CN108568614B - 一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条及其制备方法，采用含铬量不超过5%的低铬镍基焊线作为焊条的焊芯，设计出特殊的药皮配方并利用药皮中合金剂向焊缝过渡所需的Cr元素。由于纯镍或低铬镍基合金的电阻率较低，纯镍的电阻率仅为6.84×10^‑6Ω•cm（20℃），比铁的电阻率还低。镍基体中固溶的Cr含量不超过5%时，电阻率的变化也不大。由此可在根本上解决了镍铬合金高电阻引起的焊芯通电电阻热过热问题。可以使焊条设计长度增加至350‑400mm，极大地提高了生产效率并有效克服了剩余贵重焊条浪费过大的现象。

Description

一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条及其制备方法，具体涉及一种NiCrMo-6型抗药皮发红开裂镍基合金焊条，属于特种焊接材料技术领域。

背景技术

NiCrMo-6型镍基合金焊条焊接所获得的焊缝金属在液氮超低温尚具备非常高的焊态强度和冲击韧性，同时对抵抗高浓度氯化物介质腐蚀具有不可替代性，在化工装备制造及LNG液化天然气深冷装备制造中获得了广泛的应用。然而镍基焊条在焊接过程中存在的一个普遍问题是焊接至焊条长度后三分之一段时，药皮因受热发红极为严重，造成焊药过早分解至致开裂脱落，严重影响药皮对焊接过程的冶金保护效果。在工程应用中，操作者通常不得不将一长段价格昂贵的剩余焊条过早报废掉。对镍基合金这种贵重焊材而言，无疑造成材料的极大浪费，也增加生产制造成本。目前国内镍基焊条制造受焊条药皮发红开裂的制约，焊条的设计大都仅在300-350mm长。与常规350-400mm焊条相比，效率及成本均未达到理想状态。

镍基焊条焊接时药皮易于发红开裂的原因是过度受热。通常，焊条焊接时受到电弧的辐射热和焊芯通电电阻热的作用。电弧传热靠外热传递，而焊芯电阻热属内热，热量极其难以耗散且直接作用于药皮内表面。镍铬合金的电阻率过大，尤其是当镍基体中固溶的铬含量达到20%左右时，电阻率急剧增加，通常为100×10^-6Ω•cm（20℃）。与相同温度下铁的电阻率（9.71×10^-6Ω•cm）相比，约为其10倍。过大的电阻率使得焊接通电时焊芯电阻热极大，随着焊接时间的增加，导电焊芯电阻热的累计效应是导致焊条后三分之一段药皮发红开裂的主要原因。

中国发明专利《一种镍铬钼合金系的镍基焊条》（201210441799.9）公开了一种镍铬钼合金系的镍基焊条，包括焊芯和药皮组成。该专利给出的焊芯是采用ERNiCrMo-3型，其铬含量达21.0%-23.0%，正好达到镍铬合金电阻率最高的范围，因此在解决焊条后三分之一段药皮发红开裂问题方面不具备优势。中国发明专利《一种镍铬钼合金钢焊接用镍基电焊条》（201110328182.1）公开了一种可用于9Ni低温钢焊接的镍铬钼合金钢焊接用镍基电焊条。该焊条采用的焊芯仍然是含Cr量为18.0%-23.0%的NiCrMo-3型镍基材料，其焊接过程中的电阻热同样处于高发热状态。对解决镍基焊条焊接时药皮发红开裂仍尚未提出有效的技术措施。

现有技术存在以下缺陷：镍基合金焊条焊接至尾端三分之一时，由于电阻热作用的累计效应，药皮表现出过热后发红直至开裂、脱落。药皮发红意味着药皮组成中的造气剂已过早分解，并过早发生一系列冶金化学反应。这将使熔池的保护及冶金过程受到严重影响。而药皮的开裂则直接影响电弧的均匀性，药皮脱落就完全失去药皮的冶金作用。典型镍基焊条焊接尾部药皮发红开裂如图1所示。这些现象都严重影响焊接质量，形成焊接缺陷。

发明内容

目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条，能够有效地防止焊至尾端因药皮发红而导致开裂、造成焊药保护失效进而引发焊接缺陷，同时也可避免焊条过早报废造成的焊材浪费。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条，包括焊芯和药皮，其特征在于，药皮包括药皮粉料和粘结剂，粘结剂的加入质量为固体组份质量的20-25%；

所述焊芯成分满足：C≤0.015%、Mn：2.5~4.5%、Si≤0.5%、Cr：2~5%、Ni＞60%、Mo：6.0%~9.5%、Fe≤1.0~4.0%、W：1.2~2.0%、Nb+Ta：1.0~2.0%、S≤0.010%、P≤0.015%；

所述药皮粉料包括以下质量百分比的原料：大理石：25~29%、菱苦土4~8%、碳酸钡：3.5~5.5%、萤石：13~17%、硅铁：1~3%、钛铁：2~4%、钼铁：1~3%、金属铬：28~32%、天然硅灰石：4~8%、硅微粉：1~2%、氟硼酸钾：0.~1%、氟化稀土：0.5~1.5%、CMC：1~2%。

