CN111438463B - 一种镍基合金用免充氩打底焊条 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基合金用免充氩打底焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，采用碱性CaO‑CaF₂‑TiO₂‑Zr₂O₃低氢渣系，ERNiCrMo‑3焊芯，熔敷金属主要成分为60％Ni‑22％Cr‑9％Mo‑3.5％Nb+Ta。本发明具有优异单面焊双面成形焊接工艺性能，具有较高的强度，其熔敷金属的抗拉强度≥760MPa，良好的低温冲击韧性，熔敷金属‑196℃冲击功平均值≥80J，以及优异的耐点蚀和晶间腐蚀性能，特别适合用Incone1625/825等镍基合金背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

Description

一种镍基合金用免充氩打底焊条

技术领域

本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种镍基合金用免充氩打底焊条。

背景技术

随着近年来国民经济的快速发展，镍基合金的应用日益广泛。镍是重要的有色金属，具有很高的强度和塑性，对酸、碱性环境的侵蚀都有很好的耐蚀性。此外镍基合金还具有耐热性和良好的高温性能，因此其在能源领域、核反应堆及航空航天等高端领域都有广泛的应用。镍基合金是指以镍为基础(Ni≥50％)，并含有其它合金元素，且能在一些介质中耐腐蚀的合金。主要有镍、镍钼(镍钼铁)合金、镍铬(镍铁)合金、镍铬钼及镍铁铬等几类。

镍基合金主要用于一般钢材难以胜任的、使用条件苛刻、安全性要求高的极端环境下。随着我国经济的持续、高速发展，装备制造业已经成为国民经济的支柱产业。装备制造业发展的突出特征是：单机设备参数越来越高，使用条件越来越苛刻，对安全性要求越来越高。这些技术特点促成了镍基合金应用的不断扩大，近年来，镍基合金的生产数量不断增加，应用范围不断扩大，镍基合金焊接材料的需求也在不断增加，在能源制造领域这一现象尤为突出。目前镍基合金等高端焊接材料主要仍以进口为主，国内能够满足用户要求稳定供货的很少，加快国产化进程是促进我国装备制造业发展的重要措施之一。

在电建和能源石化等领域，管道与管道之间的连接是通过焊接实现的，因此焊接的工艺性及焊后熔敷金属的力学性能及耐腐蚀性能至关重要。焊接的质量直接影响整体的焊缝的质量，以至工程项目建设周期。近年来国内对于镍基焊材的研发已取得了显著进步，但目前管道与管道间的窄间隙的打底主要依靠氩弧焊接来实现，要确保焊缝的抗腐蚀性能，必须对管道内部进行充氩以确保背面焊缝质量。但这样一方面对焊接工艺要求较高，从而导致焊接成本较高，另一方面，由于焊缝的性能直接取决于焊丝的成分性能，从而对线材冶炼的要求很高，相应的冶炼成本也高。

因此，发明一种镍基合金用免充氩打底药皮焊条，一方面能够解决背面冲氩简化工艺、节约成本的问题，另一方面通过药皮的微合金化和碱性药皮的精炼和提纯作用，达到更佳的接头的性能，对于镍基合金的工业推广应用具有十分重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种镍基合金用免充氩打底焊条，采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，ERNiCrMo-3焊芯，熔敷金属主要成分为60％Ni-22％Cr-9％Mo-3.5％Nb+Ta，本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异单面焊双面成形焊接工艺性能，且焊接时，焊条药皮会熔化形成一层薄渣渗透到工件背面，均匀覆盖于背面焊缝表面对焊缝起到保护避免氧化的作用，且清渣容易。本发明的免充氩打底镍基焊条具有较高的强度，其熔敷金属的抗拉强度≥760MPa，良好的低温冲击韧性，熔敷金属-196℃冲击功平均值≥80J，以及优异的耐点蚀和晶间腐蚀性能，特别适合用Inconel625/825等镍基合金背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

本发明的技术方案是：一种镍基合金用免充氩打底焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，药皮占焊条的重量比例为0.10～0.30；

(a)所述焊芯是ERNiCrMo-3焊芯，以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，ERNiCrMo-3焊芯组分如下：C：≤0.05％；Si：≤0.25％；Mn：≤0.40％；P：≤0.012％；S：≤0.008％；Cr：21.0～23.0％；Ni：≥62.0％；Mo：8.5～10.0％；Nb+Ta：3.15～4.15％；Fe：≤0.8％；

