CN112548400B

CN112548400B - 用于镍铬铁合金钢焊接用药皮、焊条及其制备方法

Info

Publication number: CN112548400B
Application number: CN202110197048.6A
Authority: CN
Inventors: 雷力; 范阳阳; 龙柄宏
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-02-22
Also published as: CN112548400A

Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了用于镍铬铁合金钢焊接用药皮、焊条及其制备方法，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石10~25%、大理石5~20%、碳酸锶5~15%、金红石10~20%、氧化铝2~5%、金属铬10~15%、金属锰5~10%、金属镍3~8%、铌铁5~15%、CMC 0.3~1.0%、海藻酸钠0.3~1.0%、纯碱0.3~1.0%；并公开了其焊条以及焊条的制备方法。本申请的焊条用于解决现有的镍基合金焊条，施焊时不同程度存在熔池黏度大，流动性不好，易产生微小的气孔，未熔合，裂纹敏感性大，容易产生焊接热裂纹等弊病。同时本发明中的焊条不仅具有良好的焊接工艺性能，且具有良好的塑韧性。

Description

用于镍铬铁合金钢焊接用药皮、焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及用于镍铬铁合金钢焊接用药皮、焊条及其制备方法。

背景技术

近年来我国核电工业发展迅速，Inconel690镍基合金是运用于核能发电设备的主要镍基材料，具有优异的耐晶间腐蚀、焊缝点蚀和应力腐蚀性能。Ni690焊条主要用于核电站主设备UNS号N06690镍铬铁合金的焊接，因其技术要求高，制造难度大，国际上只有少数焊材厂家能够提供相关焊条，且目前国内使用该类焊条主要依靠进口。

由于国内核电建设对该焊条的需求增长较快，因此有必要开展Ni690焊条的研制工作。Ni690焊条不仅要求在高温高压水中具有很好的抗腐蚀能力，而且要有较高的韧性，为得到良好的焊缝性能，需设计出一种抗缺陷性能好的镍基焊条，得到符合核电设备使用要求的焊缝熔敷金属。

发明内容

因此，本发明的第一目的在于，提供一种用于镍铬铁合金钢焊接用药皮。

本发明的第二目的在于，提供一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条，用以解决现有的镍基合金焊条，施焊时不同程度存在熔池黏度大，流动性不好，易产生微小的气孔，未熔合，裂纹敏感性大，容易产生焊接热裂纹等弊病。同时本发明中的焊条不仅具有良好的焊接工艺性能，且具有良好的塑韧性。

本发明的第三目的在于，提供一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条的制备方法。

具体内容如下：

第一，本发明提供了一种用于镍铬铁合金钢焊接用药皮，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石10~25%、大理石5~20%、碳酸锶5~15%、金红石10~20%、氧化铝2~5%、金属铬10~15%、金属锰5~10%、金属镍3~8%、铌铁5~15%、CMC 0.3~1.0%、海藻酸钠0.3~1.0%、纯碱0.3~1.0%。

该发明中，药皮作为焊条组分包覆于焊芯的外表面。

（冰晶石10~25%）

冰晶石主要起到造渣作用，用于调整熔渣的物理性能，除氢和改善焊条的工艺性能。本发明中将冰晶石的加入量控制在10~25%。

（大理石5~20%）

CaCO₃是大理石的主要组成成分，在焊接过程中分解成CaO和CO₂气体，同时兼顾造渣和造气的作用。CaO是碱性氧化物，能提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属表面的界面张力和表面张力，改善脱渣性能，并有较好的脱S能力。CO₂能降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝氢含量。但CaCO₃太多会粗化熔滴，因此将大理石的添加量控制在5~20%。

（碳酸锶5~15%）

碳酸锶的主要作用在于造渣、造气，能够显著提高电弧的稳定性，且焊条在立焊过程中套筒均匀快速熔化，具备良好的全位置焊接工艺性，采用碳酸锶能够减少二氧化碳的生成量。本发明将碳酸锶的添加量控制在5~15%。

（金红石10~20%）

金红石是较纯的二氧化钛，TiO₂是酸性氧化物，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，改善脱渣性。本发明将金红石的添加量控制在10~20%。

