CN110480208A - 用于lng储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺，按质量百分比计，其组分为：Cr：20.0~23.0%，Mo：8.0~10.0%，Nb：3.15~4.15%，Fe≤5.0%，Co≤1.0%，Mn≤0.50%，Al≤0.40%，Ti≤0.40%，Si≤0.50%，C≤0.10%，S≤0.015%，其余为Ni。制备方法的步骤为：制备方法步骤为：A.合金熔炼，浇注成电极棒；B.电渣重熔；C.锻造开坯；D.热轧退火；E.酸洗、修磨；F.拉拔；G.去氢退火，氢退处理后进行矫直；H.绕盘状。焊接工艺为：焊接电流：360~380A，电压：26~28V，焊接速度：50~100cm/min，电流种类：交流。

Description

用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺
技术领域
本发明涉及镍基合金焊丝的制备技术。
背景技术
液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）作为清洁能源越来越受到青睐，在能源供应中的比例迅速增加，正在成为世界油气工业新的热点。随着我国能源战略布局的调整，国家对能源需求的不断增长，液化天然气已经成为我国越来越重要的能源。LNG储罐作为储存和运输液化天然气的专业产品，有效解决了能源供应安全、生态环境保护的问题，实现经济和社会的可持续发展。
采用06Ni9DR钢制造LNG储罐时，不仅能提升储罐整体结构的可靠性，而且能减少液化天然气的浪费。但是，由于06Ni9DR钢的焊接难度大、技术含量高，在焊接过程中容易产生冷热裂纹、低温冲击韧性下降和由于磁性引起的电弧磁偏吹现象，导致产生未焊透、夹杂、气孔等缺陷，在一定程度上影响了LNG储罐的制造质量。
LNG储罐制造过程中焊接所需的焊丝大多都依赖于进口，并且在国产特种焊材体系中，很少出现此类完全适用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝，对该方面的相关技术报道也极少。因此，对该镍基合金焊丝具有如下技术要求：焊丝需有光滑的表面，无对焊接特性、焊机操作或焊缝金属性能有不利影响的裂缝、凹坑、划痕、氧化皮、皱纹、折叠及外来物；焊丝缠绕在直径为200mm焊丝盘上时，250mm≤松弛直径≤890mm，翘距≤19mm；焊丝的抗拉强度在690~825MPa之间，轴向维氏显微硬度平均值在274左右，径向维氏显微硬度平均值在278左右，延伸率≥20.0%，且应与母材保持等塑性和等强度匹配原则。
用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝在多道次拉拔过程中容易产生加工硬化，使得焊丝的塑性和韧性有所下降，增加了其硬度和强度，导致焊丝在拉拔过程中被拉断而不能达到生产要求。为使材料达到较高的软化程度，恢复材料的塑性，防止在后续加工过程中将焊丝拉断，需要对焊丝进行多次退火。其次，在焊丝拉拔到直径为2.3mm的硬态时需进行一次光亮化去氢退火处理，在防止产生氢脆的同时保持其表面的光亮、整洁。
此外，依照现有的丝材加工工艺和生产设备，该镍基合金可制备成规格为φ1.2mm~φ2.3mm不等的焊丝，根据LNG储罐的制造工艺可用于钨极氩弧焊、CO2气体保护焊、自动埋弧焊等多种焊接方法的生产加工。值得注意的是采用该焊丝焊接LNG储罐罐体材料06Ni9DR钢时，尽量采用多道焊来减少高温停留时间，可以最大程度上避免热影响区在高温热循环作用下出现低温韧性下降，从而来提高焊丝在特定服役环境下的使用性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺。
本发明是用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺，用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝，按质量百分比计，其组分为：Cr：20.0~23.0%，Mo：8.0~10.0%，Nb：3.15~4.15%，Fe≤5.0%，Co≤1.0%，Mn≤0.50%，Al≤0.40%，Ti≤0.40%，Si≤0.50%，C≤0.10%，S≤0.015%，其余为Ni，进行配料制备而成。
本发明的用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的制备方法，其步骤为：
A.合金熔炼，根据以上所述组分进行配料，将原料投入真空感应炉中进行熔炼，浇注成电极棒；
B.电渣重熔，采用现有的气氛保护电渣重熔炉，将电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，电渣重熔过程由氩气保护，所用的重熔渣料成分为SiO2：1%，Al2O3：22%，FeO：0.1%，TiO2：3%，MgO：5%，CaF2：48%，CaO：20%，电流2100~2300A,钢锭封顶补缩电流0~1500A，封顶时间3~5min，停电冷却5~10min脱锭，在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮；
C.锻造开坯，将去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内加热至1130~1180℃，保温50~80min后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锻造成合金坯，在空气中冷却至室温；
D.热轧退火，将合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热，加热至1030~1130℃后热轧成盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
