CN114633045A - 一种适用于铁镍合金焊接的焊材及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于铁镍合金焊接的焊材,以重量百分比计包括:C0.1%~0.4%,Si≤0.20%,Mn 0.3%~0.7%,P≤0.005%,S≤0.003%,Ti 0.1%~0.6%,Al 0.04%~0.2%,Nb 1.20%~1.80%,Ni 35.0%~37.0%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还公开了采用该焊材的焊接方法。本发明的焊材具有优异的焊接性能。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域,具体涉及一种适用于铁镍合金焊接的焊材及其应用。
背景技术
铁镍合金Ni36由于膨胀系数极低,在一定温度范围内尺寸稳定,接近复合材料,是制造大规格航空航天构件模具的理想的材料。目前大飞机、大运载火箭结构重量的50%以上拟采用复合材料构件,复合材料制造大规格构件的技术已基本成熟。但是Ni36因瓦合金板材在制造大型模具的过程中需要焊接,而后还需经过热循环等处理过程,因此如何保证工件尺寸稳定性、力学性能、气密性等尤为重要。目前模具构件经常存在焊缝开裂、焊缝气孔、气密性不良、焊缝与母材热膨胀系数差距过大等一系列问题,直接影响后期复合材料的精密制造。
针对以上问题,目前急需一种适用于铁镍合金焊接的焊材,尤其适用于Ni36合金的焊接。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的是提供一种适用于铁镍合金焊接的焊材及其应用。
具体来说,本发明是通过如下技术方案实现的:
一种适用于铁镍合金焊接的焊材,以重量百分比计包括:C 0.1%~0.4%,Si≤0.20%,Mn 0.3%~0.7%,P≤0.005%,S≤0.003%,Ti 0.1%~0.6%,Al 0.04%~0.2%,Nb 1.20%~1.80%,Ni 35.0%~37.0%,余量为Fe和不可避免的杂质。
可选地,以重量百分比计还包括:Pb≤0.005%,Sn≤0.005%,As≤0.005%,Sb≤0.005%,Bi≤0.005%,并且,Pb、Sn、As、Sb、Bi的含量之和小于等于0.01%。
可选地,以重量百分比计还包括:N≤0.008%,O≤0.003%。
可选地,Ti+Nb≥1.5%。
可选地,5≤Nb/C≤9。
一种铁镍合金的焊接方法,采用上述的用于铁镍合金焊接的焊材进行焊接。
可选地,所述铁镍合金是Ni36合金。
上述的焊材在焊接铁镍合金中的应用。
相比于现有技术,本发明的适用于铁镍合金焊接的焊材及其应用,具有如下优点:
采用本合金对Ni36板材进行焊接,焊缝组织细化明显,无气孔产生,焊接母板无翘曲,焊接性能优异。
经过实验研究证明,焊缝处线膨胀系数:((20-100℃)≤1.2×10-6/℃;(20-200℃)≤2.0×10-6/℃。焊缝抗拉强度≥460MPa。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效,通过下述具体实施方式,对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外,其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明,否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
为了满足Ni36因瓦合金板材在制造大型模具时对焊接的要求,本发明的发明人对焊材成分设计进行了深入研究,从而提出了一种适用于铁镍合金焊接的焊材。
所谓Ni36合金或Ni36因瓦合金,是指牌号为Fe-Ni36低膨胀铁镍合金。
以重量百分比计,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括:C0.1%~0.4%,Si≤0.20%,Mn 0.3%~0.7%,P≤0.005%,S≤0.003%,Ti 0.1%~0.6%,Al 0.04%~0.2%,Nb 1.20%~1.80%,Ni 35.0%~37.0%,余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地,在本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材中,有害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi的含量分别不大于0.005%,并且,有害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi的含量之和不大于0.01%。
