CN114473288B - 低稀释率镍基堆焊层用焊丝及制备cmt堆焊层方法 - Google Patents

低稀释率镍基堆焊层用焊丝及制备cmt堆焊层方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的低稀释率镍基堆焊层用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比包括如下成分：Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。专门用于解决低碳钢基体上镍基焊丝堆焊所出现的稀释率高、强度低、耐磨性差等问题。本发明还公开一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法及一种采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法。

Description

低稀释率镍基堆焊层用焊丝及制备CMT堆焊层方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝，还涉及一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法及一种采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法。
背景技术
近年来，随着能源化工及海洋开发等领域的迅猛发展，压力容器及油气管道腐蚀引起的失效事故也频繁发生，从而对生产安全以及生态环境保护造成了较大的威胁。镍基合金具有良好的耐腐蚀性、抗高温氧化性和低温力学性能，能够满足恶劣环境下的防护要求。但与普通碳钢相比，镍基合金的价格较高，大量使用则会导致设备成本升高。利用堆焊技术将镍基合金熔覆在相对廉价的低碳钢或低合金钢基体上，提高设备的耐腐蚀能力，使其具有较高的安全性和可靠性，从而可以解决在恶劣环境下设备的腐蚀问题的同时降低设备成本。
堆焊过程中，焊接热输入越大，基体部分熔化越多，扩散现象越严重，使得堆焊层的稀释率也就越大，这将导致堆焊层的耐蚀性能的下降。因此，堆焊过程中如何有效控制堆焊层的稀释率是重点关注的问题。冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)技术依靠对熔滴短路过程的精确控制，实现了“零”电流状态下的熔滴短路过渡，从而可以有效降低焊接热输入。除了稀释率，堆焊层往往还需要承受服役介质的磨损作用，因此如何保证堆焊层的耐磨高强，是另一个需要重点关注的问题。
本发明转对以上问题，采用CMT技术，进行镍基堆焊层制备，有效控制堆焊过程的稀释率。与此同时，添加多种合金元素与硬质相，提高堆焊层的强度和耐磨性能。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝，专门用于解决低碳钢基体上镍基焊丝堆焊所出现的稀释率高、强度低、耐磨性差等问题。
本发明的第二个目的是提供一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提供及一种采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，低稀释率镍基堆焊层用焊丝，其特征在于，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比包括如下成分：Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
药粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
本发明所采用的第二个技术方案是，低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～280℃，保温时间为2～3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1～3h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20～25wt.％。
本发明所采用的第三个技术方案是，
采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在2～4mm之间，单道宽度控制在10～12mm之间，两道之间的搭接量控制在3～4mm之间，总共进行2层堆焊。
本发明的有益效果是：
(1)本发明针对镍基焊丝在低碳钢上进行堆焊所出现的稀释率高问题，采用CMT冷金属过渡方式，合理控制堆焊工艺，获得较小的稀释率。
(2)本发明的焊丝针对耐磨、高强度的应用背景，添加多种合金元素：Cr、Co元素可以有效提高堆焊层的强度和高温性能；Al、Ti元素的添加可以提高堆焊层的强度和韧性；TiC颗粒的添加可以显著提高堆焊层的硬度，从而起到提高其耐磨性的作用。
附图说明
图1为本发明使用实施案例2制备的镍基焊丝在Q235基板上进行堆焊，所获得的堆焊层的宏观形貌；
图2为本发明使用实施例2制备的镍基焊丝在Q235基板上进行堆焊，所获得的堆焊层的低倍组织形貌；
图3为本发明使用实施例2制备的镍基焊丝在Q235基板上进行堆焊，所获得的堆焊层的高倍组织形貌；
图4为本发明使用实施例2制备的镍基焊丝堆焊层的摩擦磨损形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比包括如下成分：Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
药粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
该镍基药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni为药芯焊丝的主要元素。Ni具有优异的耐腐蚀性能，并且Ni与钢之间的焊接性较好，可以保证堆焊层的高质量制备。
Cr为药粉的主要合金元素，Cr与O在高温下会生成Cr2O3，覆盖在熔池表面，保护熔池金属的氧化。Cr与C可以生成M23C碳化物，提高堆焊层的强度和硬度，弥补单纯采用Ni所带来的耐磨性不足等问题。Cr与底部钢基体的焊接性也较好。
Co、Mo元素作为药芯焊丝的主要合金元素。Co的添加可以有效提高堆焊层的耐高温性能。Mo的添加可以显著提高堆焊层的强度和硬度。此外，Co还可以有效提高堆焊层的高温蠕变强度。
Mn元素作为药芯焊丝的另一个重要元素，Mn的加入可以有效控制镍基焊缝堆焊过程的热烈倾向，从而保证堆焊层的质量。同时，Mn还可以参与与O的反应，起到脱氧的作用。
Al和Ti元素的加入，可以提高镍基堆焊层的强度。Ti与熔池中的C反应可以生成一部分的TiC硬质相，提高堆焊层的硬度和耐磨性；为了弥补单纯利用Ti元素原位反应生成TiC含量的不足，药粉中加入一定量的TiC硬质颗粒。
本发明还提供一种低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～280℃，保温时间为2～3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1～3h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20～25wt.％。
