CN102554505B

CN102554505B - 一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝

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Publication number: CN102554505B
Application number: CN201210007914.1A
Authority: CN
Inventors: 陆善平; 莫文林; 李殿中; 李依依
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: CN102554505A

Abstract

本发明涉及一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，属于焊接材料技术领域，它是适用于核岛主设备焊接的一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，解决目前焊丝在现场焊接中常出现焊接缺陷的问题。其基本化学成分为，以重量百分比计：C：＜0.04％，Si＜0.5％，Cr：28.0-31.5％，Mn＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Al＜0.30％，Ti＜0.40％，Al+Ti+Nb：1.0-1.5％，Fe：7.0-11.0％，Cu＜0.02％，S＜0.005％，P＜0.005％，Co＜0.05％，Ta＜0.02％，Mo＜0.5％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，N＜0.02％，O＜0.01％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。本发明的光焊丝的焊缝熔敷金属室温屈服强度σ0.2≥240MPa，抗拉强度σb≥550MPa，延伸率A％≥30％，焊缝熔敷金属350℃屈服强度σ0.2≥90MPa，室温冲击功Akv≥70J。焊接过程电弧稳定，缺陷少，工艺性能好。

Description

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体为一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，可用于低合金钢、不锈钢和镍基合金的焊接。尤其是一种专门使用于核岛主设备，例如反应堆压力容器焊接包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块焊接的光焊丝。

背景技术

随着核工业的发展，镍基合金在核电设备中运用越来越广泛。镍基合金焊接材料也随之得到广泛的运用。核岛主设备用镍基合金为Ni60-Cr30-Fe7合金，其是一种具有良好耐腐蚀性能的镍基合金，母材是在Ni75-Cr15-Fe3合金的基础上进一步提高Cr含量发展而来的，焊接材料也随着母合金的发展而发展。这种镍基焊接材料不仅用于镍基合金的焊接，也广泛用于不锈钢零部件和低合金钢的焊接。该合金对微合金添加元素非常敏感，因此世界范围内各个国家都对其有很多的研究(如表1)，世界各地对该合金中的微合金添加元素还没有统一的认识。目前焊丝在现场焊接中容易出现缺陷，各国也没有找到比较有效的控制办法。

表1焊丝专利以及成分控制范围(重量比％)

经对现有技术的文献检索发现，美国公司专利的特点为为低Al、Ti含Nb，其中特别强调了B、Zr的作用。法国公司专利的特点为强调了添加Mo元素以改善合金的焊接性能，其Al、Ti、Nb含量较为宽泛。日本公司专利的特点在极低Al、Ti含Nb上，或高Al、Ti不含Nb，其还特别添加了Ta以强调其重要性。另外，专利JP8174270A、JP3170165、CN102126095也为用于核岛主设备的焊接材料，但其为手工电弧焊焊条而非焊丝，两者使用的焊接方法和工艺完全不同。

通过文献专利检索发现，目前仅有法国专利报道可通过添加Mo元素而降低焊接过程中的缺陷，但其主要控制的是焊接过程中产生的I型和II型裂纹，还未发现本发明所指的能抗点状缺陷和硼致裂纹缺陷的焊丝。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，尤其是一种专门使用于核岛主设备，例如反应堆压力容器焊接包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块焊接的镍基光焊丝，解决目前镍基光焊丝焊接过程中容易出现焊接缺陷的现状。

