CN112059471A - 流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝 - Google Patents

流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接材料领域，提供流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括不锈钢外皮和药芯，药芯含量为：中空笼状碳微球0.06％‑0.08％，AlSb10粉3.5％‑4.2％，Mo40V40Al20粉2.1％‑3.2％，CuSi16粉0.6％‑1.1％，CuMn30粉1.2％‑1.8％，ZrNb40粉1.8％‑2.6％，FZNi‑60A粉22％‑26％，F3Ti粉2.6％‑3.1％，NdF3粉3.2％‑3.9％，余量为FHT100·25还原铁粉。本发明熔敷金属成分均匀，无夹杂、裂纹、气孔、疏松、焊瘤缺陷；气密性好；抗拉强度和断后伸长率同时大于母材的118.5％，完全满足使用要求。

Description

流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝。
背景技术
随着现代工业技术的发展，不锈钢以其优良的力学性能和耐蚀性而得到广泛的应用，但其焊接问题也愈显突出。流体输送用不锈钢无缝钢管主要用于带有压力的流体输送，它除了要保证有符合相应要求的强度与韧度外，密封性也要求相当严格。
流体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管是最常用的不锈钢无缝钢管，管管对接时，常采用熔焊连接的方式，才能有效保证接头的质量，本领域常用的技术方法为采用配套的药芯焊丝进行焊接，流体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管焊接用药芯焊丝的研制一直是本领域技术人员研究的重点。
目前制备的流体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管焊接用药芯焊丝，在使用过程中，存在如下技术问题：熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率值不能满足需要；熔敷金属的致密度下降，构件的气密性差。造成这种现象的原因是：
1)当碳元素含量较低时，熔敷金属抗拉强度小，而提高碳元素含量又易造成碳分布不均匀，易出现形状不同、尺寸大小不一的碳化物夹杂。
2)熔敷金属中易现气孔、夹杂、裂纹、疏松等缺陷。
3)由于不锈钢散热慢，线胀系数大，焊接时在接头处容易发生形变，熔敷金属的致密度下降，管材对接处内壁成形差、容易出现焊瘤缺陷，影响流体输送。
3)焊丝的焊接工艺性差。
本领域技术人员共知的常识是：焊接接头熔敷金属的力学性能各数值一般不小于母材各规定值的70％，才能保证形成的结构件具有实际使用价值。常用的流体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管的抗拉强度为480MPa-550MPa，断后伸长率为35％-40％(见国家标准GB/T 14976－2014《流体输送用不锈钢无缝钢管》)，则焊接接头熔敷金属的抗拉强度最小值应为385MPa，断后伸长率最小值为24.5％，只有这样才能在使用过程中不会因焊缝的失效而造成整个构件的报废。在此种情况下，对焊接所用材料提出了极高的要求。
为了解决上述技术问题，需要采用配套的专用焊接材料，目前尚未发现体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管焊接配套药芯焊丝的相关文献报道，研制出流体输送用奥氏体不锈钢无缝钢管焊接用药芯焊丝，是本领域技术人员急待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，可达到以下有益技术效果：①熔敷金属中碳及其它化学成分均匀，无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷；②焊接接头处变形量小，熔敷金属致密，气密性好，管材对接处内壁成形好、无焊瘤缺陷；③在碳元素较低含量(熔敷金属中碳含量不大于0.03％)的情况下，熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率可同时达到母材的70％以上；④焊丝的焊接工艺性好。
本发明采用如下技术方案：
流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括药芯和外皮，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.06％-0.08％，AlSb10粉3.5％-4.2％，Mo40V40Al20粉2.1％-3.2％，CuSi16粉0.6％-1.1％，CuMn30粉1.2％-1.8％，ZrNb40粉1.8％-2.6％，FZNi-60A粉22％-26％，F3Ti粉2.6％-3.1％，NdF3粉3.2％-3.9％，余量为FHT100·25还原铁粉；所述中空笼状碳微球的外径为300nm-360nm，内径230nm-270nm，介孔直径30nm-45nm；所述外皮采用固溶处理的022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制备，022Cr19Ni10不锈钢带的厚度为0.3mm-1.2mm。
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.07％，AlSb10粉3.8％，Mo40V40Al20粉2.7％，CuSi16粉0.8％，CuMn30粉1.5％，ZrNb40粉2.2％，FZNi-60A粉24％，F3Ti粉2.9％，NdF3粉3.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
所述AlSb10化学成分符合GB/T 27677－2017《铝中间合金》的要求，并制成粉末状。
所述Mo40V40Al20化学成分符合YS/T 1023－2015《钼钒铝中间合金》的要求，并制成粉末状。
所述CuSi16、CuMn30化学成分符合YS/T 283－2009《铜中间合金锭》的要求，并制成粉末状。
所述ZrNb40化学成分符合YS/T 1233－2018《锆铌中间合金》的要求，并制成粉末状。
所述FZNi-60A化学成分符合YS/T 527－2014《Ni-Cr-B-Si系自熔合金粉》的要求。
所述AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100％。
所述FZNi-60A粉的粒度范围为30μm-50μm，优选35μm-45μm。
所述药芯的填充率为32％-36％。
所述药芯焊丝直径为1.8mm-6.0mm，优选2.5mm-4.0mm。
如上所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝的制备步骤如下：
1)选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2)筛粉：将AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉、FZNi-60A粉用相应的筛网过筛，过筛后保存所需求的粉料，弃掉杂质。
