技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 更具体而言，这些9%镍管道的可能应用为：
[0005] -LNG或液化天然气终端的岸上装载和卸载管线，
[0006] -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，[0007] -双层管道管线的外管，以及
[0008] -用于离岸LNG罐的结构管。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 关于FCAW工艺，向填料添加CaF2产生“基本”药芯焊丝。该焊丝具有在焊珠上产生渣的特性，所述渣一般而言比较难以去除，这是因为渣很薄并且碎裂成小
块。此外，添加CaF2还产生熔滴过渡的改变，即，与不含CaF2的药芯焊丝相比，飞溅量增加并且使用范围缩小。
[0028] 此外，药芯焊丝情形下的一个主要难点在于确保焊接金属（即，焊缝）中的氧含量足够低，以便不会产生通过熔化所述药芯焊丝获得的焊接接头的脆性等。
[0029] 因此，要解决的问题是提供一种改进的焊丝，该焊丝不具备前述缺点并且可以有效地焊接镍钢，特别是9%镍钢，同时在焊接金属区中提供良好的韧性特性，该焊丝不仅能用于SA焊接法中，而且重要的是能用于TIG、药芯（FCAW）和甚至混合药芯电弧/激光或等离子电弧焊接法，即，一种不会产生在各个焊道之间必须去除的渣的焊丝。
发明内容
[0030] 本发明的方案涉及一种药芯焊丝，该药芯焊丝包括由C-Mn钢制成的外皮和填充焊剂，所述焊剂含有以重量计至少95%的
金属粉末和/或聚结物（agglomerate），所述焊剂代表焊丝总重量的8%至25%，该药芯焊丝包含相对于焊丝总重量的8%至17%的Ni，0.05%至0.35%的Si，0.3%至0.85%的Mn，0.001%至0.055%的C，小于450ppm的氧，小于0.5%的氟，以及
铁，并且完全没有CaF2。
[0031] 含有金属粉末并且不含CaF2的药芯焊丝的使用对于在TIG、FCAW、混合激光/FCAW电弧或等离子焊接中的应用具备不可否认的优点。
[0032] 由于药芯焊丝的填料的可能的调整使得能够精细地优化硅含量和其它脱氧剂元素如C和Mn的含量，以便获得焊接金属（即，接头）中的有效脱氧和因此低的氧含量。
[0033] 此外，有必要确保该焊丝含有相对于焊丝总重量以重量计小于0.5%、优选小于0.1%的氟含量，这是因为这种情形中的氟并非用于渣的形成，而仅仅作为用于提供例如LiF或NaF形式的电离元素的载体。另一方面，如上所述，重要的是焊丝不包含CaF2以避免渣（也就是焊珠上的氧化物层）的形成。
[0034] 由此可见，根据本发明的药芯焊丝因此是一种含有金属粉末的药芯焊丝，也称为金属芯焊丝，也就是具有填料的焊丝，所述填料主要由形式为粉末或颗粒物或聚结物的金属元素形成，也就是说，含有以重量计至少95%的焊剂。
[0035] 视情况而定，本发明的药芯焊丝可包括以下任选特征中的一个或多个：
[0036] -填充焊剂相对于焊丝的总重量以重量计在10%与18%之间；
[0037] –所述药芯焊丝包含至少一种选自
碱金属的电离元素；
[0038] –所述药芯焊丝还包含至少一种选自Li、Na、K和Cs的电离元素，优选其形式为一种或多种氟化物和/或
碳酸盐；
[0039] -所述药芯焊丝包含由外皮（条带）和/或焊剂提供的相对于焊丝的总重量以重量计9%至16%的Ni，0.1%至0.25%的Si，0.4%至0.65%的Mn，0.005%至0.035%的C，和/或小于400ppm的氧；
[0040] -所述药芯焊丝包含由外皮和/或焊剂提供的相对于焊丝的总重量以重量计小于0.1%的元素P、S、Ti、Al、Nb、V、B、W、CO、Cr、Zr、Ba；
[0041] -所述药芯焊丝还包含以金属粉末或铁合金形式提供的至少一种
合金元素；
[0042] -所述药芯焊丝还包含用于其余成分的铁，也就是通常以重量计约83%至90%的铁；