药皮粉料中组分的技术要求如下：

1）大理石：化学成分满足CaCO₃＞96%，S≤0.03%，P≤0.03%，粒度60-100目；

2）菱苦土：化学成分满足MgCO₃＞90%，S≤0.04%，P≤0.03%，粒度60-100目；

3）碳酸钡：化学成分满足BaCO₃＞98.5%，S≤0.03%，P≤0.03%，粒度60-100目；

4）萤石：化学成分满足CaF₂＞96%，S≤0.03%、P≤0.03%，粒度80-100目；

5）硅铁：化学成分满足Si：42%-47%，P≤0.04%，S≤0.02%，其余为Fe，粒度80-120目；

6）钛铁：化学成分满足Ti： 25-35%，Al≤8.0%，Si≤4.5%，S≤0.03%，P≤0.05%、C≤0.10%、Mn≤2.5%，其余为Fe，粒度60-120目；

7）钼铁：化学成分满足Mo≥55%，Si≤1.0%，C≤0.20%，S≤0.10%、P≤0.08%，其余为Fe，粒度90-130目；

8）金属铬：化学成分满足Cr＞98.5%，C≤0.03%，S≤0.02%、P≤0.01%；粒度：100-120目；

9）天然硅灰石：化学成分满足SiO₂：42%-45%、CaO：47%-50%，S≤0.04%、P≤0.04%，粒度80-100目；

10）硅微粉：化学成分满足SiO₂＞98%，S≤0.03%、P≤0.03%，粒度：200-250目；

11）氟硼酸钾：KBF₄＞98%，粒度≥40目；

12）氟化稀土：化学成分满足ReO≥83%(ReO：稀土氧化物)，CaO/ReO≥45%，F≥26%，粒度50-60目；

13）CMC：化学成分满足羧甲基纤维素纳CMC95%±2，NaCl≤2.5%，粒度：≥40目

作为优选方案，所述的粘结剂为钾钠比为1：1、模数M=3.1、波美浓度为41-43ºBe´的钾钠水玻璃。

上述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条的制备方法，包括以下步骤：

1）将药皮粉料组分中各原料按比例混合均匀后制成40目以下的混合粉料，

2）然后在混合粉料中加入粘结剂，搅拌均匀后制成具有一定粘性的药皮涂料；

3）将制得的药皮涂料在焊条压涂机上均匀裹覆于焊芯表面，然后经烘干、烘焙后，即得。

作为优选方案，所述的烘干温度为100~120 ℃，烘焙温度为360~380 ℃，保温1小时。

本发明采用含铬量不超过5%的低铬镍基焊线作为焊条的焊芯，设计出特殊的药皮配方并利用药皮中合金剂向焊缝过渡所需的Cr元素。由于纯镍或低铬镍基合金的电阻率较低，纯镍的电阻率仅为6.84×10^-6Ω•cm（20℃），比铁的电阻率还低。镍基体中固溶的Cr含量不超过5%时，电阻率的变化也不大。这在根本上解决了镍铬合金高电阻引起的焊芯通电电阻热过热问题。由此可以使焊条设计长度增加至350-400mm，极大地提高了生产效率并有效克服了剩余贵重焊条浪费过大的现象。

有益效果：本发明提供的一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其主要特色表现在焊接过程中药皮具有很好的抗发红开裂性能。焊条焊接至末端可以有效控制药皮发红程度，基本能保证药皮发红不致焊药失效、开裂、脱落。由于低铬镍基焊芯电阻率较碳钢还小，因此焊芯导电产生的电阻内热也比常规的高铬镍基焊芯小得多，焊芯承载电流热能力可以和普通碳钢焊条相当。同时在药皮组成设计上，采取增大耐高温材料及提高药皮结合强度措施。由此设计出合理的药皮组成，焊条的长度完全可以达到350-400mm的有效长度。采用上述方法获得的Inconel620镍基焊条，由于采用低铬含量的焊芯，配合高碱度熔渣的弱氧化性及Ti、Si脱氧剂的脱氧效果，可保证所需的金属Cr从药皮中向焊缝中过渡，既保证了焊芯的低电阻率不致电阻内热过大引起药皮发红开裂，又满足了焊缝金属中12~17%的Cr含量。兼顾两者达到了满意的技术效果。

附图说明

图1为现有技术中镍基焊条焊接尾部药皮发红开裂照片图；

图2为本发明抗药皮发红开裂镍基合金焊条与现有的尾部药皮发红开裂对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。本发明中%均为质量百分比。

实施例1： 该实施例的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，质量百分比组成如下：大理石：25%、菱苦土：8%、碳酸钡：3.5%、萤石：17%、硅铁：3%、钛铁：4%、钼铁：3%、金属铬：28%、天然硅灰石：4%、硅微粉：2%、氟硼酸钾：1%、氟化稀土：0.5%、CMC：1%。

将上述药皮粉料组分中各原料按比例混合均匀后制成混合粉料，然后在混合粉料中加入粘结剂，搅拌均匀后制成具有一定粘性的湿粉料。将制得的药皮粉料在25吨焊条压涂机上均匀裹覆于焊芯表面，然后经100~120 ℃烘干，再经360~380 ℃烘焙1小时后，即得所需焊条。

