1.本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于核电安全壳钢焊接的埋弧焊丝及其制备方法。
背景技术：
2.目前电力有着明显的呈低碳、清洁的发展趋势。核能，作为一种安全、高效的清洁能源，是人类应对气候变化的重要能源选择。
3.在未来相当长一段时间内，ap1000、cap1000、cap1400及其后续的cap1700作为大型先进压水堆，将是建设的主要机型。钢制安全壳(cv)是ap1000、cap1400等核电机组独有的、非能动安全系统中的重要设备，是ap1000型核电站反应堆厂房的内层屏蔽结构。钢制安全壳受力复杂、服役温差大、设计寿命长，要求安全壳用焊接材料不仅具有较高的强度，而且具有良好的冲击韧性。随着行业的发展，目前对钢板的强度下限提高到655mpa，与原有的585mpa强度下限相比，强度提高使得原有的焊接材料强度不足或不能稳定满足该技术要求，而强度提升的同时低温韧性要求并未降低，这给焊材研发带来较大的难度，需要技术攻关。
技术实现要素：
4.本发明的目的就是为了提供一种用于核电安全壳钢焊接的埋弧焊丝及其制备方法，使其在焊接过程中有良好的焊接工艺性能(焊接电弧稳定、焊缝成形美观、脱渣性好)，且有匹配的强度和韧性等性能。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明的技术方案之一提供了一种用于核电安全壳钢焊接的埋弧焊丝，包括以下重量百分比的原料组分：c 0.09％～0.15％，mn 1.60％～2.00％，si≤0.15％，s≤0.010％，p与as总量≤0.010％，mo 0.35％～0.55％，ni 0.90％～1.20％，cu≤0.20％，其余为铁以及不可避免的杂质。
7.进一步的，该埋弧焊丝包括以下重量百分比的原料组分：c 0.12％，mn 1.61％，si 0.03％，s 0.003％，p+as 0.006％，mo 0.45％，ni：1.17％，cu 0.04％，其余为铁以及不可避免的杂质。
8.进一步的，该埋弧焊丝包括以下重量百分比的原料组分：c 0.10％，mn 1.78％，si 0.06％，s 0.004％，p与as总量0.005％，mo 0.47％，ni 1.19％，cu 0.07％，其余为铁以及不可避免的杂质。
9.进一步的，该埋弧焊丝包括以下重量百分比的原料组分：c 0.12％，mn 2.00％，si 0.07％，s 0.003％，p与as总量0.004％，mo 0.42％，ni 1.03％，cu 0.05％，其余为铁以及不可避免的杂质。
10.进一步的，该埋弧焊丝还包含有以下重量含量的原料组分：o≤80ppm，n≤80ppm。
11.更进一步的，组分o的含量为18～30ppm。
12.更进一步的，组分n的含量为38～50ppm。
13.本发明的技术方案之二提供了一种用于核电安全壳钢焊接的埋弧焊丝的制备方法，包括以下工序：根据原料设计百分比称取各原料组分
→
电炉冶炼
→
模铸
→
钢锭轧成钢坯
→
轧制、减径成钢卷
→
退火
→
酸洗
→
粗拉丝
→
精拉丝
→
清洗
→
镀铜
→
盘绕
→
包装。
14.本发明的埋弧焊丝中，各原料组分的作用及设计原理如下：
15.c：属于扩大γ区元素，起固溶强化的作用。焊态时，焊缝的屈服强度和抗拉强度均随含c量的增加而提高，经消除应力处理后其值均有下降；焊态和消除应力状态下焊缝的夏比v型缺口冲击韧性均随着含碳量的增加而减小。含c量为0.05％～0.10％焊缝在焊态和消除应力状态均可得到良好的强度与韧性匹配，对于低温要求高韧性的结构，其焊缝含c量应选在0.05％～0.08％范围内。埋弧焊接时，焊丝中c的过渡系数约为0.50～0.60。
16.综合以上性能分析，拟将焊丝中c含量控制在0.09％～0.15％。
17.mn：属于扩大γ区元素。mn在低合金钢熔敷金属中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在，在提高铁素体强度的同时还可改善韧性。随着熔敷金属中mn含量的增加，先共析铁素体的数量明显减少，针状铁素体的数量显著增加，侧板条铁素体的数量稍有下降。
18.考虑mn、ni及mn/si比对熔敷金属强度和韧性的影响，将焊缝中mn含量控制在1.40％～1.85％，结合埋弧焊时mn的过渡系数约为0.88～0.92，拟将焊丝中的mn控制在1.60％～2.00％，将熔敷金属中mn/si比控制在4～8。
19.si：属于扩大α区元素。si在低合金钢焊缝中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在，提高铁素体的强度。过多的si含量将形成金属间化合物，降低熔敷金属的冲击韧性。
20.考虑到mn/si对熔敷金属冲击韧性的影响，在满足熔敷金属强度的前提下将焊缝中si含量控制在0.50％以内。埋弧焊时，由于焊剂中si的影响，焊缝中si含量相对于焊丝将增加0.25％～0.35％，故将焊丝中si控制在0.15％以内。
