本发明涉及一种用于超低温高锰钢手工电弧焊接的低氢型焊条。
背景技术：
随着海洋战略和新能源战略的实施，在未来几十年里，用于液化天然气（lng）等低温或超低温贮存运输容器的钢铁材料，其需求将会出现逐渐上升的趋势。现阶段，用于lng贮罐的钢为商业用9ni钢，由于镍含量高达9%，钢板价格昂贵。为节省ni资源、降低钢铁材料的成本以及能源贮存和运输成本，科研人员正在积极研制超低温高锰钢。
超低温高锰钢在应用过程中，采用焊接工艺制造结构及设备时，手工电弧焊接是常用的焊接方法，而目前没有与高锰低温钢相配套的手工电弧焊。工程实践中，若采用与9ni钢相同的焊条，9ni钢应用最多的是镍基焊条，存在两个问题：第一，焊丝中镍元素含量为50~60%，价格昂贵；第二，母材与焊丝的成分属于不同成分体系，合金含量差别较大，会引起焊接接头熔合线处元素扩散，组织与性能发生变化。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提供一种用于超低温高锰钢手工电弧焊接的低氢型焊条，其成本低、合金成分体系简单，所形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的适用于超低温高锰钢的强度和超低温韧性的技术要求。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种超低温高锰钢的低氢型焊条，包括焊条芯和药皮，其特征在于：焊条芯的化学组分是：c：0.30-0.75wt%，mn：20-26wt%，ni：6.5-8.5wt%，cr：3.0-5.5wt%，w：2.5-4.0wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮的化学组分是：大理石为35~40wt%，萤石16~22wt%，石英砂3~5wt%，锆英砂3~6wt%，金红石4~10wt%，钛铁5~10wt%，低碳锰铁5~8wt%，硅铁3~6wt%，稀士硅铁1~2wt%，合成云母2~3wt%，纯碱1~2wt%，各组分重量百分比和为100%。
本发明提供一种用于超低温高锰钢手工电弧焊接的低氢型焊条制备工艺，具体为：
s1：按照以上组分配方将原料的粉状物混合均匀，然后加入粘结剂，将药粉与粘结剂混合；
s2：将药粉与粘结剂混合物压成圆柱形粉团并放入压涂机中，将焊芯放在压涂机的送丝台上，运行压涂，
s3：将焊条半成品经室温晾干后再经180℃烘干2小时，制备成焊条。
本发明金属粉芯药芯焊丝均通过手工电弧焊接方法用于超低温高锰钢焊接，其焊接工艺参数如下：焊前不预热，层间温度≤180℃，焊接电流为189-190a，电弧电压为24~25v，焊接速度2.19-2.35cm/s，焊接线能量为20~21kj/cm；
本发明用于焊接的超低温钢的力学性能是：抗拉强度为≥400mpa，屈服强度为≥560mpa，延伸率a=40%；-20196℃时冲击功akv≥54j。
本发明进一步限定方案：
前述的其焊条芯的化学组分是：c为0.4wt%，mn为26wt%，ni为7wt%，w为2.9wt%，cr为5.2wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为36wt%，萤石22wt%，石英砂4wt%，锆英砂4.5wt%，金红石6wt%，钛铁10wt%，低碳锰铁6wt%，硅铁6wt%，稀士硅铁1.4wt%，合成云母2.9wt%，纯碱1.2wt%，各组分重量百分比和为100%。
前述的其焊条芯的化学组分是：c为0.55wt%，mn为23.9wt%，ni为7.7wt%，w为3.4wt%，cr为4.3wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为38.5wt%，萤石20.5wt%，石英砂4.9wt%，锆英砂4.6wt%，金红石6.8wt%，钛铁7.9wt%，低碳锰铁6.8wt%，硅铁4.5wt%，稀士硅铁1.6wt%，合成云母2.4wt%，纯碱1.5wt%，各组分重量百分比和为100%。
前述的其焊条芯的化学组分是：c为0.7wt%，mn为21.6wt%，ni为8.1wt%，cr为3.4wt%，w为3.9wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为39.6wt%，萤石17.6wt%，石英砂4.6wt%，锆英砂5.5wt%，金红石9.5wt%，钛铁5.7wt%，低碳锰铁7.8wt%，硅铁3.8wt%，稀士硅铁1.9wt%，合成云母2.2wt%，纯碱1.8wt%，各组分重量百分比和为100%。
本发明的有益效果是：
本发明采用的合金元素含量价格低和合金成分体系简单，制备成本低；采用的主要合金元素mn的含量为20~26wt%，形成的焊缝金属与超低温高锰钢的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近微观组织与力学性能的变化；