（氧化铝2~5%）

氧化铝的作用在于，参与造渣和凝固过程，避免空气的侵入。本发明将氧化铝的添加量控制在2~5%。

（金属铬10~15%）

金属铬能在镍基合金表面形成抗氧化和抗腐蚀的Cr₂O₃层，它具有低的阳离子空位，能够阻止金属元素的外扩散和其他不利元素向内扩散，从而稳定镍基合金的表面，使得材料具有优良的抗常温、高温氧化性能，提高耐腐蚀性能。加入金属铬也可以防止晶界碳化物的析出，从而避免晶界附近产生缺铬现象，可增进抗氧化的能力。含Cr量高使焊缝在核辐射，纯水环境中具有更好的抗应力腐蚀开裂能力。因此将金属铬的添加量控制在10~15%。

（金属锰5~10%）

金属锰是脱氧剂，可以脱S，降低裂纹敏感性。Mn在焊缝金属中和S结合生产MnS，使S不能和Ni形成低熔点共晶物Ni-Ni3S，降低热裂纹敏感性。同时Mn又是强脱氧剂，可降低焊缝金属中的氧含量，减少了形成硅酸盐的条件。另外，Mn、Si作为脱氧剂加入，为避免在最高的焊后热处理温度下重新形成奥氏体。Si与Cr同时存在时，可以提高合金的高温抗氧化性能，但是Si过高不利于焊缝金属的韧性。本发明中将熔敷金属中Si含量控制在≤0.75% ，将金属锰加入量控制在5~10%。

（金属镍3~8%）

镍作为基体，与各种金属元素具有相容性，可改进热稳定性与制造性能，还可以提高材料在碱性、中性和还原性介质中的耐腐蚀性，改进耐氯化物的应力腐蚀开裂性能。在药皮中加入金属镍，使得熔敷金属约有60%的高Ni成分，其在氢氧化钠溶液和氯化物的环境中具有抗应力腐蚀龟裂的特性。因此，本发明中将金属镍的量控制在3~8%。

（铌铁5~15%）

铌通过金属铌铁以药皮过渡的形式加入熔敷金属，它的加入影响焊缝的力学性能以及抗裂敏感性。Nb在镍基焊缝金属中可以细化晶粒，使硅酸盐膜相对减薄。同时由于Nb的碳化物在晶界成块状析出，破坏了硅酸盐薄膜的连续性，因而提高焊缝的抗裂性。随着Nb含量增加，熔敷金属中奥氏体晶粒的长大受到抑制，晶粒变细，晶界面积增大，晶界变得更加曲折，高温低塑性裂纹敏感性降低，抗拉强度和屈服强度增加。但是Nb含量过高可能导致熔敷金属结晶裂纹敏感性增加，断后伸长率下降。本发明中将金属铌铁加入量控制在5~15%。

（CMC 0.3~1.0%）

（海藻酸钠0.3~1.0%）

（纯碱0.3~1.0%）

本发明中，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，本发明选择了Si、Mn联合脱氧，而且锰的加入可以提高强度和韧性，也是一种很好的脱硫剂，Ca的加入对脱磷也有很好的作用，焊条中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

第二，本发明提供了一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮；所述焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.04%且不包含0%、Mn≤1.0%且不包含0%、Si≤0.5%且不包含0%、Cr 28.0~31.5%、Fe 7.0~11.0%、Mo≤0.5%且不包含0%、(Nb+Ta)≤0.10%且不包含0%、余量为Ni及不可避免的杂质。

第三，本发明提供了一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条的制备方法，包括如下步骤：

按比例称取药皮的各组分，并均匀混合，再加入粘接剂搅拌均匀得到共混物，送入压涂机内将共混物包裹于焊芯上，经烘焙处理得到焊条。

本发明的有益效果表现在：

本发明中的镍基焊条配套用于焊接镍基合金特别是UNS N06690类合金焊接，焊接时电弧稳定、成型美观、飞溅极少、脱渣容易、抗气孔性佳；本发明采用低氢型渣系，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足标准要求。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

优选地，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石25%、大理石20%、碳酸锶6%、金红石17%、氧化铝2%、金属铬10%、金属锰6%、金属镍5%、铌铁7%、CMC 0.4%、海藻酸钠0.7%、纯碱0.9%。

优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石12%、大理石15%、碳酸锶14%、金红石18%、氧化铝1.4%、金属铬13%、金属锰7%、金属镍6%、铌铁12%、CMC 0.8%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.4%。

