[发明专利]用于焊接具有高镍含量的钢的药芯焊丝

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于焊接含镍的钢、特别是含9%镍（重量%）的钢的药芯焊丝（flux-cored wire），并且还涉及使用所述药芯焊丝的电弧焊接方法和通过使所述药芯焊丝熔化而获得的焊接接头。

背景技术

含9%的镍的钢通常称为“9%镍钢”，是具有良好的低温韧性特性的材料。实际上，该类型的钢不具有韧性/脆性转变，这使其能在液氮的温度、即-196℃使用。

因此其使用领域是液化天然气（-163℃）的储存，以及用管道输送液化天然气。

更具体而言，这些9%镍管道的可能应用为：

-LNG或液化天然气终端的岸上装载和卸载管线，

-离岸或岸上双层管道（pipe-in-pipe）管线的内管，用于LNG终端的装载或卸载，

-双层管道管线的外管，以及

-用于离岸LNG罐的结构管。

面对全世界不断增长的能量需求，液化天然气的使用日益增加，因此在由9%镍钢制成的罐和输送管的建造方面以及对相关焊接的需求方面提出高要求。

目前，9%镍钢是用基于镍的类型的异构耗材、例如合金625或C276焊接的。

然而，该方案由于耗材的高镍含量而昂贵，并且价格可由于镍价格的波动而变得非常不稳定。

此外，从技术的角度看，此类型合金的高热裂纹敏感性使它们的使用非常复杂。

最后，这些合金的抗拉强度不一定超过基材金属。因此，这样制造的罐的设计则是基于焊接，这是因为组件的最脆弱区域在焊接部位上，而不是在基材金属上。这产生超厚度和因此额外的成本。类似地，对于管而言，使它们能够制造成圆形的膨胀步骤变得不可行，这是因为膨胀步骤将引起焊缝的撕裂。

已执行许多研究以便利用同质填充金属产生焊缝，主要困难在于为焊接金属、也就是为这样获得的焊接接头获得良好的韧性值。

因而，为了在没有热处理的情况下使用同质填充金属获得良好的焊接金属韧性值，文献US-A-4,336,441结合了实芯焊丝，该实芯焊丝使得可以获得焊接金属的低氧含量和交流电通入热焊丝内的TIG法。为了进一步提高韧性值，可执行经由TIG电弧的重熔处理。

此外，文献US-A-3,902,039和US-A-4,336,441还提出了用于气焊的实芯焊丝。

然而，这些实芯焊丝引起GMAW焊接（用于使用实芯焊丝和保护气体进行电弧焊接的气体金属电弧焊接）期间的电弧稳定性和应用灵活性的问题。

实际上，与电离元素增加至药芯焊丝的填料相比，不可能向实芯焊丝增加电离元素导致没有那么宽的可接受的参数范围和没有与使用药芯焊丝相比那么温和的熔化操作。

此外，实芯焊丝的低硅含量，即，在这些文献中局限于以重量计0.15%，引起可能产生密实度缺陷的焊珠润湿问题。

最后，特别是由于局限于0.15%的硅含量，实芯焊丝所提供的少量脱氧剂无法实现焊池的充分脱氧，从而在焊接金属中产生对韧性值无益的高氧含量。

此外，文献EP-A-1900472本身已表明韧性值可由于含9%镍的基本药芯焊丝和焊道（pass）的合适分布（也就是说，通过获得高比例的重结晶区）而提高。然而，在埋弧焊之后不经过热处理获得的韧性值尽管足够但依然较低，即，大约40J，相对于使用异构填充金属的焊接9%镍的当前应用中要求的34J，为用户留下的余地很小。实际上，熔敷金属（也就是说，接头）中的氧含量比较高，通常以重量计约为250ppm，这要求非常精确的焊道分布以使重结晶区（annealed zone）的比例最大化。

这引起焊接操作期间的难度，即，非常严格的焊道分布要求非常严格的对齐、接头监视和参数控制，从而使该过程比较无法容忍。

于是，焊接后热处理成为用于显著提高韧性值的一个可行但昂贵的替代方案。

此外，文献EP-A-1900472中使用的焊丝为基本药芯焊丝，即，含有氟石（即CaF₂）。这种焊丝非常适合该专利中描述的埋弧（SA）焊。焊丝中存在CaF₂会产生渣，也就是焊珠上的氧化物层，这是由于CaF₂中所含的Ca的氧化。

这种渣在TIG焊接、FCAW焊接（药芯电弧焊接）、混合激光/FCAW电弧焊接和等离子焊接中是有问题的。

实际上，TIG法的一个主要优点在于，TIG填料产品正好不会产生渣。不存在渣避免了每个焊道之间的渣去除，这种去除将不利于生产率并且不会被用户接受，这是因为它取消了TIG的一个主要优点。