CN111889916B - 核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝及制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝及制备和使用方法，属于焊接材料领域。所述的镍基高温合金焊丝，包括C≤0.04％、Cr28.00～31.50％、Mo≤0.50％、Co≤0.05％、Al0.10～0.30％、Ti0.10～0.50％、B0.0010～0.0030％、Nb0.40～0.80％、N≤0.002％、Si≤0.10％、Mn0.50～1.00％、P≤0.0050％、S≤0.0020％、Cu≤0.05％、Fe8.00～10.00％、O≤0.002％、H≤0.001％、Ni为余量和不可避免的杂质元素。本发明中材料的成分配置合理，焊丝合金的制备能够满足核电站发展要求，并且可提高核电站设备材料性能，其熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490MPa，室温冲击(功)≥150J。

Description

核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝及制备和使用方法

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焊丝，主要用于核岛主设备(反应堆压力容器，蒸汽发生器，稳压器，堆芯补水箱等)的本体(材质都为高强度低合金钢)与冷却剂管道(材质为奥氏体不锈钢)的安全端异种钢的焊接使用。

背景技术

目前国内外新开工的核电站多为第三代压水堆核电站，如美国的AP1000，欧洲的EPR及国内的华龙一号，CAP1400等，其主要核岛设备(反应堆压力容器，蒸汽发生器，稳压器，堆芯补水箱等)的本体材质都为高强度低合金钢，而冷却剂管道材质为奥氏体不锈钢，为保证安装现场的同质焊接，制造商在厂内需对容器上的低合金管接头预焊一段奥氏体不锈钢的安全端。管接头安全端异种钢(低合金钢+奥氏体不锈钢)的焊接前期一直采用奥氏体不锈钢焊材，为了更好地抵抗应力腐蚀，第三代压水堆普遍采用690镍基合金材料进行焊接。目前，核电站主岛设备和冷却剂管道材料已实现国产化，但还没有对应的焊材，且国内研发的焊材易出现熔敷金属焊接裂纹，为此研发了适用于核电主岛设备与冷却剂管道相连的管接头安全端异种钢用镍基合金焊材。

对比专利一种超低气体含量镍基合金690的制备方法，公开号CN110846515A，此发明超低气体含量镍基合金690的制备方法，该方法采用真空感应熔炼+电渣重熔的双联工艺，制备的镍基合金690中(O+N+H)气体总含量小于60ppm，并且锻造性能好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝及制备和使用方法，能够适用于核电主体设备与冷却剂管道安全端异种钢焊接，其熔敷金属具有如下性能指标：熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490MPa，室温冲击≥150J。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：C≤0.04％、Cr28.00～31.50％、Mo≤0.50％、Co≤0.05％、Al0.10～0.30％、Ti0.10～0.50％、B0.0010～0.0030％、Nb0.40～0.80％、N≤0.002％、Si≤0.10％、Mn0.50～1.00％、P≤0.0050％、S≤0.0020％、Cu≤0.05％、Fe8.00～10.00％、O≤0.002％、H≤0.001％、Ni为余量和不可避免的杂质元素。

如上所述的一种核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于采用真空熔炼+电渣重熔+真空自耗制备的母合金钢锭，经过1230～1280℃保温2.0～2.5h后锻造成80～100mm方坯，再经过1220～1260℃保温1.5～2.0h锻造成35～40mm方坯，锻造后的方坯经过1150～1200℃保温1.0～1.5h后热轧成Φ6.8～7.2mm盘条；盘条经过连续冷拔和中间热处理后制成φ1.8～2.4mm焊丝。

进一步地，本发明气体元素O/N/H控制：通过真空熔炼+电渣重熔+真空自耗三联工艺制备合金钢锭，采用氢气保护连续退火炉热处理合金并制备焊丝，保证了在焊丝制备过程中N≤0.002％、O≤0.002％和H≤0.001％，且O+N+H≤50ppm，保证安全端异种钢熔敷金属不出现焊接裂纹。

进一步地，本发明杂质元素S/P控制：采用真空熔炼+电渣重熔+真空自耗制备的690焊丝钢锭保证了合金中S/P杂质元素控制在较低水平，P≤0.005％、S≤0.002％，避免S,P在晶界偏析引起的低熔点夹杂物引起的熔敷金属结晶裂纹的产生。

本发明Al/Ti元素含量，合金中Al和Ti元素主要是形成晶界强化产物，但Al和Ti元素在焊接过程中易形成低熔点夹杂物，故其含量控制在Al0.10～0.30％、Ti0.10～0.50％。

