CN109926751A

CN109926751A - 一种314耐热不锈钢金属芯焊丝

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Publication number: CN109926751A
Application number: CN201910314886.XA
Authority: CN
Inventors: 李国栋; 孔维; 周航; 孟晓亮
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2039-04-18
Also published as: CN109926751B

Abstract

一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，属于金属芯焊丝领域。采用304或310不锈钢带作为包覆层，包括金属铬粉、金属镍粉、中碳锰铁粉、75号硅铁粉、混合稀土粉、余量为还原铁粉。使得其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：C：0.06‑0.15％，Si：1.5‑2.0％，Mn：0.5‑2.5％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：23‑25％，Ni：19‑22％，RE:1.0‑2.0％，余量Fe。本发明焊丝制备的焊接接头具有更优良的性能。

Description

一种314耐热不锈钢金属芯焊丝

技术领域

本发明属于金属芯焊丝领域，具体涉及一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，主要用于314耐热不锈钢的焊接。

背景技术

314不锈钢属于奥氏体不锈钢，对应国内标准牌号为1Cr25Ni20Si2。它是一种高压耐热不锈钢，具有良好的耐高温性能、抗氧化性能强、耐蠕变性能及机械性能-等特点。314不锈钢在1500℃以下间断使用及在1200℃以下连续使用过程中，可保持其优良的性能，在1150－1300℃范围内使用效果最佳。目前314不锈钢目前主要用于高温炉管等行业。

314不锈钢为纯奥氏体组织，工作条件恶劣，使用温度高。为适应耐高温抗氧化等性能，314不锈钢焊接接头也需要为纯奥氏体组织，这种单相的纯奥氏体组织在焊接过程中，晶粒极易发生长大，在焊接应力作用下很容易发生开裂，常常导致焊接接头失效。

国标17853－2008及美标AWS A5.22中均无314不锈钢对应的焊接材料。目前314不锈钢焊接用填充材料主要是取自于314钢材，即采用线切割的方法从314板材切割长块状直条，或者将314钢材经拉拔制成丝材，然后再进行314钢材的焊接。取自于母材的这种焊材只能采用氩弧焊的方法来焊接314不锈钢。采用314板材切割的直条时，只能进行手工氩弧焊接，不能进行半自动化、自动化及机器人的氩弧焊接，也不可以用于惰性气体保护焊。

由于焊材直接取自于母材，焊材成分与母材成分相当。在焊接过程，在焊接电弧的高温作用下，这种取自于母材的焊材中的金属元素发生蒸发，导致进入到焊缝中的合金元素低于母材中的合金元素含量，焊接接头为低强匹配。这种低强匹配的焊接接头由于合金元素的不足，其耐高温性能、抗氧化性能、耐高温蠕变性能严重下降，使得整体焊接接头不适用于母材所处的工况，无法满足于其母材应用的服役条件，最终导致整个焊接结构很快失效。

目前由于无专用的314不锈钢焊接材料，有时用户使用310不锈钢焊丝进行焊接。310不锈钢和314不锈钢化学成份接近，但由于314不锈钢和310不锈钢用途及工作环境不同，采用310不锈钢焊接材料焊接314不锈钢时，同样存在着合金元素含量不足的问题，使得焊接接头在高温时的耐热性能有所下降，使得焊接结构件寿命降低。另一方面，目前市场上存在的310焊丝，由于该焊丝所焊焊缝组织为单相奥氏体组织，焊接过程中，晶粒极易发生长大，在焊接应力的作用下，即使是焊接310母材也很容易产生热裂纹，焊接314不锈钢时，更容易发生焊缝的开裂现象。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明研制了一种314耐热不锈钢金属芯焊丝。

一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用常用304不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为34－44％，金属镍粉的质量百分含量为43－53％，中碳锰铁粉的质量百分含量为1－7％，75号硅铁粉的质量百分含量为4－6％，混合稀土粉的质量百分含量为4－7％，余量为还原铁粉(可以为0或其他的百分含量，用于补足100％)；混合稀土粉的成分为：La₂O₃:30-32％，CeO₂:45-48％,Pr₂O₃:4-6％,Nd₂O₃:14-17％。药芯焊丝的填充率为30－35％。焊丝的直径范围为1.0－3.2mm。焊接电流范围为50－320A，焊接电压范围为22－35V。焊接保护气体为100％纯氩气，保护气体流量为10－25L/min。

本发明研制了一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用常用310不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为20－29％，金属镍的质量百分含量为18－29％，中碳锰铁的质量百分含量为1－3％，75号硅铁的质量百分含量为4－6％，混合稀土的质量百分含量为4－7％，余量为还原铁粉(可以为0或其他的百分含量，用于补足100％)。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:30-32％，CeO₂:45-50％,Pr₂O₃:4-6％,Nd₂O₃:14-17％。药芯焊丝的填充率为30－35％。焊丝的直径范围为1.2－3.2mm。焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为10－25L/min。

