CN113953714A - 一种镍基合金用的药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镍基合金用的药芯焊丝，属于金属焊接技术领域。该种焊丝截面呈D形，包括外层的焊皮、中部的焊芯以及填充的焊药，焊皮的D型平面较厚，熔化初期在焊缝两侧的母材上覆盖上一层合金层，将母材边缘的杂质压覆，减少焊缝中熔入杂质，焊药中引入Ti、Zr、Mg、Al等复配，降低热裂纹敏感性，焊芯中加入铌铁共熔，高温下形成碳化铌第二相，其填充在熔池中部并向熔池的底部和表层扩散，减轻焊接结晶裂纹敏感性，同时，焊皮及焊芯制备过程经过轧制、拉拔处理，其自身晶粒得到细化，具有良好的韧性；综上，本发明从熔池的饱满度、焊材的处理、降低杂质和降低裂纹敏感性出发，提供适用镍625合金结构件焊接的药芯焊丝。

Description

一种镍基合金用的药芯焊丝
技术领域
本发明属于金属焊接技术领域，具体地，涉及一种镍基合金用的药芯焊丝。
背景技术
镍625合金是以钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，从低温到980℃均具有良好的拉伸性能和疲劳性能，并且耐盐雾气氛下的应力腐蚀，广泛应用于航空发动机零部件、宇航结构部件和化工设备；对于镍625合金结构件的焊接，现有技术中通常采用通用镍基焊条进行焊接，焊缝的常温抗拉强度在550MPa左右，远远达不到母材的自身强度，从而大大限制了镍625合金焊接结构件的应用强度。
发明内容
为了解决背景技术提到的技术问题，本发明提供一种镍基合金用的药芯焊丝。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种镍基合金用的药芯焊丝，包括焊芯，焊芯的外侧包覆有焊皮，焊芯和焊皮之间填充有焊药，该焊丝采用拉拔工艺制成截面呈“D”形，焊皮D型平面厚度为0.6±0.1mm，D型弧面厚度为0.3±0.1mm，焊芯为Φ0.8±0.1mm的丝材，且焊芯和焊皮均由Ni625合金加工而成；在实施焊接时，D型平面朝向焊缝实施焊接，较厚的平面首先熔化在焊缝两侧的母材上覆盖上一层Ni625合金，将母材边缘的杂质压覆，减轻杂质落入焊缝中形成焊接缺陷，之后随焊渣被铲除，中部的大量Ni625合金熔点相对较低，熔化后充分填充进焊缝中，在焊缝中形成饱满的熔池，有利于焊药进行反应，D型弧面厚度较薄，焊材较少有利于焊渣排出，提高焊缝的质量。
进一步地，焊药的填充量为焊丝质量的27-35％。
焊药按重量份计包括：二氧化钛0.11-0.15份、二氧化硅0.9-1.2份、三氧化二铝0.7-0.85份、氟化钙2.7-4.2份、铬粉1.3-1.7份、镁粉2.2-2.8份、铁粉13-18份、二氧化锆0.1-0.2份、高碳锰铁2-5份、氧化铈0.5-1份，二氧化钛在120℃氩气氛围下烘干至恒重，其余原料分别在120℃氮气氛围下烘干至恒重，之后过80目筛网进行筛分，取筛下料加入混粉机中均匀混合，得到焊药。
进一步地，焊皮由Ni625带材加热至840±20℃进行软化，之后采用轧机将两侧热轧减薄，然后在550±10℃下保温3h进行退火，防止后续拉拔过程中出现裂纹导致断丝，最后采用稀硫酸进行酸洗，去除表面氧化皮，得到焊皮。
进一步地，焊芯由Ni625铸锭熔融精炼后加入铌铁混炼，之后浇注成棒材，再经过轧制、热拉、去应力退火、酸洗去氧化皮，制成焊芯。
进一步地，焊芯制备过程中，Ni625铸锭和铌铁的加入量的质量比为100:0.75-0.9。
进一步地，铌铁中的成分为Nb：18-22％、Mn：12-15％、C：4.2-5.5％、Al:1.4-1.7％、Si：0.5-1.0％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，焊丝由如下步骤制成：
步骤S1：采用卷边机将焊皮两侧的薄边向中部预卷，之后向内部填充用量一半的焊药，之后装入焊芯，再填充余下焊药，再采用卷圆机将顶部压合封口，得到预制焊丝；
