一种原油油舱用药芯焊丝及其制备方法和焊接方法

本发明涉及焊接材料，尤其涉及一种原油油舱用药芯焊丝及其制备方法和焊接方法。

背景技术：

1、目前对于原油的运输主要依赖轮船运输，对于原油油舱耐腐蚀钢的焊接材料提出更高的要求。

2、原油在油舱内挥发现的h2s气体会在甲板内表面富集，h2s在油舱内会发生归中反应，生成的沉淀s附着在金属表面，对油舱内表面产生严重的腐蚀；另外大量的h2s会使油舱内的冷凝水呈现酸性，会加剧油舱内表面的腐蚀。油舱主要由焊接工艺完成，焊接接头各区化学成分及组织的差异、应力应变及应力集中的存在等会导致更为严重的腐蚀，其中尤为严重的是发生在焊缝与母材交界处的腐蚀沟。焊接热影响区是焊接热输入最敏感的区域，对于厚板焊接采用大线能量焊接时容易造成热影响区粗晶的形成，严重降低焊缝金属的强韧性与耐腐蚀性能，传统的焊接材料与焊接方法无法达到强韧性与耐蚀性的统一。

3、因此，需要开发能强韧性高且耐腐蚀性能强的原油油舱钢板用焊接材料。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种原油油舱用药芯焊丝及其制备方法和焊接方法，通过各组分配比的调控，得到了成本低、电弧稳定、飞溅小、焊缝金属均匀的药芯焊丝，且焊缝金属具有良好强度、韧性和长期耐腐蚀性能。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种原油油舱用药芯焊丝，所述药芯焊丝包括封闭钢带以及被包裹在钢带内部的合金粉末，所述合金粉末按质量分数包括：

4、

5、

6、本发明提供的原油油舱用药芯焊丝通过各组分相互协同作用，使焊缝金属具有良好强度、韧性和耐腐蚀等性能。具体地，高碳锰铁粉的添加在焊接冷却进程中，锰元素可以抑制先共析铁素体的产生，增加针状铁素体的数量，提高焊缝的强度与低温韧性。

7、而在焊缝金属凝固过程中，b可以和铝、钛、猛和钒等形成析出物m23b、m3b，m表示铝、钛、锰或钒中的任意一种或至少两种的组合，起到析出强化的作用，此外，多余的b向奥氏体晶界偏聚，降低了晶界的能量，进而抑制先共析铁素体的形成；由于fe23c和fe23b先于铁素体的形成，可以对铁素体的晶界起到“钉扎”作用，抑制铁素体晶粒的粗化。

8、钢粉和镍粉是提高耐蚀性能的主要合金元素，可以提高焊缝表面锈层的致密性，增加其黏性，硅铁粉在焊接过程中si元素可以提高焊接熔池的流动性，进而提高焊缝的综合力学性能；微碳铬铁粉，铬元素能够与碳形成硬度较高的m3c7、m3c、m23(c,b)、m3(c，b)，m代表fe和/或cr，可以提高基体的硬度和耐磨性，油舱内底部油膜层包含油泥和原油，在运输过程中油泥对油舱表面不断冲刷，高耐磨性的焊接表面对油膜层起到了良好的保护作用，避免了点蚀现象的产生。镁铝粉的主要元素是铝，掺入少量的镁可以提高焊缝金属的强度和硬度，镁铝组分有助于除去熔池中的有害杂质氧元素，镁与氧和硫有很强的亲和力，是良好的脱氧和脱硫剂，铝元素可以强烈地缩小焊接过程中熔池的奥氏体相区，提高晶粒的粗化温度，起到细化焊缝晶粒的作用。

9、在焊接时，焊缝要充满溶化的金属，焊接时间较长，会产生一个宽的热效应区。在焊加入还原铁粉后，就可以防止过热和减少热效应区，可采用大电流焊接，能显著地提高焊丝的熔敷系数和提高焊接生产率，能增加焊接深度，焊接时稳弧，飞溅少、成型美观，中断后再引弧容易。

