CN110653520A - 一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂 - Google Patents

一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂 Download PDF

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Abstract

一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种抗裂性优异的镍基合金焊剂。本发明要解决现有大面积堆焊镍基合金微小裂纹难以控制的技术问题。焊剂成分由CaF2、SiO2、Al2O3、CaO、NaF、MgO、Cr2O3和合金剂组成，焊带成分由C、Si、Mn、S、P、Ni、Cr、Nb、Cu、Al、Ti、Co、Mo和余量铁组成。本发明提出一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，能够大幅度提高堆焊金属抗高温失塑性裂纹的能力，其中焊剂与焊带要配套使用，焊剂选用含S、P等杂质元素低的粉料和合金作为焊剂制备原材料，调整合金化元素Nb、Ti、Mn和Mo等的含量，以降低熔敷金属结晶裂纹和DDC的敏感性。本发明方法用于多层焊接工艺。

Description

一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种抗裂性优异的镍基合金焊剂。
背景技术
随着核工业的发展，压水堆核电站蒸汽发生器管板一侧表面需要大面积堆焊镍基合金，其中带极堆焊材料为最常用的方法，堆焊效率较高，镍基合金焊接主要的难点是镍基合金对热裂纹的敏感性较高，对高温失塑性裂纹、结晶裂纹、应力腐蚀裂纹等微小裂纹难以控制，目前广泛应用于核电站蒸汽发生器管板堆焊的是52M型合金焊带，52M具有较高的裂纹敏感性。根据核电技术和腐蚀介质要求，其材料从INCONEL 600逐渐发展到INCONEL 690材料，目前三代核电技术蒸汽发生器管板堆焊材料均采用INCONEL 690材料，但还存在DDC裂纹等一些问题，要解决裂纹敏感性问题，为此新型焊带/焊剂的开发变得尤为重要，
发明内容
本发明要解决现有大面积堆焊镍基合金微小裂纹难以控制的技术问题，而提供一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂。
一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，该焊剂中各组分按重量份数为，CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份。
进一步的，所述焊带的成分按质量百分数：C：0.01～0.03％、Si：0.10～0.50％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.015％、P：<0.020％、Ni：52～62％、Cr：28.5～31.0％、Nb：2.1～4.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～5.0％和余量为铁。
进一步的，所述焊带的成分按质量百分数：C：0.02～0.025％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.005％、P：<0.005％、Ni：58～62％、Cr：29.0～30.5％、Nb：2.1～3.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～3.25％和余量为铁。
进一步的，CaF2为30～50份。
进一步的，所述合金剂的成分为FeMo60和FeNb70的混合合金剂。
其中FeMo60和FeNb70的质量比为1：1。
进一步的，所述焊剂的碱度为0.9～1.1。
进一步的，所述焊剂的颗粒度为10～80目。
进一步的，该焊剂的制造方法为：
按质量份数将CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份混合均匀后，加入10～30份模数为2.6的钾钠水玻璃，然后控制温度为180～220℃低温烘干，在控制温度为750～810℃进行高温烧结，随炉冷却，得到所述焊剂。
进一步的，所述的焊剂配合所述的焊带进行直流电渣带极堆焊方法为：
将所述焊剂在温度为350℃的条件下烘干，烘干时间为2h，然后与焊带配合，控制焊接电流为900～1050A，磁控电流为2.5A，焊接电压为24～26V，焊接速度为150～180mm/min，采用每焊道搭边工艺进行焊接，每道间搭边宽度为7～8mm，每层焊带堆焊厚度为3～4mm，总堆焊厚度为35mm，得到熔敷金属，完成该方法。
进一步的，得到的熔敷金属的成分按质量百分数：C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：0.5～1.0％；S：<0.008％；P：<0.008％；Cr：29.0～30.5％；Nb：1.5～2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；Mo：3.0～3.25％；Co：<0.003％；Ni：58～62％；Pb、Sb、Bi、As、Sn和B总量≤10ppm；O≤50ppm和余量为铁。