优选地，药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石22%、大理石6%、碳酸锶12%、金红石15%、氧化铝2.4%、金属铬13%、金属锰9%、金属镍6%、铌铁13%、CMC 0.7%、海藻酸钠0.6%、纯碱0.3%。

优选地，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石25%、大理石13%、碳酸锶5%、金红石12%、氧化铝3.7%、金属铬12%、金属锰5%、金属镍8%、铌铁14%、CMC 0.3%、海藻酸钠1%、纯碱1%。

优选地，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石19%、大理石16.4%、碳酸锶15%、金红石10%、氧化铝5%、金属铬15%、金属锰10%、金属镍3%、铌铁5%、CMC 1%、海藻酸钠0.3%、纯碱0.3%。

优选地，所述药皮的各组分按重量百分比计，包括冰晶石10%、大理石9%、碳酸锶10%、金红石20%、氧化铝4.8%、金属铬14%、金属锰8%、金属镍7%、铌铁15%、CMC 0.6%、海藻酸钠0.8%、纯碱0.8%。

本发明中，碳酸锶的粒度为1~7μm，SrCO₃含量≥99%。

碳酸锶采用1~7μm的亚纳米粒度级别的原材料，与焊材行业原材料常用的40目~300目（48~380μm）规格相比，粒度降低一个数量级。亚纳米级别的碳酸锶用于药皮的组分之一，其分解温度＜900℃，主要作用除了造渣、造气外，在电弧燃烧前期细小颗粒的分解更均匀，能够显著提高电弧的稳定性，且焊条在立焊过程中套筒均匀快速熔化，不会形成长马蹄形套筒，具备良好的全位置焊接工艺性。细粒级碳酸锶还可以增加熔渣的活性,降低熔池粘度，提高熔池流动性，使渣均匀覆盖在焊缝表面。同时，相同质量的碳酸锶与碳酸钙相比，碳酸锶可以较少的生成二氧化碳，但其价格较大理石昂贵，故需配合大理石使用。

本发明中，氧化铝为微晶高温煅烧α- Al₂O₃，α- Al₂O₃含量≥95%，Al₂O₃含量≥99%，粒度为1~8μm。氧化铝选用活性Al₂O₃。α- Al₂O₃含量高且晶相纯，其熔点与普通氧化铝产品（40~200μm）相比较低，用于本发明的焊条中可以有效地调整熔渣的融化温度区间，改善熔池粘度，在焊接过程中更早熔化的Al₂O₃可更早参与造渣和凝固过程，避免渣池下淌导致熔池在完全凝固前即发生暴露而产生空气的侵入。加入2~5%的1~8μm的活性Al₂O₃即可以使焊缝鱼鳞波细小，有效阻止气孔和裂纹的产生。

第二，本发明提供了一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮；焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.04%且不包含0%、Mn≤1.0%且不包含0%、Si≤0.5%且不包含0%、Cr 28.0~31.5%、Fe 7.0~11.0%、Mo≤0.5%且不包含0%、(Nb+Ta)≤0.10%且不包含0%、余量为Ni及不可避免的杂质。

考虑到镍基合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，同时对熔敷金属Si元素含量要求较为严格。

不可避免的杂质，是熔炼时不可避免混入的杂质。

本发明中，焊芯为ERNiCrFe-7焊芯。

本发明中，粘接剂的添加量占药皮质量的19~23%，粘接剂包括纯钠水玻璃、纯钾水玻璃、或钾钠混合水玻璃中的至少一种。

本发明中，烘焙处理的工艺参数为，先经80~100℃低温烘培，再经350~380℃高温烘培1 h。

<实施例>

实施例1

一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的药皮，药皮的各组分见表1。

焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.04%且不包含0%、Mn≤1.0%且不包含0%、Si≤0.5%且不包含0%、Cr 28.0~31.5%、Fe 7.0~11.0%、Mo≤0.5%且不包含0%、(Nb+Ta)≤0.10%且不包含0%、余量为Ni及不可避免的杂质。

取焊芯及药皮，将药皮的各组分均匀混合后，加入占药皮总重20%的41~ 42°Be＂钾钠水混合玻璃，制备出药皮用膏体，与焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。

