本發明涉及電焊條及其制備方法，具體涉及一種用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條及其制備方法。
背景技術：
近年來，隨著壓力容器、水力發電等鋼結構建造物不斷地向輕量化、大型化的發展，特別是為了減輕地球CO2排放，遵循“節能減排”的環境原則。高強鋼結構的設計使用得到了長足的發展。隨著高強鋼建造物設計強度及韌性儲備提高，對焊接材料的要求不斷地提出了新的技術指標要求。
目前，國內水利發電行業隨著設計指標的不斷更新，80kg級水電壓力鋼管已逐步替代了60kg級水電壓力鋼管。100kg壓力鋼管的應用已進入了實質性的設計階段。隨著水電壓力鋼管強度級別指標的不斷提升，同時對焊縫金屬的韌性儲備也提出了更高的要求。特別是在焊接施工過程中由于操作現場空間狹窄，希望焊接過程中擴大焊接熱輸入(≤40KJ/cm),提高焊接生產率。因此，為了提高焊縫金屬韌性儲備，擴大施工過程中焊接熱輸入工藝窗口，對100kg壓力鋼管電焊條的設計開發提出了新的技術要求。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，提供一種用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條及其制備方法，焊接熱輸入滿足≤40KJ/cm焊接條件，在使用環境溫度-60℃條件下，焊縫金屬具有良好的力學性能和抗裂性能。
為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的藥皮組成，焊芯為H08E焊條，焊條藥皮中包括的組分及質量百分比為：大理石35％～48％，菱鎂石3％～7％，碳酸鋇2％～6％，螢石16～26％，金紅石2～5％，鋯石英2～5.5％，電解錳3.2～6.8％，低硅硅鐵7～12％，鎳粉5.4％～9.6％，鉬鐵2.2％～4.5％.金屬鉻0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
按質量百分比，要求：
H08E鋼：C≤0.060％,Mn 0.35％～0.60％,Si≤0.030％,S≤0.010％,P≤0.010％，余量為Fe；
大理石：CaCO3≥98.0％,S≤0.010％,P≤0.010％；
菱鎂石：MgO≥41％，CaO≤6.0％，SiO2≤2.0％，FeO≤0.4％；
碳酸鋇：BaCO3≥98.5％，SO4-2≤0.40％，水份≤0.30％；
螢石：CaF2≥95.0％，SiO2≤1.5％，CaCO3≤1.5％，S≤0.03％，P≤0.03％；
金紅石：TiO2≥95.0％，S≤0.03％，P≤0.03％；
鋯英砂：ZrO2≥60.0％，SiO2≤32.0％，Al2O3≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％；
電解錳：Mn≥99.7％,C≤0.04％,P≤0.005％,S≤0.02％,Si≤0.010％,Fe≤0.03％；
低硅硅鐵：Si 42.0％～47.0％，P≤0.03％，S≤0.02％，Mn≤0.7％；
鎳粉：Ni≥98.0％，C≤0.025％，S≤0.01％，P≤0.01％；
鉬鐵：Mo≥55.0％，Si≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，C≤0.20％，Cu≤0.5％；
金屬鉻：Cr≥99.0％，C≤0.02％,P≤0.01％,S≤0.02％,Si≤0.020％,Fe≤0.20％。
所述焊條藥皮質量占焊條總質量的31.2％～33.4％。
