CN112496595B - 一种用于核电安全壳的气体保护焊丝及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于核电安全壳的气体保护焊丝及其制备与应用，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07～0.11％；Mn:1.65～1.85％；Si:0.55～0.75％；P:≤0.008％；S:≤0.010％；Ni:1.45～1.75％；Mo:0.25～0.40％；Cr:≤0.20％；Cu:≤0.20％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％，余量为Fe及杂质元素。制备方法依次为：确定冶炼焊丝成分范围、焊丝冶炼、开坯轧制成盘圆、拉拔、镀铜及绕线。与现有技术相比，本发明的气体保护焊丝焊接后所得熔敷金属及焊接接头在焊态下具有良好的综合力学性能，冲击性能良好，具有极佳的韧性，有效地提高了焊缝整体性能，降低焊丝熔敷金属产生结晶裂纹的可能性，解决了焊缝金属低温韧性不足的问题，能够满足核电工作中对气体保护焊丝的需求，可广泛用于核电工程中的钢结构焊接。

Description

一种用于核电安全壳的气体保护焊丝及其制备与应用
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种用于核电安全壳的气体保护焊丝及其制备与应用。
背景技术
从20世纪70年代至今，我国核电大致经历了起步发展、适度发展、积极发展和安全高效发展等四个阶段，未来我国经济总量将持续扩大，我国人均能源消费将不断提高，终端消费将由一次能源更多向以电力为主的二次能源转变，我国电力需求还将经过较长的增长期，随着我国未来能源向绿色低碳转型，电力结构将呈低碳、清洁的发展趋势。
在未来相当长一段时间内，AP1000、CAP1000、CAP1400及其后续的CAP1700作为大型先进压水堆，将是我国国内建设的主要机型。同时CAP1400核电机型作为具有自主知识产权的重要成果，在安全性、经济性、环境友好性等方面处于世界领先地位。
钢制安全壳(CV)是AP1000、CAP1400等核电机组独有的、非能动安全系统中的重要设备，是AP1000型核电站反应堆厂房的内层屏蔽结构。整个钢制安全壳由中间的圆柱形筒体及上下两个椭圆型封头(分别称“底封头”、“上封头”)组成。AP1000核电站的钢制安全壳最大直径为39.624米，总高度为65.633米，厚度为4.4厘米、体积约7万立方米，总重量约3600吨。钢制安全壳受力复杂、服役温差大、设计寿命长，因此要求安全壳用焊接材料不仅具有较高的强度，而且具有良好的冲击韧性。
2017年国家重点研发计划重点基础材料技术提升与产业化专项下设“新一代压水堆核岛用钢及临氢化工大单重特厚板”项目，项目计划开发核反应堆安全壳用钢，并将钢板的强度下限提高到655MPa，与原有的585MPa强度下限相比，强度提高使得原有的焊接材料强度不足或不能稳定满足该技术要求，而强度提升的同时低温韧性要求并未降低，这给焊材研发带来较大的难度，需要技术攻关。
目前公开的用于核电安全壳钢焊接的气体保护焊丝，如中国专利CN104128715B公开的一种用于核电用钢安全壳的气体保护焊丝，该焊丝熔敷金属的室温抗拉强度下限按照620MPa控制，针对室温抗拉强度下限655MPa的安全壳钢板用气体保护焊丝，未见相关的研究报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用于核电安全壳的气体保护焊丝及其制备与应用，气体保护焊丝焊接后所得熔敷金属及焊接接头在焊态下具有良好的综合力学性能，冲击性能良好，具有极佳的韧性，有效地提高了焊缝整体性能，降低焊丝熔敷金属产生结晶裂纹的可能性，解决了焊缝金属低温韧性不足的问题，能够满足核电工作中对气体保护焊丝的需求，可广泛用于核电工程中的钢结构焊接。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07～0.11％；Mn:1.65～1.85％；Si:0.55～0.75％；P:≤0.008％；S:≤0.010％；Ni:1.45～1.75％；Mo:0.25～0.40％；Cr:≤0.20％；Cu:≤0.20％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。气体保护焊丝中余量含量最大的元素为Fe，除了Fe之外，其他为炼钢过程中不可避免的杂质元素。
