CN111112879A

CN111112879A - 抗药皮发红开裂的镍基焊条

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Publication number: CN111112879A
Application number: CN202010091726.6A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 袁红高; 纠永涛; 潘继民; 李国立; 付雅迪; 王靖博; 连明洋
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: CN111112879B

Abstract

本发明属于焊接材料领域，具体是抗药皮发红开裂的镍基焊条，包括外周面上设有纵向贯通的V形凹槽、中心开设圆孔且圆孔内壁上设有纵向贯通的V形凹槽的镍基焊芯、纳米石墨烯涂层Ⅰ、纳米石墨烯涂层Ⅱ和药皮；镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬18％‑22％，锰6.2％‑8.0％，钼2.2％‑3.6％，铌3.2％‑4.5％，铁2％‑3.5％，硅0.9％‑1.2％，钛0.6％‑0.8％，氧化镧1.5％‑2％，碳≤0.005％，其余为镍。本发明焊芯受热后体积膨胀小，散热快，药皮抗发红和开裂性强，焊条的使用长度为药皮长度的85％以上，有效提高了焊条使用效率，焊接工艺性好，是镍基焊条方面的创新。

Description

抗药皮发红开裂的镍基焊条

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体是抗药皮发红开裂的镍基焊条。

背景技术

镍基焊条焊接所获得的焊缝金属在液氮超低温尚具备非常高的焊态强度和冲击韧性，同时对抵抗高浓度氯化物介质腐蚀具有不可替代性，在化工装备制造及液化天然气深冷装备制造中获得了广泛的应用。目前，镍基焊条使用过程中普遍存在工艺性差的缺点，其关键问题是焊条焊到后半段时药皮易发红开裂，发红会使药皮中的造气剂提前分解，使熔池失去保护气氛，从而易产生气孔；同时，通过药皮过渡的有益元素也会提前烧损，对焊缝金属性能产生不利影响，更严重时会引起药皮开裂或脱落而不得不终止焊接，造成了焊条的巨大浪费；另外，熔化速度增快，焊接工艺变差，飞溅增大，导致焊缝成形恶化、脱渣困难。总之，药皮发红意味着药皮组成中的造气剂会过早分解，并过早发生一系列冶金化学反应，这将使熔池的保护及冶金过程受到严重影响。而药皮的开裂则直接影响电弧的均匀性，药皮脱落就完全失去了其冶金作用。在工程应用中，操作者通常不得不将一长段价格昂贵的剩余焊条过早报废。对镍基合金这种贵重焊材而言，无疑造成材料的极大浪费，也不符合节能降耗的国家政策。

镍基焊条焊接时药皮易于发红开裂的原因是过度受热且热量不易散发。通常，焊条焊接时受到电弧的辐射热和焊芯通电电阻热的作用。电弧传热靠外热传递，而焊芯电阻热属内热，热量极其难以耗散且直接作用于药皮内表面。由于镍基焊芯的电阻率比碳钢焊芯大6倍以上，而导热性又仅为碳钢的1/3，且线膨胀系数大，在焊接过程中，强烈的电阻热致使施焊时焊条端部熔化，在高电阻热和低导热性双重因素作用下，焊芯温度急剧升高，致使焊条药皮受热过高而发红，镍基焊芯的电阻率和线膨胀系数大(约是低碳钢的6倍)，焊接时产生大量的电阻热而膨胀，当焊芯的膨胀变形量超过药皮的变形能力时，药皮就会开裂，从而使焊条的焊接工艺性能严重恶化，剩余焊条基本不能使用，造成资源浪费。

目前改变镍基焊条药皮发红和开裂的措施主要有4种：①在镍基焊芯周围涂覆一层低电阻率的金属材料，但效果不显著；②改变药皮组分及含量以增大塑性及透气性，但效果有限；③利用碳钢焊芯和含大量镍颗粒的药皮来达到抗发红开裂且焊缝耐蚀性好的目的，但会造成熔敷金属不均匀且易存在夹渣等缺陷；④采用药芯焊丝作为焊芯，会造成中心导电性差，焊接电弧不稳定，且熔敷金属化学成分不均匀。这4种方法各有优缺点，但均没有考虑到焊接时采用减小或抑制镍基焊芯膨胀的技术方案，也没有考虑到将镍基焊芯熔化时产生的电阻热迅速散发的技术手段，所以取得的抗发红开裂效果均不显著。

申请号201210441799.9的中国专利(申请日2012年11月8日)公开了一种镍铬钼合金系的镍基焊条，包括焊芯和药皮组成。该专利给出的焊芯是采用ERNiCrMo-3型，其铬含量达21.0％-23.0％，正好达到镍铬合金电阻率最高的范围，因此无法解决焊条药皮发红开裂的问题。

