CN105081620A - 一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，属于材料加工工程技术领域。采用镍带625外皮；焊接选用100％CO2或(20-50)％CO2+(80-50)％Ar作为保护气体；药芯的组分及重量百分比为：TiO2：3-12％，SiO2：1-6％，ZrO2：0.1-3％，MnO2：0.1-3％，Al2O3：0.1-5％，MgO：0.1-2％，NbO：2-6％；Fe2O3：2-4％，Cr：15-30％，Mo：5-15％，Nb：3-8％，MoFe：1-6％，Co：0.1-2％，Ce：0-1％，余量为镍粉，填充率为15-40％。具有极佳的抗气孔性和抗热裂纹性，熔敷金属高温流动性好，焊接工艺优良，焊缝美观。

Description

一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工工程技术领域，具体涉及一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝。
技术背景
国际镍业研究组织(INSG)及世界金属统计局(WBMS)报告显示，全球的镍产消比逐渐降低，世界各国对镍的需求量逐年增大。镍基合金因其优异的高温力学性能、抗高温腐蚀能力，广泛的应用于航空航天工业、核电、海洋采油等行业中。Inconel625(Ni-Cr-Mo-Nb)合金是一种具有优异耐腐蚀性的镍基高温合金，可广泛用于制造航空发动机零部件、宇航结构部件和化工设备等，且具有壁温在﹣196～450℃的压力容器的制造认证，是当今世界使用最广的一种镍基合金之一。
镍基625合金在焊接过程中存在焊缝熔敷金属流动性差、熔深浅、热裂纹敏感性高等特点，极易产生气孔、未焊透、热裂纹等缺陷。目前，与镍基625合金母材成分相匹配的镍基药芯焊丝，仅限于在80％Ar+20％CO2的保护气体下平焊或横焊下使用，且存在脱渣难、气孔敏感性大、热裂纹倾向大等缺陷，大大地限制了高效焊接镍基625合金。因此，本发明研制出一种工艺性能优良，抗气孔性、抗热烈纹性好，液态熔敷金属高温流动性好且适用于100％CO2或混合气体保护条件下全位置焊接的镍基625药芯焊丝具有重要的意义。
本发明研制了一种适用于100％CO2或(20-50)％CO2+(80-50)％Ar的保护气体条件下全位置焊接的镍基625药芯焊丝，符合AWSA5.34中ENiCrMo3T1-1和ENiCrMo3T1-4的要求，焊后焊缝熔敷金属抗气孔性、抗热裂纹性好，焊接工艺优良，焊缝成型美观。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术问题，提供一种具有极佳焊接工艺性、抗气孔和抗热裂纹性，焊缝成形美观的二氧化碳或混合气体保护用全位置焊接的镍基625药芯焊丝。
一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，采用镍带625作为包覆层时，镍带优选的宽度为：8-12mm，镍带的厚度为0.2-0.9mm，具体成分要求参照国家标准《GB/T2072-2007镍及镍合金带材》；药芯的组分及其重量百分比为：TiO2：3-12％，SiO2：1-6％，ZrO2：0.1-3％，MnO2：0.1-3％，Al2O3：0.1-5％，MgO：0.1-2％，NbO：2-6％；Fe2O3:2-4％，Cr：15-30％，Mo：5-15％，Nb：3-8％，MoFe：1-6％，Co：0-2％，Ce：0-1％，余量为镍粉及不可避免的杂质，药芯焊丝中的填充率为15-40％。
进一步，药粉中TiO2的含量小于10％，SiO2的含量大于2％，ZrO2在0.5-2.8％之间，MnO2在0.5-2.8％之间，Ce的含量在0-0.8％之间。
进一步，TiO2/ZrO2的质量比在2.3-3.3之间，SiO2/ZrO2的质量比在0.9-1.5之间，(TiO2+SiO2+ZrO2)/MnO2的质量比在5-13之间，NbO/Fe2O3的质量比在0.9-1.6之间。
进一步，药芯焊丝中杂质S的含量控制在0.005％以下，P的含量控制在0.015％以下，S+P的质量在0.005-0.02％之间；Fe的含量控制在3％以下。
进一步，TiO2与ZrO2的质量比例控制在2.3-3.3之间，SiO2与ZrO2的质量比例控制在0.9-1.5之间，(TiO2+SiO2+ZrO2)与MnO2的质量比例控制在5-13之间，具有良好的焊接工艺性能，焊缝成形美观；
进一步，NbO/Fe2O3的质量比控制在0.9-1.6之间，焊缝金属脱渣性好。
进一步，添加3-7％元素Nb，焊缝熔渣的表面张力小，焊缝熔池高温流动性好。
进一步，熔敷金属中Al质量控制在0.01-1％，Ti质量控制在0.01-2％之间，焊缝金属抗气孔性好。
进一步，添加0-0.8％稀土元素Ce，且熔敷金属中Ce/(S+P)的质量比例控制在0.1-6之间，改善焊缝金属液态流动性，提高抗热裂纹性。
其中，所述的TiO2以金红石或钛白粉的形式添加；所述SiO2以石英或长石的形式添加；所述ZrO2以锆英砂或化学纯的形式添加；所述MnO2以化学纯或锰矿的形式添加；所述NbO以化学纯的形式添加；所述Mo以纯金属及钼铁的形式添加，所述Co以纯金属的形式添加，所述Ce可以以化合物的形式添加。
如上所述的镍基625药芯焊丝，其中所述镍带优选为含钼量较高的镍带625，本发明药芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
如上所述镍基625药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选用宽度为8～12mm，厚度为0.2～0.9mm的625镍带作为药芯焊丝的外皮，并将其轧制成U型槽填入上述的药粉，药粉重量是焊丝重量的15-40％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径为0.9-1.6mm。
所述焊丝药芯的组分如下：
Ni：稳定和促进奥氏体形成元素，可提高镍基合金的高温强度、抗蠕变性能
Cr：稳定碳化物形成元素，主要作用是提高钢的抗氧化性和耐蚀性。
