CN101966630A

CN101966630A - 9%Ni钢埋弧焊接材料和焊接方法

Info

Publication number: CN101966630A
Application number: CN2010102340809A
Authority: CN
Inventors: 福田和博; 铃木正道
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP2011025285A; JP5334725B2; CN101966630B; KR101156279B1; KR20110011563A

Abstract

提供一种9％Ni钢埋弧焊用烧结型焊剂，除了下向和横向位置，即使在立向位置焊接中，其也能够具有良好的焊渣剥离性和抗焊接缺陷性，此外还能够获得优异的焊缝形状的平滑性。一种与含有Ni：60质量％以上的焊丝组合使用的9％Ni钢埋弧焊用烧结型焊剂，焊剂组成为，相对于焊剂总质量，含有Al₂O₃：15～40质量％、SiO₂：5～35质量％、ZrO₂：5～25质量％、MgO：5～25质量％、CaCO₃：5～25质量％和金属Al：1～7质量％，并且将CaF₂抑制在5质量％以下，余量为金属Fe、Na₂O和不可避免的杂质。

Description

9%Ni钢埋弧焊接材料和焊接方法

技术领域

本发明涉及用于液化天然气这种极低温液体用储罐的建造材料所使用的9％Ni钢的埋弧焊的焊接材料，特别是涉及能够在立向焊接位置进行焊接，并且也可以适用于下向及横向位置，具有良好的焊渣剥离性，并且能够获得优异的抗缺陷性和焊缝的平滑性的9％Ni钢埋弧焊接材料和焊接方法。

背景技术

历来，在作为极低温液体储罐的建造材料所使用的9％Ni钢的焊接中，为了防止高温裂纹而应用线能量比较低的焊条电弧焊法。其后，耐高温裂纹性优异的焊丝得到开发，以焊接建造物的施工效率提高为目的，对于适用下向或横向位置焊接的地方增加了埋弧焊方法的应用。

另一方面，在立向位置的焊接中，为了施工效率提高而应用自动TIG焊，另一部分是发展自动MAG焊接化。但是在现场施工中，在焊接气体的获取困难的地域，还是不得不依赖于焊条电弧焊法的状况。

因此，为了提高不能获取焊接气体的现场中的施工效率，就要求开发出能够将埋弧焊方法应用于向上立焊的焊接材料。

历来，在低温用钢的埋弧焊接材料中存在如下等问题点：在立向位置进行焊接时，熔融金属在凝固过程中因重力而流动，因此焊缝形状容易不稳定，成为凸状，需要用研磨机使焊缝变得平滑。

因此，例如在日本特开2009-039761号中，公开有一种低温用钢的埋弧焊用焊剂，其相对于焊剂总质量，含有Al₂O₃：31～60质量％、CaF₂：10～40质量％、SiO₂：1～10质量％、Na₂O：0.1～5质量％、金属Al：1～10质量％，其他为CaCO₃、CaO、MgO、金属Mn和不可避免的杂质。

日本特开2009-039761号的技术，通过将焊剂组成规定在上述范围，除了下向和横向位置，即使在立向位置焊接中，也可实现电弧稳定性、焊渣剥离性、抗焊接缺陷性和焊缝形状的提高。

但是，上述先行技术虽然在立向位置焊接中的电弧稳定性、焊渣剥离性和抗焊接缺陷性提高，但是在焊缝的平滑性上却不充分。特别是有焊缝纵长方向的形状容易不连续这样的问题点。因此，在立向位置的焊接中，就期望开发出能够充分满足焊渣剥离性、抗焊接缺陷性和焊缝形状稳定性(平滑性)这全部几项的埋弧焊用的焊剂。

发明内容

本发明鉴于这一问题点而做，其目的在于，提供一种9％Ni钢埋弧焊接材料和焊接方法，除了下向和横向位置，即使在立向位置焊接中，其也能够具有良好的焊渣剥离性和抗焊接缺陷性，此外还能够得到优异的焊缝形状的平滑性。

本发明的9％Ni钢埋弧焊接材料，由埋弧焊用焊丝和埋弧焊用烧结型焊剂构成，所述焊丝相对于焊丝总质量含有Ni：60质量％以上，所述焊剂其组成为，相对于焊剂总质量，含有Al₂O₃：15～40质量％、SiO₂：5～35质量％、ZrO₂：5～25质量％、MgO：5～25质量％、CaCO₃：5～25质量％和金属Al：1～7质量％，并且将CaF₂抑制在5质量％以下，余量为金属Fe、Na₂O和不可避免的杂质。