(b)药皮组成采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：15～25％；氟化钙：15～30％；白云石：3～15％；氟化钡：1～3％；钛酸钾：0.5～2％；碳酸钠：0～1％；石英粉：3～8％；金红石：5～25％；金属锰：3.5～5.5％；稀土硅铁：3～6％；钛铁：1～3％；铝镁合金：0.5～2％；金属铬：0～3％；金属铌：2～5％；氧化锆：5～14％；藻酸盐：0.5％～2.5％；

所述药皮的组分混合均匀后加入总混合料成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机将药粉均匀涂覆于焊芯上，分别经低、高温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃，高温烘焙温度为250～400℃。

优选的，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75～3.15，浓度为35～42Be。

优选的，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：15～24％；氟化钙：15～29％；白云石：3～15％；氟化钡：1～3％；钛酸钾：0.6～1.8％；碳酸钠：0.2～0.8％；石英粉：3.2～7.0％；金红石：5.5～24％；金属锰：3.8～5.5％；稀土硅铁：3～5.8％；钛铁：1～2.6％；铝镁合金：0.5～2％；金属铬：0.8～2.7％；金属铌：2.3～4.7％；氧化锆：5～13.8％；藻酸盐：0.5％～2.3％。

优选的，以重量百分比计，所述镍基合金用免充氩打底焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.025～0.08％；Si：0.25～0.70％；Mn：0.40～0.85％；P：≤0.008％；S：≤0.006％；Cr：21.0～23.0％；Ni：≥60％；Mo：8.5～10％；Nb：3.15～4.0％；余量Fe。

本发明在传统实心氩弧焊丝的基础上，通过在焊芯涂覆药皮，解决了大构件背面充氩的需求，既简化了焊接工艺、节约了焊接成本，还能有效保证焊缝具有良好的强度及冲击韧性；

本发明在传统焊条的基础上，药皮重量系数由传统的0.3～0.6降低至0.10～0.30，以达到减少焊渣总量、优化氩弧手焊工艺性的目的。另外本发明在传统低氢CaCO₃-CaF₂渣系的基础上，采用CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃渣系，与传统CaCO₃-CaF₂渣系相比，一方面使原本的短路过渡转变为细熔滴过渡，对电弧稳定性和优化工艺性有很大突破，另一方面通过提高TiO₂和Zr₂O₃在药皮中的含量，改善焊渣的流动性及覆盖性来弥补药皮重量系数减少而可能导致的单面焊双面成型背面渣量不足的问题。因此，本发明一方面具有与光焊丝相当优异的焊接作业性并具有优异的单面焊双面成型，另一方面也具有优异的焊渣流动性，背面焊缝焊渣全覆盖，确保背面焊缝不被氧化从而达到背面免充氩的效果。

本发明在专利CN 102962603 A的基础上，对焊芯ERNiCrMo-3成分加以控制和精炼，对C、P、S等元素加严控制在更低的水平，并辅以药皮原料控制，使得本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异的抗裂性能和更佳的冲击韧性，且严格控制焊芯中Fe的含量＜0.8％，使得本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有更优异的耐蚀性能。

本发明还通过对药皮的优化设计，以及添加特定组分的稀土硅铁和氧化锆，通过稀土元素和氧化锆在焊接熔池中的冶金反应，进一步净化提纯并微合金化焊缝金属，使得本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异的打底单面焊双面成型且背面焊缝焊渣覆盖良好、焊渣剥离性优异，焊接工艺简单、既有效防止了背面的氧化，确保了焊缝具有优良的机械性能和耐腐蚀性能且成本较低。

本发明中焊条药皮的作用主要是造气、造渣、保护背面焊缝不被氧化，脱氧和微合金化等，具体分析本发明中药皮主要组分在焊条中各自发挥的作用如下：

焊条中碳酸盐的主要作用为造渣和造气，分解产生的CaO系碱性氧化物，能提高熔渣碱度，细化熔滴，并具有脱S、P的作用，提高焊缝金属的抗裂纹能力，还有调节熔渣熔点、粘度、表面和截面张力的作用。当碳酸盐含量较低时，药皮的造气和造渣能力下降，对焊缝的保护作用降低，造成焊缝力学性能的下降；如果碳酸盐的含量过高，药皮造气量过大，电弧稳定性下降，飞溅增大，焊渣熔点升高，焊缝成型粗糙，故本发明中碳酸盐的含量控制在18～40％；