优选地,在本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材中,N元素含量≤0.008%,并且,O元素含量≤0.003%。
优选地,在本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材中,Ti元素和Nb元素的含量之和≥1.5%。
优选地,在本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材中,Nb元素和C元素的含量满足:5≤Nb/C≤9。
本发明通过对焊材元素进行选择并对元素含量进行优化设计,从而使各元素之间产生协同效果,具体如下:
C起到固溶强化与形成Nb、Ti析出物双重作用。C可以提高焊缝强度,改善焊缝金属流动性。同时C与Nb、Ti形成细小析出物,在焊缝金属凝固时起到形核核心作用,细化焊缝组织,改善韧性,避免气孔以及晶间微裂纹的产生。但是,过高的C含量会降低焊缝的韧性,同时会引起线膨胀系数的升高。含量过低则析出物质点较少,焊缝韧性改善不明显。因此,C含量控制在0.1%~0.4%。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括0.1%、0.2%、0.3%或0.4%的C。
Si在此合金中属于有害元素,容易产生低熔点共晶产物产生焊接热裂纹。因此,Si含量控制在≤0.2%。
Mn起到一定的固溶强化作用,同时Mn可与有害元素S和O生成MnS和MnO,具有脱硫和脱氧的作用。形成塑性夹杂物,对焊接韧性影响很小。但是,过高的Mn含量会使未形成析出物的Mn处于固溶状态,对焊缝韧性影响不利。因此,Mn含量控制在0.3%~0.7%。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括0.3%、0.4%、0.5%、0.6%或0.7%的Mn。
Ti、Nb主要起到组织细化及析出强化等作用,但是不宜过高,否则会产生尺寸较大的一次析出物,从而恶化焊缝韧性。因此,Ti含量控制在0.1%~0.6%,Nb含量控制在1.20%~1.80%。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%或0.6%的Ti。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括1.20%、1.30%、1.40%、1.50%、1.60%、1.70%或1.80%的Nb。
Al在合金中主要起到脱氧作用,使合金纯净度提升。同时如果采用二联电渣工艺生产,适量的Al对抑制Ti烧损起到非常重要的作用。但是Al含量不宜过高,否则会增加夹杂物数量。因此,Al含量控制在0.04%~0.2%。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%或0.20%的Al。
Ni属于重要的合金元素,起到降低及稳定膨胀系数的作用。因此,Ni含量控制在35.0%~37.0%。
例如,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材包括35.0%、35.2%、35.4%、35.6%、35.8%、36.0%、36.2%、36.4%、36.6%、36.8%或37.0%的Ni。
N含量过高,会与Nb元素形成粗大的NbN析出物,对焊缝组织产生不利影响。因此,N含量控制在不超过0.008%。
O元素过高会在焊缝处形成氧化物夹杂,此类夹杂物会成为裂纹源,影响焊缝成型及力学性能。因此,O含量控制在不超过0.003%。
控制Ti+Nb≥1.5%,Ti和Nb是双稳定元素,与C元素形成TiNbC析出物,此类析出物在凝固过程中析出,尺寸细小,会作为形核质点,从而细化凝固组织,提升焊缝综合性能。
Nb与C的原子量比值约为7.7,质量分数比值介于5≤Nb/C≤9,能够充分发挥Nb的碳化物析出作用。
通过特定配比的元素之间的相互配合,本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材具有优异的焊接性能。采用本合金对Ni36板材进行焊接,焊缝组织细化明显,无气孔产生,焊接母板无翘曲。焊缝处线膨胀系数:在20℃~100℃范围的线膨胀系数(20-100℃)≤1.2×10-6/℃;在20℃~200℃范围的线膨胀系数(20-200℃)≤2.0×10-6/℃。焊缝抗拉强度≥460MPa。
