CN110549031A - 一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，由以下质量百分比的元素组成：C：0.08~0.20%；Si：0.02~0.30%；Mn：0.40~1.00%；Ni：0.10~0.30%；P≤0.0090%；S≤0.0090%；Cr：4.50~5.50%；Mo：0.80~1.30%；V：0.10~0.40%；Al≤0.050%；N：0.010~0.090%；Nb：0.010~0.070%；余量为Fe。本发明进一步提供一种高热强性焊丝的制备方法及其在异种钢焊接接头上的用途。本发明提供的一种高热强性焊丝，具有良好的热强性，并且能够降低异种钢焊接接头的成分、组织和力学性能梯度。

Description

一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料的技术领域，涉及一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝。

背景技术

大量的火电、核电高温构件在制造过程中均会涉及到异种钢的焊接连接问题，不同钢种之间的焊接连接以及相同钢种之间使用不同于其成分的焊材连接形成的焊接接头都可称为异种钢焊接接头，其中低合金贝氏体耐热钢与高合金马氏体耐热钢之间的焊接接头是发电、石油、化工行业中较为常见的异种钢焊接接头。低合金贝氏体耐热钢中主合金元素Cr的含量(质量分数，下同)在2％左右，而高合金马氏体耐热钢含Cr量在9％左右，这两种被连接钢种之间较大的Cr元素含量梯度为焊材的选择提出了较大的挑战。

在目前的解决方案中，上述异种耐热钢的焊接常采用2.25％Cr焊材，或者采用具有简单合金系统的5％Cr焊材(即ASME规定的5Cr0.5Mo焊材)，但上述两种焊材均存在一些难以克服的问题。

对采用2.25％Cr焊材作为连接材料的异种钢焊接接头而言，由于焊缝金属与被连接的9％Cr马氏体耐热钢之间有较大的Cr元素含量梯度，进而导致焊缝金属与9％Cr耐热钢之间C活度不同，造成C元素从焊缝侧迁移到9％Cr马氏体耐热钢侧，在焊缝中形成贫碳层，其组织为铁素体，在紧邻焊缝贫碳层的9％Cr钢一侧形成富碳层，其组织为马氏体，贫/富碳层的产生对接头的高温持久强度和断裂韧性均会产生不利的影响，具体表现为：1)由于贫碳层硬度很低，在高温低应力服役条件下易在此处产生应变集中，随服役时间延长，此处会生成蠕变空洞并进一步合并为蠕变裂纹，造成接头断裂失效；2)与贫碳层相邻的富碳层硬度显著高于贫碳层，二者相比较来说贫碳层的弹性能储备能力显著低于富碳层，且由于富碳层的约束作用在贫碳层中出现三向应力状态，塑性能储备也进一步下降，导致贫碳层的临界断裂韧性远低于富碳层，一旦在其附近有裂纹形成，贫碳层就会成为裂纹的优先扩展区，导致焊接接头断裂失效。

具有简单合金系统的5％Cr焊材虽然可以在较大程度上抑制碳迁移的发生，但由于其本身合金元素种类少，缺乏Nb、N等可形成稳定MX型析出相的元素(其中M代表V和Nb，X代表C和N)，析出相对基体中位错的钉扎作用不足，在高温持久过程中基体组织(回火马氏体)易发生滑移导致应变在焊缝集中，最终导致焊缝金属早于两侧被连接母材断裂，成为整个异种钢焊接接头高温持久强度的最薄弱环节。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，能够有效解决现有技术中马氏体耐热钢与贝氏体耐热钢连接存在的问题：一是使用2.25％Cr焊材带来的严重碳迁移问题，进而导致接头存在较大的组织、力学性能梯度；二是使用ASME规定的5Cr0.5Mo焊材带来的高温持久断裂强度不足的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，由以下质量百分比的元素组成：

C(碳)：0.08～0.20％；Si(硅)：0.02～0.30％；Mn(锰)：0.40～1.00％；Ni(镍)：0.10～0.30％；P(磷)≤0.0090％；S(硫)≤0.0090％；Cr(铬)：4.50～5.50％；Mo(钼)：0.80～1.30％；V(钒)：0.10～0.40％；Al(铝)≤0.050％；N(氮)：0.010～0.090％；Nb(铌)：0.010～0.070％；余量为Fe(铁)。

优选地，所述一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，由以下质量百分比的元素组成：

C(碳)：0.10～0.18％；Si(硅)：0.10～0.25％；Mn(锰)：0.50～0.90％；Ni(镍)：0.14～0.26％；P(磷)≤0.0080％；S(硫)≤0.0080％；Cr(铬)：4.60～5.00％；Mo(钼)：0.90～1.20％；V(钒)：0.15～0.35％；Al(铝)≤0.040％；N(氮)：0.030～0.080％；Nb(铌)：0.020～0.060％；余量为Fe(铁)。

