CN104907733A - 一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝及其制备方法，焊丝化学成份组成(质量百分比，wt％)为：C：0.10～0.15，Cr：8.0～9.0，W：1.0～1.6，V：0.15～0.25，Ta：0.10～0.17，Mn：0.50～0.70，Si：0～0.05，N：0～0.02，O、Ni、Cu、Al、Co均为：0～0.01，P、S、Ag、Mo、Nb成分均为：0～0.005，余量为Fe。焊丝的Cr当量小于11，Ni当量大于3.5。焊丝的制备采用盘条和多道次拉拔的方式，盘条前进行退火热处理，道次拉拔之间进行回火处理。盘条拉拔前的退火工艺为：940～1020℃保温20～60分钟，然后以小于45℃/小时的冷却速度冷却至650℃以内，然后空冷至室温。盘条拉拔过程中的回火工艺为：760～820℃，保温0.5～2小时。本发明可极大降低甚至消除低活化钢焊接接头组织中的δ铁素体生成倾向。

Description

一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及气体保护焊用焊丝的技术领域，具体涉及一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝及其制备方法。
背景技术
聚变堆包层需要承受堆芯14MeV高能中子辐照，高能量密度热流(>1MW/m2)的冲击等恶劣环境。低活化铁素体/马氏体(Reduced Activaiton Ferritic/Martensitic steel,RAFM)钢具有抗高能中子辐照、低活化、高温性能良好等优点被认为是未来第一座聚变堆的首选结构材料。中国抗辐照低活化钢(China Low Activation Martensitic steel，CLAM)是中科院核能安全技术研究所牵头国内多家单位研发的具有自主知识产权的低活化钢。经过十余年的发展，CLAM钢已被选为中国ITER实验包层模块的首选结构材料，同时也是中国聚变工程实验堆包层的首选结构材料。另外，由于聚变堆包层所处环境非常恶劣，其内部需要通入大量的冷却剂对包层结构进行冷却，因而包层结构也是非常复杂。气体保护焊(如钨极氩弧(TIG)焊，熔化极气体保护(MIG)焊)由于具有良好的焊接适应性目前在包层结构的焊接过程中被广泛采用。
CLAM钢的化学成分如表1所示，通过公式(1)和(2)计算CLAM钢的Cr当量为11.8和Ni当量为3.2，
Cr当量：Creq＝＝Cr+6Si+V+5Nb+2.5Ta+1.5W            (1)
Ni当量：Nieq＝Ni+Co+0.3Cu+0.5Mn+25N+30C              (2)
根据Schfiffler-Schneier图(见图1)可以看出，CLAM钢在凝固过程中具有较强的铁素体形成倾向，如果采用CLAM钢母材作为焊接材料会导致接头中存在较多块状δ铁素体。研究发现，块状铁素体的产生降低了焊缝的强度，严重削弱了接头的冲击性能，而且会提高结晶裂纹倾向，降低高温蠕变性能等。可以说，块状δ铁素体的存在是接头性能恶化的根本原因。因此，如何降低甚至消除焊接组织中的δ铁素体，是改善接头性能的关键技术所在。本发明专利通过分析元素成分对铁素体形成的影响情况，对CLAM钢的焊丝成分进行设计和优化。
表1 CLAM钢设计成分(wt％)
发明内容
本发明的目的是提供一种低活化钢气体保护焊焊丝以及这种焊丝的制造方法和工艺，并将这种焊丝应用于中国抗辐照低活化钢的气体保护焊接。本发明的技术方案通过合理调整和控制合金元素的成分及含量，降低CLAM钢焊接材料的δ铁素体形成倾向，获得完全的马氏体组织焊接接头。
为实现上述目的，本发明提出依据铬当量和镍当量计算公式，适当降低铁素体形成元素(Cr、W、Ta等)的含量，同时提高奥氏体形成元素(C、Mn等)的含量，使优化后的焊丝具有完全马氏体形成倾向。另外，通过盘条及冷拔工艺制备的焊丝适用于自动和半自动焊接，同时适当的热处理工艺使焊丝保持良好的加工性能。
本发明的具体方案为：一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，所述的焊丝的化学成分组成及质量百比分(wt％)为：C：0.10～0.15，Cr：8.0～9.0，W：1.0～1.6，V：0.18～0.22，Ta：0.10～0.17，Mn：0.50～0.70，Si：0～0.05，N：0～0.02，O、Ni、Cu、Al、Co均为：0～0.01，P、S、Ag、Mo、Nb成分均为：0～0.005，余量为Fe。
其中，所述的焊丝的Cr当量小于11，Ni当量大于3.5。
其中，所述的焊丝适用于中国抗辐照低活化钢的气体保护焊接。
本发明还提供一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝的其制备方法，该方法用于制备上述的抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，焊丝的制备采用盘条和多道次拉拔的方式，盘条前进行退火热处理，道次拉拔之间进行回火处理。盘条拉拔前的退火工艺为：940～1020℃保温20～60分钟，然后以小于45℃/小时冷却速度冷却至650℃以下，然后空冷至室温；盘条拉拔过程中的回火工艺为：760～820℃保温0.5～2小时后空冷。
本发明的原理在于：
一种低活化钢的气体保护焊丝，在保证低活化的条件下，通过降低Cr、W、Ta含量，提高C、Mn含量，且控制CLAM钢的Cr当量小于11，Ni当量大于3.5，根据Schfiffler-Schneier图判断以使CLAM钢具有形成完全马氏体的倾向，同时，考虑焊缝熔敷金属成分和母材成分具有良好的匹配性，并提高接头的韧性。