本发明目的技术方案为：

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，使用真空熔铸炉冶炼或者电炉加炉外精炼方法冶炼制备母合金钢坯，使其基本化学成分组成为C＜0.04％，Si＜0.5％，Cr：28.0-31.5％，Mn＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Al＜0.30％，Ti＜0.40％，Al+Ti+Nb：1.0-1.5％，Fe：7.0-11.0％，Cu＜0.02％，S＜0.005％，P＜0.005％，Co＜0.05％，Ta＜0.02％，Mo＜0.5％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，N＜0.02％，O＜0.01％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，将母合金钢锭进行锻造、轧制、冷拉最终形成焊丝，最终使焊丝的化学成分为：C＜0.04％，Si＜0.5％，Cr：28.0-31.5％，Mn＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Al＜0.30％，Ti＜0.40％，Al+Ti+Nb：1.0-1.5％，Fe：7.0-11.0％，Cu＜0.02％，S＜0.005％，P＜0.005％，Co＜0.05％，Ta＜0.02％，Mo＜0.5％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，N＜0.02％，O＜0.01％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，采用钨极氩弧(TIG)焊焊接，使用Ar作为保护气体，最终使焊缝熔敷金属的化学成分为C＜0.04％，Si＜0.5％，Cr：28.0-31.5％，Mn＜1.0％，Nb：0.50-1.0％，Al＜0.30％，Ti＜0.40％，Al+Ti+Nb：1.0-1.5％，Fe：7.0-11.0％，Cu＜0.02％，S＜0.005％，P＜0.005％，Co＜0.05％，Ta＜0.02％，Mo＜0.5％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，N＜0.02％，O＜0.01％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。

本发明中，按重量百分比计，Si＜0.15％最优，Nb：0.6-0.9％最优。

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，使用钨极氩弧(TIG)焊焊接完成后，进行焊缝X射线探伤和表面渗透探伤，统计分析焊缝缺陷含量。

一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，对焊缝熔敷金属进行解剖，对裂纹缺陷和点状缺陷分析，并对其进行室温拉伸、350℃高温拉伸、室温冲击性能测试。

本发明中，熔敷金属无点状焊接缺陷，熔敷金属表面氧化物主要为CaO、TiO₂、Al₂O₃的复合氧化物，焊缝熔敷金属无硼致裂纹缺陷。

本发明所具有以下优点：

1、经试验，本发明抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，适用于核岛主设备的焊接，例如反应堆压力容器焊接包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块的焊接。

2、利用本发明的抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝焊接时，过程稳定，缺陷少，工艺性能好。

3、本发明的抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到符合标准要求的焊缝。

4、本发明光焊丝的焊缝熔敷金属室温屈服强度σ0.2≥240MPa，抗拉强度σ_b≥550MPa，延伸率A％≥30％，焊缝熔敷金属350℃屈服强度σ_0.2≥190MPa，室温冲击功Akv≥70J。焊接过程电弧稳定，缺陷少，工艺性能好。

附图说明：

图1为比较例3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为比较例3表面点状缺陷。

图4为比较例3表面点状缺陷放大。

图5为比较例3表面点状缺陷能谱分析。

图6为比较例5内部裂纹。

图7为比较例5内部裂纹1100℃原位金相。

图8为比较例5内部裂纹附近硼元素分布。

具体实施方式

本发明中，光焊丝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2为本发明的成分控制范围，以及实施例和比较例的成分。

表2为实施例和比较例的焊接缺陷镍基光焊丝的基本化学成分为(重量比％)：

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。

C：

C在奥氏体镍基合金中的溶解度很小，当合金从固溶温度冷却下来时，C处于过饱和，受到敏化处理时，C和Cr形成碳化物(主要为(Cr，Fe)₂₃C₆型)在晶界析出，会导致晶界处贫Cr，因此需要对C含量加以限制，C含量应控制在0.04％以下。

Si：

Si在镍基合金中都控制在较低含量。因为Si在镍基合金中易引起热裂纹，同时Si含量过高时还明显的降低韧性。Si含量要控制在0.5％以下，1.5％以下为最优。

Mn：

Mn的加入有利于镍基耐蚀合金的抗结晶开裂性能。一方面，Mn优先与S结合形成MnS(熔点1610℃)，减小S形成低熔点共晶物(如：Ni-Ni₃S₂熔点645℃)的倾向，使得奥氏体-硫化物共晶温度提高；另一方面，增加固液相表面能，减小晶界低熔点共晶液膜形成的可能性，抑制了S、P的不利作用，从而降低熔敷金属结晶裂纹形成倾向。其含量控制在＜1.0％。