上述用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條的制備方法，金紅石、鋯英石在壓制焊條前經過850℃～950℃高溫烘培處理，然后按配比將藥皮的各藥粉組分混合均勻，使用鋰-鉀-鈉型水玻璃作為粘結劑，加入量為藥皮總重量的18％-26％，進行攪拌，壓制焊條，最后進行低溫、中溫、高溫烘培，制成電焊條。
所述金紅石、鋯英石在壓制焊條前經過850℃～950℃高溫烘焙30分鐘。
所述低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃。
所述鋰-鉀-鈉型水玻璃，其濃度為39～410Be'，模數為2.9～3.3，比重為1.8～2.2，鉀鈉質量比為3∶1。
本發明的有益效果是：電焊條焊接熱輸入40KJ/mm以下焊接，焊條的擴散氫含量在3.5ml/100g以下(水銀法)。在-60℃的低溫條件下，能夠得到抗裂性及沖擊韌性優異的焊縫金屬，適用于全位置焊接工藝操作。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，下述百分比均為質量百分比：
本發明一種用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的藥皮組成，焊芯為H08E焊條，焊條藥皮中包括的組分及質量百分比為：大理石35％～48％，菱鎂石3％～7％，碳酸鋇2％～6％，螢石16～26％，金紅石2～5％，鋯石英2～5.5％，電解錳3.2～6.8％，低硅硅鐵7～12％，鎳粉5.4％～9.6％，鉬鐵2.2％～4.5％.金屬鉻0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
按質量百分比，要求：
H08E鋼：C≤0.060％,Mn 0.35％～0.60％,Si≤0.030％,S≤0.010％,P≤0.010％，余量為Fe；
大理石：CaCO3≥98.0％,S≤0.010％,P≤0.010％；
菱鎂石：MgO≥41％，CaO≤6.0％，SiO2≤2.0％，FeO≤0.4％；
碳酸鋇：BaCO3≥98.5％，SO4-2≤0.40％，水份≤0.30％；
螢石：CaF2≥95.0％，SiO2≤1.5％，CaCO3≤1.5％，S≤0.03％，P≤0.03％；
金紅石：TiO2≥95.0％，S≤0.03％，P≤0.03％；
鋯英砂：ZrO2≥60.0％，SiO2≤32.0％，Al2O3≤1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％；
電解錳：Mn≥99.7％,C≤0.04％,P≤0.005％,S≤0.02％,Si≤0.010％,Fe≤0.03％；
低硅硅鐵：Si 42.0％～47.0％，P≤0.03％，S≤0.02％，Mn≤0.7％；
鎳粉：Ni≥98.0％，C≤0.025％，S≤0.01％，P≤0.01％；
鉬鐵：Mo≥55.0％，Si≤1.0％，S≤0.05％，P≤0.05％，C≤0.20％，Cu≤0.5％；
金屬鉻：Cr≥99.0％，C≤0.02％,P≤0.01％,S≤0.02％,Si≤0.020％,Fe≤0.20％。
所述焊條藥皮質量占焊條總質量的31.2％～33.4％。
上述用于焊接100kg級水電壓力鋼管的超低氫高強鋼電焊條的制備方法，金紅石、鋯英石在壓制焊條前經過850℃～950℃高溫烘培處理，然后按配比將藥皮的各藥粉組分混合均勻，使用鋰-鉀-鈉型水玻璃作為粘結劑，加入量為藥皮總重量的18％-26％，進行攪拌，壓制焊條，最后進行低溫、中溫、高溫烘培，制成電焊條。
所述金紅石、鋯英石在壓制焊條前經過850℃～950℃高溫烘焙30分鐘。
所述低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃。