步骤S2：将预制焊丝在880-920℃下保温10-13min进行软化，之后采用D型拉拔模控制拉拔速率为1.2-1.5m/min进行拉拔，重复以上操作进行复拉，复拉每道次保温温度递减30-40℃、保温时间递减1min，拉拔速率递增0.3m/min，直至达到设计拉拔尺寸，得到半成品焊丝；
步骤S3：将半成品焊丝外表面采用稀硫酸进行酸洗去除表面杂质，之后热风吹干、将D型面朝向盘卷中心进行收盘，得到焊丝。
进一步地，步骤S2中，每道次拉拔变形量不超过18％，总拉拔道次不超过6道次。
进一步地，步骤S2中，每道次拉拔时采用石墨粉进行润滑。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的焊丝设置为D型结构，在实施焊接时，D型平面朝向焊缝，与焊缝接触时，D型平面首先熔化在焊缝两侧的母材上覆盖上一层Ni625合金，将母材边缘的杂质压覆住，减少焊缝中熔入杂质，提高焊缝质量；此外，D型平面设置较厚，熔化初期大量的Ni625熔融液渗透进焊缝中形成饱满的熔池基底，D型弧面厚度较薄，焊药在进行反应后便于焊渣排出，最终的焊缝含杂较少。
2.本发明提供的焊丝采用焊皮包覆焊药，再采用拉拔成型工艺得到最终尺寸，相较于现有的药芯焊丝，生产难度小，药芯经过高温的软化以及拉拔，焊药填充紧密，内部含有的杂质气体较少，相较于现有仅仅填充焊药类型的焊丝，减轻焊缝内部氧化，而且焊皮与焊芯经过拉拔，自身晶粒得到细化，保留实心轧制焊丝的高韧性。
3.本发明在焊丝的中部设置有焊芯，一方面强化焊丝的抗拉强度，防止焊丝拉拔过程拉断，也避免盘卷、放卷过程弯扁，并且该焊芯中添加有一定量的铌铁，焊芯包裹在焊药中，实施焊接时焊芯处于温度较高的熔池中部，高温下形成碳化铌，其填充在熔池中部并向熔池的底部和表层扩散，减轻焊接结晶裂纹敏感性，有效地提高焊缝的强度。
4.本发明使用合理的焊药配比，Ti、Zr、Mg、Al等的复配，降低热裂纹敏感性，最终焊缝在300℃下仍能保持500MPa以上的抗拉强度。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备一种焊药，具体实施过程如下：
步骤A1：取二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氟化钙、铬粉、镁粉、铁粉、二氧化锆、高碳锰铁和氧化铈，将二氧化钛在120℃氩气氛围烘干箱中烘干至恒重，其余原料分别在120℃氮气氛围下烘干至恒重；
步骤A2：将步骤A1处理后的各原料分别过80目筛网进行筛分，取筛下粉料；
步骤A3：称取步骤A2处理后的二氧化钛0.11kg、二氧化硅0.9kg、三氧化二铝0.7kg、氟化钙2.7kg、铬粉1.3kg、镁粉2.2kg、铁粉13kg、二氧化锆0.1kg、高碳锰铁2kg、氧化铈0.5kg，将各粉料加入混粉机中混合处理30min，得到焊药。
实施例2
本实施例制备一种焊药，具体实施过程与实施例1具体操作过程相同，其中焊药包括：二氧化钛0.13kg、二氧化硅1.1kg、三氧化二铝0.75kg、氟化钙3.2kg、铬粉1.5kg、镁粉2.4kg、铁粉15kg、二氧化锆0.1kg、高碳锰铁3.3kg、氧化铈0.8kg。
实施例3
本实施例制备一种焊药，具体实施过程与实施例1具体操作过程相同，其中焊药包括：二氧化钛0.15kg、二氧化硅1.2kg、三氧化二铝0.85kg、氟化钙4.2kg、铬粉1.7kg、镁粉2.8kg、铁粉18kg、二氧化锆0.2kg、高碳锰铁5kg、氧化铈1kg。
实施例4
本实施例制备一种焊皮，具体实施过程如下：
取厚度为1.5mm、宽度为6mm的Ni625合金带材，放到加热炉中升温至炉温为840±20℃保温8min，使得带材充分软化，之后取出采用轧机将带材的两侧各减薄2mm，减薄至厚度为1mm，随后自然冷却，完全冷却后刷除表面的氧化皮，再放入加热炉升温至550±10℃下保温3h进行退火，消除轧制应力，最后取出空冷并采用体积浓度为5％的稀硫酸刷洗，去除表面的氧化皮，再用自来水冲洗干净晾干，得到焊皮。