E.酸洗、修磨，用硫酸清洗轧制后的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后将其修整打磨；
F.拉拔，将酸洗、修磨后的合金坯分8～10个道次依次拉拔至φ1.2mm~φ6.5mm，每道次拉拔加工率为15~30%，拉拔速度控制在40~60m/min；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细，直至丝材的直径≤3mm；
G.去氢退火，将拉拔成型后的丝材加热至1050~1100℃进行光亮化去氢退火处理，氢退处理后进行矫直；
H.绕盘，将步骤G中经去氢退火处理后的焊丝绕制成盘状。
采用以上所述的用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的焊接工艺，采用自动埋弧焊焊接LNG储罐罐体材料06Ni9DR钢的工艺为：焊接电流：360~380A，焊接电压：26~28V，焊接速度：50~100cm/min，电流种类：交流，焊接线能量应控制在45KJ/cm以下，层间温度应控制在100℃以下。
本发明的有益效果是：1. 本发明中的镍基合金焊丝在制备过程中采用了电渣重熔工艺，有利于净化熔体、去除杂质，使重熔后的合金在组织方面比较致密，有效的控制合金的成分均匀、表面光洁，从而改进了合金锭的质量和性能。
2. 本发明中的镍基合金焊丝对合金成分进行了优化，有效地调控了Ni、Cr/Nb当量的搭配，保证了焊丝的焊接性能，改善了在焊接LNG储罐罐材06Ni9DR钢时低温冲击韧性下降的缺陷。
3. 本发明中的镍基合金焊丝在拉拔过程过采用了多模连续拉拔工艺，使镍基合金焊丝拉拔精度提高，相比于市面上的国产镍基合金焊丝具有更高的耐磨性和抗剥落性能；
4. 本发明中的镍基合金焊丝在制备过程中采用了光亮化去氢退火处理，并且在冷却时采用了让丝材通过水浴管进行不碰水冷却的方法，在避免氢脆和内应力产生的同时在最大程度上保证了其表面的光亮、整洁，而且有利于提高焊丝的塑性，以便将合金加工成更细的丝材。
附图说明
图1为焊丝成形过程中获得的不同规格材料的实物图，图2为实施例1中选用该焊丝进行埋弧焊的焊接示意图，图3为实施例2中焊接LNG储罐罐材06Ni9DR钢的焊接接头的宏观形貌，图4为06Ni9DR钢的焊接接头熔合区的微观组织形貌。
具体实施方式
本发明是用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝及制备方法和焊接工艺，用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝，按质量百分比计，其组分为：Cr：20.0~23.0%，Mo：8.0~10.0%，Nb：3.15~4.15%，Fe≤5.0%，Co≤1.0%，Mn≤0.50%，Al≤0.40%，Ti≤0.40%，Si≤0.50%，C≤0.10%，S≤0.015%，其余为Ni，进行配料制备而成。
用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的制备方法，其步骤为：
A.合金熔炼，根据上述组分进行配料，将原料投入真空感应炉中进行熔炼，浇注成电极棒；
B.电渣重熔，采用现有的气氛保护电渣重熔炉，将电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，电渣重熔过程由氩气保护，所用的重熔渣料成分为SiO2：1%，Al2O3：22%，FeO：0.1%，TiO2：3%，MgO：5%，CaF2：48%，CaO：20%，电流2100~2300A,钢锭封顶补缩电流0~1500A，封顶时间3~5min，停电冷却5~10min脱锭，在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮；
C.锻造开坯，将去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内加热至1130~1180℃，保温50~80min后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锻造成合金坯，在空气中冷却至室温；
D.热轧退火，将合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热，加热至1030~1130℃后热轧成盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
E.酸洗、修磨，用硫酸清洗轧制后的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后将其修整打磨；
F.拉拔，将酸洗、修磨后的合金坯分8～10个道次依次拉拔至φ1.2mm~φ6.5mm，每道次拉拔加工率为15~30%，拉拔速度控制在40~60m/min；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细，直至丝材的直径≤3mm；
G.去氢退火，将拉拔成型后的丝材加热至1050~1100℃进行光亮化去氢退火处理，氢退处理后进行矫直；
H.绕盘，将步骤G中经去氢退火处理后的焊丝绕制成盘状。
采用以上所述的用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的焊接工艺，采用自动埋弧焊焊接LNG储罐罐体材料06Ni9DR钢的工艺为：焊接电流：360~380A，焊接电压：26~28V，焊接速度：50~100cm/min，电流种类：交流，焊接线能量应控制在45KJ/cm以下，层间温度应控制在100℃以下。
本发明能够克服LNG储罐罐材06Ni9DR钢在焊接过程中出现的焊接冷、热裂纹倾向，焊接接头低温冲击韧性降低的缺陷，提高LNG储罐服役性能。