所述鋰-鉀-鈉型水玻璃，其濃度為39～410Be'，模數為2.9～3.3，比重為1.8～2.2，鉀鈉質量比為3∶1。
所述的鋼芯為H08E焊條用焊芯，其中C≤0.060％以下。
所述的低氫型焊條藥皮占焊條總質量的31.2～33.4％。藥皮組分為CaO-CaF2-SiO2-TiO2渣系，采用Mn-Si-Ni-Mo-Cr合金系統。
本發明為使焊縫金屬擴散氫含量≤3.5ml/100g(水銀法)，提高了藥皮組分中碳酸鹽的質量分數。碳酸鹽在電弧氣氛中分解生成CO2將熔池與空氣隔離，阻止了空氣中H2、O2、N等有害氣體對焊縫金屬的侵蝕，降低了電弧氣氛中各有害氣體成分的氣體分壓。另外，對硅酸鹽等酸性氧化物在壓制焊條前進行高溫預處理，碳酸鹽總量限定在43～62％之間，保障了焊縫金屬擴散氫含量在3.5ml/100g以下(水銀法)。
采用Mn-Si-Ni-Mo-Cr合金系統，提高了焊縫金屬中Ni、Mo的質量百分比，并在藥皮組分中添加了0.4～0.8％的稀土氧化物，控制焊芯中的含C量，促進焊縫金屬形成細小的下貝氏體及低C馬氏體，降低焊縫金屬中夾雜物形態，使其呈細小球狀，彌散分布，對焊縫金屬起到了凈化作用。通過以上措施的實施，在焊接線能量40KJ/cm以下焊接條件下，仍可以得到滿意的焊縫金屬力學性能。
以下對本發明中藥皮組分作用做詳細說明：
⑴本發明焊條的藥皮組分采用CaO-CaF2-SiO2-TiO2渣系，藥皮中含有大量分解溫度不同的碳酸鹽。其中包括了大理石、菱鎂石、碳酸鋇等。碳酸鹽在電弧高溫條件下分解生成CO2，阻止了空氣中H2、O2、N等有害氣體對焊縫金屬的侵蝕，降低了電弧氣氛中H2、O2、N等有害氣體成分的氣體分壓。同時由于CO2的存在提高了焊條立焊操作過程中的電弧挺度，改善了全位置焊接的操作性能。高溫反應過程中生成的CaO、MgO、BaO等堿性氧化物對焊縫金屬脫硫起到了積極的作用。
⑵藥皮組分中的螢石降低了熔渣的熔點，提高了熔渣流動性。螢石在電弧高溫環境下分解出F-有效地降低了焊縫金屬含氫量，使焊縫金屬實現了低氫化。螢石含量超出本發明中的上限，造成熔渣流動性過強，不利于立焊位置的操作性，并使電弧穩定性下降。
⑶藥皮組分中的硅酸鹽、鈦酸鹽對焊縫金屬成型、降低飛濺、改善熔渣脫渣性起到了良好的調解作用。其含量在本發明限定的下限以下，則電弧穩定性下降，脫渣性得不到良好的改善。超出上限部分熔渣易出現玻璃渣傾向，并且焊縫金屬中的非金屬夾雜物增加，降低了焊縫金屬的低溫韌性。
⑷C是提高焊縫金屬強度的重要元素，在本發明中發現在高強鋼焊接過程中，應嚴格控制焊縫金屬中的含C量，焊縫金屬中C超過0.08以上焊縫金屬強度提高，低溫沖擊韌性下降趨勢，低溫裂紋敏感性顯著提高。
⑸Mn、Si含量提高了焊縫金屬中的強度及脫氧性，同時可有效改善焊縫金屬低溫韌性，當藥皮組分中含Si量低于下限時，焊縫金屬脫氧不足，造成焊縫金屬中非金屬夾雜物數量增加，不利于低溫韌性的改善，并容易產生氣孔；另外當藥皮組分中Mn含量超過上限時，出現焊縫金屬強度過剩，同時出現低溫韌性下降趨勢。
⑹Ni、Mo是為了提高焊縫金屬低溫韌性和保障焊縫金屬屈服強度而添加的，當Ni、Mo含量低于6.5％下線時，焊縫金屬低溫韌性得不到充分的改善，且屈服強度低于標準要求，Ni、Mo超過上限限定，則焊縫金屬強度增加，低溫韌性惡化，并且焊縫金屬中含Ni量過高增加了熱裂紋的危險。
(7)Cr元素與Ni元素一同加入時能提高淬透性，同時，Cr元素能提高焊縫熱強性。Cr元素可以提高焊縫中針狀鐵素體的含量，降低先共析鐵素體含量，細化鐵素體晶粒，從而提高強度和韌性。Cr雖然有較強的固溶強化作用，但是會使鋼的脆性轉變溫度提高，降低焊接性。因此，本發明中Cr含量控制在0.3-0.9％。
