CN107553001B

CN107553001B - 一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝

Info

Publication number: CN107553001B
Application number: CN201710776766.2A
Authority: CN
Inventors: 刘�东; 张东海; 卢伟; 吕奎清; 徐文福; 续杰; 王中; 王哲; 杨恒闯; 刘玉双
Original assignee: Wuhan Temo Welding Consumables Co ltd
Current assignee: Wuhan Temo Welding Consumables Co ltd
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107553001A

Abstract

本发明提供了一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，按重量百分比计，包括如下化学成分：C：0.10～0.16％，Mn：1.6～2.1％，Si≤0.05％，P≤0.004％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.60％，Ni：0.50～0.8％，Cu≤0.05％，B≤0.0008％，Sb≤0.002％，Ti：0.02～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。该埋弧焊丝具有良好的强度和较高的低温冲击韧性，其抗拉强度大于580MPa，‑20℃低温冲击功保证在150J以上，且其配合增材制造专用焊剂进行核电构件的打印，具有打印工艺优良，成型美观，焊道细密的优点。

Description

一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝。

背景技术

增材制造是一种通过层层堆积的方式将数字化模型直接制造出实体零件的一种技术，是一种全新的短周期、低成本的制造技术，在航空、航天、核电装备以及生物医学等领域具有重要的应用前景。目前，国内外增材制造的研究开发已经成为制造技术的热门前沿，增材制造设备和符合增材制造要求的原材料是该技术的两大核心要素，各大院校和科研院所争相以各种项目为依托在进行相关的以电弧为热源的增材制造技术及相关原材料的研究和开发。但是，目前国内外公开发表的探讨以电弧为热源的增材制造技术(WAAM)的文章较少，仅涉及到成形过程温度场的演变及应力分布规律研究，电弧增材制造技术较其他热源的增材制造技术而言发展较为缓慢。

以电弧为热源的增材制造用焊接材料的开发这一项目，不仅是为焊材产业开辟了新的产品研制方向，对于焊材产业上游的钢铁制造产业，也将形成一个新的高附加值钢材品类。对于增材制造技术的应用领域将带来突破性进展。本项目的产品用于核电领域，本项目的成功研发对核电设备制造业也会带来技术革新的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，具有良好的强度和较高的低温冲击韧性，且打印工艺优良，成型美观。

本发明的技术方案是提供了一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，按重量百分比计，包括如下化学成分：C：0.10～0.16％，Mn：1.6～2.1％，Si≤0.05％，P≤0.004％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.60％，Ni：0.50～0.8％，Cu≤0.05％，B≤0.0008％，Sb≤0.002％，Ti：0.02～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝中化学成分的设计原则如下：

C是强烈的脱氧剂，是保证焊缝金属强度的重要元素，但碳过渡系数很小，用量过多会影响焊缝金属的低温冲击韧性，且易使焊缝的延展性大幅度下降，因此，为了保证焊缝金属具有良好的强度和较高的低温冲击韧性，本发明将碳的含量控制为0.10～0.16％。

Mn是脱氧剂，能够提高焊缝金属的强度和硬度，是奥氏体稳定元素，本发明中将Mn加入量控制为1.6～2.1％，若Mn加入量低于1.6％，则焊缝金属的强度不够，若Mn加入量过高，则会使焊缝金属的延展性、韧性变差，焊接接头脆硬，从而造成晶粒粗大。

Si作为脱氧剂加入，与Mn联合脱氧效果更佳，降低焊缝金属氧含量，提高低温冲击韧性，但Si加入量过多时易造成冲击韧性下降，且设计的增材制造打印件不允许含有Si，故本发明中将Si保持在最低限度，将Si含量控制在≤0.05％。

Mo可以细化晶粒，提高焊缝的强度和硬度，消除钢的脆性，提高冲击韧性，在焊接过程中基本不被氧化，过渡系数高达90％，若Mo加入量低于0.4％，作用不明显，Mo加入量高于0.6％，在高含锰量的焊丝中，对冲击韧性不利，因此，本发明中Mo的加入量控制在0.40～0.60％。

Ni是渗合金元素，可提高焊缝的韧性和强度，它与氧亲和力比铁小，焊接时基本不被氧化，过渡系数较高，若Ni的加入量低于0.5％，对韧性作用不明显，若Ni加入量高于0.8％，Ni会引起辐照脆化，因此，本发明中Ni的加入量控制在0.50～0.8％。

Cu是会引起辐照脆化元素，设计的增材制造打印件不允许含有Cu，故本发明中将Cu保持在最低限度，且拉拔过程也采用非镀铜工艺，保证焊缝中尽可能的不过渡Cu。

Ti可以细化晶粒，减少钢的偏析，在焊缝中形成的TiO、TiN作为针状铁素体的形核核心，从而促进针状铁素体的形成，提高焊缝金属的冲击韧性，本发明中Ti的加入量控制为0.02～0.008％。

S、P是有害杂质元素，若焊缝中含硫量过高，则在熔池结晶时易于偏析，从而增大了焊缝金属的热裂纹倾向，同时还降低了冲击韧性和抗腐蚀性，本发明中尽量降低S、P含量；而在核电设备中，P、B是对中子辐照脆化最敏感的元素，不仅降低焊缝的低温韧性，而且使辐照温度大大提高，对核电设备的正常运行产生很大的安全隐患，因此作为核电设备增材制造用的焊丝，要求材料具有较低的P、B含量，因此，本发明中控制焊丝中的S含量≤0.004％、P含量≤0.004％，B含量≤0.0008％。