本发明通过调节焊带中的组分和各组分的含量，使焊接后的熔敷金属具有良好的力学性能和优异的抗裂性，焊带中的Cr是影响苛性应力腐蚀的关键因素，Cr含量低于28％时，合金苛性应力腐蚀倾向增大，当其含量为30％时，苛性碱应力腐蚀倾向最小，所以将Cr含量控制在28-31.5％；优选的可控制在29-30.5％。
焊带中的Nb元素的加入一方面可以增强合金抗晶间腐蚀能力，因为相比于Cr，Nb与C的结合力更强。另一方面，Nb的加入可以有效降低合金的DDC裂纹敏感性，Nb的碳化物在晶界的析出，让晶界更加曲折蜿蜒，从而增加了晶界滑移的阻力。但Nb的加入会同时增加合金的结晶区间，增大合金的结晶裂纹敏感性，因此控制Nb在2.1-4.0％；优选的，可控制在2.1-3.0％。
熔敷金属中S和P等有害元素能增加堆焊金属热裂纹的敏感性，考虑到焊剂的增S、P冶金特性，严格控制熔敷金属中S≤0.005％，P≤0.008％；熔敷金属中的Si在凝固时会发生偏析而形成低熔点共晶组分，特别是和Ni组合后，为此控制熔敷金属中Si≤0.60％；优选的则可控制在Si≤0.50％.熔敷金属中Pb、Sb、Bi、As、Sn、B是焊接过程中需要主要控制的杂质元素，对于结晶裂纹有较为不利的影响，所以控制熔敷金属中Pb、Sb、Bi、As、Sn、B≤10ppm；熔敷金属中的O元素含量过高时会增加微观氧化物的夹杂数量，所以要在焊剂中加入脱氧剂，控制熔敷金属中O≤50ppm。
本发明所提供的焊带配合本发明所提供的焊剂，可实现稳定的焊接过程，获得熔敷效率高、稀释率低、脱渣性好、成型美观的堆焊金属。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，能够大幅度提高堆焊金属抗高温失塑性裂纹的能力，其中焊剂与焊带要配套使用；本发明焊剂为电渣型焊剂，选用含S、P等杂质元素低的粉料和合金作为焊剂制备原材料，调整合金化元素Nb、Ti、Mn和Mo等的含量，以降低熔敷金属结晶裂纹和DDC的敏感性。既保证堆焊金属各项力学性能和腐蚀性能要求，又具有良好的焊接工艺性能，特别适用于多层焊接工艺性能，镍基材料的粘度较大，解决焊接多层焊过程中易出现粘渣现象，本发明焊剂碱度适中，工艺适应性强的特点。
本发明焊剂脱渣性能优良，焊道摊开性好，无咬边现象，多层焊接不粘渣，脱渣容易，解决了镍基材料结晶裂纹，DDC等关键指标，因此具有良好的力学性能和耐蚀性能；结晶裂纹敏感性极低；高温失塑性裂纹敏感性极低；堆焊熔敷金属拉伸试件断后表面无裂纹堆焊层金属力学性能优良。
本发明方法用于多层焊接工艺。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，各组分按重量份数为：CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述焊带，按质量百分数：C：0.01～0.03％、Si：0.10～0.50％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.015％、P：<0.020％、Ni：52～62％、Cr：28.5～31.0％、Nb：2.1～4.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～5.0％和余量为铁。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述焊带按质量百分数：C：0.02～0.025％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.005％、P：<0.005％、Ni：58～62％、Cr：29.0～30.5％、Nb：2.1～3.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～3.25％和余量为铁。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：CaF2为30～50份。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述合金剂的成分为FeMo60和FeNb70的混合合金剂。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述焊剂的碱度为0.9～1.1。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述焊剂的颗粒度为10～80目。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：该焊剂的制造方法为：
按质量份数将CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份混合均匀后，加入10～30份模数为2.6的钾钠水玻璃，然后控制温度为180～220℃低温烘干，在控制温度为750～810℃进行高温烧结，随炉冷却，得到所述焊剂。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：
具体实施方式一所述的焊剂配合具体实施方式二所述的焊带进行直流电渣带极堆焊方法为：