作為優選，所述藥皮成分重量組成為：
焊條藥皮中包括的組分及質量百分比為大理石35％～48％，菱鎂石3％～7％，碳酸鋇2％～6％，螢石16％～26％，金紅石2％～5％，鋯石英2％～5.5％，電解錳3.2％～6.8％，低硅硅鐵7％～12％，鎳粉5.4％～9.6％，鉬鐵2.2％～4.5％，金屬鉻0.3％～0.9％，稀土氧化物0.4％～0.8％。
技術方案是：取本發明藥粉各組分混合均勻，使用鉀鈉混合水玻璃作為粘結劑，加入量為藥皮總重量的18％-26％，攪拌均勻后，采用焊條行業生產專用設備，按規定的焊條外徑均勻涂在焊芯上，經磨削出夾持端和引弧端后，使用焊條烘干爐分低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃三個階段進行烘干，即得到本發明低溫鋼用高強鋼焊條。
預處理：金紅石、鋯英石在經過850℃～950℃高溫烘焙30分鐘。
實施例1
將上述藥粉攪拌混合均勻后，加入39～410Be'模數為3.0的3∶1鉀鈉水玻璃進行攪拌，混合均勻后置于壓涂機內使其包于焊芯上，使用焊條烘干爐分低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃三個階段進行烘干。所得焊條表皮光滑，偏心穩定，藥皮強度好，對所得焊條進行焊接，成形美觀，飛濺小，電弧穩定。
實施例1焊條熔敷金屬在焊態常溫下的力學性能：Rm＝932,Rel＝830,A＝17.0,-60℃沖擊功KV2別為：76J、78J、76J，射線探傷合格。
實施例2
將上述藥粉攪拌混合均勻后，加入39～410Be'模數為3.0的3∶1鉀鈉水玻璃進行攪拌，混合均勻后置于壓涂機內使其包于焊芯上，使用焊條烘干爐分低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃三個階段進行烘干。所得焊條表皮光滑，偏心穩定，藥皮強度好，對所得焊條進行焊接，成形美觀，飛濺小，電弧穩定。
實施例2焊條熔敷金屬在焊態常溫下的力學性能：Rm＝936,Rel＝828,A＝17.5,-60℃沖擊功KV2別為：82J、80J、82J，射線探傷合格。
實施例3
將上述藥粉攪拌混合均勻后，加入39～410Be'模數為3.0的3∶1鉀鈉水玻璃進行攪拌，混合均勻后置于壓涂機內使其包于焊芯上，使用焊條烘干爐分低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃三個階段進行烘干。所得焊條表皮光滑，偏心穩定，藥皮強度好，對所得焊條進行焊接，成形美觀，飛濺小，電弧穩定。
實施例3焊條熔敷金屬在焊態常溫下的力學性能：Rm＝940,Rel＝832,A＝19.5,-60℃沖擊功KV2別為：90J、88J、92J，射線探傷合格。
實施例4
將上述藥粉攪拌混合均勻后，加入39～410Be'模數為3.0的3∶1鉀鈉水玻璃進行攪拌，混合均勻后置于壓涂機內使其包于焊芯上，使用焊條烘干爐分低溫50-90℃、中溫90-150℃、高溫350-400℃三個階段進行烘干。所得焊條表皮光滑，偏心穩定，藥皮強度好，對所得焊條進行焊接，成形美觀，飛濺小，電弧穩定。
實施例4焊條熔敷金屬在焊態常溫下的力學性能：Rm＝960,Rel＝859,A＝16.5,-60℃沖擊功KV2別為：70J、70J、72J，射線探傷合格。
以上所述的實施例僅用于說明本發明的技術思想及特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠理解本發明的內容并據以實施，不能僅以本實施例來限定本發明的專利范圍，即凡本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本發明的專利范圍內。