CN111283347B - 一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂及其制备方法，由焊料和高模数硅酸钾水玻璃粘结剂制备而成，其中焊料由Al₂O₃、TiO₂、CaF₂、K₃AlF₆、Cr₂O₃、钛酸钾钠、钼粉、镍粉、铌粉混合烧结而成。本发明的组分配方用于电站锅炉膜式水冷壁异形表面改性堆焊，焊缝成形美观、脱渣性优良，焊道边缘与基材过渡平滑，浸润性良好；焊接过程无飞溅、无弧光辐射；通过冷丝在前热丝在后的特殊电极布置方式以及热丝施焊角度的调节，有效减小熔深、降低堆焊层稀释率，显著提高熔敷效率的同时，能最大限度的保证镍基焊丝中各金属元素的有效过渡，获得成分稳定均匀的镍基合金堆焊层，达到抗高温烟气磨损及硫化氢腐蚀的优良性能。

Description

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属表面堆焊修复、改性高效堆焊技术领域，尤其是普通碳素结构钢表面进行镍基合金埋弧自动堆焊工艺所使用的焊剂，特别涉及一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂及其制备方法。

背景技术

电站余热锅炉腐蚀问题，是一个普遍问题，特别是第一通道腐蚀非常严重。锅炉运行过程中炉温可高达1600℃以上，由于燃烧煤中硫及其它有害杂质的存在，水冷壁不仅普遍遭受高温烟气和灰分颗粒高速的冲蚀，还伴随着燃烧过程中产生的SO₂、SO₃、H₂S、HCl、碱金属盐及钒盐类等有害物，尤其是硫化氢对管壁金属长期作用产生的复杂动态腐蚀过程。水冷壁腐蚀的直接危害主要表现在以下两个方面：一是使管壁减薄，据统计一般每年减薄量约为1mm左右，严重的甚至可达5～6mm年，形成安全运行的严重隐患，增加了电厂的临时性检修和大修工作量，给电厂造成很大的经济损失。二是发生水冷壁突发性爆管事故，造成紧急停炉抢修，不仅打乱了电厂的正常发电秩序，减少发电产值，而且增加了工人劳动强度和额外的检修费用，直接影响企业效益，同时也干扰了地区电网的正常调度，影响当地工农业生产，由此也造成了很大的社会影响。

堆焊作为改变材料表面性能最经济、有效的工艺方法，越来越广泛地应用于电站锅炉膜式水冷壁的制造和修复中。现有的堆焊方法基本采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊，具有自动化程度高、有利于观察熔池状态及焊缝成形、焊接参数易于调节等优点；但对于大幅面异形表面的膜式水冷壁的堆焊焊接，MIG焊方法还存在诸多缺点:一是，焊丝直径小、堆敷效率低，即便采用摆弧焊工艺也很难到达理想堆高，且不太适用于异形表面；二是，堆焊层金属在母材熔融稀释及焊接烧损的共同作用下，很能达到堆焊焊丝设计成分，且堆焊层成分不均匀；三是，焊接过程存在飞溅，焊缝外观质量差，焊材利用率低，即使采用特殊的焊接电源对焊接熔滴过渡进行控制，也只是能在一定程度上减少熔滴飞溅。为了更高效的获得成分稳定、均匀，有效厚度大的镍基堆焊层，急需要开发出一种熔敷效率更高、稀释率更低的镍基合金埋弧堆焊焊接工艺。

目前，国内镍基合金埋弧堆焊焊丝种类较多，也已基本国产化，其中因科镍625焊丝在膜式水冷壁的表面改性堆焊中应用最广、高温防腐效果最佳；然而，对应该钢种的埋弧堆焊用烧结焊剂还基本依赖进口，导致国内企业膜式水冷壁改性制造、修复的成本较高。尤其是，一种用于双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，进口价格高达每吨十多万元。因此，一种用于双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂的国产化研制意义非凡。

双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂的难点在于：

埋弧焊热输入量高、熔深大，堆焊层金属稀释率较大，焊接变形也大；合金含量高，焊接熔池易产生较多中间相导致焊缝粘渣，脱渣困难；同时，焊接产生的热量易使合金元素烧损，堆焊层力学性能降低及抗腐蚀性能恶化，尤其是抗晶间腐蚀性能差；应用于薄壁管件小电流、高速焊接时，难以保证焊接电弧的稳定性，导致焊缝外观差。