实施例5
本实施例制备一种焊芯，具体实施过程如下：
取Ni625铸锭完全熔融，加入铌铁(市售铌铁，主要成分及含量为Nb：18-22％、Mn：12-15％、C：4.2-5.5％、Al:1.4-1.7％、Si：0.5-1.0％，余量为Fe和不可避免的杂质)，其中，Ni625铸锭和铌铁的用量质量比为100:0.75，然后通过现有成熟的公知技术，经过浇注成棒材、轧制、热拉、去应力退火、酸洗去氧化皮，制成Φ1.1mm的焊芯。
实施例6
本实施例制备一种焊芯，具体实施过程与实施例5相同，调整Ni625铸锭和铌铁的用量质量比为100:0.9，制成Φ1.1mm的焊芯。
实施例7
本实施例制备一种焊丝，具体实施过程如下：
步骤S1：取实施例4制备的焊皮，采用卷圆机将两侧的薄边向中间预卷，之后按照焊药填充量为27％称取实施例1制备的焊药，将焊药用量的一半填充进焊皮中，放入实施例5制备的焊芯，再填充余下焊药，再采用卷圆机将顶部压合封口，得到预制焊丝；
步骤S2：将预制焊丝在880℃下保温13min软化，将预制焊丝的一端夹持封口并穿过D型拉拔模，控制拉拔速率为1.2m/min，拉拔模的设计截面变形量为18％，在模口处采用喷粉机喷洒石墨粉，完成首次拉拔，重复以上操作进行复拉4次，复拉过程中，控制每道次保温温度降低30℃，每道次保温时间减少1min，每道次拉拔速率增加0.3m/min，得到半成品焊丝；
步骤S3：将半成品焊丝外表面采用体积浓度为5％的稀硫酸进行酸洗去除表面杂质，之后热风吹干、将D型面朝向盘卷中心进行收盘，得到焊丝。
实施例8
本实施例制备一种焊丝，具体实施过程如下：
步骤S1：取实施例4制备的焊皮，采用卷圆机将两侧的薄边向中间预卷，之后按照焊药填充量为30％称取实施例2制备的焊药，将焊药用量的一半填充进焊皮中，放入实施例5制备的焊芯，再填充余下焊药，再采用卷圆机将顶部压合封口，得到预制焊丝；
步骤S2：将预制焊丝在900℃下保温10min软化，将预制焊丝的一端夹持封口并穿过D型拉拔模，控制拉拔速率为1.3m/min，拉拔模的设计截面变形量为12％，在模口处采用喷粉机喷洒石墨粉，完成首次拉拔，重复以上操作进行复拉5次，复拉过程中，控制每道次保温温度降低30℃，每道次保温时间减少1min，每道次拉拔速率增加0.3m/min，得到半成品焊丝；
步骤S3：将半成品焊丝外表面采用体积浓度为5％的稀硫酸进行酸洗去除表面杂质，之后热风吹干、将D型面朝向盘卷中心进行收盘，得到焊丝。
实施例9
本实施例制备一种焊丝，具体实施过程如下：
步骤S1：取实施例5制备的焊皮，采用卷圆机将两侧的薄边向中间预卷，之后按照焊药填充量为35％称取实施例3制备的焊药，将焊药用量的一半填充进焊皮中，放入实施例6制备的焊芯，再填充余下焊药，再采用卷圆机将顶部压合封口，得到预制焊丝；
步骤S2：将预制焊丝在920℃下保温10min软化，将预制焊丝的一端夹持封口并穿过D型拉拔模，控制拉拔速率为1.5m/min，拉拔模的设计截面变形量为12％，在模口处采用喷粉机喷洒石墨粉，完成首次拉拔，重复以上操作进行复拉5次，复拉过程中，控制每道次保温温度降低40℃，每道次保温时间减少1min，每道次拉拔速率增加0.3m/min，得到半成品焊丝；
步骤S3：将半成品焊丝外表面采用体积浓度为5％的稀硫酸进行酸洗去除表面杂质，之后热风吹干、将D型面朝向盘卷中心进行收盘，得到焊丝。
对实施例7-9制得焊丝进行拆解，对焊丝参数进行测量，具体数据如表1；
表1
Figure BDA0003331828190000071
Figure BDA0003331828190000081
由表1可知，本发明制备的焊丝的焊皮D型平面厚度为0.5-0.6mm，焊皮D型弧面厚度为0.2-0.4mm，焊芯为直径为0.8mm左右。