本发明的9％Ni钢的埋弧焊方法，是使用相对于焊丝总质量含有Ni：60质量％以上的埋弧焊用焊丝和埋弧焊用烧结型焊剂，所述焊剂的组成为，相对于焊剂总质量，含有Al₂O₃：15～40质量％、SiO₂：5～35质量％、ZrO₂：5～25质量％、MgO：5～25质量％、CaCO₃：5～25质量％和金属Al：1～7质量％，并且将CaF₂抑制在5质量％以下，余量为金属Fe、Na₂O和不可避免的杂质。

在上述9％Ni钢埋弧焊接材料和9％Ni钢埋弧焊方法中，所述焊剂优选含有金属Ti：0.1～5质量％。

上述9％Ni钢埋弧焊方法，能够在立向上焊接姿势的埋弧焊中使用。

根据本发明，能够进行具有良好的焊渣剥离性和抗焊接缺陷性，此外还具有优异的焊缝形状的平滑性的9％Ni钢埋弧焊方法。

附图说明

图1是表示焊接位置为下向时的焊接母材的形状和尺寸的图，其中(a)为正视图，(b)为表示坡口形状的剖面图，(c)为表示层叠要领的模式图。

图2是表示焊接位置为横向时的焊接母材的形状和尺寸的图，其中(a)为正视图，(b)为表示坡口形状的剖面图，(c)为表示层叠要领的模式图。

图3是表示焊接位置为立向时的焊接母材的形状和尺寸的图，其中(a)为正视图，(b)为表示坡口形状的剖面图，(c)为表示层叠要领的模式图。

图4是表示焊缝形状评价标准之中最大凹凸变动的判定标准，其中(a)为正视图，(b)为剖面图。

图5是表示焊缝形状评价标准之中最大宽度变动的判定标准的图。

具体实施方式

本发明者们发现，使用相对于焊丝总质量而含有Ni：60质量％以上的焊丝进行9％Ni钢埋弧焊时，通过对焊剂成分进行各种调整，除了Al₂O₃以外，将MgO、CaCO₃、ZrO₂等高熔点氧化物作为主要成分，不但对于下向及横向位置下的焊缝的形状的平滑化有效，而且即使在立向焊接位置对于焊缝的形状的平滑化也有效。此外本发明者们还发现，对于CaF₂来说，虽然具有使焊缝的鳞纹细密的效果，但是若超过既定量含有，则焊缝形状容易不连续，另外还有气孔也增加的倾向。本发明者们基于这些发现而完成了本发明。

以下，对于在本发明的9％Ni钢埋弧焊中使用的烧结型焊剂的成分添加理由和组成限定理由进行说明。

Al₂O₃：15～40质量％

焊剂中的Al₂O₃作为焊渣形成剂发挥作用，在提高熔融渣的凝固温度和粘性上是有效的成分。焊剂中的Al₂O₃低于15质量％时，在立向位置焊接中熔融渣的焊缝保持力不足，焊缝成为凸状，发生烧穿。另一方面，Al₂O₃超过40质量％时，焊渣的粘性变得过高，流动性差，因此发生夹渣。此外，若Al₂O₃超过40质量％，则除了在下向和横向位置焊缝的鳞纹***以外，还会发生麻点。

更优选的范围是Al₂O₃：20～35质量％。在此范围，特别是在立向焊接中熔融渣的焊缝保持力更为适当，焊缝形状稳定而平滑化，因此能够得到更良好的焊缝外观。

SiO₂：5～35质量％

焊剂中的SiO₂需要为5～35质量％。焊剂中的SiO₂提高熔融渣的凝固温度。另外在立向位置提高焊缝的保持力，具有使焊缝形状稳定的效果。SiO₂低于5质量％时，熔融渣的焊缝保持力不足，因此焊缝形状不稳定。另一方面，若SiO₂超过35质量％，则熔融渣的粘性变得过高，焊渣的剥离恶化，夹渣发生。

更优选的范围是SiO₂：10～25质量％。在该范围中，焊渣的剥离性提高，特别是在立向位置，能够获得更良好的焊渣剥离性，并且焊缝形状稳定而平滑化，因此能够得到良好的焊缝外观。在这一范围内，下向和横向位置焊接时的焊缝形状也稳定。在SiO₂中，除了石英砂、水玻璃以外，也可以添加硅石灰等的复合氧化物。