因此，研制出一种双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，既能获得脱渣好、焊接变形小、焊缝美观等优良的焊接工艺性能，又能获得有效厚度大、成分均匀、稀释率低、抗高温腐蚀性能优良的堆焊层，是解决水冷膜式壁表面镍基改性高效堆焊技术的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，所述焊剂的配料包括：焊料和焊料重量20％的高模数硅酸钾水玻璃，所用配料的颗粒度为14～48目，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 30～42％；TiO₂ 25～35％；CaF₂ 16～24％；K₃AlF₆ 4～7％；Cr₂O₃ 2～5％；钛酸钾钠2～5％，镍粉0.5～1.5％；钼粉0.5～1.5％；铌粉0.5～1.0％。

进一步的，所述硅酸钾水玻璃模数为3.6～4.0，波美度40～45。

进一步的，所述钛酸钾钠中各物质含量：TiO₂≥60.0％，K₂O 10～12％，Na₂O 9～14％,S≤0.02％，P≤0.02％，粒度100目。

进一步的，所述镍粉各元素含量：Ni％≥99.0％，O≤0.20％，Si≤0.005％,Fe≤0.04％，粒度150目。

进一步的，所述钼粉各元素含量：Mo％≥99.5％，O≤0.25％，Si≤0.005％,Fe≤0.01％，粒度200目。

进一步的，所述铌粉各元素含量：Nb％≥99.0％，C≤0.021％，Si≤0.002％，Fe≤0.005％，粒度100目。

进一步的，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 30％；TiO₂ 35％；CaF₂ 24％；K₃AlF₆ 4％；Cr₂O₃ 2％；钛酸钾钠3％，镍粉0.5％；钼粉1％；铌粉0.5％。

进一步的，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 35％；TiO₂ 30％；CaF₂ 19％；K₃AlF₆ 6％；Cr₂O₃ 3％；钛酸钾钠5％，镍粉1％；钼粉0.5％；铌粉0.5％。

进一步的，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 42％；TiO₂ 25％；CaF₂ 16％；K₃AlF₆ 7％；Cr₂O₃ 5％；钛酸钾钠2％，镍粉1.5％；钼粉0.5％；铌粉1％。

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按比例称取焊料各原料以所需颗粒度过筛，按重量配比配料，充分混合后加入硅酸钾水玻璃湿搅拌，造粒，得湿颗粒焊剂，将湿颗粒焊剂低温烘干，出料，过筛，高温烧结，分筛、冷却，密封包装至具有防潮、防摔的包装袋中供焊接生产使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明焊剂匹配国产镍基合金焊丝,用于电站锅炉膜式水冷壁异性表面改性堆焊，可以完全替代进口同类产品，满足所有膜式水冷壁管厚度的冷、热双丝镍基合金埋弧堆焊工艺要求，单次堆焊能获得较高镍基合金堆焊层，大大降低了电站锅炉膜式水冷壁的制造成本及维修保养周期，经济效益显著；

(2)本发明焊剂中含有高含量的氧化铝及氟化物(Al₂O₃+TiO₂+CaF₂＞80％)，较高含量的氧化铝和氧化钛具有能最佳平衡焊缝金属性能和可焊性的特点：如液态熔渣含氧量适中，利于获得良好的焊缝金属韧性；液态熔渣粘度及凝固温差范围适中，有利于获得优良的焊缝外观和脱渣性，特别适用于薄壁管件的小电流、高速焊；由于氟化物(CaF₂、K₃AlF₆)的大量加入，液态熔池中产生适量的可挥发性气体(四氟化硅SiF₄↑、氟化氢HF↑)，既能有效控制堆焊层金属中硅和氢的含量，又利于液态熔池的充分搅拌，使镍基堆焊层成分更加均匀；气体从焊接熔池挥发的同时，还能带走大量的焊接热能，降低基材熔深及焊缝组织粗大的风险。

附图说明

图1为本发明实施例冷、热双电极布置示意图；

图2为本发明实施例单道、多道堆焊横截面示意图；

图3为本发明实施例2冷、热双丝镍基合金埋弧堆焊焊缝效果图；

图4为本发明实施例2膜式水冷壁管屏冷、热双丝埋弧焊堆层效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，由焊料和焊料重量的20％纯钾水玻璃(模数3.6，波美度40)制备而成，其中所述焊料按一定的质量百分比的原料混合而成，具体制备方法如下：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入硅酸钾水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行200℃低温烘干，干燥后的焊剂颗粒经过筛至30目，再于高温炉中进行500℃高温烧结120分钟，最后经分筛、冷却，密封包装至具有防潮、防摔的包装袋中供焊接生产使用。