本发明提供的用于铁镍合金焊接的焊材可以采用常规的合金生产方法来制备,例如,采用包括冶炼、锻造/轧制、拉拔、热处理等步骤的方法来制备。在实际生产过程中,本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的方法和工艺条件,此处不做赘述。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件,或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例的焊材的元素组成如表1所示,并且,N 0.003%,O 0.001%,Ti+Nb=1.8%;Nb/C=7.38。
本实施例的焊材的制备方法如下:
对坯料进行轧制开坯及线材轧制,坯料加热温度1200℃,线材轧制规格φ5.5mm。将盘条拉拔成焊丝,规格φ1.2mm。
采用本实施例的焊材对Ni36中板进行焊接,焊缝无气孔产生。
焊接后,切取焊缝,按照GB/T 4339方法进行热膨胀系数测量。带焊缝拉伸测试方法,按照GB/T 228进行,其中焊缝位于拉伸试样标距中间位置。
焊缝处线膨胀系数:(20-100℃)=0.9×10-6/℃;(20-200℃)=1.89×10-6/℃。
带焊缝拉伸测试,断裂在母材处,实测抗拉强度465MPa。
实施例2
本实施例的焊材的元素组成如表1所示,并且,N 0.0027%,O 0.0012%,Ti+Nb=1.77%;Nb/C=5.92。
本实施例的焊材的制备方法如下:
对坯料进行轧制开坯及线材轧制,坯料加热温度1200℃,线材轧制规格φ5.5mm。将盘条拉拔成焊丝,规格φ2.4mm。
采用本实施例的焊材对Ni36中板进行焊接,焊缝无气孔产生。
焊接后,切取焊缝,按照GB/T 4339方法进行热膨胀系数测量。带焊缝拉伸测试方法,按照GB/T 228进行,其中焊缝位于拉伸试样标距中间位置。
焊缝处线膨胀系数:(20-100℃)=0.97×10-6/℃;(20-200℃)=1.96×10-6/℃。
带焊缝拉伸测试,断裂在母材处,实测抗拉强度472MPa。
实施例3
本实施例的焊材的元素组成如表1所示,并且,N 0.0035%,O 0.001%,Ti+Nb=1.92%;Nb/C=8.47。
本实施例的焊材的制备方法如下:
对坯料进行轧制开坯及线材轧制,坯料加热温度1200℃,线材轧制规格φ5.5mm。将盘条拉拔成焊丝,规格φ1.2mm。
采用此焊丝对Ni36中板进行焊接,焊缝无气孔产生。
焊接后,切取焊缝,按照GB/T 4339方法进行热膨胀系数测量。带焊缝拉伸测试方法,按照GB/T 228进行,其中焊缝位于拉伸试样标距中间位置。
焊缝处线膨胀系数:(20-100℃)=0.82×10-6/℃;(20-200℃)=1.94×10-6/℃。
带焊缝拉伸测试,断裂在母材处,实测抗拉强度469MPa。
表1单位:重量%
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于铁镍合金焊接的焊材,其特征在于,以重量百分比计包括:C 0.1%~0.4%,Si≤0.20%,Mn 0.3%~0.7%,P≤0.005%,S≤0.003%,Ti 0.1%~0.6%,Al0.04%~0.2%,Nb 1.20%~1.80%,Ni 35.0%~37.0%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于铁镍合金焊接的焊材,其特征在于,以重量百分比计还包括:Pb≤0.005%,Sn≤0.005%,As≤0.005%,Sb≤0.005%,Bi≤0.005%,并且,Pb、Sn、As、Sb、Bi的含量之和小于等于0.01%。
3.根据权利要求1所述的用于铁镍合金焊接的焊材,其特征在于,以重量百分比计还包括:N≤0.008%,O≤0.003%。
4.根据权利要求1所述的用于铁镍合金焊接的焊材,其特征在于,Ti+Nb≥1.5%。
5.根据权利要求1所述的用于铁镍合金焊接的焊材,其特征在于,5≤Nb/C≤9。
6.一种铁镍合金的焊接方法,其特征在于,采用权利要求1~5任一项所述的用于铁镍合金焊接的焊材进行焊接。
7.根据权利要求6所述的焊接方法,其特征在于,所述铁镍合金是Ni36合金。
8.权利要求1~5任一项所述的焊材在焊接铁镍合金中的应用。
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