Al、Ti、Nb：

Al、Ti、Nb合金元素之间的匹配关系在本发明中是一组特别重要的元素。

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2和表3可以看出随着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，因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3焊缝表面的X射线分析，比较例3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。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的形成。

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，这是本发明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。

在本发明中，Nb控制在0.50-1.0％之间，优选0.6-0.9％，控制Al、Ti在Al＜0.3％，Ti＜0.4％的较低范围内，同时为得到强韧化焊缝控制Al+Ti+Nb：1.0-1.5％。

表3实施例和比较例Al、Ti的烧损量及焊缝中O含量

编号	Al烧损量	Ti烧损量	Al+Ti烧损量	焊缝O含量
					实施例1	0.02	0.04	0.06	0.0016
实施例2	0.01	0.03	0.04	0.0040
					比较例1	0.01	0.02	0.03	0.0030
比较例2	0.06	0.07	0.13	0.0040
					比较例3	0.03	0.05	0.08	0.0045
比较例4	0.05	0.07	0.12	0.0040
					比较例5	——	——	——	——

S：

S是Ni基合金中有害元素。镍基合金中S的溶解度很小，极易形成晶界偏析，产生低熔点共晶的硫化物，偏析于晶界，在热应变的作用下形成晶界开裂，即结晶裂纹。含硫量均大于0.0060％的材料比其他镍基合金的凝固裂纹敏感性要高。在焊接时要控制S含量在0.005％以下。

P：

P对镍基合金的影响与硫、铅相似。它在合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用。P在合金中主要是与Ni形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大半熔化区宽度，促使裂纹倾向增大。所以，P在镍基合金中含量必须控制在最低限度。S、P总含量要小于0.02％。

O、N：

O、N在材料中为不可避免的残留元素，它不是合金中的必须元素，在所有情况下，将氧含量限制在小于0.01％，将氮含量限制在0.02％以下。

B(硼)：

硼在母合金中有抗延性开裂的作用，因此，在以上检索的所有专利的焊接材料中几乎都添加了这种元素。

根据本发明的焊丝制备硼是一种特别重要需要控制的合金元素，而且这是相对于前述已知专利合金(见表1)的一个显著差别，前述已知合金几乎都含硼或者没有对硼元素含量进行明确的限定。

在本试验中的比较例4中，添加了0.0046％的硼，在焊接完成后发现焊缝中密集的分布着如图6的沿晶界的裂纹缺陷，通过实验得出添加的硼元素主要偏聚于晶界。如图8所示，通过高温原位金相观察可知焊后焊缝在1020℃晶界开始发生熔化，1100℃时晶界已经几乎全部熔化，而该合金的熔点为1340-1370℃，在其它实施例和比较例中并没有出现此种裂纹缺陷，因此可以断定该裂纹与硼元素的添加有关，且是在晶界处形成了与硼元素有关的低熔点共晶相。

在实施例1-2和比较例1-5中，严格的将硼元素控制在0.001％以下，在焊缝中没有出现此种裂纹。

因此，根据本发明的试验，硼元素是引起裂纹缺陷的主要元素，应该对焊丝中的硼元素加以限制，本发明中将硼元素含量控制在0.001％以下。

Zr：

Zr在母合金中偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。同时，Zr偏聚于晶界，降低界面能，改变晶界的形态，减小晶界相的尺寸。但在焊缝中，Zr与O的结合能力强而容易被氧化烧损，因此将焊接材料中的Zr含量控制在0.02％以下。

Mg、Ca：

根据本发明Ca、Mg是特别需要控制的合金元素，其含量与点状缺陷的控制密切相关。目前焊丝在现场焊接过程中容易出现这中点状缺陷，又没有好的控制方法，原因是其将Ca、Mg仅当做一般的杂质元素控制。

根据本发明的实验表明：

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点状缺陷。如图3、4、5所示，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。因此在现有的冶炼技术条件下控制Mg＜0.005％、Ca＜0.005％。