实施例2

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，由焊料和焊料重量的20％纯钾水玻璃(模数4.0，波美度45)制备而成，其中所述焊料按一定的质量百分比的原料混合而成，具体制备方法如下：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入硅酸钾水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行300℃低温烘干，干燥后的焊剂颗粒经过筛至45目，再于高温炉中进行550℃高温烧结120分钟，最后经分筛、冷却，密封包装至具有防潮、防摔的包装袋中供焊接生产使用。

实施例3

一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，由焊料和焊料重量的20％纯钾水玻璃(模数3.8，波美度42)制备而成，其中所述焊料按一定的质量百分比的原料混合而成，具体制备方法如下：

按比例称取焊料中的各原料以实际需要的颗粒度过筛后按重量配比进行配料，充分混合后加入硅酸钾水玻璃进行湿搅拌，然后用造粒机进行造粒，将造粒好后的湿颗粒焊剂，在低温炉中进行250℃低温烘干，干燥后的焊剂颗粒经过筛至25目，再于高温炉中进行530℃高温烧结110分钟，最后经分筛、冷却，密封包装至具有防潮、防摔的包装袋中供焊接生产使用。

各实施例的焊料和衬垫焊料重量配比如表1所示：

表1

实施例1～3中，钛酸钾钠中各物质含量：TiO₂ 73.97％，K₂O 12％，Na₂O 14％,S0.02％，P 0.01％，粒度100目；

镍粉中各元素含量：Ni％99.755％，O 0.20％，Si 0.005％,Fe 0.04％，粒度150目；

钼粉中各元素含量：Mo％99.735％，O 0.25％，Si 0.005％,Fe 0.01％，粒度200目；

铌粉中各元素含量：Nb％99.972％，C 0.021％，Si 0.002％，Fe 0.005％，粒度100目。

采用本发明实施例1～3所得的埋弧烧结焊剂，匹配国产镍基合金焊丝625进行堆焊焊接试验，详细试验情况如下：

试验用埋弧焊接电源如表2所示：

表2

设备名称	焊机型号	数量	生产厂家
				埋弧焊机	ZD5-630E	1	唐山开元特种焊接设备有限公司

焊丝成分：

国产镍基合金焊丝625规格及成分如表3所示：

表3

试验用钢板：

冷、热双丝埋弧堆焊试验用钢板为广泛采用的膜式水冷壁管屏材质Q245R(GB/T713-2014)，规格及成分如表4所示：

表4

焊接试验规范：

焊接试验规范如表5所示：

表5

单层堆焊高度及稀释率测试：

单层堆焊高度及稀释率测试结果如表6所示：

表6

镍基堆焊层化学成分检测：

镍基堆焊层主要化学成分检测结果如表7所示：

表7

试验编号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Nb
										成分要求	≤0.10	≤0.50	≤0.50	≤0.015	≤0.015	≥58.0	≥20.0	≥7.0	≥2.5
实施例1	0.08	0.13	0.10	0.009	0.007	63.8	21.1	8.9	3.2
										实施例2	0.07	0.14	0.11	0.008	0.006	62.9	21.2	8.3	3.2
实施例3	0.09	0.13	0.11	0.009	0.008	62.4	21.1	8.4	3.3

堆焊层组织及腐蚀试验结果：

堆焊层组织及腐蚀试验结果如表8所示：

表8

工艺性能试验结果

按照表5的焊接规范，对本发明实施例2进行ψ28mm、t＝6mm的管屏双丝堆焊焊接工艺性能试验。堆焊焊缝外观及管屏整体质量如表9所示：

表9

试验结果分析：

据表5、6知，本发明运用于冷、热双丝镍基堆焊，通过合理的电极布置，在焊接线能量不断增加，单层堆焊厚度达到4.0～5.0mm前提下，仍能将镍基合金堆焊层稀释率保持在5％左右。由表7、8知，镍基堆焊层中镍的含量均能稳定在62％以上，铬、钼、铌等主要合金成分也能维持在较高的水平，镍基堆焊层耐Cl^-、H₂S点蚀试验结果良好；由表9知，应用于膜式水冷壁管屏异形表面埋弧堆焊，脱渣性能优良、焊缝表面光滑、焊道间过渡平顺、堆焊层高度均匀。

