CN105195924A

CN105195924A - 一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂及制造方法

Info

Publication number: CN105195924A
Application number: CN201510622281.9A
Authority: CN
Inventors: 郭枭; 徐锴; 陈佩寅; 陈波; 霍树斌; 冯伟; 张庆素; 胡晓波; 陈绍维; 刘满雨
Original assignee: HARBIN WEI'ER WELDING CO Ltd; HARBIN INST OF WELDING ACADEMY OF MECHANICAL SCIENCES
Current assignee: HARBIN WEI'ER WELDING CO Ltd; HARBIN INST OF WELDING ACADEMY OF MECHANICAL SCIENCES
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明提供的是一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂及制造方法。重量组成为：CaF₂：40-70份、SiO₂:5-20份、Al₂O₃:15-50份、CaO:8-15份、MgO：2-15份和合金剂：0-5份。本发明的镍基电渣堆焊焊剂，匹配镍基高Mn高Nb焊带，适合于反应堆压力容器、蒸汽发生器管板堆焊等重要结构件的堆焊，发明的电渣型焊剂，脱渣性能优良，焊道摊开性较好，无咬边现象，多层焊接不粘渣，无横向粘渣，边缘粘渣现象，脱渣容易。同时采用杂质含量较低的原材料，配套解决了镍基材料结晶裂纹，DDC等关键指标，因此具有良好的力学性能和耐蚀性能。

Description

一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂及制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种堆焊烧结焊剂，本发明也涉及一种堆焊烧结焊剂的制造方法。具体地说是一种用于压力容器内壁堆焊焊接的专用于镍基高Mn高Nb带极电渣堆焊焊剂及制备方法。

背景技术

随着核工业的发展，压水堆核电站蒸汽发生器管板一侧表面需要大面积堆焊镍基合金，其中带极堆焊材料为最常用的方法，堆焊效率较高，焊接方式包括：带极电渣堆焊和带极埋弧焊堆焊。根据核电技术和腐蚀介质要求，其材料从INCONEL600逐渐发展到INCONEL690材料，目前三代核电技术蒸汽发生器管板堆焊材料均采用INCONEL690材料，INCONEL690经历了从EQNiCrFe-7到EQNiCrFe-7A，其中EQNiCrFe-7A使用较多，但还存在DDC裂纹等一些问题，目前焊带已经发展到EQNiCrFe-14，目的是要解决裂纹敏感性问题。但针对这种焊带的焊剂的开发还不成熟，为此新型焊剂的开发变得尤为重要。

公开号为CN103447715A的专利文件中公开了“一种镍基合金埋弧焊用烧结剂及制备方法”，镍基合金埋弧焊用烧结剂的干粉组成中各组分的重量百分比CaF₂40-52％、Ai₂O₃38-40％、CaCO₃4-8％、铝粉0.5-3％、氟铝酸钠0.5-3％、粘接剂20-32％，粘结剂为钠钾1:1的水玻璃。其匹配的是ERNiCrMo-3焊丝。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能保证堆焊层的腐蚀性能，又具有较宽的焊接工艺参数，能降低堆焊层的裂纹敏感性的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂。本发明的目的还在于提供一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂的制造方法。

本发明的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂的重量组成为：CaF₂：40-70份、SiO₂:5-20份、Al₂O₃:15-50份、CaO:8-15份、MgO：2-15份和合金剂：0-5份。合金剂选择锰铁+铌铁。

本发明的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂的重量组成优选为：CaF₂：45-65份、SiO₂:5-11份、Al₂O₃:15-35份、CaO:10-15份、MgO：6-8份和(锰铁+铌铁)：0.5-4份。

本发明的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂的制造方法为：

(1)配料：按重量比组成为：CaF₂：40-70份、SiO₂:5-20份、Al₂O₃:15-50份、CaO:8-15份、MgO：2-15份和(锰铁+铌铁):0-5份的比例进行配料，其中配料采用全自动配方方式，排除人工的干扰，单个粉料控制精度可以达到2％，可以有效精确控制微量元素的加入量，使产品性能稳定。

(2)干混：搅动使粉末原料混合均匀；

(3)湿混：加入模数为2.6的钾钠水玻璃15-25％，K:Na＝1:1水玻璃均匀混合；

(4)造粒：将湿料进行转动造粒，达到10-80目得颗粒；

(5)预烘干：将造粒完成的湿混料采用了预烘干工艺，前期先清除粉料中较多的水分和结晶水，为后续烧结过程保持更加稳定的烧结温度，温度更加均匀，降低耗电量，达到节能效果。同时也更加有效防止在高温烧结时，水分不能及时排除对焊剂造成的影响，预烘干会更加有效降低粉料的含水量，提高产品的物理性能，在组合焊接过程中，提高熔敷金属的机械性能。