Mo：固溶强化元素，提高焊缝金属高温强度。同时，Mo还有降低合金热膨胀系数的作用。
Nb：固溶强化元素，提高焊缝金属的蠕变性能。同时，Nb可以替代Ti，从而改善焊缝熔池流动性。
TiO2：造渣，改善焊缝成型。然而，Ti元素过多，导致焊缝熔池流动性变差。
SiO2：稳弧、造渣、造气，改善电弧稳定性。
ZrO2：稳弧、造渣，降低飞溅，改善电弧稳定性。
NbO：改善焊缝金属的脱渣性。
Fe2O3：改善焊缝金属的脱渣性。
Mn：稳定和促进奥氏体形成，可提高熔敷金属的强度，可增加氮在熔敷金属中的溶解度，从而起到稳定奥氏体的作用。同时，锰还有脱氧和固定硫的作用，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止FeS的形成，从而降低镍基合金热裂纹敏感性。反应过程为：MnO2→Mn+O2，Si+O2→SiO2，Mn+S→MnS。
Al：强脱氧、固氮元素，焊接过程中铝的脱氧固氮反应可以消除空气中的氧、氮对熔滴熔池的侵害，有效消除气孔。
Mg：提高相位稳定性，抑制P、S、Si等低熔点化合物的生成，降低热裂纹敏感性，作用机制为Mg+S→MgS。
Co：细化晶粒，降低过热倾向性，具有一定的脱碳作用。
Ce：稀土元素，细化晶粒，抑制S、P等低熔点化合物的生成，改善焊缝金属抗热裂纹性。
本发明研制的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，适用于100％CO2和(20-50)％CO2+(80-50)％Ar的保护气体条件下高温、强腐蚀环境的焊接。焊后焊缝熔敷金属抗气孔性、抗热烈纹性好，焊接工艺优良，焊缝成型美观。
附图说明
图1为实施例1、4、5和6焊缝熔敷金属气孔数结果对比图。
图2为Fsico焊接裂纹测试装置示意图；
1为C型拘束框架，2为试件，3为紧固螺栓，4为齿形底座，5为定位塞片，6为调整板。
图3实施例1、4、5和6焊缝熔敷金属裂纹率测试结果对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
实施例1
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用10×0.4mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率22.5％，焊丝直径1.2mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：3.0％，SiO2：2.0％，ZrO2：1.7％，MnO2：0.9％，Al2O3：2.2％，MgO：0.3％，NbO：2.0％；Fe2O3：4.0％，Cr：21.4％，Mo：8.2％，Nb：1.9％，MoFe：3.0％，Co：0.4％，Ce：0.3％，余量为镍粉。采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量15mm。
实施例2
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用12×0.5mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率30％，焊丝直径1.6mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：4.2％，SiO2：0.9％，ZrO2：1.5％，MnO2：0.9％，Al2O3：3.0％，MgO：0.3％，NbO：2.4％；Fe2O3：4.0％，Cr：20.5％，Mo：8.2％，Nb：2.3％，MoFe：2.7％，Co：0.5％，余量为镍粉。采用30％CO2+70％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流150-180A，焊接电压28-32V，焊接速度30-40cm/min，干伸长量17mm。
实施例3
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用8×0.3mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率18％，焊丝直径0.9mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：2.6％，SiO2：1.1％，ZrO2：1.0％，MnO2：1.1％，Al2O3：0.3％，MgO：0.5％，NbO：2.8％；Fe2O3：3.5％，Cr：20.4％，Mo：7.7％，Nb：6.6％，MoFe：3.0％，Co：0.5％，Ce：0.4％，余量为镍粉。采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流130-150A，焊接电压28-32V，焊接速度30-40cm/min，干伸长量18mm。
实施例4
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用10×0.4mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率28％，焊丝直径1.2mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：4.0％，SiO2：1.9％，ZrO2：1.6％，MnO2：0.6％，Al2O3：0.3％，MgO：0.2％，NbO：2.5％；Fe2O3：2.5％，Cr：21.0％，Mo：8.0％，Nb：5.0％，MoFe：3.3％，Co：0.4％，Ce：0.2％，余量为镍粉。采用20％CO2+80％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
实施例5