以上试验结果表明：本发明焊剂中含有百分比大于80％的氧化铝、氧化钛及氟化物，不仅能获得优良的堆焊焊接工艺性能，还能获得均匀、稳定的镍基堆焊层化学成分，使镍基堆焊层具有较强的抗腐蚀性能。焊剂配方中氟含量较高，能为镍基合金熔池提供良好的浸润性,使镍基堆焊层与碳钢基材过渡平滑；形成的铝、钛复合型盐类渣系，更适应小壁厚、小电流慢速堆焊，获得更加细腻的焊缝外观及优良的脱渣性；配方中适量加入钛酸钾钠能有效改善焊接电弧稳定性，使冷丝向熔池的过渡更加均匀；同时此焊剂配方中加入适量高纯度Ni、Mo、Nb金属粉，有效补充合金元素的烧损，稳定堆焊层化学成分，确保镍基堆焊层金属获得稳定的耐高温及硫化氢腐蚀性能。

本发明能广泛应用于电站锅炉膜式水冷壁管屏的冷、热双丝埋弧堆焊，适用于包括Q245在内的普通碳素结构钢材质镍基合金改性堆焊，适用厚度范围由堆焊工艺方案而定，不受焊接材料的影响。

区别于现有技术：本发明焊剂匹配国产镍基合金焊丝,用于电站锅炉膜式水冷壁异性表面改性堆焊，可以完全替代进口同类产品，满足所有膜式水冷壁管厚度的冷、热双丝镍基合金埋弧堆焊工艺要求，单次堆焊能获得较高镍基合金堆焊层，大大降低了电站锅炉膜式水冷壁的制造成本及维修保养周期，经济效益显著。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊剂的配料包括：焊料和焊料重量20%的高模数硅酸钾水玻璃，所用配料的颗粒度为14~48目，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 30～42%；TiO₂ 25～35%；CaF₂ 16～24%；K₃AlF₆ 4～7%；Cr₂O₃ 2～5%；钛酸钾钠 2～5%，镍粉 0.5～1.5%；钼粉 0.5～1.5%；铌粉 0.5～1.0%；

Al₂O₃、TiO₂及氟化物的总质量占比大于80%。

2.根据权利要求1所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述硅酸钾水玻璃模数为3.6~4.0，波美度40～45°Be' 。

3.根据权利要求1所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述钛酸钾钠中各物质含量：TiO₂≥60.0%，K₂O 10~12%，Na₂O 9~14%,S≤0.02%，P≤0.02%，粒度100目。

4.根据权利要求1所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述镍粉各元素含量： Ni≥99.0%，O≤0.20%，Si≤0.005%,Fe≤0.04%，粒度150目。

5.根据权利要求1所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述钼粉各元素含量：Mo≥99.5%，O≤0.25%，Si≤0.005%，Fe≤0.01%，粒度200目。

6.根据权利要求1所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述铌粉各元素含量：Nb≥99.0%，C≤0.021%，Si≤0.002%，Fe≤0.005%，粒度100目。

7.根据权利要求1~6任一项所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 30%；TiO₂ 35%；CaF₂ 24%；K₃AlF₆ 4%；Cr₂O₃ 2%；钛酸钾钠 3%，镍粉 0.5%；钼粉1%；铌粉 0.5%。

8.根据权利要求1~6任一项所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 35%；TiO₂ 30%；CaF₂ 19%；K₃AlF₆ 6%；Cr₂O₃ 3%；钛酸钾钠 5%，镍粉 1%；钼粉0.5%；铌粉 0.5%。

9.根据权利要求1~6任一项权利要求所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂，其特征在于，所述焊料由以下质量百分比的原料混合而成：

Al₂O₃ 42%；TiO₂ 25%；CaF₂ 16%；K₃AlF₆ 7%；Cr₂O₃ 5%；钛酸钾钠 2%，镍粉 1.5%；钼粉0.5%；铌粉 1%。

10.一种如权利要求1~9任意一项所述的冷热双丝镍基合金埋弧堆焊烧结焊剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按比例称取焊料各原料以所需颗粒度过筛，按重量配比配料，充分混合后加入硅酸钾水玻璃湿搅拌，造粒，得湿颗粒焊剂，将湿颗粒焊剂低温烘干，出料，过筛，高温烧结，分筛、冷却，密封包装至具有防潮、防摔的包装袋中供焊接生产使用。

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