本发明中氟化物主要为CaF₂及少量氟化钡，为碱性造渣剂，可调节渣的熔点，对降低焊缝气孔，改善熔渣的物理性能，改善焊缝成型、脱渣等起关键作用，由于本发明的焊条的焊缝金属的合金含量较高，液态金属的表面张力较大，流动性差，焊缝成形变差，焊缝中气体不易逸出，从氟化钙、氟化稀土等得到的氟化物可以降低液态金属的表面张力，提高其流动性，有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣覆盖性的效果，使得焊缝成型美观，降低焊缝形成气孔的缺陷。本发明焊条中氟化物的含量为16～33％；

钛酸钾的主要作用是改善焊条焊接工艺性，对改善焊条的压涂性能和稳定焊接电弧有益。钛酸钾含量超过2％，焊条吸潮性增加，飞溅增大，当钛酸钾含量低于0.5％时，对于焊条工艺性改善作用不明显，故本发明中药皮碳酸钾的含量限制在0.5～2％；

金红石的主要成分是TiO₂，其主要作用是稳弧、造渣、能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成型、减小飞溅；且热脱渣性好，能使焊接电弧稳定，熔池平静，可细化过渡熔滴，使金属以细雾状过渡，方向焊接性好，改善美化焊缝成形，确保熔渣覆盖性，但过量使用会使药皮熔点偏高，形成较深套筒，也容易使机械性能下降，故本发明中其含量控制在5～25％；

钛铁主要起脱氧的作用，和锰铁一起搭配在碱性焊条中脱氧效果更佳，还有向焊缝过渡微量Ti合金的作用，本发明中焊条药铺中钛铁的含量控制在1～3％；

从石英粉、硅酸钾钠水玻璃等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣覆盖性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。当硅氧化物的组分比例不足3％时，由于焊渣的黏性变低，导致全位置焊接时的焊渣覆盖性变差，焊道外观及焊道形状也变得不良。另一方面，硅氧化物的组分比例过高时，会使焊缝O含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此焊药中的硅氧化物组分比例应控制在3～8％；

氧化锆(Zr₂O₃)，有调整熔融焊渣的熔点并防止金属下淌的效果。且其线膨胀系数较大，对碱性焊条脱渣有明显的改善，当锆氧化物的组分比例不足0.5％时，熔融焊渣的熔点变低，在立上焊及仰焊焊接时变得容易金属下淌，焊道外观及焊道形状变得不良。另一方面，锆氧化物的组分比例超过高时，焊渣会变得致密而且坚固，在全位置焊接时的脱渣性变得不良。因此本发明中的锆氧化物组分比例控制在5～14％。

锰铁、钛铁、稀土硅铁、铬铁、铌粉及其它金属粉的主要作用在于脱氧和过渡合金，保证焊缝中合金元素成分，确保焊缝强度并通过合理的元素设计以达到最佳的强韧性和耐蚀性匹配；

稀土硅铁，主要是脱氧、净化和除杂，纯化焊缝金属，另一方面细化焊缝金属晶粒，优化焊缝性能，但成本较高，因而本发明中稀土硅铁的含量控制在3～6％；

粘结剂采用钾钠水玻璃搭配藻酸盐，水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用。

其余部分为铁及无法避免的杂质，从药皮中的铁、铁合金粉而来。

本发明采用ERNiCrMo-3焊芯，进一步加严优化控制焊芯中各成分的范围，因而具有优异的与母材相匹配的高强度和高耐蚀性；药皮采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，具有优异的单面焊双面成型焊接性，且背面焊渣覆盖良好、脱渣容易，并通过药皮的微合金化作用，实现熔敷金属更佳的强韧性与耐蚀性匹配。

本发明背面免充氩单面焊双面成型焊条在打底焊接时电弧稳定，飞溅少，正反面焊缝成型好，背面焊渣覆盖良好，脱渣容易，焊条操作性能优异；本发明通过焊芯成分和药皮组分合理匹配，实现焊接性和机械性、和耐蚀性的双重突破。焊接熔敷金属成分不但具有优异的力学性能、冲击性能还具有优异的耐蚀性能。本发明熔敷金属的抗拉强度≥760MPa，并具有良好的低温冲击韧性，熔敷金属-196℃冲击功平均值≥80J，且满足GB和AWS相关的点蚀、晶间腐蚀和晶间腐蚀弯曲试验要求，特别适合用于Inconel625/825等镍基合金背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

