CN105215571A

CN105215571A - 添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带及焊接方法

Info

Publication number: CN105215571A
Application number: CN201510607716.2A
Authority: CN
Inventors: 徐锴; 王弘昶; 郭枭; 谷雨; 冯伟; 左波; 邹力维; 余燕; 张庆素; 梅乐; 陈绍维
Original assignee: HARBIN WEI'ER WELDING CO Ltd; HARBIN INST OF WELDING ACADEMY OF MECHANICAL SCIENCES; Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Current assignee: HARBIN WEI'ER WELDING CO Ltd; HARBIN INST OF WELDING ACADEMY OF MECHANICAL SCIENCES; Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明提供的是一种添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带及焊接方法。焊带的重量百分比组成为C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：<5.0％；S：<0.015％；P：<0.020％；Cr：28.0-31.5％；Fe：7.0-12.0％；Nb：<2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；余量为镍。本发明属于NiCrFe系镍基合金焊带，可适用于带极埋弧堆焊与电渣堆焊两种工艺，配合相应焊剂可适用于核电站核岛关键部件的制造中，焊带中添加了Mn元素和Nb元素，显著提高了堆焊熔敷金属抗高温失塑性裂纹的性能，并且使堆焊熔敷金属具有遇较强的抗结晶裂纹、抗应力腐蚀裂纹能力，具有优异的抗腐蚀能力，综合力学性能优良。配合焊剂堆焊，焊道成型美观，波纹致密，脱渣容易，无焊接缺陷。

Description

添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带及焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接材料，尤其是一种NiCrFe型镍基合金焊带。

背景技术

随着国家将核电列为未来能源升级转型的重要方向以及世界核电技术的迅速发展，以AP1000为代表的三代非能动核电技术开始占据主导地位，核电站核岛关键部件正逐步向大型化发展，对反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器等压力容器要求越来越高，蒸汽发生器作为核电站能量交换的枢纽，核岛一回路的边界，其管板一次侧要求堆焊镍基合金，以实现抗腐蚀、耐高温等质量要求。对于大面积堆焊而言，手动电弧焊和丝极堆焊效率低，堆焊层与基层母材结合处、堆焊层金属内部极易产生焊接缺陷，从而减少蒸汽发生器的寿命，影响核电站的正常运行，甚至引发严重的核泄漏事故。

蒸汽发生器管板堆焊的主要要求如下：

(1)优良的焊接工艺性，具体包括稳定的焊接过程，飞溅小，烟尘量小，光滑、美观的焊道表面，均匀致密的波纹，良好的脱渣性，无气孔、夹渣、咬边、未熔合等焊接缺陷；

(2)具有较低的稀释率，以保证堆焊层的化学成分；

(3)堆焊层金属应具有优良的抗热裂纹能力，抗腐蚀能力；

(4)较高的焊接效率。

镍基合金焊接主要的难点是镍基合金对热裂纹的敏感性较高，对高温失塑性裂纹、结晶裂纹、应力腐蚀裂纹等微小裂纹难以控制，目前广泛应用于核电站蒸汽发生器管板堆焊的是改进的NiCrFe型合金焊带，改进NiCrFe型合金是在传统NiCrFe型合金的基础上发展出来，改进NiCrFe型合金显著提高了堆焊层抗高温失塑性裂纹的能力，但其仍然具有较高的裂纹敏感性，不能充分满足蒸汽发生器管板的焊接要求。NiCrFe型合金焊带电渣堆焊的拉伸强度较低，无法满足目前主流的技术指标要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能大幅度提高堆焊金属抗高温失塑性裂纹的能力，可以实现稳定的焊接，获得综合性能优良的焊层的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带。本发明的目的还在于提供一种添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的重量百分比组成为C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：<5.0％；S：<0.015％；P：<0.020％；Cr：28.0-31.5％；Fe：7.0-12.0％；Nb：<2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；余量为镍及其他不可避免杂质。