焊丝合金元素的调整原则为：
Cr元素：可以提高材料的抗氧化性和耐腐蚀性，形成碳化物起到沉淀强化作用，Cr是强烈的铁素体形成元素，降低Cr含量可以显著降低材料的铁素体形成倾向；
W元素：可以提高材料的回火稳定性，W含量在1％左右时接头具有良好的韧性；
C元素：C是对焊接性最敏感的元素，对冲击性能影响较大；另外，C是强烈的奥氏体稳定元素，提高C含量可以降低铁素体形成倾向；
Mn元素：超过母材上限含量时可以显著提高接头韧性，但含量过高可能影响Ac1温度以及材料的抗腐蚀性。
通过分析和计算，CLAM钢焊丝的成分设计(质量百分比，wt％)如下(见表2)：
(1)保证低活化要求，以及较低的夹杂含量，各元素的控制范围如下：
N含量为：0～0.02，O、Ni、Cu、Al、Co含量均为：0～0.01，P、S、Ag、Mo、Nb含量均为：0～0.005；
(2)为降低CLAM钢Cr当量，并提高接头韧性，元素控制如下：
Cr含量为：8.0～9.0，W含量为0.10～0.16，Ta含量为0.10～0.17；
(3)提高CLAM钢Ni当量，元素控制如下：
C含量为：0.10～0.15，Mn含量为：0.55～0.65；
(4)为保证与母材的成分匹配性，其他元素与母材基本一致：
如V：0.15～0.25，Si：0～0.05。
表2 CLAM钢焊丝设计成分(wt％)
本发明提供了上述低活化钢气体保护焊焊丝的制备方法，焊丝的制备采用盘条和多道次拉拔的方式，盘条前进行退火热处理，道次拉拔之间进行回火处理。盘条之前的退火工艺为：940～1020℃保温20～60分钟，然后以小于45℃/小时冷却速度冷却至650℃以下，然后空冷至室温；盘条在每两道次拉拔过程中进行回火处理，采用的回火工艺为：760～820℃，保温0.5～2小时。
正常热处理下的CLAM钢为回火马氏体组织，强度高且延伸率低，加工难度大。盘条前的退火处理可有效改善材料的塑性，使CLAM钢盘条获得完全铁素体组织，使其拉伸强度下降并具有良好的塑性。另外，焊丝在冷拔过程中采用多次拉拔方式，直径逐次递减至所需尺寸。丝材在拉拔过程中会有强烈的硬化和强化，每两道次拉拔过程间对丝材进行回火热处理，以降低强度，恢复塑性。本发明提供的焊丝制造方法有效降低了CLAM钢丝材在拉拔过程中断裂的风险。
本焊丝的交货状态为：退火态，表面光滑，无毛刺、划痕、锈蚀、氧化皮等缺陷。缠绕焊丝应适于在自动和半自动焊机上连续送丝。本发明提供的焊丝所获得熔敷金属可以将CLAM钢接头的δ铁素体含量控制在0.5％以内，且熔敷金属夹杂物含量可以符合表3的限制要求。
表3 CLAM钢焊接熔敷金属非金属夹杂物含量要求
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出之前，中国抗辐照低活化钢气体保护焊所用的焊丝主要通过母材线切割加工制备。相对于母材而言，本发明降低了接头熔敷金属的铁素体形成倾向，可以改善接头的力学性能。
(2)与线切割焊丝相比，本发明所采用的焊丝制备工艺可适用于生产自动和半自动焊接用焊丝，提高了焊丝的表面清洁度以及焊丝的均匀性，保证了焊接过程的稳定性和接头的可靠性。
附图说明
图1为Schfiffler-Schneier图及CLAM钢的铁素体形成倾向。
具体实施方式
实施例1：
一种低活化钢气体保护焊实芯焊丝，采用真空熔炼，焊丝直径为1.2mm，其主要化学成分组成及质量百比如表4所示。其接头熔敷金属组织为完全马氏体。其Cr当量为9.2，Ni当量为4.4。
表4实施例1焊丝化学成分(wt％)
实施例2：
一种低活化钢气体保护焊实芯焊丝，采用真空熔炼，焊丝直径为1mm，其主要化学成份组成及质量百比如表5。其接头熔敷金属组织为完全马氏体。其Cr当量为9.14，Ni当量为3.9。
表5实施例2焊丝化学成分(wt％)

Claims (4)

1.一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，其特征在于：所述的焊丝的化学成分组成及质量百比分(wt％)为：C：0.10～0.15，Cr：8.0～9.0，W：1.0～1.6，V：0.18～0.22，Ta：0.10～0.17，Mn：0.50～0.70，Si：0～0.05，N：0～0.02，O、Ni、Cu、Al、Co均为：0～0.01，P、S、Ag、Mo、Nb成分均为：0～0.005，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，其特征在于：所述的焊丝的Cr当量小于11，Ni当量大于3.5。
3.根据权利要求1所述的抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，其特征在于：所述的焊丝适用于中国抗辐照低活化钢的气体保护焊接。
4.一种抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝的制备方法，该方法用于制备权利要求1所述的抗辐照低活化钢气体保护焊用焊丝，其特征在于：焊丝的制备采用盘条和多道次拉拔的方式，盘条前进行退火热处理，道次拉拔之间进行回火处理；盘条拉拔前的退火工艺为：940～1020℃保温20～60分钟，然后以小于45℃/小时冷却速度冷却至650℃以下，然后空冷至室温；盘条拉拔过程中的回火工艺为：760～820℃保温0.5～2小时后空冷。
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