Ta：

钽元素在镍基合金中约80％进入γ’相，形成γ’相，而在该焊接材料焊接后的焊缝熔敷金属中希望相组成主要为γ奥氏体与一些碳化物；同时，钽元素是一种战略元素，价格昂贵，应尽量少用。因此，本发明中控制Ta在0.02％以下。

Cu、Co、Mo：

镍基合金中Cu的存在使得在焊接过程中容易形成第二相，提高合金的热裂倾向。因此，应将Cu控制在0.02％以下。

在辐照条件下，要使Co元素含量尽量低，本发明控制在0.02％以下。

本发明中Mo元素控制在0.5％以下。

Ni、Cr、Fe：

Ni是奥氏体基体，是稳定奥氏体元素；Cr主要起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，Cr是稳定合金表面最重要的元素，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，Cr含量达到30％时合金具有良好的抗腐蚀性能；Fe的加入能降低合金的成本，控制在7-11％。

本发明抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝的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％，350℃屈服强度σ0.2≥190MPa，室温标准冲击功AKv≥70J，并且无点状焊接缺陷和焊接硼致裂纹。

从实施例1-2、比较例1-5、表2和表4可以看出：

采用本发明设计的抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝化学成分，实施例1-2满足本发明的性能设计要求，并且无点状焊接缺陷和焊接硼致裂纹。比较例1中，光焊丝Nb含量与Al+Ti+Nb含量不符合发明设计要求，其抗拉强度和延伸率不满足要求。比较例2中，光焊丝Al、Ti含量不符合发明设计要求，其延伸率不满足要求，且焊缝中有点状缺陷。比较例3中，光焊丝Al、Ti含量不符合发明设计要求，其焊缝中有点状缺陷。比较例4中，光焊丝Al、Ti含量和Al+Ti+Nb含量不符合发明设计要求，其焊缝中有点状缺陷。比较例5中，光焊丝硼含量不符合发明设计要求，其焊缝中有密集分布的裂纹缺陷。

表4实施例和比较例的试验测试结果

本发明不受所述实施方案的严格控制。

根据本发明的焊接材料不仅可以用于非熔化极气体保护焊，也可以用于熔化极气体保护焊，可以进行结构件的焊接，也可以作为一种耐腐蚀材料堆焊在其他材料表面。

上述合金可专门使用于核岛主设备，例如反应堆压力容器焊接包括驱动管座，接管安全端，堆芯支承块焊接，也可以考虑在其它工业领域使用该合金。

Claims

1.一种抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，其特征在于，该镍基光焊丝应用于核岛主设备，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：

C：0.031%，Si：0.11%，Cr：29.93%，Mn：0.70%，Nb：0.81%，Al：0.19%，Ti：0.34%，Al+Ti+Nb：1.34%，Fe：8.85%，Cu＜0.02%，S＜0.005%，P＜0.001%，Co＜0.05%，Zr＜0.02%，N：0.0085%，O：0.0065%，Ca＜0.005%，Mg＜0.005%，Ta＜0.02%，B＜0.001%，Mo＜0.5%，Ni为余量；或者，

C：0.032%，Si：0.11%，Cr：30.03%，Mn：0.71%，Nb：0.78%，Al：0.28%，Ti：0.33%，Al+Ti+Nb：1.39%，Fe：8.90%，Cu＜0.02%，S＜0.005%，P：0.003%，Co＜0.05%，Zr＜0.02%，N：0.009%，O：0.0057%，Ca＜0.005%，Mg＜0.005%，Ta＜0.02%，B＜0.001%，Mo＜0.5%，Ni为余量。

2.按照权利要求1所述的抗点状缺陷和裂纹缺陷的镍基光焊丝，其特征在于，该镍基光焊丝应用于核岛主设备，按重量百分比计，使用真空熔铸炉冶炼或者电炉加炉外精炼方法冶炼制备母合金钢坯，其基本化学成分组成为：