本发明在专利CN 102962603 A的基础上，对焊芯ERNiCrMo-3成分加以控制和精炼，对C、P、S等元素加严控制在更低的水平，并辅以药皮原料控制，使得本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异的抗裂性能和更佳的冲击韧性，且严格控制焊芯中Fe的含量＜0.8％，使得本发明的一种镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有更优异的耐蚀性能；

本发明还通过对药皮的优化设计，以及添加特定组分的稀土硅铁和氧化锆，通过稀土元素和氧化锆在焊接熔池中的冶金反应，进一步净化提纯并微合金化焊缝金属，使得本发明的镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异的打底单面焊双面成型且背面焊缝焊渣覆盖良好、焊渣剥离性优异，焊接工艺简单，有效防止了背面的氧化，确保了焊缝具有优良的机械性能和耐腐蚀性能且成本较低。

附图说明

图1-1是传统ERNiCrMo-3光焊丝焊接背面焊缝。

图1-2是本发明免充氩焊条焊接背面焊缝脱渣前外观。

图1-3是传统ERNiCrMo-3光焊丝焊接背面焊缝，焊缝氧化严重。

图1-4是本发明免充氩焊条焊接背面焊缝脱渣后外观。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明镍基合金用免充氩焊条由焊芯和药皮组成，药皮涂覆在焊芯外壁，采用ERNiCrMo-3焊芯，焊芯主要成分系60％Ni-22％Cr-9％Mo-3.5％Nb+Ta，焊芯组分(重量百分比％)如下表1。

表1：焊芯组分百分比

C	Si	Mn	P	S
					≤0.05％	≤0.25％	≤0.40％	≤0.012％	≤0.008％
Cr	Ni	Mo	Nb+Ta	Fe
					21.0～23.0％	≥62％	8.5～10.0％	3.15～4.15％	≤0.8％

药皮组成采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙(CaCO₃≥98％)：15～25％；氟化钙(CaF₂≥97％)：15～30％；白云石(CaCO₃+MgCO₃≥98.5％)：3～15％；氟化钡(BaF₂≥98.5％)：1～3％；钛酸钾(TiO₂≥60％K₂O≥28)：0.5～2％；碳酸钠(≥99.5％)：0～1％；石英粉(SiO₂≥98.5％)：3～8％；金红石(TiO₂≥95％)：5～25％；金属锰(Mn≥99％)：3.5～5.5％；稀土硅铁：3～6％；钛铁(Ti：30～45％)：1～3％；铝镁合金(Al+Mg≥99.5％)：0.5～2％；金属铬(Cr≥99.5％)：0～3％；金属铌(Nb≥99.5％)：2～5％；氧化锆(纯)：5～14％；藻酸盐(纯)：0.5％～2.5％；

所述药皮组分混合均匀后加入总混合料成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机将药粉均匀涂覆于焊芯上，经低、高温烘焙而成，低温烘焙温度为60～100℃，高温烘焙温度为250～400℃。

实施例1～5

一种镍基合金用免充氩焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，其焊芯成分百分比具体见表2。

表2：实施例1～5的焊芯成分(重量百分比％)

药皮采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，药皮占焊条全重量比例为0.10～0.30，芯线直径为2.2mm、2.4mm、或2.6mm，实施例1-5药皮组分实施例及比较例如下表3。

各实施案例对应其熔敷金属化学成分测试结果如下表：

表5：各实施例及比例例熔敷金属化学成分

各实施例对应其熔敷金属机械性能、低温冲击及抗裂性测试结果如下表6：

表6各实施例及比较例熔敷金属性能测试

由上述比较可见，本发明焊条具有优异的单面焊双面成型焊接性，且通过药皮微量合金元素的调整，熔敷金属机械性能优异且稳定，其的抗拉强度≥760MPa，熔敷金属-196℃冲击功平均值≥80J，且满足GB和AWS相关的点蚀、晶间腐蚀和晶间腐蚀弯曲试验要求，特别适合用Incone1625/825等镍基合金背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

