CN115121990A - 一种Incoloy825用节镍焊丝及其制备方法与焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接金属领域，具体涉及一种Incoloy825用节镍焊丝及其制备方法与焊接方法，焊丝包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100%。其制备方法为：将Mn粉、Cr铁、Ni粉、Nb粉、Ti粉、Y粉混合后烘干，然后310S钢带包裹，拉拔即得。本发明的药芯焊丝成本低，焊接Incoloy825合金，所得的接头强度高、韧性好，焊缝无缺陷产生。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料焊接领域，具体涉及一种Incoloy825用节镍焊丝及其制备方法与焊接方法。
背景技术
随着天然气在世界能源消耗比例逐年提升，天然气田开发规模也逐步扩大，随之而来的是对其采气、集气管道的耐蚀性提出了要求。目前，涉及应用最多的还是不锈钢管道，但不锈钢管道在某些高硫环境中期耐蚀性不能完全满足设计要求，因而耐蚀性更好的Incoloy825铁镍合金被纳入应用范围。
Incoloy825铁镍合金属于Ni-Fe-Cr系，主要用于耐热和耐蚀环境中。由于镍基奥氏体对耐蚀元素的固溶度远比铁基奥氏体大，因此能容纳更多Cr、Mo等元素，使其耐蚀性能明显优于不锈钢。在管道制备过程中，不可避免地要对管道进行纵缝和环缝焊接。Incoloy825合金中Ni、Fe、Cr元素含量较高，目前市面上通常采用镍基焊材进行焊接，镍基焊材以Ni含量为主，采用该焊材进行Incoloy825焊接属于高匹配原则。镍是国家战略资源，价格昂贵，因此开发出与Incoloy825相匹配的节镍型焊材具有重要工程实际意义。与此同时，Incoloy825钢焊接时具有较大的焊接热裂纹倾向性，合理进行焊接工艺设计是实现高质量Incoloy825接头的前提条件。
本发明从材料和工艺出发，针对Incoloy825合金，开发其匹配的耐热、耐蚀焊接材料，并设计合理的焊接工艺参数，从而获得高性能的Incoloy825焊接，满足其实际生产需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可有效保证Incoloy825合金焊接接头优异的耐蚀、耐高温性能的一种Incoloy825用节镍焊丝及其制备方法与焊接方法。
本发明一种Incoloy825用节镍焊丝，包括药粉和焊皮，所述药粉按质量百分比包括如下成分：Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉。
优选地，药粉的粒度均为100~200目。
优选地，焊皮为310S钢带。
优选地，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
优选地，药粉在焊皮内的填充率为30~35%。
一种Incoloy825用节镍焊丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉；
步骤2：将步骤1称取的药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200~250℃，保温时间为1~3h，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310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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。
采用一种Incoloy825用节镍焊丝进行Incoloy825合金焊接的方法，包括以下步骤：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为60±5°；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；若焊接时环境温度低于0℃的情况，则需对焊接坡口两侧50~80mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理。
优选地，第三步中，为了降低高温停留时间，在每层焊接后进行降温处理，严格控制层间温度在100℃以下。
本发明的有益效果是：
（1）本发明适用于Incoloy825合金的焊接，通过合理的合金元素选择和焊接工艺设计，可有效保证Incoloy825合金焊接接头优异的耐蚀、耐高温性能。
（2）本发明为了实现Incoloy825焊接接头与母材相匹配的耐蚀性能，设计以奥氏体组织为主，通过添加Mn元素、降低Ni元素的策略，在保证焊缝完全奥氏体组织的同时有效降低焊丝的生产成本；本发明为了实现Incoloy焊接接头与母材相匹配的耐高温性能，在药粉中添加一定量Cr元素。
（3）本发明焊丝在Ni、Cr、Fe主元素的基础上，设计添加Cu、Nb、Ti、Y等元素提高焊缝的综合性能：Cu和Ti元素有助于细化焊缝晶粒，通过细晶强化提高焊缝强度；Nb元素通过固溶于奥氏体基体中，实现对其强化；Y元素可以净化奥氏体基体晶界，减少杂质元素偏聚，提高焊缝的高温蠕变寿命。
（4）通过药粉配比可以灵活的调整焊丝的成分，生产周期短；相比于实心焊丝，药芯焊丝的熔覆效率更高。
附图说明
图1为实施案例2制备的药芯焊丝在Incoloy825合金上堆焊时，焊缝宏观形貌。
图2为实施案例2制备的药芯焊丝焊接Incoloy825合金时，焊缝金相组织形貌图。
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。
本发明一种Incoloy825用节镍焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比包括如下成分：Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100%。药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
（1）Ni元素：Ni为药芯焊丝的主要合金元素，可以保证焊缝金属完全的奥氏体组织，从而具有优异的耐高温、耐蚀性能。母材Incoloy825也以Ni为主，焊缝以Ni为主可以保证与母材的主成分匹配和组织匹配。