(6)烧结：在电炉中进行低温烧结和高温烧结，进一步消除焊剂的水分和结晶水，低温烧结温度，300℃±30℃，烧结温度770±30℃；

(7)筛分：进行筛分形成成品焊剂，筛分出细粉，使工艺性能更加优良。

本发明的焊剂为电渣型焊剂，由于INCONEL690材料有其特殊性，对堆焊层的要求较高，重点要关注堆焊层的裂纹敏感性、润湿性、DDC裂纹，为此对焊剂的要求较高，包括焊剂的工艺性能，焊剂的洁净度，工艺参数适应性。

本发明在总结目前成熟的镍基合金焊接材料的基础上，综合考虑各合金元素对镍基合金焊接材料力学性能、耐蚀性能及抗裂性能的影响，优化合金成分，从而保证研制镍基合金焊接材料性能达标，在焊接过程中镍基合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，在弧坑易产生裂纹，晶间液膜是引发镍基合金单相组织凝固裂纹的最主要冶金因素，内部成分不均匀或熔池不洁净，有C、S、P、Si等元素在熔池中形成低熔点共晶，结晶过程中杂质偏析现象比较严重，为防止焊接热裂纹的产生，必须控制S、P等杂质的含量，以提高熔敷金属的纯净度。首先，严格控制焊剂杂质元素C、SiO₂、S、P含量。选用含S、P等杂质元素低的粉料和合金作为焊剂制备原材料，调整合金化元素Nb、Ti、Mn和Mo等的含量，以降低熔敷金属结晶裂纹和DDC的敏感性。既要保证堆焊金属各项力学性能和腐蚀性能要求，又要具有良好的焊接工艺性能，特别是多层焊接工艺性能，镍基材料的粘度较大，焊接多层焊过程中易出现粘渣现象，为此要求开发的焊剂，具有合理的成分设计，焊剂碱度适中，工艺适应性较强。

本发明的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂主要由CaF₂、SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO和合金剂制成，各成分的作用如下：

CaF₂：主要作用为增加导电性，同时可以对工艺性能产生较大影响，起到造渣、脱硫、去氢作用。由于镍基合金的粘度较大，一般需要增加堆焊金属的摊开性，减少咬边等倾向，CaF₂过低，焊剂脱渣性能下降，熔渣粘度增大，成型不良，搭接过程中出现咬边现象，为此希望尽量高些，但是过高降低堆焊金属成型，同时带入过多的杂质元素，增加镍基裂纹敏感性。

SiO₂：主要作用是脱渣，改善工艺性能，但是含量过多的时候，使氧化性增强，加大堆焊层合金元素的烧损，降低堆焊金属的力学性能和腐蚀性能，同时过多的SiO₂也将会导致焊缝金属增硅，增加堆焊金属的裂纹敏感性，为此SiO₂优选含量控制在5-15％。

Al₂O₃:主要作用是脱渣，属于中性氧化物，可以改善焊缝成型，当含量过低时，熔渣的熔点和粘度较低，覆盖性较差，焊道波纹较粗，当含量过高时，熔渣的熔点增加，焊道的高温停留时间较短，导致摊开性较差，焊道易出现咬边现象，同时波纹变粗。

CaO：主要作用是造渣，调整碱度的作用，防止飞溅有一定好处，同时CaO具有脱S的作用，可以改善镍基堆焊金属的纯净度，但含量过高会影响焊缝成型，脱渣困难。

MgO：主要是造渣，提高熔渣的碱度，但是MgO熔点较高，加入过高，多提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性，加入量超过15％时候，会使焊道成型变差，脱渣困难。

(锰铁+铌铁)：主要作用是脱氧和补充合金烧损，同时加入一定量的合金为了降低镍基裂纹敏感性，改善金属的力学性能。

本发明通过对成分设计合理，制备出一种新型焊带匹配的电渣型烧结焊剂，该焊剂既能保证堆焊层的腐蚀性能，又具有较宽的焊接工艺参数。有效的杂质元素控制，降低堆焊层的裂纹敏感性，合理的碱度设计，解决多层焊工艺性能易出现粘渣现象。

本发明的镍基电渣堆焊焊剂，匹配镍基高Mn高Nb焊带，适合于反应堆压力容器、蒸汽发生器管板堆焊等重要结构件的堆焊，发明的电渣型焊剂，脱渣性能优良，焊道摊开性较好，无咬边现象，多层焊接不粘渣，无横向粘渣，边缘粘渣现象，脱渣容易。同时采用杂质含量较低的原材料，配套解决了镍基材料结晶裂纹，DDC等关键指标，因此具有良好的力学性能和耐蚀性能。