实施例2：该实施例的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，药皮质量百分比组成如下：大理石：27%、菱苦土：6%、碳酸钡：4.5%、萤石：15%、硅铁：2%、钛铁：3%、钼铁：2%、金属铬：30%、天然硅灰石：6%、硅微粉：1.5%、氟硼酸钾：0.5%、氟化稀土：1%、CMC：1.5%。

将上述药皮粉料组分中各原料按比例混合均匀后制成混合粉料，然后在混合粉料中加入粘结剂，搅拌均匀后制成具有一定粘性的湿粉料。将制得的药皮粉料在25吨焊条压涂机上均匀裹覆于焊芯表面，然后经100~120 ℃烘干，再经360~380 ℃烘焙1小时后，即得所需焊条。

实施例3：该实施例的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，药皮质量百分比组成如下：大理石：29%、菱苦土：4%、碳酸钡：5.5%、萤石：13%、硅铁：1%、钛铁：2%、钼铁1%、金属铬：32%、天然硅灰石：8%、硅微粉：1%、氟化稀土：1.5%、CMC：2%。

将上述药皮粉料组分中各原料按比例混合均匀后制成混合粉料，然后在混合粉料中加入粘结剂，搅拌均匀后制成具有一定粘性的湿粉料。将制得的药皮粉料在25吨焊条压涂机上均匀裹覆于焊芯表面，然后经100~120 ℃烘干，再经360~380 ℃烘焙1小时后，即得所需焊条。

实验证明：实施例1至实施例3的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，由于采用低铬含量的焊芯，配合高碱度熔渣的弱氧化性及Ti、Si脱氧剂的脱氧效果，可保证所需的金属Cr从药皮中向焊缝中过渡，既保证了焊芯的低电阻率不致电阻内热过大引起药皮发红开裂，又满足了焊缝金属中12~17%的Cr含量。兼顾两者达到了满意的技术效果。改进前后镍基合金焊条焊接尾部药皮发红开裂情况对比见图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条，包括焊芯和药皮，其特征在于，药皮包括药皮粉料和粘结剂，粘结剂的加入质量为固体组份质量的20-25%；

所述焊芯成分满足：C≤0.015%、Mn：2.5~4.5%、Si≤0.5%、Cr：2~5%、Ni＞60%、Mo：6.0%~9.5%、Fe≤1.0~4.0%、W：1.2~2.0%、Nb+Ta：1.0~2.0%、S≤0.010%、P≤0.015%；

所述药皮粉料包括以下质量百分比的原料：大理石：25~29%、菱苦土4~8%、碳酸钡：3.5~5.5%、萤石：13~17%、硅铁：1~3%、钛铁：2~4%、钼铁：1~3%、金属铬：28~32%、天然硅灰石：4~8%、硅微粉：1~2%、氟硼酸钾：0~1%、氟化稀土：0.5~1.5%、CMC：1~2%。

2.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：大理石的化学成分满足CaCO₃＞96%，S≤0.03%，P≤0.03%；

菱苦土的化学成分满足MgCO₃＞90%，S≤0.04%，P≤0.03%；

碳酸钡的化学成分满足BaCO₃＞98.5%，S≤0.03%，P≤0.03%；

萤石的化学成分满足CaF₂＞96%，S≤0.03%、P≤0.03%。

3.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：硅铁的化学成分满足Si：42%-47%，P≤0.04%，S≤0.02%，其余为Fe；

钛铁的化学成分满足Ti： 25-35%，Al≤8.0%，Si≤4.5%，其余为Fe；

钼铁的化学成分满足Mo＞55%，Si≤1.0%，C≤0.20%，S≤0.10%、P≤0.08%，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：金属铬的化学成分满足Cr＞98.5%，C≤0.03%，S≤0.02%、P≤0.01%；

硅微粉的化学成分满足SiO₂＞98%，S≤0.03%、P≤0.03%；

氟硼酸钾中KBF₄＞98%。

5.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：天然硅灰石的化学成分满足SiO₂：42%-45%、CaO：47%-50%，S≤0.04%、P≤0.04%。

6.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：CMC的化学成分满足羧甲基纤维素纳CMC95%±2%，NaCl≤2.5%。

7.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条，其特征在于：所述的粘结剂为钾钠比为1：1、模数M=3.1、波美浓度为41-43ºBe´的钾钠水玻璃。

8.根据权利要求1-7任一项所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条的制备方法，包括以下步骤：

1）将药皮粉料组分中各原料按比例混合均匀后制成混合粉料；

2）然后在混合粉料中加入粘结剂，搅拌均匀后制成具有一定粘性的药皮涂料；

3）将制得的药皮涂料在焊条压涂机上均匀裹覆于焊芯表面，然后经烘干、烘焙后，即得。

9.根据权利要求8所述的抗药皮发红开裂镍基合金焊条的制备方法，其特征在于：所述的烘干温度为100~120 ℃，烘焙温度为360~380 ℃。

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