B元素是晶界强化元素，本发明中少量加入，B0.0010～0.0030％。

如上所述方法制备的镍基合金焊丝的使用方法，其特征在于，取规格为φ2.0mm焊丝，采用非熔化极手工氩弧焊，保护气体为Ar99.99％、获得焊缝熔敷金属，焊后热处理工艺：温度600～620℃，保温时间16.0～16.5h。

进一步地，本发明熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490MPa，室温冲击≥150J。

合理的化学成分体系，严格的气体元素和杂质元素冶炼和加工过程控制，是显著提高熔敷金属的抗裂纹敏感性，减少熔敷金属焊接裂纹的主要原因，同时也是增强熔敷金属强韧性的主要原因。

本发明的有益效果

同已有文献或者专利采用的镍基合金焊丝系统相比，本发明采用的镍基合金体系，不但具有更高的熔敷金属抗拉强度，抗裂纹敏感性同时具有更好的强韧性。

公开号CN110846515A与本发明的不同之处有以下几点：1)涉及领域不同，本发明主要用于核电焊接材料领域，对比专利为冶炼领域；2)作用不同，本发明中，N≤0.002％、O≤0.002％和H≤0.001％，且O+N+H≤50ppm，保证安全端异种钢熔敷金属不出现焊接裂纹，合理的化学成分体系、严格的气体元素和杂质元素控制的共同作用，才能显著提高熔敷金属的抗裂纹敏感性，减少熔敷金属焊接裂纹，同时也是增强熔敷金属强韧性的主要原因。

本发明镍基合金焊丝可以应用在核电主体设备与冷却剂管道安全端异种钢焊接，其典型的力学性能指标如下：熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490MPa，室温冲击≥150J。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

按照本发明提出的成分范围，经过冶炼、锻造、热轧、冷拔等工序制造的690镍基合金焊丝成分见表1，焊丝的直径为φ2.0mm，采用非熔化极手工氩弧焊的方法进行熔敷金属性能测试，得到相应的性能见表2.

表1实施例焊丝的化学成分wt.％

表2实施例熔敷金属性能测试

本发明采用的镍基合金体系，不但具有更高的熔敷金属抗拉强度，抗裂纹敏感性同时具有更好的强韧性。本发明焊丝可以应用在核电主体设备与冷却剂管道安全端异种钢焊接，其典型的力学性能指标如下：熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490MPa，室温冲击≥150J。

Claims (3)

1.一种核岛主设备异种钢焊接用镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分组成为：C≤0.04%、Cr28.00~31.50%、Mo≤0.50%、Co≤0.05%、Al0.10~0.30%、Ti0.10~0.50%、B0.0010~0.0030%、Nb0.40~0.80%、N≤0.002%、Si≤0.10%、Mn0.50~1.00%、P≤0.0050%、S≤0.0020%、Cu≤0.05%、Fe8.00~10.00%、O≤0.002%、H≤0.001%、Ni为余量和不可避免的杂质元素，其中：O+N+H≤50ppm；

采用真空熔炼+电渣重熔+真空自耗制备的母合金钢锭，经过1230~1280℃保温2.0~2.5h后锻造成80~100mm方坯，再经过1220~1260℃保温1.5~2.0 h锻造成 35~40mm方坯，锻造后的方坯经过1150~1200℃保温1.0~1.5h后热轧成Φ6.8~7.2mm盘条；盘条经过连续冷拔和中间热处理后制成φ1.8~2.4mm焊丝；

熔敷金属室温抗拉强度≥580MPa、360℃高温拉伸抗拉强度≥490 MPa，室温冲击功≥150J；

气体元素O/N/H控制：通过真空熔炼+电渣重熔+真空自耗三联工艺制备合金钢锭，采用氢气保护连续退火炉热处理合金并制备焊丝，保证了在焊丝制备过程中N≤0.002%、O≤0.002%和H≤0.001%，且O+N+H≤50ppm，保证安全端异种钢熔敷金属不出现焊接裂纹。

2.按照权利要求1所述的镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，杂质元素S/P控制：采用真空熔炼+电渣重熔+真空自耗制备的690焊丝钢锭保证了合金中S/P杂质元素控制在较低水平，P≤0.005%、S≤0.002%，避免由于S、P晶界偏析产生低熔点夹杂物导致熔敷金属结晶裂纹的产生。

3.按照权利要求1或2所述方法制备的镍基合金焊丝的使用方法，其特征在于，取规格为φ2.0mm焊丝，采用非熔化极手工氩弧焊，保护气体为Ar99.997%、获得焊缝熔敷金属，焊后热处理工艺：温度600~620℃，保温时间16.0~16.5h。