3)药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度90℃±5℃，干燥时间2.0h-2.5h。
4)配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5)022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带轧制及药粉封装：将022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4)得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至1.8mm-6.0mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。
本发明中，药芯中各物质作用如下：
1)采用外径为纳米级的中空笼状碳微球作为碳源，纳米级的碳微球在金属焊接熔池中比石墨等碳源更容易扩散，焊接时碳微球分布均匀，铝、锑、钼、钒、铜、硅、锰、锆、铌、镍、铬、硼、铁等原子可以通过介孔进入空笼进而将空笼胀破，使碳分布更加均匀，进而得到碳化物均匀分布的熔敷金属，在较小碳源含量的情况下，可以有效提高熔敷金属的强度和韧性，且不会形成夹杂等缺陷；另外较小的碳含量也使焊丝具有良好的焊接工艺性能。
2)AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉为中间合金，FZNi-60A粉为自熔合金粉，熔点低，在电弧热输入作用下可以全部熔化，几乎不会在熔池中存留固体颗粒，避免了夹杂的产生，易于在熔池中均匀分布，无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷。Al可有效提高熔敷金属的韧性，还可以起到极好的脱氧作用，避免了氧气孔的产生；Cu、Si有效提高焊接熔池的流动性，利于熔池中气体的逸出，降低了气孔生成的倾向；Mo、V、Nb、Zr、B可有效细化晶粒，提高熔敷金属的强度和韧性；Nb、Cr、Ni可保证焊接熔池冷却过程中表面不被氧化；Mn可以脱氧，降低熔敷金属中氧气孔生成倾向。
3)Sb具有一个特殊的“热缩冷胀”的性能，可有效降低不锈钢熔化后高温下的膨胀，使焊接接头成形良好，变形量小，熔敷金属致密；管材对接处内壁成形好、无焊瘤缺陷，保证流体的输送顺利；熔敷金属无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷；
4)NdF3粉在电弧热输入作用下部分发生分解，分解出F和Nd，Nd是一种稀土元素，可有效促进熔池合金均匀化，避免了部分区域的元素富集或缺失造成的合金化不均匀现象，F与熔池中的氢发生反应，形成高温下的非常稳定的HF，带走熔池中的H，具有除H的作用，降低了熔敷金属中氢气孔的形成倾向，还可以对熔敷金属进行深度除H，避免熔敷金属产生“氢脆”现象，有效提高了熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率；Nd不仅可促进熔敷金属化学成分均匀化，Nd还是一种可有效增强合金致密性的元素，可显著提高熔敷金属的气密性，且熔敷金属中无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷，气密性好。
5)F3Ti的沸点为1400℃左右，在电弧作用下大部分不会进入熔池，而是汽化并发生分解：①分解出的F与电弧中的H(来源于空气)结合，形成高温下非常稳定的HF，带走电弧中的H，使电弧中存有的H不会进入熔池，降低了熔敷金属中氢气孔的形成倾向；②分解出的Ti与N(来源于保护气氛不佳时混入的氮气)结合，形成稳定细小均匀的氮化钛，带走电弧中的N，避免了N进入焊接熔池，降低了氮气孔的生成倾向。
本发明具有以下有益技术效果：
1、熔敷金属的化学成分均匀，无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷。
2、焊接接头处变形量小，熔敷金属致密，气密性好；管材对接处内壁成形好、无焊瘤缺陷，保证了流体输送的顺利进行。
3、熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率可同时达到母材的118.5％以上。
4、由于采用了含量很低的碳源，药芯焊丝的焊接工艺性好。
5、经SEM+EDS面扫描显示：熔敷金属化学成分均匀，组织细小；经无损检测显示：熔敷金属中无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷；经气密性试验表明：熔敷金属气密性好；经目测观察：管材对接处内壁成形好、无焊瘤缺陷，保证流体的输送顺利；经拉伸实验表明：熔敷金属的抗拉强度最小值为588MPa，达到了母材的122.5％，断后伸长率最小值为41.5％，达到了母材的118.5％，抗拉强度和断后伸长率可同时不小于母材的118.5％，远大于行业内公知的70％，完全满足使用要求。
本发明的创新核心在于给出了药芯的组合物成分及用量，并优化各组分用量的合理范围，多种物质协同作用、相互结合、相互支撑，并非其中一种物质的加入起到了关键作用，组合物的综合作用才是本发明的核心创造。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
实施例1：
流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.06％，AlSb10粉3.5％，Mo40V40Al20粉2.1％，CuSi16粉0.6％，CuMn30粉1.2％，ZrNb40粉1.8％，FZNi-60A粉22％，F3Ti粉2.6％，NdF3粉3.2％，余量为FHT100·25还原铁粉；中空笼状碳微球的外径为300nm-360nm，内径230nm-270nm，介孔直径30nm-45nm；所述外皮采用固溶处理的022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制备，022Cr19Ni10不锈钢带的厚度为0.3mm。
AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100％。
FZNi-60A粉的粒度范围为30μm-50μm，优选35μm-45μm。
药芯的填充率为32％-36％。
如上所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝的制备步骤如下：
1)选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2)筛粉：将AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉、FZNi-60A粉用相应的筛网过筛，过筛后保存所需求的粉料，弃掉杂质。
3)药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度90℃±5℃，干燥时间2.0h-2.5h。