优选地，所述杂质元素的质量百分比含量≤0.5％。杂质元素包括Al、Ti等。
优选地，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07～0.09％；Mn:1.72～1.78％；Si:0.64～0.66％；P:0.004～0.005％；S:0.004～0.005％；Ni:1.64～1.69％；Mo:0.31～0.37％；Cr:0.01～0.02％；Cu:0.01％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。
优选地，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07％；Mn:1.72％；Si:0.66％；P:0.005％；S:0.005％；Ni:1.64％；Mo:0.31％；Cr:0.01％；Cu:0.01％；余量为Fe及杂质元素。
优选地，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.09％；Mn:1.78％；Si:0.64％；P:0.004％；S:0.004％；Ni:1.69％；Mo:0.37％；Cr:0.02％；Cu:0.01％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。
一种如上述所述的气体保护焊丝的制备方法，依次为：确定冶炼焊丝成分范围、焊丝冶炼、开坯轧制成盘圆、拉拔、镀铜及绕线。
优选地，所述Cu的质量百分比含量包含镀在焊丝表面的Cu。
一种如上述所述的气体保护焊丝在核电安全壳焊接的应用。
优选地，所述气体保护焊丝在焊接时采用Ar和CO2的混合气体保护。
优选地，所述混合气体的体积比为Ar:CO2＝4:1。
本发明的设计依据如下：
C：在γ-Fe中的最大溶解度为1.7％，在α-Fe中为0.035％，属于扩大γ区元素，起固溶强化的作用。过多的C在焊缝金属中将以碳化物的形式存在，形成析出强化，在提高焊缝强度、硬度的同时，也增加了焊缝金属的裂纹敏感性。所以必须采用低碳微合金化的机理，这样，既可以满足焊缝金属的强度又可以降低焊缝金属的裂纹敏感性。
在高强度焊缝中，增加C可发生以下变化：增加针状铁素体的比例，减少晶界铁素体的数量，在消除应力处理状态下碳化物数量会增多；焊态下焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度均随含C量的增加(0.05～0.12％)而提高，经消除应力处理后焊缝的硬度、屈服强度和抗拉强度的数值均有下降；焊态和消除应力状态下焊缝的夏比V型缺口冲击韧性均随着含碳量的增加而减小；含C量为0.07～0.10％焊缝在焊态和消除应力状态均可得到良好的强度与韧性匹配，对于低温要求高韧性的结构，其焊缝含C量应选在0.05～0.08％范围内。
综合以上性能分析，拟将C含量控制在0.07～0.11％。
Mn：在γ-Fe中的最大溶解度为100％，在α-Fe中为3％，属于扩大γ区元素。Mn在低合金钢焊缝金属中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在，在提高铁素体强度的同时还可改善韧性。一般说来，随着熔敷金属中Mn含量的增加，先共析铁素体的数量明显减少，针状铁素体的数量显著增加，侧板条铁素体的数量稍有下降。另外，随着含Mn量的增加，针状铁素体本身也逐渐变得更细小。
考虑到Mn/Si对焊缝金属冲击韧性的影响，在满足焊缝金属强度的前提下将Mn含量控制在1.65～1.85％范围内。
Si：在γ-Fe中的最大溶解度为2％，在α-Fe中为18.5％，属于扩大α区元素。Si在低合金钢焊缝中含量较低时，一般以固溶强化的形式存在，可提高铁素体的强度。过多的Si含量将形成金属间化合物，降低焊缝金属的冲击韧性。
考虑到Mn/Si对焊缝金属冲击韧性的影响，在满足焊缝金属强度的前提下将Si含量控制在0.55～0.75％的范围内。
P：在绝大多数低合金钢焊缝金属中是有害杂质，一般以Fe2P、Fe3P的形式存在，它们与Fe、Ni形成低熔点共晶分布于晶界，由于它们本身硬而脆，在降低焊缝金属冲击韧性的同时使焊缝金属脆性转变温度也升高。所以焊缝金属中的P含量越少越好。根据焊丝冶炼过程中的实际情况，确定将P含量控制在小于0.008％的范围。