Fe即铁粉，能改善电弧状态，余量加入。

作为一种优化方案，上述核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，按重量百分比计，化学成分为C：0.10％，Mn：2.1％，Si：0.01％，P：0.003％，S：0.002％，Mo：0.40％，Ni：0.50％，Cu：0.02％，B：0.0003％，Sb：0.001％，Ti：0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

作为一种优化方案，上述核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，按重量百分比计，化学成分为C：0.16％，Mn：1.6％，Si：0.015％，P：0.0031％，S：0.0025％，Mo：0.60％，Ni：0.80％，Cu：0.03％，B：0.00033％，Sb：0.0013％，Ti：0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。

作为一种优化方案，上述核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，按重量百分比计，化学成分为C：0.14％，Mn：1.9％，Si：0.019％，P：0.0028％，S：0.003％，Mo：0.50％，Ni：0.60％，Cu：0.032％，B：0.0004％，Sb：0.0016％，Ti：0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。

另外，传统的镀铜焊丝生产工艺较为成熟，且由于镀铜后焊丝便于保存而不会生锈，但在焊接过程中不可避免的会有少量的铜过渡到焊缝金属中去而对焊缝金属性能产生影响，本发明核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝在拉拔成焊丝过程中，采用非镀铜表面处理工艺拉拔而成。

本发明核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝与增材制造专用焊剂TM.SJ608HR焊剂匹配进行焊接，所述TM.SJ608HR焊剂包括按重量百分比计的如下组分：MgO：10～18％；CaF₂：25～31％；Al₂O₃：16～23％；TiO₂：2～5％；SiO₂：12～18％；CaO：12～18％；Na₃AIF₆：2～5％；Li₂CO₃1～2％；氟化稀土2～4％；MnO:0～2％；S≤0.01％；P≤0.01％。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的这种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝具有良好的强度和较高的低温冲击韧性，其抗拉强度大于580MPa，-20℃低温冲击功保证在150J以上。

(2)本发明提供的这种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝中将Cu含量保持在最低限度，且拉拔过程中采用无镀铜工艺，可有效避免铜过渡到焊缝金属中而对焊丝性能产生影响。

(3)本发明提供的这种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝配合增材制造专用焊剂进行核电构件的打印，具有打印工艺优良，成型美观，焊道细密的优点。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明中核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝化学成分冶炼了三炉焊丝钢，经过退火后，采用非镀铜的表面处理工艺拉拔成φ4.0的焊丝，其埋弧焊丝的化学成分如表1所示，增材制造专用焊剂TM.SJ608HR焊剂具体成分如表2所示，本发明埋弧焊丝与TM.SJ608HR焊剂配合使用后堆敷金属的化学成分和力学性能分别如表3和表4所示。

表1：埋弧焊丝化学成分(wt％)

	保证值	实施例1	实施例2	实施例3
					C	0.10～0.16	0.1	0.16	0.14
Si	≤0.05	0.01	0.015	0.019
					Mn	1.6～2.1	2.1	1.6	1.9
S	≤0.004	0.002	0.0025	0.003
					P	≤0.004	0.003	0.0031	0.0028
Ni	0.5～0.8	0.5	0.8	0.6
					Mo	0.4～0.6	0.4	0.6	0.5
Cu	≤0.05	0.02	0.03	0.032
					Sb	≤0.002	0.001	0.0013	0.0016
B	≤0.0008	0.0003	0.00033	0.0004
					Ti	0.02～0.08	0.02	0.08	0.06
Fe	余量	余量	余量	余量

表2：增材制造专用焊剂化学成分(wt％)

	MgO	CaF<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	TiO<sub>2</sub>	SiO<sub>2</sub>	CaO	Na<sub>3</sub>AIF<sub>6</sub>	Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>	氟化稀土	MnO
											实施例1	10	31	22	2	14	12	2	2	4	1
实施例2	18	25	16	3	12	18	5	1	2	0
											实施例3	11	26	23	5	18	10	3	1	2	1

表3：堆敷金属化学成分(wt％)

表4：堆敷金属力学性能

由表4可知，采用实施例1～3制备的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝与增材制造专用焊剂TM.SJ608HR焊剂匹配进行焊接，具有良好的脱渣、抗气孔、铺展性能等焊接工艺性能,焊道波纹细密，成型美观，且具有良好的强度和较高的低温冲击韧性，其抗拉强度大于580MPa，-20℃低温冲击功保证在150J以上。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：按重量百分比计，包括如下化学成分：C：0.10～0.16％，Mn：1.6～2.1％，Si≤0.05％，P≤0.004％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.60％，Ni：0.50～0.8％，Cu≤0.05％，B≤0.0008％，Sb≤0.002％，Ti：0.02～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：按重量百分比计，化学成分为C：0.10％，Mn：2.1％，Si：0.01％，P：0.003％，S：0.002％，Mo：0.40％，Ni：0.50％，Cu：0.02％，B：0.0003％，Sb：0.001％，Ti：0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：按重量百分比计，化学成分为C：0.16％，Mn：1.6％，Si：0.015％，P：0.0031％，S：0.0025％，Mo：0.60％，Ni：0.80％，Cu：0.03％，B：0.00033％，Sb：0.0013％，Ti：0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：按重量百分比计，化学成分为C：0.14％，Mn：1.9％，Si：0.019％，P：0.0028％，S：0.003％，Mo：0.50％，Ni：0.60％，Cu：0.032％，B：0.0004％，Sb：0.0016％，Ti：0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。

5.如权利要求1所述的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：在拉拔成焊丝过程中，采用非镀铜表面处理工艺拉拔而成。

6.如权利要求1所述的核电构件电弧增材制造用埋弧焊丝，其特征在于：与增材制造专用焊剂TM.SJ608HR焊剂匹配进行焊接。