CN102581512A - 一种镍基焊缝点状缺陷控制方法 - Google Patents

一种镍基焊缝点状缺陷控制方法 Download PDF

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本发明属于焊接技术领域，具体为一种镍基焊缝点状缺陷控制方法，使用该方法可控制镍基焊缝无点状缺陷，以及获得满足力学性能设计要求的焊缝熔敷金属。通过控制焊接材料中微合金添加元素及杂质元素的含量，按重量百分比计，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Nb：0.50-1.0％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，控制焊接点状缺陷的形成。该方法适用于Inconel690合金的焊接，获得无点状缺陷的镍基焊缝。焊缝熔敷金属的性能如下：室温屈服强度σ0.2≥240MPa，抗拉强度σb≥550MPa，延伸率A％≥30％，焊缝熔敷金属室温冲击功Akv≥70J。本发明针对镍基Inconel690合金在焊接过程中焊缝中常出现点状缺陷，通过控制焊接材料中微合金添加元素和杂质元素，从而控制焊丝微合金添加元素Al、Ti、Nb和杂质元素的含量，可提高焊接效率和材料的利用率。

Description

一种镍基焊缝点状缺陷控制方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体为一种镍基焊缝点状缺陷控制方法，使用该方法可控制镍基焊缝无点状缺陷，以及获得满足力学性能设计要求的焊缝熔敷金属。该方法适用于Inconel690合金的焊接。
背景技术
镍基Inconel690合金母材对应的焊接材料合金元素众多，国外各大公司提供的同一牌号的焊接材料微合金元素差异很大，现场焊接中，液态焊缝金属流动性差，熔深浅，焊接时常产生点状缺陷，目前还未见镍基焊缝点状缺陷控制方面的报道。
为优化镍基合金母材的力学性能，在合金中添加微合金元素Al、Ti以改善合金的力学性能，随着Al、Ti含量的增加，合金的强度提高，这是由于随着Al、Ti含量的增加合金析出γ’相的量随之增加的结果。
在镍基焊缝中，Al、Ti的主要作用是脱氧和强化焊缝。在焊接过程中合金元素与氧的亲和力越强，焊接过程中的该元素的氧化损失比例越大，过渡系数越小，而Al、Ti对氧的亲和力较强，Al、Ti在焊接过程中烧损形成的氧化物残留在近焊缝表面，致使镍基焊接材料在焊接过程中容易在焊缝中形成点状缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍基焊缝点状缺陷控制方法，针对镍基Inconel690合金在焊接过程中焊缝中常出现点状缺陷，通过控制焊接材料中微合金添加元素和杂质元素，从而控制焊丝微合金添加元素Al、Ti、Nb和杂质元素的含量，可提高焊接效率和材料的利用率。
为实现本发明目的，本发明的技术方案为：
一种镍基焊缝点状缺陷控制方法，该方法适用于Inconel690合金(主元素含量，重量比％，Fe：7-11％，Cr：28-31.5％，Ni为余量)的焊接。具体通过控制焊接材料中微合金添加元素和杂质元素的含量，按重量百分比计，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Nb：0.50-1.0％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，控制焊接点状缺陷的形成，其他合金元素按标准要求控制即可。最终获得无点状缺陷的焊缝，以及得到符合标准要求的焊缝。
本发明中，按重量百分比计，焊接材料镍基合金焊丝的化学成分如下：
Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，C＜0.04％，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Mn：＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Si＜0.5％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，Ni为余量。
优选地，0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％。
本发明中，按重量百分比计，最终焊缝熔敷金属的化学成分如下：
Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，C＜0.04％，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Mn：＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Si＜0.5％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，Ni为余量。优选，0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％。
优选地，0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％，焊缝中Al+Ti的烧损量≤0.06％，焊缝熔敷金属表面氧化物主要为CaO、TiO2、Al2O3的复合氧化物，焊缝无点状缺陷。
本发明中，焊缝熔敷金属的性能如下：
室温屈服强度σ0.2≥240Mpa，抗拉强度σb≥550Mpa，延伸率A％≥30％，焊缝熔敷金属室温冲击功Akv≥70J。
本发明的原理如下：
在镍基合金焊缝中，Al、Ti的作用为脱氧和强化焊缝。合金元素与氧的亲和力越强，焊接过程中的元素的氧化损失比例越大，过渡系数小。同时，在焊接过程中Al、Ti形成的氧化物残留在近焊缝表面，容易形成点状缺陷。而Nb在镍基合金中既是固溶强化元素，又是时效强化元素，在焊缝中能提高原子间结合力，稳定焊缝、增强焊缝金属耐晶间腐蚀。同时Nb与氧的结合能力比Al、Ti弱，不易在焊接过程中形成氧化物。通过降低焊缝中Al、Ti含量，使Al、Ti起主要起脱氧作用，通过添加Nb，使Nb在焊缝中起强韧化作用。从而得到无点状缺陷，焊缝熔敷金属符合要求的焊缝。
本发明所具有以下优点：
1、本发明从控制焊接材料中的微合金添加元素及杂质元素出发，通过改变Al、Ti、Nb含量，来控制焊缝点状缺陷的形成，能够获得无点状缺陷的焊缝。
2、本发明所有采用点状缺陷控制方法能实现工业化应用。
3、本发明焊缝能够实现焊缝的微合金化，得到符合要求的焊缝。
附图说明：
图1为比较例4焊缝表面X射线分析。
图2为比较例1焊缝表面X射线分析。
图3为点状缺陷渗透探伤结果。
图4为打磨后点状缺陷渗透探伤结果。
图5为点状缺陷放大图。
图6为点状缺陷放大图。
图7为点状缺陷电子探针元素分析。其中，(a)图为背散射图；(b)图为Ca元素分布图；(c)图为Al元素分布图；(d)图为Ti元素分布图；(e)图为Mg元素分布图；(f)图为O元素分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和比较例(表1)对本发明作进一步的详细说明，但不够成对本发明的任何限制。
本发明中，焊丝可采用真空感应炉冶炼生产，亦可采用电炉加炉外精炼方法冶炼生产，只要焊丝最终的化学成分能满足以上发明内容的要求即可。
表1实施例和比较例镍基合金焊丝的基本化学成分(重量比％)：
 编号   Nb   Ti   Al  Mg  Ca   C   Si   Mn   Fe   Cr   Ni
 实施例1   0.81   0.34   0.19  ＜0.005  ＜0.005   0.031   0.11   0.70   8.85   29.93   余量
 实施例2   0.78   0.33   0.28  ＜0.005  ＜0.005   0.032   0.11   0.71   8.90   30.03   余量
 比较例1   ＜0.02   0.30   0.14  ＜0.005  ＜0.005   0.026   0.11   0.71   8.88   29.91   余量
 比较例2   0.80   0.70   0.64  ＜0.005  ＜0.005   0.031   0.11   0.83   8.76   29.63   余量
 比较例3   ＜0.02   0.67   0.64  ＜0.005  ＜0.005   0.034   0.13   0.81   8.80   29.51   余量
 比较例4   ＜0.02   0.92   0.42  ＜0.005  ＜0.005   0.029   0.12   0.70   8.83   29.49   余量
表2以上实施例和比较例试验条件
Figure BDA0000140919990000041
所有比较例和实施例均采用表2的焊接工艺试验条件，焊接完成后分别在比较例2、3、4中发现了如图3所示的点状缺陷，在比较例4焊接完成的试件上打磨后发现如图4所示的点状缺陷。将点状缺陷放大如图5、6所示，缺陷由1-2um的小颗粒物质聚集而成，对点状缺陷进行电子探针元素分析发现，在此处存在着Al、Ti、Mg、Ca、O的偏聚，如图7。这种点状缺陷常存在于焊缝的表面或近焊缝表面，经过打磨能够消除这种点状缺陷，但需补焊，焊接效率降低。
以下将分析焊丝中各个合金元素的作用以及使用这些元素处于成分控制范围内的原因。