附图说明

图1为焊剂配方具体成分表。

图2为堆焊工艺参数表。

图3为焊剂堆焊工艺性能表。

图4为焊带化学成分表。

图5为堆焊金属未稀释化学成分表。

图6为堆焊金属性能表。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

具体实施方式一：

按照CaF₂：40-50份、Al₂O₃:15-20份、MgO：5-8份、SiO₂:5-8份、CaO:8-12份和(锰铁+铌铁)：0.5-1份的比例备好原料。

将矿物粉原料用过100目进行筛分，金属粉原料过40目进行筛分，然后将所有原料放入容器中进行充分干混。

加入原料总重量10-30％的水玻璃进行湿混，然后放入造粒机中进行造粒。

将颗粒在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度770±30℃，出炉冷却，筛分为10-80目的烧结焊剂，进行包装。

具体实施方式二：

本实施方式与具体实施方式一的区别在于原料的组成为CaF₂：60-70份、Al₂O₃:20-25份、MgO：7-10份、SiO₂:4-6份、CaO:10-15份和(锰铁+铌铁)：1-3份。其它步骤同具体实施方式一。

具体实施方式三：

本实施方式与具体实施方式一的区别在于原料的组成为CaF₂：50-60份、Al₂O₃:30-40份、MgO：5-8份、SiO₂:10-15份、CaO:12-15份和(锰铁+铌铁)：3-5份。其它步骤同具体实施方式一。

具体实施方式四：

本实施方式与具体实施方式一的区别在于原料的组成为CaF₂：54份、Al₂O₃:19份、MgO：7份、SiO₂:7份、CaO:12份和(锰铁+铌铁)：1份。其它步骤同具体实施方式一。将所得焊剂编号为FZ1。

具体实施方式五：

本实施方式与具体实施方式一的区别在于原料的组成为CaF₂：60份、Al₂O₃:20份、MgO：6份、SiO₂:5份、CaO:8份和(锰铁+铌铁)：1份。其它步骤同具体实施方式一。将所得焊剂编号为FZ2。

具体实施方式六：

本实施方式与具体实施方式一的区别在于原料的组成为CaF₂：46份、Al₂O₃:26份、MgO：8份、SiO₂:7份、CaO:10份和(锰铁+铌铁)：3份。其它步骤同具体实施方式一。将所得焊剂编号为FZ3。

本发明申请的具体实施方式四至六得到了三种焊剂FZ1-FZ3，三种焊剂的成分列于图1的表1中。依据国家标准GB/T17854和NB/T47018-2011中规定的焊剂成分，S≤0.035％，P≤0.040％，实际成分FZ1：S＝0.018，P＝0.020，FZ2：S＝0.016，P＝0.025，FZ3：S＝0.018，P＝0.027，均满足标准要求。

图2至图6列出了具体实施方式四至六得到了三种焊剂FZ1-FZ3所测试的各类指标和性能上，可以看出：

(1)本发明中的焊剂杂质含量低，尽量减少原材料中带来的有害杂质，降低焊剂中的氧含量，保证焊缝金属的纯净度。加入了CaO和(锰铁+铌铁)进一步增加堆焊金属的脱S、P效果。

(2)通过调整焊剂的熔点和表面张力，解决了镍基材料脱渣，焊道成型，咬边，多层焊粘渣等一系列问题，满足了核电领域蒸汽发生器管板等重要结构件的堆焊制造要求。

(3)本发明中的堆焊熔敷金属力学性能优良、抗裂纹开裂能力强，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题。

(4)本发明中生产制造镍基电渣型焊剂工艺简单，易操作，可实现稳定化生产。

Claims

1.一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂，其特征是重量组成为：CaF₂：40-70份、SiO₂:5-20份、Al₂O₃:15-50份、CaO:8-15份、MgO：2-15份和合金剂：0-5份。

2.根据权利要求1所述的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂，其特征是重量组成为：CaF₂：45-65份、SiO₂:5-11份、Al₂O₃:15-35份、CaO:10-15份、MgO：6-8份和合金剂：0.5-4份。

3.根据权利要求1或2所述的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂，其特征是所述的合金剂为锰铁+铌铁

4.根据权利要求1或2所述的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂，其特征是还含有NaF：0-3份。

5.根据权利要求3所述的镍基带极电渣堆焊烧结焊剂，其特征是还含有NaF：0-3份。

6.一种镍基带极电渣堆焊烧结焊剂的制造方法，其特征是：

(1)配料：按重量比组成为：CaF₂：40-70％、SiO₂:5-20％、Al₂O₃:15-50％、CaO:8-15％、MgO：2-15％和合金剂：0-5％的比例进行配料；

(2)干混：搅动使粉末原料混合均匀；

(3)湿混：加入模数为2.6的钾钠水玻璃，K:Na＝1:1水玻璃均匀混合；

(4)造粒：将湿料进行转动造粒，达到10-80目得颗粒；

(5)烧结：在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度770±30℃；

(6)筛分：进行筛分形成成品焊剂。