无论是采用304不锈钢钢带还是采用310不锈钢钢带制作的金属粉芯药芯焊丝，其熔敷金属的化学成份范围包括如下(质量百分含量)：

C：0.06-0.15％，Si：1.5-2.0％，Mn：0.5-2.5％，S≤0.030，P≤0.030，Cr：23-25％，Ni：19-22％，RE:1.0-2.0％。

本发明药芯焊丝中各组份成分及其作用如下：

金属铬：起到渗合金作用，提高焊接接头的硬度和强度，主要作用是提高钢的抗氧化性和耐蚀性。

金属镍：起到渗合金作用，稳定和促进奥氏体形成元素，提高奥氏体的稳定性，提高钢的高温强度、抗蠕变性能和耐高温性能。

中碳锰铁：碳和锰均为稳定和促进奥氏体形成元素，可提高钢的强度。同时，锰还有脱氧和固定硫的作用，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止FeS的形成，从而防止钢的热脆。

75#硅铁：焊接过程中脱氧，增加熔池金属流动性，提高钢的耐酸和耐热性能。

混合稀土：净化熔池，细化晶粒，提高焊缝金属的抗氧化性和耐腐蚀性能，改善和提高焊缝金属的抗蠕变能力，提高持久强度和高温断裂韧性。

还原铁粉：向焊缝过渡金属，改善导电率。

本发明的有益效果：

本发明研制了一种用于314不锈钢焊接用的氩弧焊和惰性气体保护焊专用金属芯焊丝，可用于高温用314不锈钢的焊接。

本发明与采用线切割等方法取自于314母材的直条相比，一方面，由于整个焊丝粗细均匀，可绕在焊丝盘上或桶状焊丝上，用于半自动化、自动化及机器手的焊接。另一方面，由于焊丝直径可调整，可根据实际焊接的板厚生产不同直径的焊接材料。采用药芯焊丝生产设备，其生产效率远大于采用线切割等方式取得的314直条，批量化生产更为方便高效。第三，由于针对314母材使用工况和服役条件，本发明合金含量略高于314直条的合金元素含量，更适合于314母材的使用工况和服役条件。第四，本发明与取自于母材的314直条或314丝材相比，焊接时可以使用的焊接电流范围更广，焊接速度更快，生产效率更高。第五，本发明焊丝抗裂性能更佳，高温性能更好。

本发明与314不锈钢线材相比，在焊接过程中，避免了合金元素烧损后造成的焊接接头性能下降问题。由于在本发明中加入了适当的稀土元素，其抗裂性能更好，耐高温性能更好。另一方面，采用惰性气体保护焊时，由于金属芯焊丝电流密度大，其焊接效率高于314不锈钢线材惰性气体保护焊的效率。

本发明与310焊丝相比，所焊焊接接头其合金元素含量更高，抗裂性更好，耐热性能更佳。

与采用线切割方式取得的直条、314线材及310焊丝相比，由于在金属芯焊丝中加入了适量提高高温强度的合金元素和净化焊缝的元素，采用本发明焊丝焊接314不锈钢时，其丝工艺性能优良，所焊焊接接头具有更优良的耐高温性能及抗裂性能。

具体实施方式

采用常规药芯焊丝生产线制造自保护不锈耐热药芯焊丝。先将钢带轧成U形，再向U形槽中加入配置好的金属粉，然后将U形槽合口，使药粉包裹其中。

选取本发明中的金属粉芯药芯焊丝具体实施。焊接母材选用314不锈钢。焊接坡口及焊缝试样按照GB/T17854-199和GB4334.5-90进行选取。具体实施例如下：

实施例1、选用8×0.3(宽度为8mm，厚度为0.3mm)的304不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为44％，镍的质量百分比为47％，中锰的质量百分比为1％，75号硅铁的质量百分含量为4％，混合稀土的质量百分比为4％。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:30％，CeO₂:48％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为50A，焊接电压为22V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为10L/min。

实施例2、选用8×0.4(宽度为8mm，厚度为0.4mm)的304不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为1.6mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为40％，镍的质量百分比为48％，中锰的质量百分比为2％，75号硅铁的质量百分含量为6％，混合稀土的质量百分比为4％。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为100A，焊接电压为25V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例3、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的304不锈钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为2.0mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为34％，镍的质量百分比为53％，中锰的质量百分比为4％，75号硅铁的质量百分含量为4％，混合稀土的质量百分比为5％。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:5％,Nd₂O₃:17％。焊接时采用的焊接电流为150A，焊接电压为26V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为20L/min。

实施例4、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的304不锈钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为2.4mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为40％，镍的质量百分比为43％，中锰的质量百分比为7％，75号硅铁的质量百分含量为5％，混合稀土的质量百分比为5％。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:32％，CeO₂:45％,Pr₂O₃:5％,Nd₂O₃:17％。焊接时采用的焊接电流为200A，焊接电压为29V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为25L/min。