本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，且一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属。使焊缝金属具有了与母材相匹配的力学性能；
本发明添加2.5~4.0wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效地减少和避免了凝固裂纹的出现；此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：p≤0.002wt%和s≤0.001wt%；
本发明添加35~40%的大理石、16~22%的萤石，大理石既可造气，也可造渣，其分解出的气体能提高对熔滴的喷力，减少飞溅，产生的cao既能稳定电弧，也具有良好的脱硫能力；萤石也可作造渣剂，同时萤石去除氢气孔的作用非常显著，能够在熔池金属中发生脱氢反应生成不溶于金属的hf将h带走，降低熔敷金属中的扩散氢含量，随着萤石含量的提高，焊缝金属中含氢量减少；此外，大理石与萤石之比介于1~3之间时，具有最好的焊接操作工艺性，电弧稳定、飞溅小，焊缝成型好；
本发明采用的化学成分体系，使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和有足够的强度，且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生；本发明采用药皮的化学成分体系，电弧稳定、飞溅小、脱硫能力强、含氢量小，表面成型好，具有优良的焊接工艺性能；
本发明所制备的手工电弧焊接用低氢型焊条，用于超低温高锰钢的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证了优良的超低温韧性，-196℃时冲击功akv为75~102j；亦保证了足够的强度：屈服强度为410~452mpa，抗拉强度为580~698mpa，延伸率a为38~42%，实现了超低温高锰钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种适用于超低温高锰钢的手工电弧焊接用低氢型焊条，包括焊条芯和药皮，其焊条芯的化学组分是：c为0.4wt%，mn为26wt%，ni为7wt%，w为2.9wt%，cr为5.2wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为36wt%，萤石22wt%，石英砂4wt%，锆英砂4.5wt%，金红石6wt%，钛铁10wt%，低碳锰铁6wt%，硅铁6wt%，稀士硅铁1.4wt%，合成云母2.9wt%，纯碱1.2wt%，各组分重量百分比和为100%。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为452mpa，抗拉强度为689mpa，伸长率a=37%，-196℃时冲击功平均值akv=80j。
实施例2
本实施例提供一种适用于超低温高锰钢的手工电弧焊接用低氢型焊条，包括焊条芯和药皮，其焊条芯的化学组分是：c为0.55wt%，mn为23.9wt%，ni为7.7wt%，w为3.4wt%，cr为4.3wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为38.5wt%，萤石20.5wt%，石英砂4.9wt%，锆英砂4.6wt%，金红石6.8wt%，钛铁7.9wt%，低碳锰铁6.8wt%，硅铁4.5wt%，稀士硅铁1.6wt%，合成云母2.4wt%，纯碱1.5wt%，各组分重量百分比和为100%。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为433mpa，抗拉强度为643mpa，伸长率a=39%，-196℃时冲击功平均值akv=83j。
实施例3
本实施例提供一种适用于超低温高锰钢的手工电弧焊接用低氢型焊条，包括焊条芯和药皮，其焊条芯的化学组分是：c为0.7wt%，mn为21.6wt%，ni为8.1wt%，cr为3.4wt%，w为3.9wt%，p≤0.002wt%，s≤0.001wt%，余量为fe和不可避免的杂质；
其药皮化学组分为：大理石为39.6wt%，萤石17.6wt%，石英砂4.6wt%，锆英砂5.5wt%，金红石9.5wt%，钛铁5.7wt%，低碳锰铁7.8wt%，硅铁3.8wt%，稀士硅铁1.9wt%，合成云母2.2wt%，纯碱1.8wt%，各组分重量百分比和为100%。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为413mpa，抗拉强度为600mpa，伸长率a=41.5%，-196℃时冲击功平均值akv=93j。
本实施例1-3实验结果表明：采用本实施例制备的适用于超低温高锰钢的手工电弧焊接用低氢型焊条，经手工电弧焊焊接后，焊缝金属的力学性能完全满足超低温高锰钢的技术要求，焊接接头满足超低温高锰钢制备结构的技术要求。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。