CN105081620B - 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
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。Inconel 625(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AWS A5.34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/T 2072-2007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,药粉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,药芯焊丝中药粉的填充率为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,含有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以纯金属或钼铁的形式添加,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的镍带625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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