上述步骤A中，配料中的C为石墨颗粒取0.04%，Cr在合金中的质量百分比含量为20.0~20.50%，Nb在合金中的质量百分比为3.15~3.55%，同时加入0.15%的Ni-Mg合金用于浇注前脱氧，电极棒直径为120mm。
上述步骤B中停电冷却的最佳时间为5min。
上述步骤C中的保温时间为60min，合金锻坯为80mm×80mm的方坯，把方坯的两端切除。
上述步骤D中，将合金方坯热轧成直径为8mm的盘圆丝材；步骤F中的拉拔工艺是按照丝材直径为：8.0mm—6.5mm—5.5mm—4.0mm—3.0mm—2.3mm—1.6mm—1.4mm—1.2mm，依次进行拉拔，每次拉拔的总变形量应低于30%；步骤G中所述的光亮化去氢退火在拉拔至丝材直径为2.3mm时进行。
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1：
本实施例选用该焊丝（φ1.6mm）通过自动埋弧焊对06Ni9DR钢试板进行焊接，母材尺寸为300mm×150mm×25mm，采用V型坡口，开口角度为55°；焊接电流：370A，焊接电压：28V，焊接速度：58mm/min，电流种类：交流，焊接线能量应控制在45KJ/cm以下，层间温度应控制在100℃以下。06Ni9DR钢试板焊接完毕后按照 GB/T13814中的要求进行试样加工和力学性能的测试，其拉伸性能如表1所示：
表1：
由上表可知，在室温下焊接时，该焊丝的熔敷金属具有较高的抗拉强度，符合LNG储罐罐材06Ni9DR钢对焊缝熔敷金属性能的要求。同时具有较好的延伸率，说明制备的焊丝有良好的塑韧性，焊接06Ni9DR钢时焊接性较好。
对焊接后的试板进行焊缝侧向弯曲实验，其实验结果如表2所示：
表2：
通过上表中的检测结果发现，焊缝侧向弯曲检测合格，满足弯曲性能要求。
焊丝焊缝熔敷金属在低温下的冲击性能测试结果如表3所示：
表3：
由上表可知，热影响区的冲击吸收功和侧向膨胀值均高于焊缝，并且热影响区的冲击吸收功的平均值大于130J，有效地避免了焊接过程中06Ni9DR钢低温韧性的下降，焊缝熔敷金属的冲击韧性满足要求。
实施例2：
本实施例到的焊丝焊缝金属的微观组织如图3所示，由图可知经自动埋弧焊多层多道次焊接得到的焊缝外观成形良好，宽窄一致，焊缝金属跟母材熔合良好，焊后无焊接裂纹、气孔、夹渣、未熔合等缺陷产生。检验标准EN970，采用目测、焊接检验尺，检验结果如表4所示：
表4：
本发明的镍基合金焊丝及其制备方法不局限于上述实施例。显然，上述仅为本发明较佳可行的实施例，而并非局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形和套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (3)

1.用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝，其特征在于，按质量百分比计，其组分为：Cr：20.0~23.0%，Mo：8.0~10.0%，Nb：3.15~4.15%，Fe≤5.0%，Co≤1.0%，Mn≤0.50%，Al≤0.40%，Ti≤0.40%，Si≤0.50%，C≤0.10%，S≤0.015%，其余为Ni，进行配料制备而成。
2.用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，其步骤为：
A.合金熔炼，根据权利要求1中所述组分进行配料，将原料投入真空感应炉中进行熔炼，浇注成电极棒；
B.电渣重熔，采用现有的气氛保护电渣重熔炉，将电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，电渣重熔过程由氩气保护，所用的重熔渣料成分为SiO2：1%，Al2O3：22%，FeO：0.1%，TiO2：3%，MgO：5%，CaF2：48%，CaO：20%，电流2100~2300A,钢锭封顶补缩电流0~1500A，封顶时间3~5min，停电冷却5~10min脱锭，在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮；
C.锻造开坯，将去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内加热至1130~1180℃，保温50~80min后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锻造成合金坯，在空气中冷却至室温；
D.热轧退火，将合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热，加热至1030~1130℃后热轧成盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
E.酸洗、修磨，用硫酸清洗轧制后的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后将其修整打磨；
F.拉拔，将酸洗、修磨后的合金坯分8～10个道次依次拉拔至φ1.2mm~φ6.5mm，每道次拉拔加工率为15~30%，拉拔速度控制在40~60m/min；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细，直至丝材的直径≤3mm；
G.去氢退火，将拉拔成型后的丝材加热至1050~1100℃进行光亮化去氢退火处理，氢退处理后进行矫直；
H.绕盘，将步骤G中经去氢退火处理后的焊丝绕制成盘状。
3.采用权利要求1所述的用于LNG储罐焊接的镍基合金焊丝的焊接工艺，其特征在于，其步骤为：采用自动埋弧焊焊接LNG储罐罐体材料06Ni9DR钢的工艺为：焊接电流：360~380A，焊接电压：26~28V，焊接速度：50~100cm/min，电流种类：交流，焊接线能量应控制在45KJ/cm以下，层间温度应控制在100℃以下。
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