参照GB/T 17493-2008对两块镍625合金板采用焊机焊接，保护气体为80％Ar+20％CO2，焊后对焊缝外观进行观察并进行力学实验，具体数据如表2；
表2
Figure BDA0003331828190000082
由表2可知，使用本发明制备的焊丝焊接镍625材料，焊缝饱满有光泽，在常温下抗拉强度达到697-715MPa，在300℃工况下，抗拉强度仍保持在500MPa以上，断裂伸长率在10.5％以上，具有良好的强度与韧性，适用于镍625的焊接，特别焊接件在高温工况下使用。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，包括焊芯，焊芯的外侧包覆有焊皮，焊芯和焊皮之间填充有焊药，焊丝的截面呈“D”形，焊皮D型平面厚度为0.6±0.1mm，焊皮D型弧面厚度为0.3±0.1mm，焊芯为Φ0.8±0.1mm的丝材，且焊芯和焊皮均由Ni625合金加工而成；
焊药的原料按重量份计包括：二氧化钛0.11-0.15份、二氧化硅0.9-1.2份、三氧化二铝0.7-0.85份、氟化钙2.7-4.2份、铬粉1.3-1.7份、镁粉2.2-2.8份、铁粉13-18份、二氧化锆0.1-0.2份、高碳锰铁2-5份和氧化铈0.5-1份。
2.根据权利要求1所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，焊药的填充量为焊丝质量的27-35％。
3.根据权利要求1所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，焊皮由Ni625带材加热至840±20℃进行软化，之后将两侧热轧减薄，然后在550±10℃下保温3h进行退火、冷却后酸洗，得到焊皮。
4.根据权利要求1所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，焊芯由Ni625铸锭熔融精炼后加入铌铁混炼，之后浇注成棒材，再经过轧制、热拉、去应力退火、酸洗去氧化皮，制成焊芯。
5.根据权利要求4所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，Ni625铸锭和铌铁的用量质量比为100:0.75-0.9。
6.根据权利要求4所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，铌铁中的成分为Nb：18-22％、Mn：12-15％、C：4.2-5.5％、Al:1.4-1.7％、Si：0.5-1.0％，余量为Fe和不可避免的杂质。
7.根据权利要求2所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，焊丝由如下步骤制成：
步骤S1：采用卷边机将焊皮两侧的薄边向中部预卷，之后向内部填充用量一半的焊药，之后装入焊芯，再填充余下焊药，再采用卷圆机将顶部封口，得到预制焊丝；
步骤S2：将预制焊丝在880-920℃下保温10-13min进行软化，之后采用D型拉拔模控制拉拔速率为1.2-1.5m/min进行拉拔，重复拉拔完成复拉，复拉每道次保温温度递减30-40℃、保温时间递减1min，拉拔速率递增0.3m/min，直至达到设计拉拔尺寸，得到半成品焊丝；
步骤S3：将半成品焊丝外表面酸洗、吹干、将D型面朝向盘卷中心进行收盘，得到焊丝。
8.根据权利要求7所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，步骤S2中，每道次拉拔变形量不超过18％，总拉拔道次不超过6道次。
9.根据权利要求7所述的一种镍基合金用的药芯焊丝，其特征在于，步骤S2中，每道次拉拔时采用石墨粉进行润滑。
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