S：是焊缝金属中的有害杂质，以FeS形式存在时最为有害。因为FeS与铁在液态时可无限互溶，而溶于固态铁的量却很少(溶解度仅为0.015～0.02％)。因此在凝固时FeS析出，以低熔点共晶薄膜的形式分布于晶界，形成结晶裂纹，同时会降低焊缝金属的冲击韧性。所以焊缝金属中的S含量越少越好。根据焊丝冶炼过程中的实际情况，确定将S含量控制在小于0.010％的范围。
Ni：在γ-Fe中的最大溶解度为100％，在α-Fe中为10％，属于扩大γ区元素，一般起固溶强化作用。适量的Ni可以提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成，有利于改善焊缝金属的抗冷裂性能和提高焊缝金属的低温冲击韧性。
在满足焊缝金属强度的前提下将Ni含量控制在1.45～1.75％的范围内。
Mo：在γ-Fe中的最大溶解度为3％，在α-Fe中为37.5％，属于扩大α区元素，一般起析出强化作用。与C共存时，形成Mo2C，能提高焊缝金属的高温强度。
过量的Mo将损害焊缝金属的韧性，在满足焊缝金属高温强度的前提下将Mo含量控制在0.15～0.40％的范围内。
Cr：在γ-Fe中的最大溶解度为12.8％，在α-Fe中为100％，属于扩大α区元素。Cr在低合金钢焊缝中含量较低时，一般起固溶强化的作用。与C在一起时形成碳化物，数量较多时会降低焊缝金属的冲击韧性。在焊态时Cr对韧性有害，热处理后韧性更低。
为了不影响熔敷金属的低温冲击韧性，在焊丝中Cr控制在0.20％以内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的用于核电安全壳的气体保护焊丝，针对常用的核电安全壳钢材质进行优化，所得熔敷金属及焊接接头在焊态下具有良好的综合力学性能，冲击性能良好，具有极佳的韧性。本发明在降低气体保护焊丝制备成本的情况下，可广泛用于核电工程中的钢结构焊接。
(2)本发明提供的气体保护焊丝，经多次试验表明，焊接工艺性能和理化性能良好，工艺上达到成型美观、飞溅小，电弧稳定、熔敷效率高，可进行全位置焊接。
(3)本发明提供的用于核电用钢安全壳的气体保护焊丝，在全位置焊接上焊态抗拉强度Rm大于700Mpa，屈服强度Re大于580MPa，伸长率A5大于22％，断面收缩率Z大于70％，冲击韧性大于85J，热处理态熔敷金属抗拉强度Rm大于670MPa，屈服强度Re大于590MPa，伸长率A5大于22％，断面收缩率Z大于65％，冲击韧性大于90J，有效地提高了焊缝整体性能，解决了焊缝金属低温韧性不足的问题，能够满足核电工作中对气体保护焊丝的需求，可广泛用于核电工程中的钢结构焊接。
(4)本发明提供的用于核电用钢安全壳的气体保护焊丝，焊接后的熔敷金属中具有超低的S、P含量(S、P总量小于0.015)，降低焊丝熔敷金属产生结晶裂纹的可能性。
(5)本发明的气体保护焊丝在焊接时采用富氩气体(Ar80％+CO220％)保护，有利于焊缝低温冲击韧性的稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07％；Mn:1.72％；Si:0.66％；S:0.005％；P:0.005％；Cr:0.01％；Mo:0.31％；Ni:1.64％；Cu:0.01％；O:≤0.0040％；N:≤0.0020％；余量为Fe及杂质元素，杂质元素的质量百分比含量合计小于0.5％，杂质元素包括Al、Ti等。
本实施例还提供一种上述的气体保护焊丝的制备方法，包括以下步骤：制定冶炼焊丝成分范围→焊丝冶炼→开坯轧制成盘圆→拉拔→镀铜→绕线而成。
本实施例还提供一种上述的气体保护焊丝的应用，将所得焊丝采用80％Ar+20％CO2保护气体、直流反接进行焊接试验，焊接试板采用Q345钢板，该钢板长度为300mm，宽度为150mm，板厚为20mm，堆边3层后加工成坡口面角度为22.5°，单面V型对接，底面间隙13mm，焊前预热至150℃，层间温度控制在150℃左右，焊接热输入在18kJ/cm左右，焊接试板，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、飞溅小。熔敷金属化学成分为：C:0.061％；Mn:1.45％；Si:0.51％；S:0.006％；P:0.005％；Cr:0.005％；Mo:0.29％；Ni:1.59％；Cu:0.1％；其余为不可避免的杂质和Fe。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度Rm为704MPa，屈服强度Re为582MPa，伸长率A5为24.5％，断面收缩率Z为72％，冲击韧性KV(-45℃)为127J、111J、108J；热处理态(610℃×10h)：抗拉强度Rm为672MPa，屈服强度Re为591MPa，伸长率A5为23.5％，断面收缩率Z为70％，冲击韧性KV(-45℃)为111J、109J、105J。