（2）Cr元素：Cr的主要作用是提高焊缝金属的抗高温腐蚀能力，当焊缝中Cr元素高于10%时，其在表面可以形成一层致密的Cr2O3膜，可以有效保护焊缝金属。此外，Cr对于Ni基合金来说是一个固溶强化元素，可以强化奥氏体基体强度。少量的Cr还可以生成Cr23C6型碳化物，进一步强化基体组织。
（3）Mn元素：Mn是奥氏体形成元素，因此可以用Mn来替换部分的Ni元素，从而起到降低焊丝成本的目的。此外，Mn可以提高镍基焊缝的抗裂性能，Mn也可以起到脱氧作用，减少焊缝气孔产生。
（4）Nb元素：Nb可以提高奥氏体基体的高温稳定性，并且可以通过生成laves相来提高基体的强度。Nb元素在焊缝金属中主要分布在晶体的晶界上，细小弥散分布的Nb可以提高晶界的结合强度。
（5）Cu元素：Cu是常用的耐蚀合金元素，在碳钢中，含Cu元素0.1~0.2%即可以获得优异的耐大气腐蚀性能；在镍基合金中，含Cu量在1~3%之间，可以保证镍基合金具有优异的耐缝隙腐蚀、耐点蚀性能。
（6）Ti元素：Ti元素首先可以固溶于奥氏体基体中，起到强化基体的作用。在镍基焊缝中，Ti元素主要以形成沉淀Nb-Ti沉淀强化相来提高焊缝的强度。在焊缝中存在1~2%的Ti元素，可以显著提高镍基焊缝的高温服役性能。
（7）Y元素：Y属于稀土元素，当其在焊缝中存在时，可以显著细化焊缝晶粒，起到细晶强化作用，此外，Y元素的添加可以净化奥氏体晶界，提高晶界的结合强度。当焊缝中含有0.1~0.5%的Y元素时，焊缝的高温蠕变寿命显著提高。
上述一种Incoloy825用节镍焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，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200~250℃，保温时间为1~3h，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310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用上述焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板，开具单边V型坡口，坡口角度为60±5°；Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，应对焊接坡口两侧50~80mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在100℃以下。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉15.0%，Cr粉15.0%，Cu粉6.0%，Nb粉3.0%，Ti粉3.0%，Y粉0.5%，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200℃，保温时间为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1h；
步骤3：采用酒精去除310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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并进行拉拔，最终获得直径1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用实施例1制备的焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板，开具单边V型坡口，坡口角度为55°；Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，对焊接坡口两侧50mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在60℃。
经测试，Incoloy825焊接接头抗拉强度为复合板焊接接头的抗拉强度为620MPa，端面收缩率为35%；焊缝组织为全奥氏体组织。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉25.0%，Cr粉20.0%，Cu粉10.0%，Nb粉5.0%，Ti粉5.0%，Y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310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用实施例2制备的焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为65°，Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，应对焊接坡口两侧80mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在50℃。
经测试，Incoloy825焊接接头抗拉强度为复合板焊接接头的抗拉强度为620MPa，端面收缩率为35%；焊缝组织为全奥氏体组织。
实施例2制备得到的焊丝在Incoloy825合金上进行堆焊时，堆焊层成型美观，飞溅较少，肉眼未见气孔、裂纹等缺陷；堆焊层的显微组织以奥氏体为主，组织呈现柱状树枝晶形貌，如图2所示。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉20.0%，Cr粉17.0%，Cu粉8.0%，Nb粉4.0%，Ti粉4.0%，Y粉1.3%，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230℃，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2h；
步骤3：采用酒精去除310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用实施例1制备的焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为55°，Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，应对焊接坡口两侧70mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在65℃。
