CN109483083A - 核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法 - Google Patents

核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法。本发明通过增加焊带中Nb元素和N元素的含量，并对其他合金元素进行严格控制，得到了成分合理，能够提高焊接接头熔敷金属抗拉强度的焊带。采用上述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和与之配套的烧结焊剂进行焊接，能明显提高焊接接头熔敷金属的抗拉强度。实施例结果表明，本发明提供的方案能够得到室温条件下抗拉强度535MPa以上的熔敷金属。

Description

核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢 带极埋弧堆焊的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法。
背景技术
核电设备对材料的拉伸性能要求较高，需要使用抗拉强度较高的不锈钢材料。不锈钢材料在使用过程中，不可避免的会面临焊接问题，现有的焊带，如EQ308L焊带和埋弧焊剂，在不同的焊接参数下，熔敷金属在焊后和热处理后的抗拉强度均无法达到520MPa以上，不能满足核电用高强度不锈钢的焊接要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法，本发明提供的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带成分合理，与烧结焊剂配合使用，提高熔敷金属的抗拉强度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带，包括以下质量含量的组分：C≤0.02％，Si 0.30～0.65％，Mn 1.0～2.5％，Cr 19.5～21.0％，Ni 9.0～11.0％，Nb 0.1～0.3％，Mo≤0.50％，N 0.07～0.20％，Co≤0.05％，Cu≤0.50％，S≤0.015％，P≤0.025％，其余为Fe。
本发明提供了上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的制备方法，包括以下步骤：
将所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带组分对应的原料混合熔融，然后将所得熔料依次进行浇铸、锻造和轧制，得到核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
优选的，所述浇铸的温度为1580～1630℃。
优选的，所述锻造和轧制的温度独立地为1180～1230℃。
本发明提供了一种与上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或上述技术方案所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，包括以下质量份的组分：CaF2 7～15份，Al2O3 15～30份，SiO2 25～40份，CaO 10～25份，MgO≤5份，Cr粉1～4份，Ni粉0～1份，合金剂＜2份和粘结剂5～15份。
优选的，所述合金剂由铝粉和铝镁合金组成。
本发明提供了上述技术方案所述烧结焊剂的制备方法，包括以下步骤：
将所述烧结焊剂组分对应的原料混合，再依次经造粒和烧结，得到烧结焊剂。
优选的，所述烧结的温度为650～850℃，保温时间为50～70min。
本发明还提供了一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法，利用核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和与所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，进行带极埋弧堆焊；所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带为上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或上述技术方案所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
优选的，还包括对所述带极埋弧堆焊后的焊接接头进行热处理。
本发明提供了一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和与所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，其中核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带包括以下质量含量的组分：C≤0.02％，Si 0.30～0.65％，Mn 1.0～2.5％，Cr 19.5～21.0％，Ni 9.0～11.0％，Nb 0.1～0.3％，Mo≤0.50％，N 0.07～0.20％，Co≤0.05％，Cu≤0.50％，S≤0.015％，P≤0.025％，其余为Fe；烧结焊剂包括以下质量份的组分：CaF2 7～15份，Al2O3 15～30份，SiO2 25～40份，CaO 5～10份，MgO≤5份，Cr粉1～4份，Ni粉0～1份，合金剂＜2份和粘结剂5～15份。本发明通过增加焊带中Nb元素和N元素的含量，并对其他合金元素进行严格控制，得到了成分合理，能够提高焊接接头熔敷金属抗拉强度的焊带。