更优选地，所述一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，由以下质量百分比的元素组成：

C(碳)：0.10～0.12％％；Si(硅)：0.10～0.20％％；Mn(锰)：0.60～0.80％；Ni(镍)：0.18～0.22％；P(磷)≤0.0050％；S(硫)≤0.0050％；Cr(铬)：4.60～5.00％；Mo(钼)：1.00～1.20％；V(钒)：0.20～0.30％；Al(铝)≤0.040％；N(氮)：0.040～0.080％；Nb(铌)：0.020～0.060％；余量为Fe(铁)。

本发明第二方面提供一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝的制备方法，按配比取各种组成元素混合后，依次进行熔炼、盘条、拉丝前处理、粗拉丝、精拉丝、镀铜后，获得所需焊丝。

优选地，所述熔炼为焊丝工艺中常规使用的熔炼工序。具体来说，所述熔炼工序选自真空感应炉熔炼方法、电炉初炼后炉外精炼方法中的一种。

优选地，所述盘条为焊丝工艺中常规使用的焊丝盘条工序。

优选地，所述拉丝前处理为焊丝工艺中常规使用的拉丝前处理工序。所述拉丝前处理是在拉丝前对盘条进行预处理，将盘条焊丝依次进行剥壳、电解酸洗、清洗、硼化。

优选地，所述粗拉丝为焊丝工艺中常规使用的粗拉丝工序。所述粗拉丝是将盘条焊丝初步拉至较细尺寸。具体来说，所述粗拉丝是将盘条焊丝的直径由5.4～5.6mm拉至2.3～2.4mm。

优选地，所述精拉丝为焊丝工艺中常规使用的精拉丝工序。所述精拉丝是将粗拉丝后的盘条焊丝进一步拉至更细的规定尺寸。

优选地，所述镀铜为焊丝工艺中常规使用的镀铜工序。所述镀铜是对焊丝进行去脂、酸洗、碱洗后镀铜。所述镀铜通过去脂、酸洗、碱洗，充分去除焊丝表面的杂质，再镀铜后能够有效防锈。

所述焊丝的焊后基体组织为马氏体，经回火处理后过饱和合金原子从基体中以碳氮化合物的形式析出，基体组织转变为回火马氏体。

本发明第三方面提供一种高热强性焊丝在异种钢焊接接头上的用途。

优选地，所述用途为在马氏体耐热钢与贝氏体耐热钢之间焊接形成焊接接头。

本发明第四方面提供一种高热强性焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，采用上述方法制备的焊丝，在马氏体耐热钢与贝氏体耐热钢之间进行焊接形成焊接接头。

优选地，所述焊接方法选自氩弧焊或埋弧焊中的一种。

优选地，所述马氏体耐热钢为8～10％Cr马氏体耐热钢。更优选地，所述马氏体耐热钢为9％Cr马氏体耐热钢。

优选地，所述贝氏体耐热钢为1～3％Cr贝氏体耐热钢。更优选地，所述贝氏体耐热钢为2％Cr贝氏体耐热钢。

优选地，所述焊接方式为多层多道焊接方式。从而保证焊接接头熔合。

优选地，所述焊接的焊后热处理条件为：热处理温度为650～680℃；热处理时间为15～25小时。更优选地，所述焊接的焊后热处理条件为：热处理温度为655～675℃；热处理时间为20小时。

如上所述，本发明提供的一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，通过多元合金化设计，得到了一种新型的5Cr1Mo系焊丝，该焊丝采用氩弧焊或埋弧焊的方法，用于马氏体耐热钢和贝氏体耐热钢连接时，可降低此类异种钢焊接接头的组织和力学性能梯度，使焊接接头具有良好的高温持久断裂强度，同时保持焊缝金属的室温冲击韧性与5Cr0.5Mo系焊缝金属相当。

附图说明

图1为使用2.25％Cr焊材制造的接头横剖面示意图及9％Cr马氏体耐热钢侧碳迁移区的光学显微组织图。

图2为使用本发明提供的5％Cr焊材制造的接头横剖面示意图及9％Cr马氏体耐热钢侧碳迁移区的光学显微组织图。

图3为ASME规定的5Cr0.5Mo焊材与本发明中5Cr1Mo焊材的高温持久断裂强度对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

对比例1

用现有的2.25％Cr焊丝焊接9％Cr马氏体耐热钢和2％Cr贝氏体耐热钢，焊接接头的结构和局部微观组织见图1，2.25％Cr焊丝的化学成分见表1。2.25％Cr焊丝为商业化的AWS A5.23EG焊丝。由图1可知，在9％Cr马氏体耐热钢钢与2.25％Cr焊缝之间发生了显著的碳迁移现象，在9％Cr马氏体耐热钢侧出现明显的富碳层(深色区域)，在相邻的2.25％Cr焊缝金属侧出现贫碳层(浅色区域)，该区域在成分、组织和力学性能上存在较大的梯度。

表1 2.25％Cr焊丝的化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Ni	P	S	Cr	Mo	V	Al	Nb	Ti	Cu	Fe
														0.10	0.20	0.60	0.14	0.006	0.003	2.54	1.04	0.25	0.006	0.022	0.001	0.081	余量