ZrO₂：5～25质量％

焊剂中的ZrO₂在使焊渣剥离性良好上是有效的成分。ZrO₂低于5质量％时得不到该效果，反而使焊渣在焊缝烧结等，焊渣剥离性差。另一方面，若ZrO₂超过25质量％，则熔融渣的流动性降低，容易发生夹渣。

更优选的范围是，ZrO₂：10～20质量％。在该范围中，焊渣剥离性提高，特别是在立向位置能够得到更良好的焊渣剥离性，并且焊缝形状稳定而平滑化，因此能够得到良好的焊缝外观。

MgO：5～25质量％

焊剂中的MgO具有使焊渣的凝固温度上升的效果，对纵长方向的焊缝形状稳定性来说是有效的成分。这一效率在低于5质量％时无法获得，在立向位置多发生焊缝烧穿。另一方面，若MgO超过25质量％，则焊渣的凝固提早完毕，因此焊缝形状成为凸状，除了容易发生夹渣以外，焊渣剥离性也恶化。

更优选的范围是MgO：10～20质量％。在该范围中，焊渣剥离性提高，特别是在立向位置能够获得更良好的焊渣剥离性，并且焊缝形状稳定而平滑化，因此能够得到良好的焊缝外观。

CaCO₃：5～25质量％

焊剂中的CaCO₃需要为5～25质量％。CaCO₃熔融分解，变成CaO和CO₂气，而CO₂气具有的效果是，降低焊接电弧气氛中的水蒸气分压，降低焊接金属中的氢量，并且降低气孔。另外，CaO具有提高熔融渣的凝固温度的效果，使焊缝形状稳定。CaCO₃在低于5质量％的区域，除了得不到上述效果以外，焊缝形状还成为凸状。另一方面，CaCO₃在超过25质量％的区域，焊渣剥离性差。

更优选的范围是CaCO₃：10～20质量％。在该范围中，焊渣的凝固温度进一步上升，焊缝形状更加稳定而平滑化，因此能够得到良好的焊缝外观。

金属Al：1～7质量％

金属Al作为脱氧剂添加到焊剂中，从而使焊接金属中的氧量显著降低，是具有降低气孔发生的效果的成分。若金属Al相对于焊剂总重量低于1质量％，则不能充分获得该效果。另一方面，若相对于焊剂总重量超过7质量％，则焊渣剥离性恶化。金属Al能够通过单体或Fe-Al合金等添加到焊剂中。

更优选的范围是金属Al：2～5质量％。在此范围中，能够进一步使良好的焊渣剥离性和耐气孔性能并立。

CaF₂：5质量％以下

现有的埋弧焊用焊剂中，CaF₂被作为必须成分添加，但在本发明中将CaF₂抑制在5质量％以下。CaF₂虽然具有使电弧稳定，使焊缝的鳞纹细密的效果，但是也有降低焊渣的凝固温度和粘性的效果，因此特别在立向位置的焊接中使纵长方向的焊缝形状不稳定，焊缝容易烧穿。这一倾向在焊剂中的CaF₂超过5质量％时表现得显著，因此CaF₂需要抑制在5质量％以下。

金属Ti：0.1～5质量％

Ti使焊渣的凝固温度上升，具有在横向和立向焊接时抑制焊缝的烧穿的效果。若金属Ti相对于焊剂总重量低于0.1质量％，则不能充分获得该效果。另一方面，若Ti相对于焊剂总重量超过5质量％，则焊渣剥离性恶化。因此，含有金属Ti时为0.1～5质量％。金属Ti以单体或Fe-Ti等添加。

【实施例】

以下，通常实施例具体地说明本发明的效果。首先，调整焊剂原料，其中作为粘合剂添加水玻璃并造粒后，进行烧结，由此制作具有下述表1所示的各种化学组成的埋弧焊用烧结型焊剂。

【表1】

分别使用具有下述表2和表3所示的化学组成的母材和焊丝。

【表2】

【表3】

下向焊接以下述表4所示的焊接条件进行。下向焊接中的焊接母材的形状及尺寸显示在图1中。图1(a)是表示焊接位置为下向时的焊接母材的形状和尺寸的正视图，图1(b)为表示坡口形状的剖面图，图1(c)为表示层叠要领的模式图。