Ca、Mg与氧的结合能力非常强，形成的CaO和MgO容易和焊接过程中的脱氧产物Al2O3和TiO2聚集长大形成夹杂物残留在焊缝中形成上述的点状缺陷，缺陷主要是Ca、Mg、Al、Ti的氧化物聚集长大而形成的。因此必须将Ca、Mg控制在极低的范围以下。但在常规的合金冶炼过程中多数使用氧化钙基或镁铝尖晶石的坩埚，在冶炼过程中坩埚中的Mg、Ca容易进入到合金中，不易控制，同时在镍基合金的冶炼过程中还使用Ni-Mg合金作为脱氧剂，在合金中引入了杂质元素Mg。因此，需控制Mg＜0.005％、Ca＜0.005％。
Al、Ti在镍基合金母材中的主要作用为改善合金性能提高合金的强度。而在镍基焊缝中Al、Ti的主要作用是脱氧和强化焊缝。合金元素与氧的亲和力越强，焊接过程中的该元素的氧化烧损比例越大，过渡系数越小，Al、Ti对氧亲和力较强，在焊接过程中存在烧损。从表1、3、4可以看出使用同一个焊接工艺焊接时，随着焊丝中Al、Ti含量的增加，焊接过程中Al、Ti的烧损量也增加，而焊缝中氧含量却一直保持在一个较低值。Al、Ti的烧损量增加，焊缝中形成的Al、Ti的氧化物也增多，Al、Ti的氧化物与杂质元素Ca、Mg形成的氧化物聚集长大，由于焊接过程中Al、Ti的烧损量增加，形成的Al、Ti氧化物增多使得焊缝中的氧化物增多焊缝熔池的流动性变差，这些聚集长大后的复合氧化物颗粒就不容易浮出熔池，最终残留在焊缝中或焊缝表面形成点状缺陷。同时，Al、Ti的烧损削弱了其强化焊缝的作用。图1为比较例4焊缝表面的X射线分析，比较例4中Al、Ti含量较高，焊缝表面主要为Ti的氧化物，Mg、Ca的氧化物就残留在焊缝中，形成了点状缺陷。图2为比较例1焊缝表面的X射线分析，比较例1中Al、Ti含量较低，焊缝表面检测出了Ca、Al、Ti的复合氧化物，Ca的氧化物浮出熔池表面，降低了焊缝中的点状缺陷形成的可能性。因此，控制Al、Ti在0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％的较低范围内。
如果将Al、Ti控制在上述范围内时，焊缝就不能通过添加Al、Ti进行焊缝的微合金强韧化，就得不到要求的焊缝，如表5的比较例1。而Nb在镍基合金中是固溶强化元素，又是时效强化元素，在焊缝中能提高原子间结合力，稳定焊缝、增强焊缝金属耐晶间腐蚀。Nb是强碳化结合元素，它与C的结合能力比Cr强，生成NbC减少晶界上C的偏析从而减少M23C6和M7C3的形成，降低晶界贫Cr。Nb同时又是氮化物形成元素，能替代合金中的Al、Ti与N形成化合物，起到固N而强化基体的作用。因此，采用适量的Nb替代合金中Al、Ti以降低焊缝中Al、Ti的烧损，减少氧化物的形成，同时弥补因降低Al、Ti而削弱的强化焊缝的作用，这是本专利中一个重要的控制点状缺陷产生因素之一，也是得到强韧化焊缝的条件之一。因此，控制Nb在0.50-1.0％。
本发明中控制焊缝熔敷金属中微合金元素及杂质元素为(重量比％)Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Nb：0.50-1.0％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，其他合金元素按标准要求控制即可。
表3实施例和比较例镍基合金焊缝熔敷金属的基本化学成分(重量比％)：
 编号   Nb   Ti   Al  Mg  Ca   C   Si   Mn   Fe   Cr   Ni
 实施例1   0.65   0.3   0.17  ＜0.005  ＜0.005   0.035   0.12   0.70   9.34   29.7   余量
 实施例2   0.84   0.3   0.27  ＜0.005  ＜0.005   0.028   0.12   0.69   9.33   29.7   余量
 比较例1   ＜0.05   0.28   0.13  ＜0.005  ＜0.005   0.027   0.14   0.70   9.57   29.7   余量
 比较例2   0.87   0.63   0.59  ＜0.005  ＜0.005   0.027   0.13   0.84   10.1   29.3   余量
 比较例3   ＜0.05   0.6   0.58  ＜0.005  ＜0.005   0.028   0.15   0.86   9.8   29.2   余量
 比较例4   ＜0.05   0.87   0.39  ＜0.005  ＜0.005   0.028   0.13   0.70   9.41   29.4   余量
表4实施例和比较例Al、Ti的烧损量及焊缝中O含量(％)
  编号  焊丝Al+Ti   Al烧损   Ti烧损  Al+Ti烧损   焊缝O含量