本发明提供的烧结焊剂，除具有稀渣、造渣、改善焊道成形的作用外，还能抑制Nb元素增加导致的粘渣问题。
采用上述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和与之配套的烧结焊剂进行焊接，能明显提高焊接接头熔敷金属的抗拉强度。实施例结果表明，本发明提供的方案能够得到室温条件下抗拉强度535MPa以上的熔敷金属。
具体实施方式
在本发明具体实施方式中，所用试剂或原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明提供了一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带，包括以下质量含量的组分：C≤0.02％，Si 0.30～0.65％，Mn 1.0～2.5％，Cr 19.5～21.0％，Ni 9.0～11.0％，Nb 0.1～0.3％，Mo≤0.50％，N 0.07～0.20％，Co≤0.05％，Cu≤0.50％，S≤0.015％，P≤0.025％，其余为Fe。
在本发明中，以质量含量计，所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带中，C优选为0.01～0.015％，更优选为0.012～0.015％；Si优选为0.32～0.45％，更优选为0.035～0.044％；Mn优选1.2～2.2％，更优选为1.80～2.05％；Cr优选为19.8～20.85％，更优选为20.00～20.80％；Ni优选为9.3～10.4％，更优选为9.35～10.20％；Nb优选为0.15～0.25％，更优选为0.15～0.23％；Mo优选＜0.01％，N优选为0.10～0.15％，更优选为0.10～0.13％；Co优选<0.01％；Cu优选＜0.01％，S优选0.002～0.005％，P优选0.011～0.017％，其余为Fe。
本发明提供的上述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的合金类型是308L，焊带的化学成分合理，C作为固溶强化元素，能够提高奥氏体不锈钢焊缝强度，在本发明所述范围内的C元素不仅能提高焊缝强度，还能抑制碳化物析出，确保焊缝具有较好的抗腐蚀能力；N元素作为奥氏体形成元素，也可通过固溶强化作用提高焊缝的强度，本发明所述用量范围的N元素既能发挥上述增强作用，还能避免焊缝中铁素体含量不足引发的焊接热裂纹，并能避免气孔或针状气孔缺陷产生；Nb元素与其他元素配合作用，通过析出强化作用，提高熔敷金属的抗拉强度。
本发明对所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的尺寸没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可，厚度具体可以为0.4mm或0.5mm；宽度具体可以为19mm、37.5mm、50mm、60mm、75mm或90mm；在本发明实施例中，所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的厚度为0.5mm，宽度为60mm，以0.5×60mm表示。
本发明提供了上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的制备方法，包括以下步骤：
将上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带组分对应的原料混合熔融，然后将所得熔料依次进行浇铸、锻造和轧制，得到核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
本发明将所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的组分对应的原料混合熔融，得到熔料。在本发明中，所述混合熔融的温度优选为1580～1630℃，更优选为1520～1560℃；混合熔融的时间优选为60～120min，更优选为65～80min。
得到熔料后，本发明将所述熔料依次进行浇铸、锻造和轧制，得到核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。在本发明中，所述浇铸的温度优选为1580～1630℃，更优选为1520～1560℃；所述锻造的温度优选为1180～1230℃，更优选为1200～1220℃，锻造后毛坯尺寸优选为3000×240×95mm；所述轧制的温度优选为1180～1230℃，更优选为1200～1220℃。在本发明中，所述轧制优选为多道次轧制，具体可以是5道次，每次轧制后，毛坯厚度的厚度分别为3.2mm、1.8mm、1.1mm、0.65mm和0.5mm。轧制过程中，在轧制产品的厚度为1.8mm，1.1mm，0.65mm时分别进行退火，退火温度均为1050℃。
本发明还提供了一种与上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或上述技术方案所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，包括以下质量份的组分：CaF2 7～15份，Al2O3 15～30份，SiO2 25～40份，CaO 10～25份，MgO≤5份，Cr粉1～4份，Ni粉0～1份，合金剂＜2份和粘结剂5～15份。