21.s：熔敷金属中的有害杂质，以fes形式存在时最为有害。因为它与铁在液态时可无限互溶，而在固态铁中溶解量很少。因此在凝固时fes析出，以低熔点共晶薄膜的形式分布于晶界，形成结晶裂纹，同时降低熔敷金属的冲击韧性。所以熔敷金属中的s含量越少越好。考虑成本等因素，将焊缝中s含量控制在0.015％以内。由于焊剂的影响，焊缝中s含量相对于焊丝将增加0.004％左右，故将焊丝中s含量控制在0.010％以内。
22.p：在绝大多数低合金钢熔敷金属中是有害杂质。以fe2p、fe3p的形式存在，它们与fe、ni形成低熔点共晶分布于晶界，由于它们本身硬而脆，在降低熔敷金属冲击韧性的同时使熔敷金属脆性转变温度也升高。所以熔敷金属中的p含量越少越好。as的作用类似于p，考虑成本等因素，焊缝中的p+as控制在0.020％以内。由于焊剂的影响，焊缝中p+as含量相对于焊丝将增加0.008％左右，故将焊丝中p+as控制在0.010％以内。
23.mo：属于扩大α区元素，一般起析出强化作用。过量的mo将损害熔敷金属的韧性，在满足熔敷金属高温强度的前提下将焊缝中mo含量控制在0.30～0.50％的范围内，埋弧焊时mo的过渡系数约为0.91～0.95，故将焊丝中mo含量控制在0.35％～0.55％范围内。
24.ni：属于扩大γ区元素，一般起固溶强化作用。适量的ni可以提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成，有利于改善熔敷金属抗冷裂性能和提高低温冲击韧性。消除应力处理时，mn、ni匹配时对焊缝的韧性几乎没有影响，但在mn、ni含量不匹配时产生严重脆化。考虑mn的含量，将焊缝中ni含量控制在0.80％～1.20％，埋弧焊时ni的过渡系数约为
0.92～0.98，故将焊丝中ni含量控制在0.90％～1.20％。
25.cu：制造焊丝过程中，为了提高焊丝的导电性与抗锈能力，在焊丝表面进行镀铜。另外，在冶炼过程中，不可避免的也会存在一定量的铜。焊丝中铜含量过高，会影响熔敷金属的韧性，故将焊丝中cu含量控制在0.20％以内。
26.o：当焊缝中o含量过低时，韧性降低；当含o量适当时期韧性最高，当含o量过高时韧性再次降低。考虑焊剂对焊缝o含量的影响，为了获得强度和韧性的匹配，将焊丝中o含量控制在80ppm以内。
27.n：随着焊缝中含n量的增加，熔敷金属的强度均稍有增高，但会降低冲击韧性。为了获得较高的韧性，将n含量控制在较低范围内。考虑成本等实际情况，将焊丝中n含量控制在80ppm以内。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
29.以下各实施例中，所用的焊剂制备工艺(按重量百分比)：将镁砂30％、萤石28％、铝矾土32％、电解锰3％、硅铁3％、硅灰石4％等原材料置于混合器内，搅拌混合均匀；加入上述粉料总质量18％的1:1钾钠水玻璃(模数2.6，浓度约为50
°
be)混合造粒；150℃低温烘焙3h～4h，800℃高温烘焙1.5h～2h；筛分，即完成。
30.其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
31.实施例1：
32.本实施例提供一种用于核电安全壳钢焊接的埋弧焊丝，成品焊丝化学成分：c：0.12％，mn：1.61％，si：0.03％，s：0.003％，p+as：0.006％，mo：0.45％，ni：1.17％，cu：0.04％，o：18ppm，n：40ppm，其余为fe及不可避免的杂质。
33.将所得焊丝采用焊剂、直流反接进行焊接试验，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、脱渣性好。熔敷金属化学成分为：c：0.065％，mn：1.45％，si：0.29％，s：0.006％，p+as：0.015％，mo：0.41％，ni：1.09％，cu：0.05％，其余为fe及不可避免的杂质。熔敷金属力学性能：焊态时，抗拉强度rm为698mpa、屈服强度re为579mpa，伸长率a5为25.0％，断面收缩率z为70％，-45℃冲击韧性kv2为157j、168j、177j；热处理态(610℃
×
10h)：抗拉强度rm为661mpa、屈服强度re为565mpa，伸长率a5为26.0％，断面收缩率z为76％，-45℃冲击韧性kv2为138j、140j、125j。
34.实施例2：
35.焊丝制备方法与实施例1相同。成品焊丝化学成分：c，0.10％，mn：1.78％，si：0.06％，s：0.004％，p+as：0.005％，mo：0.47％，ni：1.19％，cu：0.07％，o：25ppm，n：38ppm，其余为fe及不可避免的杂质。
36.将所得焊丝采用自制焊剂、直流反接进行焊接试验，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、脱渣性好。将所得焊丝进行焊接试验，熔敷金属化学成分为：c：0.063％，mn：1.60％，si：0.38％，s：0.009％，p+as：0.0015％，mo：0.42％，ni：1.14％，cu：0.08％，其余为fe及不
