CN100457373C - 高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝 - Google Patents

高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

一种高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。焊丝外皮采用低碳钢带，特征在于其中药芯成分质量百分比如下：29～41%铬粉，4.5～7%钨铁，2.5～8%锰，1～2.5%钼铁，0.75～2%镍粉，0.75～1.25%钒铁，20～35%TiO2，4～10%石英，1～3%MnO2，1～3%Al2O3，3～9%长石，1～3%Al-Mg合金，1.5～6.25%铁粉。采用该药芯焊丝施焊，焊缝金属不仅具有较高的强度和冲击韧性，同时具有极佳的焊接工艺性能和全位置焊接适应性。

Description

高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域。该发明主要应用于压力容器、核反应堆及电站锅炉受热管系的高合金马氏体型耐热钢的全位置焊接。
背景技术
高合金马氏体型耐热钢的焊接方法很多，可采用熔焊的任何一种方法进行焊接。目前生产中应用较多的焊接方法是焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊，相应的焊接材料也主要是电弧焊条、钨极氩弧焊实芯焊丝和埋弧焊实芯焊丝。这些焊接材料都存在不同程度的缺点：手工电弧焊条不能连续焊接、焊接效率低、浪费严重；实芯焊丝飞溅大、工艺性能差，并且制造工艺复杂，需要经过反复的拉拔、退火、酸洗和钝化。我国要研制和生产这些焊接材料从技术上和经济上都存在许多困难，高合金马氏体型耐热钢焊接材料基本上完全依赖进口。药芯焊丝又称粉芯焊丝，具有生产效率高、焊接质量好、焊接成本低等优点，并且可以较容易地通过调整药芯成分来获得所要求的熔敷金属性能。随着国内已有数台超超临界机组开始投入建设，高合金马氏体型耐热钢在我国有着非常广阔的发展前景，开发其高效焊接材料迫在眉睫。
高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝的研制在国内、国外尚未见相关的专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接工艺性能优异、焊缝金属力学性能好的高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝，可用于P92钢的全位置焊接。通过低碳钢带包裹矿物粉与合金粉，适当调整药芯组分，在焊接工艺性能优良的前提下使熔敷金属达到P92钢的成分要求，并保证得到较高的强度和冲击韧性，其力学性能达到：抗拉强度σb≥770MPa，延伸率δ5≥18％，室温冲击功AKV-20℃≥26J。
本发明所提供的气保护药芯焊丝，包覆层采用低碳钢带，填充率21-28％，其特征在于所述的药芯成分质量百分比如下：
29～41％铬粉，4.5～7％钨铁，2.5～8％锰，1～2.5％钼铁，0.75～2％镍粉，0.75～1.25％钒铁，20～35％天然金红石，4～10％石英，1～3％MnO2，1～3％Al2O3，3～9％长石，1～3％Al-Mg合金，1.5～6.25％铁粉。
药芯中各成分作用如下：
铬粉：向焊缝金属过渡合金元素Cr。Cr是铁素体稳定化元素，提高抗氧化性和高温强度。随含Cr量增加，可限制奥氏体晶粒粗大化。
钨铁：向焊缝金属过渡合金元素W。W有利于提高强度。
锰：向焊缝金属过渡合金元素Mn，脱氧、脱硫。Mn是奥氏体化元素，抑制δ铁素体残留，有利于提高韧性。
钼铁：向焊缝金属过渡合金元素Mo。Mo是固溶强化元素，并且具有改善蠕变断裂强度的作用。
镍粉：向焊缝金属过渡合金元素Ni。Ni是奥氏体化元素，具有防止在焊缝金属中由于残留δ铁素体而韧性降低的作用。
钒铁：向焊缝金属过渡合金元素V。V是沉析强化元素，具有沉析成为碳氮化物以改善蠕变断裂强度的作用。
TiO2：是渣形成组分，可以改善渣的覆盖性能和焊缝脱渣性。另外，它还起到使电弧集中、稳定，从而减少飞溅的作用。本发明中TiO2均以天然金红石方式加入，其中TiO2质量百分比含量＞96％。
石英：主要起造渣作用，降低熔渣的碱度，调整熔渣的物化性能。
MnO2：改善脱渣性能。
Al2O3：提高渣的凝固温度但不改变其粘度，改善脱渣能力。
长石：主要是造渣剂，并能调节熔渣的物化性能，由于含K2O及Na2O，有助于提高稳弧性。
Al-Mg合金：主要作用是脱氧，脱氧后生成的Al2O3、MgO具有造渣作用。
铁粉：调节成分并改善导电率，增加熔敷效率。