申请号201810340751.6的中国专利(申请日2018年4月17日)公开了一种抗药皮发红开裂镍基合金焊条及其制备方法，采用的技术方案是用低铬含量的焊芯，配合高碱度熔渣的弱氧化性及Ti、Si脱氧剂的脱氧效果，可保证所需的金属Cr从药皮中向焊缝中过渡，既保证了焊芯的低电阻率不致电阻内热过大引起药皮发红开裂，又满足了焊缝金属中12％-17％的Cr含量。这种技术方案存在的缺点是大量Cr存在于药皮中，而焊接时电弧是移动的，会造成部分组分无法全部熔化进入焊缝而是以颗粒的形式存在于熔渣中，失去其设计的意义，无法达到需求的效果。

申请号94118437.4的中国专利(申请日1994年11月20日)公开了一种抗发红奥氏体不锈钢焊条及制备方法，采用的技术方案是在不锈钢焊芯表面涂覆一层低电阻率的金属材料，达到散热的目的，但其增大的散热效果并不显著，如果将其应用在镍基焊条上，对改善焊条发红抗裂作用效果不显著。

如何解决上述问题，是本领域科技人员工作的当务之急。

发明内容

本发明的目的是提供抗药皮发红开裂的镍基焊条，解决如下技术问题：①镍基焊芯受热后体积膨胀很小或几乎不膨胀；②焊接时镍基焊芯产生的热量能及时散发；③增强药皮的抗发红开裂性能，提高焊条的利用率。

本发明采用如下技术方案：

抗药皮发红开裂的镍基焊条，包括镍基焊芯、纳米石墨烯涂层Ⅰ、纳米石墨烯涂层Ⅱ和药皮，所述镍基焊芯外部依次设有纳米石墨烯涂层Ⅰ和药皮，所述纳米石墨烯涂层Ⅰ的厚度大约为10nm-20nm。

所述镍基焊芯的直径为2.5mm或3.2mm或4.0mm或5.0mm，所述镍基焊芯垂直于焊芯轴线的横截面的中心开设有圆孔，所述圆孔的直径为镍基焊芯直径的24％-26％，圆孔的内壁上均匀开设有纵向贯通的V形凹槽Ⅰ，V形凹槽Ⅰ的开口在孔的内壁表面，V形凹槽Ⅰ开口宽度为0.15mm-0.2mm，V形凹槽Ⅰ的深度为镍基焊芯直径的11％-13％；所述镍基焊芯垂直于焊芯轴线的横截面外圆上均匀开设有纵向贯通的V形凹槽Ⅱ，V形凹槽Ⅱ的开口在镍基焊芯的外圆表面，V形凹槽Ⅱ的开口宽度为0.25mm-0.4mm，所述V形凹槽Ⅱ的深度为镍基焊芯直径的23％-25％。

镍基焊芯的直径为2.5mm或3.2mm时，所述V形凹槽Ⅰ和V形凹槽Ⅱ的数量均为3个，V形凹槽Ⅰ与V形凹槽Ⅱ交错排列；所述镍基焊芯的直径为4.0mm或5.0mm时，V形凹槽Ⅰ的数量为4个或6个，V形凹槽Ⅱ的数量为4个或6个，同一镍基焊芯上的V形凹槽Ⅰ和V形凹槽Ⅱ的数量相等，所述V形凹槽Ⅰ与V形凹槽Ⅱ交错排列。

通过在镍基焊芯中心开设圆孔、圆孔的内壁上均匀开设纵向贯通的V形凹槽Ⅰ，镍基焊芯外周圆上均匀开设有纵向贯通的V形凹槽Ⅱ，可以有效减小镍基焊芯受热后引起的体积膨胀量，使其不超过药皮的变形能力，从而增强了药皮抗开裂的性能；圆孔的存在也会使镍基焊芯产生的电阻热及焊接电弧的辐射热量迅速散发，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红性能。

所述纳米石墨烯涂层Ⅱ均匀涂覆在圆孔内壁上，所述纳米石墨烯涂层Ⅱ的厚度大约为10nm-20nm。通过在圆孔内壁和镍基焊芯外周圆表面涂覆纳米石墨烯，可以极大地增强镍基焊芯的导热性(其导热系数约为镍的500倍以上)，可以使焊接时镍基焊芯产生的电阻热及焊接电弧的热量迅速导离散发，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红性能。另外，纳米石墨烯具有明显的表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，其表面原子具有极高的化学活性，大量的界面为热量扩散提供了高密度的短程快扩散路径，使镍基焊芯散热极快，显著提高了药皮抗发红开裂性能。