可避免的杂质。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度rm为723mpa、屈服强度re为644mpa，伸长率a5为23.0％，断面收缩率z为68％，-45℃冲击韧性kv2为192j、185j、180j；热处理态(610℃
×
10h)：抗拉强度rm为676mpa、屈服强度re为602mpa，伸长率a5为27.0％，断面收缩率z为72％，-45℃冲击韧性kv2为109j、115j、107j。
37.实施例3：
38.焊丝制备方法与实施例1相同。成品焊丝化学成分：c，0.12％，mn：2.00％，si：0.07％，s：0.003％，p+as：0.004％，mo：0.42％，ni：1.03％，cu：0.05％，o：30ppm，n：50ppm，其余为fe及不可避免的杂质。
39.将所得焊丝采用自制焊剂、直流反接进行焊接试验，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、脱渣性好。将所得焊丝进行焊接试验，熔敷金属化学成分为：c：0.067％，mn：1.81％，si：0.38％，s：0.009％，p+as：0.0011％，mo：0.38％，ni：0.98％，cu：0.05％，其余为fe及不可避免的杂质。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度rm为788mpa、屈服强度re为677mpa，伸长率a5为22.5％，断面收缩率z为65％，-45℃冲击韧性kv2为118j、125j、143j；热处理态(610℃
×
10h)：抗拉强度rm为758mpa、屈服强度re为643mpa，伸长率a5为23.0％，断面收缩率z为69％，-45℃冲击韧性kv2为89j、95j、102j。
40.对比例1：
41.与实施例1相比，调整mn、si的含量，焊丝中mn为1.80％，si为0.30％，其他绝大部分元素含量都相同。使得熔敷金属中mn含量为1.60％，si含量为0.58％，mn/si比约为2.76。熔敷金属力学性能：焊态时，抗拉强度rm为803mpa、屈服强度re为689mpa，伸长率a5为21.0％，断面收缩率z为63％，-45℃冲击韧性kv2为146j、137j、120j；热处理态(610℃
×
10h)：抗拉强度rm为784mpa、屈服强度re为714mpa，伸长率a5为19.5％，断面收缩率z为57％，-45℃冲击韧性kv2为20j、26j、28j。由此可以看出，熔敷金属中mn/si比控制不当，造成焊态时抗拉强度偏高，大于795mpa，热处理态时-45℃冲击韧性小于54j，总体性能较差。
42.对比例2：
43.与实施例1相比，调整mo的含量，焊丝中mo为0.24％，其他绝大部分元素含量都相同。使得熔敷金属中mo含量为0.22％。熔敷金属力学性能：焊态时，抗拉强度rm为631mpa、屈服强度re为523mpa，伸长率a5为21.5％，断面收缩率z为62％，-45℃冲击韧性kv2为183j、104j、156j；热处理态(610℃
×
10h)：抗拉强度rm为588mpa、屈服强度re为503mpa，伸长率a5为27.0％，断面收缩率z为75％，-45℃冲击韧性kv2为123j、159j、162j。由此可以看出，焊丝中mo含量控制不当，造成焊态、热处理态抗拉强度和屈服强度均偏低，分别低于655mpa和530mpa，总体性能较差。
44.实施例4：
45.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了各原料组分的配比调整如下：
46.c：0.09％，mn：2.00％，si：0.15％，s：0.010％，p+as 0.010％，mo：0.35％，ni：1.20％，cu：0.10％，o 80ppm，n 80ppm。
47.实施例5：
48.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了各原料组分的配比调整如下：
49.c：0.15％，mn：1.60％，si：0.08％，s：0.005％，p+as 0.006％，mo：0.55％，ni：0.90％，cu：0.04％，o：60ppm，n：60ppm。
50.实施例6：
51.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了各原料组分的配比调整如下：
52.c：0.10％，mn：1.80％，si：0.10％，s：0.003％，p+as 0.004％，mo：0.45％，ni：1.10％，cu：0.06％，o：40ppm，n：40ppm。
53.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。