CN113352021A - 一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成，该药芯焊丝具有熔敷效率高、焊接稳定性强及熔敷速度快的特点，且用于焊接奥氏体不锈钢后的焊缝金属具有韧性好及强度高的力学性能，耐腐蚀性效果较好，同时制备方法简单。

Description

一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于材料加工工程的焊接领域，涉及一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
超超临界火电发电机组锅炉过热器/再热器在服役温度下其金属壁温可达650℃，要求管材具有较好的高温强度、良好的抗蒸汽氧化性能和抗烟气氧化能力。目前，超超临界锅炉的过热器/再热器管材广泛采用Cr-Ni型奥氏体不锈钢。
由于Cr-Ni型奥氏体不锈钢中的Cr、Ni含量较高，其在存在的焊接性问题主要有：1)热裂纹倾向；2)应力腐蚀倾向；3)晶间腐蚀倾向。目前，锅炉用Cr-Ni型奥氏体不锈钢管的焊接通常采用线能量集中的手工钨极氩弧焊(GTAW)，焊条主要为配套焊材和镍基合金代用焊材。虽然获得了残余应力小、力学性能及耐腐蚀性能与母材相当的焊接接头，但因手工钨极氩弧焊效率低、时间长、对焊工要求高、易受操作水平影响，造成焊接成本过高、焊接质量不稳定等问题。药芯焊丝与传统焊材相比具有焊接生产效率高，焊接工艺性能好、焊接质量优良、综合焊接成本低等优势，在保证焊接质量的前提下，可进一步提高焊接自动化水平和焊接效率，减少对焊接工人的依赖，达到降低成本的目的。药芯焊丝可分为两类：一类有渣型焊丝，是在药芯成分中添加一定量的造渣剂，一般分为酸性渣、碱性渣以及中性渣；另一类金属粉芯型药芯焊丝，不添加造渣物，从而提高了熔敷效率。这类药芯焊丝在国外已有一定程度的发展，但国内关于此种药芯焊丝的研究却较少，在新修订的不锈钢药芯焊丝标准GB/T 17853-2018中，已将不锈钢用金属粉芯型药芯焊丝纳入其中，可见金属粉芯型药芯焊丝在我国越来越受重视。
因此结合现有的问题，需开发出一种焊丝，该焊丝具有熔敷效率高、焊接稳定性强及熔敷速度快的特点，且用于焊接奥氏体不锈钢后的焊缝金属具有韧性好、强度高等较优的力学性能，且耐腐蚀性效果较好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法，该药芯焊丝具有熔敷效率高、焊接稳定性强及熔敷速度快的特点，且用于焊接奥氏体不锈钢后的焊缝金属具有韧性好及强度高的力学性能，耐腐蚀性效果较好，同时制备方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为(20％-25％)的Ni、(23％-25％)的Cr、(3.5％-4.5％)的Cu、0.75％的Mo、(0.3％-0.65％)的Si、(0.05％-0.1％)的C、(0.5％-1.5％)的Nb+Ta、(1.0％-2.5％)的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.3mm～0.7mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8～12mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.3mm～0.7mm；316L不锈钢钢带的宽度为8mm～12mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为35％～50％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝及其制备方法在具体操作时，通过控制药芯中各成份的用量，使得各组分间协同作用效果最佳，同时通过药粉向焊缝金属中加入过渡适量的铬及镍，使得焊接奥氏体不锈钢后的焊缝金属具有韧性好、强度高等较优的力学性能，且耐腐蚀性效果较好。同时，本发明没有普通不锈钢药芯焊丝所需添加的大量造渣物，熔敷效率较高，用于焊接奥氏体不锈钢材料时，具有熔敷速度快且烟尘较小、飞溅小、焊缝成型好、焊接稳定性较高的优点，具有良好的焊接工艺适应性，且在制备时，通过混合及干燥处理，再填充至U型槽中，然后进行拉拔、减径，得焊丝样品，制备较为简单。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为(20％-25％)的Ni、(23％-25％)的Cr、(3.5％-4.5％)的Cu、0.75％的Mo、(0.3％-0.65％)的Si、(0.05％-0.1％)的C、(0.5％-1.5％)的Nb+Ta、(1.0％-2.5％)的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.3mm～0.7mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8～12mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.3mm～0.7mm；316L不锈钢钢带的宽度为8mm～12mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为35％～50％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例一
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为25％的Ni、25％的Cr、4.5％的Cu、0.75％的Mo、0.65％的Si、0.1％的C、1.5％的Nb+Ta、2.5％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.3mm～0.7mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8～12mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.7mm；316L不锈钢钢带的宽度为12mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为50％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例二
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为20％的Ni、23％的Cr、3.5％的Cu、0.75％的Mo、0.3％的Si、0.05％的C、0.5％的Nb+Ta、1.0％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.3mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.3mm；316L不锈钢钢带的宽度为8mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为35％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例三
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为23％的Ni、24％的Cr、4％的Cu、0.75％的Mo、0.45的Si、0.07的C、1％的Nb+Ta、2％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.5mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为10mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.5mm；316L不锈钢钢带的宽度为10mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为33％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例四
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为20％的Ni、25％的Cr、3.5％的Cu、0.75％的Mo、0.65％的Si、0.05％的C、1.5％的Nb+Ta、1.0％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.7mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.7mm；316L不锈钢钢带的宽度为8mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为35％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例五
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为21％的Ni、23.5％的Cr、3.8％的Cu、0.75％的Mo、0.4％的Si、0.06％的C、0.8％的Nb+Ta、1.8％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.4mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为9mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.4mm；316L不锈钢钢带的宽度为9mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为38％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例六
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为24％的Ni、24.5％的Cr、4.2％的Cu、0.75％的Mo、0.5％的Si、0.08％的C、1.2％的Nb+Ta、2.2％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.6mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为11mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.6mm；316L不锈钢钢带的宽度为11mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为45％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例七
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为23％的Ni、23.5％的Cr、3.9％的Cu、0.75％的Mo、0.5％的Si、0.07％的C、1.1％的Nb+Ta、1.6％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.6mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8.5mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.6mm；316L不锈钢钢带的宽度为8.5mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为42％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
实施例八
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
按质量百分数为22％的Ni、24％的Cr、4.1％的Cu、0.75％的Mo、0.55％的Si、0.07％的C、0.9％的Nb+Ta、1.7％的Mn及余量Fe制备而成。
铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.4mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为10mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
本发明所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
316L不锈钢钢带的厚度为0.4mm；316L不锈钢钢带的宽度为10mm。
步骤2)中药芯粉末的填充率为38％。
药芯焊丝的直径为1.2mm。
本发明具有以下优势：
向焊丝熔敷金属中过渡镍元素，镍是一种稳定产生奥氏体显微结构的金属元素，能增强焊缝金属的耐腐蚀性和韧性，加入足够镍后奥氏体相区可以扩展的很大，使奥氏体在室温下保持稳定，进一步使焊缝组织为奥氏体，与母材组织相匹配。
向焊丝熔敷金属中过渡铬元素，铬元素在蒸气条件下表面可形成致密的氧化层，保证母材不被进一步氧化，可以提高钢的抗蒸汽及烟气氧化性能。
铜(Cu)和铌(Nb)在后面的运行过程中可与其他组分结合，析出纳米级的富铜相、纳米级金属间化合物NbCrN和Nb(C、N)，可以进一步提高焊接接头的高温持久性能。
钼(Mo)形成碳化物的主要元素，具有明显的固溶强化作用，同时，其与本发明中的其它组分配合具有较好的协同作用，可在保证焊缝金属的耐腐蚀性的前提下大幅度提高焊缝金属的强度，但加入量过高则会降低焊缝的韧性，因此，钼含量控制在小于等于0.75％的范围。
锰(Mn)及硅(Si)在熔池中与氧结合，起脱氧作用，是一种不可避免的杂质元素，由于奥氏体不锈钢的使用温度正好处于σ相析出区域，过多的锰元素个硅元素会促进σ相的析出，因此锰含量和硅含量分别控制在1.0％-2.5％和0.3％～0.65％之间。
碳(C)是一个重要的奥氏体强化元素，一方面可以稳定奥氏体组织，另一方面会形成纳米级析出相Nb(C、N)相，起到强化作用。从焊缝强度和焊接性，以及σ相形成考虑，限制C含量范围为0.05％-0.1％。