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用10×0.4mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率25％，焊丝直径1.2mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：7.0％，SiO2：3.0％，ZrO2：2.5％，MnO2：1.2％，Al2O3：0.2％，MgO：0.5％，NbO：4.2％；Fe2O3：3.5％，Cr：19.1％，Mo：7.5％，Nb：3.0％，MoFe：2.0％，Co：0.6％，Ce：0.1％，余量为镍粉。采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
实施例6
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用10×0.6mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率15％，焊丝直径1.2mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：3.0％，SiO2：1.3％，ZrO2：1.0％，MnO2：0.7％，Al2O3：0.2％，MgO：0.2％，NbO：3.3％；Fe2O3：2.2％，Cr：22.3％，Mo：8.7％，Nb：4.4％，MoFe：3.0％，Co：0.5％，Ce：0.2％，余量为镍粉。采用50％CO2+50％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量16mm。
实施例7
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用8×0.2mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率35％，焊丝直径1.4mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：5.8％，SiO2：2.0％，ZrO2：1.5％，MnO2：0.9％，Al2O3：2.2％，MgO：0.4％，NbO：3.0％；Fe2O3：2.5％，Cr：19.5％，Mo：8.0％，Nb：2.4％，MoFe：2.8％，Co：0.5％，余量为镍粉。采用40％CO2+60％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流200-220A，焊接电压28-32V，焊接速度40-50cm/min，干伸长量20mm。
实施例8
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用12×0.7mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率40％，焊丝直径0.9mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：4.2％，SiO2：2.8％，ZrO2：1.5％，MnO2：0.9％，MgO：0.3％，NbO：4.2％；Fe2O3：2.1％，Cr：18.8％，Mo：7.3％，Nb：7.4％，MoFe：2.0％，Co：0.4％，Ce：0.5％，余量为镍粉。采用20％CO2+80％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流250-280A，焊接电压28-32V，焊接速度45-55cm/min，干伸长量17mm。
实施例9
用于镍基合金焊接的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝采用12×0.9mm的镍带625为外皮(成分如表1中所示)，填充率30％，焊丝直径1.4mm。药芯的化学组成(重量％)为：TiO2：5.5％，SiO2：2.8％，ZrO2：2.0％，MnO2：0.7％，MgO：0.5％，NbO：3.0％；Fe2O3:3.0％，Cr：18.5％，Mo：7.2％，Nb：6.1％，MoFe：2.3％，Co：0.5％，Ce：0.8％，余量为镍粉。采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流220-250A，焊接电压28-32V，焊接速度40-50cm/min，干伸长量20mm。
表1为实施例1-9中所使用的镍带625的化学成分(重量％)
将实施例1、4、5和6中制备的药芯焊丝进行焊接实验：焊丝直径为1.2mm，采用直流反接法，焊接电流固定在180-200A，焊接用试板尺寸300mm×80mm×12mm的304L不锈钢试板，焊接速度35-45cm/min，保护气体100％CO2或(20-50)％CO2+(80-50)％Ar，气体流量15-20L/min，干伸长量15-20mm。在平焊位置施焊，研究在28-32V焊接电压下各实施例焊缝熔敷金属气孔数结果对比见图1。
进一步，实施例1中
用于焊缝熔敷金属气孔数测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率22.5％，焊丝直径1.2mm，焊接采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量15mm。
进一步，实施例4中
用于焊缝熔敷金属气孔数测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率28％，焊丝直径1.2mm，焊接采用20％CO2+80％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
进一步，实施例5中
用于焊缝熔敷金属气孔数测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率25％，焊丝直径1.2mm，焊接采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
进一步，实施例6中
用于焊缝熔敷金属气孔数测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.6mm的镍带625为外皮，填充率15％，焊丝直径1.2mm，焊接采用50％CO2+50％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量16mm。