10、在焊接过程中形成的细小弥散的碳化物(cr23c6、cr7c3、tic、vc、mo2c)对焊缝金属进行析出强化和固溶强化，细小的碳化物可以对晶界起到钉扎作用，抑制晶粒长大，使焊缝金属具有良好强韧性。通过合理控制萤石粉的配比，在焊接过程中，生成氟气与二氧化碳气体，对焊缝起到良好的自保护作用，又与莹石粉、金红石粉末、长石粉配合，提高合金粉末的防潮性和流动性，电弧稳定，焊层无裂纹。

11、本发明中微碳铬铁粉5～8份，例如可以是5份、5.4份、5.7份、6份、6.4份、6.7份、7份、7.4份、7.7份或8份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

12、本发明将微碳铬铁粉的含量限定在上述范围，当微碳铬粉的含量得到合理控制时可以有效的提高焊缝金属的强度和耐氧化性腐蚀性能，当含量过低时，不能有效的控制奥氏体晶粒的大小，另外当微碳铬铁粉的含量较低时会形成铬合金渗碳体，稳定性较差；当微碳铬铁粉超过8份时，焊缝金属的强度和硬度明显上升，韧性急剧下降，需要增加热处理加工工序对其性能进行调整，增加了焊接的工序。

13、钒铁粉1～3份，例如可以是1份、1.3份、1.5份、1.7份、1.9份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份或3份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

14、硼铁粉1～3份，例如可以是1份、1.3份、1.5份、1.7份、1.9份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份或3份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

15、高碳锰铁粉6～9份，例如可以是6份、6.4份、6.7份、7份、7.4份、7.7份、8份、8.4份、8.7份或9份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

16、本发明将高碳锰铁粉的含量限定在上述范围，在焊接过程中，mn和fe可以无限固溶，高碳锰铁粉会形成m7c3碳化物，药芯焊丝钢带中元素ti和nb会促进m7c3的细化，为m7c3形成异质形核的核心，细化m7c3的初生相。当含量过低时，不能为m7c3提供足够的形核核心，导致m7c3的初生相长大、粗化，当含量过高时，促进马氏体的生成，会降低焊丝金属的塑性和焊接性能。

17、铜粉15～20份，例如可以是15份、15.6份、16.2份、16.7份、17.3份、17.8份、18.4份、18.9份、19.5份或20份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

18、镍粉22～35份，例如可以是22份、23.5份、24.9份、26.4份、27.8份、29.3份、30.7份、32.2份、33.6份或35份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

19、硅铁粉1～2份，例如可以是1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份或2份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

20、钼铁粉6～8份，例如可以是6份、6.3份、6.5份、6.7份、6.9份、7.2份、7.4份、7.6份、7.8份或8份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

21、镁铝粉5～7份，例如可以是5份、5.3份、5.5份、5.7份、5.9份、6.2份、6.4份、6.6份、6.8份或7份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

22、还原铁粉10～15份，例如可以是10份、10.6份、11.2份、11.7份、12.3份、12.8份、13.4份、13.9份、14.5份或15份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

23、金红石粉3.5～4.7份，例如可以是3.5份、3.64份、3.77份、3.9份、4.04份、4.17份、4.3份、4.44份、4.57份或4.7份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

24、长石粉2.1～3.2份，例如可以是2.1份、2.23份、2.35份、2.47份、2.59份、2.72份、2.84份、2.96份、3.08份或3.2份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

25、萤石粉2.3～3.1份，例如可以是2.3份、2.39份、2.48份、2.57份、2.66份、2.75份、2.84份、2.93份、3.02份或3.1份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

26、氟硅酸钠0.1～0.3份，例如可以是0.1份、0.13份、0.15份、0.17份、0.19份、0.22份、0.24份、0.26份、0.28份或0.3份等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

27、优选地，所述微碳铬铁粉中碳的质量含量为0.1～0.15％，例如可以是0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％或0.15％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