将所述焊剂在温度为350℃的条件下烘干，烘干时间为2h，然后与焊带配合，控制焊接电流为900～1050A，磁控电流为2.5A，焊接电压为24～26V，焊接速度为150～180mm/min，采用每焊道搭边工艺进行焊接，每道间搭边宽度为7～8mm，每层焊带堆焊厚度为3～4mm，总堆焊厚度为35mm，得到熔敷金属，完成该方法。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：得到的熔敷金属的成分按质量百分数：C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：0.5～1.0％；S：<0.008％；P：<0.008％；Cr：29.0～30.5％；Nb：1.5～2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；Mo：3.0～3.25％；Co：<0.003％；Ni：58～62％；Pb、Sb、Bi、As、Sn和B总量≤10ppm；O≤50ppm和余量为铁。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
焊带的制备：按照本发明所提供焊带的化学成分选原料，经冶炼-浇注-锻轧-热轧-酸洗-冷轧-分条、分卷制成钢带，规格为0.5mm厚，60mm宽。在表1中(单位为％，余量为Fe)，1号为本发明提供的焊带，2～4号为对比焊带。
表1 1-4号焊带成分表
Figure BDA0002225159630000041
Figure BDA0002225159630000051
按照本发明所提供焊剂的化学成分选原料，将焊剂矿物粉过100目进行筛分，金属粉过40目进行筛分，放入容器中进行充分干混，加入重量份数为10-30份水玻璃进行湿混，然后放入造粒机中进行造粒，具有一定的颗粒度后在电炉中进行高温烧结，消除焊剂的水分和结晶水，烧结温度780±30℃，出炉冷却，筛分为10-80目的烧结焊剂。在表2中1、2号为本发明提供的电渣焊剂，表3、4为对照焊剂。
表2 1-4号焊剂成分
Figure BDA0002225159630000052
所述合金剂的成分为FeMo60和FeNb70的混合合金剂；FeMo60和FeNb70的质量比为1：1。
实施例：在带极电渣堆焊过程中，焊接工艺性是获得稳定的焊接过程和无缺陷堆焊层的首要因素，其中焊剂配方对于焊接工艺性有直接的影响，此处将不同的焊丝配方和不同的焊剂配方相互组合，按以下工艺进行焊接：将所述焊剂进行350℃的烘干，烘干时间为2小时；焊接电流1000-1050A，磁控电流2.5A，焊接电压26V，焊接速度180mm/min，采用每焊道搭边工艺，每道间搭边宽度为7-8mm，每层焊带堆焊厚度3-4mm，总共堆焊厚度35mm，进行正交焊接试验，试验设计表如表3所示。
表3实验设计表
Figure BDA0002225159630000053
对实施例1-4用所述焊带/焊剂按以下工艺进行焊接：将所述焊剂进行350℃的烘干，烘干时间为2小时；焊接电流1000-1050A，磁控电流2.5A，焊接电压26V，焊接速度180mm/min，采用每焊道搭边工艺，每道间搭边宽度为7-8mm，每层焊带堆焊厚度3-4mm。并记录堆焊的工艺性能，所得结果如表4，
表4工艺性结果对比
由表中可以看出，实施例1、2工艺性较好，由于实施例3中CaO含量较高，导致了焊缝成型差、脱渣困难，同时CaF2含量过高，导致了电弧不稳定，实施例4中由于CaF2含量过低，导致了焊剂脱渣性能下降，熔渣粘度增大，成型不良，搭接过程中出现咬边的现象，焊道摊开困难，堆焊厚度过大。
对实施例1、5-11进行熔敷金属化学成分分析，所得结果如表5，
表5熔敷金属成分
Figure BDA0002225159630000062
对实施例1、5-12的堆焊金属分别取样五组；根据NB/T 47018.5-2017进行弯曲试验，记录弯曲结果，如果产生裂纹，则记录最长裂纹的长度(如直接断裂记为断裂)所得结果如表6，
表6弯曲试验结果
Figure BDA0002225159630000063
由上述结果可以看出，熔敷金属中的Nb元素的加入一方面可以增强合金抗晶间腐蚀能力，因为相比于Cr，Nb与C的结合力更强。另一方面，Nb的加入可以有效降低合金的DDC裂纹敏感性，Nb的碳化物在晶界的析出，让晶界更加曲折蜿蜒，从而增加了晶界滑移的阻力。但Nb的加入会同时增加合金的结晶区间，增大合金的结晶裂纹敏感性，因此控制Nb在1.5-2.5％。熔敷金属中的Mn元素可以增加固液相的界面能，减小晶界液膜的形成，降低结晶过程热裂纹的敏感性，从而减轻S、P杂质元素的有害影响。Mn的加入还可以影响基体的固溶度，夹杂物的形成、数量，低熔点相的液化温度等，控制Mn在0.5-1.0％，熔敷金属的Mo含量过高时，在大厚度堆焊时会在晶间形成偏析，造成裂纹倾向增加，所以熔敷金属的Mo元素含量应控制在3.0～3.25％。焊剂中合金剂的加入，有效的平衡了在焊接过程中主要元素Nb、Mo的烧损，使堆焊熔敷金属的成分更加稳定。
由上述实施例可以看出本发明中的焊带/焊剂进行的堆焊试验所得堆焊金属抗裂纹、抗开裂能力强，攻克了同类镍基材料产品裂纹敏感性高、无法进行大厚度堆焊的问题，尤其在大厚度堆焊方面抗裂性表现优异；同时解决了镍基材料埋弧焊方法脱渣困难，咬边等严重问题，搭接良好。本发明中生产制造镍基埋弧焊焊剂工艺简单，易操作，可实现稳定化生产。