实施例1

根据本发明中提供的焊丝配方，制取了焊丝样品1#，焊丝配方见表2。焊丝样品1#用于焊接9％Cr马氏体耐热钢和2％Cr贝氏体耐热钢，焊接接头的示意图和局部微观组织见图2。焊后热处理条件为在655～675℃下保温20小时。由图2可知，相比于图1，采用本发明中的焊丝制作的异种钢焊接接头，在9％Cr马氏体耐热钢侧的碳迁移现象得到显著改善，焊接接头碳迁移程度明显降低，整个焊接接头的成分和组织变化梯度减小，这对于提高接头的高温持久强度和韧性作用明显。

表2焊丝样品1#的化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Ni	P	S	Cr	Mo	V	Al	N	Nb	Fe
													0.011	0.15	0.70	0.20	0.004	0.004	4.80	1.10	0.25	0.03	0.06	0.04	余量

实施例2

根据本发明中提供的焊丝配方，制取了焊丝样品2#、3#、4#，焊丝配方见表3。焊丝样品2#、3#、4#用于焊接9％Cr马氏体耐热钢和2％Cr贝氏体耐热钢。焊丝样品2#、3#、4#焊后热处理条件为在655～675℃下保温20小时。采用本发明中的焊丝样品2#、3#、4#制作的异种钢焊接接头，在9％Cr马氏体耐热钢侧的碳迁移现象得到显著改善，焊接接头碳迁移程度明显降低。整个焊接接头的成分和组织变化梯度减小，这对于提高接头的高温持久强度和韧性作用明显。

表3焊丝样品2#-4#的化学成分(wt.％)

样品	C	Si	Mn	Ni	P	S	Cr	Mo	V	Al	N	Nb	Fe
														2#	0.011	0.15	0.60	0.22	0.004	0.004	4.80	1.10	0.25	0.03	0.06	0.04	余量
3#	0.10	0.10	0.80	0.18	0.005	0.005	5.00	1.20	0.30	0.04	0.08	0.06	余量
														4#	0.12	0.20	0.50	0.26	0.003	0.003	4.60	1.00	0.20	0.20	0.04	0.02	余量

实施例3

将使用ASME规定的5Cr0.5Mo焊丝制造的异种钢焊接接头的焊缝金属与实施例1中的接头的焊缝金属分别进行高温持久强度测试，将不同温度和应力组合参数下的测试结果汇总于图3，由图3可知，本发明中制备获得的焊丝样品1#(5Cr1Mo系)具有更高的热强性，明显优于5Cr0.5Mo焊丝。

综上所述，本发明提供了一种用于异种钢焊接接头的高热强性焊丝，其是5Cr1Mo型高热强性焊丝，主要用来连接9％Cr马氏体耐热钢和2％贝氏体耐热钢。使用本发明提供的焊丝制造的异种钢接头相比于使用2.25％Cr焊材的异种钢接头降低了焊缝与9％Cr马氏体耐热钢之间的碳迁移，实现了整个接头成分、组织和力学性能的平缓过渡；相比于使用ASME规定的5Cr0.5Mo焊材的异种钢接头，热强性得到显著提高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种焊丝，由以下质量百分比的元素组成：

C：0.08～0.20％；Si：0.02～0.30％；Mn：0.40～1.00％；Ni：0.10～0.30％；P≤0.0090％；S≤0.0090％；Cr：4.50～5.50％；Mo：0.80～1.30％；V：0.10～0.40％；Al≤0.050％；N：0.010～0.090％；Nb：0.010～0.070％；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：

C：0.10～0.18％；Si：0.10～0.25％；Mn：0.50～0.90％；Ni：0.14～0.26％；P≤0.0080％；S≤0.0080％；Cr：4.60～5.00％；Mo：0.90～1.20％；V：0.15～0.35％；Al≤0.040％；N：0.030～0.080％；Nb：0.020～0.060％；余量为Fe。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种焊丝的制备方法，按配比取各种组成元素混合后，依次进行熔炼、盘条、拉丝前处理、粗拉丝、精拉丝、镀铜后，获得所需焊丝。

4.根据权利要求1-2任一所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的用途。

5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述用途为在马氏体耐热钢与贝氏体耐热钢之间焊接形成焊接接头。

6.根据权利要求1-2任一所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，采用如权利要求3所述方法制备的焊丝，在马氏体耐热钢与贝氏体耐热钢之间进行焊接形成焊接接头。

7.根据权利要求6所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，其特征在于，所述焊接方法选自氩弧焊或埋弧焊中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，其特征在于，所述马氏体耐热钢为8～10％Cr马氏体耐热钢；所述贝氏体耐热钢为1～3％Cr贝氏体耐热钢。

9.根据权利要求6所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，其特征在于，所述焊接方式为多层多道焊接方式。

10.根据权利要求6所述的一种焊丝在异种钢焊接接头上的连接方法，其特征在于，所述焊接的焊后热处理条件为：热处理温度为650～680℃；热处理时间为15～25小时。