实施例2
本实施例提供一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，包括以下质量百分比含量的元素：C:0.09％；Mn:1.78％；Si:0.64％；S:0.004％；P:0.004％；Cr:0.02％；Mo:0.37％；Ni:1.69％；Cu:0.01％；O:0.0040％；N:0.0020％；余量为Fe及杂质元素，杂质元素的质量百分比总含量小于0.5％，杂质元素包括Al、Ti等。
焊丝采用的制备方法与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述的气体保护焊丝的应用，将所得焊丝采用80％Ar+20％CO2保护气体、直流反接进行焊接试验，焊接试验过程和步骤也与实施例1相同，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、飞溅小。熔敷金属化学成分为：C:0.078％；Mn:1.47％；Si:0.49％；S:0.005％；P:0.005％；Cr:0.005％；Mo:0.31％；Ni:1.61％；Cu:0.1％；其余为不可避免的杂质和Fe。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度Rm为744MPa，屈服强度Re为602MPa，伸长率A5为23.5％，断面收缩率Z为71％，冲击韧性KV(-45℃)为107J、101J、108J；热处理态(610℃×10h)：抗拉强度Rm为702MPa，屈服强度Re为611MPa，伸长率A5为24.0％，断面收缩率Z为68％，冲击韧性KV(-45℃)为105J、99J、104J。
实施例3
本实施例采用的气体保护焊丝和实施例2相同。
焊丝采用的制备方法与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述的气体保护焊丝的应用，将所得焊丝采用80％Ar+20％CO2保护气体、直流反接进行焊接试验，焊接试验过程和步骤也与实施例1相同，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、飞溅小。熔敷金属化学成分为：C:0.079％；Mn:1.50％；Si:0.42％；S:0.006％；P:0.005％；Cr:0.005％；Mo:0.38％；Ni:1.62％；Cu:0.1％；其余为不可避免的杂质和Fe。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度Rm为765MPa，屈服强度Re为645MPa，伸长率A5为22.5％，断面收缩率Z为70％，冲击韧性KV(-45℃)为89J、95J、101J；热处理态(610℃×10h)：抗拉强度Rm为735MPa，屈服强度Re为620MPa，伸长率A5为22.0％，断面收缩率Z为67％，冲击韧性KV(-45℃)为90J、96J、88J。
实施例4
本实施例采用的气体保护焊丝和实施例1相同。
焊丝采用的制备方法与实施例1相同。
本实施例还提供一种上述的气体保护焊丝的应用，将所得焊丝采用80％Ar+20％CO2保护气体、直流反接进行焊接试验，焊接试验过程和步骤也与实施例1相同，焊接过程电弧稳定、焊缝成形美观、飞溅小。熔敷金属化学成分为：C:0.058％；Mn:1.42％；Si:0.39％；S:0.007％；P:0.005％；Cr:0.005％；Mo:0.28％；Ni:1.63％；Cu:0.1％；其余为不可避免的杂质和Fe。熔敷金属力学性能：焊态：抗拉强度Rm为695MPa，屈服强度Re为615MPa，伸长率A5为23.5％，断面收缩率Z为72％，冲击韧性KV(-45℃)为105J、113J、118J；热处理态(610℃×10h)：抗拉强度Rm为675MPa，屈服强度Re为595MPa，伸长率A5为24.0％，断面收缩率Z为70％，冲击韧性KV(-45℃)为115J、109J、119J。