28、优选地，所述微碳铬铁粉中铬的质量含量为63～75％，例如可以是63％、64％、65％、67％、69％、70％、71％、72％、73％或75％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

29、本发明将微碳铬铁粉的各组分含量限定在上述范围，根据钢中碳当量和铬当量公式，其中ceq是指碳当量，creq是指铬当量，根据铬当量可以计算出碳当量指标，各个元素字母代表各个元素的质量含量。根据经验：当ceq<0.4％时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必预热；当ceq在0.4％～0.6％时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热和控制热输入等工艺措施；当ceq>0.6％时，淬硬倾向更强，属于较难焊的材料，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

30、

31、creq＝cr+mo+1.5si+0.5×nb

32、微碳铬铁粉中的碳可以对铬元素进行固定，可以有效地实现合金渗入，在焊接时碳和铬可以形成细小的cr2c3碳化物，提高焊缝金属的耐蚀性能。当碳含量过低时，焊丝中的合金元素不能得到有效利用；当碳含量过高时，焊接性能较差，对焊接工艺方法提出更高的要求。当铬含量过低于63％时，通过计算cr当量低于12％，只有cr当量超过12％时，钢板才具有良好的耐氧化性腐蚀的性能当cr当量超过15％时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所降低，因此铬的成份不高于75％。

33、优选地，所述钒铁粉中钒的质量含量为30～40％，例如可以是30％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

34、优选地，所述硼铁粉中硼的质量含量为4～6％，例如可以是4％、4.3％、4.5％、4.7％、4.9％、5.2％、5.4％、5.6％、5.8％或6％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

35、优选地，所述高碳锰铁粉中碳的质量含量为2～4％，例如可以是2％、2.3％、2.5％、2.7％、2.9％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％或4％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

36、优选地，所述高碳锰铁粉中锰的质量含量为75～80％，例如可以是75％、75.6％、76.2％、76.7％、77.3％、77.8％、78.4％、78.9％、79.5％或80％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

37、优选地，所述硅铁粉中硅的质量含量为72～78％，例如可以是72％、72.7％、73.4％、74％、74.7％、75.4％、76％、76.7％、77.4％或78％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

38、优选地，所述钼铁粉中钼的质量含量为55～60％，例如可以是55％、55.6％、56.2％、56.7％、57.3％、57.8％、58.4％、58.9％、59.5％或60％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

39、优选地，所述镁铝粉中镁的质量含量为30～40％，例如可以是30％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

40、优选地，所述镁铝粉中铝的质量含量为60～70％，例如可以是60％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％或70％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

41、优选地，所述金红石粉中二氧化钛的质量含量为≥95％，例如可以是95％、96％、97％或98％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

42、优选地，所述萤石粉中氟化钙的质量含量为≥95％，例如可以是95％、96％、97％或98％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

43、优选地，所述合金粉末的晶粒度为60～160目，例如可以是60目、70目、80目、90目、100目、110目、120目、130目、150目或160目等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

44、本发明将合金粉末的晶粒度控制在上述范围，当晶粒度过低时，颗粒过细会使药粉流动性下降，虽有利于保证焊丝填药时的充实，但却增加了药粉的比表面积，焊接时合金元素的氧化、烧损和蒸发增加，不利于有益元素向焊缝中过渡，当晶粒度过高时，药芯焊丝中的药粉会局部出现空松或断粉现象，不利于稳定焊接和确保焊接质量。

45、优选地，所述镍粉的晶粒度为150～160目，所述铜粉的晶粒度为150～160目；所述还原铁粉的晶粒度为90～120目，例如可以是90目、100目、110目或120目等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

46、优选地，所述硅铁粉、钼铁粉、钒铁粉或硼铁粉的晶粒度各自独立地为60～80目，例如可以是60目、70目或80目等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