实施例5、选用12×0.4(宽度为12mm，厚度为0.4mm)的304不锈钢带，填充率为33％。经拉拔，减径后得到直径为3.0mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为38％，镍的质量百分比为45％，中锰的质量百分比为5％，75号硅铁的质量百分含量为5％，混合稀土的质量百分比为7％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:32％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:5％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为240A，焊接电压为30V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例6、选用12×0.4(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的304不锈钢带，填充率为30％。经拉拔，减径后得到直径为3.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为42％，镍的质量百分比为46％，中锰的质量百分比为1％，75号硅铁的质量百分含量为6％，混合稀土的质量百分比为5％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:32％，CeO₂:48％,Pr₂O₃:5％,Nd₂O₃:15％。焊接时采用的焊接电流为300A，焊接电压为35V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例7、选用8×0.3(宽度为10mm，厚度为0.3mm)的310不锈钢钢带，填充率为35％。经拉拔，减径后得到直径为1.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为29％，镍的质量百分比为18％，中锰的质量百分比为3％，75号硅铁的质量百分含量为4％，混合稀土的质量百分比为4％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为50A，焊接电压为24V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例8、选用8×0.4(宽度为8mm，厚度为0.4mm)的310不锈钢钢带，填充率为33％。经拉拔，减径后得到直径为2.0mm的焊丝。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为27％，镍的质量百分比为20％，中锰的质量百分比为4％，75号硅铁的质量百分含量为6％，混合稀土的质量百分比为7％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为130A，焊接电压为25V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例9、选用10×0.4(宽度为12mm，厚度为0.4mm)的310不锈钢钢带，填充率为33％。经拉拔，减径后得到直径为2.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为26％，镍的质量百分比为26％，锰的质量百分比为1％，75号硅铁的质量百分含量为5％，混合稀土的质量百分比为6％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为150A，焊接电压为25V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例10、选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的310不锈钢钢带，填充率为30％。经拉拔，减径后得到直径为2.4mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为25％，镍的质量百分比为25％，锰的质量百分比为2％，75号硅铁的质量百分含量为4％，混合稀土的质量百分比为7％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为180A，焊接电压为25V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例11、选用12×0.5(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的310不锈钢钢带，填充率为30％。经拉拔，减径后得到直径为2.8mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为20％，镍的质量百分比为29％，中锰的质量百分比为1％，75号硅铁的质量百分含量为6％，混合稀土的质量百分比为7％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为200A，焊接电压为25V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

实施例12、选用12×0.5(宽度为12mm，厚度为0.5mm)的310不锈钢钢带，填充率为32％。经拉拔，减径后得到直径为3.2mm的焊丝。

粉芯中各合金成分的质量百分比为：铬的质量百分比为22％，镍的质量百分比为27％，中锰的质量百分比为2％，75号硅铁的质量百分含量为6％，混合稀土的质量百分比为7％，余量为还原铁粉。混合稀土粉的成分为：La₂O₃:31％，CeO₂:47％,Pr₂O₃:6％,Nd₂O₃:16％。焊接时采用的焊接电流为220A，焊接电压为26V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

对比例、焊材为采用线切割方法取自于314母材的直条，其尺寸为1000×2×2mm，焊接电流为200A，焊接电压为26V。焊接保护气体为纯氩气，保护气体流量为15L/min。

焊后进行熔敷金属化学成分、力学性能、腐蚀性能的测试。熔敷金属化学成分按照GB/T17854-1999进行测试，焊接接头力学性能按照GB228-76进行测试。熔敷金属化学成分见表1。焊缝力学性能测试结果见表2。从上述试验结果可以看出，焊接接头的性能完全符合GB(中国国家标准)的有关规定，并焊接接头具有良好的抗裂性能。

表1熔敷金属的化学成份(wt％)

表2焊接接头力学性能

Claims

1.一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用304不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分含量为34－44％，金属镍粉的质量百分含量为43－53％，中碳锰铁粉的质量百分含量为1－7％，75号硅铁粉的质量百分含量为4－6％，混合稀土粉的质量百分含量为4－7％，余量为还原铁粉，为0或其他的百分含量，用于补足100％；混合稀土粉的成分为：La₂O₃:30-32％，CeO₂:45-48％,Pr₂O₃:4-6％,Nd₂O₃:14-17％；药芯焊丝的填充率为30－35％。

2.按照权利要求1所述的一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝的直径范围为1.0－3.2mm。

3.权利要求1所述的一种314耐热不锈钢金属芯焊丝的应用，其特征在于，焊丝使用焊接电流范围为50－220A，焊接电压范围为22－32V。

4.一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，采用310不锈钢带作为包覆层，粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属铬粉的质量百分比为20－29％，金属镍的质量百分含量为18－29％，中碳锰铁的质量百分含量为1－3％，75号硅铁的质量百分含量为4－6％，混合稀土的质量百分含量为4－7％，余量为还原铁粉，为0或其他的百分含量，用于补足100％；混合稀土粉的成分为：La₂O₃:30-32％，CeO₂:45-50％,Pr₂O₃:4-6％,Nd₂O₃:14-17％；药芯焊丝的填充率为30－35％。

5.按照权利要求1所述的一种314耐热不锈钢金属芯焊丝，其特征在于，焊丝的直径范围为1.2－3.2mm。

6.权利要求1所述的一种314耐热不锈钢金属芯焊丝的应用，其特征在于，焊丝使用焊接电流范围为50－300A，焊接电压范围为22－35V。