所述镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬18％-22％，锰6.2％-8.0％，钼2.2％-3.6％，铌3.2％-4.5％，铁2％-3.5％，硅0.9％-1.2％，钛0.6％-0.8％，氧化镧1.5％-2％，碳≤0.005％，余量为镍。由于对镍基焊芯的外圆周面及中心圆孔内壁涂覆的是纳米石墨烯，其面积虽然较大，但厚度极薄，所以含量很小，焊条熔敷金属的碳含量增加有限但在可控范围内，熔敷金属中碳含量(质量分数)不会超过0.1％，而且由于添加的是纳米石墨烯，其小尺寸效应既能有效提高熔敷金属的强度和硬度，又不会造成其冲击韧度下降，有效提高了焊缝的综合力学性能。

本发明具有以下有益技术效果：

1、镍基焊芯受热后体积膨胀很小或几乎不膨胀，焊条药皮抗发红开裂性强。本发明当镍基焊芯受热后会发生体积膨胀，而圆孔、V形凹槽Ⅰ、V形凹槽Ⅱ三者的存在，会显著减小镍基焊芯的体积膨胀量，使其不超过药皮的变形能力，从而增强了药皮抗开裂性能；圆孔的存在还会使镍基焊芯产生的电阻热及焊接电弧辐射的热量迅速散发，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红性能。

2、焊接时镍基焊芯产生的电阻热及焊接电弧的热量能及时挥发，焊条药皮抗发红开裂性强。纳米石墨烯涂层Ⅰ和纳米石墨烯涂层Ⅱ的存在，极大增强了镍基焊芯的导热性，可以使焊接时镍基焊芯产生的电阻热及焊接电弧辐射的热量迅速散发，另外，纳米石墨烯具有明显的表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，其表面原子具有极高的化学活性，大量的界面为热量扩散提供了高密度的短程快扩散路径，使镍基焊芯散热极快，显著减小了热量对药皮的传导，增强了药皮的抗发红性；由于热量能及时散发，也有效减小了镍基焊芯的体积膨胀量，增强了药皮的抗开裂性能。纳米石墨烯熔入焊接熔池后，焊条熔敷金属的碳含量略有增加但在可控范围内，而且由于添加的是纳米石墨烯，既能有效提高熔敷金属的强度和硬度，又不会造成其冲击韧度下降，有效提高了焊缝的综合力学性能。

3、焊条使用效率高。由于药皮的抗发红开裂性好，焊条的使用长度为总长度(药皮长度)的85％以上，有效提高了焊条使用效率。

4、焊条具有良好的焊接工艺性。由于药皮的抗发红开裂性好，焊接时电弧稳定，易于操作，焊缝成型好，脱渣便捷。

附图说明

图1是抗药皮发红开裂的镍基焊条垂直于长度方向横截面剖视图；

图2是抗药皮发红开裂的镍基焊条中镍基焊芯的主视图；

图3是图2镍基焊芯的左视图。

图中：1、镍基焊芯；1-1、圆孔；1-2、V形凹槽Ⅰ；1-3、V形凹槽Ⅱ；2、纳米石墨烯涂层Ⅰ；3、纳米石墨烯涂层Ⅱ；4、药皮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步解释说明，但本发明的保护范围不限于具体的实施方式。

在本发明中，需要理解的是：“纵向”是指与焊条长度方向相同的方向，所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特征方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

制备本发明所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，焊芯直径2.5mm，圆孔直径0.625mm，V形凹槽Ⅰ开口宽度0.15mm，深度0.3mm，V形凹槽Ⅱ开口宽度0.25mm，深度0.6mm，V形凹槽Ⅰ和V形凹槽Ⅱ各有3个，纳米石墨烯涂层Ⅰ和纳米石墨烯涂层Ⅱ的厚度约为10nm，镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬18％，锰6.2％，钼2.2％，铌3.2％，铁2％，硅0.9％，钛0.6％，氧化镧1.5％，碳0.005％，其余为镍。

实施例2：

制备本发明所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，焊芯直径5.0mm，圆孔直径1.25mm，V形凹槽Ⅰ开口宽度0.2mm，深度0.6mm，V形凹槽Ⅱ开口宽度0.4mm，深度1.2mm，V形凹槽Ⅰ和V形凹槽Ⅱ各有6个，纳米石墨烯涂层Ⅰ和纳米石墨烯涂层Ⅱ的厚度约为20nm，镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬22％，锰8.0％，钼3.6％，铌4.5％，铁3.5％，硅1.2％，钛0.8％，氧化镧2％，碳0.005％，其余为镍。