本发明的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带还可以包括技术特征：

1、Mn的重量百分比含量选择为2.5-5.0％。

2、Nb的重量百分比含量选择为1.0-2.5％。

3、Si的重量百分比含量选择为0-0.20％。

4、S的重量百分比含量选择为0-0.005％。

5、P的重量百分比含量选择为0-0.005％。

6、Ni的重量百分比含量选择为58-60％。

本发明的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的焊接方法之一是：采用带极埋弧堆焊焊接工艺，焊接电流800-850A，焊接电压29V，焊接速度160mm/min。

焊带配合埋弧焊焊剂所得堆焊层金属中各成分相对于该堆焊金属的重量百分比分别为：C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：<5.0％；S：<0.015％；P：<0.020％；S+P：＜0.010％；Cr：28.0-31.5％；Fe：7.0-12.0％；Nb：<2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；余量为镍及其他不可避免杂质。

本发明的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的焊接方法的焊接方法之二是：采用带极电渣堆焊焊接工艺，焊接电流1000-1050A，磁控电流2.5A，焊接电压26V，焊接速度180mm/min。

焊带配合电渣焊焊剂所得堆焊层金属中各成分相对于该堆焊金属的重量百分比分别为：C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：<5.0％；S：<0.015％；P：<0.020％；S+P：＜0.010％；Cr：28.0-31.5％；Fe：7.0-12.0％；Nb：<2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；余量其他不可避免杂质。

本发明提供了一种镍基合金焊带，通过控制焊带中Mn、Nb元素的含量，焊带中Mn、Nb含量较高，在改进NiCrFe型合金的基础上大幅度提高了堆焊金属抗高温失塑性裂纹的能力，还可以保证埋弧堆焊与电渣堆焊的强度满足技术指标要求，同时可以实现稳定的焊接过程，获得焊接质量高，综合性能优良的堆焊层。

提高堆焊层金属抵抗高温失塑性裂纹的能力，是保证蒸汽发生器管板堆焊质量的关键，合适的堆焊层化学成分是保证较强的抗裂纹能力的主要原因，下面通过合金元素在堆焊金属中的作用对本发明所提供的焊带的特点加以说明。

Cr：Cr影响影响苛性应力腐蚀的关键因素，对于xCr-60％Ni-Fe合金系，Cr含量低于28％时，合金苛性应力腐蚀倾向增大，当其含量为30％时，苛性碱应力腐蚀倾向最小，控制在28-31.5％；

Al：脱氧元素。

Ti：脱氧元素。

Mn：Mn元素作为有益的合金元素加入，由于Mn可以增加固液相的界面能，减小晶界液膜的形成，降低结晶过程热裂纹的敏感性，从而减轻S、P杂质元素的有害影响。Mn的加入还可以影响基体的固溶度，夹杂物的形成、数量，低熔点相的液化温度等，控制Mn在2.5-5.0％。

Nb：Nb元素的加入一方面可以增强合金抗晶间腐蚀能力，因为相比于Cr，Nb与C的结合力更强。另一方面，Nb的加入可以有效降低合金的DDC裂纹敏感性，Nb的碳化物在晶界的析出，让晶界更加曲折蜿蜒，从而增加了晶界滑移的阻力。但Nb的加入会同时增加合金的结晶区间，增大合金的结晶裂纹敏感性，因此控制Nb在1.0-2.5％。

S和P等有害元素能增加堆焊金属热裂纹的敏感性，同时又会引起晶界的脆化，增加DDC敏感性。考虑到焊剂的增S、P冶金特性，严格控制焊带中S≤0.003％，P≤0.005％，对于带极埋弧堆焊与带极电渣堆焊，控制熔敷金属的S+P＜0.01％以防止产生结晶裂纹敏感性。

Si在凝固时会发生偏析而形成低熔点共晶组分，特别是和Ni组合后，为此控制焊带Si≤0.20％。

本发明的有益效果是：本发明所提供的焊带配合电弧焊剂与电渣焊剂，均可实现稳定的焊接过程，获得熔敷效率高、稀释率低、脱渣性好、成型美观的堆焊金属，并且所得堆焊层与其他同类产品相比具有以下显著效果:

(1)较低的C、S、P、Si含量；

(2)较高的Mn含量，结晶裂纹敏感性低；

(3)适当的Nb含量，高温失塑性裂纹敏感性低；

(4)埋弧堆焊与电渣堆焊熔敷金属拉伸试件断后表面无裂纹；

(5)电渣焊堆焊层金属力学性能优良。

本发明的焊带属于NiCrFe系镍基合金焊带，可适用于带极埋弧堆焊与电渣堆焊两种工艺，配合相应焊剂可适用于核电站核岛关键部件的制造中，焊带中添加了Mn元素和Nb元素，显著提高了堆焊熔敷金属抗高温失塑性裂纹的性能，并且使堆焊熔敷金属具有遇较强的抗结晶裂纹、抗应力腐蚀裂纹能力，具有优异的抗腐蚀能力，综合力学性能优良。配合焊剂堆焊，焊道成型美观，波纹致密，脱渣容易，无焊接缺陷。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

按照表一所提供焊带的化学成分选原料，经冶炼-浇注-锻轧-热轧-酸洗-冷轧-分条、分卷制成钢带，规格为0.5mm厚，60mm宽，焊带标记为HD1。分别采用埋弧工艺及电渣工艺在40mm厚的SA508-III钢上进行焊接。

(1)带极埋弧堆焊：选用HD1，焊接电流800-850A，焊接电压29V，焊接速度160mm/min；

(2)带极电渣堆焊：选用HD1，焊接电流1000-1050A，磁控电流2.5A，焊接电压26V，焊接速度180mm/min；

(3)分别记录埋弧堆焊与电渣堆焊两种工艺的焊接工艺性，并进行评价，检测堆焊金属的化学成分和力学性能。

表一HD1焊带化学成分(重量％)

C	Si	Mn	S	P	Cr	Nb
							0.024	0.18	3,96	0.002	0.001	29.57	2.37
Al	Ti	Mo	Cu	Co	Fe	残余物质
							0.18	0.50	0.003	0.05	0.002	9.00	Ni及不可避免杂质

表二带极堆焊焊接工艺参数

表三堆焊工艺性能

表四堆焊层金属化学成分

表五堆焊层力学性能及探伤结果

通过以上焊接测试，可以看到：

(1)本发明中的焊带埋弧焊与电渣焊堆焊金属抗裂纹开裂能力强，攻克了同类产品裂纹敏感性高的问题；

(2)本发明中的焊带埋弧堆焊与电渣堆焊焊接工艺性能优良，满足核岛蒸汽发生器管板堆焊的制造要求；

(3)本发明中的焊带堆焊熔敷金属力学性能优良，满足主流技术指标要求，尤其解决了同类产品电渣焊拉伸强度低的难题。

总之，本发明所提供的焊带，可以使用埋弧堆焊与电渣堆焊两种工艺，焊接工艺性优良，力学性能满足技术指标要求，尤其抗裂性出色，各项性能均满足重要部件制造要求。

Claims

1.一种添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：重量百分比组成为C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：<5.0％；S：<0.015％；P：<0.020％；Cr：28.0-31.5％；Fe：7.0-12.0％；Nb：<2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；余量为镍及其他不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：Mn的重量百分比含量为2.5-5.0％。

3.根据权利要求2所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：

Nb的重量百分比含量为1.0-2.5％。

4.根据权利要求3所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：Si的重量百分比含量为0-0.20％。

5.根据权利要求4所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：S的重量百分比含量为0-0.005％。

6.根据权利要求5所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：P的重量百分比含量为0-0.005％。

7.根据权利要求6所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带，其特征是：Ni的重量百分比含量为58-60％。

8.一种基于权利要求所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的焊接方法，其特征是：采用带极埋弧堆焊焊接工艺，焊接电流800-850A，焊接电压29V，焊接速度160mm/min。

9.一种基于权利要求所述的添加Mn和Nb的核电用NiCrFe合金堆焊焊带的焊接方法，其特征是：采用带极电渣堆焊焊接工艺，焊接电流1000-1050A，磁控电流2.5A，焊接电压26V，焊接速度180mm/min。