4)配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5)022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带轧制及药粉封装：将022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4)得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至1.8mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。
实施例2：
流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.08％，AlSb10粉4.2％，Mo40V40Al20粉3.2％，CuSi16粉1.1％，CuMn30粉1.8％，ZrNb40粉2.6％，FZNi-60A粉26％，F3Ti粉3.1％，NdF3粉3.9％，余量为FHT100·25还原铁粉；中空笼状碳微球的外径为300nm-360nm，内径230nm-270nm，介孔直径30nm-45nm；所述外皮采用固溶处理的022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制备，022Cr19Ni10不锈钢带的厚度为1.2mm。
AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100％。
FZNi-60A粉的粒度范围为30μm-50μm，优选35μm-45μm。
药芯的填充率为32％-36％。
如上所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至6.0mm。
实施例3：
流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.07％，AlSb10粉3.9％，Mo40V40Al20粉2.7％，CuSi16粉0.9％，CuMn30粉1.5％，ZrNb40粉2.2％，FZNi-60A粉24％，F3Ti粉2.9％，NdF3粉3.6％，余量为FHT100·25还原铁粉；中空笼状碳微球的外径为300nm-360nm，内径230nm-270nm，介孔直径30nm-45nm；所述外皮采用固溶处理的022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制备，022Cr19Ni10不锈钢带的厚度为0.8mm。
AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100％。
FZNi-60A粉的粒度范围为30μm-50μm，优选35μm-45μm。
药芯的填充率为32％-36％。
如上所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至3.2mm。
对比例1：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的中空笼状碳微球换成相应质量的石墨。对比例2：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、FZNi-60A粉换成相应质量的Al粉、Sb粉、Mo粉、V粉、Cu粉、Si粉、Mn粉、Zr粉、Nb粉、Ni粉、Cr粉、B粉、石墨(按FZNi-60A中含量计算)。
对比例3：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无AlSb10粉。
对比例4：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无NdF3粉。
对比例5：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无F3Ti粉。
将实施例1-3和对比例1-5制备的药芯焊丝对022Cr19Ni10不锈钢无缝管进行对接焊接，按GB/T 2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行力学性能测试，用SEM+EDS进行面扫描测试熔敷金属化学成分均匀性，按GB/T 12605-2008《无损检测金属管道熔化焊环向对接接头射线照相检测方法》和目视方法检测熔敷金属中气孔、裂纹、夹杂、疏松情况，用氨渗漏试验方法检测熔敷金属的气密性，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002672792150000061
注：抗拉强度、断后伸长率保证值按母材(480MPa、35％)的70％计算，母材的要求值来自国家标准GB/T 14976－2014《流体输送用不锈钢无缝钢管》。
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 (7)

1.流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，包括药芯和外皮，其特征在于：
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.12％-0.15％，AlSb10粉3.5％-4.2％，Mo40V40Al20粉2.1％-3.2％，CuSi16粉0.6％-1.1％，CuMn30粉1.2％-1.8％，ZrNb40粉1.8％-2.6％，FZNi-60A粉22％-26％，F3Ti粉2.6％-3.1％，NdF3粉3.2％-3.9％，余量为FHT100·25还原铁粉；
所述中空笼状碳微球的外径为300nm-360nm，内径230nm-270nm，介孔直径30nm-45nm；
所述外皮采用固溶处理的022Cr19Ni10不锈钢冷轧钢带制备。
2.根据权利要求1所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.07％，AlSb10粉3.9％，Mo40V40Al20粉2.7％，CuSi16粉0.9％，CuMn30粉1.5％，ZrNb40粉2.2％，FZNi-60A粉24％，F3Ti粉2.9％，NdF3粉3.6％，余量为FHT100·25还原铁粉。
3.根据权利要求1或2所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述AlSb10粉、Mo40V40Al20粉、CuSi16粉、CuMn30粉、ZrNb40粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100％。
4.根据权利要求1或2所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述FZNi-60A粉的粒度范围为30μm-50μm，优选35μm-45μm。
5.根据权利要求1所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述022Cr19Ni10不锈钢带的厚度为0.3mm-1.2mm。
6.根据权利要求1所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的填充率为32％-36％。
7.根据权利要求1所述的流体输送用022系奥氏体不锈钢无缝管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝直径为1.8mm-6.0mm，优选2.5mm-4.0mm。
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