47、合金粉末的粒度对于最终药芯焊丝的性能影响十分关键，当粒径过大时，在制备药芯焊丝时，会增加药芯焊丝的空隙，在焊丝拉拔过程中容易出现合金粉“断粉”，导致所制取的焊丝药芯成分不均匀；而当粒径过小时，在焊接预热升温阶段容易挥发飞溅；本发明创造性地优选采用上述晶粒度的合金粉末进行匹配，在焊接过程中，熔熵阶段的温度较高，熔池阶段温度较低，为了有效地避免空气污染，通过多元粒度药芯焊丝的组分可以明显改善焊丝的自保护作用，这是由于选用更小颗粒的镍粉、铜粉和还原铁粉，在焊接的过程中更有利于焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时选用粒度稍微大一点的硅铁粉、钼铁粉、钒铁粉或硼铁粉，更有利于在熔滴过渡进程中实现合金过渡，而且产品不出现飞溅情况。当颗粒过小或过大或不采用上述级配时，导致体系内颗粒存在分布不均的情况，焊接后焊缝的耐腐蚀性能有所下降。

48、优选地，所述氟硅酸钠与萤石粉的质量比为0.03～0.05:1，例如可以是0.03:1、0.04:1或0.05:1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

49、优选地，所述钢带的厚度为0.3～0.5mm，例如可以是0.3mm、0.32mm、0.35mm、0.38mm、0.4mm、0.42mm、0.45mm、0.48mm或0.5mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

50、优选地，所述钢带的宽度为13～15mm，例如可以是13mm、13.3mm、13.5mm、13.7mm、13.9mm、14.2mm、14.4mm、14.6mm、14.8mm或15mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

51、优选地，所述钢带为inconel 718钢带。

52、优选地，所述药芯焊丝中合金粉末的填充率为30～36％，例如可以是30％、30.7％、31.4％、32％、32.7％、33.4％、34％、34.7％、35.4％或36％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

53、第二方面，本发明提供一种第一方面所述的原油油舱用药芯焊丝的制备方法，所述制备方法包括：

54、(1)将金红石粉末、长石粉和萤石粉升温至第一温度进行第一保温，将微碳铬铁粉、钒铁粉、硼铁粉、高碳锰铁粉、铜粉、镍粉、硅铁粉、钼铁粉、镁铝粉、还原铁粉和氟硅酸钠升温至第二温度进行第二保温；将所有合金粉末混合，升温至第三温度进行第三保温，再冷却，得到处理后合金粉末；在钢带上设置凹槽；

55、(2)所述处理后合金粉末填充至凹槽内，并经成型机将所述钢带闭合成钢管；

56、(3)利用轧尖机将钢管的焊丝头轧尖，且所述钢管经拉丝机连续拉拔，得到所述药芯焊丝。

57、本发明优选微碳铬铁粉、钒铁粉、硼铁粉、高碳锰铁粉、铜粉、镍粉，硅铁粉、钼铁粉、镁铝粉、还原铁粉、金红石粉、长石粉、萤石粉、氟硅酸钠分别在不同的温度区间进行一定时间烘干热处理，然后将这两部分合金粉末混合均匀后在第三温度下保温，温度过高会促进合金类粉末的表面氧化，导致合金类似于失效的状态，温度过低会降低合金粉末的流动性，去湿效果不明显，降低药芯焊丝的填充率，在随后的焊接过程中容易产生飞溅。

58、本发明原油油舱用药芯焊丝的制备方法工艺流程简单，能够制得强度高且不飞溅，耐腐蚀性能强的药芯焊丝。

59、优选地，步骤(1)中所述第一温度为200～240℃，例如可以是200℃、205℃、209℃、214℃、218℃、223℃、227℃、232℃、236℃或240℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

60、优选地，所述第一保温的时间为1～2h，例如可以是1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

61、优选地，所述第二温度为110～130℃，例如可以是110℃、113℃、115℃、117℃、119℃、122℃、124℃、126℃、128℃或130℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

62、优选地，所述第二保温的时间为40～60min，例如可以是40min、43min、45min、47min、49min、52min、54min、56min、58min或60min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