[0043] -焊剂中含有元素Ni；
[0044] -焊剂中和/或外皮或条带中含有元素Si；
[0045] -外皮含有0.001%至0.070%的C和/或0.01%至0.8%的Mn；
[0046] -外皮和/或焊剂含有Mn，优选地外皮含有高达0.25%的Mn；
[0047] -所述药芯焊丝含有小于80ppm的氮；
[0048] -所述药芯焊丝通常含有100-390ppm的氧；
[0049] -所述药芯焊丝含有小于380ppm的氧；
[0050] -所述药芯焊丝含有以重量计小于0.4%的氟，优选以重量计小于0.3%的氟；
[0051] -所述药芯焊丝含有以重量计小于0.2%的氟，优选以重量计小于0.1%的氟；
[0052] -所述药芯焊丝含有一种或多种钠或锂氟化物；
[0053] -所述药芯焊丝不含有CaF2形式的氟；
[0054] -焊剂含有以重量计至少98%、优选以重量计至少99%的金属粉末；
[0055] -所述药芯焊丝为条带状或管状类型；
[0056] -所述药芯焊丝为含有金属粉末的条带类型，并由填充有干焊剂的条带形成，所述干焊剂由以重量计至少99%的金属粉末组成，所述粉末填充的条带然后在其全部长度上被焊接，然后受到
拉拔和/或
轧制操作以便减小其直径；
[0057] -所述药芯焊丝为含有金属粉末的管状类型，并由填充有聚结焊剂的管形成，所述聚结焊剂由至少95%的金属粉末组成。该管在填充之前在其全部长度上被焊接，并直到此时才被填充；
[0058] -该焊剂含有相对于焊剂的总重量以重量计40%与100%之间的Ni，优选45%至90%的Ni；0～4.5%的Si，优选0～3%的Si；0～10%的Mn，优选0～8%的Mn；0～0.7%的C，优选0～0.4%的C；小于0.2%的氧，优选小于0.12%的氧；小于0.07%的氮；任选的铁；不存在或基本不存在氟；不存在CaF2；以及任选的有利于电离的元素，诸如碱金属，例如钠、锂或
钾。
[0059] 本发明还涉及一种选自TIG、FCAW、等离子或混合激光/FCAW电弧焊接方法的焊接方法，其中，使根据本发明的药芯焊丝熔化以便在含镍比例以重量计在5%与20%之间的一个或多个钢部件上产生焊接接头。
[0060] 视情况而定，本发明的焊接方法可包括以下特征中的一个或多个：
[0061] -利用由选自氧气、CO2及其混合物的氧化气体形成的气体保护，
[0062] -利用由具有至多等于3%的CO2、优选小于2%的CO2的氧化效
力的氧化气体形成的气体保护，
[0063] -在若干连续的焊道（即，多焊道焊接）、优选3-200个连续焊道中执行焊接，[0064] -通过使药芯焊丝熔化而在至少一个钢部件上产生焊接接头，所述接头含有铁，相对于接头的重量的8%至17%的Ni，0.05%至0.3%的Si，0.3%至0.8%的Mn，0.001%至0.05%的C和小于150ppm的氧，小于80ppm的氮，0.002%至0.010%的P，0.002%至0.010%的S，0.002%至0.012%的Ti和0.005%至0.018%的Al。优选地，产生一种焊接接头，其另外含有相对于接头重量的9%至16%的Ni，0.1%至0.2%的Si，0.4%至0.7%的Mn，0.01%至0.03%的C和小于100ppm的氧以及主要的铁。该焊接接头还可含有比例为以重量计小于0.1%的钡、锆、铬和/或锂或其它碱金属、铌、
钒、
硼、钨或钴，这些元素可以呈金属形式、氧化物形式和/或包括这些元素中的一个或多个的复合物形式，
[0065] -产生焊接接头以便装配两个钢部件，例如片材或管子，其含有比例为以重量计在5%与20%之间的镍，通常约9%的镍。
[0066] 换言之，本发明涉及一种药芯焊丝，特别地，该药芯焊丝中的氧和某些其它特定化合物如Ni、F和CaF2的比例被精确地控制，以便在焊接金属区中获得良好的韧性特性，并且涉及该药芯焊丝在焊接镍钢、通常以重量计含有9%的镍的镍钢中的应用。