按照上述工艺生产的焊条，焊接时电弧稳定、焊缝成型美观、飞溅极少、脱渣容易、抗气孔性佳，在高温氧化性及含硫气氛中耐蚀性良好。焊条金属的力学性能见表2。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，药皮的各组分不同，具体组分见表1。

实施例3

实施例4

实施例5

实施例6

表1 各样品药皮的组分配比表（质量，%）

（实验例用E表示）

药皮组分	E1	E2	E3	E4	E5	E6
							冰晶石	25	12	22	25	19	10
大理石	20	15	6	13	16.4	9
							碳酸锶	6	14	12	5	15	10
金红石	17	18	15	12	10	20
							氧化铝	2	1.4	2.4	3.7	5	4.8
金属铬	10	13	13	12	15	14
							金属锰	6	7	9	5	10	8
金属镍	5	6	6	8	3	7
							铌铁	7	12	13	14	5	15
CMC	0.4	0.8	0.7	0.3	1	0.6
							海藻酸钠	0.7	0.4	0.6	1	0.3	0.8
纯碱	0.9	0.4	0.3	1	0.3	0.8

表2 焊条熔敷金属的力学性能（实施例用E表示）

样品	抗拉强度Rm(MPa)	屈服强度ReL(MPa)	伸长率（%）	-80℃冲击功KV2(J)
					E1	710	490	41	94~104
E2	732	515	43	84~98
					E3	680	470	38	75~85
E4	668	467	37	67~78
					E5	698	482	39	91~102
E6	665	463	36	61~73

实施例1至6中的熔敷金属的强度、塑性符合标准要求。

综上所述，本发明采用低氢型渣系，通过焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用。其熔敷金属力学性能符合GB/T 13814 ENi6152、AWSA5.11 ENiCrFe-7、ISO 14172-ENi 6152标准所要求的性能。抗拉强度为665~732MPa，屈服强度为463~515MPa，延伸率36~43%，-80℃冲击功（KV2）平均值约为85J。且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足标准要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于镍铬铁合金钢焊接用药皮，其特征在于，所述药皮选自下述四种组合中的任意一种：所述药皮的各组分按重量百分比计，

包括冰晶石12%、大理石15%、碳酸锶14%、金红石18%、氧化铝1.4%、金属铬13%、金属锰7%、金属镍6%、铌铁12%、CMC 0.8%、海藻酸钠0.4%、纯碱0.4%；

包括冰晶石22%、大理石6%、碳酸锶12%、金红石15%、氧化铝2.4%、金属铬13%、金属锰9%、金属镍6%、铌铁13%、CMC 0.7%、海藻酸钠0.6%、纯碱0.3%；

包括冰晶石25%、大理石13%、碳酸锶5%、金红石12%、氧化铝3.7%、金属铬12%、金属锰5%、金属镍8%、铌铁14%、CMC 0.3%、海藻酸钠1%、纯碱1%；

包括冰晶石19%、大理石16.4%、碳酸锶15%、金红石10%、氧化铝5%、金属铬15%、金属锰10%、金属镍3%、铌铁5%、CMC 1%、海藻酸钠0.3%、纯碱0.3%；

其中，在上述药皮的四种组合中，碳酸锶的粒度为1~7μm，SrCO₃含量≥99%；

氧化铝为微晶高温煅烧α- Al₂O₃，α- Al₂O₃含量≥95%，粒度为1~8μm。

2.一种用于镍铬铁合金钢焊接用焊条，其特征在于，包括焊芯以及包覆于焊芯表面的权利要求1所述的药皮；所述焊芯的化学组分按重量百分比计，包括C≤0.04%且不包含0%、Mn≤1.0%且不包含0%、Si≤0.5%且不包含0%、Cr 28.0~31.5%、Fe 7.0~11.0%、Mo≤0.5%且不包含0%、(Nb+Ta)≤0.10%且不包含0%、余量为Ni及不可避免的杂质。

3.一种如权利要求2所述的用于镍铬铁合金钢焊接用焊条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的用于镍铬铁合金钢焊接用焊条的制备方法，其特征在于，所述粘接剂的添加量占药皮质量的16~21%，粘接剂包括纯钠水玻璃、纯钾水玻璃、或钾钠混合水玻璃中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的用于镍铬铁合金钢焊接用焊条的制备方法，其特征在于，所述烘焙处理的工艺参数为，先经80~100℃低温烘培，再经350~380℃高温烘培1h。