【表4】

焊接位置	下向
		极性	DCEP(正流正接)
焊丝直径	2.4mm
		电流(A)	330～350
电压(V)	30～32
		速度(cm/分)	30
延长	25mm
		焊接长度	500mm

横向焊接以下述表5所示的焊接条件进行。横向焊接中的焊接母材的形状及尺寸显示在图2中。图2(a)是表示焊接位置为下向时的焊接母材的形状和尺寸的正视图，图2(b)为表示坡口形状的剖面图，图2(c)为表示层叠要领的模式图。

【表5】

焊接位置	横向
		极性	DCEP(正流正接)
焊丝直径	2.4mm
		电流(A)	250～300
电压(V)	26～28
		速度(cm/分)	30～45
延长	25mm
		焊接长度	500mm

立向焊接以下述表6所示的焊接条件进行。立向焊接中的焊接母材的形状及尺寸显示在图3中。图3(a)是表示焊接位置为下向时的焊接母材的形状和尺寸的正视图，图3(b)为表示坡口形状的剖面图，图3(c)为表示层叠要领的模式图。

【表6】

焊接位置	向上立焊
		极性	DCEP(正流正接)

焊丝直径	1.2mm
		电流(A)	170
电压(V)	26
		速度(cm/分)	12
延长	15mm
		焊接长度	500mm

以上的评价结果显示在表7中。以下向、横向、立向的各焊接位置实施埋弧焊，求得焊缝形状和焊渣剥离性(焊接操作性)，此外，实施焊接部的放射性透射试验。

【表7】

焊缝形状的评价如图4和图5所示，在焊接长度500mm中，判定视野为30×30mm，除了弧坑部和距起弧部50mm的焊缝中央部的高度的凹凸变动和横向的焊缝宽度变动最大的位置进行判定。图4是表示最大凹凸变动的判定标准的图，其中(a)为正视图，(b)为剖面图。图5是最大宽度变动的判定标准的图。凹凸和横宽的判定视野的位置分别独立，采用表8的判定标准，凹凸变动差、横宽变动差的判定结果之中，采用低位的判定级别作为判定结果。

【表8】

判定级别	最大凹凸变动差	最大横宽变动差
			◎	2mm以下	3mm以下
○	大于2mm但在4mm以下	大于3mm但在6mm以下
			△	大于4mm但在7mm以下	大于6mm但在8mm以下
×	大于7mm	大于8mm

*若不满足两方则不列入该判定

例1)凹凸差3mm、横宽变动0.5mm时，判定○

例2)凹凸差5mm、横宽变动9mm时，判定×

焊渣剥离性是通过利用敲渣锤进行的低于11次的撞击，贯穿焊缝全长焊渣完全剥离的为◎，利用敲渣锤进行10次撞击后，焊渣在坡口部分等处有一些残留，但经11至低于20次的敲渣锤的撞击可以完全除去的为○，虽然用敲渣锤除去全部的焊渣有困难，但借助錾子等焊渣剥离专用的工具能够使焊渣轻易剥离的为△，即使使用上述工具也不能完全除去焊渣的为×。

另外对于焊接部实施放射性透射试验，将JIS Z 3106用于判定标准来评价抗缺陷性。即，在放射性透射试验中，关于焊接接头在透射试验中的缺陷的像的分类方法如下：圆的气孔和类似于此的缺陷为第1种；细长的夹渣、管(パイプ)、未焊透、未熔合以及类似于此的缺陷为第2种；裂纹和类似于此的缺陷为第3种。还有，对于是第1种缺陷还是第2种缺陷区别有困难的缺陷，将其作为第1种缺陷或第2种缺陷分别独立分类，其中分类编号大的一方分类编号为该缺陷的种别。第1缺陷个数遵循以下方法求得。即，在第1缺陷个数的测定中，板厚为20mm，因此试验视野的大小为10mm×10mm。缺陷处于试验视野的边界线上时，包含视野以外的部分进行测定。第1种缺陷为一个时的缺陷个数，根据缺陷的长径的尺寸采用下述表9的值。缺陷为两个以上时的缺陷个数，为存在于试验视野内的各缺陷的缺陷个数的总和。