以质量份计，本发明提供的烧结焊剂包括CaF27～15份，优选为8～14份。以所述质量份的CaF2为基准，本发明提供的烧结焊剂包括Al2O3 15～30份，优选为18～27份；SiO2 25～40份，优选为26～35份；CaO 10～25份，优选为11～20份；MgO≤5份，优选为1～3份；Cr粉1～4份，优选为2～3份；所述Cr粉粒径优选为80～120目，更优选为80～100目；Ni粉0～1份，优选为0.1～0.3份；所述Ni粉的粒径优选为80～120目，更优选为80～100目；合金剂＜2份，优选为0.2～1.5份，更优选为0.5～1.0份；所述合金剂优选由铝粉和铝镁合金组成，所述铝粉和铝镁合金的质量比优选为1～2，更优选为1～1.5。在本发明中，所述铝粉的粒径优选为100～150目，更优选为100～120目。在本发明中，所述铝镁合金为本领域技术人员熟知的市售产品。
以所述质量份的CaF2为基准，本发明提供的烧结焊剂包括粘结剂5～15份，优选为7～12份，再优选为8～11份。在本发明中，所述粘结剂优选为钾钠水玻璃两种组分的混合物，混合物中两组分的质量比优选为1:1。
本发明提供的上述烧结焊剂中，CaF2具有稀渣、脱硫和去氢的作用，并能减轻焊道产生压痕的几率；Al2O3能造渣，改善焊道成形，特别对焊道表面波纹的改善作用较为明显。SiO2改善焊道成形，避免咬边、压痕等缺陷的产生；本发明所述用量的CaO可造渣、调节焊剂的碱度，脱硫，避免焊道表面成形的恶化；在本发明中，MgO作为造渣剂，能调节烧结焊剂的熔点，改善焊道成形；合金剂具有较强的还原性，还能解决焊接过程中粘渣问题；上述各组分配合作用，使烧结焊剂与核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带具有较佳的适配性，达到提高熔敷金属抗拉强度的目的。
在本发明中，所述烧结焊剂的粒径优选为10～60目。本发明对所述烧结焊剂的粒径控制方式没有特殊要求，可通过筛网筛选得到。
本发明提供了上述技术方案所述烧结焊剂的制备方法，包括将上述技术方案所述烧结焊剂组分对应的原料混合，再依次经造粒和烧结，得到烧结焊剂。本发明对所述烧结焊剂各组分对应原料没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的原料即可。本发明对所述原料的混合方式没有特殊要求，采用常规的方式混合即可。在本发明中，所述混合优选为先将氟化钙、氧化铝、二氧化硅、氧化钙、氧化镁、Cr粉、Ni粉和合金剂进行干混，然后将粘结剂添加至干混料中，混合均匀即可。在本发明中，所述混合优选在搅拌机中进行。
混合后，本发明优选将所得混合料进行造粒。本发明对所述造粒的具体实施方式没有特殊要求，能得到上述粒径范围的烧结焊剂即可。
造粒后，本发明对将所得颗粒料进行烧结，所述烧结的温度优选为650～850℃，保温的时间优选为50～70min。
烧结后，本发明优选将烧结后的物料进行冷却，得到烧结焊剂。
本发明还提供了一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法，利用核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和配套的烧结焊剂，进行带极埋弧堆焊；所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带为上述技术方案所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或上述技术方案所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
在本发明中，采用带极埋弧堆焊进行焊接时，焊接电流优选为700～850A，电弧电压优选为25～27V，焊接速度优选为140～170mm/min，层间温度≤177℃。
焊接后，本发明还包括对所述带极埋弧堆焊后的焊接接头进行热处理。在本发明中，所述热处理的方式优选为：将焊接后的焊接件入炉，升温至热处理温度后保温，然后降温至出炉温度，空冷。
在本发明中，入炉温度优选为425℃以下；升温至热处理温度的速度优选≤55℃/h；所述热处理的温度优选为595～620℃，更优选为600～610℃；所述保温的时间优选为40h；所述出炉温度优选425℃以下；降温至出炉温度的速率优选≤55℃/h。
在本发明中，采用带极埋弧堆焊进行焊接时，焊带与所述焊带配套使用的烧结焊剂的质量比优选为1:1.2～1.5，更优选为1:1.3。
本发明优选在上述条件下进行热处理，能进一步提高熔敷金属的抗拉强度。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带、烧结焊剂和核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照表1的组分提供原料，将原料混合后在1600℃下熔融80min，然后将熔融料在1600℃下浇铸，得到浇铸体；将所得浇铸体在1200℃下锻造成3000×240×95mm的毛坯，然后在1200℃下轧制，每次轧制后，厚度分别为3.2mm、1.8mm、1.1mm、0.65mm和0.5mm，在厚度为1.8mm、1.1mm和0.65mm时进行退火，退火温度均为1050℃，得到厚度为0.5mm，宽度为60mm的焊带。
按照表2的组分提供原料，其中，合金剂中铝粉和铝镁合金的质量比为1.3:1；粘结剂为钾钠1:1水玻璃；将原料混合熔融，造粒后再在800℃下烧结，得到粒径为10～60目的烧结焊剂。
采用带极埋弧堆焊进行焊接，焊接参数为：焊接电流优选为700～850A，电弧电压优选为25～27V，焊接速度优选为140～170mm/min，层间温度≤177℃；
焊接后，对焊接件进行热处理，热处理工艺为：425℃以下入炉、按照50℃/h的速率升温至595～620℃，保温时间40h，然后按照50℃/h的速率降温至425℃以下，出炉，空冷。
焊接和热处理时，设备运行过程中参数不断变化，以范围值表示焊接和热处理工艺参数。