Claims (10)

1.一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于该焊剂中各组分按重量份数为：CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份。
2.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于所述焊带的成分按质量百分数：C：0.01～0.03％、Si：0.10～0.50％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.015％、P：<0.020％、Ni：52～62％、Cr：28.5～31.0％、Nb：2.1～4.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～5.0％和余量为铁。
3.根据权利要求2所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于所述焊带的成分按质量百分数：C：0.02～0.025％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.0％、S：<0.005％、P：<0.005％、Ni：58～62％、Cr：29.0～30.5％、Nb：2.1～3.0％、Cu：<0.30％、Al：<0.50％、Ti：0.50～0.52％、Co：<0.003、Mo：3.0～3.25％和余量为铁。
4.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于CaF2为30～50份。
5.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于所述合金剂的成分为FeMo60和FeNb70的混合合金剂。
6.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于所述焊剂的碱度为0.9～1.1。
7.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于所述焊剂的颗粒度为10～80目。
8.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于该焊剂的制造方法为：
按质量份数将CaF2：25～50份、SiO2：5～20份、Al2O3：10～40份、CaO：8～20份、NaF≤5份、MgO：4～15份、Cr2O3≤5份和合金剂≤8份混合均匀后，加入10～30份模数为2.6的钾钠水玻璃，然后控制温度为180～220℃低温烘干，在控制温度为750～810℃进行高温烧结，随炉冷却，得到所述焊剂。
9.根据权利要求1所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于权利要求1所述的焊剂配合权利要求2所述的焊带进行直流电渣带极堆焊方法为：
将所述焊剂在温度为350℃的条件下烘干，烘干时间为2h，然后与焊带配合，控制焊接电流为900～1050A，磁控电流为2.5A，焊接电压为24～26V，焊接速度为150～180mm/min，采用每焊道搭边工艺进行焊接，每道间搭边宽度为7～8mm，每层焊带堆焊厚度为3～4mm，总堆焊厚度为35mm，得到熔敷金属，完成该方法。
10.根据权利要求9所述的一种与抗裂性优异的带极堆焊镍基合金焊带配合使用的焊剂，其特征在于得到的熔敷金属的成分按质量百分数：C：<0.04％；Si：<0.50％；Mn：0.5～1.0％；S：<0.008％；P：<0.008％；Cr：29.0～30.5％；Nb：1.5～2.5％；Cu：<0.30％；Al：<0.50％；Ti：<0.50％；Mo：3.0～3.25％；Co：<0.003％；Ni：58～62％；Pb、Sb、Bi、As、Sn和B总量≤10ppm；O≤50ppm和余量为铁。
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