对比例1：

制备镍基焊条，焊芯直径5.0mm，圆孔直径1.25mm，V形凹槽Ⅰ开口宽度0.2mm，深度0.6mm，V形凹槽Ⅱ开口宽度0.4mm，深度1.2mm，V形凹槽Ⅰ和V形凹槽Ⅱ各有6个，镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬22％，锰8.0％，钼3.6％，铌4.5％，铁3.5％，硅1.2％，钛0.8％，氧化镧2％，碳0.005％，其余为镍。该技术方案中没有纳米石墨烯涂层Ⅰ和纳米石墨烯涂层Ⅱ。

对比例2：

制备镍基焊条，焊芯直径5.0mm，纳米石墨烯涂层Ⅰ的厚度为20nm，镍基焊芯的成分按质量百分比计为：铬22％，锰8.0％，钼3.6％，铌4.5％，铁3.5％，硅1.2％，钛0.8％，氧化镧2％，碳0.005％，其余为镍。该技术方案中没有圆孔、V形凹槽Ⅰ、V形凹槽Ⅱ、纳米石墨烯涂层Ⅱ。

对比例3：

采用市售的型号为ENi60812的标准镍合金焊条，镍基焊芯直径5.0mm。

实施例与对比例的结果见表1。

表1

注：GB/T 13814－2008《镍及镍合金焊条》中规定：型号为ENi60812的镍基焊条的熔敷金属抗拉强度不小于600MPa。

由以上实施例1和实施例2可以看出：采用本发明制备的焊条焊接时，无药皮发红和开裂现象，焊条利用率高，焊缝成型好，焊缝熔敷金属抗拉强度高(这是纳米石墨烯溶入熔池造成其含碳量增大的原因)。

由以上对比例1-3可以看出：镍基焊芯不开设圆孔、V形凹槽或焊芯没有石墨烯涂层时，均达不到理想效果，药皮会发红和开裂；用普通镍及镍合金焊条进行焊接，药皮发红和开裂现象严重。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：包括镍基焊芯(1)、纳米石墨烯涂层Ⅰ(2)、纳米石墨烯涂层Ⅱ(3)和药皮(4)，所述镍基焊芯(1)外部由内至外依次设有纳米石墨烯涂层Ⅰ(2)和药皮(4)；

所述镍基焊芯(1)垂直于焊芯轴线的横截面中心开设有圆孔(1-1)，圆孔(1-1)的内壁上均匀开设有纵向贯通的V形凹槽Ⅰ(1-2)，所述镍基焊芯(1)垂直于焊芯轴线的横截面外周圆上均匀开设有纵向贯通的V形凹槽Ⅱ(1-3)；

所述纳米石墨烯涂层Ⅱ(3)均匀涂覆在圆孔(1-1)内壁上；

所述镍基焊芯(1)的成分按质量百分比计为：铬18％-22％，锰6.2％-8.0％，钼2.2％-3.6％，铌3.2％-4.5％，铁2％-3.5％，硅0.9％-1.2％，钛0.6％-0.8％，氧化镧1.5％-2％，碳≤0.005％，余量为镍。

2.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：所述镍基焊芯(1)的直径为2.5mm或3.2mm或4.0mm或5.0mm，所述圆孔(1-1)的直径为镍基焊芯(1)直径的24％-26％。

3.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：所述V形凹槽Ⅰ(1-2)的开口在孔(1-1)的内壁表面，V形凹槽Ⅰ(1-2)开口宽度为0.15mm-0.2mm，V形凹槽Ⅰ(1-2)的深度为镍基焊芯(1)直径的11％-13％。

4.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：所述V形凹槽Ⅱ(1-3)的开口在镍基焊芯(1)的外圆表面，所述V形凹槽Ⅱ(4)的开口宽度为0.25mm-0.4mm，所述V形凹槽Ⅱ(1-3)的深度为镍基焊芯(1)直径的23％-25％。

5.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：镍基焊芯(1)的直径为2.5mm或3.2mm时，所述V形凹槽Ⅰ(1-2)的数量为3个，所述V形凹槽Ⅱ(1-3)的数量为3个，所述V形凹槽Ⅰ(1-2)与V形凹槽Ⅱ(1-3)交错排列。

6.根据权利要求6所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：镍基焊芯(1)的直径为4.0mm或5.0mm时，所述V形凹槽Ⅰ(1-2)的数量为4个或6个，所述V形凹槽Ⅱ(1-3)的数量为4个或6个，同一镍基焊芯(1)上的V形凹槽Ⅰ(1-2)和V形凹槽Ⅱ(1-3)的数量相等，所述V形凹槽Ⅰ(1-2)与V形凹槽Ⅱ(1-3)交错排列。

7.根据权利要求1所述的抗药皮发红开裂的镍基焊条，其特征在于：所述纳米石墨烯涂层Ⅰ(2)的厚度大约为10nm-20nm，所述纳米石墨烯涂层Ⅱ(3)的厚度大约为10nm-20nm。