CN112077475B - 承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接材料领域,具体是承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括NCu30镍合金外皮和药芯,药芯含量为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.5%‑3.2%,CuMg20粉3.2%‑4.1%,165010铝钪中间合金粉3.0%‑4.2%,F3Ti粉3.1%‑4.0%,NdF3粉2.9%‑3.6%,余量为FZN‑15A镍硼硅系自熔合金粉。本发明熔敷金属的化学成分均匀,无夹杂、裂纹、气孔缺陷;气密性好,管材焊接后形成的构件达完全满足承压设备的要求;抗拉强度最小值为538MPa,达到了母材的112%,断后伸长率最小值为36.2%,达到了母材的103%,完全满足使用要求。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域,具体涉及承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝。
背景技术
NCu30镍合金无缝管具有良好的力学性能和耐海水腐蚀性能,因而广泛应用于船舶海水冷却管系和海洋石油钻井平台管系中。NCu30镍合金无缝管的应用既可减小管壁厚度、保证管材质量,又可延长其使用寿命。
随着科学技术的发展,NCu30镍合金管的品种、性能、检测等越来越引起人们的重视,在制备各种构件时,焊接是不可避免的重要工序,所以对NCu30镍合金管的焊接提出了严格的要求,焊接接头熔敷金属要求具有高强度、高韧性和很好的气密性。
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。常用的承压设备用NCu30镍合金无缝管的抗拉强度最小值为480MPa,断后伸长率为35%(见能源行业标准NB/T47047-2015《承压设备用镍及镍合金无缝管》),则焊接接头熔敷金属的抗拉强度最小值应为336MPa,断后伸长率为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。
NCu30镍合金无缝管焊接过程中,易出现的问题是:
1)熔敷金属化学成分不均匀,易产生气孔、夹杂、裂纹、疏松等缺陷。
2)熔敷金属的气密性差,NCu30镍合金无缝管焊接后形成的构件达不到承压设备的使用要求。
3)熔敷金属力学性能低,主要表现在抗拉强度和断后伸长率不能同时达到母材的70%以上,即抗拉强度不小于336MPa、断后伸长率不小于24.5%两项力学性能指标不能同时达到。
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NCu30铜镍合金无缝管焊接配套药芯焊丝的相关文献报道,研制出承压设备用NCu30铜镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,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,本发明提供承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,可达到以下有益技术效果:①熔敷金属的化学成分均匀,熔敷金属中无气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷;②熔敷金属的气密性好;③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。
本发明采用如下技术方案:
承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括外皮和药芯。
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.5%-3.2%,CuMg20粉3.2%-4.1%,165010铝钪中间合金粉3.0%-4.2%,F3Ti粉3.1%-4.0%,NdF3粉2.9%-3.6%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.8%-3.0%,CuMg20粉3.5%-3.8%,165010铝钪中间合金粉3.5%-4.0%,F3Ti粉3.5%-3.8%,NdF3粉3.2%-3.5%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.9%,CuMg20粉3.6%,165010铝钪中间合金粉3.6%,F3Ti粉3.5%,NdF3粉3.2%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
进一步的,所述CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100%。
所述CuP8、CuBe4、CuMg20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165010铝钪中间合金化学成分符合GB/T 27677-2017《铝中间合金》的要求,并制成粉末状。
所述FZN-15A镍硼硅系自熔合金化学成分符合YS/T 526-2006《Ni-B-Si系自熔合金粉》的要求。
进一步的,所述FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉的粒度范围为20μm-50μm。
所述外皮采用NCu30镍合金带材制备,NCu30镍合金带材的厚度为0.25mm-1.2mm。
进一步的,所述NCu30镍合金带材的状态为半硬态。
所述药芯的填充率为30%-36%。
所述药芯焊丝直径为1.6mm-5.0mm,优选2.0mm-3.2mm。
如上所述的承压设备用NCu30镍合金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CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉、FZN-15A镍硼硅系自熔合金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80℃±5℃,干燥时间2.2h-3.0h。
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)镍合金带轧制及药粉封装:将NCu30镍合金带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上,通过成型机将NCu30镍合金带制成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1.6mm-5.0mm,得到药芯焊丝,盘成圆盘,密封包装。
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,无夹杂、裂纹、疏松缺陷。
1)本发明采用了CuP8、CuBe4、CuMg20、165010铝钪合金粉4种中间合金、F3Ti粉、NdF3粉和FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉,其熔点低(分别为1020℃、1100℃、810℃、1030℃、1200℃、1410℃、1150℃),镍的熔点为1450℃,焊接时熔滴温度高于1450℃,电弧温度远高于1450℃,上述7种药芯粉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,而且由于多数是中间合金或自熔合金,易于在熔池中均匀分布。
2)本发明采用了适量的CuP8中间合金,P可以稀释焊接熔池,增强流动性,利于熔敷金属化学成分的均匀化。
3)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。
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:熔敷金属中无夹杂、裂纹、疏松缺陷。
2、熔敷金属中无气孔缺陷。
1)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。
2)NdF3粉在电弧热输入作用下发生分解,分解出F和Nd,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。
3)CuMg20中的Mg、CuP8中的P、铝钪合金中的铝、NdF3中的Nd,性能活泼,可以起到极好的脱氧作用,避免了氧气孔的产生。
4)适量的P可以稀释焊接熔池,增强其流动性,利于熔池中气体的逸出,降低了气孔生成的倾向。
经无损检测和目视检测显示:本发明得到的熔敷金属中无气孔缺陷。
3、熔敷金属的气密性好,NCu30镍合金无缝管焊接后形成的构件完全满足承压设备的要求。
Nd不仅可促进熔敷金属化学成分均匀化,试验表明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。
气密性试验表明:本发明得到的熔敷金属气密性好。
4、熔敷金属的力学性能高,抗拉强度和断后伸长率可以同时达到母材的103%以上,完全满足使用要求。
1)Be、钪、Nd、硼、硅可以起到强化作用,有效提高熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率。
2)CuMg20中的Mg、铝钪合金中的铝可以脱硫、脱氧,提高熔敷金属的强度和韧性。
3)铝钪合金中的铝、CuBe4中的Be、NdF3中的Nd可显著提高熔敷金属的韧性,增大其断后伸长率值。
4)NdF3分解出的F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断后伸长率。
5)熔敷金属成分均匀、组织细小、无夹杂疏松等缺陷,有效提高了熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率。
拉伸实验表明:熔敷金属的抗拉强度最小值为538MPa,达到了母材的112%,断后伸长率最小值为36.2%,达到了母材的103%,抗拉强度和断后伸长率可同时不小于母材的103%,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:
承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括外皮和药芯。
药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.5%,CuMg20粉3.2%,165010铝钪中间合金粉3.0%,F3Ti粉3.1%,NdF3粉2.9%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
外皮采用NCu30镍合金带材制备,NCu30镍合金带材的厚度为0.25mm。
CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100%。
FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉的粒度范围为20μm-50μm。
NCu30镍合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为30%-36%。
如上所述的承压设备用NCu30镍合金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CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉、FZN-15A镍硼硅系自熔合金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80℃±5℃,干燥时间2.2h-3.0h。
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)镍带轧制及药粉封装:将NCu30镍合金带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上,通过成型机将NCu30镍合金带制成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1.6mm,得到药芯焊丝,盘成圆盘,密封包装。
实施例2:
承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括外皮和药芯。
药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉3.2%,CuMg20粉4.1%,165010铝钪中间合金粉4.2%,F3Ti粉4.0%,NdF3粉3.6%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
外皮采用NCu30镍合金带材制备,NCu30镍合金带材的厚度为0.75mm。
CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100%。
FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉的粒度范围为20μm-50μm。
NCu30镍合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为30%-36%。
如上所述的承压设备用NCu30镍合金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5.0mm。
实施例3:
承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括外皮和药芯。
药芯的化学成分及用量按质量百分比计为:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.9%,CuMg20粉3.6%,165010铝钪中间合金粉3.6%,F3Ti粉3.5%,NdF3粉3.2%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
外皮采用NCu30镍合金带材制备,NCu30镍合金带材的厚度为1.2mm。
CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为200%。
FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉的粒度范围为20μm-50μm。
NCu30镍合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为30%-36%。
如上所述的承压设备用NCu30镍合金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CuP8粉、CuBe4、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉换成相应质量的Cu粉、磷粉、Be粉、Mg粉、铝粉、钪粉。
对比例2:
与实施例3基本相同,其区别在于药芯化学成分中无CuP8粉。
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CuP8粉含量为1.15%。
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CuP8粉含量为1.25%。
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CuBe4。
对比例6:
与实施例3基本相同,其区别在于药芯化学成分中无CuMg20粉。
对比例7:
与实施例3基本相同,其区别在于药芯化学成分中无165010铝钪中间合金粉。
对比例8:
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9:
与实施例3基本相同,其区别在于药芯化学成分中无F3Ti粉。
对比例10:
与实施例3基本相同,其区别在于药芯化学成分中FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉按比例换成镍粉、硼粉、硅粉、石墨。
将实施例1-3和对比例1-10制备的药芯焊丝对NCu30镍合金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
注:抗拉强度、断后伸长率保证值按母材的70%计算,母材的要求值来自标准NB/T47047-2015《承压设备用镍及镍合金无缝管》。
实施例和对比例充分说明本发明中7种组分(CuP8粉、CuBe4粉、CuMg20粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉、FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉)协同作用,相互配合,相互支撑,构成了一个完整的技术方案,解决了现存的技术问题,取得了良好的技术效果。
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 (8)
1.承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,包括外皮和药芯,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:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.5%-3.2%,CuMg20粉3.2%-4.1%,165010铝钪中间合金粉3.0%-4.2%,F3Ti粉3.1%-4.0%,NdF3粉2.9%-3.6%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉;
所述外皮采用NCu30镍合金带材制备,NCu30镍合金带材的厚度为0.25mm-1.2mm。
2.根据权利要求1所述的承压设备用NCu30镍合金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:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.8%-3.0%,CuMg20粉3.5%-3.8%,165010铝钪中间合金粉3.5%-4.0%,F3Ti粉3.5%-3.8%,NdF3粉3.2%-3.5%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
3.根据权利要求2所述的承压设备用NCu30镍合金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:CuP8粉1.2%,CuBe4粉2.9%,CuMg20粉3.6%,165010铝钪中间合金粉3.6%,F3Ti粉3.5%,NdF3粉3.2%,余量为FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉。
4.根据权利要求1-3之一所述的承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,其特征在于,所述CuBe4粉、CuMg20粉、CuP8粉、165010铝钪中间合金粉、F3Ti粉、NdF3粉的100目通过率为100%。
5.根据权利要求1-3之一所述的承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,其特征在于,所述FZN-15A镍硼硅系自熔合金粉的粒度范围为20μm-50μm。
6.根据权利要求1-3之一所述的承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,其特征在于,所述NCu30镍合金带材的状态为半硬态。
7.根据权利要求1所述的承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯的填充率为30%-36%。
8.根据权利要求1所述的承压设备用NCu30镍合金无缝管焊接用药芯焊丝,其特征在于,所述药芯焊丝直径为1.6mm-4.0mm。
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