【表9】

第1种缺陷的像的分类遵循下述表10。表10中的数值表示试验视野内的缺陷个数的允许值。但是，缺陷的长径超过母材的厚度的1/2时为第4类。

【表10】

第2种缺陷的像的分类遵循下述表11。试验视野的大小与第1种相同。还有，分类为1类时，如果有未焊透或未熔合则为2类。

【表11】单位mm

关于缺陷的综合分类以如下方式进行。即，缺陷的种别为1类时，此分类为综合分类。缺陷的种别为2类以上时，其中的分类编号大的一方为综合分类。但是，在第一种缺陷的试验视野中混有作为分类的对象的第2种缺陷时，如果基于缺陷个数的分类和基于缺陷长度的分类均为同一分类，则混合的部分的分类是使分类编号为一个较大的编号。这时，在1类中，如果超过第1种和第2种的缺陷的允许长度的1/2则分成2类。

如上述表1和表7所示，实施例1～6其焊剂中的化学组成得到了适当规定，因此焊接时的焊缝形状平滑性和焊渣剥离性良好，在放射性透射试验评价中也全部都是一类一种判定。

在实施例7中，因为焊剂中的Ti的含量低于本发明范围的下限，所以与实施例1～6相比，焊缝形状有些不稳定。

在实施例8中，焊剂中的Ti的含量超过本发明范围的上限，因此溶渣剥离性稍差。

(比较例9和10)

另一方面，比较例9因为焊剂中的Al₂O₃的含量超过本发明范围的上限，SiO₂的含量低于本发明范围的下限，所以下向和横向焊接焊缝的鳞纹粗大，此外在立向焊接中，焊缝形状不稳定且发生夹渣。

(比较例11和12)

比较例11因为焊剂中的ZrO₂的含量超过本发明范围的上限，CaCO₃的含量低于本发明范围的下限，所以焊缝形状平滑性降低，夹渣发生。

比较例12因为焊剂中的ZrO₂的含量低于本发明范围的下限，CaCO₃的含量超过本发明范围的上限，所以发生焊渣烧结，焊渣剥离性降低。

(比较例13和14)

比较例13因为焊剂中的MgO的含量超过本发明范围的上限，Al的含量低于本发明范围的下限，所以焊缝形状成为凸状，焊接缝形状平滑性降低，在立向焊接中发生夹渣。另外，耐气孔性降低。

比较例14因为焊剂中的MgO的含量低于本发明范围的下限，Al的含量超过本发明范围的上限，所以除了焊渣剥离性降低以外，熔融金属的保持力也降低，导致横向和立向焊接中的焊缝形状平滑性降低。

(比较例15)

比较例15因为焊剂中的Ti的含量低于本发明范围的下限，CaF₂的含量超过本发明范围的上限，所以焊接缝形状平滑性降低，在立向焊接时发生烧穿。

(比较例16和17)

比较例16和17因为焊剂中的MgO的含量低于本发明范围的更优选范围的下限，CaF₂的含量超过本发明范围的上限，所以横向和立向焊接中的焊缝形状平滑性降低，在立向焊接中发生烧穿。

如以上详述，根据本发明，通过适当规定9Ni钢埋弧焊用烧结型焊剂中的化学组成，在下向、横向和立向位置的焊接中能够取得优异的焊缝的平滑性、焊渣剥离性和抗焊接缺陷性。

Claims

1.一种9％Ni钢埋弧焊接材料，其特征在于，

所述焊接材料由埋弧焊用焊丝和埋弧焊用烧结型焊剂构成，

所述焊丝以焊丝总质量计含有Ni：60质量％以上，

所述焊剂的组成以焊剂总质量计含有Al₂O₃：15～40质量％、SiO₂：5～35质量％、ZrO₂：5～25质量％、MgO：5～25质量％、CaCO₃：5～25质量％和金属Al：1～7质量％，并且将CaF₂抑制在5质量％以下，余量含有金属Fe、Na₂O和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的9％Ni钢埋弧焊接材料，其特征在于，所述焊剂含有金属Ti：0.1～5质量％。

3.一种9％Ni钢的埋弧焊方法，其特征在于，使用以焊丝总质量计含有Ni：60质量％以上的埋弧焊用焊丝和埋弧焊用烧结型焊剂，

4.根据权利要求3所述的9％Ni钢埋弧焊方法，其特征在于，所述焊剂含有金属Ti：0.1～5质量％。

5.根据权利要求3所述的9％Ni钢埋弧焊方法，其特征在于，以立向上焊接姿势进行埋弧焊。