金红石粉对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。石英砂的主要作用是造渣、调整熔渣的酸碱度、粘度、表面张力和流动性。锆英砂在电弧热作用下形成氧化锆，氧化锆能够细化晶粒，防止形成晶间氧化物。钠长石主要担当造渣、提高电弧稳定性的作用。氟化钠的主要作用是除氢和改善焊丝的工艺性能。镁粉易于和焊缝中的氧气发生反应主要起先期脱氧和稳定电弧作用。氮化铬铁主要向焊缝中过渡氮元素提高焊缝抗拉强度。喷雾硅铁向焊缝中过渡硅元素，起到还原和脱氧作用，并能提高焊缝的弹性极限、屈服点和抗拉强度。电解锰是药芯中主要的脱氧剂和脱硫剂，并能够提高焊缝的淬性，改善热加工性能。金属铬的主要作用是向焊缝中过渡铬元素提高焊缝的抗氧化性和耐腐蚀性能。镍粉的主要作用是向焊缝中过渡镍元素，提高焊缝的塑性和韧性，保持高温下的防锈和耐热性能。
为了保证焊条的焊接性能满足要求且更优，药皮中各组分需满足如下要求：以质量百分比计，天然金红石中的TiO2≥95.0wt％；石英砂中的SiO2≥99.0wt％；锆英砂中的ZrO2含量为57～63wt％且SiO2≤35wt％；钠长石中的Na2O≥8wt％、SiO2≥63wt％且Al2O3≥16wt％；氟化钠中的NaF≥98wt％；镁粉中的Mg≥98.5wt％；氮化铬铁中的Cr≥60wt％且N≥5wt％；喷雾硅铁中的Si含量为42～47wt％；电解锰中的Mn≥99.5wt％；金属铬中的Cr≥98wt％；镍粉中的Ni≥99.5wt％。
根据本发明的一个优选实施例，以重量份计，本发明采用的药芯包括以下组分：含TiO2 96.52wt％的天然金红石8.5份；含SiO2 99.4wt％的石英砂0.4份；含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.1份；含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石0.2份；含NaF 99.6wt％的氟化钠0.45份；含Mg 99.3wt％的镁粉0.45份；含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁2.3份；含Si 45.6wt％的喷雾硅铁2.0份；含Mn 99.7wt％的电解锰0.45份；含Cr 98.9wt％的的金属铬7.0份；含Ni 99.7wt％的镍粉1.0份。
根据本发明的又一个优选实施例，以重量份计，所述药芯包括以下组分：含TiO296.52wt％的天然金红石5.0份；含SiO2 99.4wt％的石英砂2.0份；含ZrO2 61.1wt％、SiO233.4wt％的锆英砂0.3份；含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石0.8份；含NaF 99.6wt％的氟化钠0.85份；含Mg 99.3wt％的镁粉0.15份；含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁0.75份；含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.8份；含Mn 99.7wt％的电解锰0.2份；含Cr 98.9wt％的金属铬5.5份；含Ni 99.7wt％的镍粉3.5份。
根据本发明的再一个优选实施例，以重量份计，所述药芯包括以下组分：含TiO296.52wt％的天然金红石6.5份；含SiO2 99.4wt％的石英砂1.5份；含ZrO2 61.1wt％、SiO233.4wt％的锆英砂0.4份；含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石1.0份；含NaF 99.6wt％的氟化钠0.6份；含Mg 99.3wt％的镁粉0.2份；含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁1.5份；含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.0份；含Mn 99.7wt％的电解锰0.3份；含Cr 98.9wt％的金属铬6.0份；含Ni 99.7wt％的镍粉3.0份。
使用本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝进行焊接时，以质量百分比计，所述药芯焊丝的焊接熔敷金属包含以下成分：C 0.010～0.070wt％、Mn 0.30～0.80wt％、Si 1.40～2.00wt％、S≤0.020wt％、P≤0.030wt％、Cr 20.00～22.00wt％、Ni 9.00～11.00wt％、Mo≤0.75wt％、N 0.08～0.18wt％、Re 0.01～0.05wt％、V≤0.08％、Cu≤0.05％、Al≤0.05％以及余量的Fe和不可避免的杂质；并且所述焊接熔敷金属在常温下的X射线探伤等级为I级，抗拉强度Rm≥664Mpa、延伸率A≥36％，纵向正弯(D＝(4)aα＝(180°)合格，GB/T4334-2008E法无晶间腐蚀倾向。
下面对本发明用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝的生产工艺进行说明。
根据本发明的示例性实施例，采用精密成型工艺将药芯包裹在超低碳不锈钢钢带中，再通过精拉减径、表面处理和密排层绕制成药芯焊丝。其中，在进行上述操作之前，需要先按照配比将药芯的各组分均匀混合在一起形成药芯，并且需要事先准备满足上述成分要求的超低碳不锈钢钢带。
具体地，将上述药芯在200～250℃条件下保温2～4小时并在搅拌均匀后采用精密成型工艺将药芯包裹在超低碳不锈钢钢带中，通过纯CRD精确拉拔减径至规定的焊丝直径，再进行在线退火消除加工硬化和将焊丝表面油污碳化后予以清洁处理，随后在焊丝表面均匀涂覆一层润滑剂以保证焊丝的送丝性能，最后经过密排层绕制成药芯焊丝。
应理解，本发明详述的上述实施方式及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