在上述配方中，C及杂质元素S、P含于钢带及各种粉料中。该焊丝包覆层采用低碳钢带，化学成分满足如下规定：C＝0.04～0.06％，S≤0.02％，P≤0.02％，Si≤0.025％，Mn≤0.2％。采用本药芯焊丝施焊时，电弧稳定，飞溅颗粒极小且量少，焊道成形美观，脱渣容易。
本发明药芯焊丝适合于CO2保护或80％Ar+20％CO2保护下焊接P92钢。可应用于压力容器、核反应堆及电站锅炉受热管系的全位置焊接。
具体实施方式
选用宽度为8～10mm，厚度为0.3～0.4mm的低碳钢带。先将其轧制成U形，再向U形槽中加入粒度为过60～80目(金属粉末能过60目的筛子，矿物粉能过80目的筛子)的混合药粉，填充率(药粉重量占焊丝总重的百分率)为21～28％。然后将U形槽合口，使药粉包裹其中，剪径至1.2mm。具体实施方案如下：
1.选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的低碳钢带。取铬粉41％、钨铁7％、锰8％、钼铁2.5％、镍粉2％、钒铁1.25％、天然金红石20％、石英4％、MnO21％、Al2O31％、长石3％、AI-Mg合金3％、铁粉6.25％。填充率为21％。
2.选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的低碳钢带。取铬粉36.5％、钨铁6％、锰5.5％、钼铁2％、镍粉1.5％、钒铁1％、天然金红石30％、石英6％、MnO21％、Al2O32％、长石5％、AI-Mg合金2％、铁粉1.5％。填充率为23％。
3.选用8×0.3(宽度为8mm，厚度为0.3mm)的低碳钢带。取铬粉33.5％、钨铁5.5％、锰5％、钼铁2％、镍粉1.5％、钒铁1％、天然金红石25％、石英10％、MnO22％、Al2O32％、长石7％、AI-Mg合金2％、铁粉3.5％。填充率为25％。
4.选用8×0.3(宽度为8mm，厚度为0.3mm)的低碳钢带。取铬粉29％、钨铁4.5％、锰2.5％、钼铁1％、镍粉0.75％、钒铁0.75％、天然金红石35％、石英8％、MnO23％、Al2O33％、长石9％、AI-Mg合金1％，铁粉2.5％。填充率为28％。
按照上述各种配方制成的药芯焊丝，以P92钢板为母材，进行焊接试验。采用直流正极法，在CO2气体保护下进行焊接，焊接电流140-180A，焊接电压24-27V，焊接速度0.5m/min，气体流量15l/min，干伸长20mm。焊前预热250-300℃，层间温度控制在100～200℃，在平焊位置施焊。观察焊接过程。结果表明：焊缝成形、脱渣优良，焊接过程稳定，飞溅少。焊后，检测熔敷金属的化学成分，结果列于表一。另一批试样在760℃4小时焊后热处理后，按GB/T10045-2001中规定的实验方法检验熔敷金属力学性能，结果列于表二。
表一实施例熔敷金属化学成分(百分含量)
  编号   C   Si   Mn   S   P   Cr   Mo   V   W   Ni   Al
  1   0.095   0.06   1.07   0.0043   0.011   9.25   0.57   0.23   1.94   0.69   0.028
  2   0.10   0.10   0.83   0.013   0.014   8.97   0.48   0.19   1.73   0.48   0.02
  3   0.097   0.10   0.80   0.007   0.012   8.99   0.54   0.22   1.81   0.53   0.021
  4   0.11   0.14   0.46   0.009   0.01   8.76   0.33   0.17   1.56   0.35   0.016
表二实施例熔敷金属力学性能
  编号   σb(MPa)   δ5(％)   Akv(20℃)(J)
  1   770   18.5   27
  2   780   19.5   28.5
  3   780   19.5   28.5
  4   770   18.5   27

Claims (1)

1、高合金马氏体型耐热钢气保护药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯成分质量百分比如下：29～41％铬粉，4.5～7％钨铁，2.5～8％锰，1～2.5％钼铁，0.75～2％镍粉，0.75～1.25％钒铁，20～35％天然金红石，4～10％石英，1～3％MnO2，1～3％Al2O3，3～9％长石，1～3％Al-Mg合金，1.5～6.25％铁粉。
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