 实施例1   0.53   0.02   0.04   0.06   0.0016
 实施例2   0.61   0.01   0.03   0.04   0.0040
 比较例1   0.44   0.01   0.02   0.03   0.0030
 比较例2   1.34   0.05   0.07   0.12   0.0040
 比较例3   1.31   0.06   0.07   0.13   0.0040
 比较例4   1.34   0.03   0.05   0.08   0.0045
表5实施例和比较例的试验测试结果：
Figure BDA0000140919990000061
本发明要求焊缝无点状缺陷，且焊缝熔敷金属的性能设计要求是：室温屈服强度σ0.2≥240MPa，抗拉强度σb≥550MPa，延伸率A≥30％，室温标准冲击功AKv≥70J。
从表1、实施例1-2、比较例1-4、表5可以看出：
采用本发明控制镍基焊缝点状缺陷，实施例1-2满足本发明的性能设计要求。比较例1中Nb含量不满足要求，其延伸率和抗拉强度不满足要求；比较例2中焊缝熔敷金属Al、Ti含量不满足要求，其焊缝中有点状缺陷；比较例3中Nb、Al、Ti含量不满足要求，其焊缝中有点状缺陷且延伸率不满足要求；比较例4，Nb、Al、Ti含量都不满足要求，其焊缝中有点状缺陷。
上述方法可用于Inconel690镍基合金点状缺陷的控制，也可以考虑在其它镍基合金焊接上使用。

Claims (8)

1.一种镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：通过控制焊接材料中微合金添加元素及杂质元素的含量，按重量百分比计，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Nb：0.50-1.0％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，控制焊接点状缺陷的形成。
2.按照权利要求1所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：按重量百分比计，焊接材料镍基合金焊丝的主要化学成分如下：
Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，C＜0.04％，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Mn：＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Si＜0.5％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，Ni为余量。
3.按照权利要求2所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％。
4.按照权利要求1所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：按重量百分比计，最终焊缝熔敷金属的化学成分如下：
Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，C＜0.04％，Al≤0.35％，Ti≤0.35％，Mn：＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Si＜0.5％，Ca≤0.005％，Mg≤0.005％，Ni为余量。
5.按照权利要求4所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：0.10％≤Ti≤0.35％，0.10％≤Al≤0.35％，Al+Ti：0.30-0.70％，焊缝中Al+Ti的烧损量≤0.06％。
6.按照权利要求1所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：焊缝熔敷金属表面氧化物为CaO、TiO2、Al2O3的复合氧化物。
7.按照权利要求1所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于：该方法适用于Inconel690合金的焊接，获得无点状缺陷的镍基焊缝。
8.按照权利要求1所述的镍基焊缝点状缺陷控制方法，其特征在于，焊缝熔敷金属的性能如下：
室温屈服强度σ0.2≥240Mpa，抗拉强度σb≥550Mpa，延伸率A％≥30％，焊缝熔敷金属室温冲击功Akv≥70J。
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