实施例1、4、5和6焊缝熔敷金属气孔数结果对比见图1。
将实施例1、4、5和6中制备的直径为1.2mm的药芯焊丝进行焊缝熔敷金属热裂纹测试，试验采用Fsico焊接裂纹测试方法GB4675.4-84(示意图如图2所示)。工艺参数同气孔测试。
进一步，实施例1中
用于焊接热裂纹测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率22.5％，焊丝直径1.2mm，焊接采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量15mm。
进一步，实施例4中
用于焊接热裂纹测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率28％，焊丝直径1.2mm，焊接采用20％CO2+80％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
进一步，实施例5中
用于焊接热裂纹测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.4mm的镍带625为外皮，填充率25％，焊丝直径1.2mm，焊接采用100％CO2作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量20mm。
进一步，实施例6中
用于焊接热裂纹测试的ENiCrMo3T1-1/4镍基药芯焊丝，采用10×0.6mm的镍带625为外皮，填充率15％，焊丝直径1.2mm，焊接采用50％CO2+50％Ar作为保护气体，气体流量15-20L/min，采用直流反接法，焊接电流180-200A，焊接电压28-32V，焊接速度35-45cm/min，干伸长量16mm。
裂纹率(C)计算公式：
C为裂纹率，％；∑lt为四条试验焊缝的裂纹长度之和；∑Lt为四条试验焊缝的长度之和。
实施例1、4、5和6焊缝熔敷金属裂纹率测试结果对比见图3。
表2各实施例药芯组成及工艺性能的对比如下：
注：k＝(TiO2+SiO2+ZrO2)/MnO2；
◎表示优，○表示良好，△表示一般，×表示不合格。
焊后进行熔敷金属化学成分和力学性能测试。熔敷金属化学成分及焊缝力学性能测试结果见表3。
表3焊丝的熔敷金属化学成分及焊缝力学性能测试结果：
注：A：CO2；B：Ar。

Claims (10)

1.一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，采用镍带625作为包覆层，药芯的组分及其重量百分比为：TiO2：3-12％，SiO2：1-6％，ZrO2：0.1-3％，MnO2：0.1-3％，Al2O3：0.1-5％，MgO：0.1-2％，NbO：2-6％；Fe2O3:2-4％，Cr：15-30％，Mo：5-15％，Nb：3-8％，MoFe：1-6％，Co：0-2％，Ce：0-1％，余量为镍粉及不可避免的杂质，药芯焊丝中的填充率为15-40％。
2.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，药粉中TiO2的含量小于10％，SiO2的含量大于2％，ZrO2在0.5-2.8％之间，MnO2在0.5-2.8％之间，Ce的含量在0-0.8％之间；TiO2/ZrO2的质量比在2.3-3.3之间，SiO2/ZrO2的质量比在0.9-1.5之间，(TiO2+SiO2+ZrO2)/MnO2的质量比在5-13之间，NbO/Fe2O3的质量比在0.9-1.6之间。
3.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝中杂质S的含量控制在0.005％以下，P的含量控制在0.015％以下，S+P的质量在0.005-0.02％之间，Fe的含量控制在3％以下。
4.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，TiO2与ZrO2的质量比例控制在2.3-3.3之间，SiO2与ZrO2的质量比例控制在0.9-1.5之间，(TiO2+SiO2+ZrO2)与MnO2的质量比例控制在5-13之间。
5.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，NbO/Fe2O3的质量比控制在0.9-1.6之间。
6.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，熔敷金属中Al质量控制在0.01-1％，Ti质量控制在0.01-2％之间。
7.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，0-0.8％稀土元素Ce，且熔敷金属中Ce/(S+P)的质量比例控制在0.1-6之间。
8.按照权利要求1的一种适用于全位置焊接的镍基625药芯焊丝，其特征在于，所述的TiO2以金红石或钛白粉的形式添加；所述SiO2以石英或长石的形式添加；所述ZrO2以锆英砂或化学纯的形式添加；所述MnO2以化学纯或锰矿的形式添加；所述NbO以化学纯的形式添加；所述Mo以纯金属及钼铁的形式添加，所述Co以纯金属的形式添加，所述Ce以化合物的形式添加。
9.制备权利要求1-8任一项所述的镍基625药芯焊丝的方法，其特征在于，选用宽度为8～12mm，厚度为0.2～0.9mm的625镍带作为药芯焊丝的外皮，并将其轧制成U型槽填入上述的药粉，药粉重量是焊丝重量的15-40％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径为0.9-1.6mm。
10.利用权利要求1-8任一项所述的镍基625药芯焊丝进行焊接的方法，其特征在于，焊接选用100％CO2或(20-50)％CO2+(80-50)％Ar气体作为保护气体。
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