Claims (9)

1.一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，其特征在于，由Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe制备而成。
2.按照权利要求1所述的铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，其特征在于，按质量百分数为(20％-25％)的Ni、(23％-25％)的Cr、(3.5％-4.5％)的Cu、0.75％的Mo、(0.3％-0.65％)的Si、(0.05％-0.1％)的C、(0.5％-1.5％)的Nb+Ta、(1.0％-2.5％)的Mn及余量Fe制备而成。
3.按照权利要求1所述的一种铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝，其特征在于，铬镍奥氏体不锈钢的厚度为0.3mm～0.7mm，铬镍奥氏体不锈钢的宽度为8mm～12mm，铬镍奥氏体不锈钢为316L不锈钢钢带。
4.一种权利要求1所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取Ni、Cr、Cu、Mo、Si、C、Nb+Ta、Mn及Fe，混合均匀后烘干，得药芯粉末；
2)将药芯粉末填充进入U型槽中，再将U型槽的开口闭合，然后逐次通过不同直径的拉丝模进行逐道拉拔、减径，得焊丝样品，最后对焊丝样品的表面进行清理，得药芯焊丝。
5.根据权利要求4所述的所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1)中，烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
6.根据权利要求4所述的所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述U型槽由316L不锈钢钢带通过成型机轧制而成。
7.根据权利要求6所述的所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，316L不锈钢钢带的厚度为0.3mm～0.7mm；316L不锈钢钢带的宽度为8mm～12mm。
8.根据权利要求4所述的所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2)中药芯粉末的填充率为35％～50％。
9.根据权利要求4所述的所述铬镍奥氏体不锈钢焊接用的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，药芯焊丝的直径为1.2mm。
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