63、优选地，所述第三温度为500～550℃，例如可以是500℃、505℃、510℃、515℃、520℃、525℃、530℃、535℃、545℃或550℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

64、本发明优选第一温度、第二温度和第三温度的范围选择在上述范围，选用第一温度的金红石粉末、长石粉和萤石粉三者水汽较大，需要比较高温的除湿温度，且后面部分粉末容易在高温下氧化，故第二温度的温度范围较低，最后混合后再在第三温度进行第三保温，能够制得粉末分布更均匀且流动性更好的药芯焊丝。

65、优选地，所述第三保温的时间为20～30min，例如可以是20min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

66、优选地，所述钢带在设置凹槽前先依次经清洗和烘干。

67、优选地，所述烘干的温度为90～95℃，例如可以是90℃、90.6℃、91.2℃、91.7℃、92.3℃、92.8℃、93.4℃、93.9℃、94.5℃或95℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

68、优选地，所述烘干的时间为3～5min，例如可以是3min、3.3min、3.5min、3.7min、3.9min、4.2min、4.4min、4.6min、4.8min或5min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

69、优选地，步骤(2)中所述成型机的速度为55～75m/min，例如可以是55m/min、58m/min、60m/min、62m/min、64m/min、67m/min、69m/min、71m/min、73m/min或75m/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

70、优选地，步骤(3)中所述拉丝机的启动速度为0.2～0.4m/s，例如可以是0.2m/s、0.23m/s、0.25m/s、0.27m/s、0.29m/s、0.32m/s、0.34m/s、0.36m/s、0.38m/s或0.4m/s等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

71、优选地，所述拉丝机的联动和点动速度为0.10～0.25m/s，例如可以是0.10m/s、0.12m/s、0.14m/s、0.15m/s、0.17m/s、0.19m/s、0.2m/s、0.22m/s、0.24m/s或0.25m/s等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

72、优选地，所述拉丝机的拉拔次数为7～10次，例如可以是7次、8次、9次或10次等。

73、优选地，所述药芯焊丝的直径为1.2～3.2mm，例如可以是1.2mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm、2.1mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3mm或3.2mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

74、优选地，所述拉丝机的拔丝模盒中应添加润滑粉剂，并保证冷却水路畅通。

75、第三方面，本发明提供一种原油油舱用药芯焊丝的焊接方法，所述焊接方法采用第一方面所述的原油油舱用药芯焊丝进行焊接。

76、优选地，所述焊接的电弧电压为28～33v，例如可以是28v、29v、30v、31v、32v或33v等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

77、优选地，所述焊接的电流为300～350a，例如可以是300a、305a、310a、315a、320a、325a、330a、335a、345a或350a等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

78、优选地，所述焊接的焊接速度为280～320mm/min，例如可以是280mm/min、285mm/min、287mm/min、290mm/min、295mm/min、300mm/min、305mm/min、312mm/min、315mm/min或320mm/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

79、优选地，所述焊接的焊丝伸出长度为20～25mm，例如可以是20mm、20.6mm、21.2mm、21.7mm、22.3mm、22.8mm、23.4mm、23.9mm、24.5mm或25mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

80、优选地，所述焊接的保护气体为二氧化碳。

81、优选地，所述焊接的保护气体的气流量为20～25l/min，例如可以是20l/min、20.6l/min、21.2l/min、21.7l/min、22.3l/min、22.8l/min、23.4l/min、23.9l/min、24.5l/min或25l/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

82、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

83、(1)本发明提供的原油油舱用药芯焊丝本身强韧性高，在使用过程中不易产生飞溅，且焊接后焊缝的强度高，耐腐蚀性强；

84、(2)本发明提供的原油油舱用药芯焊丝的制备方法制备过程简单易工业化生产，且合金粉末混合均匀；

85、(3)本发明提供的原油油舱用药芯焊丝应用在原油油舱焊接过程中能够显著提高焊缝处的强度和耐腐蚀性能。