实施例5
本实施例提供一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，包括以下质量百分比含量的元素：C:0.11％；Mn:1.85％；Si:0.55％；S:0.010％；P:0.003％；Cr:0.20％；Mo:0.40％；Ni:1.75％；Cu:0.20％；O:0.0080％；N:0.0080％；余量为Fe及杂质元素，杂质元素的质量百分比含量合计小于0.5％，杂质元素包括Al、Ti等。
实施例6
本实施例提供一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，包括以下质量百分比含量的元素：C:0.08％；Mn:1.65％；Si:0.75％；S:0.006％；P:0.008％；Cr:0.05％；Mo:0.25％；Ni:1.45％；Cu:0.13％；O:0.0080％；N:0.0080％；余量为Fe及杂质元素，杂质元素的质量百分比含量合计小于0.5％，杂质元素包括Al、Ti等。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07～0.11％；Mn:1.65～1.85％；Si:0.55～0.75％；P:≤0.008％；S:≤0.010％；Ni:1.45～1.75％；Mo:0.25～0.40％；Cr:≤0.20％；Cu:≤0.20％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素；
所述杂质元素的质量百分比含量≤0.5％。
2.根据权利要求1所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07～0.09％；Mn:1.72～1.78％；Si:0.64～0.66％；P:0.004～0.005％；S:0.004～0.005％；Ni:1.64～1.69％；Mo:0.31～0.37％；Cr:0.01～0.02％；Cu:0.01％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。
3.根据权利要求2所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.07％；Mn:1.72％；Si:0.66％；P:0.005％；S:0.005％；Ni:1.64％；Mo:0.31％；Cr:0.01％；Cu:0.01％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。
4.根据权利要求2所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝，其特征在于，所述气体保护焊丝包括以下质量百分比含量的元素：C:0.09％；Mn:1.78％；Si:0.64％；P:0.004％；S:0.004％；Ni:1.69％；Mo:0.37％；Cr:0.02％；Cu:0.01％；O:≤0.0080％；N:≤0.0080％；余量为Fe及杂质元素。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于核电安全壳的气体保护焊丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法依次为：确定冶炼焊丝成分范围、焊丝冶炼、开坯轧制成盘圆、拉拔、镀铜及绕线。
6.根据权利要求5所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝的制备方法，其特征在于，所述Cu的质量百分比含量包含镀在焊丝表面的Cu。
7.如权利要求1-4任一项所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝的应用，其特征在于，该气体保护焊丝用于核电安全壳焊接。
8.根据权利要求7所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝的应用，其特征在于，所述气体保护焊丝在焊接时采用Ar和CO2的混合气体保护。
9.根据权利要求8所述的一种用于核电安全壳的气体保护焊丝的应用，其特征在于，所述混合气体的体积比为Ar:CO2＝4:1。
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