比较例6的碳酸盐总量过低，电弧力不足，背面成形不良；比较例7的碳酸盐总量过多，焊接飞溅大、且熔渣与熔池浑浊，焊接性较差；比较例8的稀土硅铁含量太低，熔敷金属Si含量过低，铁水粘稠流动性不佳，焊缝背面成型不良；比较例9的稀土硅铁含量过高，熔敷金属Si含量过高，焊接操控性良好，但-196℃冲击韧性明显恶化，且抗裂性试验及晶间腐蚀弯曲试验均不合格；比较例10的药皮中氧化锆过低，焊渣较紧且碎，焊缝脱渣不良；比较例11的药皮中氧化锆含量过高，因其高熔点，焊渣粘稠且分布不规则，焊渣很硬，敲渣后焊缝表面有丝状残渣；比较例12的药皮中金红石含量过高，且石英偏上限，操控性良好，但焊缝氧含量过高，焊缝冲击韧性及抗裂性以及晶间腐蚀性能均明显恶化；比较例13的药皮碱度过高(碳酸盐及氟化物总量过高)，焊渣及铁水流动性不佳，焊渣覆盖不均匀，焊缝成型不良。

附图1-1、1-2、1-3、1-4是本发明与传统氩弧焊的焊道外观比较，其中，图1-1是氩弧焊ERNiCrMo-3光焊丝的焊道，可见其背面无渣、氧化严重，图1-2是本发明ENiCrMo-3免充氩焊条的焊道，可见其背面焊渣全覆盖，图1-3是ERNiCrMo-3光焊丝的焊道，可见其背面氧化严重，图1-4是本发明ENiCrMo-3免充氩焊条的焊道，可见其背面无氧化。

本发明提供了一种镍基合金用免充氩焊条，采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，ERNiCrMo-3焊芯，熔敷金属主要成分为60％Ni-22％Cr-9％Mo-3.5％Nb+Ta，本发明一种镍基合金用免充氩打底药皮焊条具有优异单面焊双面成形焊接工艺性能，且焊接时，焊条药皮会熔化形成一层薄渣渗透到工件背面，均匀覆盖于背面焊缝表面对焊缝起到保护避免氧化的作用，且清渣容易。本发明的免充氩打底镍基焊条具有较高的强度，其熔敷金属的抗拉强度≥760MPa，良好的低温冲击韧性，熔敷金属-196℃冲击功平均值≥80J，以及优异的耐点蚀和晶间腐蚀性能，特别适合用Inconel625/825等镍基合金背面免充氩单面焊双面成型打底需求，既节约了背面充氩的成本，又保证了优异的接头质量。

以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种镍基合金用免充氩打底焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂覆于焊芯外壁，其特征在于，药皮占焊条的重量比例为0.10~0.30；

(a)所述焊芯是ERNiCrMo-3焊芯，以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，ERNiCrMo-3焊芯组分如下：C：≤0.05%；Si：≤0.25%；Mn：≤0.40%；P：≤0.012%；S：≤0.008%；Cr：21.0~23.0%；Ni：≥62.0%；Mo：8.5~10.0%；Nb+Ta：3.15~4.15%；Fe：≤0.8%；

(b) 药皮组成采用碱性CaO-CaF₂-TiO₂-Zr₂O₃低氢渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：15～25%；氟化钙：15～30%；白云石：3~15%；氟化钡：1~3%；钛酸钾：0.5~2%；碳酸钠：0~1%；石英粉：3~8%；金红石：5~25%；金属锰：3.5~5.5%；稀土硅铁：3~6% ；钛铁：1~3%；铝镁合金：0.5~2%；金属铬：0~3%；金属铌：2~5%；氧化锆：5~14%；藻酸盐：0.5%~2.5%；

所述药皮组分混合均匀后加入总混合料成分重量15~30%的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机将药粉均匀涂覆于焊芯上，分别经低、高温烘焙而成，低温烘焙温度为60~100℃，高温烘焙温度为250~400℃；

以重量百分比计，所述镍基合金用免充氩打底焊条的熔敷金属的组分包括：C：0.025~0.08%；Si：0.25~0.70%；Mn：0.40~0.85%；P：≤0.008%；S：≤0.006%；Cr：21.0~23.0%；Ni：≥60%；Mo：8.5~10%；Nb：3.15~4.0%；余量Fe。

2.根据权利要求1所述的镍基合金用免充氩打底焊条，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.75~3.15，浓度为35~42Be。

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