实施例2～6
按照实施例1的方法制备焊带和烧结焊剂，烧结焊剂中合金剂为铝粉和铝镁合金按照1.3:1的质量比形成的混合物；按照实施例1的方式进行焊接和热处理。
对比例1
以市售普通EQ308L焊带和焊剂为对比例，具体组分见表1和2，按照实施例1的方法进行焊接。
表1实施例1～6和对比例1焊带化学成分(wt％)
备注：余量为Fe，表1中未列出。
表1中，对比例1和实施例1～6均满足美国标准ASME II卷C篇A5.9-2007的技术要求。
表2实施例1～6和对比例1烧结焊剂组成(质量份)
焊剂组成 CaF<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SiO<sub>2</sub> CaO MgO 铬粉 镍粉 合金剂
对比例1 8 27 26 23 2 2 0 0.5
实施例1 11 23 30 20 2 2.5 0 0.7
实施例2 14 18 35 15 2 2 0 1.0
实施例3 11 18 26 20 2 2 0 0.7
实施例4 8 23 35 15 2 2 0 0.5
实施例5 14 27 35 13 2 2 0.3 1.0
实施例6 11 27 30 11 2 2 0.2 0.7
性能表征结果
利用万能试验机，按照AWS B4.0M要求分别测量实施例1～6和对比例1焊后和热处理后熔敷金属的力学性能；按照ASTM A262 E法的要求测试实施例1～6和对比例1焊接接头的腐蚀性能；按照WRC-92图法计算了实施例1～6和对比例1熔敷金属的铁素体含量，测试和计算结果见表3。
表3实施例1～6和对比例1熔敷金属试验结果
由表3测试结果可知，虽然对比例1、本申请实施例1～6的焊带和焊剂的组成均满足美国标准ASME II卷C篇A5.9-2007的技术要求，但其具体元素的含量并不相同，使得焊接后熔覆金属的性能相差极大，这表明本发明提供的方案，各元素之间存在协同作用，相互配合才能实现熔覆金属抗拉强度的提升。
由以上实施例可知，本发明提供的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和烧结焊剂的匹配性较好，相对于市售同类产品而言，本发明提供的焊带和焊剂，焊接后熔覆金属中的铁素体含量较低，抗拉强度和拉伸性能有明显提升，且还具有优异的耐腐蚀性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带，包括以下质量含量的组分：C≤0.02％，Si0.30～0.65％，Mn 1.0～2.5％，Cr 19.5～21.0％，Ni 9.0～11.0％，Nb 0.1～0.3％，Mo≤0.50％，N 0.07～0.20％，Co≤0.05％，Cu≤0.50％，S≤0.015％，P≤0.025％，其余为Fe。
2.权利要求1所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带的制备方法，包括以下步骤：
将所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带组分对应的原料混合熔融，然后将所得熔料依次进行浇铸、锻造和轧制，得到核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
3.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸的温度为1580～1630℃。
4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述锻造和轧制的温度独立地为1180～1230℃。
5.一种与权利要求1所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或权利要求2～4任一项所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，包括以下质量份的组分：CaF2 7～15份，Al2O3 15～30份，SiO2 25～40份，CaO 10～25份，MgO≤5份，Cr粉1～4份，Ni粉0～1份，合金剂＜2份和粘结剂5～15份。
6.如权利要求5所述的烧结焊剂，其特征在于，所述合金剂由铝粉和铝镁合金组成。
7.权利要求5或6所述烧结焊剂的制备方法，包括以下步骤：
将所述烧结焊剂组分对应的原料混合，再依次经造粒和烧结，得到烧结焊剂。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为650～850℃，保温时间为50～70min。
9.一种核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法，利用核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带和与所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带配套使用的烧结焊剂，进行带极埋弧堆焊；
所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带为权利要求1所述核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带或权利要求2～4任一项所述制备方法制备得到的核电用不锈钢带极埋弧堆焊焊带。
10.如权利要求9所述的核电用不锈钢带极埋弧堆焊的方法，其特征在于，还包括对所述带极埋弧堆焊后的焊接接头进行热处理。
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