[0067] 该药芯焊丝可用于产生氧化作用不是很大的气氛的电弧焊接方法中，优选TIG、等离子或MAG电弧焊接，或混合激光/FCAW电弧焊接方法，其具有少量氧化气体，也就是说，含有以体积计最多3%、优选以体积计小于2%的CO2或O2类型的气体，通常以体积计最多1.5%的O2，或者O2/CO2混合物，其O2和CO2含量控制成使得O2/CO2混合物的氧化能力不超过3%的CO2的氧化能力，保护气体的其余部分由惰性气体例如氩气或氦气组成，任选地利用脉冲操作以使电弧稳定。
[0068] 此外，焊道的合适分布使得可以优化韧性值。更具体地，期望使重结晶区（一个焊道被下一焊道再加热的区）最大化，这是因为这样获得的微结构对韧性值更有利。
[0069] 一般而言，根据本发明的药芯焊丝用于电弧焊接方法提供了更大的灵活性，例如更大的应用领域，其原因在于增加了有利于熔化的电离元素、存在更少飞溅和增加的淀积速率。
具体实施方式
[0070] 示例1
[0071] 示例1显示了使用常规“金属芯”类型的药芯焊丝（如文献EP-A-1900472中所述的基本药芯焊丝）以及作为对比使用根据本发明的药芯焊丝1在没有稀释情况下在焊接金属中获得的结果；所测试的焊丝具有相同直径，即1.2mm，和大约17%的填充率。
[0072] 用于示例1至3中的焊丝的化学组分在表1中给出。
[0073] 表1
[0074]
[0075] (*):占焊丝的重量百分比
[0076] 根据由ICP：等离子焊炬
光谱和用于元素C和S的LECO执行的粉末分析和由火花光谱和用于元素C和S的LECO执行的条带分析来计算这些组分，本身在焊丝上测量的氧和氮除外。
[0077] 更具体地，火花光谱在文献W.Grimm,Spectrochemica Acta23B,p.443(1968)中有所描述。
[0078] 此外，通过在样品熔化之后对CO和CO2的分析来执行氧和氮的元素分析，如标准ASTM E1019-08：用于通过各种燃烧和融合技术确定钢、铁、镍和钴合金中的碳、硫、氮和氧的标准试验方法中所述。ASTM E1019-08还描述了一种用于分析C和S的方法。
[0079] 最 后， 在 R.H.Wendt 和 V.A.Fassel,Induction Coupled plasma source spectrometric excitation,Anal.Chem.(USA)37,p.920(1965)中描述了ICP分析。
[0080] 在9%镍类型的基材金属上在没有稀释情况下执行焊接金属的淀积，所述基材金属的组分在表2中给出。对于除了元素O和N以外的所有元素通过火花光谱予以确定，元素的比例通过上述方法测量。
[0081] 表2
[0082]
[0083] 对于传统药芯焊丝和根据本发明的药芯焊丝1，通过以下方式执行焊接。焊接接头在60个焊道中产生，以便在不稀释的情况下位于V形凹槽中，该凹槽具有约60°的总角度，间隙为4mm且厚度为12.7mm。通过具有12kJ/cm的焊接能量的等离子电弧焊接工艺来执行焊接。所使用的焊接气体是流量为1l/min的氩气（等离子气体）以及流量为25l/min的氩气和以体积计为70%的氦气的混合物（环形气体）。焊道间温度为150℃。所使用的发
电机由AIR LIQUIDE WELDING公司以名称NERTAMATIC 450AC/DC售卖，焊炬为AIR LIQUIDE WELDING售卖的SP7型焊炬。
[0084] 冷却系统为FRIOGET30，给料系统为VARISAF20，焊接发电机为Starmatic1003AC/DC，并且焊接设备为SUBARC5类型；这些设备部件由AIR LIQUIDE WELDING公司售卖。
[0085] 此外，对于根据EP1900472的药芯焊丝，采用以下方式执行焊接。在不稀释的情况下产生熔敷金属。通过具有17kJ/cm的焊接能量的埋弧焊接工艺来执行焊接。保护焊剂为根据EN760的SA FB型基本焊剂，即，由AIR LIQUIDE WELDING售卖的OP76焊丝。
[0086] 焊接发电机为Starmatic1003AC/DC，并且焊接设备为AIR LIQUIDE WELDING公司售卖的Subarc5类型。