选取77.15kg的超低碳不锈钢钢带，以质量百分比计，所述超低碳不锈钢钢带包含以下成分(wt％)：C 0.0097、Mn 1.36、Si 0.30、Cr 18.56、Ni 10.43、Cu 0.004、S 0.0004、P 0.012、N 0.021、Co 0.011以及余量的Fe和不可避免的杂质。
选取22.85kg的药芯，药芯中各组分的重量如下：含TiO2 96.52wt％的天然金红石8.5kg，含SiO2 99.4wt％的石英砂0.4kg；含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.1kg，含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O3 16.8wt％的钠长石0.2kg，含NaF 99.6wt％的氟化钠0.45kg，含Mg 99.3wt％的镁粉0.45kg，含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁2.3kg，含Si 45.6wt％的喷雾硅铁2.0kg，含Mn 99.7wt％的电解锰0.45kg，含Cr 98.9wt％的金属铬7.0kg，含Ni 99.7wt％的镍粉1.0kg。
按照配比将上述药芯的各组分混合均匀得到药芯，通过精密成型将药芯包裹在上述超低碳不锈钢钢带中，再经过精拉减径、表面处理、密排层绕制成1#药芯焊丝。
将上述1#药芯焊丝按照GB/T17853-1999进行焊接工艺评定和熔敷金属焊接试验。
焊接工艺评定结果如下：1#药芯焊丝的焊接电弧稳定、焊缝尺寸规则成形美观、飞溅少、脱渣良好、熔敷效率可达91.33％。熔敷金属的成分为：C 0.021wt％、Mn 0.98wt％、Si 1.65wt％、S 0.0037wt％、P 0.013wt％、Cr 21.35wt％、Ni 8.36wt％、Mo 0.028wt％、N 0.10wt％、Re 0.011wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质。常温下熔敷金属的力学性能：抗拉强度Rm＝717Mpa，延伸率A＝36％，X射线为Ⅰ级，纵向正弯(D＝4aα＝180°)合格。
实施例2：
本实施例除药芯中各组分的重量不同外，其余条件及制造过程与实施例1均相同，得到2#药芯焊丝。
其中，本实施例选取超低碳不锈钢钢带77.15kg，选取22.85kg药芯，药芯中各组分的重量如下：含TiO2 96.52wt％的天然金红石5.0kg，含SiO2 99.4wt％的石英砂2.0kg，含ZrO2 61.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.3kg，含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O316.8wt％的钠长石0.8kg，含NaF 99.6wt％的氟化钠0.85kg，含Mg 99.3wt％的镁粉0.15kg，含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁0.75kg，含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.8kg，含Mn 99.7wt％的电解锰0.2kg，含Cr 98.9wt％的金属铬5.5kg，含Ni 99.7wt％的镍粉3.5kg。
将上述2#药芯焊丝按照GB/T17853-1999进行焊接工艺评定和熔敷金属焊接试验。
焊接工艺评定结果如下：2#药芯焊丝的焊接电弧稳定、焊缝尺寸规则成形美观、飞溅少、脱渣良好、熔敷效率可达90.87％。熔敷金属的成分为：C 0.021wt％、Mn 0.98wt％、Si 1.65wt％、S 0.0037wt％、P 0.013wt％、Cr 19.77wt％、Ni 9.27wt％、Mo 0.022wt％、N 0.13wt％、Re 0.013wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质。常温下熔敷金属的力学性能：抗拉强度Rm＝664Mpa，延伸率A＝42％，X射线为Ⅰ级，纵向正弯(D＝4aα＝180°)合格。
实施例3：
本实施例除药芯中各组分的重量不同外，其余条件及制造过程与实施例1均相同，得到3#药芯焊丝。
其中，本实施例选取超低碳不锈钢钢带76kg，选取24kg药芯，药芯中各组分的重量如下：含TiO2 96.52wt％的天然金红石6.5kg，含SiO2 99.4wt％的石英砂1.5kg，含ZrO261.1wt％、SiO2 33.4wt％的锆英砂0.4kg、含Na2O 11.2wt％、SiO2 65.1wt％、Al2O316.8wt％的钠长石1.0kg，含NaF 99.6wt％的氟化钠0.6kg，含Mg 99.3wt％的镁粉0.2kg，含Cr 66.2wt％、N 7.7wt％的氮化铬铁1.5kg，含Si 45.6wt％的喷雾硅铁3.0kg，含Mn 99.7wt％的电解锰0.3kg，含Cr 98.9wt％的的金属铬6.0kg，含Ni 99.7wt％的镍粉3.0kg。
将上述3#药芯焊丝按照GB/T17853-1999进行焊接工艺评定和熔敷金属焊接试验。
焊接工艺评定结果如下：3#药芯焊丝的焊接电弧稳定、焊缝尺寸规则成形美观、飞溅少、脱渣良好、熔敷效率可达91.51％。熔敷金属的成分为：C 0.016wt％、Mn 0.79wt％、Si 1.77wt％、S 0.0027wt％、P 0.013wt％、Cr 21.84wt％、Ni 10.73wt％、Mo 0.016wt％、N 0.12wt％、Re 0.015wt％以及余量的Fe和不可避免的杂质。常温下熔敷金属的力学性能：抗拉强度Rm＝677Mpa，延伸率A＝39％，X射线为Ⅰ级，纵向正弯(D＝4aα＝180°)合格。
综上所述，本发明研发的用于锅炉燃烧器的气保护不锈钢药芯焊丝能够焊接S30815奥氏体不锈钢铸件和锻件(如锅炉燃烧器、连续浇注设备、轧钢机、热处理炉、水泥生产设备等)，其焊缝有较高的抗蠕变型能力和蠕变断裂强度，在大多数气体介质中具有很好的抗高温腐蚀能力和耐衡刷腐蚀能力，高温时具有较高的屈服强度、抗拉强度以及足够的可切削性能，熔敷效率高、比实心焊丝成型更美观、焊接条件设定更容易且易于进行半自动及自动焊接。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。