本发明还提供一种采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在2～4mm之间，单道宽度控制在10～12mm之间，两道之间的搭接量控制在3～4mm之间，总共进行2层堆焊。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉30.0％，Co粉15.0％，Mo粉5.0％，Mn粉10.0％，Al粉5.0％，Ti粉2.0％，TiC粉1.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的镍基焊丝进行钢基板上CMT堆焊层制备，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在2mm之间，单道宽度控制在10mm之间，两道之间的搭接量控制在3mm之间，总共进行2层堆焊。
经测试，镍基CMT堆焊层的硬度为43HRC。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉40.0％，Co粉20.0％，Mo粉10.0％，Mn粉15.0％，Al粉10.0％，Ti粉5.0％，TiC粉3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的镍基焊丝进行钢基板上CMT堆焊层制备，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在4mm之间，单道宽度控制在12mm之间，两道之间的搭接量控制在4mm之间，总共进行2层堆焊。
经测试，镍基CMT堆焊层的硬度为45HRC。
实施例2制备得到的镍基焊丝在钢基体上进行堆焊，所获得的堆焊层的宏观形貌如图1所示。从图中可以看出，堆焊层成型较好，未发现宏观缺陷。堆焊层的低倍组织形貌如图2所示，可以看出堆焊层与基体Q235之间结合较好，未见裂纹、气孔等缺陷。图3为堆焊层的高倍组织形貌，以典型的奥氏体胞状数值晶为主，直径间的黑色物质为硬质颗粒相，例如M23C碳化物析出相。图4镍基堆焊层的摩擦磨损形貌，主要以黏着磨损为主，存在少量的犁沟状磨损形貌，表面耐磨性能较好。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉35.0％，Co粉18.0％，Mo粉7.0％，Mn粉12.0％，Al粉7.0％，Ti粉3.0％，TiC粉2.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在21wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的镍基焊丝进行钢基板上CMT堆焊层制备，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在2.5mm之间，单道宽度控制在11mm之间，两道之间的搭接量控制在3.5mm之间，总共进行2层堆焊。
经测试，镍基CMT堆焊层的硬度为41HRC。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉37.0％，Co粉19.0％，Mo粉8.0％，Mn粉14.0％，Al粉8.0％，Ti粉4.0％，TiC粉2.5％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为270℃，保温时间为2.3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1.5h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的镍基焊丝进行钢基板上CMT堆焊层制备，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在2.5mm之间，单道宽度控制在10.5mm之间，两道之间的搭接量控制在3.3mm之间，总共进行2层堆焊。
经测试，镍基CMT堆焊层的硬度为45HRC。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉39.0％，Co粉16.0％，Mo粉9.0％，Mn粉13.0％，Al粉9.0％，Ti粉3.5％，TiC粉1.8％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为220℃，保温时间为2.1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1.3h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的镍基焊丝进行钢基板上CMT堆焊层制备，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污。在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用所发明的镍基焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A。堆焊层单道厚度控制在3.6mm之间，单道宽度控制在11.5mm之间，两道之间的搭接量控制在3.8mm之间，总共进行2层堆焊。
经测试，镍基CMT堆焊层的硬度为44HRC。

Claims (4)

1.低稀释率镍基堆焊层用焊丝，其特征在于，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比包括如下成分：Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；药芯焊丝的填充率控制在20～25wt.％；焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
2.根据权利要求1所述的低稀释率镍基堆焊层用焊丝，其特征在于，药粉的粒度均为100～200目。
3.低稀释率镍基堆焊层用焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Cr粉30.0～40.0％，Co粉15.0～20.0％，Mo粉5.0～10.0％，Mn粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Ti粉2.0～5.0％，TiC粉1.0～3.0％，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～280℃，保温时间为2～3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为1～3h；
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中药芯焊丝的填充率控制在20～25wt.％；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
4.采用低稀释率镍基堆焊层用焊丝制备钢基板上CMT堆焊层的方法，其特征在于，具体步骤为：用钢丝刷打磨低碳钢板表面，去除铁锈，并用酒精进行清洗，去除油污；在上述清理干净的待堆焊钢板表面，采用权利要求1-2任一项所述的焊丝进行钢基板上的堆焊，选择CMT工艺，焊接电流为150～200A；堆焊层单道厚度控制在2～4mm之间，单道宽度控制在10～12mm之间，两道之间的搭接量控制在3～4mm之间，总共进行2层堆焊。
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