[0087] 所获得结果记录于表3中。
[0088] 表3
[0089]
[0090] (*):占熔敷金属的重量%
[0091] 如在表3中可见的，对于根据本发明的药芯焊丝（这里为药芯焊丝1的一个示例），焊接金属的氧含量（在不稀释的情况下）为传统标准药芯焊丝的1/4以下，并且为根据EP1900472的药芯焊丝的1/6以下。
[0092] 示例2
[0093] 示例2旨在表明本发明的药芯焊丝在它们用于产生氧化作用不是很大的气氛的各种焊接方法时可以实现良好的韧性和可
焊接性特性。
[0094] 待焊接的接头为X形凹槽类型，并且第一焊道通过混合激光-电弧焊接使用填充金属并利用8.5kJ/cm的焊接能量执行。填充金属为与随后用于填充凹槽的药芯焊丝相同的药芯焊丝。使用如表4中所示的MAG或等离子焊接方法执行药芯焊丝的填充和融合。执行氩气的背面保护并打磨凹槽的边缘。焊道间温度小于150℃。用于等离子焊接的设备与示例1中相同。使用来自AIR LIQUIDE WELDING公司的Digi@wave500发电机和PROMIG NG441w焊炬执行MAG焊接。还通过对比的方式测试传统药芯焊丝（未在氧方面进行优化的焊丝）。事实上，所使用的药芯焊丝和基材金属与在表1和2中给出的那些相同。
[0095] 表4
[0096]
[0097]
[0098] 从表4可以观察到，仅本发明的药芯焊丝在韧性方面可以达到满意的结果，即，在-196℃至少41J的韧性值，即，是使用传统焊丝获得的韧性值（19J）的至少2倍。
[0099] 此外，MAG方法获得的融合良好，也就是说均匀和柔和，具有很少的飞溅，其原因在于可被引入药芯焊丝的构成焊剂中的电离元素（Na、Li、K等）。
[0100] 同样，在等离子焊接中，操作性能良好。能借助于药芯焊丝的填料调节化学性质的事实使得可以如在MAG焊接中一样，在等离子焊接中获得良好的淀积特性，特别是
润湿角。
[0101] 应该指出的是，这种可焊接性可以借助于脉冲机制的使用进一步提高。该机制还能实现氧化作用甚至更小的气体（例如0.5%的CO2）的使用，这是因为融合的稳定此时借助于脉冲发生。
[0102] 在该示例2中，焊道分布还没有进行优化。事实上，通过结合药芯焊丝的低氧比例和重结晶区的最大化，可获得高得多的韧性值，如示例3中所示。
[0103] 示例3
[0104] 示例3示出通过利用本发明的药芯焊丝和焊道的有利分布如何能在焊接金属区中获得优良的韧性值，也就是在-196℃至少100J的韧性值。
[0105] 该接头为X形凹槽类型，其中第一焊道通过在脉冲模式下不使用填充金属的等离子焊接形成。表5提供了该第一焊道的参数。
[0106] 所使用的焊接气体为氩气（等离子气体）以及氩气+以体积计70%的氦气的混合物（环形气体）。
[0107] 氩气用于背面保护。
[0108] 表5
[0109]
[0110] 打磨凹槽的边缘。焊道间温度小于150℃。使用双焊剂TIG方法执行填充。所使用的焊接气体为氩气（等离子气体）以及氩气+以体积计70%的氦气的混合物（环形气体）。参数在表6中给出。
[0111] 表6
[0112]
[0113] 与前面一样，所使用的发电机为Nertamatic450类型，并且焊炬为SP7类型。
[0114] 根据本发明的药芯焊丝和基材金属与前面的示例中相同。结果在表7中给出。
[0115] 表7
[0116]
[0117] 左边前两列示出可以借助本发明的药芯焊丝和焊道的有利分布所获得的。
[0118] 如
现有技术中所提及的，重结晶区，也就是受随后的焊道n+x中的一个再次热影响的焊道n的部分（其中x介于1与焊道总数-n之间），在性质上比未受影响的区域（也就是未被焊道n+x再次热影响的焊道的部分）更坚韧。实际上，所获得的微结构是不同的，并具有为其提供比在未受影响区域内获得的坚韧特性更好的坚韧特性的形貌特征。
[0119] 因此，这种情况下的目标是优化焊道的分布以使重结晶区在韧性等级（toughness notch）的轴线上的比例最大化。该分布可通过常规测试容易地确定。该分布以及焊道的总