经测试，Incoloy825焊接接头抗拉强度为复合板焊接接头的抗拉强度为630MPa，端面收缩率为37%；焊缝组织为全奥氏体组织。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉22.0%，Cr粉18.0%，Cu粉9.0%，Nb粉4.5%，Ti粉3.5%，Y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210℃，保温时间为1.3h，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310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用实施例1制备的焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为55°，Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，应对焊接坡口两侧60mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在30℃。
经测试，Incoloy825焊接接头抗拉强度为复合板焊接接头的抗拉强度为617MPa，端面收缩率为38%；焊缝组织为全奥氏体组织。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉16.0%，Cr粉19.0%，Cu粉9.0%，Nb粉3.5%，Ti粉4.5%，Y粉1.4%，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210℃，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2.3h；
步骤3：采用酒精去除310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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中药芯焊丝的填充量控制在30%～35%。
步骤3中焊皮为310S钢带，厚度0.4mm，宽度7mm。
采用实施例1制备的焊丝进行Incoloy825合金焊接时的工艺方法如下：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为55°，Incoloy825板厚度范围10~20mm；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；对于焊接时环境温度低于0℃的情况，应对焊接坡口两侧55mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理；
（4）为了降低高温停留时间，在每层焊接后采用湿毛巾对其焊缝表面进行擦拭降温处理，严格控制层间温度在40℃。
经测试，Incoloy825焊接接头抗拉强度为复合板焊接接头的抗拉强度为641MPa，端面收缩率为32%；焊缝组织为全奥氏体组织。
Claims (8)
1.一种Incoloy825用节镍焊丝，包括药粉和焊皮，其特征在于，所述药粉按质量百分比包括如下成分：Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉。
2.如权利要求1所述一种Incoloy825用节镍焊丝，其特征在于，所述药粉的粒度均为100~200目。
3.如权利要求2所述一种Incoloy825用节镍焊丝，其特征在于，所述焊皮为310S钢带。
4.如权利要求3所述一种Incoloy825用节镍焊丝，其特征在于，所述焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
5.如权利要求1所述一种Incoloy825用节镍焊丝，其特征在于，所述药粉在焊皮内的填充率为30~35%。
6.一种Incoloy825用节镍焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取药粉Mn粉15.0~25.0%，Cr粉15.0~20.0%，Cu粉6.0~10.0%，Nb粉3.0~5.0%，Ti粉3.0~5.0%，Y粉0.5~2.0%，其余为Ni粉；
步骤2：将步骤1称取的药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200~250℃，保温时间为1~3h，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310S钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在310S钢带内，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1.2mm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。
7.采用如权利要求1所述一种Incoloy825用节镍焊丝进行Incoloy825合金焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）Incoloy825板开具单边V型坡口，坡口角度为60±5°；
（2）对坡口及其两侧30mm范围内的表面进行清理，打磨直至露出金属光泽，并用丙酮清洗；若焊接时环境温度低于0℃的情况，则需对焊接坡口两侧50~80mm范围进行烘干处理；
（3）设计多层多道焊工艺，采用较小的焊接热输入，打底焊道电流范围为100~130A，填充、盖面焊道焊接电流范围为120~150A；焊接时背面进行氩气保护处理。
8.如权利要求7所述一种Incoloy825用节镍焊丝进行Incoloy825合金焊接的方法，其特征在于，第三步中，为了降低高温停留时间，在每层焊接后进行降温处理，严格控制层间温度在100℃以下。
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